微波通信和卫星通信.doc

现代通信技术辅导7 第七章 微波通信和卫星通信一、知识点微波通信。卫星通信。二、重点难点内容微波通信是在 20 世纪 40 年代至 50 年代开始使用的无线电通信技术，经过多年的发展己经获得广泛的应用。微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。模拟微波通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波通信所取代，数字微波通信已成为一种重要的传输手段，并与卫星通信，光纤通信一起作为当今三大传输手段。卫星通信可看作微波通信的一个具体应用，所以把微波通信和卫星通信放在同一章中。学习中注意比较卫星通信和地面微波通信的异同点。 （一）微波通信本节主要讲述微波通信的概念和特点，微波通信系统的基本组成，微波站的设备组成及微波的传输特性和抗衰落技术。 1. 微波通信的概念和特点 （1）微波的频段划分无线电波波段的划分如表 1 所示。 表（一） 无线电波波段的划分 整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波（3kHz3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、x 射线、射线和宇宙射线。微波是超高频率的无线电波。由于这种电磁波的频率非常高，故微波又称为超高频电磁波。电磁波的传播速度与其频率 f 、波长又有下列固定关系： 若微波是在真空中传播，则速度为 微波频段的波长范围为 lmlmm ，频率范围为 300MHz300GHz ，可细分为特高频 (UHF) 频段分米波频段、超高频（SHF）频段厘米波频段、极高频（EHF）频段毫米波频段和至高频频段亚毫米波频段。实际工程中常用拉丁字母代表微波小段的名称，例如 S , C , X 分别代表10厘米波段、5 厘米波段和 3 厘米波段； Ka，U，F分别代表8毫米波段和3毫米波段等等，详见表2。 表（二） 微波频段的划分 （2）微波中继通信的概念微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。 A , B 两地间的远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图1 所示。 图一 远距离地面微波中继通信系统的中继示意图对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个：首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此，若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信跟离。微波中继通信主要用来传送长途电话信号、宽频带信号（如电视信号）、数据信号、移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等，还可用于山区、湖泊、岛屿等特殊地形的通信。 （3）微波通信的特点 (a) 通信频段的频带宽，传输信息容量大微波频段占用的频带约 300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足 30MHz。一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号。 (b) 通信稳定、可靠当通信频率高于100MHz 时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小。数字微波通信中继站能对数字信号进行再生，使数字微波通信线路噪声不逐站积累，增加了抗于扰性。因此，微波通信较稳定和可靠。 (c) 接力在进行地面上的远跟离通信时，针对微波视距传播特性和传输损耗随题离增加的特性，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。 (d) 通信灵活性较大微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性。(e) 天线增益高、方向性强当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。由于微波通信的卜作波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线。这样可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播特方向对准下一接收站，减少通信中的相互于扰。 (f) 投资少、建设快与其他有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。(g) 数字化对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统。2数字微波通信系统的组成数字微波通信系统的组成可以是一条主干线，中间有若干支线，其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。 (1) 微波通信系统的基本设备 广义地说，数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。甲地如图 2 所示。狭义地说，数字微波通信系统设备仅仅指微波站设备。用户终端是逻辑最靠近用户的输入输出设备，如电话机、传真机等。用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。交换机的作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地（对端交换机所辖范围）用户终端之间的业务互通。交换机配置在微波终端站或微波分路站。终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机；将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终端复用设备是脉冲编码调制（PCM）时分复用设备。 图二 数字微波通信系统设备组成示意图终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号。微波站分为终端站、分路站、枢纽站和中继站。处于主干线两端或支线路终点的微波站称为终端站，在此站可上、下全部支路信号。处于微波线路中间，除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路信号外，还可以沟通卜线上两个方向之问通信的微波站称为分路站。配有交叉连接设备，除了可以在本站上下某收、发信波道的部分支路信号外，可以沟通干线上数个方向之间通信的微波站称为枢纽站。处于微波线路中间，不需要上下话路的微波站称为中继站，此站无用户终端、交换机、终端复用设备，只对信号进行解调、判决、再生至下一方向发信机。 (2) 微波通信系统的简单工作过程用图2 来说明微波通信系统传输长途电话的简单工作过程。甲地发端用户的电话信号，首先由用户所属的市话局送到该端的微波站（或长途电信局）。时分多路复用设备将多个用户电话信号组成基带信号，基带数字信号在调制一解调设备中对 70MHz 的中频信号进行调制。调制器输出的 70MHz 中频已调波送到微波发信机，经发信混频得到微波射频己调波，这时已将发端用户的数字电话信号载到微波频率上。经发端的天线馈线系统，可将微波射频己调波发射出去，若甲、乙两地相距较远，需经若干个中继站对发端信号进行多次转发。信号到达收端后，经收端的天线馈线系统馈送到收信机，经过收信混频后，将微波射频已调波变成 70MHz 中频己调波，再送到调制一解调设备进行解调，即可解调出多个用户的数字电话信号（即基带信号）。再经收端的时分多路复用设备进行分路，将用户电话信号送到市话局，最后到收端的用户终端（电话机），送给乙地用户。 3微波站设备数字微波站的主要设备包括微波发信设备、微波收信设备、微波天线设备、电源设备、监测控制设备等。这里介绍数字微波收发信设备的组成、主要性能指标和中继设备及中继站的转接方式。 (1) 发信设备 (a) 发信设备的组成在中频调制方式发信设备中，数字微波发信机将中频调制器送来的中频（70MHz）数字调相信号经延时均衡和中频放大后送到发信混频器，与发信本振棍频，经过边带滤波器取出所需微波信号，经微波功率放大器放大到所需功率，再通过分路滤波器送至天线发射。为保证末级功率放大器不超出自线工作范围，以免产生过大的非线性失真，需采用自动电平控制电路把输出功率维持在合适的电平上。在发信设备中，信号的调制方式可分为中频调制和微波直接调制。目前的微波中继系统中大多数采用中频调制方式，勤务信号经常采用微波调制方式。发信设备的组成如图 3 所示。 (b) 发信设备的主要性能指标 工作频段 图三 发信设备组成方框图微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。对于较长距离的微波中继，其上要主作频段是 1.7GHz12GHz , 12GHz 以上频段口前使用不多。我国选用 2GHz, 4GHz, 6GHz, 7GHz, 8GHz , l1GHz 作为微波通信的主要工作频段，其中 2GHz , 4GHz , 6GHz 频段主要用于干线微波中继，2GHz , 7GHz , 8GHz , 11GHz 主要用于支线或专用网。 输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。输出功率的确定与设备的用途、站距、衰落影响及抗衰落方式等因素有关。数字微波发信设备的输出功率一般为几十毫瓦到一瓦左右。 频率稳定度微波通信对频率稳定度的要求取决于所采用的通信制式以及对通信质量的要求。发信机的工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。数字微波通信系统多采用 PSK 调制方式，若发信机工作频率不稳，有漂移，将使解调的有效信号幅度下降，误码率增加。一般频率稳定度可以取 110-5210-5左右。目前较好的介质稳频振荡器可达到110-5210-5左右。当对频率稳定度有严格要求时，例如，要求 110-6510-6时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡源。 （2）收信设备 (a) 收信设备的组成微波收信设备包括射频系统、中频系统和群频系统（数字解调器等）三部分。收信机将分路滤波器选出的射频信号进入具有自动益控制（AGC）的低噪声微波放大器放大后，送到收信混频器，混频器将射频信号变成中频信号，经前置中放、中频滤波、延时均衡和主中放得到中频调相信号，再送往解调器。延时均衡器将发信机、收信机、馈线和分路系统产生的群延时失真进行均衡。主中放有自动增益控制（AGC）电路，自动增益控制电路是微波中继收信机不可缺少的一部分，如果没有这部分电路，当发生传输衰落时，解调器就无法工作。以正常传输电平为基准，低于这个电平的传输状态称为下衰落，高于这个电平的传输状态称为上衰落。假定数字微波通信的上衰落为 5dB，下衰落为-40dB，其动态范围为45dB。当收信电平变化时，若仍要求收信机的额定输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设有自动益控制（AGC）电路，使之当收信电平下降时，中放增益随之增大；收信电平增大时，中放增益随之减小。收信设备的组成如图4 所示。 (b) 收信设备的主要性能指标 作频段收信机与发信机是配合工作的。对于一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是木收信机同一波道的收信频率。频段使用同发信机。各频段使用的频段宽度为 400MHz 600MHz 左右，其中包括 68 个工作频段。 图四 收信设备组成方框图 收信机的本振频率稳定度收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，通常为110-5210-5，高性能发信机可达 110-6510-6。收信本振和发信本振常采用同一方案，用两个相互独立的振荡器，在有些中继设备里，收信本振功率是山发信木振功率取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率间隔约 300MHz 左右。这种方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。 噪声系数噪声系数是收信设备的重要指标。数字微波收信机的噪声系数一般为 3dB7dB。噪声系数的基本定义为：在环境温度为标准室温（17），一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数 Np 等于输入端的信噪比与输出端信噪比的比值。收信机本身产生的热噪声功率越大，Np 值就越大，也就是说 Np 值是衡量收信机热噪声性能的一项指标。 通频带收信机要使接收的已调信号无失真地通过，就要具有足够的工作频带宽度，即通频带。为了有效地抑制噪声于扰；获得最佳信号传输，应该选择合适的通频带和通频带形状。接收机的通频带特性主要由中频滤波器决定。 选择性选择性是指接收机只接收本波道的信号，对通频带以外各种干扰具有抑制能力，尤其是要抑制邻近波道干扰、镜像干扰和本机收发之间的干扰等。 （3）中继设备 (a) 中继设备的类型目前我国投入使用的中、小容量数字微波中继设备以三次群设备（34Mbit/s，480 路）为主，大容量设备以四次群设备（140Mbit/s，1920 路）为主。 34Mbit/s 数字微波中继设备 34Mbit/s数字微波中继设备可用于国内长途通信支线电路、省内干线电路及专用通信网。该类设备是三次群数字复用设备的无线传输设备，码速率为 34.368Mbit/s，简写为34Mbit/s 每个波道可传输 480 路数字电话信号，通过二次复用实现电报、数据、广播及会议电视等非电话通信业务，并具有远程监控、无人值守的功能。目前我国可生产 2GHz , 4GHz , 6GHz , 7GHz, 8GHz 等频段的数字微波中继设备。以6GHz , 7GHz 频段的设备为例，表 3 列出了其主要性能指标。 表（三） 数字微波中继设备主要性能指标 140Mbit/s数字微波中继设备表4表6 介绍了我国引进的三种140Mbit/s挑大容量数字微波中继设备的有关性能指标。 表 (四) 日本 NEC-5005 系统的有关性能指标 表（五） 意大利 CTE CTRI86系统的有关性能指标 表（六） 加拿大北方电信公司RD-6B 系统的有关性能指标 (b) 中继方式微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信机转接信号时的接口频带划分的，分为三种方式：基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式。 基带转接方式中继站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。已调信号经过变频输出载频为f1的微波信号，该信号经微波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。基带转接方式如图 5 所示。 图五 基带转接方式 因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。对再生转接而言，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。 