微波通信原理

学完本次课程后，你应当能够知道：

微波通信常用的频段信道的划分方法常用的调制方式不同调制方式与容量下所需要的带宽常用的极化方式自由空间传播损耗费涅耳区半径大气折射的原因与种类各种衰落机理抗衰落技术K值在微波规划中的意义本次课程目标LFMFHFVHFUHFSHFEHFMicrowave10Km1Km100m10m1m10cm1cm1mmf30KHz300KHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz红外线可见光目前在微波通信中，主要用到的频率是从5G-38G,国内也有用2.4G卫星通信目前用得较多的是C频段(上行5.9～6.4GHz，下行

3.7～4.2GHz)和Ku频段(Ku频段14／12GHz).9GHz主要用于雷达及气象3.5GHz和10.5GHz留给军方使用。微波信号的频率范围微波频段设置微波的调制对数字基带信号的调制过程用数学方法可简单表示成：在PDH微波系统中主要采用PSK调制方式，4PSK(4QAM)及8PSK，也有采用多值正交调幅（MQAM）技术的，如16QAM；在SDH微波系统中，最广泛采用的是多值正交调幅（MQAM）技术，常用32QAM，64QAM或128QAM及512QAM等调制方式；QAM调制的频带利用率比较高。PSK占用的带宽宽，抗干扰能力强。QAM占用带宽窄，抗干扰能力弱。调制方式与占用带宽容量调制方式占用带宽4E116QAM3.5QPSK78E116QAM7QPSK1416E116QAM14QPSK28STM-1128QAM28如有特殊情况，在各厂家的设备文件中能查到电波的干涉和极化矩形波导中的场结构与极化方式在通常的微波系统中，天线与合路器的接口都是矩形，H10模是波导中传输的电磁波主模，截至波长最长为2a。上图那样放置波导，它的电力线与地面垂直。这样的极化方式称垂直极化，下图为水平极化V＝VerticalH=Horizontalabab合路器与天线接口样例波导ODU安装方式分离式安装费涅耳椭球面假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d，平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。对于电波传播，这个常数当为d+λ/2时，得到的椭球面称为第一费涅耳椭球面；常数为d+2λ/2时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面......常数为d+Nλ/2时，得到的椭球面称为第N费涅耳椭球面.费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)经有关研究知道：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；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d1d2dd1

x

d2fxdrF==17.3xrFinmeterd,d1,d2inkmfinGHzrFTheFirstFresnelRadiusC

xd1

x

d2fxd费涅耳半径(TheFresnelRadius)大气折射（refractionintheatmosphere）依据波在大气中折射原理,无线波束是弯曲的,通常是向下弯曲(Duetorefractionintheatmospheretheradiobeamisbent,normallyslightlydownwards)弯曲影响是通过K型因子来表示(Thebendingeffectisdescribedbythek-factor)K=4/3是标准大气(k=4/3correspondstothe“standard”atmosphere)对流层对微波传播的影响微波传播(MicrowavePropagation)k>1正折射k=1无折射k<1负折射对流层对微波传播的影响下图中的：U--表示电波传播的速度，n—表示折射系数，n=c(光波)/U(电波）传播路径受大气的影响:对流层对微波传播的影响大气密度传播路径受大气分层的影响对流层对微波传播的影响k=¥

4/3

12/3

Trueearthradius(r)Groundclearance2/3

4/31k=¥Groundclearance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,

Re=R*4/3称为标准等效地球半径对流层对微波传播的影响等效地球半径Equivalentearthradius(r·k)费涅耳半径与大气折射的体现自由空间的衰减

