第2章-微波中继通信系统

第2章微波中继通信系统Microwaverelaycommunicationsystems张文胜SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversityShandong,China通信系统概论MUXSatelliteFibre-opticscableRadiolinkCoaxialcableMUX现代通信的主要手段2.1概述微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。Microwaverelaytransmissionisthetransmissionofinformationorenergybyelectromagneticwaveswhosewavelengthsaremeasuredinsmallnumbersofcentimeters;thesearecalledmicrowaves.微波中继通信：远距离通信，一般说来，通信距离往往长达数千米甚至上万米，或环绕地球曲面，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。微波中继通信的概念•微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。•微波频段的波长范围为lm～mm，频率范围为300MHz～300GHz，可细分为特高频（UHF）频段／分米波频段、超高频（SHF）频段／厘米波频段和极高频（EHF）频段／毫米波频段。•由于卫星通信实际上是在微波频段采用中继（接力）方式通信，不过其中继站设在卫星上而已，所以，为了与卫星通信区分，这里所说的微波中继通信是限定在地面上的。•光纤，微波，卫星骨干网三大传输手段。微波通信的概念微波通信是利用微波作为载波来携带信息，并通过自由空间电波传送信息。微波的频率范围？300MHz~300GHz微波的传输特性？视距传输特性（直线传播）用微波作为载体传送数字信息的一种通信手段。微波超长波长中短米分米厘米毫米亚毫米光通信0.0000030.030.33303003103310431053106(MHz)(300MHz—300GHz)微波一般称为厘米波！无线电通信频率划分段号频段名称频段范围波段名称在自由空间的波长范围123极低频超低频特低频3~30HZ30~300HZ300~3000HZ极长波超长波特长波100000~10000km10000~1000km1000~100km45678甚低频(VLF)低频(LF)中频(MF)高频(HF)甚高频(VHF)3~30K30~300K300~3000K3~30M30~300M甚长波长波中波短波超短波100~10km(万米波)10000~1000m(千米波)1000~100m(百米波)100~10m(十米波)10~1m(米波)9101112特高频(UHF)超高频(SHF)极高频(EHF)至高频300~3000M3~30G30~300G300~3000G10~1dm10~1cm10~1mm1000~100um(亚毫米波)微波分米波厘米波毫米波丝米波甚低频VLF3-30KHz超长波1KKm-100Km空间波为主海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航低频LF30-300KHz长波10Km-1Km地波为主越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航中频MF0.3-3MHz中波1Km-100m地波与天波船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航高频HF3-30MHz短波100m-10m天波与地波远距离短波通信；国际定点通信甚高频VHF30-300MHz米波10m-1m空间波电离层散射（30-60MHz）；流星余迹通信；人造电离层通信（30-144MHz）；对空间飞行体通信；移动通信特高频UHF0.3-3GHz分米波1m-0.1m空间波小容量微波中继通信；（352-420MHz）；对流层散射通信（700-10000MHz）；中容量微波通信（1700-2400MHz）超高频SHF3-30GHz厘米波10cm-1cm空间波大容量微波中继通信（3600-4200MHz）；大容量微波中继通信（5850-8500MHz）；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信（1500-1600MHz）极高频EHF30-300GHz毫米波10mm-1mm空间波在入大气层时的通信；波导通信通常把频率300MHz－300GHz的射频无线信号称为微波信号利用微波作为载体的通信称为微波通信基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK微波通信的理论基础是电磁场理论微波通信一、基本概念问：为什么利用微波进行远距离传输必须采用中间站转发的方式？1、微波工作频率高，波长短，能穿透电离层，不能利用天波进行远距离传播。2.2概念问：为什么利用微波进行远距离传输必须采用中间站转发的方式？2、由于地球表面为球面，再加上地物地貌的影响使得视距传播距离受限。措施？增加天线高度，增大发射功率？中继方式微波线路发信设备收信设备中继方式微波中继通信微波中继通信常用于电缆无法铺设或极难铺设的地方,而且相对而言，线路铺设简单,建设周期短,投资少。微波似光性，电波近似直线传播微波的传输损耗大,波长越短，损耗越大。ACDEB中继站微波的视距传播示意图•中继的原因•微波通信采用中继方式的直接原因有两个：•首先，因为微波传播具有视距传播特性，即电磁波沿直线传播，而地球表面是个曲面，因此若在通信两地直接通信，且天线架高有限，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。•其次，因为微波传播有损耗，在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段。