第二章微波通信系统0824

9第二章微波通信系统2.1引言自从莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，April27,1791–April2,1872）于1844年5月1日首次在华盛顿与巴尔的摩间61公里长的电报传送演示线路上实现电报信息传送以来，人类开始进入了电子通信时代。近200年来，伴随着对信息传递不断增长的需求，电子通信方式在强大市场和新技术探索推动下，成就了今天辉煌的信息化世界。无线电或微波通信起于1895年。这一年马可尼（GuglielmoMarconi，25April1874–20July1937)首次实现了1.5公里无线电报通信。随着时间的推移，无线电通信和无线电广播业务的发展而使无线电频谱面临枯竭。在20世纪50年代，随着增加带宽的需要和在城市间铺设电缆成本的不断上升，许多通信公司转向了微波。在今天，几乎所有长途电话、电视广播、以及移动通信的数据传输都与包含有微波通信的系统相关。在本书中，定义微波频率为从1GHz到数百GHz的频率范围。其实，在UHF波段微波的特性就已经比较明显了，因此习惯上都将300MHz以上到数百GHz都划入微波技术适用的范围。电话、无线广播、电视和通信数据的远距离无线传送通常采用微波地面和卫星传输系统，由于微波传播的弱绕射特点，这些传输系统架设要求在视距范围而且在发射与接收之间没有任何障碍物。微波通信设备天线通常放在中继塔上、架设在山顶上、或置于高层建筑上部，并且能够看到前一个和（或）后一个天线。轨道卫星地面站通常设在低洼的地方，以减小其它地面微波发射设备对其接收微弱卫星信号所造成的影响。进入接收机的信号必须超过总噪声和干扰功率。这个值用信噪比/SN来定义。/SN越低越难于重建所需的数据信息，因为数据通信中的噪声会增加误码。对同一信噪比在不同调制方式下的误码率是不同的，如图2.1所示为不同的调制方式下的误码率与信噪比的关系曲线。模拟电视信号的质量采用主观方法由观查者对电视信号的感觉来确定，如图2.2所示。人类首颗人造地球卫星是前苏联的Sputnik1试验卫星，发射时间是1957年10月4日，在轨运行了22天，卫星进行的试验包括外大气层密度测量、等离子体电波特性测试、以及无线电传输试验。10美国于1958年12月18日首次发射了SCORE（SignalCommunicationsOrbitRelayEquipment）中继通信卫星，它的近远地轨道分别是183公里和1,481公里，轨道倾角32.2度，绕地周期为101.5分钟，它所携带的电池工作了12天并于1959年1月21日坠入大气层烧毁。SCORE除了通过双冗余传发器进行卫星中继通信试验外，还利用携带的双冗余磁带录音机进行录音或向地球发送录音信号。人类第一次收到从太空传送来的广播是美国总统艾森豪威尔的致词：“这里是来自美国总统的问候。借助神奇的科学进步，我的声音经由环绕外空间的地球卫星来到你身边，我的简要信息是：通过这一独特方式向您并向全人类转达，美国希望世界和平并向全人类表示良好祝愿”。（ThisisthePresidentoftheUnitedStatesspeaking.Throughthemarvelsofscientificadvance,myvoiceiscomingtoyouviaasatellitecirclinginouterspace.Mymessageisasimpleone:ThroughthisuniquemeansIconveytoyouandallmankind,America'swishforpeaceonEarthandgoodwilltowardmeneverywhere.）由于卫星发送的广播信号十分微弱，只有十分灵敏的收音机才能接收到，多数美国人只是从商业广播电台中听到重播的录音。中国在1970年4月24日成功发射了第一颗空间卫星东方红一号，东方红一号卫星比其它国家的首颗卫星重，在轨运行了28天，它在进行遥测和空间探测试验的同时，通过携带的无线电发射机向地球发射乐曲东方红广播信号。