微波通信原理 工程规划设计部 第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站 微波通信原理 MUX Satellite Fibre-optics cable Radio link Coaxial cable MUX • 现代通信的主要手段 微波通信的基本介绍 • 统计资料显示，国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中 所占的比例高达５０％以上。 美国为６６％，日本为５０％， 法国为５4％。随着GSM，CDMA以及3G网络的兴建，微波设备在 移动通信网络建设中的重要作用是不容忽视的。 微波通信在通信系统中的作用微波通信在通信系统中的作用 微波通信的基本介绍 微波的定义 微波Microwave: 微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz，是全部电磁波频谱的一个 有限频段。 微波一般称为厘米波。 根据微波传播的特点，可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为 TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。 微波通信的基本介绍 LF MF HF VHF UHF SHF EHF Microwave  10Km 1Km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm f 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 红外 线 可见 光 工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小 微波信号的频率范围 微波通信的基本介绍 Broadcasting n Maximum coverage n One programme per radio channel n Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc ... 射频传输的两种基本形式射频传输的两种基本形式 Microwave links n Radio beam n One multiplex per radio channel n Applications: Civiliars and military telecommunication networks 广播 点－点视距微波 微波通信的基本介绍 通常把频率300MHz－300GHz的射频无线信号称为微波信号 利用微波作为载体的通信称为微波通信 基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信 一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段 也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK 微波通信的理论基础是电磁场理论 微波通信 微波通信的基本介绍 第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站 微波通信原理 • 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号 微波通信的基本原理 • 电波的干涉及极化 • 矩形波导的场结构 • 惠更斯—费涅耳原理 • 费涅耳椭球面 • 费涅耳区定义 • 费涅耳半径 几个基本概念 电波的干涉和极化 几个基本概念 矩形波导中H10模的场结构 a H10模是波导中传输的电磁 波主模，截至波长最长为2a。 向左图那样放置波导，它的 电力线与地面垂直。 所以这样的极化方式称垂直 极化 V＝Vertical H=Horizontal b 几个基本概念     惠更斯—费涅耳原理 几个基本概念 惠更斯惠更斯————费涅耳原理费涅耳原理 光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后， 就形成了二次波源、三次波源等等。 如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是 球面波、三次、四次...波前面也是球面波。 在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将 发射天线看成是一个点源。 几个基本概念 互易定理的概念: 指出，在线性和各向同性的媒质中，任何无线电路上，当发射天 线互换时，不会影响电路的传输特性，或者发射机移到接收点， 而接收机同时移到发射点时，则接收性能，不变。 根据这个原理，对流层是电波的主要传输媒质空间，它就是具有 线性和各向同性的媒质，因此在其中就可以减化工程计算。 惠更斯—费涅耳原理 几个基本概念 费涅耳椭球面 假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d ，平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离若为一个常 数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个 旋转椭球面。 对于电波传播，这个常数当为d+λ/2时，得到的椭球面称为 第一费涅耳椭球面；常数为d+2λ/2时，得到的椭球面称为 第二费涅耳椭球面...... 常数为d+Nλ/2时，得到的椭球面称 为第N费涅耳椭球面. 几个基本概念 d1 d2 d d1 + d2 - d = /2 第一费涅耳椭球面第一费涅耳椭球面:: 几个基本概念 费涅耳椭球面 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) 几个基本概念 The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight Line of sight 1st zone 费涅耳区 The Fresnel Zone:  如果前述定义的一系列费涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交 割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一费 涅耳区。  其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第 三费涅耳区、第四费涅耳区...... 第N费涅耳区。  这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的 平面区域图形。 