光纤通信系统-Read课件.ppt

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1、,数字传输是以数字信号的形式传递消息，采用时分复用方式实现多路通信。早期的数字传输系统主要是数字微波通信系统，后来发展起来的SDH系统是现代电信网中数字信号传输的基本模式。计算机的普及使得数据传输越来越多，利用数字信道传输数据信号成为一种新的电信业务，DDN系统的诞生满足了这种业务的要求。,第二章 数字微波传输系统,微波中继通信是本世纪60年代开始发展的，它弥补了电缆通信的缺点，可到达电缆无法敷设的地区，且容易架设，建设周期短，投资也低于同轴电缆。随着数字通信的发展，数字微波成为微波中继通信的主要发展方向。尽管微波通信面临光纤通信的严重挑战，但仍将是长途通信的一个重要传输手段。,微 波 中 继

2、 通 信,微波是什么？,微波是频率为300MHz-300KMHz的电磁波，由于微波的频率很高，所以也叫超高频电磁波。微波的穿透能力如何？穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。微波的加热深度比红外加热大得多，因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外加热只是表面加热，微波是深入内部加热。,微 波 中 继 通 信,微波技术专题,微波技术是在第二次世界大战期间为了研制雷达而成熟起来的。当大战将结束时，美国调整雷达的工程师发现自己口袋里的巧克力经常熔化了！立刻明白，这是电磁波对

3、物质的作用所引起的，是和大功率电缆中绝缘介质损耗发热是一回事。好奇心驱使他们用微波装置作爆米花取得成功。这就是微波功率应用设备的雏形。早在三十年代在调试大功率无线电发射机时，常常发现苍蝇或昆虫干瘪的死在空心螺线管中，这些偶然发现，明白的向人们启示了微波和无线电波均可造成加热、干燥现象。其实，微波和无线电波均是电磁波，只是微波的频率在300兆赫以上，而无线电波的频率在300兆赫以下。,微 波 中 继 通 信,微波是指频率在300MHz至300GHz范围内的电磁波。数字微波通信是指利用微波携带数字信息，通过电波空间，同时传送若干相互无关信息，并进行再生中继的通信方式。,2.1 数字微波通信系统,在

4、终端设备中将各种信号先变换成数字信号并合路成基带信号，然后将基带信号的频谱搬移到微波频段,并以接力的形式进行视距传输的通信方式。,微 波 中 继 通 信,数字微波中继通信的概念,中继传输方式,地面微波接力通信系统工作在46GHz，它通过地面多座中继站在两地之间建立通信链路，相邻中继站的距离为视距（约50Km）。,微波通信基本概念,1.微波通信的频段及特点微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通信方式。无线电磁波是以频率或波长来分类的,波长与频率的关系如下:=C/f 式中,为电磁波波长(m);C为电磁波传播速度3108(m/s);f为电磁波频率(Hz)。,微 波 中 继 通 信,微波频段在较高

5、频段,通常人们所说的微波是指频率在0.3300 GHz范围的电磁波,利用此频段的电磁波来传递信息,就称之为微波通信。电磁波频率不同,波长不同(频率越低,波长越长),其空间传播的特性也不一样,因而用途也有不同。,微 波 中 继 通 信,长波绕射能力最强,靠地波传播,常用于长波电台进行海上通信。中波较稳定,主要用于短距离广播。短波利用了电离层反射进行远距离传播,主要用于短波通信和短波广播。在短波传输时，由于电离层的变化,信号起伏变化较大,接收信号时强时弱;晚上电离层较稳定,因此传播效果也较好,信号较稳定;在听无线电广播时人们能体会到这一特性。,微 波 中 继 通 信,微 波 中 继 通 信,微 波

