[工学]第五章-微波中继系统与系统设计课件.ppt

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1、5.1微波中继系统基本概念 1.系统组成：由于微波通信是视距传播，而地球是圆的，故若要进行远距离微波通信，只有采用中继通信或接力通信的方式;同时由于微波波长较短，电磁能量的空间损耗较大，需要有中继站对微波信号能量进行补偿;因此微波无距离通信一般采用微波中继通信或叫微波接力通信。微波中继通信系统一般是由终端站、中间站、分路站和枢纽站（后三种统称中继站）组成，如图：枢纽站端站 端站中继站端站数字微波中继通信示意图端站中继站 终端站：其主要作用是在发信时，通过终端机的发信支路将各用户信号进行多路复用后汇成群路信号，由微波信道机发信通道进行调制与上变频，使之成为微波信号，通过天线向对方站发射出去。（反

2、之为接收）收信时，由天线接收对方站发射出来的中继站分为三种类型：中间站：只完成对对信号的放大和转发，至少需要两套微波发收设备，以便从不同方向接收与发射微波，可采用直接中继方式或外差中继方式。分路站（再生中继站）：处于线路中间，站上配有传输设备和分插复用设备，除了可以在本站上下部分支路外，还可沟通干线上两个方向间的通信。在监控系统中，再生中继站可作为主站，也可作为受控站。再生中继站只能采用基带中继方式。枢纽站：完成从数个方向加入或者取出信号。2.系统工作原理：由于接收与发射电平悬殊很大，因此为了防止干扰，防止发射信号进入接收机，在中继时采用不同的收信和发信频率。由于微波只能在视距内传播，因此相隔

3、一个以上中继站后，站间干扰就很小了，可以每隔一个站使用一个微波频率。这样传输中只需要两个微波频率，为“二频制”。“二频制”特点是节约频率资源，缺点是存在越战干扰，尤其是反向干扰。解决方法是：在天线背部加金属反射网一保证提高天线的反相隔离性能。一般要保证天线前后比到达70dB。由此，有时使用四频制，这样可以避免越战干扰，但是比较浪费频率资源。在中继站中,接收设备和发射设备常常被安装在同一个机架上。由于接收和发射信号的电平悬殊很大，所以为了防止干扰（主要是避免发射信号进入接收机），在进行微波中继通信时需要采用不同的收信和发信频率。当然，每个中继站均可选用不同的频率，但结果是系统 占据的频带过宽，造

4、成频谱资源的浪费，事实上，微波只能 在视距内传播，所以相隔一个以上的中继站后，站间的干 扰就很小了。因此在实际工作中，可根据需要来选择频率及工作方式。常用的有：单波道工作：在微波线路上只有一个波道的情况，一般采用二频制，即在整个传播过程中只用二个微波频率。亦可采用四频制。多波道工作：在一条微波线路和上有若干个波道同时工作。由于在多个波道中具有多频率的特性，故需要对所使用频率进行配置。常用的也是二频制。3.数字微波中继系统的特点1)PCM(脉冲编码调制)编码：将模拟信号转换为时域和频域都离散的量，在进一步变为代码进行传输。2)多路复用 两种复用方式：频分复用（FDM）：借助于频谱搬移技术按一定的

5、规律把各路信号的频谱相互错开后顺序排列，组成一个宽频谱的综合信号。频分复用（FDM)时分复用（TDM）数字微波中继通信系统的复用方式 时分复用(TDM)是使每路信号在时域内分别占用不同的时间间隔来实现多路信号的同时传输。TDM复用是将多个基群的PCM信号集合起来并在时间轴上重新排列，是数字传输的特性有方法。PCM-FDM复用（脉冲编码调制-频分复用）PCM-TDM复用（脉冲编码调制-时分复用）如图发端复接器把N路数宇信号按顺序安排在一帧内,收端分接器再把它分成备相互独立的数字信号，这实际上一种信号的串并行变换。时分多路复接方式：按位复接：按比特复接，这种方法是每次依次取每个被复接支路的一位码。

6、这种复接方式设备简单，要求存储量小，容易实现，其缺点是对信息的交换处理不利,PDH一般采用拉位复接方式。按路复接：按字复接，一个路时隙有八位码，是每次依次取每个被复接支路的八位码，4个支路轮流复接。-SDH微波一般采用该复接方法。按帧复接：每次依次取每个被复接支路的一帧，-不破坏帧结构，有利于变换，但需要大量的存储空间，-极少使用。微波数字系统的数字复接技术1）准同步数字系列PDH:（一般用于支线微波传输中）PDH数字复接系统包括发端的数字复接器和收端的分接器。复接器是把两个或两个以上的支路信号接时分复用方式合并成一个单一的高次群数字信号的设备，它由码速调整、定时和复接三单元组成；分接器是把已

