第2章2 微波中继通信系统

1、第第2 2章章-2-2 微波中继通信系统微波中继通信系统 关键技术和系统关键技术和系统实例实例 张张 文胜文胜 School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineering Shandong UniversityShandong University Shandong, ChinaShandong, China 通信系统概论通信系统概论 1. 天线天线技术技术 工作原理工作原理: 基本功能: 辐射和接收辐射和接收无线电波无线电波 发射: 把高频电流转换为电磁波 接收: 把电滋

2、波转换为高频电流 根据电磁场理论，当导体通过高频电 流时会在周围空间产生电场和磁场 当导体长度足够大（能够与波长相比 拟时），就能使电磁波有效辐射出去 工作原理工作原理: 电磁波从发射天线辐射出来后，向四面传 播出去形成电磁场 在交变电磁场中放置一导线，在电磁波的 作用下，导线会产生感应电动势 该导线与接收设备相连，在接收设备的输 入端就会产生高频电流 工作原理工作原理: 天线的互易天线的互易原理：原理： 发信天线和收信天线都属于能量变换器， 具有“可逆性” 天线用作发信时的参数和收信时的参数保 持不变，这就是天线的互易原理 天线参数天线参数 天线的性能主要关心其信号覆盖范围和辐 射强度。 决

3、定天线性能因素有些与天线本身无关， 如天线架设高度等。 有些因素与天线的设计生产工艺相关，这 些因素称为天线参数。 主要的天线参数主要的天线参数 方向图效率 增益输入阻抗 工作频带极化方式 1、天线的方向性、天线的方向性 天线对空间不同方向具有不同的辐射或接 收能力，这就是天线的方向性。 在水平面上，辐射与接收无最大方向的天 线称为全向天线全向天线，有一个或多个最大方向 的天线称为定向天线定向天线。 天线方向图天线方向图 用来表示天线的辐射或接收强 度随空间方向的对应关系 全向天线全向天线 全向天线由 于其无方向 性，所以常 用在一点对 多点通信的 中心台。 定向天线定向天线 定向天线具有 最

4、大辐射或接 收方向，因此 能量集中，增 益相对较高， 适合于远距离 点对点通信。 波瓣宽度波瓣宽度 天线方向图的最大辐射功率所在的 波瓣称为主瓣主瓣，其余为副瓣 主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度 降低3 dB的两点间的夹角定义为波波 瓣瓣宽度宽度 水平波瓣水平波瓣 全向天线的水平波瓣宽度为360度 主主瓣瓣 第第一一副副瓣瓣 后后瓣瓣 垂直波瓣垂直波瓣 基站定向天线的垂直波瓣宽度为10 度左右； 对于同一种类的天线，增益相同时， 水平波瓣越宽，垂直波瓣就越窄； 较窄的垂直波瓣会在基站近端产生 信号“死区” 。 天线下倾调整天线下倾调整 限制信号在所服务的小区范围内， 减小“死区”，降低对其它小区

5、的 干扰。 机械下倾：小于10度 电调下倾：角度可调，后瓣同时下 倾 2、天线效率、天线效率 天线效率定义为：天线辐射功率Pr 与天线输入功率Pin之比； 天线辐射功率与所消耗的功率Ps之 和为输入功率。 3、天线的增益、天线的增益 天线增益系数是方向系数与天线效 率的乘积，方向图主瓣越窄，副瓣 越小，增益就越高。 在同等条件下，天线增益越高，电 波传播的距离越远，一般基地台天 线都采用高增益天线 4、天线的输入阻抗、天线的输入阻抗 天线的输入阻抗为输入端电压与输 入端电流之比。 为使天线能获得最大的功率，应使 天线输入阻抗与馈线特性阻抗匹配。 5、工作频带、工作频带 天线的各种电性能参数不超

6、过允许 范围时，所对应的工作频率宽度即 为天线工作频带。 对频分双工的收发共用天线，必须 考虑天线的工作频带宽度。 6、天线极化方式、天线极化方式 分为线极化天线、圆极化天线和椭 圆极化天线； 基站多采用线极化方式，又分为垂 直极化和水平极化方式； 天线增益（dBi） 在输入功率相等的条件下，实际天线与理想 的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。 天线最直接的参数天线最直接的参数 微波天线的主要电气参数微波天线的主要电气参数 前后比 前后比即天线后向(180

