第20章-数字微波中继通信技术

第20章数字微波中继通信技术第20章数字微波中继通信技术20.1数字微波中继通信的概念20.2数字微波中继通信的特点20.3数字微波中继通信系统的组成20.4数字微波中间站的转接方式20.5数字微波的收发信设备第20章数字微波中继通信技术20.1数字微波中继通信的概念微波通信是在第二次世界大战后期，由美国贝尔研究所开始研究使用的一种无线电通信技术。经过50多年的发展，目前已经获得广泛的应用。当微波通信用于地面上的长途通信时，需要采用中继（接力）传输的方式，才能完成信号从信源到信宿的传输任务。所谓微波中继通信就是指利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行无线通信的过程或方式。第20章数字微波中继通信技术微波中继通信分为模拟微波中继通信和数字微波中继通信两类，模拟微波中继通信虽然出现早、技术成熟，但正逐渐被数字微波中继通信所取代。目前数字微波中继通信已成为通信领域中一种重要的传输手段，并与卫星通信、光纤通信一起成为当今三大通信传输技术。所以，若不加说明，本章介绍的内容都是指数字微波中继通信。第20章数字微波中继通信技术微波频段的频率范围为300MHz～300GHz，所对应的波长范围为1m～1mm。微波频段可细分为特高频（UHF）频段/分米波频段、超高频（SHF）频段／厘米波频段和极高频（EHF）频段／毫米波频段。由于卫星通信实际上也是在微波频段采用中继（接力）方式进行的通信，只是其中继站设在卫星上而已，因此，为了与卫星通信相区别，这里所说的微波中继通信是限定在地面上的。图20―1是A、B两地间的远距离地面微波中继通信系统的示意图。第20章数字微波中继通信技术图20―1微波中继通信示意图BC中继站中继站终端站终端站A第20章数字微波中继通信技术也许有人会问：“为什么要采用中继通信方式呢？”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：一是微波传播具有视距传播特性，即电磁波是沿直线传播的，而地球表面是个曲面，因此若通信两地之间距离较长，且天线所架高度有限，则发信端发出的电磁波就会受到地面的阻挡，而无法到达收信端。所以，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；另一个原因就是微波在传播过程中有损耗，在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大和发送。第20章数字微波中继通信技术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，还可用于通向孤岛等特殊地形的通信线路以及内河船舶电话系统等移动通信的入网线路。第20章数字微波中继通信技术20.2数字微波中继通信的特点微波中继通信具有以下特点：（1）通信频段的频带宽。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，前者是后者的10000多倍。占用的频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备就越多，通信容量也就越大。一套短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作，而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，并可传输电视图像等宽频带信号。第20章数字微波中继通信技术（2）受外界干扰的影响小。工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对微波频段通信的影响小（当通信频率高于100MHz时，这些干扰对通信的影响极小），但这些干扰源严重影响短波以下频段的通信。因此，微波中继通信信号比较稳定和可靠。（3）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、湖泊和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、撤收及转移都比较容易，这些方面比电缆通信具有更大的灵活性。第20章数字微波中继通信技术（4）天线增益高、方向性强。中继通信可以减小对发射功率的要求而获得满意的通信效果。另外，由于微波具有直线传播特性，因此，可利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，使微波天线具有很强的方向性，以减少通信中的相互干扰。（5）投资少、建设快。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不到同轴电缆通信线路的一半，而且还可以节省大量的有色金属，另外，建设时间也比后者短。第20章数字微波中继通信技术20.3数字微波中继通信系统的组成图20―2是一条微波中继通信线路的示意图，其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，支线可以有多条。除了在线路未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。第20章数字微波中继通信技术图20―2微波中继通信网线路图主干线支线微波终端站微波分路站微波中继站第20章数字微波中继通信技术与通信线路相对应，微波中继通信系统的设备连接方框图如图20―3所示。系统主要设备有：1.用户终端用户终端是逻辑上最靠近用户的输入／输出设备，如自动电话机、电传机、计算机、调度电话机等。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。第20章数字微波中继通信技术图20―3微波中继通信线路组成框图微波终端站微波中继站数字终端站交换机用户终端数字终端站微波终端站微波中继站微波分路站数字分路终端站交换机用户终端微波终端站数字终端站用户终端交换机数字分路终端站微波分路站微波中继站微波终端站数字终端站交换机用户终端交换机用户终端第20章数字微波中继通信技术2.交换机交换机既可实现本地用户终端之间的业务互通（如实现本地话音用户之间的通话），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处。第20章数字微波中继通信技术3.终端复用设备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进行适当变换，然后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。