最新微波通信技术培训PPT课件 162页

'微波通信技术培训 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 电波的干涉和极化Transmission&TransportNetworks 矩形波导中H10模的场结构aH10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＝VerticalH=HorizontalbTransmission&TransportNetworks 惠更斯—费涅耳原理Transmission&TransportNetworks 惠更斯——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。Transmission&TransportNetworks 互易定理的概念: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，因此在其中就可以简化工程计算。惠更斯—费涅耳原理Transmission&TransportNetworks 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.Transmission&TransportNetworks d1d2dd1+d2-d=l/2第一费涅耳椭球面:费涅耳椭球面Transmission&TransportNetworks 费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks ThesignalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightLineofsight1stzone费涅耳区TheFresnelZone: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。TheFirstFresnelZone费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks TheFirstFresnelZoneTotalreceivedsignalDirectsignal1stzoneReflectedsignal180180l/2费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks 1stzone+2ndzone-TheSecondFresnelZoneThesignalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightLineofsight费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks TotalreceivedsignalDirectsignal2ndzone1stzoneReflectedsignal180180lTheSecondFresnelZone费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks Lineofsight1stzone+2ndzone-3rdzone+ThesignalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightTheThirdFresnelZone费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks 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；由第一费涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的费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。费涅耳区的能量分布:费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)Transmission&TransportNetworks 费涅耳半径费涅耳半径TheFresnelRadius: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)1/2xF1上式中：F1为第一费涅耳半径。Transmission&TransportNetworks 费涅耳半径(TheFresnelRadius)F1=（λd1d2/d）1/2F2=（2λd1d2/d）1/2=(2)1/2F1......Fn=（nλd1d2/d）1/2=(n)1/2F1Transmission&TransportNetworks d1d2dd1xd2fxdrF==17.3xrFinmeterd,d1,d2inkmfinGHzrFTheFirstFresnelRadiusCxd1xd2fxd费涅耳半径(TheFresnelRadius)Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 自由空间的定义自由空间FreeSpace: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=10-9/36πF/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7H/m（亨/米）。Transmission&TransportNetworks 自由空间损耗的定义自由空间损耗Freespaceloss: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。Transmission&TransportNetworks FreeSpaceLossA=92.4+20logd+20logfWhered=distanceinkmf=frequencyinGHz(refertoisotropicantennas)0dfD或f增加一倍，损耗将增加6dB自由空间传输损耗(FreeSpaceBasicTransmissionLoss)Transmission&TransportNetworks 自由空间传输损耗(FreeSpaceBasicTransmissionLoss)P=发射功率(TXPower)PTXPowerLevelDistanceGTXGRXPRXG=天线增益(AntennaGain)A0A0=自由空间损耗(FreeSpaceLoss)M接收门限(ReceiverThreshold)M=衰落储备(FadingMargin)GPGTransmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 衰落衰落的定义:微波是直射波传播，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。Transmission&TransportNetworks 衰落快衰落Rapidfading和慢衰落Slowfading(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Upfading和下衰落Downfading(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Multipathfading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。衰落的种类Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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。