The First Fresnel Zone 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) The First Fresnel Zone Total received signal Direct signal 1st zone Reflected signal 180 180 /2 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) 1st zone + 2nd zone- The Second Fresnel Zone The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight Line of sight 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) Total received signal Direct signal 2nd zone 1st zone Reflected signal 180 180  The Second Fresnel Zone 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) Line of sight 1st zone + 2nd zone- 3rd zone + The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight The Third Fresnel Zone 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) • 经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合成 场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间 场强； • 由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非 涅区在接收点的自由空间场强的2倍; • 相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反； • 若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收 点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。 非涅耳区的能量分布: 几个基本概念 费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) 费涅耳半径费涅耳半径 费涅耳半径 The Fresnel Radius: 我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径， 用F 表示。 当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半 径。 第二...第N 个费涅耳区半径表达式：Fn= (n) 1/2 x F1 上式中：F1为第一费涅耳半径。 几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius) F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 ...... Fn=（nλd1d2/d）1/2 = (n)1/2 F1 几个基本概念 d1 d2 d d1 x d2 f x d rF = = x rF in meter d, d1, d2 in km f in GHz rF The First Fresnel Radius C xd1 x d2 f x d 几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius) • 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号 微波通信的基本原理 • 自由空间的定义 • 自由空间损耗的定义 • 自由空间损耗的计算 自由空间的电波传播 自由空间的定义 自由空间 Free Space: 又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。 在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数ε=ε0=10 -9/36π F/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7 H/m （亨/米）。 自由空间的电波传播 自由空间损耗的定义 自由空间损耗 Free space loss: 在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象， 即总能量未被损耗。 但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中 一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。 显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的 扩散衰耗就称为自由空间损耗。 自由空间的电波传播 Free Space Loss  A  =  + 20 log dd + 20 log ff Where   dd = distance in km    ff = frequency in GHz  (refer to isotropic antennas) 0 d f DD 或 ff 增加一倍，损耗将增加6 dB 自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss ) 自由空间的电波传播 自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss ) P = 发射功率(TX Power) PTX Power Level Distance GTX GRX PRX G = 天线增益(Antenna Gain) A0 A0 = 自由空间损耗(Free Space Loss) M 接收门限(Receiver Threshold) M = 衰落储备(Fading Margin)G P G 自由空间的电波传播 • 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号 微波通信的基本原理 • 衰落 • 大气吸收衰减 • 雨雾衰减 • 对流层对微波传播的影响 • 地面反射对微波传播的影响 • 数字微波的抗衰落技术 各种衰落及抗衰落技术 衰落衰落 衰落的定义:  微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波 的迭加。  传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。  当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时， 大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生 变化。  