7、30 的范围内)的副瓣电平与前 向最大波束电平之差.它表明了 天线对后瓣抑制的能力.前后比 低的天线,天线后瓣有可能产生 越区覆盖,导致切换关系混乱,产 生掉话.一般来说,前后比在18 45dB之间,工程中一般应选用前 后比为30dB的天线。 微波天线的主要电气参数微波天线的主要电气参数 微波天线的主要电气参数微波天线的主要电气参数 驻波比 驻波比全称为电压驻波比。 在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线 与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折 回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。 SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 反射系数K=(R-r)/(R+r) 驻波比总是大于1的。 天

8、线的种类天线的种类 按工作频段分：短波、超短波、 微波 按用途分：基地台、移动台 按方向性分：全向、定向 按结构分：线状、面状、天线阵 列 2. 分集接收技术分集接收技术 分集接收分集接收技术技术 掌握分集技术的基本概念； 理解每一种不同的分集方式 和合并方式； 了解其它分集方式的含义 概念概念 分集是指分散传输和集中接收。 分集接收是指接收端对它收到的经过 多个相互独立路径传输的信号进行 特定的处理来减小衰落的深度与持 续时间的方法。 独立衰落信号的特点独立衰落信号的特点 t 如果一条无线传播路径中的信号经历 了深度衰落，而另一条相对独立的路 径中可能仍包含着较强的信号。 分集接收的含义分集

9、接收的含义 分散传输：分散传输：使接收端能获得多 个统计独立的、携带同一信息 的衰落信号； 集中集中接收接收：把收到的多个统计 独立的衰落信号进行合并以降 低衰落的影响。 分集方式分类分集方式分类 宏分集：宏分集：减小大尺度衰落的分集技 术； “多基站多基站”分集分集 微分集：微分集：减小小尺度衰落影响的分 集技术。 微分集的种类微分集的种类 空间分集 时间分集 频率分集 极化 分集 角度分集 1、空间分集空间分集 v空间分集的依据在于快衰落的空间独立性快衰落的空间独立性。 v空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为 d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天 线高度有关，在移动信道中， 通常取：

10、 市区市区 d=0.5 郊区郊区 d=0.8 空间分集工作示意图空间分集工作示意图 天线天线 切换切换 逻辑逻辑 或解或解 调器调器 输出输出 1 G1 G1 G1 2 m 可变增益可变增益 2、频率分集、频率分集 频率分集方式是指用两个或两个以上 的频率来传送相同的信息的方式。 频率分集的工作原理是基于在信道相信道相 干带宽之外的频率上不会出现同样的干带宽之外的频率上不会出现同样的 衰落。衰落。 3、极化分集、极化分集 v基本工作原理：空中的水平极化和垂 直极化路径是非相关的。 v使用水平和垂直两个正交的分集支路， 也称正交极化分集正交极化分集； v可看作是一种特殊的空间分集方式，特殊的空间

11、分集方式， 只使用两副天线，且天线间距缩短。 4、角度分集角度分集 使电波通过几个不同路径，并以不同角度 到达接收端；而接收端利用多个方向性尖多个方向性尖 锐的接收天线锐的接收天线分离出不同方向来的信号分 量； 这些分量具有互相独立的衰落特性，因而 可以实现角度分集。 5、时间分集时间分集 以超过信道相干时间信道相干时间的间隔重复发送 相同的信号的分集方式。 工作原理：在相干时间之外的信号不 会出现同样的衰落，也就是说各次发 送信号所出现的衰落将是彼此独立的； 有利于克服移动信道中因多普勒效应 引起的衰落现象。 合并方式合并方式 对接收到的多个分集信号，进行 合并处理，减小衰落对信号传输 的影

