微波通信原理.ppt

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1、一一 概述概述1.微波通信的概念微波通信的概念 所谓微波是一种具有极高频率（通常为所谓微波是一种具有极高频率（通常为300MHz300GHz）,波长很短，通常波长很短，通常为为1m1mm的电磁波。在微波频段，由的电磁波。在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播内的直线传播，又称视距传播。一一 概述概述在微波技术中，常用字母代号表示微波波段，常用微波代号如下表：在微波技术中，常用字母代号表示微波波段，常用微波代号如下表：波段代号波段代号标称波长标称波长(cm)频

2、率范围频率范围(GHz)波长范围波长范围(cm)L22123015S1024157.5C5487.53.75X38123.752.5Ku212182.51.67K1.2518271.671.11Ka0.827401.110.75U0.640600.750.5V0.460800.50.375W0.3801000.3750.3一一 概述概述2.数字微波通信的特点数字微波通信的特点1)抗干扰性强，线路噪声不累积。抗干扰性强，线路噪声不累积。2)传输数字化便于组成数字通信网。传输数字化便于组成数字通信网。3)容量大，在同样频带利用率下，有更大容量大，在同样频带利用率下，有更大可用带宽。可用带宽。一一

3、概述概述3.数字微波通信对联通网络建设的优点数字微波通信对联通网络建设的优点1)经济性。建设费用低，尤其在复杂地形、大长经济性。建设费用低，尤其在复杂地形、大长度时。度时。2)灵活性。可用于不同长度、不同容量的需要。灵活性。可用于不同长度、不同容量的需要。3)线路使用权。电缆、光缆可能会穿越第三方财线路使用权。电缆、光缆可能会穿越第三方财产，而微波在空间传输，没有上述不利因素。产，而微波在空间传输，没有上述不利因素。4)组网速度快。不需布线，可短期内解决网络覆组网速度快。不需布线，可短期内解决网络覆盖问题。盖问题。5)重装能力强。易于拆下，迅速重装，不留财产重装能力强。易于拆下，迅速重装，不留

4、财产于地面。于地面。二二 数字小微波设备数字小微波设备1.终端站设备组成终端站设备组成 终端站设备实现基带信号到微波的相互终端站设备实现基带信号到微波的相互转换，通常由复用设备、解复用设备、转换，通常由复用设备、解复用设备、调制解调器、收发信机、天线等组成信调制解调器、收发信机、天线等组成信号通道。号通道。二二 数字小微波设备数字小微波设备终端站设备终端站设备复用设备复用设备调制器调制器发信机发信机环形器环形器解复用设备解复用设备解调器解调器收信机收信机二二 数字小微波设备数字小微波设备2.复用、解复用设备复用、解复用设备 接受多个支路信号，去掉线路编码，变接受多个支路信号，去掉线路编码，变换

5、为不归零码，并复接为一路，送调制换为不归零码，并复接为一路，送调制器，解复用过程则相反。器，解复用过程则相反。二二 数字小微波设备数字小微波设备3.调制解调器调制解调器 接收复用的数据信号，对载频（一般为接收复用的数据信号，对载频（一般为70MHz)进行键控调制，得到中频信号进行键控调制，得到中频信号在放大，滤波后送发信机。解调过程则在放大，滤波后送发信机。解调过程则将中频信号恢复为基带。将中频信号恢复为基带。二二 数字小微波设备数字小微波设备4.收发信机收发信机 在发信方向，将中频信号上变换为射频在发信方向，将中频信号上变换为射频信号，经功率放大，滤波后送环形器。信号，经功率放大，滤波后送环

6、形器。收信方向，则将下环形器的信号滤波后，收信方向，则将下环形器的信号滤波后，下变换为中频信号下变换为中频信号。二二 数字小微波设备数字小微波设备5.天线天线微波传输使用的频率在微波传输使用的频率在2GHz以上，天线以上，天线一般采用面式天线，如单反射器的抛物一般采用面式天线，如单反射器的抛物面天线、双反射器的卡塞格伦天线。这面天线、双反射器的卡塞格伦天线。这些面天线加圆柱屏蔽罩可以降低后瓣和些面天线加圆柱屏蔽罩可以降低后瓣和旁瓣功率。旁瓣功率。微波波长可与金属电缆横截面尺寸相比，微波波长可与金属电缆横截面尺寸相比，分布参数效应显著。分布参数效应显著。3GHz以上收发信机以上收发信机与天线间馈

