数字对流层散射通信在民用的应用.docx

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数字对流层散射通信在民用的应用

数字对流层散射通信在民用通信的应用

第一部分 综述

散射是一种自然现象。

我们知道，在地球的外围是厚厚的大气层，大气层分布着大量随机运动的不均匀介质，它们是大小不同和形态各异的空气漩涡、云团和片流层等。

由于这些不均匀物质的温度、湿度和压强与周围空气的不同，因而对电磁波的折射率也不同。

当发射天线辐射的电磁波通过这些随机不均匀介质时，其传输方向不再与以前一致，而是向四面八方发散，我们把电磁波经过大气中的不均匀物质后传输方向发生改变的现象称为散射，把这些不均匀物质称为散射体。

利用大气层中散射体对电磁波的散射和反射作用而进行的超视距无线电通信叫散射通信。

根据散射体在大气中所处的位置和来源的不同，散射通信又分为电离层散射通信、流星余迹通信和对流层散射通信。

电离层散射通信是利用电离层的E层和D层对超短波的散射和反射作用实现的超视距通信。

流星余迹通信是利用穿过大气层的流星形成的短暂电离余迹对超短波的散射和反射作用实现的远距离快速通信。

对流层散射通信是利用对流层中散射体对微波的散射或反射作用而实现的超视距通信。

由于大气中的散射体多集中在对流层，因此对流层散射通信成为散射通信的主要方式。

由于散射体既不受电离层变化的骚扰，又不怕雷电等恶劣天气的影响，即便在太阳黑子活动情况异常或是在磁爆、核爆炸等恶劣情况下，大气中的散射体也始终存在，因而散射通信具有抗破坏能力强、抗干扰性强、通信稳定可靠、保密性强等特点，尤其适合用在近海跨越海峡、海湾和岛屿及用于内陆跨越沙漠、高山、湖泊、沼泽和人烟稀少的边远地区的通信。

散射体的分布不是均匀的，散射能量主要指向电磁波原发射的方向。

接收天线收到的信号是发射天线与接收天线波束相交的公共散射体前向散射的信号之和。

电磁波在大气层中传播时，其能量除一小部分被散射体散射和反射外，其余大部分能量都会被吸收或穿透大气层进入太空，使收到的信号非常微弱，从而给信号的接收带来一定的难度。

为保证可靠通信，需要采用高增益定向天线、大功率发射机、高灵敏度接收机和抗衰落措施。

由于散射体的随机不均匀性，这使散射信号具有快衰落性和存在多径时延，而它们到达接收机的路径不同，就决定了它们传输的距离不同，因而各信号到达的时间上会有差异。

为了克服散射信号快衰落和多径时延对通信性能的影响，散射机采用了分集接收技术。

分集技术是用几个相互独立的信道传输同一信息，接收机对这些分集信号进行适当地合并，提高合成信号的信噪比和减小信号电平的衰落深度，从而明显地改进接收性能。

分集方式有空间、频率、极化、角度、时间分集及其组合分集，接收机合并分集信号的方式有选择式、等增益相加式和最佳分集，合并信号可以解调前进行，也可在解调后进行。

提高数字信号抗衰落和抗多径时延能力的另一途径是纠错编码。

散射信道既有离散随机错误，也有突发错误，但平均误码性能主要决定于突发错误。

通常采用的编码方式有扩散分组码、扩散卷积码和自适应乘积码等。

根据传送的调制信号不同，散射机分为模拟散射机和数字散射机。

模拟散射机是采用模拟信号传输信息，解调时存在门限效应；数字散射机传输数字调制信号，其最佳信号形式与信道参数和传输速率密切相关。

比较理想的信号形式是移相键控信号，其解调方式通常采用普通相干或差分相干解调、自适应匹配滤波器相干解调和自适应判决反馈均衡相干解调技术。

现在，散射通信设备已广泛用于建立永久性固定通信干线。

散射设备还被用于装车，使其成为能在现场迅速开通或转移的移动散射站，成为民用机动通信的重要手段。

第二部分技术发展和应用情况

对流层散射通信作为一种通信手段付诸使用在国外已有四十多年的历史。

对流层散射通信的发展大体分四个阶段：

六十年代中期以前，在此期间对散射传播机理进行了大量研究，并研制出模拟散射设备，建立了大量的模拟散射通信线路。

七十年代到七十年代中期，数字对流层散射通信技术发展较快。

主要研究适合于散射信道传输的调制解调技术、编解码技术、分级合并技术、失真自适应技术及装车技术，并在高可靠性、实用性上取得了明显进行展。

七十年代后期至八十年代初期美、英、法、苏等国相继研制出一些数字对流层散射通信设备，并建立了许多模拟和数字散射通信线路。

自八十年代初期至今，美、英、法、前苏联一直保持在对流层散射通信技术领域的领先地位。

美国研制的对流层散射通设备有20多个型号，法国有10多个型号，前苏联、英国、意大利等国也都有多种对流层散射通信设备。

在民用通信领域，散射通信可广泛用于电力管理、石油、采矿、水利等各种工业部门作为指挥、调度等，也可用于森林防火、抢险救灾、应急通信系统，发挥着重要的作用。

日本NEC公司为利比亚撒哈拉沙漠地区研制了对流层散射电视传输线路，该系统采用27米大口径天线八重分集接收，中频相加，发射功率为20kW，容量为一路黑白电视和125路话，系统有两跳组成，全长为557km。

横贯澳大利亚的散射通信系统是跨越草原的散射线路，该系统三条全长640km，其射频频率为2.4～2.7GHz,发射功率为1kW,天线为10和米20米，容量为120路话。