12、响； 一般都使用线性合并器，其通用 合并信号表达式为： M k kkMM tratratratratr 1 2211 )()()()()( 1、选择式合并、选择式合并 检测所有分集支路的信号，选择 其中信噪比最高信噪比最高的那一个支路的 信号作为合并器的输出。 信号表达式中的加权系数只有一 项为1，其余均为0。 接收机 1 接收机 2 二重分集选择式合并二重分集选择式合并 2、最大比值合并、最大比值合并 是最佳合并方式； 每一支路的加权系数ak与信号包络rk成 正比而与噪声功率Nk成反比，即为： k b k N r a M k k k M k kkR N r rar 1 2 1 输出信号包络为

13、输出信号包络为 接收机 1 接收机 1 M k 1 Nk rk 2 a2 a1 最大比值合并示意图最大比值合并示意图 3、 等等增益合并增益合并 无需对信号加权，各支路的信号等 增益相加，输出的信号包络为： M k kE rr 1 接收机 1 接收机 1 M k=1 rk 不同合并方式的性能对比不同合并方式的性能对比 在相同分集重数情况下，最大比值合并最大比值合并方 式改善信噪比最多，等增益合并方式次之 在分集重数较小时，等增益合并等增益合并的信噪比 改善接近最大比值合并，是一种较实用的 合并方式； 选择式合并选择式合并只利用了最强的一路信号，而 其它各支路信号都没有被利用，所得到的 信噪比改

14、善量最少。 不同合并方式的性能对比不同合并方式的性能对比 分集接收抗衰落的效果分集接收抗衰落的效果 某微波通信系统不采用分集接收时的中断某微波通信系统不采用分集接收时的中断 率是率是P1=0.01，若采用双重空间分集，并假，若采用双重空间分集，并假 设两路信号具有相同的中断率，求合成信号设两路信号具有相同的中断率，求合成信号 的中断率？的中断率？ 解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所 以分集合并后的中断率是以分集合并后的中断率是 P=P1P2=0.0001 即中断率提高了即中断率提高了100倍，相当于把微波发信机倍，相当于把微波发信机 的功率

15、从的功率从1W提高到提高到100W。 微 波 中 继 通 信 系 统微 波 中 继 通 信 系 统 -系统实例系统实例 微波传输系统的基本构成微波传输系统的基本构成 Mod TransmitterReceiver Dem Down converter in IF IF Signal Recovery IF Carrier Modulation Up converter RF channel TxRx 天线系统 IF microwave IF BB : Base band Base bandBase band IF : Intermediate Frequency RF : Radio Freq

16、uency (300MHz - 30 GHz) 调制原理调制原理 无线传输模型无线传输模型 调制调制 中放中放 上变频上变频 功放功放 滤波滤波 调制调制 中放中放 上变频上变频 功放功放 滤波滤波 放大放大 下变频下变频 中放中放 滤波滤波 解调解调 发送部分发送部分 接收部分接收部分 判决判决 ak ak V(t) 利用数字信号控制载波幅度频率或者相位，建立传 输信码与载波参数之间明确的对应关系。 数字信号调制原理数字信号调制原理 大容量微波大容量微波: 要求调制要求调制,解调简单解调简单,频率利用率高，信号星座点频率利用率高，信号星座点 分布合理以保证传输质量所以常采用分布合理以保证传输

17、质量所以常采用QAM调制方调制方 式式 中小容量微波中小容量微波: 要求调制方式对器件的线性要求不高要求调制方式对器件的线性要求不高,所以常采所以常采 用用, 象象FSK,PSK等的等的恒包络调制恒包络调制 数字微波调制技术数字微波调制技术 QPSK调制调制: s ta g tkTtb g tkTt kk k ( )()cos()sin a b kk , 1其中其中 g(t)为升余弦脉冲为升余弦脉冲 a b kk , 1 3当当 时时,上述信号即成为上述信号即成为16QAM调制调制 PSKPSK调制调制 8543210201304050 1.52.5 区域网 长距离干线网 区域和本地网，边际网

