现代通信系统 第6章

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

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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. 微波通信的频段及特点　

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: 　　

c

λ　1.1)　　

f

式中, λ为电磁波波长(m);

　C为电磁波传播速度3×10　8(m/s); 　f为电磁波频率(Hz)。　

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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0.3～300 GHz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。

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数字微波与卫星通信系统

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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1～10 GHz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。(4/6 GHz)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50 km。

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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. 数字微波通信系统组成及工作过程　1) 微波通信系统组成　

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(70 MHz或140 MHz), 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。

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终端站天线馈线系统

中间站

天线馈线系统

终端站站

甲地

乙地

图6.1 数字微波通信系统方框图

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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) 微波通信设备的特殊天馈系统　

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。

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其馈线系统, 一般由波导和同轴电缆(工作频段在2 GHz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。　

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副反射器

接发信机

至收信机

矩形波导58×25～58×10 mm

(b)

(a)

图6.2天线馈线系统　

(a) 同轴电缆天线馈线系统；(b) 圆波导天线馈线系统

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6.1.2 微波传输线路　

1. 微波传播的电波特性　

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(1～10 GHz)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)　

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2. 微波信号传输线路中的余隙概念　

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。　

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收

发

hh2

图6.3 地面反射和大气折射示意图

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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　

F1(m) 31.6

(m)d1(m).d2(m)

d(km)

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；

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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。

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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。　

hc