第5章 微波与卫星通信技术

第5章微波与卫星通信技术5.1数字微波通信的概述5.2数字微波通信系统5.3SDH微波通信系统5.4一点多址微波通信系统5.5卫星通信技术5.6卫星通信系统的构成5.1数字微波通信的概述5.1.1数字微波通信的概念微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的电磁波。常用的范围是1～40GHz。数字微波通信是指利用微波(射频)作载波携带数字信息，通过无线电波空间进行中继（接力）的通信方式。目前使用较多的频段是2、4、6、7、8和11GHz。微波通信是无线通信的一种方式。进行无线通信，发信端需把待传信息转换成无线电信号，依靠无线电波在空间传播。收信端需把无线电信号还原出发信端所传信息。因此，在介绍微波中继通信前，应首先了解无线电波及其特性。（一）无线电波和频段划分无线电频段的划分如表5.1所示。表5.1无线电波频段划分频段名称频率范围波长范围长波中波短波超短波（特高频）30～300kHz300～3000kHz3～30MHz30～300MHz10000～1000m1000～100m100～10m10～1m微波分米波厘米波毫米波300MHz～3GHz3～30GHz30～300GHz100～10cm10～1cm1cm～1mm在无线电技术中，通常用频率（或波长）作为无线电波最有表征意义的参量。这是因为频率(或波长)相差很远的无线电波，往往具有很不相同的性质，如传播方式，中长波沿地面传播，绕射能力较强，而微波却只能在大气对流层中直线传播，绕射能力很弱。一般说来，各个频段的无线电波都可以用作无线通信。所谓微波，一般是指频率为300MHz～300GHz(或波长为1m～lmm)范围内的无线电波。“微”，就是该无线电波的波长相对于周围物体的几何尺寸很短的意思。（二）微波通信的特点微波通信具有下列特点：(1)微波频段，受工业、天电和宇宙等外部干扰的影响很小，使微波通信的传输可靠性提高。12GHz以下，受风雨冰雪等恶劣气象条件的影响较小，可使微波通信的稳定度大大提高。(2)微波频段占有频带很宽，可以容纳更多的无线电设备工作。由表5.1可知，全部长、中、短波频段的总频带占有不到30MHz，而微波仅厘米波的频带就占有27×103MHz，几乎是前者的103倍。占有频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备越多。信息容量大。(3)微波射束在视距范围内直线、定向传播，天线的两站间的通信，距离不会太远，一般为50km。5.1.2微波传播特性（一）自由空间的电波传播1.自由空间的概念自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。在此空间充满着均匀、理想的介质。2.自由空间传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量在传播过程没有被损耗掉。但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。这是因为电波由天线辐射后，向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远，接收点的能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。这种电波扩散衰耗称为自由空间传播损耗。传播损耗为：（5-1）式中：d为收发天线的直线距离，m；f为发信频率，Hz；c为光速度，；dBcdfLs4lg20sm/1038当距离以km为单位，频率以GHz为单位时（5-2）若频率以MHz为单位，则（5-3）dBfdLslg20lg204.92dBfdLslg20lg204.323.自由空间传播条件下收信电平的计算实际使用的天线均为有方向性天线。设收发天线增益分别为、；收发两端馈线系统损耗分别为、；收发两端分路系统损耗分别为、。则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为（5-4）例已知发信功率为，工作频率,两站间距离dBGrdBGtdBLfrdBLftdBLbrdBLbtdBLLLLLGGdBPPsbrbtfrftrttrWPt5MHzf3800kmd45dBLLdBLLdBGGbrbtfrftrt1,2,39,，求在自由空间传播条件下，接收机的输入电平和输入功率。解由式（5-2）式得dBLs1378.3lg2045lg204.92dBmWPt375sbrbtfrftrttrLLLLLGGPPdB281371122393937uWmWmWPr58.11058.11031028再由式（5-4）可得（）即（二）地形地物对微波传播的影响微波中继通信的电磁波主要在靠近地表的大气空间传播，因而地形地物对微波电磁波会产生反射、折射、绕射和吸收现象。1.平坦地表对微波的反射水面或平坦地面等地表对微波的反射，造成接收点的场强是直射波和反射波的矢量和。当收发天线足够高时，可以认为直射波是自由空间波。2.地表障碍物对微波视距传播的影响地表障碍物是诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等会阻挡电磁波视距传播的地物。与自由空间传播相比，地表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗。（三）大气对微波传播的影响由于微波中继通信的大气空间电磁波传播主要在对流层中完成，因此讨论大气对微波传播的影响，实际就是讨论对流层对微波传播的影响。对流层对微波传播的影响主要表现在3个方面：氧气分子和水蒸汽分子对电磁波的吸收；雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射；对流层结构的不均匀对电磁波的折射。当微波中继通信系统的工作频段在10GHz以下时，前两个方面的影响不显著，只需考虑对流层折射的影响；当工作频段在10GHz以上时，3个方面的影响都需考虑。（四）微波信号传输线路中的余隙概念收、发两微波站间的电波传播，受到电离层、对流层及环境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。