中频转接方式中间站把来自某一通信方向的载频为石的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f1的微波信号。该信号经微波功放、天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。中频转接方式如图6 所示。因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解调引入的失真和噪声。中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。 图六 中频转接力式 微波转接方式微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频刀，相对于收信载频石；需要移频，即移频振荡器的频率等于f1与f1之差。另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益控制措施。微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。微波转接方式如图 7 所示。 图七 微波转接方式 (c) 调制方案与调制方式如果要使数字基带信号以某种形式在带通微波无线电信道中传输，必须在发送端用数字基带信号调制微波载波，在接收端进行信号解调，这需要相应的调制与解调方式。数字微波中继通信系统微波发信机有两种调制方案。 射频调制射频调制发信机的方框图如图 8 所示。微波振荡器输出的射频载波信号进行调制，已调信号经过微波功放和微波滤波后通过天馈系统发送出去。这种发信机结构简单，但其关键设备微波功率放大器的制作难度较大，通用性也较差。 中频调制中频调制发信机的方框图如图 9 所示。来自数字复用设备的信码经过码型变换后，对对中频振荡器输出的中频载波信号进行调制，已调信号先经过功率中放、上变频，再经过微波功放和微波滤波，最后通过天馈系统发送出去。这种发信机的通用性较好。 图八 射频调制发信机方框图可用于数字微波中继通信系统的调制方式很多，表6 中列出了一些数字调制方式，它们都是在幅移键控 ASK、频移键控 FSK 和相移键控 PSK 这三种基本调制方式上发展而来的。在选择数字微波中继通信系统的调制方式时，考虑的主要因素有：频谱利用率、抗干扰能力、对传输失真的适应能力、抗衰落能力、勤务信号的传输方式及设备的复杂程度等。 图九 中频调制发信机力框图 表（七） 数字调制方式的最佳解调性能比较表 表中，归一化信噪比 Eb / No = 1019g(Pr / ( No fb）)( dB )；Eb：为一个比特周期内的信号能量；No：为高斯白噪声的单边功率谱密度；Pr：为接收到的最大稳态信号功率；fb：为多进制调制以前三进制序列的传输速率；频谱利用率：表示单位频带内的信息传输速率，定义为：= fbB；B：为传输带宽。选择调制方式时，应根据数字微波中继通信系统的容量等级，并综合考虑各种因素来选择。对于小容量系统，以选择 4PSKj/4DPSK 为主，也可选择 2PSK / 2DPSK 或 2FSK；对于中容量系统，以选择 4PSK/4DPSK 为主，也可选择 8PSK 或 2PSK /2DPSK；对于大容量系统，以选择 16QAM 为主，也可选择 8PSK 。今后将逐步采用频谱利用率更高的调制方式，如 64QAM , 256QAM 等。 2PS/2DPSK 设备简单、抗干扰能力强，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但频谱利用率不高。2FSK 设备简单，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但其频谱利用率和抗干扰能力都比 2PSK / 2DPSK 弱。4PSK / 4DPSK 的频谱利用率是 2PSK / 2DPSK 的两倍，抗干扰能力与后者一样，设备复杂程度只有少许增加，对衰落信道的适应能力适中，对信道的线性指标要求也不太高。8PSK 与 4PSK/DPSK 相比，具有更高的频谱利用率，但设备复杂程度有所增加，对信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施来改善性能。16QAM 的频谱利用率很高，设备也不太复杂，但对信道的幅相畸变、线性性能以及电波传播的频率选择性衰落都比较敏感，需要采取信道线性化措施和均衡措施，这将增加设备的复杂性和设备的成本。其他多信号状态调制方式（如 64QAM, 256QAM 等）都在具有很高频潜利用率的同时存在类似 16QAM 需要解决的问题，但这些问题随着技术进步，己经得到不同程度的解决。 (d ) 射频波道的频率配置对两套对通的微波收发信机而言，它们的射频频带宽度是有限的，因而其传输容量也是有限的。为了增加微波中继通信系统的传输容量，各微波站在每个通信方向上可以使用多套微波收发信机同时工作，而同一方向的每套收发信机必须使用不同的微波收发频率，以避免相互干扰。这样，每两套对通的微波收发信机构成了一条独立的双向微波信道，称为射频波道。因此，在一条微波中继通信线路上，相邻两个微波站之间将有多条射频波道。