第8章数字微波与卫星通信系统

第8章数字微波与卫星通信系统8.1数字微波通信系统概述8.2SDH数字微波通信系统8.3卫星通信系统概述8.4通信卫星8.5卫星地球站8.6多址方式8.7数字卫星通信系统范例8.1.1微波通信基本概念1微波通信微波通信指依靠频率为0.3～300GHz的空间电磁波来传递信息的通信。1）微波通信的频段表8.1为无线电频谱分类。长波常用于长波电台进行海上通信；中波主要用于短距离广播；短波主要用于短波通信和短波广播。8.1数字微波通信系统概述2）微波通信的特点微波是直线传播，要求两个通信点间是视距通信。①通信可靠性高（频率高，不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响）；②微波通信又称视距通信或接力通信（微波通信要远距离传送信号，必须把信号一段一段地往前传送）；③传输信息容量较大（频带宽）。2数字微波通信系统1)微波通信系统的组成图8.1为数字微波通信系统方框图，由发端站、中间站和收端站组成。甲地端站数字信号先多路复用成数字基带信号，然后经数字调制形成数字中频调制信号，再送发送设备进行射频调制变成微波信号，最后送发射天线发向微波中间站；微波中间站使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站发送，一直传送到收端站；收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号，再分路还原为原始的数字信号。图8.1数字微波通信系统方框图微波收/发信设备用户终端收信发信长途电信局或微波站长途电信局或微波站中间站终端站终端站天线馈线系统天线馈线系统甲地乙地时分复用设备市内电话局用户终端市内电话局时分复用设备调制—解调设备微波收/发信设备调制—解调设备2)微波通信设备的特殊天馈系统微波通信通过天馈系统发射、接收信号。图8.2为天线馈线系统示意图。微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)，主反射面的抛物面中心底部置天线馈源；馈线系统一般由波导和同轴电缆组成，天线馈源与馈线直接相连。微波信号天馈系统中还要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换，使用的滤波器、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件。图8.2天线馈线系统(a)同轴电缆天线馈线系统；(b)圆波导天线馈线系统极化分离器卡塞格伦天线同轴电缆电缆接头副反射器初级辐射器上密封节卡塞格伦天线的主反射面圆软波导圆波导弯头杂模滤波器圆波导管极化旋转器58×25mm矩形软波导矩形波导密封节接发信机至收信机阶梯变换器矩形波导58×25—58×10mm58×25mm波导弯头终端负荷极化分离器j69—j54mm变换器(a)(b)极化补偿节8.1.2微波传输线路微波传播在传播方向无电场、磁场分量，因此可视为平面波（或横电磁波）。1微波传播的电波特性微波信道(或微波线路)：两个微波站间的电波传播。微波线路存在衰减，可按自由空间天线辐射能量衰落来计算。但是微波线路实际传播情况与微波站所处环境、自然现象等有关，地面或山地反射波，雨、雾、雪对电波吸收和散射、折射都会引起电波快衰落与慢衰落，使对方收到电平低十几至几十分贝。2微波信号传输线路中的余隙空间不同高度波束的传播速度不同，当上层比下层传播快时电波射线往下弯曲，下层比上层传播快时电波射线往上弯曲。图8.3为地面反射和大气折射示意图。传输线路上部分波投射到地面引起地面波的反射，收端电波为直射波与反射波的合成波。微波线路的余隙指从地面最高点（设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离。图8.3地面反射和大气折射示意图大气折射收h2直射波发h1hc大气折射d1d2dkm反射波余隙hc的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径F1λ：微波工作波长；d1：反射点离发射天线距离；d2：反射点离接收天线距离；d：收、发天线间距离(d=d1+d2)。)()().