RadioFrequencyGHz1050100100050010001001010,10,01H2OO2O2H2OH2O15°CH2O7,5g/m31013hPa25g/m3AttenuationCoefficientdB/km大气吸收衰减AttenuationduetoGases：Transmission&TransportNetworks 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6GHZ以上（即波长5CM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。雨雾衰减AttenuationduetoRainandFogTransmission&TransportNetworks AttenuationduetoRain(雨雾衰减）Radiofrequency(GHz)TropicalDownpourHeavyRainMediumHeavyRainLightRainDrizzle0.412410203050100150雨雾瞬时强度(InstantaneousRainIntensity)(mm/h)0.010.111050雨雾吸收系数(RainAbsorptionCoefficient)(dB/km)5102050100»2.4dB/km7GHz38GHz»5.9dB/km»37dB/km38GHzTransmission&TransportNetworks Raindropsrealshape:HVTransmission&TransportNetworks 传输距离与降雨，天线口径和极化方式的关系雨雾衰减AttenuationduetoRainandFogTransmission&TransportNetworks 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7dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般最大中继距离在10km左右，在广东地区需要控制在3公里以内。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雨雾衰减AttenuationduetoRainandFogTransmission&TransportNetworks 全球降雨划分为H,K,N,P四个区域。平均降雨量在32mm,42mm,95mm和145mm每小时。中断概率0.001%，考虑降雨微波设备的理论单跳传输距离雨雾衰减AttenuationduetoRainandFogTransmission&TransportNetworks 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。对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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：=KRR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（refractionintheatmosphere）:对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 大气折射（refractionintheatmosphere）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(Duetorefractionintheatmospheretheradiobeamisbent,normallyslightlydownwards)弯曲影响是通过K型因子来表示(Thebendingeffectisdescribedbythek-factor)K=4/3是标准大气(k=4/3correspondstothe“standard”atmosphere)对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 微波传播(MicrowavePropagation)k>1正折射k=1无折射k<1负折射对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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:对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 传播路径受大气分层的影响:对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 传播路径受大气分层的影响对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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+adn/dh)传播路径受大气的影响:对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks k=¥4/312/3Trueearthradius(r)Groundclearance2/34/31k=¥等效地球半径Equivalentearthradius(r·k)Groundclearance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,ae=4a/3称为标准等效地球半径Transmission&TransportNetworks Distance50kmGeometricallineofsightRadioopticallineofsight微波传播(MicrowavePropagation)对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks Distance50kmk=2/3k=4/3等效地球半径的影响对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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，约几分钟对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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型衰落对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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:对流层对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks RefractedDirectReflected地面反射对微波传播的影响微波的多径传播Transmission&TransportNetworks Diffracted微波的多径传播地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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。