[信息与通信]第6章 数字微波与卫星通信系统

第6章数字微波与卫星通信系统第6章数字微波与卫星通信系统6.1数字微波通信系统概述6.2SDH6.36.4通信卫星6.56.6卫星地球站返回主目录第6章数字微波与卫星通信系统第6章数字微波与卫星通信系统6.1数字微波通信系统概述6.1.1微波通信基本概念1.微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通信方式。无线电磁波是以频率或波长来分类的,波长与频率的关系如下:λ=(61.1)式中,λ为电磁波波长(m);C为电磁波传播速度3×108(m/s);f为电磁波频率(Hz)。fc第6章数字微波与卫星通信系统无线电频段的划分如表6.1所示。由表可知,微波频段在较高频段,通常人们所说的微波是指频率在0.3～300GHz范围的电磁波,利用此频段的电磁波来传递信息,就称之为微波通信。电磁波频率不同,波长不同(频率越低,波长越长),其空间传播的特性也不一样,因而用途也有不同。长波绕射能力最强,靠地波传播,常用于长波电台进行海上通信。中波较稳定,主要用于短距离广播。短波利用了电离层反射进行远距离传播,主要用于短波通信和短波广播。在短波传输时，由于电离层的变化,信号起伏变化较大,接收信号时强时弱;晚上电离层较稳定,因此传播效果也较好,信号较稳定;在听无线电广播时人们能体会到这一特性。第6章数字微波与卫星通信系统第6章数字微波与卫星通信系统微波波长短,接近于光波,是直线传播,这就要求两个通信点(信号转接点)间无阻挡,即所谓的视距通信。微波通信除此之外,还有以下特点:①工作的微波频段(GHz级别)频率高,不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响,因此,通信可靠性高。由于波长短,天线尺寸可做得很小,通常做成面式天线,增益高,方向性强。特别在1～10GHz频段(称为无线电窗口的微波频段),衰减、干扰,以及自然条件等影响都比较小。因此在微波通信以及在卫星通信中首先采用,而且使用范围一般为C波段。(4/6GHz)频段。②微波通信又称接力通信或视距通信。这里视距是指要“看得见”对方,天线的两站间的通信,距离不会太远,一般为50km。第6章数字微波与卫星通信系统为了远距离传送信号,微波通信就像人们进行接力赛那样,把信号一段一段地往前传送,所以又称为微波接力通信。③微波频带宽,传输信息容量较大。2.1)数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成,如图6.1所示。它由发端站、中间站和收端站组成。工作过程从图6.1可知,如从甲地端站送来的数字信号,经过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理)后,经数字调制,形成数字中频调制信号(70MHz或140MHz),再送入发送设备,进行射频调制变成为微波信号,进而送入发射天线向微波中间站(微波中继站)发送。第6章数字微波与卫星通信系统图6.1数字微波通信系统方框图微波收/发信设备用户终端收信发信长途电信局或微波站长途电信局或微波站中间站终端站终端站天线馈线系统天线馈线系统甲地乙地时分复用设备市内电话局用户终端市内电话局时分复用设备调制—解调设备微波收/发信设备调制—解调设备第6章数字微波与卫星通信系统微波中间站收到信号后经再处理,使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送,这样一直传送到收端站,收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号,再分路还原为原始的数字信号。2)无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的,微波通信也不例外。由于微波频率高,波长短,因此使用的天线一般都采用面式天线,有喇叭天线、抛物面天线、卡塞格伦天线等。如图6.2所示，微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)。其主反射面似一口大锅的抛物面，其抛物面中心(锅底)底部置馈源,作为发送和接收电磁波信号的门户。第6章数字微波与卫星通信系统其馈线系统,一般由波导和同轴电缆(工作频段在2GHz以下时)组成。