通信技術概論第五章數(shù)字微波通信系統(tǒng)

5.1數(shù)字微波通信概述5.2

微波的視距傳播特性5.3

微波中繼通信系統(tǒng)5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計第5章數(shù)字微波通信系統(tǒng)天線、鐵塔隨處盡收眼底。何用？

5.1數(shù)字微波通信概述5.1.1電磁波和頻段劃分交變的磁場在其附近產(chǎn)生交變電場，交變的電場在其附近產(chǎn)生交變磁場，交變的磁場又在其附近產(chǎn)生交變電場……如此周而復始，兩者互為因果，互相支持，并絞連在一起，在空間以波的形式向遠處傳播，稱為電磁波。把電磁波按著頻率或波長大小的順序排列成圖表稱為電磁波譜。5.1數(shù)字微波通信概述電磁波譜表無線電波5.1數(shù)字微波通信概述名稱英文波長范圍頻率范圍極低頻（極長波）100000Km～10000Km3Hz～30Hz超低頻（超長波）10000Km～1000Km30Hz～300Hz特低頻（特長波）ULF1000Km～100Km300Hz～3000Hz甚低頻（甚長波）VLF100Km～10Km3KHz～30KHz低頻（長波）LF10000m～1000m30KHz～300KHz中頻（中波）MF1000m～100m300KHz～3000KHz高頻（短波）HF100m～10m3MHz～30MHz甚高頻（米波或超短波）VHF10m～1m30MHz～300MHz微波特高頻（分米波）UHF10dm～1dm300MHz～3000MHz超高頻（厘米波）SHF10cm～1cm3GHz～30GHz極高頻（毫米波）EHF10mm～1mm30GHz～300GHz無線電波頻段劃分5.1數(shù)字微波通信概述5.1.2微波的概念

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微波（microwave）：微波是一種電磁波，是全部電磁波頻譜的一個有限頻段。即波長介于1毫米到1米，或頻率介于300MHz~300GHz之間的電磁波。

【注】“微”，就是該無線電波的波長相對于周圍物體的幾何尺小很小的意思。

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微波的分類：根據(jù)波長或頻率的不同，微波可以分為分米波、厘米波和毫米波。如表2.1.1所示。2.1.1微波的分類名稱英文波長范圍頻率范圍特高頻（分米波）UHF10dm～1dm300MHz～3000MHz超高頻（厘米波）SHF10cm～1cm3GHz～30GHz極高頻（毫米波）EHF10mm～1mm30GHz～300GHz5.1數(shù)字微波通信概述

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微波波段的應用：微波已在許多科學技術領域得到廣泛應用，其中最基本和主要的應用是通信和雷達。如

地面電視廣播：我國電視頻道13~68對應的頻率范圍為470~958MHz。

移動通信：

國內(nèi)2G-GSM網(wǎng)絡頻率：采用GSM900和DCS1800雙頻率。P-GSM900手機發(fā)送頻率為890~915MHz，接收頻率為935~960MHz。E-GSM900手機發(fā)送頻率為880~915MHz，接收頻率為925~960MHz。DCS1800手機發(fā)送頻率為1710~1785MHz，接收頻率為1805~1880MHz。5.1數(shù)字微波通信概述

2G-CDMA手機頻率：發(fā)送頻率825~840MHz，接收頻率870~885MHz。

3G手機頻率：中國電信的CDMA2000獲得頻段是發(fā)送頻率1920～1935MHz和接收頻率2110～2125MHz，中國聯(lián)通的WCDMA獲得頻段是發(fā)送頻率1940～1955MHz和接收頻率2130～2145MHz，兩者均獲得了30M頻率。中國移動的TD-SCDMA獲得頻段是發(fā)送頻率1880～1900MHz和接收頻率2010～2025MHz，共35M頻率資源。5.1數(shù)字微波通信概述

衛(wèi)星電視：主要工作在C波段（6/4GHz，即上行鏈路工作在6GHz附近，下行鏈路工作在4GHz附近的3.7~4.2GHz）和Ku波段（14/12GHz，即上行鏈路工作在14GHz附近，下行鏈路工作在12GHz附近的10.75~12.75GHz）。5.1數(shù)字微波通信概述

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常用微波波段的劃分：微波專家常用L、LS、S、C、X、Ku、K、Ka、Q等拉丁字母來表示由低到高的微波波段，這是依據(jù)美國IEEE（電子與電氣工程師學會）的劃分標準。美國IEEE微波波段頻率劃分標準波段名稱頻率范圍（GHz）波段名稱頻率范圍（GHz）L1.12~1.7K18~26.5Ls1.7~2.6V26.5~40S26~3.95Q33~50C3.95~5.85M50~75XN5.85~8.2E60~90XB7.05~10N90~136X8.2~12.5D137~143KU12.5~185.1數(shù)字微波通信概述