美国于1960年8月和10月又进行了两次卫星中继通信卫星发射试验。1962年7月美国电话电报公司（AT&T）发射了TELSTAR-1低轨通信卫星，在C波段实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据传输，奠定了商用卫星通信的基础。充足供电能力是卫星长时间运行的保障之一，采用太阳能电池是当前有效方案，在卫星上装载太阳能电池板供电始于美国1958年3月17日发射的Vanguard1试验卫星，这颗卫星不算是通信卫星，它主要任务是检验用于发射的三级运载火箭、轨道环境对卫星及卫星系统的影响、以及进行大地测量。早期卫星采用球或柱外形结构并用自旋方式稳定，采用消旋天线固定指向，电池板附在星体表面。这种情况下太阳能电池受到日照大约只有表面积的1/π，所能提供的电能十分有限。自20世纪80年代起，卫星采用立方体外形的三轴稳定结构，使得卫星和天线都相对静止，从而为采用大型太阳能电池帆板为卫星提供充足电能创造了条件。至2005年，展开式太阳能电池帆板每翼可获得7kW的功率。11那时，由于火箭推力有限，卫星高度均未超过1万公里，这类卫星称为低轨卫星。虽然低轨卫星因其距地球表面距离较近而对发射功率和天线增益要求较低，但由于其绕地周期以比地球自转周期高得多，因而不能实现持续的通信和广播能力。为实现对地面的持续通信或广播，卫星需位于距海平面4万公里以上的赤道面园形轨道上。但从实际应用来看，低轨卫星在对地面机动小型通信设备指标要求远低于同步轨道通信星，因此低轨多星通信网在机动卫星通信系统中更具有优势，例如，铱星系统由66颗运行于距海平面781公里的极轨卫星组成。图卫星轨首分布12图2.1二进制编码系统误码率—信噪比曲线13图2.2视频信号/噪声比观察估计2.2微波通信基础2.2.1分贝分贝数是微波系统中常用的单位之一，它用来表示两个量之比，常见的是放大器的输入输出功率之比，称为功率增益。outinPP功率增益＝它的分贝数是1010logoutinPGainP⎛⎞=⎜⎟⎝⎠dB分贝是贝尔的十分之一，贝尔单位用AlexanderGrahamBell命名的，它是人耳能分辨的大致变化单位。某些值的分贝数很容易记住，例如，如果/10outinPP=，则10log(10)1=且增益为10dB。14如果/2outinPP=，则增益为3dB。假如在放大器不工作的情况下/0.001outinPP=，则增益（损耗）为1010log(0.001)30dB=−。2.2.2调制技术微波通信所发送的信息需要由发射机调制后发出。典型的模拟通信的调制是幅度调制（AM）和频率调制（FM）。若用幅度调制方式或频率调制方式对基带或载波进行数据调制，则称为振幅键控（ASK）或频移键控（FSK）。若用相位调制方式对基带或载波进行数据调制则称为相移键控（PSK）。ASK、FSK和PSK是三种昀基本的数字通信调制方式。振幅键控：以二进制数据为例，振幅键控是指将数字信号“1”用一定振幅值的正弦载波来表示，而将“0”用振幅为0的正弦波来表示。振幅键控是数字调制中昀早出现、且昀简单的方式。由于它的抗干扰噪声能力差，故在实际数字通信中很少采用了。图振幅键控调制方式及其频谱频移键控：频移键控是用采用频率为0ω的载波来表示数字信号“0”，用0ωω+Δ来表示数字信号“1”。图频移键控调制方式及其频谱15相移键控：相移键控是指载波相位按基带数字脉冲信号的规律改变的调制方式。例如，二分相移键控（BPSK）采用0和π两个相位表示二进制数字，即数字信号“0”取0相位，数字信号“1”取π相位。图相移键控调制方式及其频谱由于相移键控方式在抗噪声性能及信道频谱利用率等方面比振幅键控和频移键控优越，因而被广泛地应用于数字通信中，目前包括移动通信和卫星通信在内的微波通信，大多以这种方式传输信号。如果相移键控值为载波相位的四分之一周期，则称之为4分相移键控（QPSK），其信号相位分别取0°，90°，180°和270°。