微波通信基本原理

1、微波通信原理,第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站,微波通信原理,微波的定义,微波Microwave: 微波是一种电磁波，微波射频为300MHz300GHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。 微波一般称为厘米波。 根据微波传播的特点，可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为TEM波（Transverse Electric and Magnetic Field）。有时我们把这种电磁波简称为电波,微波通信的基本介绍,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,Micr

2、owave,10Km,1Km,100m,10m,1m,10cm,1cm,1mm,f,30KHz,300KHz,3MHz,30MHz,300MHz,3GHz,30GHz,300GHz,红外线,可见光,工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小,微波信号的频率范围,微波通信的基本介绍,Broadcasting,Maximum coverage One programme per radio channel Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc,射频传输的两种基本形式,Microwave links,Radio beam One multiplex

3、 per radio channel Applications: Civiliars and military telecommunication networks,广播,点点视距微波,微波通信的基本介绍,通常把频率300MHz300GHz的射频无线信号称为微波信号 利用微波作为载体的通信称为微波通信 基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信 一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段 也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK 微波通信的理论基础是电磁场理论,微波通信,微波通信的基本介绍,第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微

4、波频率规划 第五章 微波中继站,微波通信原理,几个基本概念 自由空间的电波传播 各种衰落及抗衰落技术 微波通信对设计的要求 干扰信号,微波通信的基本原理,电波的干涉及极化 矩形波导的场结构 惠更斯费涅耳原理 费涅耳椭球面 费涅耳区定义 费涅耳半径,几个基本概念,惠更斯费涅耳原理,光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。 如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次.波前面也是球面波。 在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将发射天线看成是一个点源,几个基本概念,互易定理的概念: 指出，在线性和各向同

5、性的媒质中，任何无线电路上，当发射天线互换时，不会影响电路的传输特性，或者发射机移到接收点，而接收机同时移到发射点时，则接收性能，不变。 根据这个原理，对流层是电波的主要传输媒质空间，它就是具有线性和各向同性的媒质，因此在其中就可以减化工程计算,惠更斯费涅耳原理,几个基本概念,d1,d2,d,d1 + d2 - d = l/2,第一费涅耳椭球面,几个基本概念,费涅耳椭球面,费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition,几个基本概念,The signal power is distributed in the space surrounding the direct li

6、ne of sight,Line of sight,费涅耳区 The Fresnel Zone: 如果前述定义的一系列费涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一费涅耳区。 其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区. 第N费涅耳区。 这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的平面区域图形,The First Fresnel Zone,几个基本概念,费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition,经有关研究知

7、道：在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强； 由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅区在接收点的自由空间场强的2倍; 相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反； 若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱,非涅耳区的能量分布,几个基本概念,费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition,费涅耳半径,费涅耳半径 The Fresnel Radius: 我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径，用F 表示。 当这一点为第一费涅耳区上的点

8、时，此半径称为第一费涅耳区半径。 第二.第N 个费涅耳区半径表达式：Fn= (n)1/2 x F1 上式中：F1为第一费涅耳半径,几个基本概念,费涅耳半径(The Fresnel Radius,F1=（d1d2/d）1/2 F2=（2d1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 . Fn=（nd1d2/d）1/2 = (n)1/2 F1,几个基本概念,几个基本概念 自由空间的电波传播 各种衰落及抗衰落技术 微波通信对设计的要求 干扰信号,微波通信的基本原理,自由空间的定义 自由空间损耗的定义 自由空间损耗的计算,自由空间的电波传播,自由空间的定义,自由空间 Free Space: 又称为理想介

9、质空间，它相当于真空状态的理想空间。 在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率=0，介电常数=0=10-9/36 F/m(法拉/米)，导磁系数=0=410-7 H/m （亨/米,自由空间的电波传播,自由空间损耗的定义,自由空间损耗 Free space loss: 在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量未被损耗。 但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。 显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的扩散衰耗就称为自由空间损耗,自由空间的电波传播,Free Space Loss,d,f,

10、D 或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB,自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss,自由空间的电波传播,自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss,PowerLevel,Distance,GTX,GRX,G,P,G,自由空间的电波传播,几个基本概念 自由空间的电波传播 各种衰落及抗衰落技术 微波通信对设计的要求 干扰信号,微波通信的基本原理,衰落 大气吸收衰减 雨雾衰减 对流层对微波传播的影响 地面反射对微波传播的影响 数字微波的抗衰落技术,各种衰落及抗衰落技术,衰落,衰落的定义: 微波传播必须采用直射波

