现代通信概论：微波通信

w5.3微波通信微波通信5.3微波通信微波通信w 5.3.1微波通信的发展微波通信的发展w 5.3.2数字微波中继通信系统数字微波中继通信系统w 5.3.3微波通信的应用现状微波通信的应用现状5.3微波通信微波通信w 微波通信（微波中继通信）的基本概念微波通信（微波中继通信）的基本概念 n 利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。地面上进行的无线电通信。微波中继通信系统微波中继通信系统n微波频段的波长范围为微波频段的波长范围为lm1mm，频率范围为，频率范围为300MHz300GHz， n微波最常用的通信的频率范围微波最常用的通信的频率范围 ：1GHz40GHzl目前微波系统的工作上限只到目前微波系统的工作上限只到50GHz，在，在60GHz遇到遇到了氧气所吸收。了氧气所吸收。5.3.1微波通信的发展微波通信的发展w 世界上最早的模拟微波中继通信系统是第二次世世界上最早的模拟微波中继通信系统是第二次世界大战后期美国贝尔研究所建立的界大战后期美国贝尔研究所建立的TDXTDX系统系统（4GHz4GHz频段的调频系统），频段的调频系统），n1919世纪世纪3030年代中期年代中期第一个商用的模拟无线通信系统，第一个商用的模拟无线通信系统，工作在工作在VHFVHF频段，采用频段，采用AMAM调制技术，传输调制技术，传输1212路频分复路频分复用的模拟话音信号。用的模拟话音信号。 w 4040年代出现了年代出现了UHFUHF频段的军用无线中继通信系统频段的军用无线中继通信系统w 数字微波通信起步于数字微波通信起步于5050年代，年代，n19471947年贝尔研究所研制了数字微波中继通信系统年贝尔研究所研制了数字微波中继通信系统TD-2TD-2。经过了经过了2020多年的历史，直到多年的历史，直到7070年代初，才完成小容量、年代初，才完成小容量、低频段的通信系统。低频段的通信系统。n19511951年，美国纽约年，美国纽约旧金山成功开通了商用的微波旧金山成功开通了商用的微波通信线路，工作在通信线路，工作在4GHz4GHz频段，能承载频段，能承载480480路的模拟话路的模拟话音音 w 60年代，数字微波通信得到发展年代，数字微波通信得到发展w 70年代末年代末出现了商用数字微波系统出现了商用数字微波系统 n70年代末数字微波通信得到了迅速发展，形成年代末数字微波通信得到了迅速发展，形成了一个完整的技术系统。了一个完整的技术系统。w 80年代年代 ，数字微波通信系统的传输效率大，数字微波通信系统的传输效率大大提高，系统容量达大提高，系统容量达400Mbit/s w 9090年代出现了基于年代出现了基于SDHSDH的数字微波通信系统的数字微波通信系统5.3.1微波通信的发展微波通信的发展w 我国：我国：n20世纪世纪60年代开始研制并使用模拟微波中继通年代开始研制并使用模拟微波中继通信系统，信系统，n20世纪世纪70年代研制并使用数字微波中继通信系年代研制并使用数字微波中继通信系统并进行技术引进和开发。统并进行技术引进和开发。w 光纤技术的发展光纤技术的发展，逐步，逐步取代微波中继作为长取代微波中继作为长途传输干线的主要角色途传输干线的主要角色w 在未来的很长时间内，数字微波将与光纤共在未来的很长时间内，数字微波将与光纤共存、与卫星通信系统一起作为光纤通信系统存、与卫星通信系统一起作为光纤通信系统的辅助手段的辅助手段 5.3.2数字微波中继通信系统数字微波中继通信系统w A、B两地问的远距离地面微波中继通信系统的中两地问的远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图所示继示意如图所示 地面微波接力示意图地面微波接力示意图w 对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个：直接原因有两个：n首先是因为微波波长短，接近于光波，是首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播具有直线传播具有视距传播特性，视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此若在通信两而地球表面是个曲面，因此若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。