第九章现代通信系统简介

9.1同步数字系列（SDH）的微波通信系统本节知识要点：发信机的主要性能指标收信机的主要性能指标SDH微波通信系统的组成SDH数字微波技术发展趋势微波通信技术问世已经半个多世纪了，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段。在60年代至70年代初期，随着微波通信相关技术的进步，人们研制出了中小容量（如8Mbps、34Mbps）的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果。80年代后期，由于同步数字系列（SDH）在传输系统中的推广应用，出现了N×155Mbps的SDH大容量数字微波通信系统。现在，数字微波通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的三大支柱。随着技术的不断发展，除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们的重视。工作在28GHz频段的LMDS（本地多点分配业务）已在发达国家大量应用，这预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。本节将对SDH微波通信系统及其相关技术进行简要的介绍。9.1.1微波通信主要设备的性能指标发信机和收信机是微波通信系统中非常重要的设备，根据微波信号传送的特点，将分别介绍发信机和收信机的主要性能指标。1.发信机的主要性能指标发信机的主要性能指标包括工作频段、输出功率和频率稳定度等，下面逐一进行介绍。(1)工作频段从无线电频谱的划分来看，可以把频率为0.3GHz～300GHz的射频称为微波频率，而目前通常使用的微波频率范围只有1GHz～40GHz。当然，系统工作频率越高，越能获得较宽的通频带和较大的通信容量，也可以得到更尖锐的天线方向性和天线增益。但是，当频率较高时，雨、雾及水蒸气对电波的散射或吸收衰耗增加，造成电波衰落和接收信号电平下降。这些影响对12GHz以上的频段尤为明显，并随频率的增加而急剧增加。目前我国基本使用2、4、5、6、7、8、11GHz微波频段。其中2、4、5、6GHz频段因电波传播比较稳定，通常用于干线微波通信，而支线或专用网微波通信常用2、7、8、11GHz微波频段。当然，对频率的使用，还需要经专门的申请，由上级主管部门和国家无线电管理委员会批准才行。(2)输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。输出功率的确定与设备的用途、站距、衰落影响及抗衰落方式等因素有关。由于数字微波的输出比模拟微波有较好的抗干扰性能，故在要求同样的通信质量情况下，数字微波的输出功率可以小些。当用场效应管功率放大器作末级输出时，一般为几十毫瓦到1瓦左右。(3)频率稳定度在发信机的每个波道中，都有一个标称的射频中心工作频率，用表示，工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为，则频率稳定度的定义为。对于采用PSK调制方式的数字微波通信系统而言，若发信机工作频率不稳，即有频率漂移，这将使相干解调的有效信号幅度下降，误码率增加。对于PSK调制方式，通常要求频率稳定度在1×～5×之间。发信本振源的频率稳定度与本振源的类型有关。近年来由于微波介质稳频振荡源可以直接产生微波频率，并具有电路简单、杂波干扰及热噪声较小的优点，所以正在被广泛采用，其自身的频率稳定度可达到1×～2×左右。如果对频率稳定度要求较高或较严格时，例如（1～5）×，可采用脉冲抽样锁相振荡源等形式的本振源。2.收信机的主要性能指标数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，也就是收信机。这里所讲的收信设备只包括射频和中频两部分。目前收信设备都采用外插式收信方案，而解调设备是从中频输出中解调出数字基带信号。因此，这里研究的收信机的性能指标，主要是指收信设备，而不包括解调设备，它们主要包括：工作频率、收信本振的频率稳定度、噪声系数、通频带、选择性、收信机的最大增益和自动增益控制范围。(1)工作频率收信机是与发信机配合工作的，对于某一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是本收信机的收信频率，频段的使用参见前面有关发信设备主要性能指标中的内容。(2)收信本振的频率稳定度接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。但是收信机输出的中频是收信本振与收信微波射频进行混频的结果，所以若收信本振偏离标称较多，就会使混频输出的中频偏离标称值。这样，就使中频已调信号频谱的一部分不能通过中频放大器，造成频谱能量的损失，导致中频输出信噪比下降，引起信号失真，使误码率增加。对收信本振频率稳定度的要求与发信设备基本一致，通常要求（1～2）×，要求较高者为（1～5）×。(3)噪声系数数字微波收信机的噪声系数一般为3.5～7dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。噪声系数是衡量收信机热噪声性能的一项指标，它的基本定义如下：在环境温度为标准室温（17℃）、一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数NF等于输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值，可以表示为：(9-1)设网络的增益系数为G，则输出端的噪声功率是由输入端的噪声功率（被放大G倍）与网络本身产生的噪声功率两部分组成的，这时式（9-1）就可以改写为：(9-2)由公式（9-2）可以看出，网络（或收信机）的噪声系数最小值为1（合0dB）。NF=1，说明网络本身不产生热噪声，其输出端的噪声功率仅由输入端的噪声源所决定。实际的收信机不可能使NF=1，即NF1。式（9-2）说明，收信机本身产生的热噪声功率越大，NF值就越大。通常收信机本身的噪声功率要比输入端的噪声功率经放大G倍后的值还要大很多，根据噪声系数的定义，可以说NF是衡量收信机热噪声性能的一项指标。(4)通频带收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱的主要成份要占有一定的带宽。