由图6.2中可看出,天线馈源与馈线是直接相连的,微波信号天馈系统中还要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换,这些滤波器、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件,不同于传统的电子器件。第6章数字微波与卫星通信系统图6.2(a)同轴电缆天线馈线系统；(b)圆波导天线馈线系统极化分离器卡塞格林天线同轴电缆电缆接头副反射器初级辐射器上密封节卡塞格林天线的主反射面圆软波导圆波导弯头杂模滤除器圆波导管极化旋转器58×25mm矩形软波导矩形波导密封节接发信机至收信机阶梯变换器矩形波导58×25～58×10mm58×25mm波导弯头终端负荷极化分离器69～54mm变换器(a)(b)极化补偿节第6章数字微波与卫星通信系统6.1.2微波传输线路1.在两个微波站间的电波传播我们称为微波信道或微波线路(两站间的接力通道、接力线路)。它们之间存在衰减,这种衰减可以按自由空间天线辐射能量的衰落进行计算,但其实际传播情况与两站内所处的环境、自然现象等有关。如地面或山地的反射波,雨、雾、雪等对电波的吸收和散射、折射,这些情况会引起电波的快衰落与慢衰落,使对方实际收到的电平要低十几至几十分贝。这些衰落还与频率高低有关,一般在无线电窗口(1～10GHz)范围电波特性较好。(电波自由空间传播衰耗见卫星通信中的LP计算公式)第6章数字微波与卫星通信系统2.收、发两微波站间的电波传播,受到电离层、对流层及环境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。在空间不同高度的波束,其传播速度会发生变化,当上层比下层快时,则电波射线往下弯曲,当下层比上层传播快时则往上弯曲,如图6.3所示。从图中看出，在传输线路上,有一部分波会投射到地面上来,引起地面波的反射,这样在收端除收到直射波外，还会收到满足反射条件的反射波。此时接收信号的电波即为合成波。第6章数字微波与卫星通信系统图6.3地面反射和大气折射示意图大气折射收h2直射波发h1hc大气折射d1d2dkm反射波第6章数字微波与卫星通信系统从图6.3中可看出微波线路的余隙概念,它是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离,用hc来表示。在设计天线高度时一定要有余隙的计算。余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径(F1)有关。其中,k主要随气象变化而受影响;F1与电波反射波长,地面反射点距两微波天线距离等有关，其计算公式为其中，λ为微波工作波长；d1为反射点离发射天线距离；d2为反射点离接收天线距离；)()().()(6.31)(211kmdmdmdmmF第6章数字微波与卫星通信系统d为收、发天线间距离(d=d1+d2)。余隙计算如下:当地面反射系数较小时，线路(山区、丘陵、城市、森林等地区)天线不能太低,否则会使大气折射电波向下弯曲,这时k=2/3,hc≥03F1。当地面反射系数较大时，线路(如水面、湖面、稻田等地区),余隙不能太小。这时,余隙标准为k=4/3(标准大气),hc≥10F1。第6章数字微波与卫星通信系统当k=∞(余隙较大)时，hc≤135F1。因此≥0.3F1(k=2/3)≥1.0F1(k＝4/3)≤1.35F1(k＝∞)(6.1.3)3.数字微波信道的干扰和噪声微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播引入,一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、邻近波道干扰、天线系统同频干扰等。噪声主要来自设备,如收、发信机热噪声以及本振源的热噪声等。ch第6章数字微波与卫星通信系统6.2SDH6.2.1SDH一个完整的长途传输的微波接力通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干中继站所组成,如图6.4所示。一个微波通信系统,一般要开通多对收、发信波道。因此,系统的传输速率一般为基本传输速率,这里讲的基本传输速率指SDH设备的输出速率。1.处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站。对向若干方向辐射的枢纽站,就其某个方向上的站来说也是终端站。