所谓射频披道的频率配置，就是如何分配各相邻两条微波站之间各条射频波道收发信机的微波收发频率。频率配置的基本原则是尽可能在给定的微波频段内多安排一些波道，以增加传输容量；尽可能减小波道之间的相互千扰，以保证系统总体指标和通信质量；尽可能有利于通信设备的标准化、系列化生产，以便于维修和降低成本。当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间只有一条波道上作时，其频率配置称为单波道频率配置。常采用二频制方案，即整个微波线路共使用两个不同的微波频率f1，f2，且这两个频率在两个信息传输方向上都是交替出现的，如图 10 所示。 图十 频制频率配置单波道频率配置还可采用四频制方案，即整个微波线路共使用四个不同的微波频率f1，f2，f3和f4，f2，f4与f1，f3各组成一条双向波道，这两条双向波道在两个信息传输方向上交替出现，如图11 所示。 图十一 四频制频率配置采用二频制方案时，每个中间站的两个通信方向的收发频率均相同，但收发频率逐站更换一次。其优点是占用频带窄（频谱利用率高），缺点是存在反向干扰和越站同频干扰问题。反相干扰是指一个通信方向的收信机会收到相反通信方向的同频干扰信号，这就要求天线必须具备较高的前后比。为防止越站同频干扰，在微波线路设计和站址选择时应妥善安排。采用四频制方案时，没有反向干扰问题，但仍然存在越站同频干扰问题，且其占用频带比二频制方案宽一倍。越站干扰示意图如图 12 所示。 图十二 越站干扰示意图当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间有多条波道同时工作时，其频率配置称为多波道频率配置，此时应参考CCIR 的有关建议配置频率。例如，对于2GHz 和4GHz 频段的微波中继通信系统的多波道频率配置，CCIR 382 -3 号建议推荐了两种方案，即交错制（相间式）方案和分割制（分集式）方案，这两种方案都基于各相邻两个微波站之间共有 6 条波道同时工作，整个微波线路共使用 12 个不同微波频率f1，f2，f3，f4，f5，f6与f1，f2， f3， f4，f5， f6。4. 微波的传播特性与补偿技术（1）微波的传播特性 (a) 无线电波的多径传播特性无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波，对流层反射波，电离层波和地波。表面波传播：就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，如图 13 中的1所示。电波在地球表面上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与带电波的频率，地面的性质等因素有关。天波传播：就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如图 13 中的 2 所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。散射传播：就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如图 13 中的 4 所示。对流层在地球上力约 10 英里（=16.09 公里）处，是异类介质，反射指数随着高度的增加而减小。外层空间传播：就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。如图13 中的 5 所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视跟传播。视线距离通常为 50km 左右，如图 13 中的 3 所示。散射体电离层必(b) 微波在自由空间的传播损耗无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间。 均匀无损耗的无限大空间； 各向同性； 电导率为 0 。介电系数 图十三 无线电波的多径传播特性示意图导磁系数= 410 -7H / m （亨米）。应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗 Ls，的表达式为： Ls（dB）= 32.45 + 201g f（MHz）+ 20lg d ( km) (或=92.45 + 201 gf（GHz ) + 20lgd ( km ) ) 其中 d 为收、发天线间距离， f 为工作频率。从自由空间损耗公式可以看出传播即离 d 和使用频段 f 成反比。设发射功率为 Pt ，发射天线增益为 G t ( dB ) ，发端馈线系统损耗为 L f t（dB）；发端分路系统损耗为L bt ( dB)。接收功率为 Pr ；接收天线增益为 G r ( dB )，收端馈线系统损耗为 Lfr ( dB ) ，收端分路系统损耗为 Lbr ( dB)。在自由空间传播的条件下，接收机的输入电平为：Pr ( dBm ) = Pt（dBm）+ ( G t + G r) （ L f t+ Lfr）（ L bt + Lbr ）Ls (c) 影响微波传播损耗的因素影响微波传播损耗的主要因素有以下几个方面： 大气吸收衰减我们知道，任何物体都是由带电的粒子组成，这些粒子都有其固定的电磁谐振频率。