n其次是因为微波传播有损耗其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段送给下一段,延长通信距离。延长通信距离。n w 微波中继通信主要用来传送：微波中继通信主要用来传送：n长途电话信号长途电话信号l短波通信设备一般只能容纳几个话路同时工作，而一短波通信设备一般只能容纳几个话路同时工作，而一套微波设备可容纳几千个话路同时工作。套微波设备可容纳几千个话路同时工作。n宽频带信号宽频带信号(如电视信号如电视信号)n数据信号数据信号n移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等的信号等n还还可用于通向岛屿等特殊地形的通信。可用于通向岛屿等特殊地形的通信。5.3.2数字微波中继通信系统数字微波中继通信系统1.数字微波中继通信线路数字微波中继通信线路n可以是一条主干线可以是一条主干线,中间有若干支线中间有若干支线,其主干线可其主干线可以长达几千公里以长达几千公里,除了在线路末端设置除了在线路末端设置微波终端微波终端站站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微微波中继站波中继站和和微波分路站微波分路站。w 数字微波通信线路数字微波通信线路w 2.数字微波通信系统基本设备构成数字微波通信系统基本设备构成n最基本的数字微波通信系统设备：最基本的数字微波通信系统设备：用户终端、用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。交换机、终端复用设备、微波站等组成。设备组成w 用户终端：如自动电话机、电传机、调度电用户终端：如自动电话机、电传机、调度电话机等。话机等。n用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。微波分路站。w 交换机：的作用是实现本地用户终端之间的交换机：的作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音用户之间的通话，业务互通，如实现本地话音用户之间的通话，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地端与远地(对端交换机所辖范围对端交换机所辖范围)用户终端之用户终端之间的业务互通。间的业务互通。n交换机配置在微波终端站或微波分路站交换机配置在微波终端站或微波分路站w 终端复用设备的基本功能终端复用设备的基本功能n将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机；送到微波终端站或微波分路站的发信机；n将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。路信号或群路信号适当变换后送到交换机。n在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终端复用设备是脉冲编码调制端复用设备是脉冲编码调制(PCM)时分复用设时分复用设备。备。n终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。 w 3.数字微波中继通信系统数字微波中继通信系统 工作过程工作过程w 用户终端用户终端A通过微波通信系统把信号发给用通过微波通信系统把信号发给用户终端户终端B的系统工作过程如下图所示。的系统工作过程如下图所示。w 从发信终端站到收信终端站中间一般要经过从发信终端站到收信终端站中间一般要经过若干个微波中继站，若干个微波中继站，w 中继站中有两组中继机，从一个方向的天线中继站中有两组中继机，从一个方向的天线收到的微波信号从某中继机的收信机转接到收到的微波信号从某中继机的收信机转接到另一中继机的发信机，由朝另一方向天线发另一中继机的发信机，由朝另一方向天线发送出去。送出去。 w 数字微波通信系统的工作过程数字微波通信系统的工作过程5.3.2数字微波中继通信系统数字微波中继通信系统 （2）工作过程）工作过程以电话为例以电话为例声声/电转换电转换（交换机）微波发射机（交换机）微波发射机时分复时分复用用调制到中频调制到中频变频变频中继中继接收端接收端w 3.