微波通信和卫星通信.docx

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微波通信和卫星通信

现代通信技术辅导7

        第七章  微波通信和卫星通信

一、知识点

 微波通信。

 卫星通信。

二、重点难点内容

微波通信是在20世纪40年代至50年代开始使用的无线电通信技术，经过多年的发展己经获得广泛的应用。

微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。

模拟微波通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波通信所取代，数字微波通信已成为一种重要的传输手段，并与卫星通信，光纤通信一起作为当今三大传输手段。

卫星通信可看作微波通信的一个具体应用，所以把微波通信和卫星通信放在同一章中。

学习中注意比较卫星通信和地面微波通信的异同点。

（一）微波通信

本节主要讲述微波通信的概念和特点，微波通信系统的基本组成，微波站的设备组成及微波的传输特性和抗衰落技术。

1.微波通信的概念和特点

（1）微波的频段划分

无线电波波段的划分如表1所示。

   表

（一）无线电波波段的划分

整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。

不同频率段落分别命名为无线电波（3kHz～3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、x射线、

射线和宇宙射线。

微波是超高频率的无线电波。

由于这种电磁波的频率非常高，故微波又称为超高频电磁波。

电磁波的传播速度

与其频率f、波长又有下列固定关系：

若微波是在真空中传播，则速度为

微波频段的波长范围为lm～lmm，频率范围为300MHz～300GHz，可细分为特高频（UHF）频段／分米波频段、超高频（SHF）频段／厘米波频段、极高频（EHF）频段／毫米波频段和至高频频段／亚毫米波频段。

实际工程中常用拉丁字母代表微波小段的名称，例如S,C,X分别代表10厘米波段、5厘米波段和3厘米波段；Ka，U，F分别代表8毫米波段和3毫米波段等等，详见表2。

     表

（二） 微波频段的划分

（2）微波中继通信的概念

微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。

A,B两地间的远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图1所示。

    图一  远距离地面微波中继通信系统的中继示意图

对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个：

首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此，若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。

其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信跟离。

微波中继通信主要用来传送长途电话信号、宽频带信号（如电视信号）、数据信号、移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等，还可用于山区、湖泊、岛屿等特殊地形的通信。

（3）微波通信的特点

（a）通信频段的频带宽，传输信息容量大

微波频段占用的频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz。

一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号。

（b）通信稳定、可靠

当通信频率高于100MHz时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。

由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小。

数字微波通信中继站能对数字信号进行再生，使数字微波通信线路噪声不逐站积累，增加了抗于扰性。

因此，微波通信较稳定和可靠。

（c）接力

在进行地面上的远跟离通信时，针对微波视距传播特性和传输损耗随题离增加的特性，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。

（d）通信灵活性较大

微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。

在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性。

（e）天线增益高、方向性强

当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。

由于微波通信的卜作波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线。

这样可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播特方向对准下一接收站，减少通信中的相互于扰。

（f）投资少、建设快

与其他有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。

 （g）数字化

对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统。

2．数字微波通信系统的组成

数字微波通信系统的组成可以是一条主干线，中间有若干支线，其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。

（1）微波通信系统的基本设备

广义地说，数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。

甲地如图2所示。

狭义地说，数字微波通信系统设备仅仅指微波站设备。

用户终端是逻辑［最靠近用户的输入／输出设备，如电话机、传真机等。

用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。

交换机的作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地（对端交换机所辖范围）用户终端

之间的业务互通。

交换机配置在微波终端站或微波分路站。

终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机；将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。

在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终端复用设备是脉冲编码调制（PCM）时分复用设备。

             图二  数字微波通信系统设备组成示意图

终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。

微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号。

微波站分为终端站、分路站、枢纽站和中继站。

处于主干线两端或支线路终点的微波站称为终端站，在此站可上、下全部支路信号。

处于微波线路中间，除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路信号外，还可以沟通卜线上两个方向之问通信的微波站称为分路站。