7、线通常采用波导而非电缆。与天线间馈线通常采用波导而非电缆。二二 数字小微波设备数字小微波设备6.有源中继有源中继 有基带转接（再生中继）、中频转接、有基带转接（再生中继）、中频转接、射频转接等形式。射频转接等形式。7.无源中继无源中继 有背对背天线、反射板、绕射网等。有背对背天线、反射板、绕射网等。三三 微波传播微波传播1.无线电波的传播特性无线电波的传播特性我国微波通信广泛应用我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频诸频段，段，K频段的应用尚在开发之中。由于微频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进

8、传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。这种通信方式，称为微波需要中继转发。这种通信方式，称为微波中继通信或称微波接力通信中继通信或称微波接力通信 三三 微波传播微波传播无线电波还可通过多种传输方式从发射无线电波还可通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波，天线到接收天线。主要有自由空间波，对流层反射波，电离层波和地波。对流层反射波，电离层波和地波。a)表面波传播，就是电波沿着地球表面到表面波传播，就是电波沿着地球表面到达接收

9、点的传播方式，如下图中达接收点的传播方式，如下图中1所示所示三三 微波传播微波传播无线电波的传播特性无线电波的传播特性 三三 微波传播微波传播b)天波传播，就是自发射天线发出的电磁天波传播，就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如上图中点的传播方式。如上图中2所示。所示。c)散射传播，就是利用大气层对流层和电散射传播，就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如上图中达视线以外的地方。如上图中4所示所示三三 微波传播微波传播d)d)外层空间传播，就是无线电在对

10、流层，电离外层空间传播，就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。如上图中层以外的外层空间中的传播方式。如上图中的的5所示。所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视距传播。视线距离通常为及陆地上的视距传播。视线距离通常为50km左右。左右。三三 微波传播微波传播2.微波传播的计算微波传播的计算1)自由空间

11、传播时无线电波传播的理想模型。假定自由空间传播时无线电波传播的理想模型。假定发、收信为各向均匀天线，站距为发、收信为各向均匀天线，站距为d(km)，频率频率为为f(GHz)，则自由空间传播损耗以则自由空间传播损耗以dB表示为表示为Ls(dB)=92.4+20lgd(km)+20lgf(GHz)通信中实际使用的点对电微波天线均为方向性天通信中实际使用的点对电微波天线均为方向性天线，设收发天线增益为线，设收发天线增益为Gr(dB)、Gt(dB)，设收设收发两端馈线系统损耗为发两端馈线系统损耗为Lr(dB)、Lt(dB)，不考不考虑路径上其他衰减，则接收机输入电平为虑路径上其他衰减，则接收机输入电平

12、为Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gr+GtLrLtLs三三 微波传播微波传播2)2)费涅耳费涅耳半径半径根据惠更斯根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到

13、达接收点的远近不同，这就使得接收点的源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化我们引入费涅耳区的概念。我们引入费涅耳区的概念。三三 微波传播微波传播费涅耳区费涅耳区三三 微波传播微波传播由图可见由图可见r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差就是反射波和直射波的行程差r=n/2。显然当显然当r是半波长的奇数倍时，是半波长的奇数倍时，反射波和直射反射波和直射波在波在R点的作用是相同的且是最点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；而强的，此时的场强得到加强；而r为半波长为半波长的偶数倍长时，反射波在的偶数倍长时，

14、反射波在R点的作用是相互抵点的作用是相互抵消的，此时消的，此时R点的场强最弱。我们就把这些点的场强最弱。我们就把这些n相相同的点组成的面称为费涅耳区。费涅尔区的概同的点组成的面称为费涅耳区。费涅尔区的概念对于信号的接收，检测，判断有重要的意义念对于信号的接收，检测，判断有重要的意义三三 微波传播微波传播费涅耳费涅耳半径计算方法半径计算方法Fn=31.6(ndFn=31.6(nd1 1d d2 2/d)/d)1/21/2 d d1 1、d d2 2、d d以以kmkm为单位，为单位，FnFn、以以m m为单位为单位。三三 微波传播微波传播3)等效地球半径因子等效地球半径因子大大气气折折射射现现象

15、象是是由由于于空空气气的的折折射射率率随随高高度度而而变变化化所所引引起起的的。在在一一般般情情况况下下，它它随随高高度度的的增增加加而而减减少少，使使得得电电磁磁波波在在传传播播过过程程中中向向下下弯弯曲曲，因因而而超超越越视视距距范范围围的的接接收收点点也也能能收收到到信信号号功功率率。通通常常认认为为折折射射率率随随高高度度的的变变化化是是线线性性的的，在在这这种种条条件件下下，大大气气折折射射的的最最后后效效果果可可以以看看成成电电磁磁波波在在一一个个等等效效半半径径为为Re的的地地球上空沿着直线传播。球上空沿着直线传播。三三 微波传播微波传播此等效地球半径为此等效地球半径为Re=KR

