數(shù)字對(duì)流層散射通信在民用的應(yīng)用

1、數(shù)字對(duì)流層散射通信在民用通信的應(yīng)用第一部分 綜述散射是一種自然現(xiàn)象。我們知道，在地球的外圍是厚厚的大氣層，大氣層分布著大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的不均勻介質(zhì)，它們是大小不同和形態(tài)各異的空氣漩渦、云團(tuán)和片流層等。由于這些不均勻物質(zhì)的溫度、濕度和壓強(qiáng)與周?chē)諝獾牟煌蚨鴮?duì)電磁波的折射率也不同。當(dāng)發(fā)射天線輻射的電磁波通過(guò)這些隨機(jī)不均勻介質(zhì)時(shí)，其傳輸方向不再與以前一致，而是向四面八方發(fā)散，我們把電磁波經(jīng)過(guò)大氣中的不均勻物質(zhì)后傳輸方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)為散射，把這些不均勻物質(zhì)稱(chēng)為散射體。利用大氣層中散射體對(duì)電磁波的散射和反射作用而進(jìn)行的超視距無(wú)線電通信叫散射通信。 根據(jù)散射體在大氣中所處的位置和來(lái)源的不同，散射通信又

2、分為電離層散射通信、流星余跡通信和對(duì)流層散射通信。電離層散射通信是利用電離層的 E層和 D層對(duì)超短波的散射和反射作用實(shí)現(xiàn)的超視距通信。流星余跡通信是利用穿過(guò)大氣層的流星形成的短暫電離余跡對(duì)超短波的散射和反射作用實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離快速通信。對(duì)流層散射通信是利用對(duì)流層中散射體對(duì)微波的散射或反射作用而實(shí)現(xiàn)的超視距通信。由于大氣中的散射體多集中在對(duì)流層，因此對(duì)流層散射通信成為散射通信的主要方式。 由于散射體既不受電離層變化的騷擾，又不怕雷電等惡劣天氣的影響，即便在太陽(yáng)黑子活動(dòng)情況異?；蚴窃诖疟?、核爆炸等惡劣情況下，大氣中的散射體也始終存在，因而散射通信具有抗破壞能力強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、通信穩(wěn)定可靠、保密性強(qiáng)等特

3、點(diǎn)，尤其適合用在近海跨越海峽、海灣和島嶼及用于內(nèi)陸跨越沙漠、高山、湖泊、沼澤和人煙稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)的通信。 散射體的分布不是均勻的，散射能量主要指向電磁波原發(fā)射的方向。接收天線收到的信號(hào)是發(fā)射天線與接收天線波束相交的公共散射體前向散射的信號(hào)之和。電磁波在大氣層中傳播時(shí)，其能量除一小部分被散射體散射和反射外，其余大部分能量都會(huì)被吸收或穿透大氣層進(jìn)入太空，使收到的信號(hào)非常微弱，從而給信號(hào)的接收帶來(lái)一定的難度。為保證可靠通信，需要采用高增益定向天線、大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和抗衰落措施。 由于散射體的隨機(jī)不均勻性，這使散射信號(hào)具有快衰落性和存在多徑時(shí)延，而它們到達(dá)接收機(jī)的路徑不同，就決定了它們傳輸

4、的距離不同，因而各信號(hào)到達(dá)的時(shí)間上會(huì)有差異。為了克服散射信號(hào)快衰落和多徑時(shí)延對(duì)通信性能的影響，散射機(jī)采用了分集接收技術(shù)。分集技術(shù)是用幾個(gè)相互獨(dú)立的信道傳輸同一信息，接收機(jī)對(duì)這些分集信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喜?，提高合成信?hào)的信噪比和減小信號(hào)電平的衰落深度，從而明顯地改進(jìn)接收性能。分集方式有空間、頻率、極化、角度、時(shí)間分集及其組合分集，接收機(jī)合并分集信號(hào)的方式有選擇式、等增益相加式和最佳分集，合并信號(hào)可以解調(diào)前進(jìn)行，也可在解調(diào)后進(jìn)行。 提高數(shù)字信號(hào)抗衰落和抗多徑時(shí)延能力的另一途徑是糾錯(cuò)編碼。散射信道既有離散隨機(jī)錯(cuò)誤，也有突發(fā)錯(cuò)誤，但平均誤碼性能主要決定于突發(fā)錯(cuò)誤。通常采用的編碼方式有擴(kuò)散分組碼、擴(kuò)散卷積碼