6、 波 段 的 划 分,微波波长短,接近于光波,是直线传播,这就要求两个通信点(信号转接点)间无阻挡,即所谓的视距通信。微波通信除此之外,还有以下特点:工作的微波频段(GHz级别)频率高,不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响,因此,通信可靠性高。由于波长短,天线尺寸可做得很小,通常做成面式天线,增益高,方向性强。特别在110 GHz频段(称为无线电窗口的微波频段),衰减、干扰,以及自然条件等影响都比较小。因此在微波通信以及在卫星通信中首先采用,而且使用范围一般为C波段。(4/6 GHz)频段。,微 波 中 继 通 信,微波通信又称接力通信或视距通信。这里视距是指要“看得见”对方,天线的两站

7、间的通信,距离不会太远,一般为50 km。为了远距离传送信号,微波通信就像人们进行接力赛那样,把信号一段一段地往前传送,所以又称为微波接力通信。微波频带宽,传输信息容量较大。,数字微波系统组成,2.数字微波通信系统组成及工作过程 1)微波通信系统组成 数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成,如图所示。它由发端站、中间站和收端站组成。工作过程从上图可知,如从甲地端站送来的数字信号,经过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理)后,经数字调制,形成数字中频调制信号(70 MHz或140 MHz),再送入发送设备,进行射频调制变成为微波信号,进而送入发射天线向微波中间站(微波中继站)发送

8、。,微 波 中 继 通 信,微波中间站收到信号后经再处理,使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送,这样一直传送到收端站,收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号,再分路还原为原始的数字信号。,微 波 中 继 通 信,2)微波通信设备的特殊天馈系统无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的,微波通信也不例外。由于微波频率高,波长短,因此使用的天线一般都采用面式天线,有喇叭天线、抛物面天线、卡塞格伦天线等。微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)。其主反射面似一口大锅的抛物面，其抛物面中心(锅底)底部置馈源,作为发送和接收电磁波信号的门户。其馈线系统,一般由波导和同轴电

9、缆(工作频段在 2 GHz以下时)组成。天线馈源与馈线是直接相连的,微波信号天馈系统中还要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换,这些滤波器、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件,不同于传统的电子器件。,微 波 中 继 通 信,3 微波传输线路 3.1 微波传播的电波特性 在两个微波站间的电波传播我们称为微波信道或微波线路(两站间的接力通道、接力线路)。它们之间存在衰减,这种衰减可以按自由空间天线辐射能量的衰落进行计算,但其实际传播情况与两站内所处的环境、自然现象等有关。如地面或山地的反射波,雨、雾、雪等对电波的吸收和散射、折射,这些情况会引起电波的快衰落与慢衰落,使对方实际收到的电平要低十

10、几至几十分贝。这些衰落还与频率高低有关,一般在无线电窗口(110 GHz)范围电波特性较好。,微 波 中 继 通 信,3.2 微波信号传输线路中的余隙概念 收、发两微波站间的电波传播,受到电离层、对流层及环境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。在空间不同高度的波束,其传播速度会发生变化,当上层比下层快时,则电波射线往下弯曲,当下层比上层传播快时则往上弯曲,如图所示。从图中看出，在传输线路上,有一部分波会投射到地面上来,引起地面波的反射,这样在收端除收到直射波外，还会收到满足反射条件的反射波。此时接收信号的电波即为合成波。,微 波 中 继 通 信,图6.3 地面反射和大气折射示意图,微 波

11、中 继 通 信,地面反射和大气折射示意图,从图中可看出微波线路的余隙概念,它是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离,用hc来表示。在设计天线高度时一定要有余隙的计算。余隙要求:当地面反射系数较小时，线路(山区、丘陵、城市、森林等地区)天线不能太低,否则会使大气折射电波向下弯曲。当地面反射系数较大时，线路(如水面、湖面、稻田等地区),余隙不能太小。,微 波 中 继 通 信,3.3数字微波信道的干扰和噪声 微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播引入,一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、邻近波道干扰、天线系统同频干扰等。噪声主要来自设备,如收、发信机热噪声以及本振源的热噪声