5.1.3微波通信的概念

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微波通信（microwavecommunication）：是一種利用微波作為載波傳送信息的通信手段，即載波頻率是微波。也可以說，凡是利用微波傳播進行的通信均為微波通信。

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微波通信的分類：主要有四種方式

（1）

衛(wèi)星通信（SatelliteCommunication）：利用衛(wèi)星作為中繼站，實現(xiàn)地對空和空對地的一種通信方式。

（2）移動通信（MobileCommunication）:移動體之間，或移動體與固定體之間進行的一種通信方式。

（3）散射通信（ScatterCommunication）：利用大氣對流層不均勻體的散射傳播進行的微波通信。5.1數(shù)字微波通信概述

（4）微波中繼通信（MicrowaveRelyCommunication）：借助于地面架設的微波中繼站進行遠距離通信的一種通信方式。中繼也稱為接力，因此又稱為微波接力通信。衛(wèi)星通信實際上是中繼站設在衛(wèi)星上的微波中繼通信。

本章討論的數(shù)字微波系統(tǒng)指的就是微波中繼通信系統(tǒng)。我國數(shù)字微波中繼通信基本使用2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、11GHz、13GHz、15GHz、18GHz。工作頻率越高，獲得的通頻帶和通信容量越大，但頻率越高由于大氣效應帶來的衰減越大。2GHz、4GHz、6GHz因電波傳播比較穩(wěn)定，常用于干線微波中繼通信，而其他頻段常用于支線或?qū)Ｓ镁W(wǎng)微波中繼。5.1數(shù)字微波通信概述地面微波中繼通信需要使用中繼的原因：

（1）傳播有損耗微波傳播有損耗，因此要想實現(xiàn)遠距離通信需要利用中繼方式不斷提供能量補償。

（2）微波的直線傳播和地面的曲面表面在一般情況下，通信距離超過50km時，就要在其傳輸路徑上建立中繼站。5.1數(shù)字微波通信概述5.1.4微波通信的發(fā)展

1887年，德國物理學家H.R.赫茲在分米波波段進行的實驗，可以看作是微波技術的起點。

1901年，馬可尼使用800kHz中波信號進行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波通信試驗，開創(chuàng)了人類無線通信的新紀元。

1931年，從英國多佛爾到法國加來建立了世界上第一條微波通信線路。

到20世紀40年代初，隨著磁控管、速調(diào)管和行波管等微波器件相繼發(fā)明以及電視和雷達廣泛使用以后，微波通信才迅速發(fā)展起來。5.1數(shù)字微波通信概述

第二次世界大戰(zhàn)中，有些國家的軍隊使用微波進行移動通信，以及多路微波接力通信系統(tǒng)作為干線通信。

1957年，美國首次在微波頻段開通了單跳長達350公里的對流層散射電路。

60年代，頻分多路寬帶微波接力系統(tǒng)得到廣泛應用。

自1965年第一顆國際商用衛(wèi)星“晨鳥”使用以來，衛(wèi)星通信成為國際通信的主要手段，軍事上也得到廣泛應用。

70年代以來，隨著數(shù)字通信和微波元器件的發(fā)展，遠距離大容量數(shù)字微波接力系統(tǒng)，數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)和對流層散射系統(tǒng)日趨完善，小功率的微波設備已實現(xiàn)了全固體化。目前許多國家大部分長途電話和電視都依靠微波信道傳輸。5.1數(shù)字微波通信概述?

我國微波通信的發(fā)展

我國第一條微波中繼通信（試驗）電路是北京－方莊－楊村－天津，該電路于1960年4月開通。

1976年，我國以北京為中心連通全國20多個省市建成了大規(guī)模的微波通信干線。

20世紀80年代，隨著數(shù)字信號處理技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微波通信系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。

20世紀90年代后出現(xiàn)了容量更大的數(shù)字微波通信系統(tǒng)5.1數(shù)字微波通信概述5.1.6微波中繼通信的特點

?頻帶寬，容量大微波頻段占用的帶寬約300GHz，而全部長波、中波和短波頻段占用頻帶總和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。占用頻帶越寬，通信容量也越大。一套短波通信設備只能容納幾條話路同時工作，而一套微波中繼通信設備可以容納幾千甚至上萬條話路同時工作。?