11、，接收点的场强是直射空间波与地面反射波的迭加。 传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。 当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。 这必然引起接收点场强的高低起伏变化。 这种现象，叫做电波传播的衰落现象。 显然，衰落现象具有很大的随机性。 衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和地面效应,各种衰落及抗衰落技术,衰落,快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading(按持续时间划分): 慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。 快衰落：持续时间

12、短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。 上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分): 上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落 下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落 多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分): 闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。 多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线

13、后，通过两条以上的不同路径到达接收天线的传播现象,各种衰落及抗衰落技术,衰落的种类,衰落,衰落现象规律: 波长短，距离长，衰落严重 跨水面，平原，衰落严重 夏秋季衰落频繁 昼夜交替时，午夜容易出现深衰落 雨过天晴及雾散容易出现快衰落,各种衰落及抗衰落技术,由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显作用，长于此波长的可不考虑。 一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的这种衰落仅有几个dB。 但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能过长。 在微波规划时，可用下图的曲线来计

14、算,各种衰落及抗衰落技术,雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog,在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能会引入几个分贝。 在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般最大中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里,越高频段雨衰越厉害,高频段可以做用户级传输,各种衰落及抗衰落技术,雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog,微波信号的K型衰落: 对流

15、层结构的不均匀产生的折射和反射。我们知道介电常数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是所谓的K型衰落。 气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰落是慢衰落,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,因为大气折射的影响，波在传播过程中，实际上是弯曲的。大气折射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为 的地球上空沿直线传播。 即： =KR R为实际地球半径。 K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播,R,哇！微波是

16、弯着走的,大气折射（ refraction in the atmosphere,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,微波传播(Microwave Propagation,k 1正折射,k = 1无折射,k 1负折射,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,等效地球半径,在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压, a e=4a/3称为标准等效地球半径,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,这是一种由多经传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的衰落。 其干涉的程度与行程差有关，而在

17、对流层中行程差是随K值的变化的所以称为K型衰落。 这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠近一端减少反射波的影响，或采用高低天线加空间分集技术或抗反射波天线等来克服多经反射的影响,K型衰落,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,由于各种气象条件的影响，如早上地面被太阳晒热、晚上地面的冷却，以及高气压地区都会在大气层中形成不均因匀体，当电波通过这些不均匀体时，将产生超折射相现，形成大气波导。如在无风的气候，在平原和水网地区，容易形成接近地面的波导层，使波束发生汇聚或发散而导致衰减性衰落。这种衰落的时间较长

18、，有时可达几十分钟 这种情况发生时只有靠工程经验解决。具体问题具体分析具体措施解决,所以设计时就要考虑当地地形与气候,波导型衰落及原因,各种衰落及抗衰落技术,对流层对微波传播的影响,Direct,地面反射对微波传播的影响,微波的多径传播,各种衰落及抗衰落技术,Diffracted,微波的多径传播,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,不同地形对电波的影响,一般分为： 反射 Reflect 地面把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，与直射波产生干涉，在接收点它们的矢量相加，结果收信电平与自由空间接收电平比较时大时小。 对于水面或光滑地面，反射的影响作用更为明显。 绕射 Diffra

19、ct 刃形障碍物。 散射 Dispersion 由于地面散射对电波的主射波影响不大，可以不考虑,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,绕射 Diffracted,微波传播模式 Microwave Propagation,路径上刃形障碍物的阻挡损耗,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,路径上刃形障碍物的阻挡损耗,刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过，使接收点多少有一定电平数。而这个数值一定低于自由空间电平。这个由于刃形障碍物的阻挡而增加的损耗我们称之为附加损耗。 当障碍物的尖锋正好落在收发两端的连线上，即H C=0时，附加损耗为6dB

20、 ; 当障碍物的顶锋超过收发两端的连线时，附加损耗将很快增加 ; 当障碍物的顶锋在收发两端的连线以下时，附加损耗将在0dB上下少量变动。这时路径上传输损耗（或说收信电平）将与自由空间数值接近,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,Reflections - from atmospheric layers - from ground - from buildings,反射损耗（ reflection Loss,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,微波传播模式 Microwave Propagation,直接传播 Direct,平坦地形对电波的反射,各种衰落及抗衰落技术,地面

21、反射对微波传播的影响,平坦地形是指不考虑地球曲率，认为两站间的地形为平坦情况。 在实际的微波通信工程线路中，总是将收（R）发（T）天线对准，以便接收端收到较强的直射波。 但是根据惠更斯原理总会有部分电波射到地面，所以在接收点除直射波外还有经地面反射并满足反射条件（入射角等于反射角）的反射波,平坦地形对电波的反射,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,Flat fading(电平衰落) The loss is uniform across the frequency spectrum Selective fading(频率选择性衰落) The loss varies across th