12、等。,微 波 中 继 通 信,数字微波通信的特点,1.频带宽干扰小2.中继传输组网灵活3.抗干扰性强4.保密性好5.便于组成数字通信网,数字微波系统实例,发信设备的组成,收信设备的组成,4 数字微波传输系统的主要技术 1.抗衰落的技术 在前面讲到微波传送信道(线路)时提到了微波是视距、沿直线传播的。但是在传播路径上由于气象条件变化,传播环境的不同,会产生各种对电波影响的情况,使传送的电波随时间而恶化衰落,称之为时变恶化因素。主要表现在:大气吸收衰耗(大气中氧分子、磁界极子、水蒸气分子(H2O)等吸收电波能量;雨、雾引起的散射衰耗;多经衰落,电波通过地面反射、大气折射、气流变化的散射等情况产生的

13、电波衰落;,微 波 中 继 通 信,微波频率选择的衰落等。对于以上的衰落,常采用以下几种抗衰落措施:自动增益控制(AGC)技术:这是在收信机中频中，普遍采用的抗衰落技术,一般使用在中频放大器中。频率分集技术:采用两个或两个以上,具有一定频率间隔的微波频率,同时发送和接收同一信息。空间分集技术:在空间不同垂直高度设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号。有几副接收天线就称几重分集。自适应均衡技术:这种均衡技术分为频域自动均衡和时域自动均衡两种。交叉极化干扰补偿技术。,微 波 中 继 通 信,2.分集技术 分集技术分为信号分集接收技术(在收信中选择质量好的某一路作

14、为输出,有的也称倒换式分集)和室内分集技术(这里主要指最大功率组合器与最小色散组合器有多重室内分集)。3.非线性失真补偿技术 非线性失真补偿技术一般采用功率回退法与功率合成法、预畸变法、前馈法等。,微 波 中 继 通 信,4.SDH微波传输新技术 要使微波能传送更高速率的SDH数字传送模块,达到STM-16以上,就对微波信道频谱利用率提出了极高的要求。为满足这个要求,必须研究一系列的新技术：提高调制的状态数及严格限带。为提高频带利用率,一般采用多电平QAM技术,今后可能实现1024QAM/2048QAM或更高电平QAM调制技术。采用更复杂的纠错编码技术以降低系统误码率。网格编码调制及维特比检测

15、技术。高性能、全数字化的二维时域均衡技术。多载波的并联传输技术。采用多重空间分集接收、发端功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除电路等技术。,微 波 中 继 通 信,第三章 卫星通信系统,利用卫星进行通信的科学设想，是在1945年由英国的克拉克首先提出的。但直至1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，人们才真正看到实现卫星通信的希望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信卫星,试验了横跨大西洋的电话传输。于是,经过二十多年的探索和试验，卫星通信终于跨入了实用阶段，渐渐走近我们的生活。,3.1 概 述,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行的通信。

16、由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。用于实现通信目的的这种人造地球卫星被称为通信卫星。卫星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微波频段。,所谓卫星通信，简单地说就是地球站之间利用人造卫星转发信号（进行中继）而进行的无线电通信。卫星通信系统有两个主要组成部分：一个是地球站，另一个是人造地球卫星。卫星通信是在地面微波接力通信和空间技术的基础上发展起来的，它是地面微波接力通信的继承和发展，是微波接力通信的一种特殊形式。,卫星通信系统,卫星通信的基本概念,通信卫星,地面站A,地面站B,卫星通信系统的优点,通信距离远 覆盖面积大，可以进行多址通信 通信频带宽、容量大

17、 性能稳定可靠,卫星通信的频段选择,早期的同步通信卫星使用的工作频段主要是C波段（4/6GHz），因为当时同一波段的微波接力通信技术已比较成熟，开发费用低，并且该波段处于地球的无线电窗口范围内，大气层吸收很小。随着通信技术的发展和通信业务的增加，新的波段不断被开发，目前Ku波段（11/14GHz）已大量应用于民用卫星通信和卫星广播业务，20/30GHz频段也已投入使用。,自由空间的传播损耗,由于卫星通信用的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间内传播，而宇宙空间是接近真空状态的，并且由于在目前所使用的频段范围内，与自由空间的传播衰耗相比，大气层的衰减损耗很小，所以基本上可以认为，电波是在均匀媒介

