[信息与通信]第6章 数字微波与卫星通信系统.ppt
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1、第6 章 数字微波与卫星通信系统,6.1 数字微波通信系统概述 6.2 SDH数字微波通信系统 6.3 卫星通信系统 6.4 通信卫星 6.5 数字卫星通信系统 6.6 卫星地球站,返回主目录,第6章 数字微波与卫星通信系统,6.1 数字微波通信系统概述 6.1.1 微波通信基本概念 1. 微波通信的频段及特点 微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通信方式。无线电磁波是以频率或波长来分类的, 波长与频率的关系如下: = (61.1) 式中, 为电磁波波长(m); C为电磁波传播速度3108(m/s); f为电磁波频率(Hz)。,无线电频段的划分如表6.1所示。由表可知, 微波频段在较高频段
2、, 通常人们所说的微波是指频率在0.3300 GHz范围的电磁波, 利用此频段的电磁波来传递信息, 就称之为微波通信。 电磁波频率不同, 波长不同(频率越低, 波长越长), 其空间传播的特性也不一样, 因而用途也有不同。 长波绕射能力最强, 靠地波传播, 常用于长波电台进行海上通信。中波较稳定, 主要用于短距离广播。短波利用了电离层反射进行远距离传播, 主要用于短波通信和短波广播。 在短波传输时,由于电离层的变化, 信号起伏变化较大, 接收信号时强时弱; 晚上电离层较稳定,因此传播效果也较好, 信号较稳定; 在听无线电广播时人们能体会到这一特性。,微波波长短, 接近于光波, 是直线传播, 这就
3、要求两个通信点(信号转接点)间无阻挡, 即所谓的视距通信。微波通信除此之外, 还有以下特点: 工作的微波频段(GHz级别)频率高, 不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响, 因此, 通信可靠性高。由于波长短, 天线尺寸可做得很小, 通常做成面式天线, 增益高, 方向性强。特别在110 GHz频段(称为无线电窗口的微波频段), 衰减、干扰, 以及自然条件等影响都比较小。因此在微波通信以及在卫星通信中首先采用, 而且使用范围一般为C波段。(4/6 GHz)频段。 微波通信又称接力通信或视距通信。这里视距是指要“看得见”对方, 天线的两站间的通信, 距离不会太远, 一般为50 km。,为了远距离
4、传送信号, 微波通信就像人们进行接力赛那样, 把信号一段一段地往前传送, 所以又称为微波接力通信。 微波频带宽, 传输信息容量较大。 2. 数字微波通信系统组成及工作过程 1) 微波通信系统组成 数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成, 如图6.1所示。它由发端站、中间站和收端站组成。 工作过程从图6.1可知, 如从甲地端站送来的数字信号, 经过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理)后, 经数字调制, 形成数字中频调制信号(70 MHz或140 MHz), 再送入发送设备, 进行射频调制变成为微波信号, 进而送入发射天线向微波中间站(微波中继站)发送。,图6.1 数字微波通信系
5、统方框图,微波中间站收到信号后经再处理, 使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送, 这样一直传送到收端站, 收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号, 再分路还原为原始的数字信号。 2) 微波通信设备的特殊天馈系统 无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的, 微波通信也不例外。由于微波频率高, 波长短, 因此使用的天线一般都采用面式天线, 有喇叭天线、 抛物面天线、卡塞格伦天线等。 如图6.2所示,微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)。其主反射面似一口大锅的抛物面,其抛物面中心(锅底)底部置馈源, 作为发送和接收电磁波信号的门户。,其馈线系统, 一般由波导和同
6、轴电缆(工作频段在 2 GHz以下时)组成。由图6.2中可看出, 天线馈源与馈线是直接相连的, 微波信号天馈系统中还要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换, 这些滤波器、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件, 不同于传统的电子器件。 ,图6.2天线馈线系统 (a) 同轴电缆天线馈线系统; (b) 圆波导天线馈线系统,6.1.2 微波传输线路 1. 微波传播的电波特性 在两个微波站间的电波传播我们称为微波信道或微波线路(两站间的接力通道、 接力线路)。 它们之间存在衰减, 这种衰减可以按自由空间天线辐射能量的衰落进行计算, 但其实际传播情况与两站内所处的环境、 自然现象等有关。 如地面或山地