地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 绕射Diffracted微波传播模式MicrowavePropagation路径上刃形障碍物的阻挡损耗地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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HC=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。地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks Reflections-fromatmosphericlayers-fromground-frombuildings反射损耗（reflectionLoss）地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 微波传播模式MicrowavePropagation直接传播Direct反射Reflected平坦地形对电波的反射:地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 平坦地形对电波的反射:当站距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=λx（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+2ΦxCOS（πx（hc/F1）2]1/2V：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）+VdB地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks Flatfading(电平衰落)ThelossisuniformacrossthefrequencyspectrumSelectivefading(频率选择性衰落)Thelossvariesacrossthefrequencyspectrum多径衰落地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks Frequency(MHz)Receivedpowerlevel(dBm)NormalFlatSelective多径衰落地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 1hRecordingoftypicalmultipathfadingRxlevelduringfadingfreetimeThresholdlevel(-30dBlevel)Biterrorinterruptionofcommunication(rapidfading)“UpFading”多径衰落地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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:地面反射对微波传播的影响Transmission&TransportNetworks 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：天线的高度差在100~150λ之间，在工程中需要根据接收效果进行调整。H空间分集Transmission&TransportNetworks 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数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks …..…..均衡前均衡后时域均衡直接抵消码间干扰TTT时域均衡数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 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数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 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。数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 多径传播——地面反射数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 方法二：高低天线法数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 天线间距150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0.5到0.6之间方法三：空间分集数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 不同天线接收到的反射信号方法三：空间分集Transmission&TransportNetworks 信号合成dBhmh1h2F1h1h2F1F1d100CombinerCombinedIFoutputReceiversPathequalizationTwooperatingmodes:1-minimumdistortionforanhighlevelreceived2-maximumpowerforaweaklevelreceived(-65dBm)NN(F1)(FI)R1R2Climaticreflectionto150方法三：空间分集Transmission&TransportNetworks 信号合成方法三：空间分集Transmission&TransportNetworks h1Dh=ld4h1l=Wavelengthd=PathlengthTxRxl/2Dh空间分集的间距计算Transmission&TransportNetworks 空间分集和角度分集数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks TXRXf1f1Alarmf1f1热备份和空间分集（HotStand-byandSpaceDiversity）数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks TXRXf1f2Alarm工作备份和频率分集（WorkingStand-byandFrequencyDiversity）数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks f1or(f1+f2)热备份或工作备份（HotStandbyorWorkingStandby）数字微波系统的抗衰落技术Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 工作波长短、克服障碍的能力差在实际的工程勘察中，树林、灌木丛都是不可忽略的影响通信质量的因素。点对点视距传播通信的要求微波天线发射的信号树叶会对微波信号造成遮挡Transmission&TransportNetworks 需要有方向性比较强的天线点对点视距传播通信的要求在数字微波接力通信中，天馈线系统的作用是发射和接收微波信号，并完成微波信号在天线与收发信机之间的传送。它包括天线反射面、馈源。微波通信主要采用抛物面天线。抛物面天线将球面波转变为平面波射向空间。因而具有强方向性、高增益和低损耗等特性。1、结构：1）旋转抛物面；2）馈源。反射面馈源ZXP0Transmission&TransportNetworks 天线的基本参数：1）天线增益G；2）主瓣宽度；3）极化去耦；4）防卫度；5）电压驻波比。天线增益是一个重要参量，它表示抛物面天线把能量集中辐射的程度。经推导：（πD/λ）2G=E2/E02=（πD/λ）2GdB=η10lg天线增益与天线的口径成正比，天线直径每增加一倍，天线增益增加6dB。