第5章 微波通信

1、第5章 数字微波通信系统 p5.1 概述 p5.2 微波的传输特性 p5.3 数字微波通信系统 5.1 概述 5.1.1 微波通信的基本概念 一、微波的频率 p频率在300MHz到300GHz（波长为1m到1mm）范围 内的电磁波称为微波，如表5.1所示。 波段名称波长范围频率名称频率范围代号 长波101km低频30kHz300kHzLF 中波1000 100m 中频300kHz3MHzMF 短波10010m高频3MHz30MHzHF 超短波101m甚高频30MHz 300MHz VHF 微 波 分米波101dm特高频300MHz3GHzUHF 厘米波101cm超高频3GHz30GHzSHF

2、毫米波101mm极高频30GHz 300GHz EHF 表5.1 电磁波频谱 p由表5.1可见，分米波、厘米波、毫米波统称为微波，微 波也是一种电磁波，和光波一样都是由电场和磁场组成的 ，只是频段不同。微波是指频率为300MHz300GHz的 电磁波，其所对应的波长为1m1mm。由于各波段的传 播特性不同，因此可用于不同的通信系统。例如中波主要 沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信，短波 具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信；超短波和 微波绕射能力差，可作视距或超视距中继通信，这里主要 讨论微波的特性及通信系统 二、微波通信 p利用微波作为传输媒介的通信方式，称为微波中继通信（ M

3、icrowave Radio Relay Communication）。由于微 波具有与光波相似的沿直线传播的特性，通常只能在两个 没有障碍的点间（视线距离内）建立点对点通信，故称为 视距通信。如要在超视距的两个点或多点间建立微波通信 ，必须采用中继方式。为此，可采用多个微波接力站实现 中继，或采用对流层的散射实现中继，或采用卫星实现微 波中继。 三、微波通信的常用频段 p微波既是一个很高的频率，同时也是一个很宽的频段，在 微波通信中所使用的频率范围一般在1GHz40GHz，如 表5.2所示 L波段1.02.0GHzC波段4.08.0GHz S波段2.04.0GHzx波段8.012.4GHz

4、Ku波段12.418GHzK波段1826.5GHz 表5.2 微波通信的常用频段 四、微波通信的起源和发展 p微波技术是第二次世界大战期间围绕着雷达的需要发展起 来的，由于具有通信容量大而投资费用省、建设速度快、 安装方便和相对成本低、抗灾能力强等优点而得到迅速的 发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性 能较稳定的模拟微波通信，成为长距离大容量地面干线无 线传输的主要手段，其传输容量高达2700路，而后逐步 进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来， 随着同步数字序列（SDH）在传输系统中的推广使用，数 字微波通信进入了重要的发展时期。 p目前，单波道传输速率可达30

5、0Mbit/s以上，为了进一步 提高数字微波系统的频谱利用率，使用了交叉极化传输、 无损伤切换、分集接收、高速多状态的自适应编码调制解 调等技术，这些新技术的使用将进一步推动数字微波通信 系统的发展。因此，数字微波通信和光纤通信、卫星通信 一起被称为现代通信传输的三大支柱。 p我国第一条微波中继通信线路是60年代初开始建立的。目 前已试制成功2，4，6，8，11GHz等多个频段的各种容 量的微波通信设备，并正在向数字化、智能化、综合化方 向迅速发展 五、微波通信系统的分类 根据所传基带信号的不同，微波通信系统可以分为两大类 1、模拟微波通信系统 p模拟微波通信系统采用频分复用（FDM）方式来实

6、现多个 话路信号的同时传输，合成的多路信号再对中频进行调频 。因此，最典型的微波通信系统的制式为FDM-FM。模拟 微波通信系统主要传输电话和电视信号，较广泛的应用与 除电信部分以外的石油、电力、铁道等部门，主要用来建 立专线，传输本部门内部的遥控、遥测信号和各种业务信 号。 2、数字微波通信系统 p在数字微波通信系统中，模拟的语言和视频信号首先被数 字化，然后采用数字制式的方式，通过微波载波进行传输 。为了扩大传输容量和提高传输效率，数字微波通信系统 通常要将若干个低次群数字信号以时分复用（TDM）的方 式合成为一路高速数字信号，然后再通过宽带信号传输。 5.1.2 数字微波通信的特点及应用

