第二章微波中繼通信系統(tǒng)2-1

第二章微波中繼通信系統(tǒng)2-1第一頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念接力通信-接力賽跑起點-交接-交接-終點信源-中繼-中繼-信宿簡易接力通信：烽火傳信、擊鼓傳音、驛站等。無線電接力通信：是指利用超短波或微波的視距傳輸特性，采用中間站轉發(fā)的方式達成的遠距離多路無線電通信。第二頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（一）微波通信的概念微波通信是利用微波作為載波來攜帶信息，并通過自由空間電波傳送信息。微波的頻率范圍？微波的傳輸特性？第三頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（一）微波通信的概念微波通信是利用微波作為載波來攜帶信息，并通過自由空間電波傳送信息。微波的頻率范圍？300MHz~300GHz微波的傳輸特性？視距傳輸特性（直線傳播）第四頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（二）微波中繼通信的概念微波中繼通信是利用微波的視距傳輸特性，采用中間站轉發(fā)的方式達成的遠距離多路通信。問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉發(fā)的方式？第五頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（二）微波中繼通信的概念問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉發(fā)的方式？1、微波工作頻率高，波長短，能穿透電離層，不能利用天波進行遠距離傳播。第六頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（二）微波中繼通信的概念問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉發(fā)的方式？2、由于地球表面為球面，再加上地物地貌的影響使得視距傳播距離受限。第七頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)措施？增加天線高度，增大發(fā)射功率？第八頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)中繼方式第九頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（三）微波中繼通信的特點微波通信具有頻帶寬、容量大、傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。1.通信頻帶寬微波頻段（300MHz~300GHz）占用的頻帶約300GHz，大約是整個長波、中波和短波頻段總和的10000倍。由于占用的頻帶寬，可容納更多的無線電設備同時工作，通信容量大。通常，一套短波通信設備只能容納幾個話路同時工作，而一套微波中繼通信設備可以容納幾千甚至上萬條話路同時工作，還可以傳輸電視圖像等寬頻帶信號。第十頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（三）微波中繼通信的特點2.抗電磁干擾能力強微波頻段基本不受工業(yè)干擾、天電干擾及太陽黑子活動的影響，因地，微波中繼通信系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通信的可靠性高。第十一頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（三）微波中繼通信的特點3.通信機動性好微波中繼通信采用中繼方式，即可以跨越沼澤、江河、湖泊和高山等特殊地域，實現(xiàn)地面上的遠距離通信，又能在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭等災禍時，迅速建立和組織有效的通信，而且微波通信系統(tǒng)的撤收和轉移都較容易。因此，它比光纜、電纜等固定通信信道具有更好的機動性。第十二頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（三）微波中繼通信的特點4.天線增益高、方向性強由于微波頻率高，工作波長短，所以其天線尺寸，容易制成高增益的面式天線，降低發(fā)信機的輸出功率。另外，微波電磁波具有直線傳播特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，使微波天線具有很強的方向性，減少通信中的相互干擾和被截獲的概率。第十三頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（三）微波中繼通信的特點5.建設成本低、周期短在通信容量和質量基本相同的條件下，按話路千米計算，微波中繼通信線路建設費用不到同軸電纜通信線路的一半，還可以節(jié)約大量的有色金屬，建設時間也比較短。第十四頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念（四）微波中繼通信的應用微波中繼通信主要用于長途電話、電視廣播、數(shù)據以及移動通信系統(tǒng)基地站與移動業(yè)務交換中心之間的信號傳輸，還可用于跨越河流、峽谷等特殊地形的通信線路。第十五頁，共84頁。第二章微波中繼通信系統(tǒng)一、基本概念二、微波中繼線路的組成第十六頁，共84頁。微波線路發(fā)信設備收信設備中繼方式第二章微波中繼通信系統(tǒng)第十七頁，共84頁。18數(shù)字微波通信線路第二章微波中繼通信系統(tǒng)第十八頁，共84頁。19數(shù)字微波通信系統(tǒng)組成用戶終端；交換機；數(shù)字終端機；微波站第二章微波中繼通信系統(tǒng)第十九頁，共84頁。20用戶終端直接為用戶所使用的終端設備。如電話機、傳真機、計算機、調度電話機等。

