数字微波通信概述

第一章数字微波通信概述本章主要内容：➢微波和微波通信的概念➢微波通信的常用频段➢数字微波通信的特点➢微波通信的分类➢微波通信的应用➢微波站的分类➢数字微波的中继方式➢数字微波通信系统的组成➢数字微波通信系统的技术指标重点：➢什么是微波和微波通信？➢微波通信的分类➢微波站的作用➢中继方式➢数字微波通信系统的组成1.1 数字微波通信的概念本节需要掌握的内容：➢微波通信的概念➢微波通信的频段➢微波的视距传播特性➢微波通信的分类一、微波与微波通信什么是微波？频率在300MHz到300GHz（波长为1m到1mm）范围内的电磁波。

什么是微波通信？利用微波作为载波来携带信息并通过电波空间进行传输的一种无线通信方式。

模拟微波通信和数字微波通信。

与其他通信系统一样，都由模拟微波通信发展为数字微波通信。

微波通信的起源和发展。

微波技术是第二次世界大战期间围绕着雷达的需要发展起来的，由于具有通信容量大而投资费用省、建设速度快、安装方便和相对成本低、抗灾能力强等优点而得到迅速的发展。

20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的模拟微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，其传输容量高达2700路，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，随着同步数字序列（SDH）在传输系统中的推广使用，数字微波通信进入了重要的发展时期。

目前，单波道传输速率可达300Mbit/s以上，为了进一步提高数字微波系统的频谱利用率，使用了交叉极化传输、无损伤切换、分集接收、高速多状态的自适应编码调制解调等技术，这些新技术的使用将进一步推动数字微波通信系统的发展。

因此，数字微波通信和光纤通信、卫星通信一起被称为现代通信传输的三大支柱。

我国第一条微波中继通信线路是60年代初开始建立的。

目前已试制成功2，4，6，8，11GHz等多个频段的各种容量的微波通信设备，并正在向数字化、智能化、综合化方向迅速发展。

二、微波通信的常用频段微波既是一个很高的频率，同时也是一个很宽的频段，在微波通信中所使用的频率范围一般在1GHz～40GHz，具体来讲，主要有以下几个频段：L波段 1.0——2.0GHz C波段 4.0——8.0GHzS波段 2.0——4.0GHz x波段8.0——12.4GHzKu波段12.4——18GHz K波段18——26.5GHz三、微波的传播特性微波除了具有电磁波的一般特性外，还具有一些自身的特性，主要有：1.视距传播特性微波的特点和光有些相似。

因为微波的波长较短，和周围物体的尺寸相比要小得多。

即具有直线传播和在物体上产生显著反射的特性，因此，微波波束在自由空间中是以直线传播的，也称作视距传播。

2.极化特性无线电波由随时间变化的电场和磁场组成，电场和磁场相互依存，相互转化，形成统一的时变电磁场体系。

时变电磁场以波动的形式在空间存在和运动，因此称为电磁波或无线电波。

无线电波具有一定的极化特性。

极化的定义：迎着电磁波的传播方向，观察瞬间电场矢量端点所描绘的轨迹曲线。

三种不同的极化形式：（1） 线极化。

指电场矢量E的端点随时间t 的变化轨迹保持在一条直线上。

若这条直线与地面平行，则称为水平极化；若与地面垂直，称为垂直极化，水平极化和垂直极化是彼此相互正交的两个函数。

（2） 圆极化。

指电场矢量E 的端点随时间t 的变化轨迹为一个圆。

)cos(cos )()()(21θωω++=+=t E a t E a t E a t E a t E y x y y x x左旋圆极化：电场矢量E 的旋转变化方向为顺时针；右旋圆极化。

左旋圆极化和右旋圆极化是两个彼此正交的函数。

（3） 椭圆极化。

是极化波的一般形式。

直线极化波和圆极化波都可以看作是椭圆极化波的特殊形式。

由数学分析知，当两个函数正交时，两函数的相关系数为零，因此，在微波通信中常采用不同的极化方式来扩充系统容量或消除同频信号间的干扰。

垂直极化水平极化圆极化椭圆极化(a)线极化(b) 园极化和椭圆极化图 1－1 极化特性四、 数字微波通信的特点1． 抗干扰能力强，线路噪声不积累数字通信相对与模拟通信都有这个优点。

数字信号的再生使数字微波中继通信的线路噪声不逐站积累。

再生的概念。

但是一旦干扰对数字信号造成了误码，则在以后的传输过程中被纠正过来的可能性很小，因此误码是逐站积累的。

2． 保密性强主要表现在两个方面：一是数字信号易于加密，除了设备中已采用了扰码电路外，还可以根据要求加入相应的加密电路；二是微波通信中使用的天线方向性好，因此偏离微波射线方向是接收不到微波信号的。

3.便于组成数字通信网数字微波通信系统中传输的是数字信息，便于与各种数字通信网相连，并且可以用计算机控制各种信息的交换。

4.设备体积小，功耗低数字微波中继通信设备的体积小、功耗低主要表现在两个方面：一是因传输的是数字信号，因此设备中大量采用集成电路，使得设备的体积变小，电源的损耗降低；二是数字信号的抗干扰能力强，这样就可减小微波设备的发信功率(大都在1W以下)，从而使功放的体积变小、功耗下降。