这必然引起接收点场强的高低起伏变化。  这种现象，叫做电波传播的衰落现象。  显然，衰落现象具有很大的随机性。  衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和 地面效应。 各种衰落及抗衰落技术 衰落衰落 快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading(按持续时间划分): 慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。 快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。 上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分): 上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落 下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落 多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分 ): 闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射 波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变 化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影 响不大。 多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原 因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到 达接收天线的传播现象。 各种衰落及抗衰落技术 衰落的种类衰落的种类 • 衰 落 衰落现象规律: 波长短，距离长，衰落严重 跨水面，平原，衰落严重 夏秋季衰落频繁 昼夜交替时，午夜容易出现深衰落 雨过天晴及雾散容易出现快衰落 各种衰落及抗衰落技术  由于气体分子的谐振引起对电波的吸收。  这种作用对15GHZ（即2CM）以上的微波才有明显作用，低于此频率的 可不考虑。  在微波规划时，可用下图的曲线来计算。 Radio Frequency GHz 10 50 100 1000500 1000 100 10 1 0,1 0,01 H2O O2 O2 H2O H2O 15 C H2O 7,5 g/m3 1013 hPa 25 g/m3 A tt en ua tio n C oe ff ic ie nt dB / km 各种衰落及抗衰落技术 大气吸收衰减Attenuation due to Gases: 由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定 向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显 作用，长于此波长的可不考虑。 一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的 这种衰落仅有几个dB。 但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能 过长。 在微波规划时，可用下图的曲线来计算。 各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog Attenuation due to Rain(雨雾衰减） Radio frequency (GHz) Tropical Downpour Heavy Rain Medium Heavy Rain Light Rain Drizzle 1 2 4 10 20 30 50 100 150 雨 雾 瞬 时 强 度 (I ns ta nt an eo us R ai n In te ns it y) (m m /h ) 1 10 50 雨 雾 吸 收 系 数 (R ai n A bs or pt io n C oe ff ic ie nt ) (d B /k m ) 5 10 20 50 100 » dB/km 7 GHz 38 GHz » dB/km »37 dB/km 38 GHz 各种衰落及抗衰落技术 Rain drops real shape: H V Attenuation due to Rain 各种衰落及抗衰落技术 传输距离与降雨，天线口径和极化方式的关系 各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog 在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能 会引入几个分贝。 在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上 频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ 频段，一般最大中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里 越高频段雨衰 越厉害！！ 高频段可以 做用户级传 输 各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog 全球降雨划分为 H, K, N, P 四个区域。平均降雨量在32 mm, 42 mm, 95mm 和 145 mm 每小时 。中断概率 % ， • 考虑降雨微波设备的理论 单跳传输距离 各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog •微波信号的K型衰落: • 对流层结构的不均匀产生的折射和反射。我们知道介电常 数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气 压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传 输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是 所谓的K型衰落。 • 气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰 落是慢衰落。 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 因为大气折射的影响，波在传播过程中，实际上是弯曲的。大气折 射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为 的地球上空沿直 线传播。 即： =KR R为实际地球半径。 K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象 有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。 