配有交叉连接设备，除了可以在本站上下某收、发信波道的部分支路信号外，可以沟通干线上数个方向之间通信的微波站称为枢纽站。

处于微波线路中间，不需要上下话路的微波站称为中继站，此站无用户终端、交换机、终端复用设备，只对信号进行解调、判决、再生至下一方向发信机。

（2）微波通信系统的简单工作过程

用图2来说明微波通信系统传输长途电话的简单工作过程。

甲地发端用户的电话信号，首先由用户所属的市话局送到该端的微波站（或长途电信局）。

时分多路复用设备将多个用户电话信号组成基带信号，基带数字信号在调制一解调设备中对70MHz的中频信号进行调制。

调制器输出的70MHz中频已调波送到微波发信机，经发信混频得到微波射频己调波，这时已将发端用户的数字电话信号载到微波频率上。

经发端的天线馈线系统，可将微波射频己调波发射出去，若甲、乙两地相距较远，需经若干个中继站对发端信号进行多次转发。

信号到达收端后，经收端的天线馈线系统馈送到收信机，经过收信混频后，将微波射频已调波变成70MHz中频己调波，再送到调制一—解调设备进行解调，即可解调出多个用户的数字电话信号（即基带信号）。

再经收端的时分多路复用设备进行分路，将用户电话信号送到市话局，最后到收端的用户终端（电话机），送给乙地用户。

3．微波站设备

数字微波站的主要设备包括微波发信设备、微波收信设备、微波天线设备、电源设备、监测控制设备等。

这里介绍数字微波收发信设备的组成、主要性能指标和中继设备及中继站的转接方式。

（1）发信设备

（a）发信设备的组成

在中频调制方式发信设备中，数字微波发信机将中频调制器送来的中频（70MHz）数字调相信号经延时均衡和中频放大后送到发信混频器，与发信本振棍频，经过边带滤波器取出所需微波信号，经微波功率放大器放大到所需功率，再通过分路滤波器送至天线发射。

为保证末级功率放大器不超出自线工作范围，以免产生过大的非线性失真，需采用自动电平控制电路把输出功率维持在合适的电平上。

在发信设备中，信号的调制方式可分为中频调制和微波直接调制。

目前的微波中继系统中大多数采用中频调制方式，勤务信号经常采用微波调制方式。

发信设备的组成如图3所示。

（b）发信设备的主要性能指标

①工作频段

           图三 发信设备组成方框图

微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。

对于较长距离的微波中继，其上要主作频段是1.7GHz～12GHz,12GHz以上频段口前使用不多。

我国选用2GHz,4GHz,6GHz,7GHz,8GHz,l1GHz作为微波通信的主要工作频段，其中2GHz,4GHz,6GHz频段主要用于干线微波中继，2GHz,7GHz,8GHz,11GHz主要用于支线或专用网。

②输出功率

输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。

输出功率的确定与设备的用途、站距、衰落影响及抗衰落方式等因素有关。

数字微波发信设备的输出功率一般为几十毫瓦到一瓦左右。

③频率稳定度

微波通信对频率稳定度的要求取决于所采用的通信制式以及对通信质量的要求。

发信机的工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。

数字微波通信系统多采用PSK调制方式，若发信机工作频率不稳，有漂移，将使解调的有效信号幅度下降，误码率增加。

一般频率稳定度可以取1

10-5～2

10-5左右。

目前较好的介质稳频振荡器可达到1

10-5～2

10-5左右。

当对频率稳定度有严格要求时，例如，要求1

10-6～5

10-6时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡源。

（2）收信设备

（a）收信设备的组成

微波收信设备包括射频系统、中频系统和群频系统（数字解调器等）三部分。

收信机将分路滤波器选出的射频信号进入具有自动益控制（AGC）的低噪声微波放大器放大后，送到收信混频器，混频器将射频信号变成中频信号，经前置中放、中频滤波、延时均衡和主中放得到中频调相信号，再送往解调器。

延时均衡器将发信机、收信机、馈线和分路系统产生的群延时失真进行均衡。

主中放有自动增益控制（AGC）电路，自动增益控制电路是微波中继收信机不可缺少的一部分，如果没有这部分电路，当发生传输衰落时，解调器就无法工作。

以正常传输电平为基准，低于这个电平的传输状态称为下衰落，高于这个电平的传输状态称为上衰落。

假定数字微波通信的上衰落为5dB，下衰落为-40dB，其动态范围为45dB。

当收信电平变化时，若仍要求收信机的额定输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设有自动益控制（AGC）电路，使之当收信电平下降时，中放增益随之增大；收信电平增大时，中放增益随之减小。