18、的自由空间内传播，信道的特性较稳定。因此，从信道性质来说,一般都认为是恒参信道。,3.2 卫星通信系统的组成,3.2.1 卫星通信系统的组成及特点 1.卫星通信系统组成及工作过程 卫星通信部分主要包括发端地面站、收端地面站、上行线、下行线和通信卫星等五大部分。当甲地一些用户要与乙地的某些用户通话时,甲地首先要把本站的信号组成基带信号,经过调制器变换为中频信号(70 MHz),再经上变频变为微波信号,经高功放放大后,由天线发向卫星(上行线)。卫星收到地面站的上行信号，经放大处理,变换为下行的微波信号。,卫星通信系统,2.卫星通信的特点 与其他长途通信系统相比,卫星通信具有以下特点:覆盖面积大,通

19、信距离远。一颗静止卫星可最大覆盖地球表面三分之一,三颗同步卫星可覆盖除两极外的全球表面,从而实现全球通信。设站灵活,容易实现多址通信。通信容量大,传送的业务类型多。卫星通信一般为恒参信道,信道特性稳定。电路使用费用与通信距离无关。建站快,投资省。,卫星通信系统,缺点：,1、通信卫星的使用寿命较短2、卫星通信整个系统的技术较复杂3、卫星通信有较大的传输时延,卫星通信系统,3.卫星通信传输线路性能参数 在卫星通信系统中,信号从发端地面站到收端地面站,经过了信号发射、上行线、卫星转发、下行线和收端接收这一系列的传输过程。在整个传输过程中,信号会受到各种干扰、衰耗、噪声及本身信道频率特性等影响，使波形

20、失真，从而使信号质量恶化。因此,我们必须规定所传输的信号要达到的质量标准、基本要求和限度。这就必须对传输线路的各参数进行一系列规范(原CCIR及现在ITU-R的建议标准)。在这里只对卫星传输的几个主要参数进行介绍,其他有关参数性能及线路计算请参阅有关专著。,卫星通信系统,1.全向有效辐射功率(EIRP)它表示天线对着目标方向所辐射的电波强度(一般用dBW来表示):2.传播衰耗 传播衰耗表示电波在自由空间(恒参信道)传播的衰耗,又称故有衰减(卫星与地面站两天线间传输衰耗),卫星通信系统,3.传播方程 接收端的信号强度(PR)表示卫星通信系统接收信号的能力。它与对方的全向辐射功率成正比,与传播衰耗

21、成反比,与接收天线增益成正比4.接收地面站性能指数 接收地面站性能指数是卫星通信系统中的特有参数:接收天线增益越大越好5.C/T值与S/N 载噪比(C/N)和载波噪声温度比(C/T)是衡量卫星线路未经解调前送入接收设备的重要参数。,卫星通信系统,6.门限电平 卫星通信系统中,在接收端恢复出的信号的质量一般用S/N来表示,以此表示信号优劣。在数字系统中，一般用误码率来表示,也可以等效为S/N。当设备已经确定时,卫星通信系统的 C/N(C/T)与S/N的关系,可用门限电平来表示,如图所示。,卫星通信系统,卫星通信系统,系统的门限电平,门限效应:当卫星接收机解调器输出端的S/N与系统输入端的C/N之

22、间的关系如图6.14所示，如C/N小于某一数值时,S/N会急剧下降的这种现象，称为门限效应。产生门限效应的这一C/N限值称为门限电平。门限电平的含义是:为保证接收到的话音、图像、数据等信号的质量,或者说为使接收系统对接收到的信号进行解调后,能有起码的信噪比或误比特率时,接收系统必须得到的最小载噪比值。,卫星通信系统,由于在卫星通信系统中有些不确定因素,如电子设备性能变化,天线定向偏差,气候条件变化等都会引起传输衰耗增大和噪声增加,使C/N下降。为保证卫星通信线路不致于工作在门限电平以下,一般都留有一定的余量,此余量称为门限余量(E)。在传输线路总体设计时就必须考虑“门限余量(E)”。,卫星通信