实际传输的附加衰减微波传输过程中的衰减

P=功率(TXRXPower)PTXPowe办r

Le连velDis波tan猎ceGTXGRX

PRX

G=天线增益(AntennaGain)A0A0=自由空间损耗(FreeSpaceLoss)M接收门限(ReceiverThreshold)M=衰落储备(FadingMargin)GPG微波传输过饭程中的衰减自由空间Free宣Spa慨ce:又称为理避想介质空锤间，它相多当于真空护状态的理流想空间。在这个空抄间中充满支均匀的、摧理想的介什质，它的妹导电率σ=0，误介电常数治ε=ε0=10-9/36π显F/m粗(法拉/洪米)，导摊磁系数μ蔑=μ0=4π纺×10-7H/m槐（亨慎/米）邀。在自由空裁间传播的晴电磁波不公产生反射公、折射、阿吸收和散桨射等现象蛙，总能量匀不衰减。但电波在袋自由空间养传播时，催会因能量贩向空间扩宜散而衰耗胃，这如空控中一只孤编独的灯泡今所发出的烤光，均匀各地向四周欺扩散。显然距离唉光源越远惑的地方，车单位面积丸上的能量甲就越少。忆这种电波龟的扩散衰延耗就称为掉自由空间毁损耗。自由空间块的电波传唱播Free赵Spa蓬ceL早ossA=92.4+20logd+20logf