()(6.31)(211kmdkmdmdmmF余隙hc的计算：≥0.3F1(k=2/3)hc=≥1.0F1(k＝4/3)(8.1.3)≤1.35F1(k＝∞)3数字微波信道的干扰和噪声微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播，一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、邻近波道干扰、天线系统同频干扰等。噪声主要来自设备，有收、发信机热噪声以及本振源的热噪声等。8.2SDH数字微波通信系统8.2.1SDH微波接力通信系统组成SDH微波接力通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干中继站组成，如图8.4所示。终端站中继站枢扭站终端站终端站分路站图8.4站型配置终端站：处于线路两端或分支线路终点的站，枢纽站某个方向上的站也是终端站；枢纽站：一般处在长途干线上(一、二级)，完成数个方向的通信任务；分路站：长途线路中间除可在本站上、下某收、发信波道的部分支路外，还可以沟通干线上两个方向之间通信的站；中继站：线路中间不上、下话路的中间站。8.2.2SDH微波系统的主要设备1端站设备SDH微波终端设备主要包括SDH信号复用部分和SDH微波传输部分设备。端站可分为终端站、中间站和分路站三类。1)终端站设备配置终端站设备常用在线路两端点或分支线路终点，配备有SDH复用设备，可上、下全部低次群信号(支路信号)。图8.5为终端站设备配置示意图，可配备多套SDH复用设备和SDH传输设备。图8.5终端站设备配置2)中间站设备图8.6为中间站设备配置示意图，只具备STM-N速率接口，无复用设备。3)图8.7为分路站设备配置示意图，配备SDH分插复用设备(ADM)，具有STM-4速率接口和有限个支路接口（2Mb/s接口和STM-1接口）。STM-4接口用于沟通干线上两个方向的通信；2Mb/s接口用于本地上、下部分话路。图8.6中间端站设备配置IFModemCh.ACh.B收信机发信机Ch.ACh.BCh.ACh.BSTM-4RFIFIFCh：波道Modem：调制解调器IF：中频RF：射频图8.7分路站设备配置SDH分插复用IFModemCh.ACh.BOAMP收信机发信机Ch.ACh.BCh.ACh.BSTM-4CNetIFIFSTM-1或2Mb/sSTM-4RF2再生站设备再生站设备主要用于接收、再生和发送微波通道传输的SDH数字信号。一对收、发信波道信号的再生一般由两套分别用于发送方向的再生站设备完成，只有SDH信号再生中继转接部分的设备模块。图8.8为一个方向的再生站设备配置示意图。图8.8再生站设备配置IFModemCh.ACh.BOAMP收信Ch.ACh.BIFIFIFIF发信机Ch.ACh.BCNetRF自收天线来3SDH微波基带信号处理SDH微波基带信号处理常称DSP部分，分为发送和接收两个方向，完成微波传送中绝大部分信号处理功能。图8.9为数字信号处理器方框图。发端：首先选择主用、备用和再生中继用三种数据信号流；然后插入段开销SOH以及微波辅助开销RFCOH，并对信号进行扰码、码型变换等功能；最后送调制器。收端：解调器解调出的数字信号先进行码型反变换、去扰码处理，并且取出SDH开销和SDH微波辅助开销，最后恢复STM-N信号。图8.9数字信号处理器SOH分接3选1SOH插入扰码去扰码RFCOH插入ROH分接纠错解码纠错编码格雷解码差分编码差分解码格雷编码自/格变换格/自变换时延调整分配主用备用SOH9999RFCOH927855IQ主用备用999922810IQ2格雷解码4SDH微波系统的运行、维护、管理OAMPSDH数字微波传输系统的管理分为网元层和网元管理层，提供一个完备的OAMP管理平台，对近端、远端设备的运行、维护进行监控和管理。图8.10为SDH微波传输管理系统结构框图。人机接口接收管理人员的操作指令；系统的单元设备采集信息数据；系统根据接收的指令和数据处理系统(传输网)中发生的各种事件（SDH系统的传输业务和设备运行、管理与监视）。图8.10SDH微波传输管理系统的结构8.2.3SDH数字微波传输系统的主要技术1抗衰落的技术微波在传播路径上受气象条件变化、传播环境不同影响使得传送电波随时间恶化衰落。衰落表现:①大气吸收衰耗；②雨、雾引起的散射衰耗；③多经衰落；④微波频率选择衰落等。