7、合路的高次群数字信号，分解成原来的低次群数字信号的设备，它由同步、定时、分接和码速恢复单元组成。(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有 世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的 营运、管理和维护变得十分复杂和困难。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构 复杂，上下话路价格昂贵。2）同步数字系列SDH:是在SONET的基础上建立起来的一种新的技术体制,即是一套复用方法，也是一

8、个组网原则，同时规定了在网络节点接口上的所有速率等级，而对支路信号的速率没有规定。因此，SDH可以提供不同的传输通道。其信息结构等级为STM-N同步传输模块，其速率155.520Mbit/s，-SDH支持的N值为1，4，16，64。见2-2其相邻模块间的速率为整倍数关系-同步复用。同步数字系列有两种基础速率：一种是以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。3)微波传播与频段范围 微波传播的距离即中继站的距离是随波长的变化而改变的:如在1GHz-6GHz频率段，其中

9、继通信的距离一般在50公里左右为了实现多路时分复用，数字微波中继通信中的数字调制需占用较宽的频带，因此其通信系统应工作在较高的微波频段，如常用的13GHz15GHz。但由于波长缩短使得传播衰减增大中继通信的距离受到限制，其中继的一般距离为15公里。4)中继方式 数字微波通信的中继方式:直接中继(射频式）,外差中继（中频式）,基带中继。直接中继：是把接收到的微波信号用微波放大器直接放 大，-传输失真较小。移频：是为了避免中继站收、发 频率间的同频干扰；为克服传播衰落引起的电平抖 动，-采用自动增益控制措施。外差中继：在中频进行放大，如图:基带中继：用于分路站和枢纽站，在基带上进行 再生中继：对模

10、拟系统来说，中频与射频式转接系统失真小，二基带式要经过一次调制解调信号失真大，这种失真会随中继站增加而累计。数字微波中继通信系统采用的PCM中，信息仅包含于脉冲的有无，所以可在脉冲波形沿未失真前加以判断，重新建立脉冲来继续中继，可以实现再生中继。中继方式-再生中继（属于基带转接）。在正确地重新建立脉冲（再生）之后，还需将重新建立的脉冲正确地配列在一个相应的集团上（称为定时调整），定时调整所需的信息不需另给出，而是从传送脉冲序列中提取。（再生中继可保证有较高的通信质量）发信脉冲信号；接收端输入脉冲序列；提取定时；定时脉冲；再生脉冲序列。输出脉冲序列均衡放大 脉冲再生电路定时提取电路取样脉冲发生电

11、路输入脉冲序列5)信噪比与误码率 系统要正常工作必须保证一定的信噪比与误码率，为了准确接收来自发射机的脉冲信号，需要一定的高频信比，即系统高频部分输出的载噪比：载波功率与噪声功率比。当接收机接收到脉冲信号后，需通过合适的判断和选择电路。如果设信号的幅度为V，判断门限为V/2，则在某一瞬间，当噪声电平幅度小于门限时，可认为不影响脉冲的准确接收，如噪声大于该门限，将影响脉冲的接收从而产生误码。设噪声为高斯噪声，其功率均方根值为s，其概率密度分布为正态分布：设高频输出的载噪比为则有 使脉冲信号出现错误的噪声瞬时值的范围可由判断门限来确定：由误码率的公式 接收到期脉冲信号出现错误的概率为令 代入上式：

12、上式右边的第一项等于1，令此为高斯概率的积分函数。则误码率为：对于微波中继系统来说，载噪比与误码率关系：一般的，要求载噪比大于20dB。并将此时的电平作为门限电平。C/N 分贝 误码率13 10-217 10-420 10-622 10-10 发信天线的前后耦合（前对背耦合）；收信天线的前后耦合（前对背耦合）发信天线的前侧耦合；收信天线的前侧耦合；4.系统中的干扰1).干扰类型 在微波数字通信中，利用天线的尖锐方向性，采用二频制，用两个载波组成一个往返波道。中继站以同一个频率向两个方向发信，同时从两个方向接收同一个频率。由上产生的干扰有：越站干扰；天线的侧侧耦合（边对边耦合）；天线的后后耦合（