7、 一、微波通信的主要特点 1、微波频段频带宽，传输容量大 p微波频段有近300GHz的带宽，占据了分米波、厘米 波和毫米波三个波段，通信的容量比较大。 2、适于传输宽频带信号 p与短波、甚短波通信设备相比，在相同的相对同频带 下，载频越高，通频带越宽。例如，相对通频带1% ，当 载频为4MHz时，通频带为40kHz；而当载频为4GHz时 ，通频带为40MHz。因此，一套短波通信设备一般只能 容纳几条话路，而一套微波通信设备可容纳成千上万条线 路同时工作。 3、天线的增益高，方向性强 p由于微波的波长很短，因此很容易制成高增益天线。 另外，微波频段的电磁波具有近似光波的特性，因而可以 利用微波天

8、线把电磁波聚集成很窄的波束，制成方向性很 强的天线。 4、外界干扰小，通信线路稳定 p天电干扰、工业噪声和太阳黑子的变化对短波和频率 较低的无线电波影响较大，而微波频段频率较高，不易受 以上外界干扰的影响，通信的稳定性和可靠性得到了保证 。而且，微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以 及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。 5、采用中继传输方式 p微波波段的电磁波频率很高，波长较短，在自由空间 传播时是沿直线传播的，就像视线一样。 图5.1 微波中继传输 二、数字信号微波传输的主要特点 p数字微波通信既具有数字通信的特点，又具有上述微波通 信的特点。由于传输的是数字信号，所以数字微波通

9、信系 统具有的特点包括： 1、抗干扰能力强，线路噪声不会积累 2、便于加密，保密性强 3、终端设备采用大规模集成电路，所以设备的体积小，重 量轻，功率低。 三、数字微波通信系统的应用 1、干线光纤传输的备份及补充 p点对点的SDH微波、PDH微波主要用于干线光纤传输系 统在遇到自然灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适 合使用光纤的地段和场合。例如，在1976年的唐山大地 震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微 波通道全部安然无恙；九十年代的长江中下游的特大洪灾 中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。 2、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

10、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。 3、城市内的短距离支线连接 p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。 4、宽带无线接入 (如LMDS) p 宽带无线接入技术以投资少、见效快、组网灵活等优 势，在接入市场具有较强的竞争力，并能在日趋激烈的高 速数据业务竞争中快速占领有效市场。 5.2 微波的传输特性 5.2.1 自由空间的电波传播 p为了简化电波传播的计算，通常假定微波在大气中的传播 条件为自由空间。所谓自由空间是指充满理想介质的无限 空间。在这个空间里电

11、波不受阻挡、反射、折射、绕射、 散射和吸收。电波在自由空间传播时，其能量会因扩散而 衰减，这种衰减称为自由空间传输损耗。 p假设发射功率为Pt，发射天线各向同性向外辐射。则以发 射源为中心、d为半径的球面上单位面积的功率为： p实际上，天线都是具有方向性的，其辐射能量向主射束方 向集中的程度可以用天线增益Gt表示： 2 4 d P S t t A t S S G p于是可得天线主射束方向该点的功率密度为： p如果接收天线为一抛物面天线，根据天线理论，天线的有 效面积为 p则接收天线所接收的功率为 p若不考虑天线增益（即假定Gt和Gr都为1），定义电波的 自由空间损耗为发射功率与接收功率之比 p

12、通常用分贝表示自由空间传播损耗： p式中，Ls的单位为dB；d的单位为km，f的单位为GHz 2 4 d GP S tt r GA 4 2 rttr GGP d SAP 2 2 4 22 22 44 fd c d P P L r t s fdLslg20lg2044.92 5.2.2 微波的视距传播 p设通信两端A和B的天线高度分别为h1和h2。当AB和地球 相切时的距离d就是最大视线距离。相切点C相对应的AC 和BC近似等于弧长d1和d2。因为d1和d2远远小于R0；R0 为地球半径，约为6370公里 图5.2 地球曲率的影响 p由此可得，在给定天线高度h1和h2时，最大视距为 21021