交換機用戶可通過交換機進行呼叫連接，建立暫時的通信信道或電路。這種交換可以是模擬交換，也可以是數(shù)字交換。目前，大容量干線絕大部分采用數(shù)字程控交換機。

數(shù)字終端機實際上是一個數(shù)字電話終端復用/分接設備，其基本功能是把來自交換機的多路信號模擬變換成時分多路數(shù)字信號，復接信號送往數(shù)字微波傳輸信道。同時把來自微波終端站的復接信號進行分接，分接信號送往交換機。第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十頁，共84頁。21微波站數(shù)字微波終端站數(shù)字微波中繼站數(shù)字微波分路站數(shù)字微波樞紐站

第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十一頁，共84頁。22數(shù)字微波終端站數(shù)字微波終端站指的是位于線路兩端或分支線路終點的微波站，它對一個方向收、發(fā)，且收發(fā)射頻不同。微波終端站設備中包括發(fā)信端和收信端兩大部分。第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十二頁，共84頁。23數(shù)字微波中繼站數(shù)字微波中繼站指的是位于線路中間的微波站。根據對信號的處理方式不同，又可將中繼站分為中間站和再生中繼站，再生中繼站又包括上下話路和不上下話路兩種結構。

第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十三頁，共84頁。24數(shù)字微波分路站數(shù)字微波分路站指的是位于線路中間的微波站，既可以上、下某收、發(fā)信波道的部分支路，也可以溝通干線上兩個方向之間的通信。由于在此站上能夠完成部分波道信號的再生，因此該站應配備有微波傳輸設備和分插復用設備。

第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十四頁，共84頁。25數(shù)字微波樞紐站數(shù)字微波樞紐站指的是位于干線上的、需要完成多個方向通信任務的微波站。在系統(tǒng)多波道工作的情況下，此類站應能完成對某些波道信號或部分支路的轉接和話路的上、下功能，同時也能完成對某些波道STM-4信號的復接和分接操作，如果需要，還能對某些波道的信號進行再生處理后的再繼續(xù)傳播。

第二章微波中繼通信系統(tǒng)第二十五頁，共84頁。

2.1.1.2發(fā)信設備-微波調制發(fā)射機信碼經碼型變換后直接對微波載頻進行調制發(fā)射機結構簡單，但通用性差發(fā)射頻率較高時，設備制作難度大微波振蕩器微波調制器微波功放微波濾波器信碼碼型變換第二十六頁，共84頁。2.1.1.2發(fā)信設備-中頻調制發(fā)射機中頻振蕩器中頻調制器微波功放微波濾波器信碼碼型變換中頻功放上變頻器微波振蕩器中頻單元射頻單元第二十七頁，共84頁。信碼經碼型變換后，首先在中頻調制器對中頻載頻（70MHz/140MHz）進行調制；只要更換調制、解調單元，就可以傳輸模擬／數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)字模擬系統(tǒng)兼容。2.1.1.2發(fā)信設備-微波調制發(fā)射機第二十八頁，共84頁。收信設備組成一般采用超外差接收方式,由射頻系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)和解調系統(tǒng)組成。2.1.1.3收信設備第二十九頁，共84頁。微波中繼通信系統(tǒng)中間站的轉接方式一般是按照收發(fā)信機轉接信號時的接口頻帶劃分的，分為3種：再生轉接方式、中頻轉接方式和微波轉接方式。2.1.1.4中間站的轉接方式第三十頁，共84頁。