受外界干擾影響小大氣和工業(yè)無線電噪聲主要集中在無線電頻譜的低端，隨著頻率的升高，強度逐漸降低。當頻率高于100MHz時，這些干擾對通信的影響極小。而微波通信頻率甚高，其影響可忽略不計。因此微波中繼通信較穩(wěn)定可靠。5.1數(shù)字微波通信概述?

天線增益高，方向性強

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。另外，微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，使天線具有很強的方向性，減少通信中的相互干擾。?

通信靈活性大微波中繼通信采用中繼方式，可以實現(xiàn)遠距離通信，而且可以跨越沼澤、江河、湖泊和高山等特殊地理環(huán)境。在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭等災禍時，通信的建立、撤收和轉移都較容易，比有線通信具有更大的靈活性。5.1數(shù)字微波通信概述

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投資少，見效快微波中繼通信組網(wǎng)時，只需要根據(jù)要求建設站點，故建設投資少，調(diào)整方便，維護費用低?！靖健吭?976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個微波通道全部安然無恙。

在1998年長江中下游的特大洪災中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在2008年汶川大地震中，又是微波通信（海事電話）將震區(qū)與外界取得聯(lián)系。5.1數(shù)字微波通信概述5.2微波的視距傳播特性

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視距：眼睛能夠看到的距離。

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視距傳播：微波的直線（視距）傳播，稱為視距傳播。

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視距傳播特性：微波在自由空間中的直線傳播特性又稱為視距傳播傳播特性。5.2.1天線高度與最大傳播距離

由于微波的直線傳播特性和地球表面的球面特性，因此最大視距傳播距離與收發(fā)天線高度有關。5.2微波的視距傳播特性發(fā)射天線接收天線5.2.1視距與天線高度的關系發(fā)射天線接收天線（a）實際（b）簡化d’——直視距離hc——余隙d——最大通信距離（最大視距傳播距離或最大傳播距離）5.2微波的視距傳播特性圖5.2.1中，發(fā)射天線和接收天線之間的連線表示它們之間的直視路徑，其長度為直視距離（）；直視路徑與地球表面障礙物最高點之間的垂直距離稱為余隙（）；沿地球表面的最大傳輸距離稱為最大通信距離、最大視距傳播距離或最大傳播距離（）；發(fā)射和接收天線的高度分別為和。發(fā)射天線到地表障礙物之間的通信距離為；地表障礙物到接收天線之間的通信距離為。5.2微波的視距傳播特性

最大通信距離為：其中，，為地球半徑；

為弧長對應的地心角，可表示為由于，所以又由于當，，所以有5.2微波的視距傳播特性于是有同理可得為因此，最大通信距離為

【例】當，時5.2微波的視距傳播特性

5.2.2自由空間的傳播損耗

?自由空間（FreeSpace）：又稱為理想空間，充滿均勻的、理想的和各向同性的介質(zhì)。電波在自由空間中，傳播不受阻擋，不發(fā)生反射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象。所以電波在自由空間傳播總能量不會損耗。但實際的電波是以一個球面波的形式在自由空間傳播，它的能量均勻分布在球面上，距離波源越遠，球面的表面積越大（），到達接收點單位面積上的能量就越少，這種因電波在自由空間的傳播擴散而造成的能量衰減就被稱為電波在自由空間的傳播損耗。5.2微波的視距傳播特性?自由空間傳輸損耗的計算自由空間傳播損耗定義為發(fā)射功率與接收功率之比，即

其中，和的單位為dBW，后面的章節(jié)仍然用、表示。

如果的單位為km；的單位為GHz，則得

如果的單位為km；的單位為MHz，可得5.2微波的視距傳播特性圖5.2.3電波傳播損耗與頻率和距離的關系圖如圖5.2.3所示，隨著傳輸距離的增加和頻率的升高，電波的傳播損耗增加。5.2微波的視距傳播特性附：自由空間傳輸損耗的計算計算自由空間傳播損耗的示意圖如圖5.2.2所示。

假設自由空間A、B點分別有一無方向發(fā)射天線和無方向接收天線。發(fā)射功率為的發(fā)射天線對空輻射，電磁波能量均勻分布在以A點為球心，以A、B之間的距離為半徑的球面上。AB圖5.2.2

自由空間傳播損耗的示意圖【注】這里的是輻射源A到接收天線B的直視距離，而不是沿地球表面的通信距離。但由于遠小于地球半徑，可認為電波的直視距離與通信距離近似相等。并用符號來表示。附：自由空間傳輸損耗的計算接收點B單位面積上的平均功率為按照天線理論，無方向天線的有效面積（表征接收天線接收空間電磁波能力的基本參數(shù)）為在B點，無方向天線收到的電波功率為自由空間傳播損耗定義為發(fā)射功率與接收功率之比，記作。于是有

