數(shù)字微波通信實現(xiàn)

1、 數(shù)字微波通信實現(xiàn) 通信原理三級項目報告書學(xué)生所在學(xué)院： 學(xué)生所在班級： 課程名稱： 學(xué)生姓名： 2015年5月目錄摘要3前言3一、方案論證31.1.1光纖通信31.1.2衛(wèi)星通信41.1.3微波通信9二、總方案設(shè)計102.1.1方案確定：通過上述方案的比較，我們采用微波進行海陸的音頻和視頻傳輸。微波通信組成：天線、收發(fā)信機、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動控制設(shè)備102.1.2微波通信工作流程：102.1.3信源編碼功能：1）提高信息的傳輸效率2）完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字化包含的主要過程：抽樣、量化、編碼102.1.4102.1.511三、設(shè)備選型113.1.1天線：天線的作用是把發(fā)信機(O

2、DU)發(fā)出的微波能量定向輻射出去，把接收下來的微波能量傳輸給收信機(ODU)常用微波天線有拋物面天線和卡塞格侖天線。國產(chǎn)微波天線直徑一般分為0.30.6.21.62.02.53.2m等；進口微波天線的直徑一般分為：0.30.61.21.82.43.0m等。11四、應(yīng)用前景12五、心得體會：12數(shù)字微波通信實現(xiàn)摘要本次通信原理三級項目要求同學(xué)們根據(jù)所設(shè)場景設(shè)計一個通信系統(tǒng)。場景：AB兩地海陸相距150km,采用合適的通信方式使得兩地能夠順暢進行視頻和音頻通信。要求通信盡可能的穩(wěn)定，同時抗干擾能力盡可能強，同時通信費用應(yīng)在合理區(qū)間。對于海陸通信我們常用的通信方式有光纖通信、衛(wèi)星通信和微波通信。我們

3、對這三種方式進行資料查閱，綜合比較之后設(shè)計了本次三級項目要求的通信系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：海陸通信 視頻、音頻通信 前言數(shù)字微波通信具有兩大技術(shù)特征:它所傳送的信號是按照時隙位置分列復(fù)用而成的統(tǒng)一數(shù)字流，具有綜合傳輸?shù)男再|(zhì)。它利用微波信道來傳送信息，擁有很寬的通過頻帶，可以復(fù)用大量的數(shù)字電話信號，可以傳送電視圖像或高速數(shù)據(jù)等寬帶信號。由于微波電磁信號按直線傳播，數(shù)字微波(模擬微波也如此)通信可以按直視距離設(shè)站(站距約50千米)，因此，建設(shè)起來比較容易。特別在丘陵山區(qū)或其他地理條件比較惡劣的地區(qū)，數(shù)字微波通信具有一定的優(yōu)越性。在整個國家通信的傳輸體系中，數(shù)字微波通信也是重要的輔助通信手段。一、 方案論證1

4、.1.1 光纖通信光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。1是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。光纖除了按制造工藝、材料組成以及光學(xué)特性進行分類外，在應(yīng)用中，光纖常按用途進行分類，可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種，而功能器件光纖則指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖，并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測

5、器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。光纖通信的特點：(1)通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)；一根光纖的潛在帶寬可達(dá)20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。目前400Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55m附近，石英光纖損耗可低于0.2dB/km，這比目前任何傳輸媒質(zhì)的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達(dá)幾十、甚至上百公里。(2)信號干擾小、保密性能好；(3）抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳，電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。(4）光纖尺寸小、重量輕，便于鋪設(shè)和運輸；(5）材料來源豐富，環(huán)境保護好，有

6、利于節(jié)約有色金屬銅。(6）無輻射，難于竊聽，因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外。(7)光纜適應(yīng)性強，壽命長。(8）質(zhì)地脆，機械強度差。(9）光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù)。(10）分路、耦合不靈活。(11）光纖光纜的彎曲半徑不能過?。?gt;20cm）(12）有供電困難問題。光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點：它傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。1.1.2 衛(wèi)星通

7、信衛(wèi)星通信：利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。人造地球衛(wèi)星根據(jù)對無線電信號放大的有無、轉(zhuǎn)發(fā)功能，有有源人造地球衛(wèi)星和無源人造地球衛(wèi)星之分。由于無源人造地球衛(wèi)星反射下來的信號太弱無實用價值，于是人們致力于研究具有放大、變頻轉(zhuǎn)發(fā)功能的有源人造地球衛(wèi)星通信衛(wèi)星來實現(xiàn)衛(wèi)星通信。其中繞地球赤道運行的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等的同步衛(wèi)星具有優(yōu)越性能，利用同步衛(wèi)星的通信已成為主要的衛(wèi)星通信方式。不在地球同步軌道上運行的低軌衛(wèi)星多在衛(wèi)星移動通信中應(yīng)用。同步衛(wèi)星通信是在地球赤道上空約36000km的太空中圍繞地球的圓形軌道上運行的通信衛(wèi)星，其繞地球運行周期為1恒星日，與地