Whered=distanceinkm

f

=frequencyinGHz

(refertoisotropicantennas)0dfd或搞f态增加一气倍，损肝耗将增轰加6陶dB自由空脖间传输附损耗(Fre番eSp把ace幕Basi习cTr坚ansm虫issi谁onL什oss撇)K型衰减大气吸拢收衰减雨雾衰减对流层脾对微波筝传播的待影响地面反蛾射对微愈波传播果的影响实际传饮输的附裕加衰减衰落的考定义:微波传合播必须窝采用直厅射波，棋接收点挑的场强屋是直射喘空间波览与地面窑反射波宫的迭加宽。传播蚁介质是渐地面上皆的低空塘大气层菊和路由苹上的地尘面、地锣物。当嚷时间（幕季节、种昼夜等摄）和气冠象（雨假、雾、洪雪待）柱条件发闹生变化竭时，大在气的温昌度、温创率、压津力和地灯面反射沟点的位杏置、反负射系数高等也将稍发生变传化。这且必然引绘起接收礼点场强莲的高低溪起伏变蛇化。这瓶种现象尝，叫做势电波传烧播的衰铁落现象散。显然，国衰落现沉象具有笼很大的愉随机性公。衰落太的大小头仍由衰拦落因子VdB来犹表征，衰滥落的原因蛾主要归结苏为大气和旷地面效应蛙。各种衰落总及抗衰落龄技术快衰落Rap已id炕fad驰ing只和慢衰肥落Sl游ow氧fad喉ing芹(按持泊续时间撕划分)代:慢衰落：淘持续时间颠长的叫慢书衰落，其搬持续时间答一般长达孕数分种到墙几小时。快衰落：叙持续时间聪短的叫快阶衰落，一虽般发生在砖几秒到几抱分钟之间级。上衰落Upf驱adin血g和下衰庸落Dow概nfa蔽ding吸(按接收贱点场强的遗高低划分笔):上衰落骄：高于众自由空向间电平幼值的叫施上衰落下衰落：宣低于自由姨空间的电童平值的叫辈下衰落多径衰落Mul均tip壮ath梅fa悼din巨g和闪篇烁衰落码(按衰胁落发生曾的物理喉成因划蛾分):闪烁衰祸落：主会要是因邮为大气翠局部微代小扰动向引起电算波射束旦散射所治造成，部各散射殖波的振养幅小，酬相位着荐大气变雷化而随西机变化南。结果所它们在筑接收点倦的合成辩振幅变敢化很小逼，对主桥波影响夫不大，瞒因此，给这种衰挎落对视丽距微波睡接力电棚路的稳度定性影鼓响不大船。多径衰落蒙：主要是芳由于多径逮传播造成却的，它是伏视距传播私信道深衰腰落的主要挥原因。所附谓多径传盾播，就是贪电波离开木发射天线秀后，通过冬两条以上张的不同路牵径到达接速收天线的窜传播现象。各种衰晌落及抗多衰落技牧术衰落的种的类还是气抄候原因占，使下搜层大气抹密度加宣大。这种衰落思在线路经朵过水面、罩湖泊、或令平滑地面基时更为严扣重，所以咬在选择路掏由时要尽轿量避免，寸不可能回父避时一定下要采用高共低天线技宪术使反射滑点靠近一纪端减少反晃射波的影圆响，或采周用高低天堤线加空间受分集技术断或抗反射灿波天线等皱来克服多狗经反射的铲影响。K型衰落由于折射近系数（K）的变夹化，使直询射波和地照面反射波宇相干涉而闹产生的衰辈落，或直挖射波因折圆射下凹而遗被地面的吵高地或高榴山阻挡而子发生的绕择射性衰落石，即K型衰落。气象塑条件变硬化通常底比较是线缓慢的棋，因此昌受其影寄响产生煮的衰落证是慢衰稍落。由于气望体分子匠的谐振供引起对裤电波的怖吸收。这种作性用对15G脉HZ（败即2C谱M）以坊上的微锯波才有村明显作兔用，低堪于此频家率的可孟不考虑臂。在微波诉规划时瓣，可用牧下图的梁曲线来爆计算。RadioFrequencyGHz1050100100050010001001010,10,01H2OO2O2H2OH2O15°CH2O7,5g/m31013hPa25g/m3Atte歇nuat柴ion播Coef歇fici叫ent裂dB屯/km大气吸收丛衰减Att提enu仰ati姨on蜻due寻to耕Ga码ses薯:由于雨究、雾、锹雪能对曾电波能寺量的吸真收，微愿小水滴飘产生导千电电流字和定向迅辐射能浸量的散寇射。这尾种作用嚷对5CM（输即6GH虹Z）以下医的微波才停有明显作幅用，长于乘此波长的竞可不考虑兔。一般情怪况10GH腊z以下货频段，雨读雾衰落还椅不太严重叨，通常在融两站间的艰这种衰落疤仅有几个猎dB。但10上GHZ削以上频泪段，中富继段间栋的距离箱将受到秃降雨衰第耗的限盯制，不翠能过长定。雨雾衰减Atte继nuat厌ion融due怠toR昨ain跳and锋FogAtt浓enu后ati连on艇due响to卷Ra似in(豪雨雾衰搂减）Radi样ofr扇eque老ncy续(GHz竖)Tro牲pic伟alDow忌npo请urHeav费yRainMed侧iumHeav俊yRai铺nLig呀htRainDri免zzl管e0.412410203050100150雨雾瞬时纹强度(Ins解tant突aneo步usR兼ain漆Inte曾nsit嫌y)(类mm/h国)0.0澡10.111050雨雾吸收胡系数(Ra估in慕Abs脑orp键tio堡nC糟oef制fic汉ien础t)像(d逢B/k终m)5102050100»2.4dB/km7GHz38GHz»5.9dB/km»37dB/km38GHz在10GH承Z频段以高下，雨雾羡损耗并不局显得特别缘瑞严重，对菠一个中继逝段可能会堵引入几个仁分贝。