数字微波站数字微波站w 按工作性质不同，可分成按工作性质不同，可分成n数字微波终端站数字微波终端站n数字微波中继站数字微波中继站n数字微波分路站数字微波分路站 微波终端站微波终端站w 微波站的主要设备包括微波站的主要设备包括n微波发信设备：微波发信设备：l我国选用我国选用2，4，6，18，11作为微波通信的主要工作频段，作为微波通信的主要工作频段，其中其中2，4，6 GHz频段主要用于干线微波中继，频段主要用于干线微波中继， 2，7，8，11 GHz主要用于支线或专用网。主要用于支线或专用网。n微波收信设备、微波收信设备、n微波天线馈电设备、微波天线馈电设备、n电源设备、监测控制设备等电源设备、监测控制设备等。（1）微波收发信机）微波收发信机 w 发信机发信机n工作频段：微波中继工作频段范围很宽，工作频率工作频段：微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。对于较长距离的微波中继，其主要工作频段是对于较长距离的微波中继，其主要工作频段是1.7-12 GHz，12GHz以上频段目前使用不多。以上频段目前使用不多。l我国选用我国选用2，4，6，18，11作为微波通信的主要工作频段，作为微波通信的主要工作频段，其中其中2，4，6 GHz频段主要用于干线微波中继，频段主要用于干线微波中继， 2，7，8，11 GHz主要用于支线或专用网。主要用于支线或专用网。n上变频器上变频器：将中频信号变换成射频信号：将中频信号变换成射频信号 n高功率放大器高功率放大器n滤波器滤波器 w 收信机收信机n低噪声放大器低噪声放大器：将接收的微弱信号予以放大：将接收的微弱信号予以放大 n下变频器下变频器：将射频信号变换成中频信号：将射频信号变换成中频信号 n中频放大器中频放大器n中频滤波器中频滤波器 （2）天线馈电系统）天线馈电系统 w 天线馈电系统由天线馈电系统由馈线、双工器及天线馈线、双工器及天线组成。组成。w 基本作用：基本作用：n将发射机送来的射频信号将发射机送来的射频信号变成变成定向定向（对准卫星）辐射的（对准卫星）辐射的电磁波；同时，收集微波站（或卫星）发来的电磁波，电磁波；同时，收集微波站（或卫星）发来的电磁波，送到接收设备。送到接收设备。w 通常，微波站（地球站）天线是通常，微波站（地球站）天线是收发共用收发共用的，因的，因此要用此要用双工器。双工器。w 双工器：双工器：双工器位于天线与馈线之间，起传输能双工器位于天线与馈线之间，起传输能量和分离收发信号的作用。量和分离收发信号的作用。w 从双工器到收发信之间，有一定长度的馈线连接。从双工器到收发信之间，有一定长度的馈线连接。w 馈线馈线：馈线将高功率微波射频信号传输到双：馈线将高功率微波射频信号传输到双工器。工器。n有有同轴电缆型和波导型同轴电缆型和波导型两种。两种。n一般在一般在分米波波段分米波波段采用同轴电缆馈线，在采用同轴电缆馈线，在厘米厘米波波段波波段因同轴电缆损耗较大，故采用波导馈线。因同轴电缆损耗较大，故采用波导馈线。n波导馈线又分为圆波导馈线和矩形波导馈线。波导馈线又分为圆波导馈线和矩形波导馈线。w 天线天线 ：发射无线电波：发射无线电波n微波的天线的类型很多，其基本形式有：微波的天线的类型很多，其基本形式有：l角反射天线角反射天线l抛物面天线抛物面天线 n目前常用的是一种从标准目前常用的是一种从标准抛物面天线演变而来抛物面天线演变而来的卡塞格伦天线，的卡塞格伦天线，l其主反射面呈抛物面状，抛物面中心置初级辐射器其主反射面呈抛物面状，抛物面中心置初级辐射器(馈源馈源)。 w 卡塞格伦天线卡塞格伦天线w w 卡塞格伦天线是根据卡塞格伦望远镜的原理研制卡塞格伦天线是根据卡塞格伦望远镜的原理研制的。的。w 它由馈源、主反射器和副反射器构成它由馈源、主反射器和副反射器构成，n主反射面为旋转抛物面，主反射面为旋转抛物面，n副反射面为旋转双曲面副反射面为旋转双曲面。n馈源是一个喇叭天线馈源是一个喇叭天线w 双曲面的两个焦点，一个与主反射面的焦点重合，双曲面的两个焦点，一个与主反射面的焦点重合，馈源是一个喇叭天线放在双曲面的另一个焦点上。馈源是一个喇叭天线放在双曲面的另一个焦点上。