22、e frequency spectrum,多径衰落,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,Frequency (MHz,Received power level (dBm,多径衰落,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,Up Fading,多径衰落,各种衰落及抗衰落技术,地面反射对微波传播的影响,地面,大气不均匀 水面 光滑地面 是主要原因,天线挂高决定反射点位置,由于折射波，反射波，散射波等多途径传播引起的衰落。多径衰落周期较短一般为几秒。多径衰落又叫频率选择性衰落。合成波的电平比正常传输低称为下衰落，比正常传输高称为上衰落,多径衰落及原因,各种衰落及抗衰落技术,地面反射

23、对微波传播的影响,数字微波系统的抗衰落技术,1.频域均衡器 2.时域均衡器 3.空间分集接收,空间分集的距离： H大于100150入,各种衰落及抗衰落技术,信号频谱,多径衰落,斜率均衡,均衡后频谱,频域均衡只能均衡信号的幅频特性，不能均衡相位频谱特性，但是电路简单,频域均衡,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,均衡前,均衡后,时域均衡直接抵消码间干扰,T,T,T,时域均衡,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,对抗频率选择性衰落,只对于大容量宽带系统产生严重影响，区别于平衰落。影响幅频特性，造成码间串扰。设备性能决定了对抗这种衰落的能力,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统

24、的抗衰落技术,多径传播地面反射,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,方法二：高低天线法,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,h1,l = Wave length d = Path length,空间分集的间距计算,各种衰落及抗衰落技术,热备份和空间分集（Hot Stand-by and Space Diversity,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,工作备份和频率分集（Working Stand-by and Frequency Diversity,各种衰落及抗衰落技术

25、,数字微波系统的抗衰落技术,热备份或工作备份（Hot Standby or Working Standby,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,几个基本概念 自由空间的电波传播 各种衰落及抗衰落技术 微波通信对设计的要求 干扰信号,微波通信的基本原理,点对点视距传播通信的要求 微波设计目标 传输余隙 微波线路的分类 K值在微波规划中的意义,微波通信对设计的要求,很小的发射功率一只有利用具有很强的方向性天线实现通信，要想实现较长距离通信，只有适当加大天线或加大功率,点对点视距传播通信的要求,微波通信对设计的要求,K=4/3时,第一费涅耳区无障碍物(The 1st Fresnel sh

26、all be free from obstacles when k = 4/3) 在传播经过水面或沙漠地区时,建议K=1时,第一费涅耳区无障碍物 (On paths over water surfaces or desert areas, it is recommended to have the 1st Fresnel zone free from obstacles when k = 1 (See also ITU-R Rec.P.530),Distance 50 km,k = 4/3,1st Fresnel zone,微波设计目标(Microwave Propagation Design

27、 Objective,微波通信对设计的要求,传输余隙,T,R,0.5,0,dB,1.0,10,6,0,当相对余隙大于0.5，阻挡损耗为0dB,障碍物的顶部恰好在视距连线上时，阻挡损耗为6dB,余隙,微波通信对设计的要求,余隙计算,d,地球凸起高度：其中K为大气折射因子,路径余隙的计算公式,余隙可得大于一阶费涅尔半径,微波通信对设计的要求,传输余隙,自由空间余隙,在下图中： 在=1时考虑地面的影响，第一次出现收信电平等于自由空间电平时HC/F1=0.577。 在1时，第一次出现收信电平等于自由空间电平时HC/F1=0.577。 我们把HC/F1=0.577时的余隙称为自由空间余隙，用H0表示。它

28、的表达式为： H0=0.577 xF1=（d1d2/d）1/2,微波通信对设计的要求,传输余隙,0.7 (即地面反射系数较大 的电路，如平坦、水网地区) 这种地形主要防止过大的反射衰落，应按满足下标准控制天线高度： K=2/3时，hc 0.3F1 (对一般障碍物) hc 0 (对刃形障碍物) k=4/3时， hc F1 K=时， hc 1.35 F1 (因为21/2 F1时就会出现深衰落) 如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由,K值在微波规划中的意义,微波通信对设计的要求,几个基本概念 自由空间的电波传播 各种衰落及抗衰落技术 微波通信对设计的要求 干扰信号,微波通信的基本原理,