R哇！微波是 弯着走的 大气折射（ refraction in the atmosphere ）: 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 大气折射（ refraction in the atmosphere ） • 依据波在大气中折射原理,无线波束是弯曲的,通常是向 下弯曲(Due to refraction in the atmosphere the radio beam is bent, normally slightly downwards) • 弯曲影响是通过K型因子来表示(The bending effect is described by the k-factor) • K=4/3是标准大气(k = 4/3 corresponds to the “standard” atmosphere) 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 微波传播(Microwave Propagation) k > 1正折射 k = 1无折射 k < 1负折射 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 下图中的：U--表示电波传播的速度，n—表示折射系数，n=c(光波)/U(电波） 传播路径受大气的影响: 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 传播路径受大气分层的影响: 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 传播路径受大气分层的影响 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 下图中k(等效地球半径系数)=ae(地球等效半径)/a(实际地球半径)=1/(1+a dn/dh) 传播路径受大气的影响: 对流层对微波传播的影响 各种衰落及抗衰落技术 k = ¥ 4/3 1 2/3 True earth radius (r) Ground clearance 2/3 4/3 1 k = ¥ 等效地球半径Equivalent earth radius (r·k) Ground clearance 等效地球半径等效地球半径 在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压, a e =4a/3称为标准等效地球半径 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 Distance 50 km Geometrical line of sight Radio optical line of sight 微波传播(Microwave Propagation) 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 Distance 50 km k = 2/3 k = 4/3 等效地球半径的影响等效地球半径的影响 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 还是 气候 原因 K型衰落及原因 由于折射系数（K）的变化，使直射波和地面反射波相干涉而产生的衰落，或 直射波因折射下凹而被地面的高地或高山阻挡而发生的绕射性衰落。这种衰落 的周期较长，约几分钟 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 这是一种由多经传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波 （或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的 衰落。 其干涉的程度与行程差有关，而在对流层中行程差是随K值的变化的所 以称为K型衰落。 这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择 路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠 近一端减少反射波的影响，或采用高低天线加空间分集技术或抗反射波 天线等来克服多经反射的影响。 K型衰落 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 由于各种气象条件的影响，如早上地面被太阳晒热、晚上地面的冷却， 以及高气压地区都会在大气层中形成不均因匀体，当电波通过这些不 均匀体时，将产生超折射相现，形成大气波导。如在无风的气候，在 平原和水网地区，容易形成接近地面的波导层，使波束发生汇聚或发 散而导致衰减性衰落。这种衰落的时间较长，有时可达几十分钟 这种情况发生时只有靠工程经验解决。具体问题具体分析具体措施解 决。 所以设计时就要考虑当地地 形与气候 波导型衰落及原因: 各种衰落及抗衰落技术 对流层对微波传播的影响 Refracted Direct Reflected 地面反射对微波传播的影响 微波的多径传播 各种衰落及抗衰落技术 Diffracted 微波的多径传播 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 不同地形对电波的影响,一般分为： 反射 Reflect 地面把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，与直射波产生干 涉，在接收点它们的矢量相加，结果收信电平与自由空间接收电平比 较时大时小。 对于水面或光滑地面，反射的影响作用更为明显。 绕射 Diffract 刃形障碍物。 散射 Dispersion 由于地面散射对电波的主射波影响不大，可以不考虑。 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 绕射 Diffracted 微波传播模式 Microwave Propagation 路径上刃形障碍物的阻挡损耗 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 路径上刃形障碍物的阻挡损耗路径上刃形障碍物的阻挡损耗 刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所 以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过， 使接收点多少有一定电平数。而这个数值一定 低于自由空间电平。这个由于刃形障碍物的阻 挡而增加的损耗我们称之为附加损耗。 当障碍物的尖锋正好落在收发两端的连线上， 即H C=0时，附加损耗为6dB ; 当障碍物的顶锋超过收发两端的连线时，附 加损耗将很快增加 ; 当障碍物的顶锋在收发两端的连线以下时， 附加损耗将在0dB上下少量变动。这时路径上 传输损耗（或说收信电平）将与自由空间数值 接近。 