当通过这此物质的电磁频率接近这些谐振频率时，这些物质对微波就会产生共振吸收。大气中的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从微波中吸收能量，使微波产生衰减。一般说来，水蒸气的最大吸收峰在= 1.3cm 处，氧分子的最大吸收峰则在=0 . 5cm 处。对于频率较低的电磁波，站与站之问的跳离是 50km 以上时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。 雨雾衰减由于雨雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰减。一般来讲，10GHz 以下频段雨雾的散射衰耗并不太严重，通常50km 两站之间只有几分贝。但若在10GHz 以上，散射衰耗将变得严重，使得站与站之间的即离受到散射的限制，通常只有几公里。 地面反射的影响在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在以下几个方面： 树林、山丘、建筑物等建筑物能够阻挡一部分电磁波的射线，从而增加了损耗。 平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗。有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射波对直射波产生的影响，反射是电平产生衰落的主要因素。地面反射对电波传播的影响如图14 所示。 图十四 地而反射对电波传播的影响根据惠更斯一费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球向波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化我们引入费涅耳区的概念。由图15 可见r1+ r2d 就是反射波和直射波的行程差=n2。显然当是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R点的作用是相同的目是最强的，此时的场强得到加强；而加为半波长的偶数倍长时，反射波在R点的作用是相互抵消的，此时 R 点的场强最弱。我们就把这些 n 相同的点组成的面称为费涅耳区。费涅尔区的概念对于信号的接收，检测，判断有重要的意义。 图十五 费涅耳区 对流层对电波的影响 无线电波在传输过程中，一般认为自由空间是均匀的介质。然而实际上，电磁波传输的实际介质是大气层，而大气是在不断变化的，这种变化对微波的传输是会产生影响的，特别是距地面约10km 以下的被称为对流层的低层大气层对微波的传输影响最大。因为对流层集中了大气层质量的3 / 4，当地面受太阳照射温度上升时，地面放出的热量使低层大气受热膨胀，因而造成了大气的密度不均匀，于是产生了对流运动。在对流层中，大气的成分、压强、温度、湿度会随着高度的变化而变化，会使得微波产生吸收、反射、折射和散射等影响。我们知道，电磁波在自由空间中的传播速度是= c = 3l08 m/s。在真实的大气中，电波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度之比被称为折射率。折射率受大气压力，温度，湿度的不同而会变化。由于大气的折射作用，实际的电波不再是按直线传播，而是按曲线传播，根据折射效果的不同可以分成正折射，负折射和无折射。正折射又可以分成标准折射，临界折射和超折射。无折射就是大气的折射率不随大气的垂直高度变化而变化。负折射顾名思义就是由于折射率随高度增加而增加，使得电波的传播方向与地球的弯曲的方向相反。正折射的意思当然是恰恰相反。折射的分类如图16 所示。 图十六 折射的分类 (d) 电波衰落现象微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，这种现象称为衰落。衰落的大小与气候条件，站距的长短有关。衰落的时间长短不一，程度不一。有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落；有的衰落持续时间很长几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。而接收电平高于自由空间的传播的电平时，则称为上衰落。显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型： 吸收衰落：就是大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量，这就导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。 雨雾引起的散射衰落：这是由于雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。 K 型衰落：这是由于多径传输产生的干涉型衰落，是当直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差，使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落。