1.再生轉接方式

中繼站把來自某一通信方向的載頻為f1的接收信號經對應中繼機(微波收發(fā)信機)的天線饋電系統(tǒng)、微波低噪聲放大器后，與該中繼機的接收機本振信號混頻，混頻輸出信號經中放后送到解調器解調輸出基帶信號，再轉接到該中繼站的另一中繼機調制其發(fā)信機的中頻或直接對微波振蕩器進行調制。已調信號經過變頻輸出載頻為f2的微波信號，該信號經微波功放、天線饋電系統(tǒng)后向中繼站的另一個通信方向發(fā)送出去。

第三十一頁，共84頁。321再生轉接中繼方式第二章微波中繼通信系統(tǒng)第三十二頁，共84頁。1.再生轉接方式因為信號從某一中繼機的收信機轉接到另一中繼機的發(fā)信機時，接口頻帶為基帶，所以稱作基帶轉接。模擬微波中繼通信系統(tǒng)的基帶轉接又稱為群頻轉接，數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的基帶轉接又稱為再生轉接。對群頻轉接而言，群路信號在調制、解調過程中產生失真，隨著中間站數(shù)目的增加，調制、解調的次數(shù)增加，失真和噪聲積累不斷加劇，使系統(tǒng)的信噪比惡化，影響通信質量。第三十三頁，共84頁。1.再生轉接方式而再生轉接，由于解調信號在轉接之前進行了再生，因而消除了噪聲積累。再生轉接方式是目前數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)最常用的一種中間站轉接方式。

基帶轉接方式可以直接上、下話路，是微波分路站必須采用的轉接方式。采用這種轉接方式的中繼站的設備與終端站可以通用。第三十四頁，共84頁。

2.中頻轉接方式

中間站把來自某一通信方向的載頻為f1的接收信號經對應中繼機(微波收發(fā)信機)的天線饋電系統(tǒng)、微波低噪聲放大器后，與該中繼機接收機本振信號混頻，混頻輸出信號經中放后轉接到該中繼站的另一中繼機的發(fā)信機功率中放，將信號放大到上變頻器所需的功率電平，然后與發(fā)信機本振信號進行上變頻，輸出載頻為f2的微波信號。該信號經微波功放、天線饋電系統(tǒng)后，向中繼站的另一通信方向發(fā)送出去。

第三十五頁，共84頁。362中頻轉接中繼方式第二章微波中繼通信系統(tǒng)第三十六頁，共84頁。

2.中頻轉接方式

因為信號從中間站的某一中繼機的收信機轉接到另一中繼機的發(fā)信機時，接口頻帶為中頻，所以稱作中頻轉接又稱為外差轉接。中頻轉接省去了調制、解調器，簡化了設備，且沒有調制和解調引入的失真和噪聲。中頻轉接的發(fā)信本振和收信本振采用移頻振蕩方案，降低了對本振穩(wěn)定度的要求。但中頻轉接不能上、下話路，不能消除噪聲積累。對于不需要上、下話路的中繼站，可以采用中頻轉接方式，如模擬微波中繼通信系統(tǒng)的中繼站就常用這種方式。第三十七頁，共84頁。

3.微波轉接方式

微波轉接與中頻轉接類似，但其轉接接口是微波接口，且為了使同中繼站的轉發(fā)信號不干擾接收信號，轉信載頻f2，相對于收信載頻f1；需要移頻，即移頻振蕩器的頻率等于f2與f1之差。另外，為了克服傳播衰落引起的電平波動，還需在微波放大時采取自動增益控制措施。微波轉接電路技術實現(xiàn)起來比中頻轉接困難，但微波轉接方案簡單，設備體積小、功耗低，對于不需要上、下話路的中繼站可采用這種轉接方式。第三十八頁，共84頁。393微波轉接中繼方式第二章微波中繼通信系統(tǒng)第三十九頁，共84頁。2.1.2微波傳播特性2.1.2.1天線高度與傳播距離2.1.2.2自由空間傳播損耗2.1.2.3天氣效應2.1.2.4地面效應2.1.2.5衰落、電平儲備與分集接收第四十頁，共84頁。R