29、干扰源 临站干扰 越站干扰 抗干扰途径,干扰信号,干扰源,作用于通信系统的干扰来自多种干扰源，主要有: 电路热噪声:由导体中电子杂乱热扰动所激起。 电子器件内部噪声:主要由器件内部电荷不连续运动，造成的散弹效应所激起。 物体热辐射噪声(包括通常所称的吸收噪声):由物体热辐射激起。 宇宙干扰:来自宇宙体的一种噪声辐射。 天电干扰:由大气层中电荷放电所激起，呈脉冲状。 工业干扰:来自电气设备的电辐射；例如电火花干扰。 电台干扰:来自其它电台的信号辐射(如雷达卫星其它微波站)。 接收机内部所产生的各类干扰:有交流哼声、“汽般声”、组合音、微音效应、非线性产物、振荡器相位抖动而引起的噪声以及各种杂散干

30、扰等,干扰信号,邻站干扰(Neighbouring Station Interference,干扰信号,Site A,Site B,Site C,Site G,Site F,Site E,Site D,越站干扰,干扰信号,Methods to reduce interference,Transmitter attenuation High performance antenna Polarization Larger antennas Frequency separation,抗干扰的途径,干扰信号,第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微

31、波频率规划 第五章 微波中继站,微波通信原理,调制原理 二径模型 数字微波调制技术 PSK调制 QAM调制 横包络调制 ATPC调制,干扰信号,微波传输系统的基本构成,Mod,Transmitter,Receiver,Dem,Down converter in IF,IF Signal Recovery,IF Carrier Modulation,Up converter RF channel,Tx,Rx,天线系统,IF,microwave,IF,BB : Base band,Base band,Base band,IF : Intermediate Frequency,RF : Radio

32、Frequency (300MHz - 30 GHz,微波信号的调制方式,调制原理,微波发射过程频谱搬移,微波信号的调制方式,调制原理,无线传输模型,调制,中放,上变频,功放,滤波,调制,中放,上变频,功放,滤波,放大,下变频,中放,滤波,解调,发送部分,接收部分,判决,V(t,微波信号的调制方式,调制原理,大容量微波: 要求调制,解调简单,频率利用率高，信号星座点分布合理以保证传输质量所以常采用QAM调制方式 中小容量微波: 要求调制方式对器件的线性要求不高,所以常采用, 象FSK,PSK等的恒包络调制,数字微波调制技术,微波信号的调制方式,1、调制技术和限带传输 为了提高频谱利用率，广泛采

33、用多电平QAM调制技术。ITUR建议的411G波道间隔2840MH. 在如此有限的带宽内传输高速数据流，多电平QAM是必然的选择。但是随着调制电平数量的增加，对于信道的要求也越加苛刻。设备对各种干扰的敏感程度也会加剧。限制发射频谱的带宽也是一种有效利用现有频率资源的技术措施。通常采用升余玄滚降滤波器限制发送谱。目前微波设备使用性能稳定技术成熟的64QAM和128QAM调制技术。 2、自适应均衡技术 为对抗多经衰落，采用分集接收以外，还必须采取时域和频域自适应均衡器。频域均衡用来减少信道频率选择性衰落的影响；也就是在设备中插入频率补偿网络。时域均衡用来消除码间干扰。 3、XPIC 技术 出现衰落

34、时，天线的极化鉴别率会降低。因此需要极化干扰对消电路消除极化干扰。 4、高线性功率放大器和ATPC 对于64QAM系统而言，功放要求很好的线性。IP3要求至少为45DB。这就对放大器提出严格的要求。功率倒退和采用发信功放非线性预校正是有效降低放大器线性要求的技术手段。这些先进的手段在NEC微波设备中都得到应用。 5、低损耗DUP 邻接型天线收发公用器是NEC独有的新型DPU器件，极大的改善了大容量微波系统的系统指标。在71系统，这种公用器的插入损耗6.6dB,数字微波调制技术,微波信号的调制方式,利用同相和正交的载波传输数字信息，编码逻辑载波恢复时的相位含糊问题,QAM调制技术,微波信号的调制

35、方式,64QAM & 128QAM,微波信号的调制方式,第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站,微波通信原理,微波频率资源的使用,微波频率规划,频率规划,微波频率规划,频率规划,微波频率规划,第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站,微波通信原理,微波站分类,终端站 中继站 枢纽站,背靠背天线 反射板,有源,无源,再生中继 中频中继 射频中继,中继站,射频直放站： 射频直放站是一种有源、双向、无频移射频中继系统。由于它直接在射频上将信号放大，所以称之为射频直放站 再生中继站： 再生中继站是一种高性能的高频率转发器。它可以用来扩大微波通信系统的距离限制，或者用来偏转传输方向，以绕过视线障碍物，不会引起信号质量恶化。接收的信号经过完全的再生和放大，然后转发,中继站,有源中继站Active repeaters,双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors： 由两个