电力系统通信技术(下)

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1、第5章 微波与卫星通信技术5.1数字微波通信的概述5.2数字微波通信系统 5.3 SDH微波通信系统5.4一点多址微波通信系统5.5卫星通信技术5.6卫星通信系统的构成5.1数字微波通信的概述5.1.1数字微波通信的概念 微波:频率在300MHz300GHz范围内，波长极短（ 1mlmm）的电磁波。 常用的范围是140GHz。电磁波： f=c 微波通信:利用微波(射频)作载波携带数字信息，通过无线电波空间进行再生中继（接力）的通信方式。 模拟微波：携带的基带信息是模拟信号 数字载波：携带的基带信息是数字信号微波通信是无线通信的一种方式。（一）无线电波和频段划分无线电波：是一种频率较低、波长较长

2、的电磁波 中长波沿地面传播，绕射能力较强，沿地面传播（因为地面强烈吸 收能量）； 短波靠电离层反射传播； 微波（波长为1ml mm)，能穿透电离层，在大气对流层中沿视线直 线传播，绕射能力很弱。频段名称频率范围波长范围长波 中波 短波 超短波（特高频）30300kHz 3003000kHz 330MHz 30300MHz100001000m 1000100m 10010m 101m微 波分米波 厘米波 毫米波300MHz3GHz 330GHz 30300GHz10010cm 101cm 1cm1mmn中长波沿地面传播，绕射能力较强，沿地面传播（因为地面强烈 吸收能量）地波；n短波靠电离层反射传

3、播；n微波（波长为1ml mm)，能穿透电离层，在大气对流层中沿视 线直线传播，绕射能力很弱。（四）地面远距离微波通信微波：无线电波，类似光的传播特性。微波在自由空间只能像光波一样沿直线传播，绕射能力很弱； 在传播过程中遇到不均匀介质时，将产生折射和反射现象。地面上进行远距离微波通信需要采用“中继”方式，这是因为： （1）微波的似光性视距传播图5-2 微波通信的中继方式(2)微波能量的传播损耗和补充无线电波在空间传播过程中，能量要受到损耗。频率越高， 衰减越大。因此，欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通 信，也必须采用“接力”方式，逐段收发放大，最终到达远距 离收信端。（二）微波通信的特点(

4、1) 微波频段，受工业、天电和宇宙等外部干扰的影响很小 ，使微波通信的传输可靠性提高。12GHz以下，受风雨冰雪 等恶劣气象条件的影响较小，可使微波通信的稳定度大大提 高。目前使用较多的频段是2、4、6、7、8和11 GHz。(2) 微波频段占有频带很宽，可以容纳更多的无线电设备工 作。全部长、中、短波频段的总频带占有不到30MHz，而微 波仅厘米波的频带就占有27103MHz ，几乎是前者的103倍 。占有频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备越多。信息 容量大。 (|f|=|-c/|f|=|-c/2 2| |) ) (3) 微波射束在视距范围内直线、定向传播，天线的两站间 的通信，距离不会太

5、远，一般为50km。5.1.2 微波传播特性（一）自由空间的电波传播 1. 自由空间的概念理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。在此空间充满着均匀、理想的介质。2. 自由空间传播损耗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，即总能量在传播过程没有被损耗掉。但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散 而衰耗。这是因为电波由天线辐射后，向周围空间传播，到达接收 地点的能量仅是一小部分。距离越远，接收点的能量越小， 如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去 。这种电波扩散衰耗称为自由空间传播损耗。传播损耗为：（5-1）式中：d为收发天线的直线距离，m；f为发信