18、 2 8 34 Mbit/s 34 140 155 Mbit/s 2 8 34 140 155 Mbit/s 3.311 GHz GHz 微波频率资源的使用微波频率资源的使用 频率收发频差 (MHz) 用途设备 4-7161, 154, 245 长距离干线SDH，PDH 126, 161，154，199,266, 311，长距离干线SDH，PDH 11-13 266中，短距离SDH PASO 308,420,490,315，720， 728中，短距离PASO 340，1092.5 1008,1010, 1560中，短距离PASO 600,1050,1232, 1008, 1200, 中，短距离

19、PASO 855,1008短距，离城区 PASO 1008短距，离城区 PASO 812短距，离城区 PASO 700,1260短距，离城区 PASO 微波设备主要工作频段微波设备主要工作频段 微波站 站站接力式的中继方式完成传输 A B C D A B C D E F EF 中继站 微波站分类 终端站终端站 中继站中继站 枢纽站枢纽站 背靠背天背靠背天 线线 反射板反射板 有源有源 无源无源 再生中再生中 继继 中频中中频中 继继 射频中射频中 继继 中继站 射频直放站：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

20、继站：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。 Active Repeaters 中继站 有源中继站Active repeaters 双抛物面无源中继站双抛物面无源中继站 Parabolic reflectorsParabolic reflectors： 由两个抛物面天线背对背地用一段波导管连接而组成 反射板式无源中继站反射板式无源中继站 Plane reflectorsPlane reflectors： 一块表面具有一定的平滑度、且在适

21、当的有效面积并相对于两通信点有 合适的角度和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。 中继站 无源中继站Passive repeaters 双抛物面无源中继站 Passive repeater with two parabolic reflectors L1 PT G1 L2 G2 L3 G3 L4 PR G4 L5 PT：发射机输出功率（简称发射功率） PR：接收机输入端的信号功率（简称接收功率） L1：发射机到天线间的馈线损耗 L2、4：无源中继站至两通信点的自由空间损耗 L3：无源中继站天线间的馈线损耗 L5：接收天线至接收机间的馈线损耗 G1、G2、G3、G4：分别为四个微波天线的增益

22、中继站 D 端站端站 端端 站站 无源站无源站 空间损耗空间损耗dBdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd120logd192.492.4+ 20logF(GHz) + 20logF(GHz) +20logd2+20logd2 假定假定:d1=15Km d2=5Km d=d1+d2=20Km:d1=15Km d2=5Km d=d1+d2=20Km d 1 d2 中继站 双抛物面无源中继站 加无源中继站的自由空间损耗加无源中继站的自由空间损耗:F=10G:F=10G LdBLdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd120l

23、ogd192.4+ 20logF(GHz) +20logd292.4+ 20logF(GHz) +20logd2 =92.4+20+23.5+92.4+20+14=262.3dB =92.4+20+23.5+92.4+20+14=262.3dB 不需要增加无源中继站的自由空间损耗不需要增加无源中继站的自由空间损耗:F=10G:F=10G LdBLdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd20logd =92.4+20+26=138.4dB =92.4+20+26=138.4dB 无源转发的空间损耗增加了无源转发的空间损耗增加了=262.3-138.4=123.

24、9dB =262.3-138.4=123.9dB 要达到与相同距离单跳一致的接收电平，每面天线的增益必须增加至少要达到与相同距离单跳一致的接收电平，每面天线的增益必须增加至少 62dB62dB。然而，直径超过。然而，直径超过3 3米的天线运输和安装调试都有的一定难度。米的天线运输和安装调试都有的一定难度。 实际上尽量选用高的工作频率，因为相同口径的天线，频率的高低与其实际上尽量选用高的工作频率，因为相同口径的天线，频率的高低与其 增益成正比。在条件允许的情况下，尽量使无源站的一端站距小于增益成正比。在条件允许的情况下，尽量使无源站的一端站距小于1Km1Km 的原因。的原因。 中继站 双抛物面无源中继站 这种情况往往用大口径天线，天线调整要借助于仪表。费时较长 近端距离要小于近端距离要小于5KM 中继站 双抛物面无源中继站 Passive repeater with plane reflector 中继站 反射板式无源中继站 无源中继站（实物照片） 反射