在10G穷HZ以上愈频段，中溜继间隔主熔要受降雨疫损耗的限蓝制，如对瞧13GH菊Z以上频赚段，10责0mm/热小时的降悦雨会引起徐5dB/蜓km的损戏耗，所以尺在13G叮HZ，1纱5GHZ劣频段，一揉般中继距膜离在10黑km左右在20将GHZ找以上频党段，由脸于降雨帽损耗影晌响，中钢继间距且只能有埋几公里越高频段究雨衰越厉木害！！高频段可枝以做用户础级传输雨雾衰戴减Atte简nuat欧ion沾due号toR雾ain导and方Fog设计全球降雨画划分为H,辫K,州N,嘱P四个区辟域。平均降生雨量在32m介m,4驼2mm垫,95mm和145烂mm每小时。中断肺概率0.0殿01%刚，考虑降誓雨微波榨设备的介理论单顿跳传输制距离雨雾衰皇减Att扬enu乌ati赌on娱due冈to土Ra韵in阵and迹Fo皆g不同地形剃对电波的验影响,一般分哑为：绕射Dif冈fra训ct刃形障吧碍物。反射Refl布ect地面把天猪线发出的阿一部分信名号能量反清射到接收顺天线，与播直射波产竿生干涉，盐在接收点拉它们的矢抄量相加，钳结果收信底电平与自脆由空间接代收电平比散较时大时扭小。对于水阿面或光喝滑地面疯，反射勺的影响寇作用更竭为明显有。散射Dis洗per手sio熟n由于地唐面散射陵对电波折的主射挽波影响菌不大，守可以不抗考虑。多径效应绕射Diff秃ract禁ed微波传罚播模式Mic鞭row牙ave绿Pr惜opa哥gat质ion路径上雕刃形障递碍物的抵阻挡损宅耗路径上留刃形障荒碍物的漏阻挡损搂耗刃形障践碍物不诞可能阻祝挡所有悉的费涅跨耳区，泻所以在飞收信点芦仅有一批部分费强涅耳区泰的能量音绕过，坡使接收胀点多少栗有一定欢电平数厌。而这于个数值税一定低表于自由本空间电剂平。这称个由于帜刃形障乖碍物的岩阻挡而搜增加的范损耗我伟们称之纳为附加装损耗。当障碍稳物的尖尽锋正好船落在收漂发两端员的连线子上，即HC=0时，禁附加损耗绝为6dB打;当障碍物代的顶锋超或过收发两统端的连线阔时，附加墓损耗将很降快增加;当障碍物诱的顶锋在带收发两端须的连线以碑下时，附要加损耗将屈在0dB岭上下少佛量变动锦。这时闲路径上支传输损逃耗（或销说收信拣电平）株将与自升由空间滚数值接帜近。Refl乌ecti怪ons-fr音oma熊tmos救pher既icl暗ayer念s-fr废omg腹roun齿d-fr谷omb哑uild絮ings反射损繁耗（ref阅lec胜tio舱nL冈oss杠）地面反欧射对微夏波传播可的影响平坦地形摄是指不考仇虑地球曲丛率，认为嚼两站间的眉地形为平后坦情况。在实际的芦微波通信绞工程线路达中，总是锡将收（R）发（啊T）天线父对准，以信便接收端夕收到较强踩的直射波虏。但是根据驻惠更斯原头理总会有性部分电波绕射到地面娱，所以在也接收点除盲直射波外构还有经地傲面反射并河满足反射首条件（入文射角等于垦反射角）素的反射波码。平坦地形著对电波的们反射地面反蜻射对微良波传播悦的影响微波传瓦播模式Mic蹈row惩ave牢Pr暗opa锋gat恐ion直接传播Dir舒ect反射Reflected平坦地耳形对电倘波的反迎射:地面反爷射对微云波传播烧的影响微波多径魔传输Fla漆tf省adi译ng(然平衰落月)The粉loss震isunif甲ormacr冒oss短th房诚ef凭req秩uen岂cy码spe默ctr激umSel与ect告ive漠fa拔din液g(频狗率选择蹲性衰落借)The冲lo偷ssvar侮iesacr焰oss致th桥ef穗req均uen充cy椒spe河ctr扰um多径衰资落Fre私que疏ncy向(M波Hz)Rece系ived汇po男wer算leve摄l(d驴Bm)NormalFlatSelective1hRecordingoftypicalmultipathfadingRxlevelduringfadingfreetimeThresholdlevel(-30dBlevel)Biterrorinterruptionofcommunication(rapidfading)“UpF跌adin谨g”多径衰落数字微葛波系统朋的抗衰章落技术1.频馅域均衡港器2.时师域均衡摧器3.空间泄分集接收空间分取集的距洽离：H约10闪0－200入H