5、和自適應(yīng)乘積碼等。 根據(jù)傳送的調(diào)制信號(hào)不同，散射機(jī)分為模擬散射機(jī)和數(shù)字散射機(jī)。模擬散射機(jī)是采用模擬信號(hào)傳輸信息，解調(diào)時(shí)存在門(mén)限效應(yīng)；數(shù)字散射機(jī)傳輸數(shù)字調(diào)制信號(hào)，其最佳信號(hào)形式與信道參數(shù)和傳輸速率密切相關(guān)。比較理想的信號(hào)形式是移相鍵控信號(hào)，其解調(diào)方式通常采用普通相干或差分相干解調(diào)、自適應(yīng)匹配濾波器相干解調(diào)和自適應(yīng)判決反饋均衡相干解調(diào)技術(shù)。 現(xiàn)在，散射通信設(shè)備已廣泛用于建立永久性固定通信干線。散射設(shè)備還被用于裝車(chē)，使其成為能在現(xiàn)場(chǎng)迅速開(kāi)通或轉(zhuǎn)移的移動(dòng)散射站，成為民用機(jī)動(dòng)通信的重要手段。第二部分 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況對(duì)流層散射通信作為一種通信手段付諸使用在國(guó)外已有四十多年的歷史。對(duì)流層散射通信的發(fā)展大

6、體分四個(gè)階段：六十年代中期以前，在此期間對(duì)散射傳播機(jī)理進(jìn)行了大量研究，并研制出模擬散射設(shè)備，建立了大量的模擬散射通信線路。七十年代到七十年代中期，數(shù)字對(duì)流層散射通信技術(shù)發(fā)展較快。主要研究適合于散射信道傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)、編解碼技術(shù)、分級(jí)合并技術(shù)、失真自適應(yīng)技術(shù)及裝車(chē)技術(shù)，并在高可靠性、實(shí)用性上取得了明顯進(jìn)行展。七十年代后期至八十年代初期美、英、法、蘇等國(guó)相繼研制出一些數(shù)字對(duì)流層散射通信設(shè)備，并建立了許多模擬和數(shù)字散射通信線路。自八十年代初期至今，美、英、法、前蘇聯(lián)一直保持在對(duì)流層散射通信技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。美國(guó)研制的對(duì)流層散射通設(shè)備有20多個(gè)型號(hào)，法國(guó)有10多個(gè)型號(hào)，前蘇聯(lián)、英國(guó)、意大利等國(guó)也

7、都有多種對(duì)流層散射通信設(shè)備。在民用通信領(lǐng)域，散射通信可廣泛用于電力管理、石油、采礦、水利等各種工業(yè)部門(mén)作為指揮、調(diào)度等，也可用于森林防火、搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急通信系統(tǒng)，發(fā)揮著重要的作用。日本NEC公司為利比亞撒哈拉沙漠地區(qū)研制了對(duì)流層散射電視傳輸線路，該系統(tǒng)采用27米大口徑天線八重分集接收，中頻相加，發(fā)射功率為20kW， 容量為一路黑白電視和125路話(huà)，系統(tǒng)有兩跳組成，全長(zhǎng)為557km。橫貫澳大利亞的散射通信系統(tǒng)是跨越草原的散射線路，該系統(tǒng)三條全長(zhǎng)640km，其射頻頻率為2.42.7 GHz,發(fā)射功率為1kW, 天線為10和米20米，容量為120路話(huà)。 加拿大水電部建成的一條拉布拉半島到魁北克通信線