在空间不同高度的波束，其传播速度会发生变化，当上层比下层快时，则电波射线往下弯曲，当下层比上层传播快时则往上弯曲，如图5-1所示。从图中看出，在传输线路上，有一部分波会投射到地面上来，引起地面波的反射，这样在收端除收到直射波外，还会收到满足反射条件的反射波。此时接收信号的电波即为合成波。从图5-1中可看出微波线路的余隙概念，它是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离，用hc来表示。在设计天线高度时一定要有余隙的计算。图5-1地面反射和大气折射示意图余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径(F1)有关。其中，k主要随气象变化而受影响；F1与电波反射波长、地面反射点距两微波天线距离等有关，其计算公式为（m）（5-5）式中：为微波工作波长，m；d1为反射点离发射天线距离，km；d2为反射点离接收天线距离，km；d为收、发天线间距离，km。dddF2116.31)(21ddd余隙的计算方法如下：当地面反射系数较小时，线路(山区、丘陵、城市、森林等地区)天线不能太低，否则会使大气折射电波向下弯曲，这时k=2/3，hc≥0.3F1。当地面反射系数较大时，线路(如水面、湖面、稻田等地区)，余隙不能太小。这时，余隙标准为k=4/3(标准大气)，hc≥10F1。当k=∞(余隙较大)时，hc≤1.35F1。因此)(35.1)3/4(0.1)3/2(3.0111kFkFkFhc(5-6)（四）地面远距离微波通信微波是一种波长很短的无线电波，它除了具有无线电波的一般特性外，还具有其本身的特性，其中最主要的是具有类似光的传播特性。微波在自由空间只能像光波一样沿直线传播，绕射能力很弱；在传播过程中遇到不均匀介质时，将产生折射和反射现象。地面上进行远距离微波通信需要采用“中继”方式，这是因为：（1）地球是个椭球体，地面是个球面。地面上某点发出的沿直线传播的微波射束，经过一定地段后，就会离开地平线而逐渐射向远方空间。因此，在地平线以远的地点自然就接收不到微波信号了。欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通信，必须采用“接力”方式，如图5-2所示。图5-2微波通信的中继方式(2)无线电波在空间传播过程中，能量要受到损耗。频率越高，衰减越大。微波射束的能量，经过一定地段损耗后，将大为减少。因此，欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通信，也必须采用“接力”方式，逐段收发放大，最终到达远距离收信端。上述的“接力”就是“中继”。微波中继通信也叫微波接力通信。例如，为了实现北京至上海之间的微波通信，必须在北京和上海之间设置若干个中间接力站，每个中间接力站把上一站发来的微波信号接收下来，放大等处理后，转发到下一站，如此一站接续一站，最终到达上海(或北京)收信端。(五)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引入，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，如收、发信机热噪声以及本振源的热噪声等。5.1.3数字微波的使用与发展简况数字微波通信起步于20世纪50年代，经过了20多年的历史，直到70年代初，才造成小容量、低频段的数字微波通信系统。70年代末得到了迅速发展，并形成了一个完整的技术系统。从实用化的70年代算起至今的30年中，调制方式由(2PSK)的相移键控，发展到(1024QAM)的正交调幅方式，其频谱利用率大大提高。目前由于新的调制方式及频带压缩技术的使用，已使数字微波的频谱利用率大大提高。传输一路码流为64kb/s的数字电话，已能被压缩到与一路模拟电话(带宽4KHz)所占用的信道频谱利用率相当。进入90年代后，出现了基于SDH的数字微波通信系统。数字微波具有建站快、成本低、不须铺设线路的特点，尤其适合于紧急通信、临时通信、无线接入等用途。5.2数字微波通信系统5.2.1数字微波通信系统的组成一条数字微波通信线路由两端的终端站和若干个中间站构成。如图5-3所示。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—解调设备图5-3数字微波通信系统方框图下面以微波通信用于长途电话传输时，系统的简单工作原理为例加以说明。电话机相当于甲地的用户终端(即信源)，人们讲话的声音通过电话机送话器的声/电转换作用，变成电信号，再经过市内电话局的交换机，将电信号送到甲地的长途电话局或微波端站。经时分复用设备完成信源编码和信道编码，并在微波信道机(包括调制机和微波发信机上完成调制、变频和放大作用。微波已调波信号经过中继站转发，到达乙地的长途电话局或微波端站。乙地(收端)方框图中与甲地对应的设备，其功能与作用正好相反。而用户终端(信宿)是电话机的受话器，并完成电/声转换。5.2.2数字微波通信系统的主要技术为了提高数字微波信道的传输质量和进一步提高频谱利用率，对新技术的研制和使用可概括为如下几个方面：（一）多载频多电平调制技术目前数字微波通信系统的4PSK、8PSK、16QAM及64QAM调制方式设备中，一个波道的发信机(或收信机)只使用一个载频(即射频)。为了减小数字微波通信的多径衰落，把传输频谱变窄是一种有效的方法。因此提出了在256QAM系统中采用多载频的传输方式。例如采用4个载频，使每个载频都用256QAM调制方式去传输100Mb/s的信息，这样，一个波道的4个载频同时传送，就可传输400Mb/s的信息了。而其占用的频谱却与只用一个载频传输100Mb/s占用的频谱相当。同样，对于1024QAM系统，一个波道可使用更多载频，使数字微波朝着既扩大容量，又不占用较大的信道带宽方向发展。（二）干扰信号抵消技术20世纪80年代中期，国外在数字微波通信系统中使用了这种技术。因干扰噪声是数字微波通信系统中一种主要噪声，所以当信道中存在干扰信号时，可设法把干扰信号提取出来。或用另外的方法由其它地方获得干扰信号，然后，加入到原信道去抵消存在的干扰。只要使提取的干扰信号与存在的干扰电平相等、相位相反，就可使原信道中的干扰成分大大减小，提高了信道的传输质量。（三）微波射频频率再用