•微波通信发展史•世界上最早的模拟微波中继通信系统是第二次世界大战后期美国贝尔研究所建立的TDX系统（4GHz频段的调频系统），1947年贝尔研究所研制了数字微波中继通信系统TD-2。我国在50年代开始进行模拟微波系统的研制，经过了20多年的历史，直到70年代初，才完成小容量、低频段的通信系统。•20世纪70年代研制并使用数字微波中继通信系统并进行技术引进和开发。•世界上许多国家都把微波中继通信作为其通信网的主要传输手段之一。模拟微波中继通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波中继通信取代。•微波通信的特点•（1）通信频段的频带宽。微波频段占用频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号。•（2）受外界干扰的影响小。工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对微波频段通信的影响小(当通信频率高于100MHz时，这些干扰对通信的影响极小)，但它们严重影响短波以下频段的通信。因此，微波中继通信较稳定和可靠。•（3）通信灵活性较大。微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立、撤收及转移都较容易，这些方面比电缆通信具有更大的灵活性。•（4）天线增益高、方向性强。当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。由于微波中继通信的工作波长短，因而容易制成高增益天线，降低发信机的输出功率。另外，微波电磁波具有直线传播特性，可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，使微波天线具有很强的方向性，减少通信中的相互干扰。•（5）投资少、建设快。在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用不到同轴电缆通信线路的一半，还可以节省大量有色金属，建设时间短。•微波中继通信的用途•微波中继通信主要用来传送长途电话信号、宽频带信号(如电视信号)、数据信号、移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等，还可用于通向孤岛等特殊地形的通信线路。2.2视距传播特性2.2.1天线高度与传播距离Rh1h2d1d22211RhRd2222RhRd22222121RhRRhRddd)(2222121hhRRhRhd21,hRhR考虑到，上式可以写成：当h1=h2=50m时，d=50kmAB1.无方向天线辐射，单位面积接收功率对于一个各向同性（无方向）的信号源，其能量向周围均匀扩散。在半径为d的球面上（其面积为4πd2）的功率密度p0为：2.2.2自由空间传播损耗024tppd其中pt为辐射源功率。显然，p0可理解为在与辐射源相距d的单位面积上所接收的功率。称为传播（或扩散）因子。024tppd204tppd注意，此时的参数d是表示辐射源到接收天线的直视距离，而不是沿地球表面的通信距离。但是，由于d远小于地球半径，可认为电波的直视传播距离与通信距离近似相等，并用符号d表示。（二）自由空间传播损耗024tppd2.有向天线辐射，单位面积接收功率在实际的微波中继通信系统中，天线一般是有方向性的，并用“天线增益Gt”来表示。对于发射天线来说，它是天线在最大辐射方向上单位立体角的发射功率与无方向天线单位立体角功率的比值。也就是说，发射天线增益Gt是该天线在最大辐射方向上辐射功率相对无方向天线在该方向上辐射功率所增加的倍数或分贝数。（二）自由空间传播损耗则与有向天线发射源相距d处的单位面积所接收的功率prˊ为：（二）自由空间传播损耗'24ttrpGpd3.有效接收面积内接收到的功率对于接收天线而言，增益可理解为天线接收特定方向电波功率的能力。此时，接收天线增益与天线有效接收面积A的关系可由下面的公式表示（二）自由空间传播损耗24rAGrG其中A为天线的有效接收面积（单位为m2）,为电波的波长（单位为m）。（二）自由空间传播损耗24rAG于是，若接收机与辐射源（发射机）相隔的距离为d，接收天线的有效面积为A，则所接收的信号载波功率pr为（假定辐射源是定向辐射，其天线增益为Gt）（二）自由空间传播损耗2'2(4)rrtrtppAGGPd24rAG'24ttrpGpd自由空间传播损耗在不考虑发射与接收天线增益的情况下（即Gt、Gr都为1）发射功率与接收功率之比定义为自由空间传播损耗，记作Lf。于是有（二）自由空间传播损耗2222222(4)4(4)ttfrtrtppdLdfpcGGPd（二）自由空间传播损耗22222(4)4fdLdfc式中，f为电波频率；c为电波传播速度，约为3×108m/s。（二）自由空间传播损耗用分贝表示自由空间电波传播损耗时，Lf为222222228(4)410lg10lg410lg10lg10lg43.1420lg20lg20lg31092.4420lg20lgfdLdfcdfcdfdf（二）自由空间传播损耗式中，Lf的单位为dB；d的单位为km；f的单位为GHz。92.4420lg20lgfLdf32.4420lg20lgfsLdf式中，Lf的单位为dB；d的单位为km；f的单位为MHz。系统传播损耗在考虑发射与接收天线增益的情况下（即Gt、Gr不为1）发射功率与接收功率之比定义为系统传播损耗，记作L。系统模型如下：（二）自由空间传播损耗发射机天线增益Gt空间传播损耗Lt天线增益Gr接收机ptprpn系统传播损耗L系统传播损耗L=Lt-Gt-GrLt为空间传播损耗，除包含自由空间传播损耗Lf外，还包括由大气等因素引起的附加损耗。（二）自由空间传播损耗发射机天线增益Gt空间传播损耗Lt天线增益Gr接收机ptprpn系统传播损耗L系统传播损耗在微波中继通信系统中的天线，通常采用卡塞格伦(N.Cassegrain)天线，其增益为（二）自由空