8、路采用了對(duì)流層散射，天線為18米，容量為120路，四重分集工作。英國(guó)的北海油田廣泛采用散射通信作為平臺(tái)至岸的通信手段，到目前為止，英國(guó)馬克尼公司以為北海公司建成21條對(duì)流層散射電路，其工作頻率為1.72.7 GHz，發(fā)射功率為1kW，天線采用兩付18米或12米的雙偏置拋物面廣告牌天線。第三部分 特點(diǎn)我所研制的對(duì)流層散射通信設(shè)備技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際一流。對(duì)流層散射通信是基于微波頻段的無(wú)線電波在對(duì)流層中散射的物理現(xiàn)象，是唯一無(wú)須轉(zhuǎn)發(fā)器的地面大容量超視距無(wú)線通信手段，可用于在自然災(zāi)害中恢復(fù)通信，在30分鐘內(nèi)重建通信鏈路，并為用戶(hù)提供專(zhuān)用帶寬和高速率數(shù)據(jù)通信，成為應(yīng)急通信的重要手段；可用于實(shí)現(xiàn)可靠的

9、島嶼內(nèi)通信及島嶼對(duì)大陸通信，省去安裝水下光纜的巨額投資；可用于偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)鄉(xiāng)村通信，替代高額成本的其他無(wú)線通信手段，省去光纜鋪設(shè)和維護(hù)的高額費(fèi)用；可用于海洋鉆井平臺(tái)、石油和天然氣平臺(tái)對(duì)大陸通信，解決應(yīng)環(huán)境、財(cái)政、安全和管理需求對(duì)設(shè)備的高速率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。使用散射通信設(shè)備的特點(diǎn)是：不需要月租，設(shè)備并不昂貴；安裝簡(jiǎn)單，易于操作維修；提供高于其他無(wú)線通信手段的速率；始終為用戶(hù)提供可用帶寬；支持大多數(shù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)接口；在沒(méi)有有線和光纜情況下可提供安全保密通信；提供雙向?qū)ΨQ(chēng)通信；即可以將設(shè)備和天線裝車(chē)移動(dòng)通信，也可以將天線安裝于桅桿、建筑物墻體、房頂?shù)壬厦婀潭ㄊ褂?。其工作頻段為L(zhǎng)、S、C、X波段，信息速率為2.4

10、kb/s-8448kb/s，通信距離為100km400km。第四部分 技術(shù)指標(biāo)一、系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成主要包括： a)天線及饋線； b)收發(fā)雙工器；c)功率放大器(包括固態(tài)功率放大器、速調(diào)管放大器和行波管放大器)；d)低噪聲放大器；e)上變頻器；f)下變頻器；g)頻率綜合器；h)調(diào)制解調(diào)器、輔助復(fù)分接器；i)數(shù)字終端；j)監(jiān)控單元；k)電源。系統(tǒng)組成方框圖見(jiàn)圖1。 圖1 數(shù)字對(duì)流層散射通信系統(tǒng)組成方框圖二、系統(tǒng)業(yè)務(wù)種類(lèi) 。 系統(tǒng)業(yè)務(wù)種類(lèi)一般包括： a)話(huà)音； b)數(shù)據(jù)； c)傳真； d)圖像； e)其它。三、性能特性1系統(tǒng)性能特性11工作頻率 數(shù)字對(duì)流層散射通信系統(tǒng)的工作頻率如下： a) 440