實際中多轉換為分貝（dB）形式?如果的單位為km；的單位為GHz，可得

?如果的單位為km；

的單位為MHz，可得

（1）（2）附：自由空間傳輸損耗的計算【例】A、B兩微波站相距50km，工作頻率是2GHz，試計算電波從發(fā)射站A到達接收站B的自由空間傳播損耗。若發(fā)射功率為10W，則接收功率為多少？解：由題可得，由自由空間的傳輸損耗計算公式可得由于發(fā)射功率為則接收功率為5.2微波的視距傳播特性

實際上，微波中繼通信中的收發(fā)天線均為有方向性的定向天線，方向性常用“天線增益（AntennaGain）”來表示?？紤]發(fā)射天線增益和接收天線增益之后，系統(tǒng)模型如下：發(fā)射機天線增益Gt天線增益Gr接收機空間傳播損耗Lt系統(tǒng)傳播損耗LPtPr其中，稱為系統(tǒng)傳播損耗，單位為dB。5.2微波的視距傳播特性其中，為空間傳播損耗，空間傳播損耗除了包含自由空間傳播損耗外，還包括由地面和大氣等因素引起的附加損耗。5.2微波的視距傳播特性相關知識天線

天線的作用是有效地發(fā)射和接收指定方向的無線電波。它在微波中繼通信中起重要的作用，其性能參數(shù)將直接影響著通信質(zhì)量的好壞。在實際通信系統(tǒng)中，天線是有方向的。天線的方向性是衡量天線好壞最重要的參量。描述天線方向性的主要指標有：??天線方向圖??天線增益

天線方向圖天線方向圖可以直觀地反映天線輻射場的空間分布，它是一個三維空間的立體圖。5.2微波的視距傳播特性

工程上常采用該立體圖的鉛錘平面來表示天線的方向性。該平面的方向圖一般呈花瓣狀，故常稱其為波瓣圖。

圖中，OZ為最大輻射方向，包含最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，背向最大輻射方向的波瓣稱為后瓣，其他方向的波瓣稱為副瓣或旁瓣。圖2.2.4

波瓣圖5.2微波的視距傳播特性

天線增益

天線增益是衡量天線性能的重要參數(shù)，常用表示，單位為dB。

?對于發(fā)射天線而言，發(fā)射天線增益反映了天線將發(fā)射功率往某一指定方向集中輻射的能力，常用來表示。?對接收天線而言，接收天線增益反映了天線接收特定方向電波功率的能力，常用來表示。天線增益越大，天線的方向性越好。5.2微波的視距傳播特性

5.2.3地面效應和大氣效應

（1）地面效應在微波中繼通信中，由于天線高度有限，電磁波主要在靠近地表的大氣空間傳播，傳播特性受地面影響較大。地面影響主要表現(xiàn)在兩點：

?平坦地表的反射所引起的多徑傳播

?地表障礙物阻擋或部分阻擋引起的附加損耗5.2微波的視距傳播特性平坦地表對微波反射的影響

電波在傳播過程中，如果遇到光滑地面或水面等平坦地面時，易產(chǎn)生強的鏡面反射，電波沿這一反射路徑也可到達接收天線。接收天線除了接收到直射波外，還接收到經(jīng)平坦地表反射形成的反射波，形成多徑傳播。平坦地表對微波電磁波的反射示意圖A為反射波與直射波的行程差。5.2微波的視距傳播特性接收天線處的合成場強是直射波和反射波的場強矢量和。直射波與反射波的場強可能同相相加使合成場強增強；直射波與反射波的場強也可能反相相減，使合成場強減小甚至等于零，即直射波完全被反射波抵消，這是應該避免的。為了避免直射波被抵消，在進行微波中繼站的站址選擇和線路設計時，應充分注意反射點的地理條件，兩站之間最好選擇是森林山區(qū)或丘陵地帶以阻擋反射波，使接收端的合成場強穩(wěn)定。5.2微波的視距傳播特性地表障礙物對微波傳播的影響

地表障礙物是指諸如丘陵、山頭、樹林和高大建筑物等會阻擋電磁波視距傳播的地物。地表障礙物對微波視距傳播的影響表現(xiàn)為引入附加損耗。當波束中心線剛好擦過障礙物時，即，電波也會受到部分阻擋而產(chǎn)生附加損耗。為了避免或減少附加損耗，需要留有足夠的余隙?？梢岳脦缀螌W知識中的費涅爾原理來確定余隙。5.2微波的視距傳播特性（2）大氣效應