天线在制作中比理论值存在误差，所以有一个利用系数η。如果不加以特别说明，天线指标中给出的增益值都是指最大辐射方向（称为主瓣）上的增益。主瓣宽度是指在最大辐射方向两侧功率密度等于最大直一半的两个方向之间的夹角，也可以叫作3dB波瓣宽度。主瓣宽度越小，天线辐射的能量越集中。天线直径一定时，工作频率越高，波长越短，天线的主瓣宽度就越小，能量集中程度越高。主瓣副瓣副瓣天线方向图Transmission&TransportNetworks 极化去耦：由于在同一个站点上有可能多个微波波道在工作，为了隔离其他信号，有时需要两个微波信号采用不同的极化方式，如水平极化和垂直极化。两种极化方式接收功率之比，成为极化去耦。xdB=10lg(Po/Px)防卫度：天线的防卫度是指天线对某个方向的接收能力相对于主瓣最大辐射方向的接收能力的衰减程度。一般常用的是90度（相对于主瓣方向）的防卫度和180度方向的防卫度。对180度方向的防卫度也叫前后比。电压驻波比：天线与馈线的连接（或波导）要匹配好，输入驻波比一定要小。如果驻波比大说明天线向馈线反射大，这样在传输的信号中要产生杂音，会引起误码。驻波比应不大于1.2。Transmission&TransportNetworks K=4/3时,第一费涅耳区无障碍物(The1stFresnelshallbefreefromobstacleswhenk=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(Onpathsoverwatersurfacesordesertareas,itisrecommendedtohavethe1stFresnelzonefreefromobstacleswhenk=1(SeealsoITU-RRec.P.530))Distance50kmk=4/31stFresnelzone微波设计目标(MicrowavePropagationDesignObjective)Transmission&TransportNetworks 传播余隙TR0.50dB1.0-10-60当相对余隙大于0.5，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Transmission&TransportNetworks 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传输余隙Transmission&TransportNetworks 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=0.577。在Φ＜1时，第一次出现收信电平等于自由空间电平时HC/F1=0.577。我们把HC/F1=0.577时的余隙称为自由空间余隙，用H0表示。它的表达式为：H0=0.577xF1=（λd1d2/d）1/2传播余隙Transmission&TransportNetworks 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+2ΦxCOS（πx（hc/F1）2]1/2Transmission&TransportNetworks 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hc=h0=（1/3）1/2xF1时，此时V=1,或VdB=0;B、在hc=0时，对刃形障碍物：VdB=-6dB;对较大尺寸障碍物：VdB＜-6dB；计算按C式。C、在hc＜h0时，VdB=V0dB（1-hc/h0）上式中：VdB：考虑绕射时的衰耗因子。h0：为自由空间余隙。h0=0.577F1hc：为中继电路主射线余隙（m）V0dB：为自由空间余隙为hc=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。Transmission&TransportNetworks 干扰源临站干扰越站干扰抗干扰途径Transmission&TransportNetworks 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、“汽船声”、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。Transmission&TransportNetworks 邻站干扰(NeighbouringStationInterference)Transmission&TransportNetworks SiteASiteBSiteCSiteGSiteFSiteESiteDInterferingsignalpath越站干扰Transmission&TransportNetworks MethodstoreduceinterferenceTransmitterattenuationHighperformanceantennaPolarizationLargerantennasFrequencyseparation抗干扰的途径Transmission&TransportNetworks 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 微波传输系统的基本构成ModTransmitterReceiverDemDownconverterinIFIFSignalRecoveryIFCarrierModulationUpconverterRFchannelTxRx天线系统IFmicrowaveIFBB:BasebandBasebandBasebandIF:IntermediateFrequencyRF:RadioFrequency(300MHz-30GHz)调制原理Transmission&TransportNetworks 微波发射过程－频谱搬移调制原理Transmission&TransportNetworks 频率变换IFOscillator:F0±IFAmplifierConverterAmplifierFrequencyAIFRF：F0TranslationFilter调制原理Transmission&TransportNetworks 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)调制原理Transmission&TransportNetworks 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调制原理Transmission&TransportNetworks 柰奎斯特准则第一准则：抽样点无失真，或无码间干扰n=00,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调制原理Transmission&TransportNetworks 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：调制原理Transmission&TransportNetworks 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。数字信号调制原理调制原理Transmission&TransportNetworks SquarerootNyquistH(f)TT20f12T1TUsefulband(Nyquist)=0=0.5=110T-T-2T-3T2T3T12Transientresponse=0=0.5=1twithnoiseIdeal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调制原理Transmission&TransportNetworks 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。