现代通信技术 ch32 微波通信.ppt
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1、3.2 微波通信,3.2.1 概述3.2.2 微波通信的特点3.2.3 数字微波通信系统的组成3.2.4 微波中继通信的波道及其频率配置3.2.5 微波传输信道3.2.6 SDH 数字微波系统3.2.7 SDH数字微波系统中的编码调制技术3.2.8 SDH微波系统的主要设备,(1)微波通信的定义 微波通信是指用微波频率作载波携带信息,通过无线电波空间进行中继(接力)通信的方式,(2)微波通信的工作频段 微波频率指300MHz300GHz,波长为1m-1mm范围的电磁波。波段详细划分见讲义的1.1.7或3.1节,3.2.1 概述,用于传输频分多路-调频制(FDM-FM)基带信号的系统叫作模拟微波
2、通信系统;用于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统,微波的发展是与无线通信发展是分不开的。,(3)微波通信的发展历史,1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验;无线通信初期,人们使用长波及中波来通信;20世纪20年代初,人们发现了短波通信,直到20世纪60年代卫星通信的兴起,它一直是国际远距离通信的主要手段,并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。,由于电磁波各波段的传播特性各异,因此,可以用于不同的通信系统。中波主要沿地面传播,绕射能力强,适用于广播和海上通信。而短波具有较强的电离层反射能力,适用于环球通信。超短波和微波
3、的绕射能力较差,可作为视距或超视距中继通信。,微波通信由于其通信的容量大而投资费用省(约占电缆投资的五分之一),建设速度快,抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。,20世纪40-50年代产生了传输频带较宽,性能较稳定的微波通信,成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段。模拟调频传输容量高达2700路,也可同时传输高质量的彩色电视,而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来,随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与多状态调制与检测技术的发展,使数字微波传输产生了一个革命性的变化。特别是80年代至90年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调
4、制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展,对现今的卫星通信,移动通信,全数字HDTV传输,通用高速有线/无线的接入,乃至高质量的磁性记录等诸多领域的信号设计和信号的处理应用起到了至关重要的作用。,微波微波是一个非常特殊的电磁波段,尽管它介于低频无线电波和红外辐射之间,但却不能仅依靠将低频无线电波和高频红外辐射加以推广的办法导出微波的产生、传输和应用的原理。微波波段之所以要从射频频谱中分离出来单独进行研究,是由于微波波段有着不同于其他波段的重要特点。,3.2.2 微波通信的特点,(1)似光性和似声性,波段的波长和无线电设备的线长度及地球上的一般物体(如飞机、舰船、导弹等)的尺寸相当或小的多,
5、当辐射在这些物体上时,将产生显著的反射、折射,这和光的反射、折射一样。同时微波的传播特性也和儿何光学相似,能够像光线一样直线的传播和容易集中,即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性极好、体积小的天线设备,用于接受地面上或宇宙空间中各种物体发射或者反射回来的微弱信号,从而确定改变物体的方向与距离,这就是雷达及导航技术的基础。微波波段的波长与无线电波设备尺寸相当的特点,使得微波又表现出与声波相似的特征,即具有似声性。例如:微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于声学中的喇叭、萧和笛。谐振腔类似于声学中的共鸣箱。,(2)分析方法的独特性,由于微波的频率很高,波长很短,使得在低频电路