常用的抗衰落措施：①自动增益控制AGC技术；②频率分集技术(用两个或两个以上有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息)；③空间分集技术(空间不同垂直高度的几副天线同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号)；④自适应均衡技术(频域自动均衡和时域自动均衡)；⑤交叉极化干扰补偿技术。2SDH数字微波实用的调制解调技术数字调制有三种基本调制方式：ASK、FSK和PSK，不同的数字通信系统采用不同的数字调制技术，比如数字移动通信采用MSK调制，卫星通信采用OK-QPSK调制。STM-1系列采用网格编码调制TCM，一般采用TCM-64QAM调制，解调采用维特比译码。STM-4系列采用多级编码调制MLCM，可采用64QAMMLCM调制或LEE代码64QAM调制等。3分集技术分集技术分为信号分集接收技术(接收信号选择质量好的某路作为输出)和室内分集技术(最大功率组合器与最小色散组合器有多重室内分集)。4非线性失真补偿技术非线性失真补偿技术常采用功率回退法、功率合成法、预畸变法与前馈法等。5SDH微波传输新技术微波要传送STM-16以上高速率的SDH数字传送模块，必须研究一系列的新技术：①提高调制状态数及严格限带；②采用更复杂的纠错编码技术；③网格编码调制及维特比检测技术；④高性能、全数字化二维时域均衡技术；⑤多载波并联传输技术；⑥采用多重空间分集接收、发端功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除电路等技术。分组码：将输入信息序列分成长为L的组，然后增加只与本组信息数字有关的多余度构成（N，L）分组码；卷积码：将输入信息序列分成长为k0的组，然后增加与本组以及前m组信息数字有关的多余度构成（n0，k0，m）卷积码。卷积码的基本概念(2,1,2)卷积码编码器卷积码的描述状态图树图a1100abb0110cdc0011abd1001cd0010a1101ba0011a1100abb0110cdc0011abd1001cd1101c0010db1001a1100数码起点状态a＝00b＝01c＝10d＝11上半部下半部数码1101格图a00起点aaaaaabbbccccbbcbddddd000000000000000000100101010101010110101010111111111111101010100101在输入序列的控制下，编码器沿码树通过某一特定路径的过程卷积码的编码卷积码的译码根据接收序列，在码树上选择一条路径的过程1.从第1时刻的全零状态开始；2.时刻t，对每一状态只记录到达路径中最短路径及其度量；3.向t+1时刻前进时，对t时刻每个状态延伸；4.对所得到的t+1时刻到达每一状态的2k条路径进行比较，找到最短路径作为幸存路径；5.直到码的终点，如确定终点是一个确定状态，则最终保留的路径就是译码结果。维特比译码从码树起始节点开始，把接收到的第一个子码的n个码元与自始节点出发的两条分支按照最小汉明距离进行比较，沿差异最小分支走向第二个节点；第二个节点上，以同样原理到达下一个节点，以此类推，最后得到一条路径。序列译码8.3卫星通信系统8.3.1卫星通信系统的组成及特点卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站间进行信息交流的通信方式。图8.11为卫星通信示意图。1卫星通信系统组成及工作过程1）卫星通信系统组成卫星通信系统由通信部分和保护部分组成，卫星通信部分主要包括发端地面站、收端地面站、上行线、下行线和通信卫星，图8.12为卫星通信线路组成示意图。ABCD地球E图8.11卫星通信的示意图终端设备发射设备接收设备终端设备来自市内通信线路至市内通信线路上行线路下行线路通信卫星(发端地球站)(收端地球站)图8.12卫星通信线路的组成2）卫星通信系统工作过程卫星通信系统中信号从发端地面站到收端地面站，经过信号发射、上行线、卫星转发、下行线和信号接收的传输过程。图8.13为卫星通信系统的工作过程示意图。发端：甲地先把本站信号组成基带信号；然后经调制器变换为中频信号；最后经上变频变为微波信号，由天线发向卫星（上行线）；