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1、第20章数字微波中继通信技术 20 1数字微波中继通信的概念20 2数字微波中继通信的特点20 3数字微波中继通信系统的组成20 4数字微波中间站的转接方式20 5数字微波的收发信设备 20 1数字微波中继通信的概念 微波通信是在第二次世界大战后期 由美国贝尔研究所开始研究使用的一种无线电通信技术 经过50多年的发展 目前已经获得广泛的应用 当微波通信用于地面上的长途通信时 需要采用中继 接力 传输的方式 才能完成信号从信源到信宿的传输任务 所谓微波中继通信就是指利用微波作为载波并采用中继 接力 方式在地面上进行无线通信的过程或方式 微波中继通信分为模拟微波中继通信和数字微波中继通信两类 模拟
2、微波中继通信虽然出现早 技术成熟 但正逐渐被数字微波中继通信所取代 目前数字微波中继通信已成为通信领域中一种重要的传输手段 并与卫星通信 光纤通信一起成为当今三大通信传输技术 所以 若不加说明 本章介绍的内容都是指数字微波中继通信 微波频段的频率范围为300MHz 300GHz 所对应的波长范围为1m 1mm 微波频段可细分为特高频 UHF 频段 分米波频段 超高频 SHF 频段 厘米波频段和极高频 EHF 频段 毫米波频段 由于卫星通信实际上也是在微波频段采用中继 接力 方式进行的通信 只是其中继站设在卫星上而已 因此 为了与卫星通信相区别 这里所说的微波中继通信是限定在地面上的 图20 1
3、是A B两地间的远距离地面微波中继通信系统的示意图 图20 1微波中继通信示意图 也许有人会问 为什么要采用中继通信方式呢 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 一是微波传播具有视距传播特性 即电磁波是沿直线传播的 而地球表面是个曲面 因此若通信两地之间距离较长 且天线所架高度有限 则发信端发出的电磁波就会受到地面的阻挡 而无法到达收信端 所以 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 另一个原因就是微波在传播过程中有损耗 在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收 放大和发送 微波中继通信主要用来传送长途电话信号 宽频带信号 如电视信号 数据
4、信号 移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等 还可用于通向孤岛等特殊地形的通信线路以及内河船舶电话系统等移动通信的入网线路 20 2数字微波中继通信的特点 微波中继通信具有以下特点 1 通信频段的频带宽 微波频段占用的频带约300GHz 而全部长波 中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz 前者是后者的10000多倍 占用的频带越宽 可容纳同时工作的无线电设备就越多 通信容量也就越大 一套短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作 而一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作 并可传输电视图像等宽频带信号 2 受外界干扰的影响小 工业干扰 天电干扰及太阳黑子的活动对微波频
5、段通信的影响小 当通信频率高于100MHz时 这些干扰对通信的影响极小 但这些干扰源严重影响短波以下频段的通信 因此 微波中继通信信号比较稳定和可靠 3 通信灵活性较大 微波中继通信采用中继方式 可以实现地面上的远距离通信 并且可以跨越沼泽 江河 湖泊和高山等特殊地理环境 在遭遇地震 洪水 战争等灾祸时 通信的建立 撤收及转移都比较容易 这些方面比电缆通信具有更大的灵活性 4 天线增益高 方向性强 中继通信可以减小对发射功率的要求而获得满意的通信效果 另外 由于微波具有直线传播特性 因此 可利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束 使微波天线具有很强的方向性 以减少通信中的相互干扰 5 投资少 建
6、设快 在通信容量和质量基本相同的条件下 按话路公里计算 微波中继通信线路的建设费用不到同轴电缆通信线路的一半 而且还可以节省大量的有色金属 另外 建设时间也比后者短 20 3数字微波中继通信系统的组成 图20 2是一条微波中继通信线路的示意图 其主干线可以长达几百公里甚至几千公里 支线可以有多条 除了在线路未端设置微波终端站外 还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站 图20 2微波中继通信网线路图 与通信线路相对应 微波中继通信系统的设备连接方框图如图20 3所示 系统主要设备有 1 用户终端用户终端是逻辑上最靠近用户的输入 输出设备 如自动电话机 电传机 计算机 调度电话机等
7、 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 图20 3微波中继通信线路组成框图 2 交换机交换机既可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 又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地 对端交换机所辖范围 用户终端之间的业务互通 交换机配置在微波终端站或微波分路处 3 终端复用设备终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号进行适当变换 然后送到微波终端站或微波分路站的发信机 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 模拟微波中继通信系统的终端复用设备是频分多路载波机 数字微波中继通信系统的终端复用设备是时分多路