8、球自轉(zhuǎn)同步，因而與地球之間處于相對精致狀態(tài)，故稱為禁止衛(wèi)星、固定衛(wèi)星或同步衛(wèi)星，其運行軌道稱為地球同步軌道（GEO）在地面上用微波接力通通信系統(tǒng)進行的通信，因系視距傳播，平均每2500km假設(shè)參考電路要經(jīng)過每跨距約為46km的54次接力轉(zhuǎn)接。同步衛(wèi)星與地球的相對關(guān)系圖衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括通信和保障通信的全部設(shè)備。一般由空間分系統(tǒng)、通信地球站、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四部分組成，如圖1跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準(zhǔn)確進入靜止軌道上的指定位置。待衛(wèi)星正常運行后，要定期對衛(wèi)星進行軌道位置修正和姿態(tài)保持。2監(jiān)控管理分系統(tǒng)監(jiān)控管理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對定點的衛(wèi)星

9、在業(yè)務(wù)開通前、后進行通信性能的檢測和控制，例如衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以保證正常通信。3空間分系統(tǒng)(通信衛(wèi)星)通信衛(wèi)星主要包括通信系統(tǒng)、遙測指令裝置、控制系統(tǒng)和電源裝置(包括太陽能電池和蓄電池)等幾個部分。通信系統(tǒng)是通信衛(wèi)星上的主體，它主要包括一個或多個轉(zhuǎn)發(fā)器，每個轉(zhuǎn)發(fā)器能同時接收和轉(zhuǎn)發(fā)多個地球站的信號，從而起到中繼站的作用。4通信地球站通信地球站是微波無線電收、發(fā)信站，用戶通過它接入衛(wèi)星線路，進行通信。衛(wèi)星通信與其他通信方式相比較，有以下幾個方面的特點： 通信距離遠(yuǎn)，且費用與通信距離無關(guān)。從圖16.2中可見，利用靜止衛(wèi)星，最大

10、的通信距離達(dá)18100km左右。而且建站費用和運行費用不因通信站之間的距離遠(yuǎn)近、兩通信站之間地面上的自然條件惡劣程度而變化。這在遠(yuǎn)距離通信上，比微波接力、電纜、光纜、短波通信有明顯的優(yōu)勢。 廣播方式工作，可以進行多址通信。通常，其他類型的通信手段只能實現(xiàn)點對點通信，而衛(wèi)星是以廣播方式進行工作的，在衛(wèi)星天線波束覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)的任何一點都可以設(shè)置地球站，這些地球站可共用一顆通信衛(wèi)星來實現(xiàn)雙邊或多邊通信，即進行多址通信。另外，一顆在軌衛(wèi)星，相當(dāng)于在一定區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)了可以到達(dá)任何一點的無數(shù)條無形電路，它為通信網(wǎng)絡(luò)的組成，提供了高效率和靈活性。 通信容量大，適用多種業(yè)務(wù)傳輸。衛(wèi)星通信使用微波頻段，可以使

11、用的頻帶很寬。一般C和Ku頻段的衛(wèi)星帶寬可達(dá)500800MHz，而Ka頻段可達(dá)幾個GHz。 可以自發(fā)自收進行監(jiān)測。一般，發(fā)信端地球站同樣可以接收到自己發(fā)出的信號，從而可以監(jiān)視本站所發(fā)消息是否正確，以及傳輸質(zhì)量的優(yōu)劣。 無縫覆蓋能力。利用衛(wèi)星移動通信，可以不受地理環(huán)境、氣候條件和時間的限制，建立覆蓋全球性的海、陸、空一體化通信系統(tǒng)。 廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力。衛(wèi)星通信的高功率密度與靈活的多點波束能力加上星上交換處理技術(shù)，可按優(yōu)良的價格性能比提供寬廣地域范圍的點對點與多點對多點的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力。 安全可靠性。事實證明，在面對抗震救災(zāi)或國際海底/光纜的故障時，衛(wèi)星通信是一種無可比擬的重要通信