h1h2d1d2考慮到，上式可以寫成：當h1=h2=50m時，d=50kmAB2.1.2.1天線高度與傳播距離第四十一頁，共84頁。422.1.2.2自由空間傳播損耗實際微波通信中采用的天線均有方向性，對于發(fā)射天線而言，天線增益Gt表示天線在最大輻射方向上單位立體角的發(fā)射功率與無方向天線單位立體角的發(fā)射功率的比值。此時，與發(fā)射源相距d的單位面積所接收的功率為第四十二頁，共84頁。432.1.2.2自由空間傳播損耗對于接收天線而言，天線增益Gr表示天線接收特定方向電波功率的能力。根據天線理論，天線的有效面積為若接收機與發(fā)射機的距離為d，接收天線的有效面積為A，發(fā)射天線的增益為Gt，接收天線的增益為Gr，則接收到的信號載波功率為第四十三頁，共84頁。442.1.2.2自由空間傳播損耗若不考慮發(fā)射天線增益Gt和接收天線增益Gr，電波的自由空間損耗定義為發(fā)射功率與接收功率之比，即通常用分貝表示自由空間傳播損耗，即第四十四頁，共84頁。452.1.2.2自由空間傳播損耗若考慮發(fā)射天線增益Gt和接收天線增益Gr，則將這種有方向性的傳播損耗稱為系統(tǒng)損耗，通常用L表示，其分貝形式為第四十五頁，共84頁。462.1.2.3大氣效應從地面算起，垂直向上，可把大氣分為6層，依次稱作對流層、同溫層、中間層、電離層、超離導以及逸散層。

對流層是指自地面向上大約10km范圍的低空大氣層。對流層集中了整個大氣質量的四分之三。第四十六頁，共84頁。47對流層對微波傳播的影響，主要表現(xiàn)：（1）由于氣體分子諧振引起對電磁波能量的吸收。（2）由雨、霧、雪引起對電磁波能量的吸收和散射。（3）對流層結構的不均勻性對電磁波的折射。由于氣象因素等影響，使對流層也會形成云、霧之類的“水氣囊”，形成了大氣中的不均勻結構。2.1.2.3大氣效應第四十七頁，共84頁。48由于對流層的折射率隨高度而變，因此電波在對流層中傳輸時會發(fā)生不斷的折射，從而導致軌跡彎曲，這種現(xiàn)象稱為大氣折射。

表現(xiàn)為：在空間不同高度的波束，其傳播速度會發(fā)生變化——當下層比上層傳播快則往上彎曲。當上層比下層快，則電波射線往下彎曲。2.1.2.3大氣效應第四十八頁，共84頁。49第四十九頁，共84頁。50收、發(fā)兩微波站間的電波傳播，同樣會受到電離層、對流層影響，環(huán)境的大氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)變化會影響微波的傳播。對流層不同高度的大氣壓力、溫度和濕度不同，因而其折射率也不同，使其中的微波傳播不是按直線而是按曲線前進。2.1.2.3大氣效應第五十頁，共84頁。51

