第2章 微波中繼通信系統(tǒng)課件

第2章微波中繼通信系統(tǒng)Microwaverelaycommunicationsystems張文勝SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversityShandong,China

通信系統(tǒng)概論MUXSatelliteFibre-opticscableRadiolinkCoaxialcableMUX現(xiàn)代通信的主要手段2.1概述微波中繼通信是利用微波作為載波并采用中繼（接力）方式在地面上進行的無線電通信。Microwaverelaytransmissionisthetransmissionofinformationorenergybyelectromagneticwaveswhosewavelengthsaremeasuredinsmallnumbersofcentimeters;thesearecalledmicrowaves.微波中繼通信：遠距離通信，一般說來，通信距離往往長達數(shù)千米甚至上萬米，或環(huán)繞地球曲面，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。微波中繼通信的概念微波中繼通信是利用微波作為載波并采用中繼（接力）方式在地面上進行的無線電通信。微波頻段的波長范圍為lm～mm，頻率范圍為300MHz～300GHz，可細分為特高頻（UHF）頻段／分米波頻段、超高頻（SHF）頻段／厘米波頻段和極高頻（EHF）頻段／毫米波頻段。由于衛(wèi)星通信實際上是在微波頻段采用中繼（接力）方式通信，不過其中繼站設(shè)在衛(wèi)星上而已，所以，為了與衛(wèi)星通信區(qū)分，這里所說的微波中繼通信是限定在地面上的。光纖，微波，衛(wèi)星骨干網(wǎng)三大傳輸手段。微波通信的概念微波通信是利用微波作為載波來攜帶信息，并通過自由空間電波傳送信息。微波的頻率范圍？300MHz~300GHz微波的傳輸特性？視距傳輸特性（直線傳播）用微波作為載體傳送數(shù)字信息的一種通信手段。

微波

超長波

長

中

短

米

分米

厘米

毫米

亞毫米光通信0.0000030.030.33303003103310431053106(MHz)(300MHz—300GHz)微波一般稱為厘米波！無線電通信頻率劃分段號頻段名稱頻段范圍波段名稱在自由空間的波長范圍123極低頻超低頻特低頻3~30HZ30~300HZ300~3000HZ極長波超長波特長波100000~10000km10000~1000km1000~100km45678甚低頻(VLF)低頻(LF)中頻(MF)高頻(HF)甚高頻(VHF)3~30K30~300K300~3000K3~30M30~300M甚長波長波中波短波超短波100~10km(萬米波)10000~1000m(千米波)1000~100m(百米波)100~10m(十米波)10~1m(米波)9101112特高頻(UHF)超高頻(SHF)極高頻(EHF)至高頻300~3000M3~30G30~300G300~3000G10~1dm10~1cm10~1mm1000~100um(亞毫米波)微波分米波厘米波毫米波絲米波甚低頻

VLF

3-30KHz

超長波

1KKm-100Km

空間波為主

海岸潛艇通信；遠距離通信；超遠距離導(dǎo)航

低頻

LF

30-300KHz

長波

10Km-1Km

地波為主

越洋通信；中距離通信；地下巖層通信；遠距離導(dǎo)航

中頻

MF

0.3-3MHz

中波

1Km-100m

地波與天波

船用通信；業(yè)余無線電通信；移動通信；中距離導(dǎo)航

高頻

HF

3-30MHz

短波

100m-10m

天波與地波

遠距離短波通信；國際定點通信

甚高頻

VHF

30-300MHz

米波

10m-1m

空間波

電離層散射（30-60MHz）；流星余跡通信；人造電離層通信（30-144MHz）；對空間飛行體通信；移動通信

特高頻

UHF

0.3-3GHz

分米波

1m-0.1m

空間波

小容量微波中繼通信；（352-420MHz）；對流層散射通信（700-10000MHz）；中容量微波通信（1700-2400MHz）

超高頻

SHF

3-30GHz

厘米波

10cm-1cm

空間波

大容量微波中繼通信（3600-4200MHz）；大容量微波中繼通信（5850-8500MHz）；數(shù)字通信；衛(wèi)星通信；國際海事衛(wèi)星通信（1500-1600MHz）

極高頻

EHF

30-300GHz

毫米波

10mm-1mm

空間波

在入大氣層時的通信；波導(dǎo)通信

通常把頻率300MHz－300GHz的射頻無線信號稱為微波信號利用微波作為載體的通信稱為微波通信基帶傳輸信號為數(shù)字信號的微波通信是數(shù)字微波通信一般基帶信號處理在中頻完成，再通過頻率變換到微波頻段也可以在微波頻段直接調(diào)制，但調(diào)制限于PSK微波通信的理論基礎(chǔ)是電磁場理論微波通信一、基本概念問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？1、微波工作頻率高，波長短，能穿透電離層，不能利用天波進行遠距離傳播。2.2概念問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？2、由于地球表面為球面，再加上地物地貌的影響使得視距傳播距離受限。措施？增加天線高度，增大發(fā)射功率？中繼方式