由于这种衰落与行程差r 有关，而r是随大气的折射参数 K 值的变化而变化的，故称为 K 型衰落。这种衰落在水面，湖泊，平滑的地面时显得特别严重。除了地面的反射以外，大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射，也可以造成电波的多径传输，在接收点产生干涉型衰落。 波导型衰落：由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的结构，当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象，称为大气波导传播。若微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层外，如图17 所示。则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外，还有“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断。大气波导 图十七 大气波导传播 闪烁衰落：对流层中的大气常发生的体积大小不等，无规则的漩涡运动，这些称为大气湍流。大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不会造成通信的中断。 （2）微波通信常用的补偿技术 (a) 均衡在 SDH 微波接收设备中一般先使用频域均衡器，后接中频时域均衡器或基带时域均衡器。频域均衡器主要用于减少频率选择性衰落的影响。有选择性衰落时，收信号的幅度下降较大，时域均衡很难正常工作。所谓频域均衡是利用中频通道插入的补偿网络的频率特性去补偿实际信道频率特性的畸变。若传输函数为 H（），则要求频域均衡器的传输函数 E（）= l / H（）。但是频域均衡器只能均衡最小相位衰落。非最小相位衰落，则必须引入时域均衡器。时域均衡是利用波形补偿法将失真的波形加以校正。时域均衡器习惯上也称为横向滤波器。(b) 分集接收在微波中继通信系统中，由于存在多径衰落，使通信可靠性受到严重威胁。采用分集接收技术是抗多径衰落的有效措施之一。所谓分集接收，用两套（或多套）收信设备接收同一个信号由发射设备发射的经两条（或多条）不同路径传播的信号，不会同时发生衰落的两路（或多路）信号，并经过某些处理后，在接收端以一定方式将其合并。这样，当其中一个信号发生衰落时，另外一个（或多个）信号不一定也衰落，只要采用适当的信号合成方法就可保证一定的接收电平，克服或改善衰落的影响。目前，常用的分集接收技术有频率分集、空间分集和混合分集等三种。这三种技术都假设两个（或多个）射频信号在传播过程没有同时发生衰落。频率分集是在发信端将一个信号利用两个间隔较大的发信频率同时发射，在收信端同时接收这两个射频信号后合成，由于工作频率不同，电磁波之间的相关性极小，各电磁波的衰落概率也不同。频率分集抗频率选择性衰落特别有效，但付出的代价是成倍地增加了收发信机，且需成倍地多占用频带，降低了频谱利用率。频率分集示意图如图 18 所示。 图十八 频率分集示意图空间分集是在收端利用空间位置相距足够远的两副天线，同时接收同一个发射天线发出的信号。因为电磁波到达高度差为h 的两副天线的行程差不同，所以：某一副天线收到的信号发生衰落时，另一副天线收到的信号不一定也衰落，当h 足够大时（h ，为入射波波长），则两路收信号差别较大，对几乎所有深衰落都不相关。两路收信号经时延、相位或幅度调整后，将按一定的规则进行合成，以减少电波衰落的影响，同时可以提高收信电平。空间分集需要增加收信机，其频谱利用率比频率分集高。空间分集示意图如图 19 所示。 图十九 空间分集示意图混合分集是将频率分集与空间分集结合，以保持两种分集的优点。无论采用哪种分集接收技术，都要解决信号合成的问题，常用的信号合成方法有以下三种： 优选开关法由电子开关切换。开关切换既可在中频进行，也可在解调后的基带上进行。该方法电路简单 线性合成法该方法将两路信号经校相后线性相加。这一过程通常在中频上进行，电路比较复杂。当两路信号衰落都不太严重时，该方法对改善信噪比很有利；当某路信号发生深衰落时，其合成效果不如优选开关法。 非线性合成法该方法是前面两种方法的综合，即当两路信号衰落都不太严重时，采用线性合成法；当某路信号发生深衰落时，则采用优选开关法。5数字微波通信技术的发展及应用（1）数字微波通信技术的发展微波通信技术问世已有半个多世纪，是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段。例如，我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。20世纪70年代起研制出了中小容量（如 8Mbit/s, 34Mbit/s）的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果。20世纪 80 年代后期，随着同步数字系列（SDH）在传输系统中的推厂应用，出现了 N155Mbit/s 的 SDH 大容量数字微波通信系统。现在，数字微波通信和光纤、卫星一起被称为现代通信传输的三大支柱。