大氣對微波傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為三個方面：?大氣吸收損耗?雨霧衰減

?大氣折射損耗在大氣層中，尤其是對流層對微波傳輸影響最大。因為對流層中的大氣成分、壓強、溫濕度隨高度而變化使得微波產(chǎn)生吸收、反射和散射等。

大氣吸收損耗任何物質(zhì)分子都是由帶電的粒子組成，這些粒子有其固有的電磁諧振頻率，當通過此物質(zhì)的電磁波頻率接近諧振頻率時，就產(chǎn)生共振吸收。5.2微波的視距傳播特性大氣中的氧分子具有磁偶極子，水蒸汽分子具有電偶極子，它們都能從電磁波中吸收能量，產(chǎn)生吸收衰減。一般來說，大氣對頻率在12GHz以下的電波的吸收損耗小于0.015dB/km，對于50km的傳播距離，總衰減小于0.75dB，同自由空間傳播損耗相比可以忽略不計。

雨霧衰減在電波傳播途中，雨、雪或濃霧將使電磁波產(chǎn)生散射，造成的散射損耗稱為雨霧衰減。一般情況下，10GHz以下頻段只有1~3dB，高于10GHz時雨衰較大使得中繼距離受到限制，通常只有幾千米。5.2微波的視距傳播特性

大氣折射損耗由于空氣折射率隨高度的變化而變化，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。折射率大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，折射率小的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)。根據(jù)折射定理，當光由光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時，折射角大于入射角；當光由光疏媒質(zhì)進入光密媒質(zhì)時，折射角小于入射角。由于大氣折射率的不同，實際電磁波不是按直線傳播，而是按曲線傳播。如果按照電磁波傳播的曲線軌跡來進行有關分析和計算，將帶來極大不便，因此引入了等效地球半徑的概念。5.2微波的視距傳播特性等效地球半徑（EffectiveEarthRadius）用表示：式中，稱為地球等效半徑系數(shù)；為地球?qū)嶋H半徑。工程上，等效地球半徑系數(shù)值常采用一些經(jīng)驗值。溫帶地區(qū)：兩極地區(qū)：赤道地區(qū)：5.2微波的視距傳播特性例：在標準大氣折射情況下（即溫帶地區(qū)），地球等效半徑為此時最大視距傳播距離為在一般情況下，地球等效半徑系數(shù)大于1，故等效地球半徑增加，地球表面平緩，視距傳輸距離增加。5.2微波的視距傳播特性【附】地球的數(shù)據(jù)年齡：46億歲；公轉周期：365.25天；自轉周期：23小時56分4秒（平太陽時）；體積：10832億立方千米；質(zhì)量：600000億億噸；平均密度：5.50克/立方厘米；赤道半徑：6378.140千米；兩極半徑：6356.755千米；表面積：5.1億平方千米；海洋面積：3.61億平方千米；大氣：主要成分：氮（78.5%）和氧（21%）；地殼：主要成分：氧(47%)、硅（28%）和鋁（8%）；衛(wèi)星：一顆（月球）。5.2微波的視距傳播特性地球是太陽系八大行星之一，是人類居住的星球。29%是陸地，71%是海洋。陸地可分為七大洲亞洲、非洲、歐洲、大洋洲、南美洲、北美洲和南極洲七大洲；海洋可分為太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四大洋。地球圈層分為地球外圈和地球內(nèi)圈兩部分。地球外圈分為大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈四個基本圈層；內(nèi)圈分為地幔圈、外核液體圈和固體內(nèi)核圈三個基本圈層。此外在地球外圈和內(nèi)圈之間還存在一個軟流圈，它是一個過渡圈層，位于地面以下平均深度約150公里處。八個圈層中巖石圈、軟流圈和地球內(nèi)圈一起構成了所謂的固體地球。5.2微波的視距傳播特性固體內(nèi)核圈：地球八個圈層中最靠近地心的，位于5120至6371km地心處，又稱為G層。根據(jù)對地震波速的探測與研究，證明為固體結構。地球內(nèi)層不是均質(zhì)的，平均地球密度為5.515克/立方厘米。