13、背对背耦合）；邻波道干扰；一般邻波道采用正交极化波隔离时，此时邻波道干扰为不同极化波干扰，其大小取决于交叉 极化鉴别度（XPD）；重邻波道干扰；此时为同极化波干扰，其大小取决于 滤波器的选择性；对于二频制，-的干扰为同一频率的干扰，而和则为不同频率间的干扰。仅在载频接近时才会有影响。所有干扰均取决于天线的辐射方向性的主瓣宽度和 在同一中继区间内并列的各波道之间,将产生如下干扰：2).干扰噪声的评价 由于各种干扰噪声的振幅分布不同,即使其噪声的功率相同,其对误码率的影响亦不相同。邻波道的干扰和收发信间的干扰对波道配置起着重要的作用。3).收、发信间的干扰 两种情况在两种情况下，其滤波器的设计的差

14、异则会较大。4).天线防卫度 所谓天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其它方向来的干扰电波的衰耗能力。天线防卫度主要包括下面几个指标：共用天线：收发信隔离的环行器等的耦合度，一般 为30-35dB；收发天线分离：表示侧侧耦合度，一般要求大于 80dB。4)天线防卫度 所谓天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其方向来的干扰电波的衰耗能力。天线防卫度主要包括下面几个指标：反向防卫度 边对边去耦 背对背去耦5.2 中继站中的微波系统与指标 一个通信系统的涉及的面很广，贯穿到通信设备的研制与生产、通信线路的架设与使用.设计一个通信系统，首先要考虑的是这个系统的传输容量、传输距离、传输环境，由此决定

15、系统组成、传输指标等等，不同的系统有不同的要求，应具体分析。系统的设计主要考虑三个问题：微波频率的配置；通信路径的选择；系统噪声的分配；1 假设参考通道与传输质量标准 高级假设参数数字通道：包含：3组一次群数字复用器，9组高次群数字复用器，9个数字无线中继区间。2.系统指标 系统的特性参数：传输损耗 发射功率 信号带宽 系统的两个状态：可用状态和不可用状态 可用状态下数字微波系统的质量指标有两个：高误比特率（BER=10-3）指标误码率达10-3的时间百分比，主要因素：传播衰落 低误比特率（BER=10-7）指标误码率达10-7的时间百分比，主要因素：设备不完善及干扰不可用状态下的质量指标：不

16、可用度指标系统不可用的时间百分比影响因素 设备故障由发射、接收设备的情况（数 量、使用）决定。传播衰减（降雨、降雪、衰落）由传播的距离、发射功率等决定。综合指标：站间距和无用度关系：当总的通信距离一定时，中继站间的距离越大，中继站的数量越少。这样，由设备和电源导致的无用度减少,因而相应分配给传播衰减所引起的无用度则多一些。但同时传输损耗增大。硬件能力；总的电路的无用度指标；最经济的等价；设备故障率：5.3 中继系统设计与频率配置1.系统的设计：微波频率的配置；通信路径的选择系统噪声的分配；系统的设计：通信路径的选择；微波频率的配置；系统噪 声的分配；系统的特性参数：传输损耗；发射功率；信号带宽

17、系统的质量指标：高误比特率（）；主要指标 低误比特率（）2.频率的配置 1)频段选择 在决定频率配置之前，必须先选定使用的频段。频段的选择取决于：微波频段1GHz-几十GHz。频带（GHz）分配频段（MHz）带宽（MHz）2 21002190 1904 36004200 6005 44005000 6006 59256425 50011 1070011700 100015 1440014760 720148701523020 1770021200 3500使用的带宽,应确保传输容量；传播特性，包括衰落及 降雨损耗等；电路及部件技术，设备制造难度及与已有设备的兼容。通信系统为二频制工作时，数字微

18、波系统的波道配置取决于：波道的等效传输容量；调制方式及码元传输速率；在该频段中配置的波道数量；2)波道配置 波道是指频分制微波通信系统中的不同射频通道。波道配置的目的：提高频谱利用率；减少射频波道的 或邻近路由间的传播信道的干扰；交叉极化的使用方法；邻波道间隔及收发信频率间隔；带外泄漏功率；1）传输容量和码元传输速率 传输容量-由传输电路的需要和 所决定 第调制方式及码元传输速率项是决定系统的技术条件的重要因素，尤其是码元传输速率对频谱开头和占用带宽都有很大影响，与项在该频段中配置的波道数量和邻波道间隔及收发信频率间隔项也有密切关系 第项在该频段中配置的波道数量是指在频段内安排少数宽频带波道还