随着技术的不断发展，除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们的重视。工作在 28GHz 频段的 LMDS（本地多点分配业务）已在发达国家大量应用，预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。目前数字微波通信技术的发展主要有以下几方面： (a) 提高 QAM 调制级数及严格限带为了提高频谱利用率，一般多采用多电平 QAM 调制技术，目前己达到 256QAM 和 512QAM，很快就可实现 1024QAM / 2048QAM。与此同时，对信道滤波器的设计提出了极为严格的要求：在某些情况下，其余弦滚降系数应低至 0.1。现已可做到 0.2 左右。 (b) 网格编码调制及维特比检测技术为降低系统误码率，必须采用复杂的纠错编码技术，但由此会导致频带利用率的下降。为了解决这个问题，可采用网格编码调制（TCM）技术。采用TCM技术需利用维特比算法解码。在高速数字信号传输中，应用这种解码算法难度较大。 (c) 自适应时域均衡技术使用高性能、全数字化二维时域均衡技术减少码间干扰、正交干扰及多径衰落的影响。(d) 多载波并联传输多载波并联传输会显著降低发信码元的速率，减少传播色散的影响。运用双载波并联传输可使瞬断率降低到原来的1 / 10 。 (e) 其他技术如多重空间分集接收、发信功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除电路等。 (2 ) 数字微波通信系统的应用由于微波具有频率高，频带宽，信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信，微波中继通信，移动通信和卫星通信。数字微波通信系统的主要应用场合如下。 ( a) 干线光纤传输的备份及补充如点对点的SDH 微波、PDH 微波等。主要用于干线光纤传输系统在遇到自灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。(b) 边远地区和专用通信网中如农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合，这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。 (c) 城市内的短距离直线连接如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等。既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。(d) 无线微波接入系统可将微波技术用于未来的宽带业务接入（如 LMDS），详细内容见本书 8.5 无线接入技术。 (3) 微波扩频通信技术及应用扩展频谱（Spread Spectrum）技术是一种常用的无线通信技术，简称展频技术。展频技术的无线局域网络产品是依据美国联邦通讯委员会（Federal Communications Committee , FCC）规定的工业、医疗、科学（Industrial Scientific and Medical , ISM）频率范围开放在 902MHz928MHz 及2.4GHz2.484GHz 两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。 扩频微波与常规微波相比有着三个显著的优点：抗干扰性强，频点问题容易处理，价格比较便宜。(a) 扩频通信按调制方式划分的四种基本类型： 直接序列扩频（ Direct Sequence Spread Spectrum , DSSS)； 跳频扩频（Frequency Hopping spread spectrum , FHSS )； 跳时扩频（Time Hopping spread spectrum , THSS )； 宽带线性调频扩频（ChirpSpread Spectrum , CSS）。以上四种基本扩频系统各有优缺点。如果采用以上扩频技术的混合方式，技术折衷而使其优势互补，则可以满足高要求的抗于扰指标。采用混合扩频技术系统所获得的扩频增益等于其中所有单独扩频系统的扩频增益的总和。微波扩频通信技术特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，然后，在某个载频进行调制以便传输。属于中程宽带通信方式。微波扩频通信技术来源于军事领域，主要开发目的是对抗电子战干扰。 (b) 微波扩频通信的特点： 建设无线微波扩频通信系统目前无需申请、带宽较高、建设周期短； 一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理，设备可再次利用相连单位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物； 抗噪声和干扰能力强，具极强的抗窄带瞄准式干扰能力，适应军事电子对抗； 能与传统的调制方式共用频段； 信息传输可靠性高： 保密性强，伪随机噪声使得不易发现信号的存在而有利于防止窃听； 多址复用，可以采用码分复用实现多址通信： 设备使用寿命较长。 (c) 微波扩频系统的接入方式微波扩频系统按接入方式分为点对点