空间分集信号频谱多径衰落斜率均颂衡均衡后频撇谱频域均提衡只能誉均衡信造号的幅汪频特性泪，不能装均衡相赶位频谱朗特性，道但是电峡路简单频域均钓衡数字微波悼系统的抗系衰落技术…..…..均衡前均衡后时域均衡精直接抵消铲码间干扰TTT时域均衡数字微波到系统的抗挠衰落技术传统:为克服事延时线饰问题,常采用意判决反馈另均衡器,菊特点是体积大,颈级数不可扫能做得太猫多现在:采用高果速A/D器局,及FP跟GA电路及,电路体岗积小,可慎以做很多级跳.如H给ARR崭IS的哀MEG诱AST背AR采迅用11典级的全蓄数字横向均览衡器时域均衡各种衰落咸及抗衰落鞠技术数字微如波系统支的抗衰泥落技术频域均烟衡对抗蚁频率选择性衰响落:只对于套大容量果宽带系牺统产生议严重影雨响，区奴别于平盾衰落。对影响幅污频特性贤，造成激码间串兽扰。设促备性能殊决定了颂对抗这昨种衰落移的能力身。数字微波娱系统的抗态衰落技术方法一剃：利用造某些地臭形、地辟物阻挡叮反射波工程中数字微波啊系统的抗膀衰落技术方法二弱：高低爸天线法数字微笔波系统镰的抗衰暗落技术天线间投距到当其中一习面天线发折生多径干话扰时,另一猛面天线飘不会发康生多径臭干扰.挥要求天千线间的唐相关系排数小,蹄而塔又六不可能读造得很声高,所枪以一般咸情况下览,相关肺系数取旁0.5签到0.矮6之间方法三：井空间分集数字微波梳系统的抗亮衰落技术工程设计稿中，两天肃线的间隔H通常取8~10康m。不同天线绢接收到的剂反射信号方法三巴：空间版分集数字微波载系统的抗坦衰落技术信号合腾成dBhmh1h2F1h1h2F1F1d100CombinerCombinedIFoutputReceiversPathequalizationTwooperatingmodes:1-minimumdistortionforanhighlevelreceived2-maximumpowerforaweaklevelreceived(-65dBm)NN(F1)(FI)R1R2Climaticreflectionto150方法三：睡空间分集数字微波摘系统的抗喇衰落技术h1Dh=ld4h1l=Wave与len魄gthd=灯Path筑len焦gthTxRxl/2Dh空间分集粉的间距计奔算数字微波粥系统的抗证衰落技术TXRXf1f2Alarm工作备财份和频抖率分集（Work岭ing礼Stan忍d-by非and反Fre茶quen臣cyD疏iver逐sity干）数字微疏波系统膛的抗衰谊落技术f1or(f1+f2)热备份坏或工作饮备份（Hot挎Stan肯dby沸orW初orki画ngS刃tand济by）数字微波逐系统的抗顽衰落技术点对点视晚距传播通置信的要求微波设计傻目标传输余库隙微波线路畏的分类K值在各微波规恰划中的陆意义微波通塘信对设滚计的要绞求很小的魂发射功抹率一只有利用吊具有很强环的方向性者天线实现从通信，要洁想实现较旷长距离通郑信，只有袜适当加大用天线或加枪大功率。点对点视切距传播通观信的要求工作波陶长短、蓬克服障豪碍的能江力差在实际的息工程勘察统中，树高暗、无树山闯上的灌木伤都是不可善忽略的影费响通信质厦量的因数保。点对点谨视距传信播通信绸的要求K=4/夹3时,第声一费涅耳植区无障碍栏物(The落1st隔Fres感nel衡shal伴lbe鬼fre额efr捷omo底bsta持cles俱whe勿nk蚂=4/顺3)在传播经允过水面或绿沙漠地区气时,建议K=1时伪,第一费泳涅耳区无梳障碍物顶(On穗pat匀hs且ove何rw聚ate咸rs去urf于ace稿so状rd诞ese凑rt伍are环as,路it吹is鸣re挨com险men嚷ded损to移ha亭ve钩the裳1s卷tF俯res章nel今zo册ne肿fre打ef得rom昼ob依sta摔cle求sw乎hen生k鞋=1陵(S棍ee羽als存oI况TU-逗RR便ec.沟P.5甜30)尘)Dist腐ance拣50割kmk=纯4/31st渣Fr框esn版el狭zon榴e微波设墨计目标(Mic啊rowa日veP葱ropa秆gati貌onDes合ign档Ob个jec令tiv串e)微波通肾信对设永计的要祸求传输余饥隙TR0.5770dB1.0-10-60当相对余颠隙大于0.6，阻排挡损耗斜为0dB浩,障碍慨物的顶顶部恰好苗在视距面连线上吗时，阻奴挡损耗谢为6d租B。余隙余隙计算d地球凸起怕高度：其话中K为大气餐折射因子路径余隙联的计算公程式：余隙可坚得大于芽一阶费共涅尔半粗径传输余惧隙自由空间蚀余隙在下图中三：在Φ（地图坊反射系数次）=1时考虑地始面的影响剖，第一次愚出现收信葡电平等于拜自由空间翁电平时HC/F1=0.多577庙。在Φ＜废1时，毕第一次侧出现收劈燕信电平旦等于自现由空间屡电平时惧HC/F1=0.5警77。我们把漫HC/F1=0.疫577既时的余激隙称为原自由空佩间余隙缎，用H0表示。它炼的表达式扫为：H0=0.5颂77x躺F1=（λd1d2/d）