11、0MHz5000MHz b) 其它頻率。12業(yè)務(wù)速率和傳輸速率 業(yè)務(wù)速率和對(duì)應(yīng)的傳輸速率根據(jù)業(yè)務(wù)需求在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。13通信距離 通信距離一般為100km400km以?xún)?nèi)。 特殊情況在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。14傳播可靠度 在規(guī)定的通信距離上，平均信道誤碼率為1×10-4時(shí)，年傳播可靠度不小于95。15分集與合并 分集方式可采用空間分集、頻率分集、角度分集、隱分集以及不同的分集組合。 合并方式根據(jù)采用不同的調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行選擇。16頻率穩(wěn)定度 系統(tǒng)短期穩(wěn)定度應(yīng)達(dá)到1×10-9d，長(zhǎng)期穩(wěn)定度應(yīng)達(dá)到5×10-8a。17接收門(mén)限電平 接收門(mén)限電平在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。18動(dòng)態(tài)范圍

12、系統(tǒng)接收通道的動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于50dB。19雜散抑制度， 系統(tǒng)的發(fā)射雜散抑制度優(yōu)于60dBc。110諧波抑制度 系統(tǒng)的發(fā)射諧波抑制度優(yōu)于60dBc。111噪聲系數(shù) 接收機(jī)噪聲系數(shù)不大于40dB。112頻率綜合器的工作頻率 頻率綜合器的工作頻率，按低于系統(tǒng)工作頻率70MHz進(jìn)行設(shè)計(jì)。113調(diào)制解調(diào)方式和輔助復(fù)分接方式 系統(tǒng)應(yīng)選擇適宜的調(diào)制解調(diào)方式，具體方式在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。輔助復(fù)分接器的工作速率按傳輸業(yè)務(wù)信息速率、勤務(wù)信息、監(jiān)控信息及其他信息速率進(jìn)行選擇，按同步方式進(jìn)行復(fù)分接。2設(shè)備性能21天線與饋線 天線及饋線性能見(jiàn)表1。表1天線及饋線性能 工作頻率 MHz 天線口徑 m 天線效率 饋線形式440

13、0-5000 1.2-60.5 BJ一48矩形波導(dǎo)和BJR一48矩形軟波導(dǎo)或低損耗電纜 當(dāng)選用其它工作頻率時(shí)，天線與饋線的性能在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。22收發(fā)雙工器 收發(fā)雙工器性能見(jiàn)表2。表2收發(fā)雙工器性能工作頻率MHz工作方式0.5 dB瞬時(shí)帶寬MHz發(fā)送端插入損耗dB接收端插入損耗dB發(fā)送端接口接收端接口4400-異頻12FD48或N型座FD48或N型座5000雙工281.52.5或SMA型座或SMA型座23功率放大器(包括固態(tài)功率放大器、速調(diào)管放大器和行波管放大器) a)功率放大器的輸出功率功率放大器輸出功率見(jiàn)表3。表3功率放大器輸出功率工作頻率MHz44005000 MHz輸出功率W以上 b

14、)功率放大器性能 1)1dB瞬時(shí)帶寬不小于±6MHz： 2)整機(jī)增益，根據(jù)功率放大器的輸出功率而定： 3)功率放大器雜散輸出抑制度不小于60dBc； 4)固態(tài)功率放大器諧波輸出抑制度不小于40dBc，速調(diào)管放大器諧波輸出抑制度不小于40dBc；行波管放大器諧波輸出抑制度不小于35dBc； 5)功率放大器微波輻射不大于5mWcm2(距機(jī)殼5cm處)； 6)功率放大器機(jī)振噪聲不大于75dBA。其中500W以下為固態(tài)功率放大器，1kW以上為速調(diào)管功率放大器或行波管放大器。24低噪聲放大器 低噪聲放大器性能見(jiàn)表4。表4低噪聲放大器性能工作頻率MHz噪聲系數(shù)dB增益dB440050001.52