微波線路發(fā)信設(shè)備收信設(shè)備中繼方式

微波中繼通信

微波中繼通信常用于電纜無法鋪設(shè)或極難鋪設(shè)的地方,而且相對而言，線路鋪設(shè)簡單,建設(shè)周期短,投資少。

微波似光性，電波近似直線傳播

微波的傳輸損耗大,波長越短，損耗越大。

ACDEB中繼站微波的視距傳播示意圖中繼的原因微波通信采用中繼方式的直接原因有兩個：首先，因為微波傳播具有視距傳播特性，即電磁波沿直線傳播，而地球表面是個曲面，因此若在通信兩地直接通信，且天線架高有限，當(dāng)通信距離超過一定數(shù)值時，電磁波傳播將受到地面的阻擋，為了延長通信距離，需要在通信兩地之間設(shè)立若干中繼站，進行電磁波轉(zhuǎn)接。其次，因為微波傳播有損耗，在遠距離通信時有必要采用中繼方式對信號逐段接收、放大后發(fā)送給下一段。微波通信發(fā)展史

世界上最早的模擬微波中繼通信系統(tǒng)是第二次世界大戰(zhàn)后期美國貝爾研究所建立的TDX系統(tǒng)（4GHz頻段的調(diào)頻系統(tǒng)），1947年貝爾研究所研制了數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)TD-2。我國在50年代開始進行模擬微波系統(tǒng)的研制，經(jīng)過了20多年的歷史，直到70年代初，才完成小容量、低頻段的通信系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代研制并使用數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)并進行技術(shù)引進和開發(fā)。世界上許多國家都把微波中繼通信作為其通信網(wǎng)的主要傳輸手段之一。模擬微波中繼通信早已發(fā)展成熟，并逐漸被數(shù)字微波中繼通信取代。微波通信的特點

（1）

通信頻段的頻帶寬。微波頻段占用頻帶約300GHz，而全部長波、中波和短波頻段占有的頻帶總和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。一套微波中繼通信設(shè)備可以容納幾千甚至上萬條話路同時工作，或傳輸電視圖像信號等寬頻帶信號。

（2）受外界干擾的影響小。工業(yè)干擾、天電干擾及太陽黑子的活動對微波頻段通信的影響小(當(dāng)通信頻率高于100MHz時，這些干擾對通信的影響極小)，但它們嚴(yán)重影響短波以下頻段的通信。因此，微波中繼通信較穩(wěn)定和可靠。（3）通信靈活性較大。微波中繼通信采用中繼方式，可以實現(xiàn)地面上的遠距離通信，并且可以跨越沼澤、江河、湖泊和高山等特殊地理環(huán)境。在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭等災(zāi)禍時，通信的建立、撤收及轉(zhuǎn)移都較容易，這些方面比電纜通信具有更大的靈活性。

（4）天線增益高、方向性強。當(dāng)天線面積給定時，天線增益與工作波長的平方成反比。由于微波中繼通信的工作波長短，因而容易制成高增益天線，降低發(fā)信機的輸出功率。另外，微波電磁波具有直線傳播特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，使微波天線具有很強的方向性，減少通信中的相互干擾。

（5）投資少、建設(shè)快。在通信容量和質(zhì)量基本相同的條件下，按話路公里計算，微波中繼通信線路的建設(shè)費用不到同軸電纜通信線路的一半，還可以節(jié)省大量有色金屬，建設(shè)時間短。微波中繼通信的用途微波中繼通信主要用來傳送長途電話信號、寬頻帶信號(如電視信號)、數(shù)據(jù)信號、移動通信系統(tǒng)基地站與移動業(yè)務(wù)交換中心之間的信號等，還可用于通向孤島等特殊地形的通信線路。2.2視距傳播特性2.2.1天線高度與傳播距離R

h1h2d1d2考慮到，上式可以寫成：

當(dāng)h1=h2=50m時，d=50kmAB1.無方向天線輻射，單位面積接收功率對于一個各向同性（無方向）的信號源，其能量向周圍均勻擴散。在半徑為d的球面上（其面積為4πd2）的功率密度p0為：2.2.2自由空間傳播損耗其中pt為輻射源功率。顯然，p0可理解為在與輻射源相距d的單位面積上所接收的功率。稱為傳播（或擴散）因子。注意，此時的參數(shù)d是表示輻射源到接收天線的直視距離，而不是沿地球表面的通信距離。但是，由于d遠小于地球半徑，可認為電波的直視傳播距離與通信距離近似相等，并用符號d表示。