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 Reflections  - from atmospheric layers - from ground - from buildings 反射损耗（ reflection Loss） 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 微波传播模式  Microwave Propagation 直接传播 Direct 反射 Reflected 平坦地形对电波的反射平坦地形对电波的反射:: 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 平坦地形是指不考虑地球曲率，认为两站间的地形为平 坦情况。 在实际的微波通信工程线路中，总是将收（R）发（T） 天线对准，以便接收端收到较强的直射波。 但是根据惠更斯原理总会有部分电波射到地面，所以在 接收点除直射波外还有经地面反射并满足反射条件（入 射角等于反射角）的反射波 。 平坦地形对电波的反射平坦地形对电波的反射 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 平坦地形对电波的反射: 当段距d 远大于天线高度（h1和h2）时，可以近 似的把直射波和地面反射波的行程差表示为: △r=λ x（Hc/F1）2/2 当图中的θ很小时（即ψ接近180度）可以得下关 系（下式表明衰落因子V与相对余隙 hc/F1的定量 关系） V=[1+Φ2+2Φ x COS（π x（hc/F1）2]1/2 V：考虑地面影响时的衰落因子 在考虑地面的影响后，实际的收信点电平为： PR （dBm）=PR0 （dBm）+V dB 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 Flat fading(电平衰落) • The loss is uniform across the  frequency spectrum Selective fading(频率选择性衰落) • The loss varies across the  frequency spectrum 多径衰落 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 Frequency (MHz) R ec ei ve d po w er le ve l ( dB m ) Normal Flat Selective 多径衰落 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 1 h Recording of typical multipath fading Rx level during fading free time Threshold level (-30dB level) Bit error interruption of communication (rapid fading) “Up Fading” 多径衰落 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 地面 •大气不均匀 •水面 •光滑地面 是主要原因 天线挂高决定反射点位置 由于折射波，反射波，散射波等多途径传播引起的衰落。多径衰落周 期较短一般为几秒。多径衰落又叫频率选择性衰落。合成波的电平比 正常传输低称为下衰落，比正常传输高称为上衰落 多径衰落及原因: 各种衰落及抗衰落技术 地面反射对微波传播的影响 数字微波系统的抗衰落技术 1.频域均衡器 2.时域均衡器 3.空间分集接收 空间分集的距离： H大于100－150入 H 空间分集 各种衰落及抗衰落技术 信号频谱 多径衰落 斜率均衡 均衡后频谱 频域均衡只能均衡信号的幅频特性，不能均衡相位频谱特性，但是电路简单 频域均衡 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 ….. ….. 均衡前 均衡后 时域均衡直接抵消码间干扰 T T T 时域均衡 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 传统: 为克服延时线问题,常采用判决反馈均衡器,特点是 体积大,级数不可能做得太多 现在: 采用高速A/D器,及FPGA电路,电路体积小,可以做 很多级.如HARRIS的MEGASTAR采用11级的全数字 横向均衡器 时域均衡 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 对抗频率选择性衰落: 只对于大容量宽带系统产生严重影响，区别于平衰落。影响幅频特性，造成 码间串扰。设备性能决定了对抗这种衰落的能力。 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术  多径传播——地面反射 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 方法二：高低天线法 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 天线间距 100 到 200 当其中一面天线发生多径干扰时,另一面天线不会发生多径干扰.要 求天线间的相关系数小,而塔又不可能造得很高,所以一般情况下,相 关系数取到之间 各种衰落及抗衰落技术 方法三：空间分集 数字微波系统的抗衰落技术 不同天线接收到的反射信号 各种衰落及抗衰落技术 方法三：空间分集 信号合成 dB hm h1 h2 F1 h1 h2 F1 F1 d  10 0 Combiner Combined IF output ReceiversPath equalization Two operating modes: 1 - minimum distortion for an high level received 2 - maximum power for a weak level received ( - 65 dBm) N N (F1) (FI ) R1 R2 Climatic reflection to 1 50  各种衰落及抗衰落技术 方法三：空间分集 信号合成 各种衰落及抗衰落技术 方法三：空间分集 h1 h = d 4h1  = Wave length d = Path length Tx Rx /2 h 空间分集的间距计算 各种衰落及抗衰落技术 空间分集和角度分集 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 TXTX RXRX f1f1 f1f1 Alarm f1f1 f1f1 热备份和空间分集（Hot Stand-by and Space Diversity） 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 TXTX RXRX f1f1 f2f2 Alarm • 工作备份和频率分集（Working Stand-by and Frequency Diversity） 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 f1f1 or ( or (f1f1+ + f2f2) ) • 热备份或工作备份（Hot Standby or Working Standby） 各种衰落及抗衰落技术 数字微波系统的抗衰落技术 • 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号 微波通信的基本原理 • 点对点视距传播通信的要求 • 微波设计目标 • 传输余隙 • 微波线路的分类 • K值在微波规划中的意义 微波通信对设计的要求 直线传播 D 直射波 天线 点对点视距传播通信的要求 由于波长短绕射能力差,必须在无阻挡的视线内传播才能完成正常通信 微波通信对设计的要求 很小的发射功率一只有利用具有很强的方向性天线实现通信， 要想实现较长距离通信，只有适当加大天线或加大功率。 