6、频率，Hz；c为光速度， ；当距离以km为单位，频率以GHz为单位时若频率以MHz为单位，则自由空间传播损耗:3. 自由空间传播条件下收信电平的计算 实际使用的天线均为有方向性天线。 设收发天线增益分别为 、 ； 收发两端馈线系统损耗分别为 、 ； 收发两端分路系统损耗分别为 、 。则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为,， 求在自由空间传播条件下，接收机的输入电平和输入功率 。 解: 由式（5-2）式 得例 已知发信功率为 ，工作频率 , 两站间距离 即（二）地形地物对微波传播的影响 地形地物对微波电磁波会产生的现象: 反射（reflection）、 折射（ Refraction ）、

7、绕射或衍射（diffraction） 吸收（absorption）。1. 平坦地表对微波的反射水面或平坦地面等地表对微波的反射，造成接收点的 场强是直射波和反射波的矢量和。当收发天线足够高时， 可以认为直射波是自由空间波。2. 地表障碍物对微波视距传播的影响地表障碍物是诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等 会阻挡电磁波视距传播的地物。与自由空间传播相比，地 表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗。（三）大气对微波传播的影响主要讨论对流层（010km）对微波传播的影响。表现在3 个方面： 1 氧气分子和水蒸汽分子对电磁波的吸收； 2 雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射； 3 对流层

8、结构的不均匀对电磁波的折射。当微波中继通信系统的工作频段在10GHz以下时，前两个方 面的影响不显著，只需考虑对流层折射的影响；当工作频段在10GHz以上时，3个方面的影响都需考虑。(五) 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 等。 解释： 波道：每个微波的传输通道 极化方向：电场矢量 的方向5.1.3 数字微波的使用与发展简况 起步：20世纪50年代，小容量、低频段的数字微波通 信系统。 实用化：70年代末得到了迅速发展，并形

9、成了一个完整 的技术系统。调制方式：(2PSK) (1024QAM) 频谱利用率大大提高：传输一路码流为64kb/s的数字电话，已能被压缩到与一 路模拟电话(带宽4KHz)所占用的信道频谱利用率相当。基于SDH的数字微波通信系统：进入90年代后，数字微 波具有建站快、成本低、不须铺设线路的特点，尤其适合 于紧急通信、临时通信、无线接入等用途。 5.2 数字微波通信系统 5.2.1 数字微波通信系统的组成一条数字微波通信线路：两端终端站，中间站。微波通信用于长途电话传输5.2.2 数字微波通信系统的主要技术为了提高数字微波信道的传输质量和进一步提高频谱 利用率，对新技术的研制和使用可概括为如下几

10、个方面： （一）多载频多电平调制技术1 多电平：4PSK -8PSK、16QAM - 64QAM2 单载频：一个波道的发信机(或收信机)只使用一个载频(即 射频)。为了减小数字微波通信的多径衰落，把传输频谱变窄是 一种有效的方法。 多载频：在256QAM系统传输方式。 例： 单载频： 100Mb/s4个载频：400Mb/s而其占用波道的频谱却与只用一个载频传输100Mb/s占 用的频谱相当。（二）干扰信号抵消技术20世纪80年代中期，国外在数字微波通信系统中使用了 这种技术。因干扰噪声是数字微波通信系统中一种主要噪声，所以 当信道中存在干扰信号时，可设法把干扰信号提取出来。或 用另外的方法由其

11、它地方获得干扰信号，然后，加入到原信 道去抵消存在的干扰。只要使提取的干扰信号与存在的干扰 电平相等、相位相反，就可使原信道中的干扰成分大大减小 ，提高了信道的传输质量。（三）微波射频频率再用技术- 提高频谱利用率多波道工作时，在两个微波站之间，往同一方向的多个发 信频率(对应多个波道)间要有一定的频率间隔。例如我国4GHz、960路干线模拟微波，波道间隔为29MHz 。(a)：同波道型频率再用。（干扰信号抵消技术，抗同频干扰）同一个微波频率可水平极化，“=” ，主用 F同时又可以垂直极化， “” ，再用 Fr(b)：插入波道型频率再用。（两个不同极化波的干扰程度比 ()低）再用波道插在两个主