23、系统,4.卫星传输信号的几种信号处理技术 除在前面已讲述过的数字信号基带处理的纠错编码技术和扰码处理技术外，还有以下几种信号处理技术。1)能量扩散技术 由于卫星转发器是在多载波工作,而转发器的变频器件为非线性器件,因而会产生交流干扰,特别对于有些载波未调制和负担少的情况,载波功率大就会对其他载波带来严重干扰。为此,对未调制的载波,外加一个信号,使其能量扩散。外加信号称为能量扩散信号,一般为20150Hz的三角波,它可在接收端用高通滤波去掉。,卫星通信系统,2)预加重 由于收端解调器对多路信号调频波解调时,噪声也在其中,解调后的高端信号S/N比低端的S/N低。为解决这一问题,在基带处理时加一个预

24、加重网络,使频带内信噪比均匀,在接收端进行相反处理,用去加重网络恢复原信号。,卫星通信系统,3)加权 加权主要是对人的视觉和听觉频率特性而言的。人们对噪声的敏感程度和实际上存在的噪声之间有差别,为使S/N的实际情况和人的感觉器官协调,特采用了修正值,这个修正值称为加权值。加权在传输中没有实际意义,而是改善了人们在接收信号时的感觉。采用了加权、加重以后使人们感觉到S/N提高了。,卫星通信系统,3.3 卫星通信的多址连接方式,所谓多址连接方式，就是许多个地面站通过共同的通信卫星来实现覆盖区域内的相互连接，而无需中间转接。这就要求各个地面站发向其它地面站的信号之间必须有区别。,频分多址方式,频分多址

25、（FDMA）是根据各地面站发射的信号频率不同，按照频率的高低，顺序排列在卫星的频带里，各地面站的信号频谱要排列得互相不重叠。也就是说，按照频率不同来区分是哪个站址。,时分多址方式,时分多址（TDMA）是将通过卫星转发器的信号在时间上分成“帧”来进行多址划分的，在一帧内又划分成若干个时隙，将这些时隙分配给地面站，只允许各地面站在所规定的时隙内发射信号。,空分多址方式,空分多址（SDMA）是指在卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域。不同区域的地面站所发射的电波在空间不会互相重叠，即使在同一时间、不同区域的地面站使用相同的频率来工作，它们之间也不会形成干扰。,码分多址方式,

26、码分多址方式（CDMA）的原理是：利用自相关性非常强而互相关性非常弱的周期性码序列作为地址信息，对被用户信息调制过的已调波进行再次调制，使其频谱大为展宽（称为扩频）；经卫星信道传输后，在接收端以本地产生的已知的地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出，其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去。,3.4 通信卫星,通信卫星是卫星通信系统的重要组成部分。,通信卫星的组成,在卫星通信系统中，所有地面站发出的信号都是经过卫星中继转发到地面接收站的。为了完成这一转发的任务，卫星上必须配备转发无线电信号的通信系统与天

27、线系统。除此之外，为了保证通信卫星的正常工作，还必须配备控制系统、遥测系统和电源系统。,控制系统,控制系统的任务是根据地面指令信号来控制卫星姿态和位置等。通信卫星的控制系统包括卫星的位置控制系统和卫星的姿态控制系统。,天线系统,通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种。它们的特点是：体积小、重量轻、馈电容易，有便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等。,遥测系统,为了保持卫星的正常运转和通信，需要及时了解卫星内部的各种情况和设备的工作是否正常。在必要时，应该通过遥测信号（即指令信号）去控制卫星上某些设备的动作；另外，当一些部件发生故障时，还需自动将备份件转换上去等。所有这些工作都是通