折射率梯度表示折射率n隨高度h的變化率，體現(xiàn)了不同高度的大氣壓力、溫度及濕度等對大氣折射的影響，表示為。（1）

＞0，n隨高度的增加而增加，傳播速度v與n成反比，隨高度的增加而減小。電波傳播的軌跡向上彎曲。（2）＜0，v隨高度的增加而增加，使電波傳播的軌跡向下彎曲。2.1.2.3大氣效應第五十一頁，共84頁。52根據電波受大氣折射后的軌跡，將大氣折射分為三類。（1）無折射：電波傳播軌跡不隨大氣的垂直高度而變化。此時dn/dh=0，意味著對流層大氣為均勻大氣，電波射線軌跡為直線，射線的曲率半徑為∞。（2）負折射：上層空間的電波射線速度小，下層空間電波射線速度大，使電波傳播軌跡向上彎曲。此時dn/dh>0，曲率半徑為負值。以上兩種情況實際上很少發(fā)生。2.1.2.3大氣效應第五十二頁，共84頁。53（3）正折射：上層空間的電波射線速度大，下層空間電波射線速度小，使電波傳播軌跡向下彎曲。此時dn/dh<0，是最經常發(fā)生的情況。正折射中又可根據特殊的dn/dh值有三種特殊的折射：標準大氣折射，dn/dh=－4×10-81/m，射線的曲率半徑ρ=2.5×107m；其中：2.1.2.3大氣效應第五十三頁，共84頁。54臨界折射，dn/dh=－15.7×10-81/m，射線的曲率半徑ρ=6.37×106m，剛好等于地球的半徑，水平發(fā)射的電波射線將與地球同步彎曲，形成一種臨界狀態(tài)；2.1.2.3大氣效應第五十四頁，共84頁。55超折射，dn/dh＜－15.7×10-81/m，射線的曲率半徑小于地球半徑，此時大氣的折射能力特別強，電波靠大氣折射與地面反射向前傳播，構成所謂的大氣波導。臨界折射和超折射可使電波傳播距離遠遠超過視距，特別是海上的大氣波導，這也是有時能收到遠地的超短波信號的主要原因。2.1.2.3大氣效應第五十五頁，共84頁。56第五十六頁，共84頁。57微波中繼通信的電磁波主要在靠近地表的大氣空間傳播。不同路由的中繼段，當?shù)孛娴牡匦尾煌瑫r，對電波傳播的影響也不同。主要影響有反射、折射、散射、繞射和吸收。2.1.2.3地面效應第五十七頁，共84頁。58地面反射和大氣折射2.1.2.3地面效應第五十八頁，共84頁。59平坦地表對微波電磁波的反射在傳輸線路上，有一部分波會投射到地面上來，引起地面波的反射，這樣在接收端除收到直射波外還會收到滿足反射條件的反射波。此時接收信號的電波即為合成波。2.1.2.3地面效應第五十九頁，共84頁。60平面地的反射行程差r=反射波行程-直射波行程d>>h1,h2時，r≈2h1h2/dh1E0E1E1E0h1h2rr+r2.1.2.3地面效應第六十頁，共84頁。61在傳播路徑遠大于天線架高的情況下，兩路波在B處的場強視為相同極化。在實際問題中，如果沿r路徑在B處產生的場強振幅為E0，沿r+r路徑在B處產生的場強振幅為E1，在忽略方向系數(shù)的差異，忽略強度上的差異后，B處的總場強為合成場強

E=E0+E1

平坦地表反射波的影響的大小用衰減系數(shù)α表示α=|E|/|E0|2.1.2.3地面效應第六十一頁，共84頁。62衰減系數(shù)α與行程差r的關系地表反射系數(shù)全反射場強E直射波完全被反射波抵消E=E0+E1=0第六十二頁，共84頁。63收信點的場強幅值隨反射波與直射波的行程差r周期變化。r等于整數(shù)倍波長λ的情況下，衰減達到極大值；地表反射系數(shù)ρ值越大，曲線的起伏程度越大。在進行微波中間站站址選擇和微波線路設計時，應充分利用地形地物阻擋反射波。2.1.2.3地面效應第六十三頁，共84頁。64地表障礙物對微波視距傳播的影響地表障礙物是諸如丘陵、山頭、樹林和高大建筑物等會阻擋電磁波視距傳播的地物。2.1.2.3地面效應第六十四頁，共84頁。65在實際的微波線路中，有時會遇到傳輸路徑上的刃形障礙物。當刃形障礙物的最高點靠近或超過收發(fā)之間的視距連線TR時，收信點R仍能接收信號，甚至可以正常通信。這是因為刃形障礙物不可能遮擋住所有的費涅耳區(qū)，所以在收信點只要有一定數(shù)量的費涅耳區(qū)空間不被遮擋，電波就能繞過刃形障礙物，使收信電平達到一定的數(shù)值。2.1.2.3地面效應第六十五頁，共84頁。66在電波傳播中,當波束中心剛好擦過障礙物時,電波也會受到阻擋衰落。為了避免或者減少阻擋衰落,設計的電波傳播路徑在最壞的大氣條件時離障礙物頂部要有足夠的“余隙”