12、用波道之间（四）收、发微波射频单频制技术两频制： 一个波道的收、发使用两个不同的微波频率。若收、发共用同一天线、馈线的系统，要求收发间去耦度不 小于30dB。在我国4GHz、960设备中，收、发频率相差213MHz。若采用收、发频率分开的两个天线、馈线系统，收发间去耦度 可达到7080dB。这就使从两频制进展到单频制成为可能，单频制：一个波道的收、发使用同一个微波频率，不同极化方式。（可使系统的频谱利用率提高一倍）主要问题：站内本系统收、发之间的同频干扰其它站的越站干扰问题解决方案：使用高性能的两个天线、馈线系统对收、发信设备加强屏蔽和去耦采用干扰信号抵消技术等措施。反向防卫度边对边去耦背对背

13、去耦（五）多径分集技术多径传输：电磁波传输经过反射、折射和直射等多个不 同的路径，以不同的方向和时延到达收信点，而进行矢量相 加。后果：微波通信中的频率选择性衰落。设想：而多径传输的电波却载有相同的有用信息，所以 人们想用数字分析的方法和信号处理技术，把有用信号分离 出来，并加以利用，这就是多径分集技术的设想。由于实现 的难度较大，所以其进展程度不快。为满足上述指标，除了有主用波道和主用设备外，还 附加有备用波道和备用设备。 当主用备用波道的切换要依据监控系统对线路工作状态的 监测和控制结果而定。 主控站，中心站：集中监控功能的有人站被控站，远方站：无人值守站 微波站的无人值守和集中监控势在必

14、行。监控系统的遥测、遥信和遥控、遥调功能四遥功能 遥测：主控站向被控站发出询问指令（书） 遥测：被控站向主控站发送模拟量信息 （电力系统远动） 遥控：主控站向被控站发送控制二元信息指令：开关(机械 或电气)投、切动作。 遥调：主控站向被控站发送调节指令：模拟量调节的电气 动作。 遥信：是各无人值守站向主控站发送表示站上设备工作状 态“正常”、或“不正常”的二元信息(1、0码)的过程。5.2.5 天线、馈线系统发信设备 -微波信号 -馈线系统 -发射天线 -无线定向发射 -接收天线 -馈线系统 -微波信号 -收信设备 。天线、馈线系统包括: 天线和馈线、阻抗变换器、极化分离器、波道滤波器等。天线

15、、馈线系统最基本的要求有： 足够的天线增益，良好的方向性，低损耗的馈线系统，极小 的电压驻波比，较高的极化去耦度，足够的机械强度等。数字微波或模拟微波的天馈线系统型式及技术要求基本相同 。反向防卫度边对边去耦背对背去耦2. 卡塞格林天线双反射器的抛物面天线，其外形简图如图所示 (a)：一般较常见 (b) ：近年来出现，圆柱屏蔽罩式。可降低向后方辐射的功 率(降低后瓣)，又可减弱旁瓣。C、C为双曲线的两个焦点。 若从C点向另一双曲线作射线CP，过双曲线上的一点P作双曲线 的法线MP。根据双曲线性质，=。即切面上的入射角等于反射角。因此，由C发出的射线CP经双曲面反射后，就相当于从C发出 的射线一样。卡塞格林天线组成：三部分初级喇叭辐射器 实焦点C 双曲面副反射器抛物面主反射面 焦点F ，与 (虚焦点)C重合由C - P - E 就相当于 （C)F - P E ;再经抛物面主反射面聚焦作用，就成为平面波而发射出去 。5.4 一点多址（点对多点）微波通信系统5.4.1 概述近年来发展起来的一种分布式无线通信方式， 应用：在一些幅员辽阔、用户分散、人口密度相对较低、话 务量较小的地区。如用有线方式难以到达的山区和海岛。 组成：一个中心站(又称基地站)和不同方向的多个外围站(或称用 户站、远端站)1 由于微波的视距传播特性(似光性)，因此外围站只能设在 中心站的方圆50km范围之内