外核液體圈：位于地面以下約2900至5120km深度?；旧鲜怯蓜恿W粘度很小的液體構成，其中2900至4980km深度稱為E層，完全由液體構成。4980至5120km深度層稱為F層，它是外核液體圈與固體內(nèi)核圈之間一個很簿的過渡層。5.2微波的視距傳播特性地幔圈：由上地幔（33~410km的B層，410~1000km的C層）、下地幔（1000~2700kmD′層，2700~2900kmD″層）組成。軟流圈：在海洋下面，位于約60km深度以下；在大陸地區(qū)，位于約120km深度以下，平均深度約位于60~250km處?，F(xiàn)代觀測和研究已經(jīng)肯定了這個軟流圈層的存在。也就是由于這個軟流圈的存在，將地球外圈與地球內(nèi)圈區(qū)別開來了。5.2微波的視距傳播特性巖石圈：主要由地球的地殼和地幔圈中上地幔的頂部組成，厚度不均勻，平均厚度約為100公里。是現(xiàn)代地球科學中研究得最多、最詳細、最徹底的固體地球部分。生物圈：現(xiàn)存的生物生活在巖石圈的上層部分、大氣圈的下層部分和水圈的全部，構成了地球上一個獨特的圈層。據(jù)估計，現(xiàn)有生存的植物約有40萬種，動物約有110多萬種，微生物至少有10多萬種。5.2微波的視距傳播特性水圈：包括海洋、江河、湖泊、沼澤、冰川和地下水等，是一個連續(xù)但不很規(guī)則的圈層?？傎|(zhì)量為1.66×1024克，約為地球總質(zhì)量的3600分之一，其中海洋水質(zhì)量約為陸地水（包括河流、湖泊和表層巖石孔隙和土壤中）的35倍。。大氣圈：大氣圈是地球外圈中最外部的氣體圈層，包圍著海洋和陸地。分為對流層、平流層、中間層、熱層（電離層）、逃逸層等。5.2微波的視距傳播特性對流層是緊靠地面，受地面影響最大。地面附近的空氣受熱上升，上面的冷空氣下沉，發(fā)生對流運動，故稱為對流層。對流層集中了約75％的大氣質(zhì)量和90％以上的水氣質(zhì)量。下界與地面相接，上界因緯度和季節(jié)而不同。低緯度地區(qū)為17~18km，中緯度地區(qū)為10~12km，高緯度地區(qū)僅為8~9km。夏季高于冬季。從地面到1~2km的一層受地面起伏、干濕、冷暖影響很大，稱為摩擦層或大氣邊界層。摩擦層以上受地面狀況影響較小，稱為自由大氣。對流層與其上的平流層之間存在一過渡層，稱為對流層頂，厚度約幾百米到2km。5.2微波的視距傳播特性5.3微波中繼通信系統(tǒng)5.3微波中繼通信系統(tǒng)5.3.1系統(tǒng)組成微波中繼通信系統(tǒng)由一系列微波站構成。微波站可分為終端站、中繼站、分路站和樞紐站四種。微波中繼通信系統(tǒng)示意圖終端站樞紐站分路站中繼站主干線支線?終端站

終端站是處于微波線路兩端的微波站，是系統(tǒng)的終端。?中繼站

中繼站是線路的中間轉接站，它對微波信號進行放大和轉發(fā)，它不能插入或分出信號即不能實現(xiàn)上、下話路。?分路站

分路站具有中繼站的功能，還可以實現(xiàn)上、下話路。

?樞紐站

在微波中繼通信網(wǎng)中，兩個方向以上的分出或插入微波信號的微波站稱為樞紐站。一般設在一、二級長途干線上，完成數(shù)個方向的通信任務。

5.3微波中繼通信系統(tǒng)5.3.2微波波道及其頻率配置

微波波道

一套對通的微波收發(fā)信機構成的一條微波通信通道，常稱為微波波道。發(fā)收收發(fā)發(fā)收收發(fā)發(fā)收發(fā)收ABC5.3微波中繼通信系統(tǒng)

在微波通信中，一條微波線路提供的可用帶寬一般都非常寬，如2GHz微波通信系統(tǒng)的可用帶寬達400MHz，而一般微波收發(fā)信機的通帶范圍有限，大約為幾十MHz。為了使微波線路的可用帶寬得到充分利用，將微波線路的可用帶寬劃分成若干頻率小段，給每一個頻率段設置一套對通的微波收發(fā)信機。因此，相鄰兩個微波站之間將有若干套對通的微波收發(fā)信機（射頻波道）同時工作。通常，一條微波線路可設置6、8、12、20個微波收發(fā)信機（射頻波道），使線路容量相應的增大6、8、12、20倍。5.3微波中繼通信系統(tǒng)

微波波道的頻率配置：如何分配相鄰兩個微波站之間各微波波道（微波收發(fā)信）之間的頻率。

頻率配置的基本原則：?在整個可用頻段內(nèi)，盡可能多的安排波道數(shù)量，以增加通信容量。?盡可能的減少各波道之間的干擾，以提高通信質(zhì)量。?因微波天線和天線塔建設費用很高，各波道要設法共用天線，因此選用的頻率配置方案應有利于天線共用。

