第四章 数字微波传输设备

微波中继通信转发方式：(a)射频转接(c)中频转接。(b)基带转接微波站的多波道工作系统：（一个方向上）数字微波系统实例馈线电源机柜与蓄电池全室内型微波IDU/ODU型微波数字微波室内单元的数据接口重复调制解调器（可选择）USB接口(不常用)电源输入室外单元连接接口14xE1/T1接口2xE1/T1声音通讯线以太网数据线接口以太网网络管理接口报警系统界面接口备用电源(可选择)数据通讯线呼叫按钮无源中继站（实物照片）反射板式无源中继站Planereflectors双抛物面无源中继站Parabolicreflectors设备连接0.6m天线室外单元(ODU)天线抱杆室内单元(IDU)中频电缆(同轴型)拉线塔PASOLINKODUandIDU室外部分(ODU)室内部分(IDU)0.6mΦAntennaPASOLINKIDU•2MB数据口(75Ω)•IF信号进出口•2MB数据口(120Ω)•告警口PASOLINKIDU•公务接口•电源开关•接地端•电源口•保险丝点对点数字微波21367/81518233826E1E3/16E1STM-12xE14xE18xE1HNM&Starview/SNMPProxyNetworkManagement11GHz7/8GHz5/6GHzMegaStar®155NxSTM-11:NAurora™2400STM-0ConstellationGHz11Aurora™5800GalaxyMicroStar®EMicroStar®LMicroStar®MMicroStar®H室内单元（IDU）四个部分天线产品结构互连电缆小巧的室外单元（ODU）标准天线集成天线15/18/23/26/38GHz天线全室外信道机单根电缆接口用于电源和信号的接入无线遥控天线调整装置§4.1微波发信机的组成及主要技术指标一、组成微波发信机方框图：代振：信号中断时，70MHz代振器启动，便于明确故障位置，抑制噪声，不影响相邻波道的工作；中频放大器：在中频(70MHz)上放大信号；上变频器：将中频已调信号变为微波已调信号；发信本振：本地振荡器自动电平控制：根据定向耦和器送来信号，控制放大器输出，以克服温度变化、器件老化引起的功率不稳定。微波功放：在微波频率上进行信号放大；二、发信机的主要性能指标1．工作频段（1GHz～40GHz）目前我国基本使用2、4、6、7、8、11、13、15、18GHz频段。其中2、4、6GHz频段因电波传播比较稳定，被用于干线微波通信，而支线或专用网微波通信常用2、7、8、11、13GHz。2.输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。一般在几十毫瓦到几瓦之间。3.频率稳定度射频中心频率f0，实际工作频率与中心频率偏差△f，则频率稳定度K为：0ffK一般频率稳定度为1×10-5～5×10-6左右。4.高功放的非线性指标功放的非线性功放的1dB压缩点1dB增益压缩点:增益由线性增益下降了1dB的点。此时的增益称为1dB增益压缩点增益G1dB；对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率P1dB。通常用P1dB近似表示最大线性输出功率。对三阶交调系数IM3的讨论00nnintUatU何为交调产物？如果放大器输入端存在两个正弦信号，其角频率分别为ω1和ω2，则由于放大器的非线性作用将产生许多交叉调制分量：mω1±nω2，n=0，1，2，…。按照谐波次数(m+n)的大小，各分量分别称为(m+n)阶交调分量。在各阶交调分量中2ω1-ω2和2ω2－ω1处在ω1和ω2附近，大多数情况下则处在通频带之内，从而成为干扰信号。