点对点视距传播通信的要求 微波通信对设计的要求 工作波长短、克服障碍的能力差 在实际的工程勘察中，树高、无树山上的灌木都是不可忽略的影响通 信质量的因数。 点对点视距传播通信的要求 微波通信对设计的要求 · K=4/3时,第一费涅耳区无障碍物(The 1st Fresnel shall be free from obstacles when k = 4/3) · 在传播经过水面或沙漠地区时,建议K=1时,第一费涅耳区无障碍物 (On paths over water surfaces or desert areas, it is recommended to have the 1st Fresnel zone free from obstacles when k = 1 (See also ITU-R ) ) Distance 50 km k = 4/3 1st Fresnel zone 微波设计目标(Microwave Propagation Design Objective) 微波通信对设计的要求 传输余隙 T R 0 dB -10 -6 0 当相对余隙大于，阻挡损耗为0dB,障碍物的顶部恰好在视距 连线上时，阻挡损耗为6dB。 余隙 微波通信对设计的要求 余隙计算 d 地球凸起高度：其中K为大气折射因子 路径余隙的计算公式： 余隙可得大于一阶 费涅尔半径 微波通信对设计的要求 传输余隙 自由空间余隙自由空间余隙 在下图中： 在Φ=1时考虑地面的影响，第一次出现收信电平等于自由空间电平时HC/F1=。 在Φ＜1时，第一次出现收信电平等于自由空间电平时HC/F1=。 我们把HC/F1=时的余隙称为自由空间余隙，用H0表示。它的表达式为： H0= xF1=（λd1d2/d） 1/2 微波通信对设计的要求 传输余隙 微波线路的分类微波线路的分类 根据中继线路的余隙hc将中继线路分为三类： 开路线路： hc≥h0 衰落因子V 的计算方法是： 如粗略估算可用下图直接查出(对刃形障碍物也可用下图直接查出)； 如计算，可用下式算出： V=[1+Φ2+2Φ x COS（π x（hc/F1） 2]1/2 微波通信对设计的要求 微波线路的分类 半开路线路： 0＜hc＜h0 闭路线路：hc≤0 衰落因子V 的计算方法是： 如粗略估算可用上页的图直接查出,也可用绕射计算： A、在h c =h 0 =（1/3）1/2x F 1 时，此时V=1,或V dB =0; B、在h c =0时，对刃形障碍物：V dB =-6dB;对较大尺寸障碍物：V dB ＜-6dB；计算按 C式。 C、在h c ＜h 0 时，V dB = V 0dB （1-h c /h 0 ） 上式中：V dB ：考虑绕射时的衰耗因子。 h 0 ：为自由空间余隙。 h 0 = 1 h c ：为中继电路主射线余隙（m） V 0dB ：为自由空间余隙为h c =0时衰耗因子的电平值。它的计算办法是通 过反映障碍物地形的参数μ来计算的。 微波通信对设计的要求 KK值在微波规划中的意义值在微波规划中的意义 Φ≤ (即地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘 陵地区) 这种地形主要防止过大的绕射，应按满足下标准控制天线高度： K=2/3时，hc ≥ (对一般障碍物) hc ≥ 0 (对刃形障碍物) 这种情形产生的绕射衰落不大于8dB 。 微波通信对设计的要求 Φ＞ (即地面反射系数较大 的电路，如平坦、水网地区) 这种地形主要防止过大的反射衰落，应按满足下标准控制天线高度： K=2/3时，hc ≥ (对一般障碍物) hc ≥ 0 (对刃形障碍物) k=4/3时， hc ≈ F1 K=∞时， hc ≤ F1 (因为21/2 F1时就会出现深衰落) 如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。 KK值在微波规划中的意义值在微波规划中的意义 微波通信对设计的要求 • 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号 微波通信的基本原理 • 干扰源 • 临站干扰 • 越站干扰 • 抗干扰途径 干扰信号 干扰源干扰源 作用于通信系统的干扰来自多种干扰源，主要有: 电路热噪声:由导体中电子杂乱热扰动所激起。 电子器件内部噪声:主要由器件内部电荷不连续运动，造成的散弹效应所 激起。 物体热辐射噪声(包括通常所称的吸收噪声):由物体热辐射激起。 宇宙干扰:来自宇宙体的一种噪声辐射。 天电干扰:由大气层中电荷放电所激起，呈脉冲状。 工业干扰:来自电气设备的电辐射；例如电火花干扰。 电台干扰:来自其它电台的信号辐射(如雷达\卫星\其它微波站)。 接收机内部所产生的各类干扰:有交流哼声、“汽般声”、组合音、微音效应、 非线性产物、振荡器相位抖动而引起的噪声以及各种杂散干扰等。 干扰信号 邻站干扰(Neighbouring Station Interference) 干扰信号 Site A Site B Site C Site G Site F Site E Site D Interfering signal path 越站干扰越站干扰 干扰信号 Methods to reduce interference • Transmitter attenuation • High performance antenna • Polarization • Larger antennas • Frequency separation 抗干扰的途径抗干扰的途径 干扰信号 第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站 微波通信原理 • 调制原理 • 二径模型 • 数字微波调制技术 • PSK调制 • QAM调制 • 横包络调制 • ATPC调制 干扰信号 微波传输系统的基本构成 Mod Transmitter Receiver Dem Down converter in IF IF Signal Recovery IF Carrier Modulation Up converter RF channel Tx Rx 天线系统 IF microwave IF BB : Base band Base band Base band IF : Intermediate Frequency RF : Radio