（二）自由空間傳播損耗2.有向天線輻射，單位面積接收功率在實際的微波中繼通信系統(tǒng)中，天線一般是有方向性的，并用“天線增益Gt”來表示。對于發(fā)射天線來說，它是天線在最大輻射方向上單位立體角的發(fā)射功率與無方向天線單位立體角功率的比值。也就是說，發(fā)射天線增益Gt是該天線在最大輻射方向上輻射功率相對無方向天線在該方向上輻射功率所增加的倍數(shù)或分貝數(shù)。（二）自由空間傳播損耗則與有向天線發(fā)射源相距d處的單位面積所接收的功率prˊ為：（二）自由空間傳播損耗3.有效接收面積內(nèi)接收到的功率對于接收天線而言，增益可理解為天線接收特定方向電波功率的能力。此時，接收天線增益

與天線有效接收面積A的關(guān)系可由下面的公式表示（二）自由空間傳播損耗其中A為天線的有效接收面積（單位為m2）,

為電波的波長（單位為m）。（二）自由空間傳播損耗于是，若接收機與輻射源（發(fā)射機）相隔的距離為d，接收天線的有效面積為A，則所接收的信號載波功率pr為（假定輻射源是定向輻射，其天線增益為Gt）（二）自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即Gt、Gr都為1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作Lf。于是有（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗式中，f為電波頻率；c為電波傳播速度，約為3×108m/s。（二）自由空間傳播損耗用分貝表示自由空間電波傳播損耗時，Lf為（二）自由空間傳播損耗式中，Lf的單位為dB；d的單位為km；f的單位為GHz。式中，Lf的單位為dB；d的單位為km；f的單位為MHz。系統(tǒng)傳播損耗在考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即Gt、Gr不為1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為系統(tǒng)傳播損耗，記作L。系統(tǒng)模型如下：（二）自由空間傳播損耗發(fā)射機天線增益Gt空間傳播損耗Lt天線增益Gr接收機ptprpn系統(tǒng)傳播損耗L系統(tǒng)傳播損耗L=Lt-Gt-GrLt為空間傳播損耗，除包含自由空間傳播損耗Lf外，還包括由大氣等因素引起的附加損耗。（二）自由空間傳播損耗發(fā)射機天線增益Gt空間傳播損耗Lt天線增益Gr接收機ptprpn系統(tǒng)傳播損耗L系統(tǒng)傳播損耗在微波中繼通信系統(tǒng)中的天線，通常采用卡塞格倫(N.Cassegrain)天線，其增益為（二）自由空間傳播損耗其中，D為拋物面天線直徑；為天線效率，通常取0.6-0.7。電波在傳播過程中除上述自由空間損耗之外，還要受地面和大氣的影響帶來的附加損耗。（二）自由空間傳播損耗（三）地面效應(yīng)微波中繼通信系統(tǒng)中電波在收、發(fā)天線之間是直線傳播，由于天線高度有限，電波傳播路徑離地面較近，傳播特性受地面影響較大。地面影響主要表現(xiàn)在傳播路徑上障礙物阻擋或部分阻擋引起的附加損耗，以及平滑地面對電波的反射所引起的多徑傳播，進而產(chǎn)生接收信號的干涉衰落。2.2.3地面效應(yīng)費涅耳橢球面假定有一個微波中繼段發(fā)信點為T，收信點為R，站間距為d，平面上一個動點P到兩個定點（T、R）的距離若為一個常數(shù)，則此點的軌跡為一個橢圓。在空間此動點的軌跡是一個旋轉(zhuǎn)橢球面。對于電波傳播，這個常數(shù)當(dāng)為d+λ/2時，得到的橢球面稱為第一費涅耳橢球面；常數(shù)為d+2λ/2時，得到的橢球面稱為第二費涅耳橢球面......常數(shù)為d+Nλ/2時，得到的橢球面稱為第N費涅耳橢球面.d1d2dd1+d2-d=l/2第一費涅耳橢球面:費涅耳橢球面費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)幾個基本概念ThesignalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightLineofsight1stzone費涅耳區(qū)TheFresnelZone:如果前述定義的一系列費涅耳橢球面，與我們從T或R點出發(fā)認定的某一波前面相交割，在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個圓，稱為第一費涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓環(huán)）稱為第二個費涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費涅耳區(qū)、第四費涅耳區(qū)......第N費涅耳區(qū)。這些圓和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為在垂直于地面且垂直與T與R間射線的平面區(qū)域圖形。TheFirstFresnelZone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)TheFirstFresnelZoneTotalreceivedsignalDirectsignal1stzoneReflectedsignal180180l/2幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)1stzone+2ndzone-TheSecondFresnelZoneThe

signalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightLineofsight幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)TotalreceivedsignalDirectsignal2ndzone1stzoneReflectedsignal180180lTheSecondFresnelZone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)Lineofsight1stzone+2ndzone-3rdzone+The

signalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightTheThirdFresnelZone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(TheFresnelZoneDefinition)1.費涅爾半徑和余隙在電波傳播中，當(dāng)波束中心線剛好擦過障礙物時，h=0，電波也會受到部分阻擋而產(chǎn)生附加損耗。為此在設(shè)計電波傳不路徑時，需離障礙物頂部有足夠的“余隙”，使附加損耗較小。（三）地面效應(yīng)1.費涅爾半徑和余隙為了確定余隙的大小，在工程中通常利用附加損耗與費涅爾相對余隙之間的關(guān)系曲線進行設(shè)計。（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.0-8-10-200.5附加損耗相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙圖中的相對余隙是余隙hc對一階費涅爾半徑r1的歸一化值。可也看出，當(dāng)相對余隙為0，即波束中心線剛好擦過障礙物頂部時，附加損耗為6dB。（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.0-8-10-200.5附加損耗相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙當(dāng)相對余隙大于0.5時，附加損耗小于0.5dB，可以忽略。（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.00000.5附加損耗dB相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙一階費涅爾半徑r1可根據(jù)惠更斯-費涅爾原理求得：式中波長單位為cm；通信距離的單位為km；費涅爾半徑的單位為m。（三）地面效應(yīng)1.費涅爾半徑和余隙比如，對于頻率為4GHz的電波，波長為7.5cm，若d1=d2=25km，則r1=30.6m。于是電波波束中心線離障礙物頂端應(yīng)有大于15.3m的余隙，才能保證相對余隙大于0.5，否則障礙物阻擋將帶來明顯的附加損耗。（三）地面效應(yīng)2.地面反射電波在較平滑的地面（如水面、沙漠、草原及小塊平地等）上傳播時，容易產(chǎn)生較強的鏡面反射，電波沿反射路徑也可以到達接收天線，形成多徑傳播。來自直射波和反射波的信號在接收端干涉疊加，合成信號的場強與地面反射系數(shù)，以及由于不同路徑延時差造成的兩干涉信號間的相位差有關(guān)。當(dāng)來自不同路徑的信號相位相同時，合成信號增強；而相位相反時，相互抵消。由于反射系數(shù)隨地面條件而改變，反射點也可能有變化，因此接收的合成信號電平將起伏不定，形成多徑衰落。（三）地面效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)大氣對微波中繼通信系統(tǒng)電波傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在大氣吸收損耗以及降雨和大氣折射引起的損耗三個方面。而大氣層距地面較高的對流層、電離層等對微波中繼系統(tǒng)中電波傳播的影響很小。五、微波信道特性（四）大氣效應(yīng)1.吸收損耗大氣對頻率在12GHz以下電波吸收附加損耗很小，在50km的跨距時小于1dB，與自由空間傳播損耗相比可以忽略。下圖示出了大氣中氧分子和水蒸氣對10GHz以上頻率電波的吸收損耗系數(shù)（單位為dB/km）。五、微波信道特性1.吸收損耗從圖中可以看出，在較高的頻段，特別是在某些峰頻處（如22GHz，60GHz等），吸收損耗必須予以特別的考慮。（四）大氣效應(yīng)01020501002000.020.10.51.0102030氧分子水蒸氣2.雨衰在電波傳播途徑中的雨、雪或濃霧將使電波產(chǎn)生散射，引起附加損耗，稱為雨衰。在10GHz以下的頻段雨衰并不特別嚴(yán)重，通常只有1-3dB。對于高于10GHz的微波中繼通信系統(tǒng)，雨衰是工程設(shè)計中必須考慮的重要問題。同時由于不同地區(qū)氣象環(huán)境的差異（比如干燥沙漠地區(qū)和熱帶雨林地區(qū)），雨衰的數(shù)值相差甚遠，這也是需要特別關(guān)注的。（四）大氣效應(yīng)3.大氣折射由于空氣的折射率（θ）是隨高度（h）的變化而變化的，由此使得電波的傳播路徑不再是直線而產(chǎn)生彎曲，稱為大氣折射。由于氣候條件的不同，dθ/dh的變化可能很大。當(dāng)dθ/dh為正時，電波傳播路徑將向下低垂，此時的傳播路徑有可能使余隙達不到要求，甚至被地面障礙物所阻擋而造成嚴(yán)重的接收