15、525上變頻器上變頻器性能見(jiàn)表5。中頻輸入信號(hào)頻率MHz中頻輸入信號(hào)電平dBm(50)本振輸入信號(hào)頻率MHz本振輸入信號(hào)電平dBm(50)輸出信號(hào)頻率MHz輸出信號(hào)功率dBm(50) 70±6 0 4330-4930 710 4400-5000 0-826下變頻器 下變頻器性能見(jiàn)表6。表6下變頻器性能輸入信號(hào) 頻率MHz輸入信號(hào)電平dBm(50)本振輸入信號(hào)頻率MHz本振輸入信號(hào)電平 dBm(50)中頻輸出信號(hào)頻率MHz中頻輸出信號(hào)功率 dBm(50) 44005000 -50-124 4430-4930 710 70±6 0-5027頻率綜合器 a)頻率綜合器性能 頻率綜

16、合器性能見(jiàn)表7。表7頻率綜合器性能 工作頻率 MHz 步進(jìn)間隔 MHz 輸出電平 dBm(50n) 輸出路數(shù)10.524400500010314 b) 頻率綜合器輸出相位噪聲要求 1)偏離中心頻率100Hz時(shí)，相位噪聲優(yōu)于 -60dBcHz； 2)偏離中心頻率1kHz時(shí)，相位噪聲優(yōu)于 -65dBcHz； 3)偏離中心頻率10kHz時(shí)，相位噪聲優(yōu)于 -70dBcHz； 4)偏離中心頻率100kHz時(shí)，相位噪聲優(yōu)于 -80dBcHz。28調(diào)制解調(diào)器、輔助復(fù)分接器 a)調(diào)制解調(diào)器、輔助復(fù)分接器信息速率和復(fù)接速率 調(diào)制解調(diào)器和輔助復(fù)分接器之間不同信息速率和復(fù)接速率見(jiàn)表8。表8調(diào)制解調(diào)器、輔助復(fù)分接器信

17、息速率和復(fù)接速率 信息速率 kbits 復(fù)接速率 kbits 16、32、64 80 128、256、512 320640 1024 1152 2048 2304 3072 3200 8448 8832 b)調(diào)制解調(diào)器性能 調(diào)制器的輸出電平、解調(diào)器誤碼性能、同步保持時(shí)間及自動(dòng)增益控制(AGC)等特性，在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。 c)輔助復(fù)分接器性能 輔助復(fù)分接器的性能在相關(guān)說(shuō)明中規(guī)定。29監(jiān)控單元 監(jiān)控單元功能一般如下： a)與主監(jiān)控的串行通信； b)傳輸速率、自環(huán)、收發(fā)頻率和發(fā)射功率等設(shè)置； c)開(kāi)啟與關(guān)閉功率放大器、控制功率放大器的功率輸出和切斷上變頻器電源等； d)查詢(xún)傳輸誤碼率、傳輸速率、收發(fā)

18、頻率、發(fā)射功率、反射功率、天線俯仰、方位指向和設(shè)備故障等； e)液晶顯示和操作鍵盤(pán)人機(jī)變換。210 電源2101供電方式 市電或油機(jī)供電。2102電源適應(yīng)性 系統(tǒng)在下列電源變化范圍內(nèi)應(yīng)能正常工作： a) 市電：電壓：176V253V，頻率：50×(1±5)Hz； b) 油機(jī)：電壓：220×(1±10)V。211接口2121射頻 射頻接口是收發(fā)雙工器與天線饋線之間的接口。 工作頻率為4400MHz5000MHz時(shí)的接口要求為： 1)輸人輸出為BJ一48(矩形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo))和BJR一48(矩形軟波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo))，(也可采-用不同型號(hào)的低損耗電纜)； 2)波導(dǎo)法蘭盤(pán)為密封D型或密封A型； 3)N型座或SMA型座，接口阻抗為50。3132中頻 中頻接口是指調(diào)制器與上變頻器的接口和解調(diào)器與下變頻器的接口。 a)調(diào)制器與上變頻器的接口要求為： 1)調(diào)制器輸出信號(hào)頻率為70MHz±6MHz； 2)調(diào)制器輸出功率為0dBm； 3)調(diào)制器和上變頻器均采用SMB型座，阻抗50。 b)解調(diào)器與下變頻器的接口要求為： 1)變頻器輸出信號(hào)頻