隔直后输出,并考虑轻微的非线性,则:332210iiiUaUaUatU如果tAtUicos,则有:tAatAatAaAatU3cos42cos2cos4333223310理想线性条件下的功率增益:10maxlg20lg10aPPGi非线性的基波功率增益:23143lg20AaaG实际上信道可看成是窄带系统，两个激励信号的各次谐波和大多数交调产物不能到达负载，因此在轻微非线性信道中只考虑基波项和三阶交调项。ttAattAaaAtU1221332123102cos2cos283coscos892三阶交调系数的定义：双频输入信号总功率等于单频输入信号的功率时，(2ω1-ω2)或(2ω2-ω1)频率信号的幅度与基波的信号幅度之比值。23123231233938983AaaAaAaaAaIM例如，PKS调制的三阶交调系数约为-20～-25dB；而对于多电平正交调幅系统，如16QAM系统，则要求在-25～-30dB以上。tAtAtUi21cos2cos22312213212133(2)(2)(dB)10log10log20log()()9aAPffPffIMPfPfaaA可以用三阶截断点(三阶交调截距)表示三阶交调产物的影响。•⑤谐波抑制度•考虑谐波抑止主要是考虑其对于模拟通信系统和卫星通信系统的干扰。•⑥通频带宽度•上变频器和微波小信号功率放大器易于实现宽带设计，而大功率微波放大器难以实现较大的带宽。•⑦非线性指标•2PSK系统，要求不高；含调幅信息的调制方式，如16QAM则要求较好的线性度。2.发信系统主要部件•1）振荡源•性能要求：•(1)频率稳定度高；•(2)功率稳定性好；•(3)噪声低．无干扰；•(4)调制线性好。•常用振荡源：•(1)倍频链式固态源•一般工作在较低的频率如800MHz1.5G2G•构成：恒温晶体振荡器或温度补偿调频晶体振荡器来作为频率标准•一系列晶体三极管倍频器构成N倍的倍频链。•此种固态源可用于勤务信道传输：•特点：谐波干扰大，稳定性差•(2)锁相式固态源•锁相式固态源是一种应用极其广泛的频率源，不仅微波通信，对其他通信系统也都适用。•特点：频率稳定度高、频谱纯净、相位抖动小。•锁相式固态源具有多种形式．例如目前常用的有取样锁相固态源、分频锁相固态源和取样混频/分频锁相固态源等。•(3)介质稳频振荡器•利用介质谐振器作为高Q腔，对场效应管进行稳频的振荡器。•它具有体积小、电路不复杂、功耗低、可靠性高和没有低于主振频率的分谐波干扰等优点。•(3)介质稳频振荡器•当把高Q介质谐振器放置在输出微带线与输入微带线之间，通过磁耦合把输出功率的一部分反馈到栅极，当反馈相位和反馈功率合适时将产生振荡。•介质谐振器相当于窄带带通滤波器，在介质谐振器的中心频率处，反馈最强，相位合适。•(3)介质稳频振荡器2)上下变频器•上变频器是把中频信号上变换到微波发射频率的器件。•采用非线性器件：变容二极管、阶跃恢复二极管、肖特基势垒二极管等•当中频信号fs与本振信号fL同时加于变频器上时，由于器件的非线性作用，其输出端特产生多次谐波分量及组合频率分量，用滤波器将其中的和频fS＋fL或差频fS－fL分量取出，就实现变频作用。•功率上变频器处于大信号工作状态，它的主要技术指标是功率增益、变换效率和输出功率等。•功率增益：••out：上边带输出功率s：中频L本振功率•变换效率0outsPGPoutLPP§4.2微波收信机的组成与主要技术指标一、组成微波低放：在微波频段上低噪声放大，改善噪声性能；混频与本振：与发信机类似。前置中放：中频上的低噪声放大；中频滤波：进行时延均衡，并决定信道的通频带和选择性；主中放：放大信号并进行自动增益控制（AGC）；图2－4数字微波收信机方框图二、收信机的主要技术指标补充知识：电平的概念在微波线路中，常用电平表示某点信号的大小。电平又有绝对电平与相对电平之分。绝对电平：电路某点a的信号功率Pa与1mw的比值取对数后乘10，即为a点信号的绝对电平，单位为dBm。例：信号在a点的功率分别为1W、1mw、,分别计算出信号在a点对应的绝对电平。