目前，常見的有兩種頻率配置：?單波道頻率配置?多波道頻率配置5.3微波中繼通信系統(tǒng)單波道頻率配置

所謂單波道指的是在一條微波線路上只有一個波道。常用的單波道頻率配置有兩種：

二頻制和四頻制。

二頻制

?整個微波線路共使用兩個不同的微波頻率，一個用來收信，一個用來發(fā)信；?對同一通信方向而言，收發(fā)頻率逐站更換一次ABC反向干擾越站干擾發(fā)收收發(fā)發(fā)收收發(fā)發(fā)收發(fā)收二頻制頻率配置圖5.3微波中繼通信系統(tǒng)采用二頻制方案時，每個中繼站的兩部收信機工作在同一頻率，兩部發(fā)信機也工作在同一頻率。

優(yōu)點：占用頻帶窄，頻譜利用率高。

缺點：存在反向干擾和越戰(zhàn)干擾。

??反向干擾

概念：一個方向的收信機收到的相反通信方向的同頻干擾。

抑制方法：使用具有較高反向防衛(wèi)度的天線。

??

越戰(zhàn)干擾

概念：第一個微波站的發(fā)射頻率越過相鄰站被第四個微波站接收，造成的同頻干擾。

抑制方法：相鄰的第四個微波站的站址不要選擇在第一、二兩微波站的延長線上。5.3微波中繼通信系統(tǒng)ABCD越站干擾和無越站干擾示意圖（a）有越站干擾ABCDABCD（b）有越站干擾（c）無越站干擾5.3微波中繼通信系統(tǒng)

四頻制?整個微波線路共使用4個不同的微波頻率，其中，

與、與各組成一條雙向波道?間隔一站的頻率重復使用

采用四頻制方案時，沒有反向干擾問題，但仍然存在越站同頻干擾，且其占用頻帶比二頻制方案寬一倍。收發(fā)發(fā)收收發(fā)發(fā)收四頻制頻率配置圖收發(fā)發(fā)收越站干擾ABC5.3微波中繼通信系統(tǒng)多波道頻率配置

所謂多波道指的是在一條微波線路上有多個波道同時工作。常用的多波道頻率配置有兩種：交錯制和分割制。

交錯制以6波道為例，原理如下：共使用12個不同頻率與，其中與構成一個波道，且相鄰排列。【例】微波站A在兩個通信方向的收信頻率都是，下一個微波站兩個通信方向的發(fā)信頻率都是。排列方式為交錯制收發(fā)頻率間距較小，為了避免干擾收發(fā)需要使用不同天線，一般不宜采用。5.3微波中繼通信系統(tǒng)【例】6波道交錯制交錯制頻率配置圖AB5.3微波中繼通信系統(tǒng)

分割制以6波道為例，原理如下：

?共使用12個不同微波頻率與，其中與構成一個波道。?6條波道的發(fā)信頻率集中在頻段的一半，收信頻率集中在頻段的另一半?！纠堪l(fā)信頻率集中在低頻段，收信頻率集中在低頻段。分割制的收發(fā)頻率相差較遠，抗干擾能力優(yōu)于交錯制，因此實際中常采用分割制頻率配置方案。5.3微波中繼通信系統(tǒng)分割制頻率配置圖AB5.3微波中繼通信系統(tǒng)5.3.3射頻波道的頻率再用

在相同或相近的波道頻率上，借助于水平極化和垂直極化兩種不同的電磁波傳播方式安排更多的射頻波道，稱為射頻波道的頻率再用。數(shù)字微波中繼系統(tǒng)中，常采用射頻波道的頻率再用技術來提高頻率利用率，減少波道間的干擾。而模擬微波中繼系統(tǒng)對同頻及鄰近頻率的干擾很敏感，很少使用頻率再用方法。

射頻波道的頻率再用方案有兩種：

同波道型再用：主用與再用的波道頻率完全重合

插入波道型再用：主用與再用的波道頻率互相錯開

5.3微波中繼通信系統(tǒng)……………………（a）同波道型再用……………………（b）插入波道型再用分割制波道頻率再用的兩種方案主用波道再用波道5.3微波中繼通信系統(tǒng)5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計5.4.1工程設計的任務

線路勘探

繪制路徑剖面圖

計算余隙

根據(jù)余隙選擇天線高度5.4.2工程設計的步驟

線路勘探線路勘探就是根據(jù)微波直線傳播原理，對微波通信的路徑（亦稱路由）進行勘測，并根據(jù)勘測結果繪制路徑剖面圖。常用儀器設備包括地圖（海拔）、測高儀、羅盤、望遠鏡等。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計