19、是多数窄频带波道的问题 2）同波道配置和交错配置 同波道配置:垂直和水平极化的两个波道共用一个频率；交错配置:垂直和水平极化的波道互相交错。注意同一波道的收信和发信应为不同极化方向的场。由传输路径在降雨或衰落时的交叉极化鉴别（XPD）的恶化程度-确定使用何方法。设XPDmin是同电路指标所要求的时间率相对应的最差XPD，(C/N)min是调制方式在噪声分配上所能允许的载噪比,则采用同波道配置时应满足下述条件:。同波道配置的优点：与交错配置相比,在同一频段内能容纳较多的波道,因此,在整个路由的传输容量和频率利用效率方面较为有利；垂直极化和水平极化的两个波道可以使用完全相同的设备，因此可以减少设备

20、及备用插件的种类；交叉极化波带来的干扰是同频干扰，因此补偿和消除干扰噪声的技术比较容易实现。交错配置的优点：允许的XPD恶化值较大，因此，与同波道配置相比，可以延长中继距离，提高设备的经济性；对于分支路由，可以通过更换垂直和水平极化分配，以避免同波道同极化的干扰，降低分支条件；如果适当地选择系统的容量，可以采取与FDMFM系 统相同的波道配置，便于频率管理和运用。3）波道间隔 在确定波道配置时应考虑交差极化波道干扰、邻波 道干扰和收、发信间的干扰。对于同极化的邻波道干扰和 收、发信间的干扰，取决于邻波道间隔X、收发信波道间隔 Y、以及滤波器的结构等。X、Y的选择：其取值越小，频率利用率越高；应

21、使 滤波器系统频带限制所引起的码间干扰处在允许值范围 内;使邻波道干扰处在噪声分配的允许值范围内。其取值：邻波道间隔X：(Fm是基带调制的最高频率)收发信波道间隔Y：,为使发射信号的谐 波干扰频率不在接收信号的频段内，应有,n=1,2,3(4）带外泄漏功率：由国际上“无线电规则”,其带外泄漏功率应Fm（5）数字系统与模拟系统并存并存时，其波道配置具有以下三种：采用数字系统专用的波道配置；利用模拟系统配置方式的一部分波道来传输数字信号；分频段分别供模拟和数字波道使用。例：960路微波中继通信系统工作于4GHz波段，中心频率为，其频带为 共有6个双向微波波道和两个公务波道，每个微波波道（主波道）可

22、传输960路电话或一路彩色电视（包括伴音）。上半频带作为发射（或接收），下半频带作为接收(或发射).在同一波道中，收、发之间的频率差为213MHz；相邻主波道之间的频率间隔为，主波道的接收与发射频率之间的最小间隔为68MHz。采用双极化交错配置。f1距离中心频率的频率差为：则 或者作业：1.图示说明二频制微波通信系统中的干扰类型 2.工作于6GHz波段，中心频率为，其频带为 共有8个双向微波波道和两个公务波道，收、发之间的频率差为252.04MHz；相邻主波道之间的频率间隔为，主波道的接收与发射频率之间的最小间隔为44.5MHz求采用双极化交错配置时的频率配置并图示5.4 路由设计概论 微波干

23、线建设一般：不宜经过城市；不宜在厂矿及交通要道附近；1.路由选择的技术要求 路由选择的技术要求有以下几点：根据视距微波通信的特点，两站间的距离必须在视线范围之内。由于地面的反射影响很大，故中继线路的选择应尽量在断面起伏不平的地区，重要的是避免线路中有较大的光滑平地或水面。但亦不是高山地区就好，易引起遮挡或绕射效应。站距的长度，避免深衰落（与站距长度成正比).主要视通信频率而定。一般对于2GHz的通信频率，站距不应过60公里。除频率外，还应考虑具体的环境情况,并在确定站距前应进行必要的传播试验以帮助确定距离。所有中距站的站距要尽量相等，-每一中继段应有合 理的余隙避免越站干扰 对于二频制系统，为

24、避免越站 干扰，通常选择Z形路径，使各站的电磁波方向存在一 定的差别.通信信号电平D与干扰信号电平U的比值。则对于一般微 波中继通信系统 反射点的确定:反射点的确定是微波通信中的较重要的步骤。对于凸型路径来说，反射点就是最高点；对于对于凹型路径来说，反射点就是最低点。2.路由选择的经济要求 微波站一般选择在靠山且交通方便的地方，便于施工和 维护；微波站址应尽量靠近居民点，供水、供电可靠；微波站应易于取得外电源、生活资料、土建材料和燃料.天线高度：为防止地面及水面对辐射的影响，应选择有 利的地形安装天线并正确地设计天线高度。如利用天然屏 蔽来增加天线的抗背向反射能力，但天线的高度必须保证 达到一