16、R/(1+R/2dn/dh)其中其中 Re等效地球半径等效地球半径 R实际地球半径实际地球半径 dn/dh折射率随高度的变化率折射率随高度的变化率 K等效地球半径因子等效地球半径因子三三 微波传播微波传播等效地球半径因子等效地球半径因子K=-1K=K=1K=0.33K=0.5SEA LEVEL 三三 微波传播微波传播4)地面凸起高度、地面凸起高度、Hb=d1d2/12.74Kd1、d2 以以km为单位，为单位，Hb 以以m为单位为单位5)复杂地形单障碍物时的余隙复杂地形单障碍物时的余隙Hc计算计算Hc=(h1d2+h2d1)/d-Hs Hb式中式中Hs障碍物高度，障碍物高度，h1、h2为天线

17、海拔高度，为天线海拔高度，均均以以m 为单位。为单位。三三 微波传播微波传播复杂地形单障碍物复杂地形单障碍物h1h2HcHsHbd1d2d三三 微波传播微波传播6)相对余隙相对余隙P=Hc/F1（余隙余隙Hc与与第一第一费涅耳区比费涅耳区比值）值）及及P/V曲线（相对余隙曲线（相对余隙衰落因子曲线）。衰落因子曲线）。（=0表示平坦地形，表示平坦地形，=表示刃形障碍）表示刃形障碍）三三 微波传播微波传播根据根据P/V曲线，随曲线，随Hc 值不同可分为三种传值不同可分为三种传播电路：播电路：Hc 0.577 F1，称为开电路称为开电路Hc=0.577 F1，称为半开电路，对直射波称为半开电路，对直

18、射波束有部分阻挡，数绕射传播束有部分阻挡，数绕射传播Hc 0.577 F1，称为闭电路，直射波束全称为闭电路，直射波束全阻挡阻挡三三 微波传播微波传播3.微波线路按地形可划分为四种类型：微波线路按地形可划分为四种类型：A型地区：断面由山岭、城市建筑物组成，型地区：断面由山岭、城市建筑物组成，中间无宽敞的河谷和湖泊。由地面反射中间无宽敞的河谷和湖泊。由地面反射和大气不均匀层引起的衰落概率小。和大气不均匀层引起的衰落概率小。B型地区：断面由起伏不大的丘陵组成，型地区：断面由起伏不大的丘陵组成，中间无宽敞的河谷和湖泊。由地面反射中间无宽敞的河谷和湖泊。由地面反射引起的衰落不严重，大气不均匀层引起引起

19、的衰落不严重，大气不均匀层引起的衰落概率较大。的衰落概率较大。三三 微波传播微波传播C型地区：断面由平地、水网较多的区域型地区：断面由平地、水网较多的区域组成，由地面反射和大气不均匀层引起组成，由地面反射和大气不均匀层引起的衰落都比较严重。的衰落都比较严重。D型地区：跨河路径、沿海路径和大部分型地区：跨河路径、沿海路径和大部分跨越水面的电路。电波衰落严重。跨越水面的电路。电波衰落严重。四四 数字微波技术数字微波技术1.PCM技术技术 我国采用集群为我国采用集群为30路的路的PCM系列，每系列，每话路数据速率为话路数据速率为64kbps，加两路同步信加两路同步信号后，基群数率号后，基群数率204

20、8kbps。四四 数字微波技术数字微波技术CCITT规定的规定的30路路PCM系列标准系列标准级别级别标称话路数标称话路数 数率数率kbps 计算方法计算方法基群基群302048=3264二次群二次群 1208448=4 2048+256三次群三次群 48034368=4 8448+576四次群四次群 1920139264=4 34368+1792四四 数字微波技术数字微波技术2.调制方式调制方式1)采用何种调制方式主要考虑一下因素：采用何种调制方式主要考虑一下因素：频谱利用率，抗干扰能力，对传输失真频谱利用率，抗干扰能力，对传输失真的适应能力及抗多径衰落能力，所采用的适应能力及抗多径衰落能力