w 图中给出了这种天线接收微波信号的过程，发射图中给出了这种天线接收微波信号的过程，发射信号的过程正好与此相反。收发信号在双工器信号的过程正好与此相反。收发信号在双工器（收发开关）中分开。（收发开关）中分开。w 卡塞格论天线发射时，大功率的微波信号能量从卡塞格论天线发射时，大功率的微波信号能量从馈源辐射馈源辐射出来，出来，首先投射到副反射器首先投射到副反射器上。上。w 副反射器把信号的能量反射回来副反射器把信号的能量反射回来射向主反射器射向主反射器。w 主反射器再次对信号的能量进行反射，主反射器再次对信号的能量进行反射，变成平行变成平行波束射向卫星。波束射向卫星。w 接收时，由卫星转发来的微波信号投射到主反射接收时，由卫星转发来的微波信号投射到主反射器上，主反射器把信号的能量反射回来射向副器上，主反射器把信号的能量反射回来射向副反射器。反射器。w 副反射器再次对信号的能量进行反射，变成平行副反射器再次对信号的能量进行反射，变成平行波束射向馈源后由馈线设备送至接收机。由于馈波束射向馈源后由馈线设备送至接收机。由于馈原位于主反射器的顶点附近，从而使馈线短且能原位于主反射器的顶点附近，从而使馈线短且能安装得较稳定，因而有助于形成指向准确的高增安装得较稳定，因而有助于形成指向准确的高增益窄波束天线。同时地面噪声不易进人馈源而形益窄波束天线。同时地面噪声不易进人馈源而形成干扰。成干扰。w w 抛物面正方的焦点处有抛物面正方的焦点处有一双曲面状一双曲面状的的金属副金属副反射器反射器。w 当电波由馈源射出后，经当电波由馈源射出后，经副反射器副反射器反射到反射到主主反射面反射面，经聚焦成为，经聚焦成为平面波平面波发射出去。发射出去。w 卡塞格伦天线卡塞格伦天线方向性强，效率高，背向辐射方向性强，效率高，背向辐射小，与馈线有良好的匹配性能，结构简单、小，与馈线有良好的匹配性能，结构简单、灵活，便于与馈线连接。灵活，便于与馈线连接。（3）监控系统）监控系统 w 对一条微波线路上的各个微波站运行情况进对一条微波线路上的各个微波站运行情况进行监视与控制，称为行监视与控制，称为监控监控。 w 监控系统的主要任务是：监控系统的主要任务是： n实施信道监控实施信道监控 n遥测、遥信及遥控遥测、遥信及遥控 n各站间的勤务联络各站间的勤务联络 微波中继站微波中继站 （1）中继站设置在地球表面：中继站设置在地球表面：微波中继通信或称微波中继通信或称微波接力通信，微波接力通信，简称微波通信，间简称微波通信，间隔隔5050公里左右公里左右 5.3.3微波通信的应用现状微波通信的应用现状1 1微波通信应用现状微波通信应用现状w 在光纤通信研究未取得实质性成果以前，世在光纤通信研究未取得实质性成果以前，世界各国均拟将微波通信作为通信网的主干传界各国均拟将微波通信作为通信网的主干传输手段，并大力发展微波通信。例如，我国输手段，并大力发展微波通信。例如，我国在在60年代组织了年代组织了“6401微波通信攻关微波通信攻关”项目，项目，随后在全国建立了随后在全国建立了20000km多的模拟微波通多的模拟微波通信。到信。到20世纪世纪80年代，由于光纤通信投入使年代，由于光纤通信投入使用，拟选中的微波通信的主干地位受到了挑用，拟选中的微波通信的主干地位受到了挑战，目前正让位给光纤通信。战，目前正让位给光纤通信。w 但仍然是现代通信的四大支柱之一。但仍然是现代通信的四大支柱之一。5.3.3微波通信的应用现状微波通信的应用现状w 现在数字微波在通信系统中的主要应用场合如下：现在数字微波在通信系统中的主要应用场合如下： w (1)(1)干线光纤传输的备份及补充干线光纤传输的备份及补充 w (2)(2)省内电信传输支线，专用网等领域方面省内电信传输支线，专用网等领域方面w (3)(3)市内的短距离支线连接方面市内的短距离支线连接方面 w (4)微波的新兴应用和开发：微波的新兴应用和开发：n微波被用来加速用户接入的部署和降低成本。微波被用来加速用户接入的部署和降低成本。n目前利用微波系统有两种技术来支持目前利用微波系统有两种技术来支持未来的宽带业务接未来的宽带业务接入。入。n多信道多点分配系统（多信道多点分配系统（MMDSMMDS）：主要用于数字电视系统）：主要用于数字电视系统n本地多点分配业务（本地多点分配业务（LMDSLMDS，多点视频分配业务），多点视频分配业务）