12、手段。即使將來有較完善的自愈備份或路由迂回的陸地光纜及海底光纜網(wǎng)絡(luò)，明智的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者與設(shè)計師還是能夠理解衛(wèi)星通信作為傳輸介質(zhì)應(yīng)急備份與信息高速公路混合網(wǎng)基本環(huán)節(jié)的重要性與必要性。衛(wèi)星通信與其他通信方式相比較，有以下幾個方面的特點： 通信距離遠(yuǎn)，且費用與通信距離無關(guān)。從圖16.2中可見，利用靜止衛(wèi)星，最大的通信距離達(dá)18100km左右。而且建站費用和運行費用不因通信站之間的距離遠(yuǎn)近、兩通信站之間地面上的自然條件惡劣程度而變化。這在遠(yuǎn)距離通信上，比微波接力、電纜、光纜、短波通信有明顯的優(yōu)勢。 廣播方式工作，可以進行多址通信。通常，其他類型的通信手段只能實現(xiàn)點對點通信，而衛(wèi)星是以廣播方式進行工作的，

13、在衛(wèi)星天線波束覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)的任何一點都可以設(shè)置地球站，這些地球站可共用一顆通信衛(wèi)星來實現(xiàn)雙邊或多邊通信，即進行多址通信。另外，一顆在軌衛(wèi)星，相當(dāng)于在一定區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)了可以到達(dá)任何一點的無數(shù)條無形電路，它為通信網(wǎng)絡(luò)的組成，提供了高效率和靈活性。 通信容量大，適用多種業(yè)務(wù)傳輸。衛(wèi)星通信使用微波頻段，可以使用的頻帶很寬。一般C和Ku頻段的衛(wèi)星帶寬可達(dá)500800MHz，而Ka頻段可達(dá)幾個GHz。 可以自發(fā)自收進行監(jiān)測。一般，發(fā)信端地球站同樣可以接收到自己發(fā)出的信號，從而可以監(jiān)視本站所發(fā)消息是否正確，以及傳輸質(zhì)量的優(yōu)劣。 無縫覆蓋能力。利用衛(wèi)星移動通信，可以不受地理環(huán)境、氣候條件和時間的限制，建立覆

14、蓋全球性的海、陸、空一體化通信系統(tǒng)。 廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力。衛(wèi)星通信的高功率密度與靈活的多點波束能力加上星上交換處理技術(shù)，可按優(yōu)良的價格性能比提供寬廣地域范圍的點對點與多點對多點的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成能力。 安全可靠性。事實證明，在面對抗震救災(zāi)或國際海底/光纜的故障時，衛(wèi)星通信是一種無可比擬的重要通信手段。即使將來有較完善的自愈備份或路由迂回的陸地光纜及海底光纜網(wǎng)絡(luò)，明智的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者與設(shè)計師還是能夠理解衛(wèi)星通信作為傳輸介質(zhì)應(yīng)急備份與信息高速公路混合網(wǎng)基本環(huán)節(jié)的重要性與必要性。衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點概述如下：1、通信距離遠(yuǎn)：在衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，通信距離最遠(yuǎn)為13000公里；2、不受通信兩點間任何

15、復(fù)雜地理條件的限制；3、不受通信兩點間任何自然災(zāi)害和人為事件的影響；4、通信質(zhì)量高，系統(tǒng)可靠性高，常用于海纜修復(fù)期的支撐系統(tǒng)；5、通信距離越遠(yuǎn)，相對成本越低；6、可在大面積范圍內(nèi)實現(xiàn)電視節(jié)目、廣播節(jié)目和新聞的傳輸和數(shù)據(jù)交互；7、機動性大，可實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信和應(yīng)急通信；8、信號配置靈活，可在兩點間提供幾百、幾千甚至上萬條話路和中高速的數(shù)據(jù)通道9、易于實現(xiàn)多地址傳輸；10、易于實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)功能。衛(wèi)星通信的缺點 1、傳輸時延大：500毫秒800毫秒的時延；2、高緯度地區(qū)難以實現(xiàn)衛(wèi)星通信；3、為了避免各衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的相互干擾，同步軌道的星位是有一點限度的，不能無限制地增加衛(wèi)星數(shù)量；4、太空中的日凌

16、現(xiàn)象和星食現(xiàn)象會中斷和影響衛(wèi)星通信；5、衛(wèi)星發(fā)射的成功率為80%，衛(wèi)星的壽命為幾年到十幾年；發(fā)展衛(wèi)星通信需要長遠(yuǎn)規(guī)劃和承擔(dān)發(fā)射失敗的風(fēng)險。1.1.3 微波通信微波通信使用波長為1m至0.1mm(頻率為0.3GHz3THz)的電磁波進行的通信。包括地面微波接力通信、對流層散射通信、衛(wèi)星通信、空間通信及工作于微波波段的移動通信。微波通信具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸損傷小、抗干擾能力強等特點，可用于點對點、一點對多點或廣播等通信方式。由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