限带传输调制原理Transmission&TransportNetworks 微波的多径传播模型---二径模型RefractionReceiverTransmitterAmaxAminFrequencyRadiochannel>1non-minimalphasefadingAF0FAAAForA1=A2AmaxdB=+6AmindB=-AF=11112-A+A228=T=AA221-T1ReflectionA,T22A,T11<1minimal-phasefadingTransmission&TransportNetworks 二径传输模型Rummler的二径传输模型Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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<6.6dB.数字微波调制技术Transmission&TransportNetworks 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SQAMPSK调制Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks PSK调制Transmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 64QAM&128QAMTransmission&TransportNetworks 16QAM调制原理Transmission&TransportNetworks 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。Transmission&TransportNetworks 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。Transmission&TransportNetworks 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。§Improvementofsystemgainagainstrainattenuation.§Improvementinupfadingcharacteristics.§ImprovementinresidualBERcharacteristics.§Reductionofinterferencetoneighboringsystems§ReductionofinterferencetootherroutesATPC 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 微波信号的频率范围LFMFHFVHFUHFSHFEHFMicrowave10Km1Km100m10m1m10cm1cm1mmf30KHz300KHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHzInfra-redrayVisiblelightTransmission&TransportNetworks 85432102013040501.52.5区域网长距离干线网区域和本地网，边际网2834Mbit/s34140155Mbit/s2834140155Mbit/s3.311GHzGHz微波频率资源的使用Transmission&TransportNetworks ChannelnumberFrequencyF3F1F2Fo12n1"n"LowerhalfbandUpperhalfbandCenterfrequencyFo:Centerfrequency2"频率规划Transmission&TransportNetworks OnefrequencypairperchannelTxRxTxRxChannelChannel11"nn"11"nn"频率规划Transmission&TransportNetworks Cross-polarizationofthesamechannelperformedateachhop11"11"11"HVH链路中的交叉极化配置频率重复利用：二频制Transmission&TransportNetworks 频率收发频差(MHz)用途4-7Ｇ161,154,245长距离干线８Ｇ126,161，154，199,266,311，长距离干线11-13266中，短距离１５Ｇ308,420,490,315，720，728中，短距离１８Ｇ340，1092.51008,1010,1560中，短距离２３Ｇ600,1050,1232,1008,1200,中，短距离２６Ｇ855,1008短距，离城区２８Ｇ1008短距，离城区３２Ｇ812短距，离城区３８Ｇ700,1260短距，离城区微波设备主要工作频段Transmission&TransportNetworks 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 微波站Transmission&TransportNetworks 站站接力式的中继方式完成传输SiteFSiteESiteCSiteDSiteBSiteATransmission&TransportNetworks 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Transmission&TransportNetworks 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。ActiveRepeaters有源中继站ActiverepeatersTransmission&TransportNetworks 双抛物面无源中继站Parabolicreflectors：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Planereflectors：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(通常小于120°）和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。无源中继站PassiverepeatersTransmission&TransportNetworks 双抛物面无源中继站PassiverepeaterwithtwoparabolicreflectorsL1PTG1L2G2L3G3L4PRG4L5PT：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Transmission&TransportNetworks Site2Site1无源站空间损耗dB＝92.4＋20logF(GHz)＋20logd1＋92.4+20logF(GHz)+20logd2假定:d1=16Kmd2=4Kmd=d1+d2=20Kmd1d2双抛物面无源中继站Transmission&TransportNetworks 加无源中继站的自由空间损耗:F=10GLdB＝92.4＋20logF(GHz)＋20logd1＋92.4+20logF(GHz)+20logd2=92.4+20+23.5+92.4+20+14=262.3dB不需要增加无源中继站的自由空间损耗:F=10GLdB＝92.4＋20logF(GHz)＋20logd=92.4+20+26=138.4dB无源转发的空间损耗增加了=262.3-138.4=123.9dB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。