6、中被忽略了的一些现象和效应(例如:趋肤效应、辐射效应、度越效应、相位滞后现象等)在微波波段则不可以忽略。低频电路常用的集总参数元件电阻、电感、电容已不适用,电压、电流在微波波段甚至失去了唯一性意义。因此用它们已无法对微波传输系统进行完全描述,而要求建立一套新的能够描述这些现象的理论分析方法基于电磁场理论的场与波传输的分析方法,用新的装置(例如传输线、波导、谐振腔等)代替电容、电感、电阻。,(3)穿透性和非电离性,微波是射频波谱中除光波外唯一能穿透电离层的电磁波,因而成为人类与外层空间通信的重要手段。能穿透云雾、雨、植被、积雪和地表层,具有全天候和全天时工作的能力,成为遥感技术的重要波段;微波能
7、穿透生物体,成为医学热透疗法的重要手段;毫米波还能穿透离子体,是远程导弹末端制导和航天器重返大气层时实现通讯的重要手段。微波的量子能量不够大,因而不会改变物质分子的内部结构或破坏分子的化学键,所以微波和物体的作用是非电离的。由物理学可知,分子、原子和原子核在外加电磁场的周期作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围,因此微波为探索物质的内部结构和其基本特性提供了有效地研究手段。,图微波中继通信线路,1.通信容量大2.方向性强即抗干扰强3.可以减少地理条件的影响4.波长短,直射波因地球曲面距离受限制,微波中继通信特点:微波,多路,接力“微波”是指微波工作频段宽,它包括了分米波、厘米波和毫米波三个
8、频段。“多路”是指微波通信的通信容量大,即微波通信设备的通频带可以做得很宽。“接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。,数字微波除了具有上面所说的微波通信的特点外,还具有数字通信的普遍特点:(1)抗干扰性强、整个线路噪声不累积;(2)保密性强,便于加密;(3)器件便于固态化和集成化,设备体积小、耗电少;(4)便于组成综合业务数字网(ISDN)。,数字微波的缺点:,相对光纤通信而言,通信容量较小微波通信无中继距离一般为40-60 km,设中继站导致整体投资增加由于是无线视距传输,容易受到阻挡、外部干扰或恶劣天气影响。,微波中继通信系统在通信网中的地位,微波通信技术发展趋势,(1)向大容量数字微
9、波发展 微波通信继续朝着SDH数字微波方向发展,并目向大容量方面进军。目前,采用256QAM和512QAM技术,传输容量分别可达到155Mbps和 622 Mbps。(2)向高频段发展 高频段,是指10GHz以上的频段,包括毫米波频段。根据电信主管部门的规划,3 GHz以下频段要分配给移动和个人通信,而3-10GHz的频段也已十分拥挤。许多数字微波通信设备厂家及时调整发展方向,向高频段进军,已推出多款高频段微波设备。目前,3-38 GH z的设备都有许多商用。,(3)向高集成度、微型化方向发展 采用微波单片集成、数字专用集成电路等,设备体积越来越小,重量轻,天线也有集成型,进一步朝微型化方向发
10、展。(4)向灵活组网、多接口、低成本方向发展 采用软件无线电技术,使数字微波通信系统是一个较为通用的平台,能够根据用户的不同要求进行组网,并完成E1/T1、STM-1、OC-3等各种接口功能。(5)向固定无线接入方向发展 20世纪80年代以前的通信网基本框架:中继线以无线为主(微波、卫星),在天上;用户线以有线为主(市话电缆),在地下。未来通信网的基本框架:中继线以有线为主(光缆),在地下;用户线以无线为主,在天上。随着宽带业务的发展,对固定无线接入提出了需求,数字微波发展趋势为向固定无线接入方向发展。,为了更好地与现有的光传输网络结合,新型微波通信在技术、设备和网络等很多方而进行了革新。随着
11、3G和WiMAX技术的快速发展,基站的带宽需求急剧增加,预计到2011年,70%以上的基站回传业务将实现分组化。作为传送网一部分的微波网络也不可避免地而临着IP化、分组化变革。微波通信系统将向分组化演进,这也是微波网络下一步的发展方向。总之,在当今世界的通信革命中,微波通信仍是具有独特优势的通信手段之一。任何一个通信网,不能只应用某一种传输方式,微波通信和光纤通信将实现优势互补,共同构建高可靠性的通信网络。,3.2.3 数字微波通信系统的组成(1)数字微波通信系统模型,数字微波通信系统模型,(2)数字微波中继通信线路数字微波中继通信系统的基本组成,处于线路两端或分支线路终点的站,可上下全部支路