5.占用频带宽数字通信通信相对于模拟通信的缺点。

—路模拟电话通常占用4kHz带宽，而一路数字电话(速率为64kbit/s) 在理想情况下至少需要32kHz的传输带宽。

因此在同等传输带宽情况下，数字微波的传输容量要小于模拟微波，目前随着新的调制技术的发展以及频带压缩技术的应用，数字微波的这一不足正日趋得到改善。

五、微波通信的分类四类：地面微波中继通信、一点对多点微波通信、卫星通信和微波散射通信等。

1.地面微波中继通信由微波的传播特性可知，微波波束在自由空间中是以直线传播的，但地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭球体，地表面是个椭球面，两地距离大于视距(60Km)，就直接收不到对方发来的微波信号了。

另外，微波在空间传播过程中，能量要不断受到损耗，相位亦要发生变化。

因此，对于微波通信，为了获得比较稳定的传输特性，点到点的传输距离不宜太远。

为了实现地面上的远距离通信，就需要每隔50公里左右设置一个微波中继站。

中继站把前一站传来的信号经处理后转发到下一站去，直到终端站，构成一条中继通信线路。

图1－2 地面微波中继通信地面微波中继通信的微波天线一般安装在铁塔上，铁塔高度应保证相邻两站的天线满足视距传播要求。

在山区架设天线时，可适当利用地理条件，进行超视距中继通信，如可利用尖劈山头周围绕射障碍，获得绕射增益。

但是一般以不超过100~150Km为宜，否则由于信噪比过分减小而影响传输质量。

2.一点对多点微波通信一点对多点微波通信系统是一种分布式的无线电系统，它是在空间从一点到多点传输信息。

这种系统有中心站（基地台）和次级站（用户）组成的通信网络。

基地台应构成覆盖360°方向的圆形无线区域，而用户一侧只要设置一个面对基地台方向的小型定向天线，很容易地建立起通信线路。

每个用户站可以分配十几或数十个电话用户，在必要时还可通过中继站延伸至数百公里外的用户使用。

用户图1－3 点对多点微波通信该系统一般采用一对多点的预定分配时分多址（PA-TDMA），许多用户共用一种载频和一个基地台设备。

因此，无线频率得到有效利用，而且设备利用率亦高。

基地台的监控系统可高效地监控每个用户线路的状态和设备状态，并且基地台能为用户进行维修。

对于一些具有地址分散、业务量小的用户系统，如城市郊区、县城至农村村镇或沿海岛屿的用户、以及分散的居民点十分适用，较为经济。

3.卫星通信微波卫星通信是一种特殊的微波中继通信系统，它的中继站设在离地面36000公里的天空中。

这种系统的通信卫星的运行方向与地球自转的方向相同，且围绕地球一周的时间为24小时。

因此，从地球上看这运行的通信卫星，相对是静止的，所以称为同步通信卫星。

通信卫星上有微波转发设备，它把地面站发射来的微波信号接收下来，经变频放大等处理后，再转发给另一个地面站，完成中继通信任务。

有关卫星通信的详细内容将在《卫星通信》课程中讲述。

4. 微波散射通信这种通信系统是利用大气对流层不均匀气团的散射作用，使一部分微波信号反射回地面，实现远距离微波通信。

其一跳距离（一次跨越通信距离）可达数百公里。

不过利用散射到达接收端的微波信号已很微弱了，为了实现可靠通信，需要采用大功率发射，以及高增益低噪声接收技术。

同时，由于散射信号是不规则变化的，为了克服和减少这种变化的影响，还需要采用分集接收技术。

微波散射通信大多用于军事微波通信方面，一般较少采用于民用通信。

本书主要讨论微波中继通信。

图1－5 微波散射通信六、数字微波通信的应用与光纤通信和卫星通信这两种传输手段相比，微波通信具有组网灵活，建设周期短，成本低等优点，特别适合于在山区、铁路等铺设光缆不便的地方使用，目前主要应用在四个方面：1．干线光纤传输的备份及补充点对点的SDH微波、PDH微波主要用于干线光纤传输系统在遇到自然灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。

例如，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙；九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。

2．农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。

3．城市内的短距离支线连接如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等，既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。

4．宽带无线接入(如LMDS)宽带无线接入技术以投资少、见效快、组网灵活等优势，在接入市场具有较强的竞争力，并能在日趋激烈的高速数据业务竞争中快速占领有效市场。

作为宽带固定无线接入系统的代表，LMDS(本地多点分配业务)技术已日益成熟。

LMDS是上世纪90年代发展起来的一种宽带无线接入技术，能够在3-5km的范围内，以点对多点的广播信号传送方式，传输话音、视频和图像等多种宽带交互式数据及多媒体业务，速率可达155Mbit/s。

与光纤等有线接入手段相比，LMDS具有建设成本低、项目启动快、建设周期短、维护费用低等诸多优势。

1.2 微波中继通信系统本节需要掌握的内容：➢微波站的分类➢不同微波站的功能、设备➢三种微波中继方式的概念、特点和应用➢数字微波通信系统的组成一、微波站的分类微波中继通信系统由许多微波站构成，除了由若干个终端站以外，还有许多中继站。

对于一条微波中继线而言，它通常具有两个终端站，若干个中继站，中继站的数目取决于线路的传输距离。

下图所示为一个典型的微波中继通信线路的组成。

端站间站生中继站纽站主站）端站图1－6 数字微波中继线路的组成终端站是指位于微波线路两端的微波站。