第2章 微波中繼通信系統(tǒng)

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(jìn)行的無線電通信。Microwaverelaytransmissionisthetransmissionofinformationorenergybyelectromagneticwaveswhosewavelengthsaremeasuredinsmallnumbersofcentimeters;thesearecalledmicrowaves.微波中繼通信：遠(yuǎn)距離通信，一般說來，通信距離往往長(zhǎng)達(dá)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(jìn)行的無線電通信。微波頻段的波長(zhǎng)范圍為lm～mm，頻率范圍為300MHz～300GHz，可細(xì)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(shí)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(zhǎng)波

長(zhǎng)

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(hào)頻段名稱頻段范圍波段名稱在自由空間的波長(zhǎng)范圍123極低頻超低頻特低頻3~30HZ30~300HZ300~3000HZ極長(zhǎng)波超長(zhǎng)波特長(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)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一、基本概念問：為什么利用微波進(jìn)行遠(yuǎn)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(zhǎng)短，能穿透電離層，不能利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。2.2概念問：為什么利用微波進(jìn)行遠(yuǎn)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

微波似光性，電波近似直線傳播

微波的傳輸損耗大,波長(zhǎng)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(gè)：首先，因?yàn)槲⒉▊鞑ゾ哂幸暰鄠鞑ヌ匦裕措姶挪ㄑ刂本€傳播，而地球表面是個(gè)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(shí)，電磁波傳播將受到地面的阻擋，為了延長(zhǎng)通信距離，需要在通信兩地之間設(shè)立若干中繼站，進(jìn)行電磁波轉(zhuǎn)接。其次，因?yàn)槲⒉▊鞑ビ袚p耗，在遠(yuǎn)距離通信時(shí)有必要采用中繼方式對(duì)信號(hào)逐段接收、放大后發(fā)送給下一段。微波通信的特點(diǎn)

（1）

通信頻段的頻帶寬。微波頻段占用頻帶約300GHz，而全部長(zhǎng)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(shí)工作，或傳輸電視圖像信號(hào)等寬頻帶信號(hào)。

（2）受外界干擾的影響小。工業(yè)干擾、天電干擾及太陽(yáng)黑子的活動(dòng)對(duì)微波頻段通信的影響小(當(dāng)通信頻率高于100MHz時(shí)，這些干擾對(duì)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(shí)現(xiàn)地面上的遠(yuǎn)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(zhēng)等災(zāi)禍時(shí)，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(qiáng)。當(dāng)天線面積給定時(shí)，天線增益與工作波長(zhǎng)的平方成反比。由于微波中繼通信的工作波長(zhǎng)短，因而容易制成高增益天線，降低發(fā)信機(jī)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(qiáng)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(jì)算，微波中繼通信線路的建設(shè)費(fèi)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(shí)間短。微波中繼通信的用途微波中繼通信主要用來傳送長(zhǎng)途電話信號(hào)、寬頻帶信號(hào)(如電視信號(hào))、數(shù)據(jù)信號(hào)、移動(dòng)通信系統(tǒng)基地站與移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心之間的信號(hào)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(shí)，d=50kmAB1.無方向天線輻射，單位面積接收功率對(duì)于一個(gè)各向同性（無方向）的信號(hào)源，其能量向周圍均勻擴(kuò)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(kuò)散）因子。注意，此時(shí)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(yuǎn)小于地球半徑，可認(rèn)為電波的直視傳播距離與通信距離近似相等，并用符號(hào)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)（單位為m）。（二）自由空間傳播損耗于是，若接收機(jī)與輻射源（發(fā)射機(jī)）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(hào)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(shí)，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(jī)天線增益Gt空間傳播損耗Lt天線增益Gr接收機(jī)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(jī)天線增益Gt空間傳播損耗Lt天線增益Gr接收機(jī)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(duì)電波的反射所引起的多徑傳播，進(jìn)而產(chǎn)生接收信號(hào)的干涉衰落。2.2.3地面效應(yīng)（五）接收信號(hào)功率和接收信噪比1.接收信號(hào)功率（1）自由空間接受信號(hào)功率五、微波信道特性（2）實(shí)際工程接收功率在實(shí)際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加傳播損耗（La)和饋線損耗（Ll）因此接收信號(hào)載波功率為：（五）接收信號(hào)功率和接收信噪比（2）實(shí)際工程接收功率在實(shí)際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加傳播損耗（La)和收、發(fā)兩