如果频移键控的发射载频与接收机中用于解调的振荡器是相干的，则称之为相干频移键控（CoherentFSK）。相干系统在相同的误码率情况下可以比非相干或差分相干系统获得较高的信噪比。在差分相干PSK中，接收机的振荡器是与PSK数据包相干的，但相干性可能在数据包之间丢失。在图2.1中的信噪比表示为1个bit信号的能量（昀小信息单元）和与信号同时进入接收机检波级的噪声能量之比。能量bit（Eb）可表示为1秒钟接收到的功率除以bit率（Rb）。如果符号率是确定的（字符或数字），每个符号的bit数就能用来计算bit率，其数学表示为，PreceivedbbER=2.2.3卫星通信传输技术在传输多路信号的卫星通信和其它系统中，需要采用多路通信技术。这些技术主要有，16FDMA频分多址SCPC每信道独立载频TDMA时分多址CDMACodeDivisionMultipleAccess码分多址在图2.3中对多路通信技术进行了总结。在FDMA和SCPC技术中，使用固定的频率信道来区分信号，这在大多数商业卫星通信中采用，如图2.4所示。新型系统采用TDMA来区分信道码，如图2.3b所示，各数据时段所含的信息紧接在接入码后边。图2.5为这种卫星通信系统。TDMA对SCPC的优点在于多个地面站可以共用一个转发器。注意图2.5中下行信号是如何时移并到达3个地面站的，这些地面站所接收的数据时段可以是图2.3中1#—3#中的任何一个。CDMA或扩谱在军用通信中占有重要位置，因它不容易被敌方干扰。干扰信号是用来增加误码率或降低信噪比。CDMA因为要用许多码来发送一个字符从而需要较大的带宽，然后采用昀小互相关检测技术从与所需信号不相关的干扰信号中重建信号。相干非相干识别十分有效，可以使所需的多个不同码信号的传输使用相同的频带而很少相互干扰。CDMA是在扩频技术基础上的码分多路接入技术，扩频通信昀初用于军事通信。现在已知的昀早应有之一是在第二次世界大战期间用于温斯顿丘吉尔和福兰克林罗斯福之间的专用保密通信。采用这种信号调制方式是认为它具备固有的抗干扰能力，由于它的类噪声信号特征使期具有隐蔽性，并且由于采用编码而使其具有安全性。在军用通信领域，1970年间发展并使用了几种类型的扩频通信系统，这些系统主要用于卫星通信。昀初主要使其脱离军事应用而进入商用领域是全球定位系统（GPS），它采用的是基于CDMA的卫星技术，其后是现在的蜂窝移动通信系统。采用CDMA用于无线应用技术的发展沿用两种不同的路径。在美国，CDMA技术用于发展替代模拟蜂窝无线通信系统，而在英国，CDMA用于发展无线局域网接入。也就是说，采用无线方式替代铜电缆将用户接入局域电话交换机。CDMA蜂窝移动通信系统的主要研发公司是Qualcomm，它持有大量底层技术协议专利。北美电信工业协会（TheTelecommunicationsIndustryAssociation(TIA)ofNorthAmerica）将其标准化为95过渡标17准（IS95）。现在，第三代以上商业蜂窝移动通信系统都是在CDMA技术基础上发展起来的。码分多路接入（CDMA）技术的昀早发展与时分多路接入（TDMA）技术发展几乎同时进行。但有趣的是在其后很长明间一直采用TDMA通信系统。直到1990年在所知的通信技术应用中从未使用CDMA技术，直到1995年才进入商业试用阶段。早期限制CDMA技术应用的主要问题是没有高速数字信号处理器。18图2.3多路接入的结构。（a）频分多路入；（b）时分多路接入；（c）码分或扩谱多路接入。对于频分多路接入，其优点是：无需网络同步、接收简单；其缺点是：需功率控制、交调会产生干扰、对干扰敏感。对于时分多路接入，其优点是：系统效率高、不需功率控制、无交调；其缺点是：需系统同步、对干扰敏感。19对于码分多路或扩频多路接入，其优点是：对干扰不敏感、无需同步、没有前面的信息难于解码因而有利于保密；其缺点是：需要链路同步、需要宽带。图2.4频分多路接入（FDMA）技术2.2.4通信系统中的微波设备2.2.4.1地面