第二章微波中继通信系统

第二章微波中继通信系统2.1微波中继通信的概念2.2微波中继通信系统的构成2.3微波中间站的转接方式2.4数字微波中继通信系统设计2.5微波传播与微波线路设计2.6数字微波中继设备2.1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。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。目前，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。微波通信系统工作过程用户终端A通过微波通信系统把信号发给用户终端B的系统工作过程：从发信终端站到收信终端站中间一般要经过若干个微波中继站，中继站中有两组中继机，从一个方向的天线收到的微波信号从某中继机的收信机转接到另一中继机的发信机，在由朝另一方向天线发送出去。2.2数字微波通信系统的组成微波通信线路由微波终端站,微波中继站和微波分路站组成。一条微波中继通信线路的其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，支线可以有多条。系统基本设备最基本的数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。用户终端最靠近用户的输入/输出设备。主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。交换机的作用数字微波通信系统设备中交换机的作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音用户之间的通话，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地(对端交换机所辖范围)用户终端之间的业务互通。交换机配置在微波终端站或微波分路站。终端复用设备的基本功能数字微波通信系统设备中终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机；将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。数字微波中继通信系统的终端复用设备是时分多路数字终端机，包括增量调制(DM)和脉冲编码调制(PCM)两种制式。增量调制数字终端机常用在军事数字微波中继通信中，脉冲编码调制终端机常用在民用数字微波中继通信中。终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。微波站的基本功能数字微波通信系统设备中微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号。按其与终端复用设备连接关系又把微波站分为终端站、分路站和中继站。当两条以上的微波中继通信线路在某一微波站交汇时，该微波站称为分路站，它具有通信枢纽功能。2.3微波中间站的转接方式微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信机转接信号时的接口频带划分的，分为3种：基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式。1.基带转接方式中继站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。已调信号经过变频输出载频为f2的微波信号，该信号经微波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。而再生转接，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。2.中频转接方式中间站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f2的微波信号。该信号经微波功放、天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解调引入的失真和噪声。中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。3.微波转接方式微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频f2，相对于收信载频f1；需要移频，即移频振荡器的频率等于f2与f1之差。另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益控制措施。微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。2.4数字微波通信系统设计数字微波中继通信系统的设计在国际无线电咨询委员会和国际电话电报咨询委员会中有相应的标准。数字微波中继通信系统的设计包括通信设备的研制与生产的总体设计和通信线路建设与使用的线路工程设计。这里主要介绍几个问题：假设参考电路与传输质量标准、传输容量与基带接口、调制方式的选择、射频波道的频率配置、中频的选择等。2.4.1假设参考电路与传输质量标准一、假设参考电路为了考察实际数字微波中继通信线路的传输质量，可以事先假定数字微波中继通信线路并规定其传输质量，作为实际线路的参考，称为假设参考电路。国际无线电委员会按传输容量、传输距离和传输质量等不同，规定了高级、中级和用户级三类假设参考电路。1.高级假设参考电路1）传输容量二次群以上；2）总长度为2500km；3）均匀包含9个数字微波段，每个传输方向上都包含符合标准的标准系列数字复用设备，每组数字复用设备都包含一套并路设备和一套分路设备；4）包含两次64Kb/s的数字信号转接，其它为群转接；5）适用于国际和国内的远距离微波干线通信。2.中级假设参考电路1）传输容量二次群以上；2）基本长度为1220km；3）由4类质量不同的假设参考数字微波段组成，第一类和第二类长度为280km，第三类和第四类长度为50km，四类假设参考数字微波段可以根据具体情况组合，并且总长度不限于基本长度1220km；4）包含一次64Kb/s的数字信号转接，其它为群转接；5）适用于国内微波支路通信。3.用户级假设参考电路用户假设参考电路的长度为50km，主要用于本地数字交换局与64Kb/s用户之间的微波通信。二、传输质量标准数字微波中继通信系统中，误码性能决定传输质量的主要标准。国际无线电咨询委员会规定了三类假设参考电路64Kb/s数字信号输出端的误码性能。1.高级假设参考电路的误码性能1）在一年中的任何月份，一分钟统计时间内，BER大于1×10-6时间率不超过0.4％，该统计时间称恶化分，该误码指标称低误码指标，主要设备性能不完善和干扰造成的。2）在一年中的任何月份，一秒钟统计时间内，BER大于1×10-3时间率不超过0.054％，该统计时间称为严重误码秒，该误码指标称高误码指标，这时的误码主要是传输衰落引起的。3）在一年中的任何月份，误码秒累计时间不能超过0.32％，这时的误码主要是设备性能不完善造成的。如果作为高级链路的长度介于280km～2500之间，误码性能应在个时间率的基础上乘以L/2500。2.中级假设参考电路的误码性能1）在一年中的任何月份，一分钟统计时间内，BER大于1×10-6时间率不超过1.5%。2）在一年中的任何月份，一秒钟统计时间内，BER大于1×10-3时间率不超过0.04％。3）在一年中的任何月份，误码秒累计时间不能超过1.2％。3.用户级假设参考电路的误码性能1）在一年中的任何月份，一分钟统计时间内，BER大于1×10-6时间率不超过0.75%。2）在一年中的任何月份，一秒钟统计时间内，BER大于1×10-3时间率不超过0.0075％。3）在一年中的任何月份，误码秒累计时间不能超过0.6％。2.4.2传输容量与基带接口数字微波中继通信中，微波线路中的传输是调制传输或频带传输。数字复用设备与微波信道设备之间的信号传输、再生转接中间站收发信机转接信号的传输都是基带传输，主要通过基带接口完成，相应的信号是基带信号，是数码序列。1.传输容量按照CCITT规定，数字微波中继通信系统的传输容量是以PCM数字复用设备的基带信号容量即电话路数来划分的，分为PCM30/32路系列和PCM24路系列,我国采用前者。基群：30路，2.048Mbps二次群：120路，8.448Mbps三次群：480路，34.368Mbps四次群：1920路，139.264Mbps五次群：7680路，564.992Mbps为了适应用户对不同电话路数的需要，在PCM30/32路系列基础上增加了中间等级的非标准PCM路数，如PCM-60、PCM-240、PCM-960等。对于低速通信系统或军用通信系统，有采