模拟微波中继通信系统的终端复用设备是频分多路载波机；数字微波中继通信系统的终端复用设备是时分多路数字终端机，包括增量调制（ΔM）和脉冲编码调制（PCM）两种制式。终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。第20章数字微波中继通信技术4.微波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。按其与终端复用设备的连接关系，微波站分为终端站、分路站和中继站，如图20―3所示。当两条以上的微波中继通信线路在某一微波站交汇时，该微波站称为枢纽站，它具有通信枢纽功能。微波分路站和枢纽站统称微波主站，微波中继站和分路站统称微波中间站。微波站的主要设备包括发信设备、收信设备、天馈系统、电源设备以及保障通信线路正常运行和无人维护所需的监测控制设备等。第20章数字微波中继通信技术20.4数字微波中间站的转接方式微波中继通信系统中间站的转接方式一般按照收发信机转接信号时的接口频带划分，它们划分为基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式三种，其方框图如图20-4所示。除此之外，还有微波直放转接方式和无源转接方式。第20章数字微波中继通信技术图20―4微波中继转接方式(a)再生转接微波低噪声放大器混频收本振发本振f1f2微波低噪声放大器混频中放上变频微波功放收本振发本振f1f2中放解调再生解调变频微波功放功率中放中频接口(b)中频转接微波低噪声放大器f1微波放大微波功放f2变频自动增益控制移频振荡微波接口(c)微波转接第20章数字微波中继通信技术1.基带转接方式中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天馈系统（天线馈线系统），传送到收信机。再经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并输出基带信号，对基带信号进行判决再生，再生后的信码序列进行中频数字载波调制（图20―4（a）只示出了前一种情况）。第20章数字微波中继通信技术已调信号经过变频后输出载频为f2的微波信号，该信号经微波功放、天馈系统后向中间站的另一个通信方向发送出去。这种转接方式采用数字接口，可以消除噪声积累，是目前微波通信最常见的一种转接方式。基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站和枢纽站必须采用的转接方式。采用这种转接方式的中间站的设备与终端站可以通用。第20章数字微波中继通信技术2.中频转接方式如图20―4（b），中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天馈系统，将发信端输出的微波信号通过高频馈线送至天线，经天线变换为无线电波朝通信方向发射出去，再经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间站的另一中继机的发信机功率中放，第20章数字微波中继通信技术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f2的微波信号。该信号经微波功放、天馈系统后，向中间站的另一通信方向发送出去。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，中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。第20章数字微波中继通信技术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，且为了使同一中间站的转发信号不干扰接收信号，转信载频f2相对于收信载频f1需要移频，即移频振荡器的频率等于f2与f1之差，见图20―4（c）。另外，为了克服传播衰落引起的电子波动，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。第20章数字微波中继通信技术4.直放转接和无源转接方式近年来产生了一种新的技术，即微波直放转接方式。微波直放转接方式以微波宽带低噪声放大器、微波宽带线性功率放大器和微波分路滤波器等器件为基础，进行有源、双向、无频率变换的微波信号直接放大。这种方式适用于模拟微波中继通信和数字微波中继通信，采用该方式的微波直放中间站不进行变频，其结构大为简化，体积很小，可以直接安装在天线支梁上，且其功耗低，可利用太阳能供电，可靠性较高，一般不需维护。第20章数字微波中继通信技术微波直放转接可用于延长通信距离，改善衰落储备或克服某些地形障碍，且不需建机房、修道路和架设电力线路，节省了基建费用。但由于其转信和收信在同一载频上，因此必须采用增益高、方向性强、旁瓣低、高性能、具有低噪声放大器的天线，或加大天线之间的垂直间距，以避免本站收发信号之间的相互干扰。无源转接方式利用金属反射板改变微波波束的方向以起到转接的作用。这种转接方式维护简单，主要用于克服山河等地形障碍，但对反射板的抗风能力要求很高且造价较高。第20章数字微波中继通信技术20.5数字微波的收发信设备1.发信设备的组成数字微波发信设备可以有如下两种组成方案：（1）微波调制发射机。微波调制发射机的组成方框图如图20―5（a）所示。来自数字终端机的数字信号经过码型变换后，直接对微波载波进行调制，然后经过功放和微波滤波器送到天线振子，第20章数字微波中继通信技术图20―5(a)微波调制发射机方框图中频振荡器中频调制器功率中放上变频器微波功放微波滤波器码型变换微波本振信码入微波振荡器微波调制器微波功放微波滤波器码型变换信码入(b)中频调制发射机方框图第20章数字微波中继通信技术由天线发射出去。这种方案的发射机结构简单，但当发射频率比较高时，其微波功率放大器制作难度大，且发射机的通用性差。(2）中频调制发射机。中频调制发射机的组成方框如图20―5（b）所示。来自数字终端的信号经过码型变换后，在中频调制器中对中频载波（70MHz或140MHz）进行调制（数字相位调制），获得中频调制信号。然后通过功率中放，把中频信号放大到规定要求的功率电平，经上变频器交换为微波调制信号，再经微波功放、微波滤波器馈送到天线，由发射天线发射出去。第20章数字微波中继通信技术中频调制发射机的构成方案与一般调频制模拟微波机相似，只要更换调制解调单元，就可以利用现有模拟微波信道传输数字信息。因此，在多波道运用时，这种方案容易实现数字系统和模拟系统的兼容。在不同容量的数字微波中继设备系列中，改变传输容量