21、所采用频段设备的复杂性程度及成本与可是现频段设备的复杂性程度及成本与可是现行等。行等。2)目前常用的小容量数字微波调制技术主目前常用的小容量数字微波调制技术主要有：要有：2PSK、4PSK、8PSK、16QAM等等四四 数字微波技术数字微波技术3.保护技术保护技术1)硬件保护：小容量微波常用硬件设置有硬件保护：小容量微波常用硬件设置有1+0，1+1，大容量常用，大容量常用n+1备份方式。备份方式。2)微波抗衰落方法有：扰码、均衡、前向纠微波抗衰落方法有：扰码、均衡、前向纠错、分集方式。错、分集方式。3)网络拓扑：传输干线成环，以路径分集保网络拓扑：传输干线成环，以路径分集保护重要线路护重要线

22、路。四四 数字微波技术数字微波技术4)采用分集技术是最有效的抗衰落措施，采用分集技术是最有效的抗衰落措施，包括：包括：空间分集：接收机有两幅或更多相隔空间分集：接收机有两幅或更多相隔充分远的天线，它们接收信号的衰落充分远的天线，它们接收信号的衰落是相对独立的，称为空间分集接收。是相对独立的，称为空间分集接收。频率分集：在两个或以上具有一定间频率分集：在两个或以上具有一定间隔的微波频率上同时发射和接收同一隔的微波频率上同时发射和接收同一信息，然后进行合成或选择。信息，然后进行合成或选择。四四 数字微波技术数字微波技术4.微波传输质量微波传输质量 数字传输的主要质量指标是误码性能，数字传输的主要质

23、量指标是误码性能，ITU-T G.821建议了几条具体指标：建议了几条具体指标：1)差错秒差错秒ES：指在指在1秒统计时间内出现一秒统计时间内出现一个或多个比特差错的秒。测量时间要扣个或多个比特差错的秒。测量时间要扣除不可用时间，但误码秒包括所有连续除不可用时间，但误码秒包括所有连续不到十秒的严重误码秒。不到十秒的严重误码秒。四四 数字微波技术数字微波技术2)严重误码秒严重误码秒SES：指在指在1秒统计时间内秒统计时间内误码率超过误码率超过1E-3的秒。的秒。3)劣化分劣化分DM：指在指在1分钟统计时间内误码分钟统计时间内误码率超过率超过1E-6的分。的分。4)残余误码率：指在较长统计时间内得

24、到残余误码率：指在较长统计时间内得到的平均误码率。的平均误码率。四四 数字微波技术数字微波技术5)不可用时间：平均误码率超过不可用时间：平均误码率超过1E-3的秒的秒数连续达到十秒，则认为信道不可用时数连续达到十秒，则认为信道不可用时间开始，并记入这十秒不可用时间，直间开始，并记入这十秒不可用时间，直至上述情况不出现连续十秒后，可用时至上述情况不出现连续十秒后，可用时间开始。间开始。四四 数字微波技术数字微波技术5.频率设置方案频率设置方案微波站收信、发信必须使用不同频率，而且有足微波站收信、发信必须使用不同频率，而且有足够大的保护间隔。国家无委对频段分配及频道配够大的保护间隔。国家无委对频段

25、分配及频道配置均有规定，必须照此申请及执行。如置均有规定，必须照此申请及执行。如PDH数字数字微波规定微波规定13GHz频段频段8.448Mbps容量第容量第n波道中波道中心频率为心频率为fn=12996-245+14n fn=12996+21+14n(n=1,2,316)其中其中12996MHz称频带中心频率，保护间隔称频带中心频率，保护间隔266MHz四四 数字微波技术数字微波技术双向波道常用的二频制方案分配频率。双向波道常用的二频制方案分配频率。将收信频率低于发信频率的微波站称为将收信频率低于发信频率的微波站称为低站，将收信频率高于发信频率的微波低站，将收信频率高于发信频率的微波站称为高

26、站。微波中继线路上，高站和站称为高站。微波中继线路上，高站和低站是间隔排列的。为防止越站干扰，低站是间隔排列的。为防止越站干扰，各站最后成各站最后成“之之”字形排列。字形排列。四四 数字微波技术数字微波技术6.勤务和网管勤务和网管微波传输中大量的中间站无人值守，由有人微波传输中大量的中间站无人值守，由有人监视站进行远程监控。设备应提供有人监视监视站进行远程监控。设备应提供有人监视站管理传输网的功能，管理包括遥控、遥信、站管理传输网的功能，管理包括遥控、遥信、遥测等方面。遥测等方面。设备还应提供勤务联络系统，以便进行维护、设备还应提供勤务联络系统，以便进行维护、监控。通常每一通信线路至少有一条勤务话监控。通常每一通信线路至少有一条勤务话路。路。勤务和控制比特的传送方式很多，中小容量勤务和控制比特的传送方式很多，中小容量常用的有复合调制、插入数据通道。常用的有复合调制、插入数据通道。