解：WPa1dBmmWmWdBmPa3011000lg10时，WPam1dBmmWmWdBmPa011lg10时，WPa1dBmmWmWdBmPa301001.0lg10时，1Wm相对电平：电路某点a的信号功率Pa与某一参考点b的信号功率的比值取对数后乘10，即为a点信号相对于b点的相对电平，用“Pr”表示，单位为dBr。1.工作频段:与发信频段相同。2．收信本振频率稳定度:收信本振频率稳定度与发信设备基本一致，通常为(1～2)×10-5,要求较高者为(1～5)×10-6。3．噪声系数NF环境温度为标准室温（17oc）、网络输入、输出端匹配nosonisiFPPPPN网络的增益为G=PSO/PSi，输出端噪声功率为网PGPPnino性能指标GPPGPPGPGPPNnininininoF网网1NF=1，网络本身不产生热噪声，即，输出端噪声功率仅由输入噪声决定。0P网可以证明：无源损耗网络的噪声系数等于其正向传输损耗，即NF=L数字微波收信机的噪声系数为3.5～7dB。4．通频带一般数字微波收信设备的通频带可取传输码元速率的1～2倍。对于fs=8.448Mb/s的二相调相数字微波通信设备，可取通频带为13MHz，这个带宽等于码元速率（二相调相中与比特速率相等）的1.5倍。通频带的宽度是由中频放大器的集中滤波器予以保证的。5.选择性接收本波道信号，并抑制邻近波道干扰、镜象频率干扰以及本波道发信干扰的能力，这就是收信机的选择性。收信机的选择性是靠收信混频之前的微波滤波器和混频后中频放大器中的滤波器来保证的。6．收信机的最大增益低噪声放大器、前置中放和主中放的增益之和。一般收信机最低输入电平为-80dBm，要求主中放在75Ω负载上输出250mv(相当于-0.8dBm)，收信机最大增益为79.2dB。7．自动增益控制范围基准电平：自由空间传播条件下的收信电平；上衰落电平：高于基准电平的收信电平；下衰落电平：低于基准电平的收信电平。假定数字微波通信的上衰落为+5dB，下衰落为-40dB，其动态范围（即收信机输入电平变化范围）为45dB。要求收信机的AGC范围为45dB。§4.3热噪声与噪声系数收信机前几级电路热噪声的影响显得尤为重要。一、热噪声的产生及其性质电阻热噪声：电子之间发生碰撞产生电流脉冲，电阻两端就表现出一个波形及复杂的交流电压─电阻热噪声。散弹噪声：晶体管内部载流子（电子或空穴）电流的大小随机起伏变化。二、网络输入端热噪声的分析(a)噪声源(b)噪声源与负载的连接理论上证明：通频带为B的网络置于温度T的环境，只要网络与电阻噪声源（或前级网络）阻抗匹配，则网络输入端产生KTB的可用噪声功率Pa，与噪声源及负载电阻的大小无关。()aPKTBW式中K为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23(W/Hz﹒K)。T为绝对温度，0oC相当于273K，T0为标准室温时的绝对温度，T0＝290K，相当于标准室温17oC。当T=T0时，KT0＝4×10-21(W/Hz)可用噪声功率Pa的电平值为:)(lg1017410lg103dBmBKTBPa收信机热噪声由噪声源热噪声和其本身热噪声组成，有sininonoFsosononinisiPPPPNPPPPGPP0nFniFPNGPNGKTB则折算在收信机输入端的热噪声功率为:KTBNPFn，三、网络组合对收信机噪声系数的影响121213121111nFnFFFFGGGNGGNGNNN当实际的收信机或多级网络的各级噪声系数相差不很大，且第一级的增益比较大时（例如15dB以上），则系统的总噪声系数仅取决于前两项。若数字微波收信机加装了FET低噪声放大器，将会降低其整机的噪声系数。另外，FET低噪声放大器的位置也将会影响到整机的噪声系数，下面我们分三种情况来进行讨论。§4.4天馈部件•发信机—馈线—天线•微波站内一般采用收发共用天线、多波道共用天线，----则要求必须有极化分离器、波道的分并路系统天馈线系统：将天线连