28、过卫星上的遥测系统来完成。,通信系统,在通信卫星的各组成系统中，真正起到卫星通信中继站作用的是通信系统，也叫转发器。,电源系统,通信卫星的电源一般同时采用太阳能电池和化学电池（或原子能电池）。通常太阳能电池作为常用电源使用，当卫星进入地球阴影区(或者说卫星日蚀)时，使用化学电池供电。,3.5 卫星地面站,地面站的组成,地面站发射系统的组成,地面站接收系统的组成,馈线,地面站电源系统,一般情况下使用交流市电供电偶然断电时使用蓄电池供电长期或定期断电时使用柴油发电机,电源机柜与蓄电池,3.6 卫星通信的新技术,近年来卫星通信技术发展很快，为适应各种业务的需求，许多新技术、新系统不断产生。其中已开始

29、应用的有VSAT系统、低轨道卫星通信系统等。,VSAT系统,VSAT系统的发展,目前，VSAT系统主要正在以下几个方面进行改进：降低成本和安装费用扩大业务范围 完成多种连接开发新的网络系统,LEO系统,低轨道卫星通信系统，简称LEO，由距地面高度5001500Km左右的众多卫星组成，运行在多个轨道上，与地球自转不能保持同步，所以也叫非同步卫星通信系统。,LEO系统的特点,衰耗小时延短 通信质量好 容量大 发射成本低 移动终端小型化,LEO系统的原理,LEO系统与地面蜂窝移动通信系统的基本原理相似，都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信。不同的是LEO系统相当于把基站安装在天空上，一个卫星就

30、相当于一个基站。由于天线和中继器等都安装在卫星上，所以随着卫星的移动，基站、天线等都是不停地移动着的。,3.7 典型商用卫星通信系统,铱系统 全球星系统 海事卫星通信系统,铱系统,这是由美国摩托罗拉公司在1988年提出的覆盖全球的LEO系统，1998年投入使用。原计划采用77颗卫星，与铱原子的电子数相等，故名。后来铱系统实际采用66颗卫星，环绕6条均匀分布的近极圆轨道运行。相邻轨道平面上的卫星按相反方向运行。轨道高度约为780 km，每个轨道平面分布11颗卫星及1颗备用卫星。,全球星系统,全球星系统是由美国劳拉公司和高通公司发起的。它有48颗卫星，另加8颗备用卫星，分布在8个倾角为520的圆轨

31、道上。轨道高度为1414Km,每个轨道分布6颗卫星和1颗备用卫星。系统覆盖南北纬700以内地区，在其中每个区有24颗卫星加以覆盖。,全球星系统组成,海事卫星通信系统,1979年国际海事卫星组织(INMARSAT)宣告正式成立，当时共有28个成员国。INMARSAT卫星系统属GEO模式，由分布在大西洋、印度洋和太平洋三个区域上空的同步卫星所组成，以形成覆盖全球的通信网,是目前世界上能对海、陆、空中的移动体提供同步卫星通信的唯一系统。,INMARSAT系统的组成,船站 岸站 网络协调站 卫星中继站组成。,无线接入网,无线接入网是指从业务节点接口到用户终端部分全部或部分采用无线方式,即利用卫星、微波或超短波等无线传输手段向用户提供各种电信业务的接入系统。无线接入网的实现方式主要包括无线本地环路系统、一点多址微波系统和蓝牙无线技术等。,无线本地环路系统,一点多址微波系统,蓝牙无线技术,“蓝牙”原为欧洲中世纪一个丹麦国王的名字，蓝牙国王的成绩不仅在于统一了这个国家,而且在于为这个国家带来了基督教。借用他的名字命名的蓝牙无线技术，是由世界著名的5家大公司于1998年联合宣布的一种无线通信新技术.以“蓝牙”命名，含义是通过建立一种开放性的、全球统一的标准，一统近距离无线世界天下。,