收信设备的组成如图4所示。

（b）收信设备的主要性能指标

①作频段

收信机与发信机是配合工作的。

对于一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是木收信机同一波道的收信频率。

频段使用同发信机。

各频段使用的频段宽度为400MHz～600MHz左右，其中包括6～8个工作频段。

    图四 收信设备组成方框图

②收信机的本振频率稳定度

收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，通常为1

10-5～2

10-5，高性能发信机可达1

10-6～5

10-6。

收信本振和发信本振常采用同一方案，用两个相互独立的振荡器，在有些中继设备里，收信本振功率是山发信木振功率取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率间隔约300MHz左右。

这种方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。

③噪声系数

噪声系数是收信设备的重要指标。

数字微波收信机的噪声系数一般为3dB～7dB。

噪声系数的基本定义为：

在环境温度为标准室温（17℃），一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数Np等于输入端的信噪比与输出端信噪比的比值。

收信机本身产生的热噪声功率越大，Np值就越大，也就是说Np值是衡量收信机热噪声性能的一项指标。

④通频带

收信机要使接收的已调信号无失真地通过，就要具有足够的工作频带宽度，即通频带。

为了有效地抑制噪声于扰；获得最佳信号传输，应该选择合适的通频带和通频带形状。

接收机的通频带特性主要由中频滤波器决定。

⑤选择性

选择性是指接收机只接收本波道的信号，对通频带以外各种干扰具有抑制能力，尤其是要抑制邻近波道干扰、镜像干扰和本机收发之间的干扰等。

（3）中继设备

（a）中继设备的类型目前我国投入使用的中、小容量数字微波中继设备以三次群设备（34Mbit/s，480路）为主，大容量设备以四次群设备（140Mbit/s，1920路）为主。

①34Mbit/s数字微波中继设备

34Mbit/s数字微波中继设备可用于国内长途通信支线电路、省内干线电路及专用通信网。

该类设备是三次群数字复用设备的无线传输设备，码速率为34.368Mbit/s，简写为34Mbit/s每个波道可传输480路数字电话信号，通过二次复用实现电报、数据、广播及会议电视等非电话通信业务，并具有远程监控、无人值守的功能。

目前我国可生产2GHz,4GHz,6GHz,7GHz,8GHz等频段的数字微波中继设备。

以6GHz,7GHz频段的设备为例，表3列出了其主要性能指标。

       表（三）   数字微波中继设备主要性能指标

②140Mbit/s数字微波中继设备

表4～表6介绍了我国引进的三种140Mbit/s挑大容量数字微波中继设备的有关性能指标。

         表（四）  日本NEC-5005系统的有关性能指标

             表（五）   意大利CTE–CTRI86系统的有关性能指标

         表（六） 加拿大北方电信公司RD-6B系统的有关性能指标

（b）中继方式

微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信机转接信号时的接口频带划分的，分为三种方式：

基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式。

①基带转接方式

中继站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。

已调信号经过变频输出载频为f1′的微波信号，该信号经微波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。

基带转接方式如图5所示。

                                      图五 基带转接方式 

因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。

模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。

对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。

对再生转接而言，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。

再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。

基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。

采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。

②中频转接方式

中间站把来自某一通信方向的载频为石的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f1′的微波信号。

该信号经微波功放、天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。

中频转接方式如图6所示。

因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。

中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解调引入的失真和噪声。

中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。

但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。

对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。

            图六   中频转接力式

③微波转接方式

微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频刀，相对于收信载频石；需要移频，即移频振荡器的频率等于f1′与f1之差。

另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益控制措施。

微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。

微波转接方式如图7所示。

   图七  微波转接方式

（c）调制方案与调制方式

如果要使数字基带信号以某种形式在带通微波无线电信道中传输，必须在发送端用数字基带信号调制微波载波，在接收端进行信号解调，这需要相应的调制与解调方式。

数字微波中继通信系统微波发信机有两种调制方案。

①射频调制

射频调制发信机的方框图如图8所示。

微波振荡器输出的射频载波信号进行调制，已调信号经过微波功放和微波滤波后通过天馈系统发送出去。

这种发信机结构简单，但其关键设备微波功率放大器的制作难度较大，通用性也较差。

②中频调制

中频调制发信机的方框图如图9所示。

来自数字复用设备的信码经过码型变换后，对对中频振荡器输出的中频载波信号进行调制，已调信号先经过功率中放、上变频，再经过微波功放和微波滤波，最后通过天馈系统发送出去。