在此站可上、下全部支路信号,可配备SDH数字微波的ADM或TM设备,可作为集中监控站或主站。第6章数字微波与卫星通信系统图6.4站型配置终端站中继站枢扭站终端站终端站分路站第6章数字微波与卫星通信系统2.枢纽站一般处在长途干线上(一、二级),需要完成数个方向的通信任务。在系统多波道工作时要完成STM-N信号的复接与分接,部分支路的转接和上、下话路,也有某些波道信号可需再生后继续传输。因此,这一类站上的设备门类多,包括各种站型设备,一般作为监控系统主站。3.在长途线路中间,除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路外,还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站。在此类站,亦有部分波道的信号需再生后继续传输，因此此种站应配备SDH的传输设备及分插复用设备ADM,或多套再生中继设备,可作为监控系统主站或受控站。第6章数字微波与卫星通信系统4.在线路中间,不上、下话路的中间站称为中继站。它对已收到的已调信号进行解调、判决、再生,转发至下一方向的调制前,经过再生去掉干扰、噪声,以此体现数字通信优越性。此种站不设置倒换设备,应有站间公务联络和无人值守功能。第6章数字微波与卫星通信系统6.2.2SDH微波系统的主要设备SDH数字微波通信系统的设备配置,根据系统组织在线路上的位置和作用来安排。这里以STM-4为例来进行分析。1.端站是以STM-4信号速率为终结的站,此站一般都带有STM-4的光接口,如图6.5所示。SDH微波终端设备如图中所示,它主要包括SDH信号复用部分(即数字微波基带信号)以及SDH微波传输部分设备。SDH复用部分设备要完成4个STM-1或4×63个2Mb/s数字信号流的复用(接),然后通过STM-4速率的光接口送中频调制解调器(IFModem)。两个STM-4光接口分别安排在波道A、B的中频调制、解调器中,其中一个作为备份。第6章数字微波与卫星通信系统从图6.5中可看出,STM-4系统622Mb/s的传输容量,实际上是在两个微波波道中传送的。OAMP单元通过控制网络(CNet)与中频调制解调器接口,完成系统的操作、管理、维护和参考配置功能。端站可分为终端站、中间站和分路站三种类型。1)终端站设备在SDH光传输通信系统中已讲述,即为TM,一般用在线路两端点或分支线路终点,都配备SDH复用设备,可上、下全部低次群信号(支路信号)。向若干方向辐射的枢纽站就其一个方向来说也是一个终端站。此站的基本组成如图6.5所示,可配多套SDH复用设备和SDH传输设备。第6章数字微波与卫星通信系统STM-4复用器IFModemCh.ACh.BOAMP收信机发信机Ch.ACh.BCh.ACh.B4×STM-1或4×63×2Mb/sSTM-4光接口去发信天线自收信天线CNetSDH微波传输设备SDH复用设备Ch：波道CNet：控制网络IF：中频Modem：调制解调器OAMP：运行、管理、维护和参数配置单元LNA：低噪声放大…图6.5终端站设备配置第6章数字微波与卫星通信系统2)中间站设备只具备STM-N速率的接口,其配置如图6.6所示。这里的设备有STM-4光接口,无复用设备和SDH微波传输设备。该站型设备可放在枢纽站上,用作某方向的信号转接。3)分路站设备配置如图6.7所示。它配备有SDH分插复用设备(ADM),这里的设备具有传输速率为STM-4的接口和有限个支路接口,此处为部分的2Mb/s接口和STM-1接口。STM-4接口主要用于沟通干线上两个方向的通信。2Mb/s接口用于本地上、下部分话路。分路站设备可以安放在枢纽站和分路站上,用于部分话路的转接和上、下。第6章数字微波与卫星通信系统图6.6中间端站设备配置IFModemCh.ACh.B收信机发信机Ch.ACh.BCh.ACh.BSTM-4RFIFIFCh：波道Modem：调制解调器IF：中频RF：射频第6章数字微波与卫星通信系统图6.7分路站设备配置SDH分插复用IFModemCh.ACh.BOAMP收信机发信机Ch.ACh.BCh.ACh.BSTM-4CNetIFIFSTM-1或2Mb/sSTM-4RF第6章数字微波与卫星通信系统2.再生站设备主要用于接收、再生和发送由微波通道所传输的SDH数字信号。一对收、发信波道信号的再生,一般由两套分别用于向上发送方向的再生站设备完成。比如说,一套设备用于东西方向的接收