收信机要使这个频带信号无失真地通过，就要具有足够的工作频带宽度，这就是通频带。通频带过宽，信号的主要频谱成分当然都会无失真地通过，但也会使收信机收到较多的噪声；反之，通频带过窄，噪声自然会减小下来，但却造成了有用信号频谱成分的损失，所以要合理地选择收信机的通频带和通频带的幅频衰减特性。经过分析可认为，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=8.448Mbps的二相调相数字微波通信设备，可取通频带为13MHz，这个带宽约等于码元速率（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)选择性对某个波道的收信机而言，要求它只接受本波道的信号，对邻近波道的干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够大的抑制能力，这就是收信机的选择性。收信机的选择性是用增益～频率（G～f）特性表示。要求在通频带内增益足够大，而且G～f特性平坦，通频带外的衰减越大越好，通带与阻带之间的过渡区越窄越好。(6)收信机的最大增益天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。要维持解调机正常工作，收信机的主中放输出应达到所要求的电平，例如要求主中放在75Ω负载在输出250mV（相当于-0.8dBm）。但是收信机的输入端信号是很微弱的，假设其门限电平为-80dBm，则此时收信机输出与输入的电平差就是收信机的最大增益。对于上面给出的数据，其最大增益为79.2dB。(7)自动增益控制范围以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。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。当收信电平变化时，若仍要求收信机的额定输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设置自动增益控制（AGC）电路，使之当收信电平下降时，中放增益随之增大；收信电平增大时，中放增益随之减小。根据上面假定的数据，本例中AGC范围就应为45dB。微波中继通信属于无线通信方式，其无线电波的收和发是由天线来完成的。即微波发信机输出的信号通过馈线（同轴电缆或波导）送至天线，由天线向对方发射无线电磁波，或由天线接收对方发射来的无线电磁波，并通过馈线送往微波收信机。由此可见，微波天线系统是构成微波通信系统的一个重要组成部分，有关天线的性能指标请参阅有关书籍。9.1.2SDH微波通信系统的组成考虑到微波信号在自由空间的传播特性，一个SDH微波接力通信系统可由终端站、枢纽站、分路站及若干中继站组成。其传输形式可以是一条主干线，中间有若干分支，也可以是一个枢纽站向若干方向分支，通常主干线可长达几千公里，另有若干条支线线路。但不论哪种形式，根据各站所处位置和功能不同，数宇微波传输线路总是由图9-1中给出的几种站型组成。下面分别介绍它们的作用及设备配置。图9-1数字微波传输线路示意图1.终端站SDH微波终端站的发送端完成主信号的发信基带处理、调制、发信混频及发信功率放大等；终端站的收信端完成主信号的低噪声接收、解调、收信基带处理。在公务联络方面，终端站具有全线公务和选站公务两种能力。在网络管理方面，终端站可以通过软件设定为网管主站，收集各站汇报过来的信息，监视线路运行质量，执行网管系统配置管理及遥控、遥测指令，需要时还可与电信管理网连接。终端站基带接口与SDH复用设备连接，用于上、下支路信号。终端站还具有备用倒换功能，包括倒换基准的识别，倒换指令的发送与接收，倒换动作的启动与证实等。2.枢纽站枢纽站一般处在干线上，需完成多个方向上的通信任务。在系统多波道工作的情况下，此类站要完成某些波道信号或部分支路的转接，完成话路的上、下，另外还要完成某些波道信号的复接与分接等等。因此，这一类站上的设备门类繁多，可以包括各种站型的设备。3.分路站分路站处在线路中间，除了可以在本站完成话路的上、下和收、发信波道的分支处理外，还可以沟通干线上两个方向之间的通信。在此类站上，配有SDH微波传输设备和SDH分插复用设备（ADM）。视要求也可安装多套微波传输再生设备，同时该站还可以作为监控系统的主站，也可以用作受控站。4.中继站处在线路中间不进行上、下话路的站称为中继站。它可分为再生中继站、中频转接站、射频有源转接站和无源转接站等。由于SDH数字微波传输容量大，一般只采用再生中继站。再生中继站对收到的已调信号进行解调、判决和再生，然后转发至下一方向的调制器。经过它的处理可以去掉传输中引入的噪声、干扰和失真，这充分体现出数字通信的优越性。在一般情况下，两个中继站的距离为50公里左右。9.1.3SDH数字微波技术发展趋势对于宽带ISDN而言，SDH微波通信和光纤通信是两种重要的信息传输方式，由于这两种传输链路分别使用无线和有线介质，因此，在很多应用场合它们的优势可以相互补充发挥，这不仅确保干线电路的高质量，而且降低了运营成本。微波的传输容量一般比光纤要小，为使微波在一个微波传输频段中总传输容量和可靠性与现有光纤容量及可靠性接近，这就必须进一步提高微波信道的频谱利用率，同时也要提高SDH微波通信的纠错能力，这些也正是目前数字微波通信技术的主要发展方向。1.提高QAM调制级数及严格限带微波是一种频带受限的传输媒质，根据ITU-R建议，我国在4～11GHz频段大都采用的波道间隔为28～30MHz和40MHz（ITU-R相关的频率配置建议）。要在有限的频带内传输SDH信号，必须采用更高状态的调制技术。在这里一般多采用多电平QAM调制技术，目前已达到256/512QAM，正逐步实现1024/2048QAM。与此同时，对信道滤波器的设计提出了极为严格的要求：在某些情况下，其余弦滚降系数应低至0.1，现已可做到0.2左右。只有这样才能实现提高频谱利用率的目的。2.网格编码调制及维特比检测技术为降低系统误码率，提高信息传输的可靠性，就必须采用更加复杂的纠错编码技术，但由此会导致频带利用率的下降。为了解决这个问题，可以采用网格编码调制（TCM）技术。采用TCM技术需利用维特比算法解码，在高速数字信号传输中，应用这种解码算法难度较大，需要进一步攻关。3.自适应频域和时域均衡技术当系统采用多状态QAM调制方式时，要达到ITU-R所规定的性能指标，对多径衰落必须采取相应的