加拿大水电部建成的一条拉布拉半岛到魁北克通信线路采用了对流层散射，天线为18米，容量为120路，四重分集工作。

英国的北海油田广泛采用散射通信作为平台至岸的通信手段，到目前为止，英国马克尼公司以为北海公司建成21条对流层散射电路，其工作频率为1.7～2.7GHz，发射功率为1kW，天线采用两付18米或12米的双偏置抛物面广告牌天线。

第三部分 特点

我所研制的对流层散射通信设备技术水平国内领先，国际一流。

对流层散射通信是基于微波频段的无线电波在对流层中散射的物理现象，是唯一无须转发器的地面大容量超视距无线通信手段，可用于在自然灾害中恢复通信，在30分钟内重建通信链路，并为用户提供专用带宽和高速率数据通信，成为应急通信的重要手段；可用于实现可靠的岛屿内通信及岛屿对大陆通信，省去安装水下光缆的巨额投资；可用于偏远不发达乡村通信，替代高额成本的其他无线通信手段，省去光缆铺设和维护的高额费用；可用于海洋钻井平台、石油和天然气平台对大陆通信，解决应环境、财政、安全和管理需求对设备的高速率数据监测。

使用散射通信设备的特点是：

不需要月租，设备并不昂贵；安装简单，易于操作维修；提供高于其他无线通信手段的速率；始终为用户提供可用带宽；支持大多数现代网络接口；在没有有线和光缆情况下可提供安全保密通信；提供双向对称通信；即可以将设备和天线装车移动通信，也可以将天线安装于桅杆、建筑物墙体、房顶等上面固定使用。

其工作频段为L、S、C、X波段，信息速率为2.4kb/s-8448kb/s，通信距离为100km~400km。

第四部分 技术指标

一、系统组成

系统组成主要包括：

a）天线及馈线；

b）收发双工器；

c）功率放大器（包括固态功率放大器、速调管放大器和行波管放大器）；

d）低噪声放大器；

e）上变频器；

f）下变频器；

g）频率综合器；

h）调制解调器、辅助复分接器；

i）数字终端；

j）监控单元；

k）电源。

系统组成方框图见图1。

图1 数字对流层散射通信系统组成方框图

二、系统业务种类 。

系统业务种类一般包括：

a）话音；

b）数据；

c）传真；

d）图像；

e）其它。

三、性能特性

1系统性能特性

1．1工作频率

数字对流层散射通信系统的工作频率如下：

a）4400MHz～5000MHz

b）其它频率。

1．2业务速率和传输速率

业务速率和对应的传输速率根据业务需求在相关说明中规定。

1．3通信距离

通信距离一般为100km～400km以内。

特殊情况在相关说明中规定。

1．4传播可靠度

在规定的通信距离上，平均信道误码率为1×10-4时，年传播可靠度不小于95％。

1．5分集与合并

分集方式可采用空间分集、频率分集、角度分集、隐分集以及不同的分集组合。

合并方式根据采用不同的调制解调方式进行选择。

1．6频率稳定度

系统短期稳定度应达到1×10-9／d，长期稳定度应达到5×10-8／a。

1．7接收门限电平

接收门限电平在相关说明中规定。

1．8动态范围

系统接收通道的动态范围优于50dB。

1．9杂散抑制度，

系统的发射杂散抑制度优于60dBc。

1．10谐波抑制度

系统的发射谐波抑制度优于60dBc。

1．11噪声系数

接收机噪声系数不大于4．0dB。

1．12频率综合器的工作频率

频率综合器的工作频率，按低于系统工作频率70MHz进行设计。

1．13调制解调方式和辅助复分接方式

系统应选择适宜的调制解调方式，具体方式在相关说明中规定。

辅助复分接器的工作速率按传输业务信息速率、勤务信息、监控信息及其他信息速率进行选择，按同步方式进行复分接。

2设备性能

2．1天线与馈线

天线及馈线性能见表1。

表1天线及馈线性能

工作频率

MHz

天线口径

m

天线效率

馈线形式

4400--5000

1.2--6

≥0.5

BJ一48矩形波导和BJR一48矩形软波导或低损耗电缆

当选用其它工作频率时，天线与馈线的性能在相关说明中规定。

2．2收发双工器

收发双工器性能见表2。

表2收发双工器性能

工作频率

MHz

工作

方式

0.5dB

瞬时带宽

MHz

发送端

插入损耗

dB

接收端

插入损耗

dB

发送端接口

接收端接口

4400--

异频

12

FD48或N型座

FD48或N型座

5000

双工

28

1.5

2.5

或SMA型座

或SMA型座

2．3功率放大器（包括固态功率放大器、速调管放大器和行波管放大器）

a）功率放大器的输出功率

功率放大器输出功率见表3。

表3 功率放大器输出功率

工作频率MHz

4400～5000MHz

输出功率W

５～５０

５０～２００

２００～５００

５００以上

b）功率放大器性能

1）1dB瞬时带宽不小于±6MHz：

2）整机增益，根据功率放大器的输出功率而定：

3）功率放大器杂散输出抑制度不小于60dBc；

4）固态功率放大器谐波输出抑制度不小于40dBc，速调管放大器谐波输出抑制度不小于40dBc；行波管放大器谐波输出抑制度不小于35dBc；

5）功率放大器微波辐射不大于5mW／cm2（距机壳5cm处）；

6）功率放大器机振噪声不大于75dBA。

其中500W以下为固态功率放大器，1kW以上为速调管功率放大器或行波管放大器。

2．4低噪声放大器 

低噪声放大器性能见表4。

表4　低噪声放大器性能