7、的反射波, 雨、雾、雪等对电波的吸收和散射、折射, 这些情况会引起电波的快衰落与慢衰落, 使对方实际收到的电平要低十几至几十分贝。这些衰落还与频率高低有关, 一般在无线电窗口(110 GHz)范围电波特性较好。(电波自由空间传播衰耗见卫星通信中的LP计算公式),2. 微波信号传输线路中的余隙概念 收、发两微波站间的电波传播, 受到电离层、 对流层及环境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。 在空间不同高度的波束, 其传播速度会发生变化, 当上层比下层快时, 则电波射线往下弯曲, 当下层比上层传播快时则往上弯曲, 如图6.3所示。从图中看出,在传输线路上, 有一部分波会投射到地面上来, 引起地
8、面波的反射, 这样在收端除收到直射波外,还会收到满足反射条件的反射波。 此时接收信号的电波即为合成波。 ,图6.3 地面反射和大气折射示意图,从图 6.3 中可看出微波线路的余隙概念,它是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离, 用hc来表示。在设计天线高度时一定要有余隙的计算。 余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径(F1)有关。其中, k主要随气象变化而受影响; F1与电波反射波长, 地面反射点距两微波天线距离等有关,其计算公式为 其中,为微波工作波长; d1 为反射点离发射天线距离; d2 为反射点离接收天线距离;,d为收、 发天线间距离(d=d1+d2)。
9、余隙计算如下: 当地面反射系数较小时, 线路(山区、丘陵、城市、森林等地区)天线不能太低, 否则会使大气折射电波向下弯曲, 这时k=2/3, hc03F1。 当地面反射系数较大时,线路(如水面、 湖面、 稻田等地区), 余隙不能太小。这时, 余隙标准为 k=4/3(标准大气), hc10F1。,当k=(余隙较大)时,hc135F1。因此 0.3F1 (k=2/3) 1.0F1 (k4/3) 1.35F1 (k) (6.1.3) 3. 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
10、自设备, 如收、 发信机热噪声以及本振源的热噪声等。 ,6.2 SDH数字微波通信系统,6.2.1 SDH微波接力通信系统组成 一个完整的长途传输的微波接力通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干中继站所组成, 如图6.4所示。一个微波通信系统, 一般要开通多对收、发信波道。因此, 系统的传输速率一般为基本传输速率, 这里讲的基本传输速率指SDH设备的输出速率。 1. 终端站 处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站。对向若干方向辐射的枢纽站, 就其某个方向上的站来说也是终端站。 在此站可上、下全部支路信号, 可配备SDH数字微波的ADM或TM设备, 可作为集中监控站或主站。 ,图6.4 站型配置
11、,2. 枢纽站 枢纽站一般处在长途干线上(一、 二级), 需要完成数个方向的通信任务。在系统多波道工作时要完成STM-N信号的复接与分接, 部分支路的转接和上、下话路, 也有某些波道信号可需再生后继续传输。因此, 这一类站上的设备门类多, 包括各种站型设备, 一般作为监控系统主站。 3. 分路站 在长途线路中间, 除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路外, 还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站。在此类站, 亦有部分波道的信号需再生后继续传输,因此此种站应配备SDH的传输设备及分插复用设备ADM, 或多套再生中继设备, 可作为监控系统主站或受控站。 ,4. 中继站 在线路中间,
12、不上、下话路的中间站称为中继站。它对已收到的已调信号进行解调、判决、再生, 转发至下一方向的调制前, 经过再生去掉干扰、 噪声, 以此体现数字通信优越性。 此种站不设置倒换设备, 应有站间公务联络和无人值守功能。,6.2.2 SDH微波系统的主要设备 SDH数字微波通信系统的设备配置, 根据系统组织在线路上的位置和作用来安排。 这里以STM-4为例来进行分析。 1. 端站设备 端站是以STM-4信号速率为终结的站, 此站一般都带有STM-4的光接口, 如图6.5所示。 SDH微波终端设备如图中所示, 它主要包括SDH信号复用部分(即数字微波基带信号)以及SDH微波传输部分设备。SDH复用部分设
13、备要完成4个STM-1或463个2 Mb/s数字信号流的复用(接), 然后通过STM-4速率的光接口送中频调制解调器(IF Modem)。两个STM-4光接口分别安排在波道A、B的中频调制、解调器中, 其中一个作为备份。,从图 6.5 中可看出, STM-4 系统622 Mb/s的传输容量, 实际上是在两个微波波道中传送的。OAMP单元通过控制网络(CNet)与中频调制解调器接口, 完成系统的操作、管理、维护和参考配置功能。 端站可分为终端站、 中间站和分路站三种类型。 1) 终端站设备配置 终端站设备在SDH光传输通信系统中已讲述, 即为TM, 一般用在线路两端点或分支线路终点, 都配备SD