8、数字终端机 包括增量调制 M 和脉冲编码调制 PCM 两种制式 终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站 4 微波站微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号 按其与终端复用设备的连接关系 微波站分为终端站 分路站和中继站 如图20 3所示 当两条以上的微波中继通信线路在某一微波站交汇时 该微波站称为枢纽站 它具有通信枢纽功能 微波分路站和枢纽站统称微波主站 微波中继站和分路站统称微波中间站 微波站的主要设备包括发信设备 收信设备 天馈系统 电源设备以及保障通信线路正常运行和无人维护所需的监测控制设备等 20 4数字微波中间站的转接方式 微波中继通信系统中间站的转接方式一般按照收发信机转
9、接信号时的接口频带划分 它们划分为基带转接方式 中频转接方式和微波转接方式三种 其方框图如图20 4所示 除此之外 还有微波直放转接方式和无源转接方式 图20 4微波中继转接方式 1 基带转接方式中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机 微波收发信机 的天馈系统 天线馈线系统 传送到收信机 再经微波低噪声放大器后 与该中继机的接收机本振信号混频 混频输出信号经中放后送到解调器解调并输出基带信号 对基带信号进行判决再生 再生后的信码序列进行中频数字载波调制 图20 4 a 只示出了前一种情况 已调信号经过变频后输出载频为f2的微波信号 该信号经微波功放 天馈系统后向中间站的另一个
10、通信方向发送出去 这种转接方式采用数字接口 可以消除噪声积累 是目前微波通信最常见的一种转接方式 基带转接方式可以直接上 下话路 是微波分路站和枢纽站必须采用的转接方式 采用这种转接方式的中间站的设备与终端站可以通用 2 中频转接方式如图20 4 b 中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机 微波收发信机 的天馈系统 将发信端输出的微波信号通过高频馈线送至天线 经天线变换为无线电波朝通信方向发射出去 再经微波低噪声放大器后 与该中继机接收机本振信号混频 混频输出信号经中放后转接到该中间站的另一中继机的发信机功率中放 将信号放大到上变频器所需的功率电平 然后与发信机本振信号进行上
11、变频 输出载频为f2的微波信号 该信号经微波功放 天馈系统后 向中间站的另一通信方向发送出去 信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时 接口频带为中频 所以称作中频转接 中频转接省去了调制 解调器 简化了设备 但中频转接不能上 下话路 不能消除噪声积累 3 微波转接方式微波转接与中频转接类似 但其转接接口是微波接口 且为了使同一中间站的转发信号不干扰接收信号 转信载频f2相对于收信载频f1需要移频 即移频振荡器的频率等于f2与f1之差 见图20 4 c 另外 为了克服传播衰落引起的电子波动 还需在微波放大时采取自动增益控制措施 微波转接电路技术实现起来比中频转接困难 但微波转
12、接方案简单 设备体积小 功耗低 4 直放转接和无源转接方式近年来产生了一种新的技术 即微波直放转接方式 微波直放转接方式以微波宽带低噪声放大器 微波宽带线性功率放大器和微波分路滤波器等器件为基础 进行有源 双向 无频率变换的微波信号直接放大 这种方式适用于模拟微波中继通信和数字微波中继通信 采用该方式的微波直放中间站不进行变频 其结构大为简化 体积很小 可以直接安装在天线支梁上 且其功耗低 可利用太阳能供电 可靠性较高 一般不需维护 微波直放转接可用于延长通信距离 改善衰落储备或克服某些地形障碍 且不需建机房 修道路和架设电力线路 节省了基建费用 但由于其转信和收信在同一载频上 因此必须采用增
13、益高 方向性强 旁瓣低 高性能 具有低噪声放大器的天线 或加大天线之间的垂直间距 以避免本站收发信号之间的相互干扰 无源转接方式利用金属反射板改变微波波束的方向以起到转接的作用 这种转接方式维护简单 主要用于克服山河等地形障碍 但对反射板的抗风能力要求很高且造价较高 20 5数字微波的收发信设备 1 发信设备的组成数字微波发信设备可以有如下两种组成方案 1 微波调制发射机 微波调制发射机的组成方框图如图20 5 a 所示 来自数字终端机的数字信号经过码型变换后 直接对微波载波进行调制 然后经过功放和微波滤波器送到天线振子 图20 5 由天线发射出去 这种方案的发射机结构简单 但当发射频率比较高
14、时 其微波功率放大器制作难度大 且发射机的通用性差 2 中频调制发射机 中频调制发射机的组成方框如图20 5 b 所示 来自数字终端的信号经过码型变换后 在中频调制器中对中频载波 70MHz或140MHz 进行调制 数字相位调制 获得中频调制信号 然后通过功率中放 把中频信号放大到规定要求的功率电平 经上变频器交换为微波调制信号 再经微波功放 微波滤波器馈送到天线 由发射天线发射出去 中频调制发射机的构成方案与一般调频制模拟微波机相似 只要更换调制解调单元 就可以利用现有模拟微波信道传输数字信息 因此 在多波道运用时 这种方案容易实现数字系统和模拟系统的兼容 在不同容量的数字微波中继设备系列中
15、 改变传输容量一般只需要交换中频调制单元 微波发送单元可以通用 在研制和生产不同容量的设备系列时 这种方案有较好的通用性 2 数字微波收信设备数字微波收信设备一般都采用超外差接收方式 其组成方框图如图20 6所示 它由射频系统 中频系统和解调系统三部分组成 来自接收天线的微波微弱信号经过馈线 微波滤波器 低噪声放大器和本振信号进行混频 变成中频信号 再经过中频放大 滤波后 送到解调单元 实现信码解调和再生 射频系统可以用微波低噪声放大器 也可以不用放大而采用直接混频方式 前者具有较高的接收灵敏度 而后者的电路较为简单 微波滤波器用来选择工作波段的信号 抑制邻近信道的干扰 图20 6接收设备框图 中频系统提供足够大的放大量 并具有自动增益控制功能 以确保送入解调系统的信号电平稳定 中频系统对整个接收信道的通频带和频率响应也起着决定性作用 数字调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式 由于相干解调具有较好的抗误码性能 因而比较常用 还有一种差分相干解调 也叫延迟解调电路 它是利用相邻两个码元载波的相位进行解调 只适用于差分调相信号的解调 这种方法的电路简单 但与相干解调相比 其抗误码性能较差