12、信号,可配备ADM或TM设备,处于长途干线上,需要完成数个方向上的通信任务,沟通本站上下部分支路,另外沟通干线上两个方向之间通信,对收到的已调信号进行解调,判决再生,转发至下一方向,微波中继站的中继方式 可以分为直接中继(射频转接),外差中继(中频转接),基带中继(再生中继)三种方式,设备量少,电源功耗低,适于不须上下话路的无人值守中继站。为克服传播衰落引起的电平波动,需要在 微波放大器上采取自动增益控制(AGC)。,与射频转接类似,省去了调制解调器,设备简单,电源功耗低。不能上下话路,不能消除噪声积累,只起到增加通信距离的作用。常用于模拟微波中继通信。,(b)外差中继方式,(c)基带中继方式
13、,采用数字接口,可消除噪声积累,可直接上下话路,微波终端站和中继站的设备可以通用,是目前数字微波通信中最常用的一种转接方式。,3.2.4 数字微波中继通信的波道及其射频频率配置,(1)波道的设置,一条微波线路提供的可用带宽一般都比较宽(几百兆),而一般收发信机的通频带较之小得多(几十兆)。为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用,将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段,并在每个频率小段上设置一套微波收发信机,构成一条微波通信的传输通道,也称为波道.通常一条微波通信线可以设置6,8,12个波道,(2)射频波道配置,波道频率配置的原则:在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数,增加通信容量;减
14、少各波道间的干扰,以提高通信质量;有利于通信设备的标准化,系列化.,一个波道的频率配置,二频制:优点占用频带窄,频率利用率高缺点存在反向干扰和越站干扰,(b)四频制:优点不存在反向干扰,缺点占用频带比二频制宽一倍,解决越区干扰的有效措施之一:是在设计微波线路时,使相邻的第四微波站不要选择在第一、二两微波站的延长线上,越区干扰与无越区干扰示意图,根据国际电联的建议书IT U-R F.746.1的建议,波道配置应优先以等间隔为基础,三种射频配置的方案是:,多个波道的频率配置,交替波道配置方案 同波道方式频带复用方案 交插方式频带复用方案,交替波道配置方案:去/来向信道交替采用水平/垂直极化方式,每
15、对信道(如1-1)间的频率间隔相等,均为DS(每对去/来向射频波道的中心频率间隔)。,同波道方式频带复用方案:主频模式采用水平极化,相同频段在副波道复用,采用垂直极化方式。,交插方式频带复用方案:主频模式采用水平极化,交错频段(与主频模式相同波道的频率差为相邻射频波道中心频率间隔的一半)在副波道复用,采用垂直极化方式。,比较三种波道配置方案,可看到:,从波道配置观点看,同波道方式频带复用方案和交插方式频带复用方案儿乎达到了频谱的最有效利用。交插方式频带复用方案比交替波道配置方案的频谱利用率要高的多,最高可达2倍。当交插方式频带复用方案中的相邻波道问隔XS增大时则由邻波道产生的干扰下降。,3.2
16、.5 微波传输信道,微波传输信道包括微波的传输空间,天线和馈线等微波传输设备,在两个微波站之间的电波传播存在衰减,这种衰减可以按自由空间天线能量的衰落进行计算,但实际传播情况与两站所处的环境和自然环境有关.,(1)微波传播特性 a)自由空间传播 所谓电波传播的自由空间.理想的介质空间,自由空间里充满了均匀、理想的介质。电波在自由空间的传播损耗指电波在自由空间传播时的扩散损耗。在自由空间传播的电波,不产生反射、折射、吸收、散射及热损耗。,d,A,Pt,接收天线的有效面积,Pr,天线接收到的功率为:,其中:Pt-发射功率;c光速f-工作频率;d-收、发距离,路径损耗用分贝表示:,接收功率为:,例已
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