17、一般說來，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。微波傳播特點：微波站的設(shè)備包括天線、收發(fā)信機、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動控制設(shè)備等。為了把電波聚集起來成為波束,送至遠(yuǎn)方，一般都采用拋物面天線，其聚焦作用可大大增加傳送距離。拋物面天線是一種將在電磁波譜上的超高頻/特高頻用于無線電、電視、數(shù)據(jù)通訊的高增益反射天線，也常被用來做無線電定位(雷達(dá))。微波通信中電波所涉及的媒質(zhì)有地球表面、地球大氣(對流層、電離層

18、和地磁場等)及星際空間等。按媒質(zhì)分布對傳播的作用可分為:連續(xù)的(均勻的或不均勻的)介質(zhì)體，如對流層，電離層等，及離散的散射體，如雨滴、冰雷、飛機及其它飛行物等。微波通信中的電波傳播，可分為視距傳播及超視距傳播兩大類。視距傳播時，發(fā)射點和接收點雙方都在無線電視線范圍內(nèi)，利用視距傳播的有地面微波接力通信、衛(wèi)星通信、空間通信及微波移動通信。其特點是信號沿直線或視線路徑傳播，信號的傳播受自由空間的衰耗和媒質(zhì)信道參數(shù)的影響。如地-地傳播的影響包括地面、地物對電波的繞射、反射和折射、特別是近地對流層對電波的折射、吸收和散射;大氣層中水氣、凝結(jié)體和懸浮物對電波的吸收和散射。它們會引起信號幅度的衰落，多徑時延

19、，傳波角的起伏和去極化(即交叉極化率的降低)等效應(yīng)。在地-空和空-空視距傳播中，主要考慮大氣和大氣層中沉降物的影響，而地面、地物和近地對流層對地-空、空-空傳播的影響則比對地面視距傳播的影響小，有時可以忽略不計。對流層超視距前向散射傳播是利用對流層近地折射率梯度及介質(zhì)的隨機不連續(xù)性對入射無線電波的再輻射將部分無線電波前向散射到超視距接收點的一種傳播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度遠(yuǎn)大于地面視距微波通信，從而使可用頻帶受到限制，但站距則可遠(yuǎn)大于地面視距通信。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。

20、而對金屬類東西，則會反射微波。二、 總方案設(shè)計2.2.1.2.1.1 方案確定：通過上述方案的比較，我們采用微波進行海陸的音頻和視頻傳輸。微波通信組成：天線、收發(fā)信機、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動控制設(shè)備2.1.2 微波通信工作流程：2.1.3 信源編碼功能：1）提高信息的傳輸效率2）完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字化包含的主要過程：抽樣、量化、編碼2.1.4（1）抽樣 按等時間進行樣本抽取。模擬信號通過被抽樣，成為離散模擬信號，也即模擬信號。（2）量化所謂量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。（3）編碼編碼即將量化后的信號進行編碼，

21、形成數(shù)字信號編碼。以往通信常用曼徹斯特編碼的方式。鑒于曼徹斯特編碼的利用率太低，只有50%。在此我們可采用4B/5B編碼的方式。4B/5B編碼即用5bit的二進制碼來代表4bit的二進制。4位二進制有16種組合，5位二進制有32種組合。我們怎樣從32位二進制碼中選取16位碼呢？在此編碼時必須滿足兩個規(guī)則： 1）每5個bit碼組中不多于3個0 2）每5個bit碼組中不少于2個02.1.5在數(shù)字微波通信中，我們常采用相移鍵控的方式進行數(shù)字信號的調(diào)制。在中小容量的通信中，我們常采用四相移相鍵控（QPSK）的調(diào)制。 四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，315°。三、 設(shè)備選型3.3.1.3.1.1 天線：天線的作用是把發(fā)信機(ODU)發(fā)出的微波能量定向輻射出去，把接收下來的微波能量傳輸給收信機(ODU)常用微波天線有拋物面天線和卡塞格侖天線。國產(chǎn)微波天線直徑一般分為0.30.6.21.62.02.53.2m等；進口微波天線的直徑一般分為：0.30.61.21.82.43.0m等。（1）天線增益增益是天線的一重要參數(shù)。在天線尺寸一定的情況下，天線增