Frequency (300MHz - 30 GHz) 微波信号的调制方式 调制原理 微波发射过程－频谱搬移 微波信号的调制方式 调制原理 频率变换 IF Oscillator: F0±IF Amplifier Converter Amplifier Frequency A IF RF：F0 Translation Filter 微波信号的调制方式 调制原理 无线传输模型 调 制 中 放 上 变 频 功 放 滤 波 调 制 中 放 上 变 频 功 放 滤 波 放 大 下 变 频 中 放 滤 波 解 调 发送部分 接收部分 判 决 V(t) 微波信号的调制方式 调制原理 等效基带模型 认为系统放大，变频等过程是线性的， 则传输过程可以等效为如下基带模型 h(t) V(t) h(t)即为系统的等效传递函数，到底什么样的传递函数， 才能使我们无失真的恢复出数字信号 微波信号的调制方式 调制原理 柰奎斯特准则 第一准则：抽样点无失真，或无码间干扰 n=0 0, 第二准则：转换点无失真准则，或过零点无抖动 全响应信号 部分响应信号 微波信号的调制方式 调制原理 基带信号的最佳检测 一般信道都为高斯白噪声信道，上述基带传输模型又可表达为： N(t) 为保证抽样点信噪比最大，要求收发滤波器匹配。即互为共轭。 或： 微波信号的调制方式 调制原理 利用数字信号控制载波幅度频率或者相位，建立传输信码与载波参 数之间明确的对应关系。 数字信号调制原理 微波信号的调制方式 调制原理 Square root Nyquist H (f) T T 2 0 f1 2T 1 TUseful band (Nyquist )  = 0  =  = 1 1 0 T- T - 2T - 3T 2T 3T 1 2 Transient response  = 0  =  = 1 t with noiseIdeal • 满足Nyquist波形无 失真准则的的限带滤 波器在采样点没有码 间串扰。 基带成型:可以在频域综合或者时域利用数字滤波器实现 微波信号的调制方式 调制原理 标准的载波信号在频域只是一根线谱；急剧的0－180度相位跳变意味着信号 包含高频频率分量，因而占据较宽的频带宽度。限带过程其实是对波形的平滑。 限带传输 微波信号的调制方式 调制原理 微波的多径传播模型－二径模型 Refraction ReceiverTransmitter A max A min Frequency Radio channel > 1 non-minimal phase fading A F0 F A A A For A1 = A2 A max dB = + 6 A min dB = - A   F = 1  1 1 1 2 - A + A 2 2 8  = T = A A 2 2 1 - T 1 Reflection A ,T2 2 A ,T 11 < 1 minimal-phase fading 微波信号的调制方式 二径传输模型 Rummler的二径传输模型 微波信号的调制方式 • 大容量微波: 要求调制,解调简单,频率利用率高，信号星座点 分布合理以保证传输质量所以常采用QAM调制方式 • 中小容量微波: 要求调制方式对器件的线性要求不高,所以常采用, 象FSK,PSK等的恒包络调制 数字微波调制技术 微波信号的调制方式 • 1、调制技术和限带传输 • 为了提高频谱利用率，广泛采用多电平QAM调制技术。ITU－R建议的4－11G波道间 隔28－40MH. 在如此有限的带宽内传输高速数据流，多电平QAM是必然的选择。但是随 着调制电平数量的增加，对于信道的要求也越加苛刻。设备对各种干扰的敏感程度也 会加剧。限制发射频谱的带宽也是一种有效利用现有频率资源的技术措施。通常采用 升余玄滚降滤波器限制发送谱。目前微波设备使用性能稳定技术成熟的64QAM和128QAM 调制技术。 • 2、自适应均衡技术 • 为对抗多经衰落，采用分集接收以外，还必须采取时域和频域自适应均衡器。频域 均衡用来减少信道频率选择性衰落的影响；也就是在设备中插入频率补偿网络。时域 均衡用来消除码间干扰。 • 3、XPIC 技术 • 出现衰落时，天线的极化鉴别率会降低。因此需要极化干扰对消电路消除极化干扰。 • 4、高线性功率放大器和ATPC • 对于64QAM系统而言，功放要求很好的线性。IP3要求至少为45DB。这就对放大器提 出严格的要求。功率倒退和采用发信功放非线性预校正是有效降低放大器线性要求的 技术手段。这些先进的手段在NEC微波设备中都得到应用。 • 5、低损耗DUP • 邻接型天线收发公用器是NEC独有的新型DPU器件，极大的改善了大容量微波系统的 系统指标。在7＋1系统，这种公用器的插入损耗<. 数字微波调制技术 微波信号的调制方式 QPSK调制: 其中 g(t)为升余弦脉冲 当 时,上述信号即成为16QAM调制 如果把正交通道的信号延时半个码元的时间,那上述 的调制方式又分别成为OQPSK,或SQAM PSK调制 微波信号的调制方式 这里介绍的只是一个实现数字调制的典型例子。 实际上实现的方式很多：采用数字逻辑电路的选择门等。平衡调制器对元器件的挑选很严格，容易 产生载波泄漏。 PSK调制的实现方式 微波信号的调制方式 PSK调制 微波信号的调制方式 利用同相和正交的载波传输数字信息，编码逻辑载波恢复时的相位含糊问题。 QAM调制技术 微波信号的调制方式 64QAM & 128QAM 微波信号的调制方式 16QAM调制原理 微波信号的调制方式 • 无论是器件还是传输的原因，实际上对应传输信码的矢量端点都不会是一个理想的点。 QAM调制随着调制电平数量的增加，在限定发射功率的情况下 判断难度加大，尽管可以实现512QAM甚至1024QAM的调制方式， 实际应用的限于128QAM以下。 微波信号的调制方式 恒包络调制 当 时,为PSK调制 当 为FSK调制 此类调制通称为功率-频谱有效调制.要求相位 连续性好，即频谱效率高抗误码性能好。 如MSK,GMSK,TFM等都是认为性能较好常用 的调制方式。 微波信号的调制方式 它的主要作用不在于节省发射功放的功率消耗。 对于周边电磁环境简洁，线路RF信道数量不多干扰不严重的线路，不一定使用ATPC。          Improvement of system gain against rain attenuation.          Improvement in up fading characteristics.          Improvement in residual BER characteristics.          