hc。為了確定余隙,利用費涅耳繞射原理。

2.1.2.3地面效應第六十六頁，共84頁。67微波信號傳輸線路中的余隙概念余隙是指從地面最高點(設為信號反射點)至收、發(fā)天線連線間的距離，用Hc來表示，當在設計天線高度時一定要有余隙的計算。余隙的計算與等效地球半徑系數(shù)k和第一菲涅爾區(qū)半徑(F1)有關。其中k主要隨氣象變化而受影響。2.1.2.3地面效應第六十七頁，共84頁。68傳輸路徑上的刃形障礙物第六十八頁，共84頁。69由于電波傳播的主要通道并不是一條直線，因此即使某凸出物并沒有擋住收、發(fā)兩點間的幾何射線，但是已進入了第一菲涅爾橢球，此時接收點的場強已經受到影響，該收、發(fā)兩點之間不能視為自由空間傳播。而當凸出物未進入第一菲涅爾橢球，即電波傳播的主要通道，此時才可以認為該收、發(fā)兩點之間被視為自由空間傳播。2.1.2.3地面效應第六十九頁，共84頁。70即使在地面上的障礙物遮住收、發(fā)兩點間的幾何射線的情況下，由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住，因此接收點仍然可以收到信號，此種現(xiàn)象被稱為電波繞射。在地面上的障礙物高度一定的情況下，波長越長，電波傳播的主要通道的橫截面積越大，相對遮擋面積就越小，接收點的場強就越大，因此頻率越低，繞射能力越強。2.1.2.3地面效應第七十頁，共84頁。71

若要求收信點的場強幅值等于自由空間傳播場強幅值，則收發(fā)視距連線與障礙物最高點之間的垂直距離即傳播余隙Hc應當大于或等于最小菲涅爾區(qū)半徑F0。即Hc≥F02.1.2.3地面效應第七十一頁，共84頁。72與自由空間傳播相比，地表障礙物對微波視距傳播的影響表現(xiàn)為引入了阻擋損耗。路徑上刃形障礙物的阻擋損耗為收信點的場強幅值與自由空間傳播場強幅值的比值E/E0。2.1.2.3地面效應第七十二頁，共84頁。73阻擋損耗與相對余隙Hc/F1有一定的關系：Hc=0時，阻擋損耗為6dB；Hc/F1<0時，阻擋損耗增加很快；Hc/F1>0.5時，阻擋損耗在0dB上下波動。2.1.2.3地面效應第七十三頁，共84頁。74路徑上刃形障礙物的阻擋損耗第七十四頁，共84頁。75視距微波通信常常根據路徑余隙Hc的大小將線路分為三類：（1）Hc≥F0稱為開路線路；（2）0＜Hc＜F0稱為半開路線路；（3）Hc≤0稱為閉路線路。2.1.2.3地面效應第七十五頁，共84頁。2.1.2.5衰落和分集接收技術收信電平隨時間變化的現(xiàn)象稱為衰落。第七十六頁，共84頁。2.1.2.5衰落和分集接收技術目前在微波通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，視距傳播存在衰落現(xiàn)象。直射波的傳播路徑嚴重偏離正常路徑，可產生兩個后果：

（1）發(fā)射主瓣不再對準天線，接受信號功率下降；

（2）偏離后的電波可能被障礙物阻擋或部分阻擋，使接受信號功率下降，設置通信中斷

多徑衰落是微波中繼系統(tǒng)電波衰落的最主要原因，因此，在實際