在条件允许的情况下：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；尽量使无源站到其中一端站的距离小于1Km。双抛物面无源中继站Transmission&TransportNetworks 例2:d1=19Km,d2=1Km,d=d1+d2=20Km加无源中继站的自由空间损耗:F=10GLdB＝92.4＋20logF(GHz)＋20logd1＋92.4+20logF(GHz)+20logd2=92.4+20+25.6+92.4+20+0=250.4dB不需要增加无源中继站的自由空间损耗:F=10GLdB＝92.4＋20logF(GHz)＋20logd=92.4+20+26=138.4dB无源转发的空间损耗增加了=250.4-138.4=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。双抛物面无源中继站Transmission&TransportNetworks 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4KM双面天线无源中继站Transmission&TransportNetworks Passiverepeaterwithplanereflector反射板式无源中继站Transmission&TransportNetworks 无源中继站反射板式无源中继站Planereflectors双面天线无源中继站ParabolicreflectorsTransmission&TransportNetworks 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反射板式无源中继站利用微波信号的反射特性——克服特殊的路由障碍G=n4π/λ2Acos入射角<45度板边长>80λ满足以上条件，效率>90%无源反射板Transmission&TransportNetworks 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 微波设备的分类按照线路中继距离可分为长距离接入和短距离接入2大类，目前移动运营商作为基站接入用途的微波设备基本都是短距离的微波设备。按照设备的所采用的同步模式可分为PDH和SDH2大类；微波设备的传输容量PDH微波设备的传输容量一般为8M、16M、34MSDH微波设备的传输容量一般为155M或2x155M微波设备的业务接口早期的PDH微波设备一般只能提供E1接口，4E（8M）、8E1（16M）、16E1(34M)现在一些新型的PDH设备出了可提供E1接口以外，还可以提供10/100Base-T以太网接口目前主流的短距离SDH微波设备提供的业务接口一般是155M光接口，根据需要可增加相应的接口单元板提供E1接口或以太网接口。Transmission&TransportNetworks 广东移动在网使用的几个主要微波设备品牌：PDH微波：NEC、加州、P-COM、爱立信SDH微波：NEC、爱立信、京信、阿尔卡特、地杰目前各微波厂家的短距离微波硬件组合方式大致相同，主要包括以下几大部分：室外部分：微波天线、微波收发信机（ODU）。室内部分：调制解调单元、业务接口单元，这两部分通常集成在一个机盒里，通常将其叫做IDU。中频同轴电缆：维护人员通常称之为馈线，起到连接ODU、IDU的作用，通过IDU向ODU供电。各个厂家设备中频接口允许微波馈线插入的衰耗有所差异，如果需要更换馈线，尽可能使用相同型号的馈线。相同尺寸、不同频段的天线其增益是不一样的，如果需要更换天线，一定要换用同频段的天线。Transmission&TransportNetworks 微波设备日常安装维护的特别注意事项：微波室外部分的施工维护需要进行高空作业，特别需要注意采取安全防护措施，必须佩带安全带、安全帽，使用前必须检查确认安全带、安全帽完好。雷雨天气严禁进行登高作业。室内施工维护作业必须注意用电安全，不能佩带手表、手链等金属品进行取电作业。Transmission&TransportNetworks 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第六章微波设备及维护简介第七章无线光通信FSOTransmission&TransportNetworks 无线光通信FSO（FreeSpaceOpticalCommunication）FSO是光通信和无线通信结合的产物，FSO将自由空间作为传送媒体，主要用半导体振荡器做光源，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。1550纳米的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。Transmission&TransportNetworks FSO能支持155Mbps－10Gbps的传输速率，目前商用设备的传输速率为155Mbps；FSO传输距离可达2～4公里，但通常在一公里有稳定的传输效果。由于激光具有直线性和窄波束的特点，FSO主要用于点对点视距传输。使用时，要求通信两点间必须无阻碍，任何对光束的遮挡都将对通信造成影响。同时，要求两端设备对准且固定牢稳，以保证对光信号的直接有效接收。由于采用激光通信，信号方向性强，能量集中，不向空中其它方向产生辐射，因此，FSO系统不会同频干扰，即使链路交叉也不影响通信，因此，同一地点可以装多套FSO设备。FSO是物理层传输设备，以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。Transmission&TransportNetworks FSO的一些优点：1）快速链路部署。FSO的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶、屋内甚至窗外。2）无需频谱许可证。无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。3）安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。4）协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。FSO的设置施工简单，短时间内可实现点对点大容量通信，因此，对于大容量的临时线路，以及灾害后的通信恢复工程是一种有效的选择。FSO的缺点：1）FSO由于在空气中传输衰减大，在大雾天等天气情况不好的时候可能无法使用，只适合短距离传输。2）FSO两端设备需要严格视通，容易受环境因素影响造成通信中断。3）FSO两端的设备需要精确对准，不适合铁塔之类的场合安装使用。Transmission&TransportNetworks FSO通信技术的发展为克服恶劣天气对光传播的影响，目前有FSO厂家研究使用T-RAY频段，这一频段与红外光极其接近。工作在这一频段的FSO设备可以将无线电波和可见光的优点结合起来，在浓雾天气中也可以高速传输数据。目前，T-RAY频段的光通信设备还在研制阶段。同时，另一类工作在W频段的无线通信设备已经面世。W频段微波设备也有其弱点：大雾奈何不了它，但雨天对它则有很明显的影响。因此，在部署这类设备前，要分析当地降雨的年平均分布规律。显而易见，在终年无雨的地区，W频段设备是最佳选择，在常年没有雾的地区，用FSO最合适。除此之外，把二种设备结合起来使用是最现实的选择。现在，已有厂商推出了结合FSO技术和W频段无线技术的复合型产品，在极端天气出现时，设备可自动在FSO和W频段模式间切换。在一般天气里，两类设备同时运行，其中一台作为冗余备份，这一方面可将可靠性从单台的99%提高到99.99%，另一方面还可防止意外的光线遮挡。Transmission&TransportNetworks '