这种发信机的通用性较好。

      图八 射频调制发信机方框图

可用于数字微波中继通信系统的调制方式很多，表6中列出了一些数字调制方式，它们都是在幅移键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK这三种基本调制方式上发展而来的。

在选择数字微波中继通信系统的调制方式时，考虑的主要因素有：

频谱利用率、抗干扰能力、对传输失真的适应能力、抗衰落能力、勤务信号的传输方式及设备的复杂程度等。

     图九 中频调制发信机力框图

        表（七） 数字调制方式的最佳解调性能比较表

表中，归一化信噪比Eb/No=1019g（Pr/（No

fb））（dB）；Eb：

为一个比特周期内的信号能量；No：

为高斯白噪声的单边功率谱密度；Pr：

为接收到的最大稳态信号功率；fb：

为多进制调制以前三进制序列的传输速率；频谱利用率

：

表示单位频带内的信息传输速率，定义为：

=fb／B；B：

为传输带宽。

选择调制方式时，应根据数字微波中继通信系统的容量等级，并综合考虑各种因素来选择。

对于小容量系统，以选择4PSKj/4DPSK为主，也可选择2PSK/2DPSK或2FSK；对于中容量系统，以选择4PSK/4DPSK为主，也可选择8PSK或2PSK/2DPSK；对于大容量系统，以选择16QAM为主，也可选择8PSK。

今后将逐步采用频谱利用率更高的调制方式，如64QAM,256QAM等。

2PS/2DPSK设备简单、抗干扰能力强，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但频谱利用率不高。

2FSK设备简单，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但其频谱利用率和抗干扰能力都比2PSK/2DPSK弱。

4PSK/4DPSK的频谱利用率是2PSK/2DPSK的两倍，抗干扰能力与后者一样，设备复杂程度只有少许增加，对衰落信道的适应能力适中，对信道的线性指标要求也不太高。

8PSK与4PSK/DPSK相比，具有更高的频谱利用率，但设备复杂程度有所增加，对信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施来改善性能。

16QAM的频谱利用率很高，设备也不太复杂，但对信道的幅相畸变、线性性能以及电波传播的频率选择性衰落都比较敏感，需要采取信道线性化措施和均衡措施，这将增加设备的复杂性和设备的成本。

其他多信号状态调制方式（如64QAM,256QAM等）都在具有很高频潜利用率的同时存在类似16QAM需要解决的问题，但这些问题随着技术进步，己经得到不同程度的解决。

（d）射频波道的频率配置

对两套对通的微波收发信机而言，它们的射频频带宽度是有限的，因而其传输容量也是有限的。

为了增加微波中继通信系统的传输容量，各微波站在每个通信方向上可以使用多套微波收发信机同时工作，而同一方向的每套收发信机必须使用不同的微波收发频率，以避免相互干扰。

这样，每两套对通的微波收发信机构成了一条独立的双向微波信道，称为射频波道。

因此，在一条微波中继通信线路上，相邻两个微波站之间将有多条射频波道。

所谓射频披道的频率配置，就是如何分配各相邻两条微波站之间各条射频波道收发信机的微波收发频率。

频率配置的基本原则是尽可能在给定的微波频段内多安排一些波道，以增加传输容量；尽可能减小波道之间的相互千扰，以保证系统总体指标和通信质量；尽可能有利于通信设备的标准化、系列化生产，以便于维修和降低成本。

当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间只有一条波道上作时，其频率配置称为单波道频率配置。

常采用二频制方案，即整个微波线路共使用两个不同的微波频率f1，f2，且这两个频率在两个信息传输方向上都是交替出现的，如图10所示。

         图十   频制频率配置

单波道频率配置还可采用四频制方案，即整个微波线路共使用四个不同的微波频率f1，f2，f3和f4，f2，f4与f1，f3各组成一条双向波道，这两条双向波道在两个信息传输方向上交替出现，如图11所示。

     图十一 四频制频率配置

采用二频制方案时，每个中间站的两个通信方向的收发频率均相同，但收发频率逐站更换一次。

其优点是占用频带窄（频谱利用率高），缺点是存在反向干扰和越站同频干扰问