25、定的要求才能保证天线的有效辐射或接收 应避免其它微波站的干扰；3.室内选线 第一步：在地图上进行室内选线。-通过地图操作提出路由方案。初步的路由选择。1）确定线路：在地图上确定线路的走向和站址；初步选择几个较好的合理线路，主要依据：线路应避免穿越水面等不利于电波传播的地区；线路应避免穿越或深入偏僻的山区；线路应尽量沿着铁路、公路等交通比较方便的地区2)选择微波站的站址：主要考虑：站距、天线高度、路径余隙、越站干扰、与其它无线电业务间的相互干扰，干扰源主要有卫星通信系统、雷达站、电视广播台等。3）计算及检查：列出各个站和各个中继段的基本数据，绘出地形剖面图，对各站的天线高度及传播情况进行计算、检

26、查，并确定所需铁塔（天线）高度。4）确定最终方案：选择两条或两条以上路由进行比较：总体角度着眼，在技术上、经济上进行比较，确定最终方 案。对于每个站址最好有两个点，经便现场勘测时能从优选择。具体计算设计用地图：纵线表示地球经度、横线表示地球纬度。1)站距的计算 2)发信站到收信站通信方位的确定 3)线路垂直角的计算 4)实地勘测并选择具体线路和站址 5)微波站安装时天线校准方法 5.5 数字微波噪声指标分配 信道的传输质量取决于信号（噪声）功率的大小和信噪比.1.中继系统噪声功率分配 在进行系统设计时，必须将整个系统所允许的总噪声功 率合理地分配到各个中继站和系统设备中，为设备设计提 出基本的

27、技术指标依据。在进行系统设计时，必须将整个系统所允许的总噪声功率合理地分配到各个中继站和系统设备中，为设备设计提出基本的技术指标依据。如在2500公里的通信距离里，如果要求任意一个话路的噪声功率小于10000pW，按国际电报电话咨询委员会（CCITT）的规定，把7500pW分给微波线路，而其余的2500pW分给复用设备。对7500pW进行分配。假设将2500公里的距离分为9个调制段，每段的长度约为280公里，平均分配（加权）噪声功率为 833pW，其信噪比为60.7dBm。每个调制段内，又可分为6个中继段，平均距离为46.3公里，在进行系统设计时应对其中各部分进行适当的噪声功率的分配。注意保留

28、余量用于抗衰落。一般为6dB。2噪声的分类 数字微波的信道噪声：热噪声（包括本拓噪声）、各 种干扰噪声、波形失真噪声、其他噪声。1）热噪声:是由传导媒质中带电粒子随机运动而产生的 通信系统：天线噪声、馈线噪声、接收机产生的噪声；由 接收机产生的噪声与电波衰落有关，衰落越严重，即收信 电平越低，该热噪声越严重。当天线与发射机之间匹配良好时，即,则天线 送给收信机输入端的热噪声功率为：式中：TA为天线的噪声温度（绝对温度）；2）各种干扰噪声两类：设备及馈线系统造成 另一类外来干扰 回波干扰 交叉极化干扰 收发干扰 邻波道干扰 天线系统的同频干扰 互调干扰 3系统载噪比C/N的分配 实际传输系统的误

29、比特率取决于：等效C/N恶化量来表示的各种原因引起的恶化；热噪声及干扰噪声等高斯噪声。由所引起的恶化原因是波形失真，如图，产生波形失真时，与理想的波形相比，判决电平的储备减小，则如有较小的噪声，就会引起误判。恶化的原因（波形失真）：a设备硬件引入的固有恶化；b传播引起的变动的波形失真恶化。在的情况下，即使波形不失真，由于叠加了噪声，也会发生判决错误。高斯噪声可分为：a与传播状态有关的变动的恶化成分；b与传播状态无关的恒定的恶化成分。微波数字通信的系统设计需满足上节所述的指标，则对影响误比特率的各种恶化因素要规定一个值。确定C/N值分配方法：首先由系统规定的误比特率和不同的调制方式，由理论计算求出理想系统的载噪比C/N，在此基础上加上固有恶化以及与允许时间率相对应的变动波形失真所引起的恶化，并将求得的C/N值分成恒定恶化成分(C/NC)以及与允许时间率相对应的变动恶化成分(C/Nr)。指标误比特率大于Pe的时间率不超过一个中继段的允许时间率P0C/N0(dB)(C/N0)+(dB)(C/N0)+(dB)C/Nc(dB)固定的恶化成分C/Nr(dB)变动的恶化成分（时间率P0）（dB）对 Pe的C/N的 理想值取决于硬件的等效C/N恶 化量（dB）变动的波形失真（时间率P0）