13、2hhRddd m 天线高度 （m） 102030405060 视距（km）233239455055 表5.3不同天线高度的最大视距 5.2.3 微波天线的主要特性 一、天线方向性 发射天线有两种基本功能： 1、把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去； 2、把大部分能量朝所需的方向辐射。 p根据天线的方向性可将天线分为全向天线和方向性（或定 向）天线。全向天线在水平方向图上表现为360度均匀辐 射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为 有一定宽度的波束。一般情况下，波瓣宽度越小，增益越 大；定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围辐射， 也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有

14、一 定宽度的波束。与全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越 大。 二、波瓣宽度 p方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称 为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大方向角两侧 ，辐射强度降低3dB的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又 称波束宽度、主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方 向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。 三、天线增益 p天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想 的球型辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度 之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度 。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄 ，副瓣越小，增益越高。 四、天线的极化 p所谓

15、天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向 。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化 波：当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极 化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴 近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地 阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方 式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保 证了信号的有效传播 5.3 数字微波通信系统 5.3.1数字微波中继线路 p数字微波中继通信线路的典型组成结构如图5.3所示 图5.3 数字微波中继线路示意图 p由图5.3可知，一条数字微波中继通信线路由两端的终端 站、若干中继站和电波的传

16、播空间所构成，中继站的数目 取决于线路的传输距离。 p终端站是位于微波线路两端的微波站。它的任务是把数据 信号调制为中频信号后，再进行变频，使其成为微波信号 ，通过天线发射出去；另一方面，终端站还要将接收到的 微波信号，经变频后解调出对方送来的数据信号。 p终端站设备比较齐全，一般应装有微波收发信机，调制解 调设备，分路滤波和波道倒换设备，多路复用设备以及监 控系统等。终端站的特点是只对一个方向收发，全上全下 话路。 一、中继站的类型 p中继站的任务是完成对微波信号的转发和分路。根据它们 的不同功能，通常可以分为如下三种类型： 1、中间站 p中间站只完成微波信号的放大与转发，如图5.4所示。具

17、 体地说，将A方向站传来的微波信号，经变频、放大等处 理后，向B方向站转发出去。同样，将B方向站传来的微 波信号，经变频、放大等处理后，向A方向站转发出去。 这种站的结构比较简单，主要配置天馈系统与微波收发信 设备。中间站的特点是对两个方向实现微波转发，一般不 能插入或分出信号，即不能上下话路 接 收 发 送 发 送 接 收 图5.4 中间站示意图 2、再生中继站 p再生中继站可以分出和插入一部分话路，如图5.5所示。 为了不增加信号噪声，在分路站不对整个信号进行调制或 解调。在分出话路时，由分路设备把需分出的话路信号滤 出，然后对他们进行解调。在插入话路时，先把这些话路 调制到载波上，并滤出

18、需要的边带，再加到规定的信号中 去。分路站的特点是可以上下话路。 接 收 发 送 发 送 接 收 分路机 图5.5 再生中继站示意图 3、枢纽站或主站 p枢纽站一般处在干线上，需要完成数个方向的通信任务， 一般应配备交叉连接设备。就其每一个方向来说枢纽站都 可以看作是一个终端站。在枢纽站中，可以上下全部或部 分支路信号，也可以转接全部或部分支路信号，因此，枢 纽站上的设备门类很多，可以包括各种站型的设备。在监 控系统中，一般作为主站 二、中继站的中继方式 p地面远距离微波通信的一个重要特点是需要一站一站的进 行接力，即用中继通信方式。由于微波信号、中频信号和 基带信号中都携带着发信者所要传递的