繪制路徑剖面圖

路徑剖面圖是工程設計的一個有力工具。它不同于一般的剖面圖，既要反映收發(fā)天線之間電波與地形、地貌的關系，又要反映出K值的影響。路徑剖面圖有兩種類型：一種是射線為直線，K值體現(xiàn)在等效地球凸起高度上；還有一種是認為路徑所在的地球表面為平面，K值變化反映在射線的曲率變化上，通常使用第一種方法。將圖繪在坐標紙上，選擇橫坐標表示收發(fā)連線上長度的變化，比例可選1cm代表1km或2km等；用縱坐標反映收發(fā)連線上高度的變化，比例可選1cm代表10m或40m等。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計第一步：選擇發(fā)射端為始點，根據(jù)收發(fā)兩點的距離在橫坐標上畫出接收端的位置，即終點。第二步：在收發(fā)連線（橫坐標）上適當?shù)剡x擇一些點，根據(jù)K值計算所在點的地球凸起高度。

【注】所選的點應根據(jù)地形情況，對地形復雜的地方多選一些點，對地形變化平緩的地方少選一些點。對于任意K值，地球凸起高度可以表示為其中，分別為計算點到始點和終點的距離（km）；為等效地球半徑系數(shù)。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計第三步：將計算的地球凸起高度與地圖上的海拔高度相加，作為該點在剖面圖上的標高，然后將所有的點用光滑曲線連接起來，即構成了路徑剖面圖。第四步：標出收發(fā)路徑上大的建筑物。

圖2.4.1路徑剖面圖示意圖5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計

計算余隙利用費涅爾原理計算收發(fā)路線上最高的障礙物應留的余隙。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計

根據(jù)余隙選擇天線高度

由圖可以求得天線高度為余隙與天線高度示意圖其中，、和為發(fā)射天線、接收天線和最高障礙物的海拔高度；為建筑物的實際高度。利用余隙確定天線高度通常有兩種方法：

固定其中一個天線的高度，根據(jù)計算得到的余隙求另一個天線的高度。

從若干對符合余隙條件的收發(fā)天線高度組合中選擇一組符合實際情況的天線高度。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計5.4.3設計舉例~~三峽工程數(shù)字微波通信系統(tǒng)設計概況

工程概況

?三峽工程數(shù)字微波通信系統(tǒng)是為解決開發(fā)初期對外聯(lián)絡通信急需而建設的第一個大型通信項目。1991年6月開始勘測設計，1994年2月建成開通并投入使用，歷時近三年時間。

?工程包括葛洲壩電廠、三峽總公司、太陽包、壩河口和東岳廟五個微波站，宜昌至壩區(qū)全長約40km，傳輸容量480路。一期工程投資840萬元。

?從運行情況可以看出，系統(tǒng)設計合理，設備工作穩(wěn)定，性能良好。目前仍是三峽工程對內(nèi)對外的唯一通信通道，為數(shù)萬人的施工隊伍提供了良好的通信保障，也為一期工程的順利進行發(fā)揮了重要作用，取得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計

規(guī)劃設計

路由勘測規(guī)劃

三峽工程位于崇山竣嶺的西陵峽，尋找一條理想而經(jīng)濟的空中電波通道并非易事。經(jīng)過1985年至1991年共三次電測，最后確定了下述較為理想的路由。

東岳廟站~~壩河口站~~太陽包站~~宜昌三峽總公司站~~葛洲壩電廠站

該路由的作用是:

?聯(lián)通了中國三峽總公司宜昌總部與三峽工地長江左、右岸施工點的通信，使相隔幾十公里的三個點上的交換機用數(shù)字中繼線聯(lián)成一個整體，形成了一個完整的專用通信網(wǎng)。

?三峽專用通信網(wǎng)可以通過葛洲壩電廠站與葛滬微波和京漢微波聯(lián)網(wǎng)，從而迅速與全國電力通信網(wǎng)聯(lián)通。5.4微波中繼通信系統(tǒng)的工程設計?除了太陽包需要新建機房外，其它四個微波站都可以利用已有的辦公室改造而成，節(jié)約了基建投資和時間。

?太陽包高程1047m，可直接與中國三峽總公司構成視通，余隙大，傳輸質(zhì)量好。

工程設計

1991年12月委托長江水利委員會機電處進行了技術設計和施工設計，其中包括：

?微波通信系統(tǒng)技術參數(shù)的設計；

?五個微波站的交、直流供電系統(tǒng)設計；

?太陽包機房和鐵塔設計;

?上述微波站的防雷接地系統(tǒng)設計；

?設備清單及工程概算設計。5.4