Reduction of interference to neighboring systems          Reduction of interference to other routes ATPC 微波信号的调制方式 第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站 微波通信原理 微波频率规划 LF MF HF VHF UHF SHF EHF Microwave  10Km 1Km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm f 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 红外 线 可见 光 工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小 微波信号的频率范围 85432 10 201 30 40 50 区域网 长距离干线网 区域和本地网，边际网 2 8 34 Mbit/s 34 140 155 Mbit/s 2 8 34 140 155 Mbit/s 11 GHz GHz 微波频率资源的使用 微波频率规划 Channel number Frequency F3 F1 F2 Fo 1 2 n 1' n' Lower half band Upper half band Center frequency Fo: Center frequency 2' 频率规划 微波频率规划 One frequency pair per channelOne frequency pair per channel Tx Rx Tx Rx Channel Channel 1 1' n n' 1 1' n n' 频率规划 微波频率规划 Cross-polarization of the same channel performed at each hop 1 1' 1 1' 1 1'H V H 链路中的交叉极化配置 频率重复利用：二频制 微波频率规划 频率 收发频差 (MHz)  用途 设备 4-7Ｇ 161,  154,  245  长距离干线 SDH，PDH ８Ｇ 126,  161，154，199,266, 311， 长距离干线 SDH，PDH 11-13 266 中，短距离 SDH PASO １５Ｇ 308,420,490,315，720， 728 中，短距离 PASO １８Ｇ 340， 1008,1010, 1560 中，短距离 PASO ２３Ｇ 600,1050,1232, 1008, 1200,  中，短距离 PASO ２６Ｇ 855,1008 短距，离城区        PASO ２８Ｇ 1008 短距，离城区        PASO ３２Ｇ 812 短距，离城区         PASO ３８Ｇ 700,1260 短距，离城区        PASO 微波设备主要工作频段 微波频率规划 可供使用的频点众多 微波频率规划 第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波信号的调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站 微波通信原理 • 微波 站 微波通信的基本介绍 站站接力式的中继方式完成传输 中继站 微波站分类 终端站 中继站 枢纽站 � 背靠背天 线 � 反射板 有源 无源 � 再生中继 � 中频中 继 � 射频中继 中继站 射频直放站： 射频直放站是一种有源、双向、无频移射频中继系统。由于它直接在射频上 将信号放大，所以称之为射频直放站 再生中继站： 再生中继站是一种高性能的高频率转发器。它可以用来扩大微波通信系统的 距离限制，或者用来偏转传输方向，以绕过视线障碍物，不会引起信号质量 恶化。接收的信号经过完全的再生和放大，然后转发。 Active Repeaters 中继站 有源中继站Active repeaters 双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors： 由两个抛物面天线背对背地用一段波导管连接而组成 反射板式无源中继站 Plane reflectors： 一块表面具有一定的平滑度、且在适当的有效面积并相对于两通信点有 合适的角度和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。 中继站 无源中继站Passive repeaters 双抛物面无源中继站 Passive repeater with two parabolic reflectors L1 PT G1 L2 G2 L3 G3 L4 PR G4 L5 PT：发射机输出功率（简称发射功率）   PR：接收机输入端的信号功率（简称接收功率） L1：发射机到天线间的馈线损耗               L2、4：无源中继站至两通信点的自由空间损耗 L3：无源中继站天线间的馈线损耗           L5：接收天线至接收机间的馈线损耗 G1、G2、G3、G4：分别为四个微波天线的增益 中继站 D 端站 端 站 无源站 空间损耗dB＝＋20logF(GHz)＋20logd1＋+ 20logF(GHz) +20logd2 假定:d1=15Km d2=5Km d=d1+d2=20Km d 1 d2 中继站 双抛物面无源中继站 加无源中继站的自由空间损耗:F=10G LdB＝＋20logF(GHz)＋20logd1＋+ 20logF(GHz) +20logd2 =+20+++20+14= 不需要增加无源中继站的自由空间损耗:F=10G LdB＝＋20logF(GHz)＋20logd =+20+26= 无源转发的空间损耗增加了== 要达到与相同距离单跳一致的接收电平，每面天线的增益必须增加至少 62dB。然而，直径超过3米的天线运输和安装调试都有的一定难度。 实际上尽量选用高的工作频率，因为相同口径的天线，频率的高低与其 增益成正比。在条件允许的情况下，尽量使无源站的一端站距小于1Km 的原因。 中继站 双抛物面无源中继站 例2:d1=19Km,d2=1Km,d=d1+d2=20Km 加无源中继站的自由空间损耗:F=10G LdB＝＋20logF(GHz)＋20logd1＋+ 20logF(GHz) +20logd2 =+20+++20+0= 不需要增加无源中继站的自由空间损耗:F=10G LdB＝＋20logF(GHz)＋20logd =+20+26= 无源转发的空间损耗增加了==112dB 尽量选用高的工作频率，因为相同口径的天线，频率的高低与其增益成 正比。在条件允许的情况下，尽量使无源站的一端站距小于1Km的原因。 中继站 双抛物面无源中继站 这种情况往往用大口径天线，天线调整要借助于仪表。费时较长 近端距离要小于5KM 中继站 双抛物面无源中继站 Passive repeater with plane reflector 中继站 反射板式无源中继站 无源中继站（实物照片） 反射板式无源中继站 Plane reflectors 双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors 中继站 全程自由空间损耗为： （km） （km） 其中a为反射板有效面积(m2) 面积A 中继站 反射板式无源中继站 D 端站 端站 无源反射板 G=n4ர/入2AcosQ 入射角<45度 板边长>80入 满足以上条件，效率>90% •                   利用微波信号的反射特性 •                           ——克服特殊的路由障碍 中继站 THANK YOU Please leave your Idea. That is all for today.