19、信号，所以各微波 中继站可以在三个地方进行中继转接，即可以在基带部分 、中频部分和高频部分进行转接。因此，微波中继通信系 统的中继方式一般有三种，即基带中继，外差中继，直接 中继（射频中继）。 1、基带中继（再生转接） 图5.6 基带中继方式 2、外差中继（中频转接） 图5.7 外差中继方式 3、直接中继（射频转接）方式 图5.8 直接中继方式 5.3.2 数字微波通信系统的组成 图5.9 数字微波通信线路组成框图 p设甲乙两地的用户终端为电话机，在甲地，人们说话的声 音通过电话机送话器的声/电转换后，变成电信号，再经 过市内电话局的交换机，将电信号送到甲地的微波端站， 在端站经过时分复用设备

20、完成各种编码及复用，并在微波 信道机上完成调制、变频和放大后发送出去，该信号经过 中继站转发，到达乙地的微波端站，乙地框图和甲地相同 ，其功能与作用正好相反，乙地用户的电话机受话器完成 电/声转换，恢复出原来的话音。 p在终端站，对用户信号的处理如图5.10所示。 图5.10 信号的处理流程 5.3.3 数字微波的波道及频率配置 一、波道的设置 p为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用，人们 将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段，并在每一个 频率小段上设置一套微波收发信机，构成一条微波通信的 传输通道。这样，在一条微波线路中可以容纳若干套微波 收发信机同时工作，亦即在一条微波线路中构成

21、了若干条 微波通信的传输通道，每个微波传输通道称为波道，通常 一条微波通信线路可以设置6、8、12个波道。微波通信 频率配置的基本原则是使整个微波传输系统中的相互干扰 最小，频率利用率最高。 频率配置时应考虑的因素有： 1、整个频率的安排要紧凑，使每个频段获得充分利用。 2、在同一中继站中，一个单向传输信号的接收和发射必须 使用不同的频率，以避免自调干扰。 3、在多路微波信号传输频率之间必须留有足够的频率间隔 以避免不同信道间的相互干扰。 4、因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法 共用天线，因此选用的频率配置方案应有利于天线共用， 达到既能使天线建设费用低又能满足技术指标的目的。

22、5、避免某一传输信道采用超外差式接收机的镜像频率传输 信号。 二、射频波道配置 p由于一条微波线路上允许有多套微波收发信机同时工作， 这就必须对各波道的微波频率进行分配。频率的分配应做 到：在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数量，这 样，可以在这条微波线路上增加通信容量；尽可能减少各 波道间的干扰，以提高通信质量；尽可能地有利于通信设 备的标准化、系列化。 1、单波道频率配置 目前，单波道的频率配置主要有两种方案：二频制和四频制 p二频制是指一个波道的收发只使用两个不同的微波频率 图5.11 二频制频率分配 p四频制是指每个中继站方向收发使用四个不同的频率，间 隔一站的频率又重复使用，如图

23、5.12所示，四频制的优点 是不存在反向接收干扰；缺点是占用频带要比二频制宽一 倍。 图5.12 四频制频率分配 p无论二频制还是四频制，它们都存在越站干扰。解决越站 干扰的有效措施之一是：在微波路由设计时，使相邻的第 四个微波站的站址不要选择在第1、2两微波站的延长线上 ，如图5.13所示。 图5.13越站干扰示意图 2、多个波道的频率配置 p多个波道的频率配置一般有两种排列方式：一是收发频率 相间排列；二是收发频率集中排列。图5.14示意了一个微 波中继系统中6个波道收发频率相间排列方案，若每个波 道采用二频制，其中收信频率为f1f6，发信频率为f1 f6。这种方案的收发频率间距较小，导致收发往往要 分开使用天线，因此要用多天线，这种方案目前一般不采 用。 图5.14 多波道频率设置中的收发频率相间排列方案 p图5.15为一中继站6个波道收发频率集中排列的方案，每 个波道采用二频制，收信频率为f1f6，发信频率为f1 f6。这种方案中的收发频率间隔大，发信对收信的影 响很小，因此可以共用一副天线，也就是说只需两副天线 分别对着两个方向收发即可，目前的微波通信大多采用这 种方案。 图5.15 多波道频率设置中的收发频率集中排列方案 三、射频波道的频率再用 p由微波的极化特性我们知道，利用两个相互正交的极化方 式，可以减少它