14、H复用设备, 可上、下全部低次群信号(支路信号)。向若干方向辐射的枢纽站就其一个方向来说也是一个终端站。 此站的基本组成如图6.5所示, 可配多套SDH复用设备和SDH传输设备。 ,图6.5 终端站设备配置,2) 中间站设备 中间站设备只具备STM-N速率的接口, 其配置如图6.6所示。这里的设备有STM-4光接口, 无复用设备和SDH微波传输设备。 该站型设备可放在枢纽站上, 用作某方向的信号转接。 3) 分路站设备 分路站设备配置如图6.7所示。它配备有SDH分插复用设备(ADM), 这里的设备具有传输速率为STM-4的接口和有限个支路接口, 此处为部分的2 Mb/s接口和STM-1接口。
15、 STM-4接口主要用于沟通干线上两个方向的通信。2 Mb/s接口用于本地上、下部分话路。分路站设备可以安放在枢纽站和分路站上, 用于部分话路的转接和上、下。,图6.6 中间端站设备配置,图6.7 分路站设备配置,2. 再生站设备 再生站设备主要用于接收、再生和发送由微波通道所传输的SDH数字信号。一对收、发信波道信号的再生, 一般由两套分别用于向上发送方向的再生站设备完成。比如说, 一套设备用于东西方向的接收和发送, 另一套则用于相反方向。一个方向的再生站设备如图6.8所示。 这里的设备模块配备与其他设备不一样, 它没有光传输接口电路和1N保护电路, 也没有分路部分, 只有SDH信号的再生中
16、继转接部分的设备模块。它可装在中继站、分路站和枢纽站, 在后两种站中, 亦可能有部分波道的信号需再生后继续传输。 这里是一一对应关系, 因此对于多波道传输, 则需配置多套再生器设备。 ,图6.8 再生站设备配置,3. SDH微波基带信号处理 SDH数字微波通信中的SDH信号处理, 一般称为DSP部分, 它分为发送和接收两个方向, 它要完成微波传送中的绝大部分信号处理功能, 如图6.9所示。 在发信方面它首先要完成主用、备用、再生中继用的三种数据信号流选择, 组成SDH数字微波帧的段开销(SOH)及SDH数字微波辅助开销(RFCOH)的插入, 以及信号的扰码、 码型变换等功能, 并把信号送入调制
17、器。 ,图 6.9 数字信号处理器,在收信方面完成与上述过程的反变换。从解调器来的数字信号, 经码型反变换, 去扰码以及取出SDH开销和SDH微波和辅助开销, 恢复出STM-N信号。 4. SDH微波系统的运行、维护、管理的配置子系统(OAMP) SDH数字微波传输系统的管理, 可用网络管理的分层结构来描述。分为网元层和网元管理层, 提供一个完备的OAMP管理平台, 完成对近、 远端设备的运行、维护的监控和管理。数字SDH微波管理系统如图6.10所示。 由图中可知, OAMP管理平台的基本功能是从人机接口接收管理人员的操作指令, 从系统的单元设备中采集信息数据, 并根据这些指令和数据, 处理该
18、系统(传输网)中发生的各种事件。这些事件分两类: 一类是SDH系统的传输业务; 一类是设备的运行、管理与监视。 ,图 6.10 SDH微波传输管理系统的结构,6.2.3 SDH数字微波传输系统的主要技术 1. 抗衰落的技术 在前面讲到微波传送信道(线路)时提到了微波是视距、 沿直线传播的。但是在传播路径上由于气象条件变化, 传播环境的不同, 会产生各种对电波影响的情况, 使传送的电波随时间而恶化衰落, 称之为时变恶化因素。主要表现在: 大气吸收衰耗(大气中氧分子、磁界极子、水蒸气分子(H2O)等吸收电波能量; 雨、雾引起的散射衰耗; 多经衰落, 电波通过地面反射、大气折射、气流变化的散射等情况
19、产生的电波衰落; , 微波频率选择的衰落等。 对于以上的衰落, 常采用以下几种抗衰落措施: 自动增益控制(AGC)技术: 这是在收信机中频中, 普遍采用的抗衰落技术, 一般使用在中频放大器中。 频率分集技术: 采用两个或两个以上, 具有一定频率间隔的微波频率, 同时发送和接收同一信息。 空间分集技术: 在空间不同垂直高度设置几副天线, 同时接收一个发射天线的微波信号, 然后合成或选择其中一个强信号。 有几副接收天线就称几重分集。 自适应均衡技术: 这种均衡技术分为频域自动均衡和时域自动均衡两种。 交叉极化干扰补偿技术。,2. SDH数字微波实用的调制解调技术 上面对数字信号无线传输调制的一般方
20、式进行了简单的叙述。为防止解码时的相位模糊, 一般都在调制器前要进行差分编码变换; 为保证传输的可靠性, 降低误码, 进行了纠错编码变换。为防止其差分编码带来误码扩散, 一般把纠错编码变换放在差分编码之前。在传统的调制器中, 编码器和调制器各自独立实现。 但在高速率的STM-1这样的SDH系列中, 为提高C/N和降低误码, 提高编码增量和功率利用率, 特把纠错编码与调制器作为一个整体来考虑, 这种调制方式称为网格编码(TCM)调制。在STM-1中一般采用TCM-64QAM调制, 而解调采用维特比译码来实现。,在STM-4的SDH系列的数字微波系统中, 由于其数码率是前者的4倍, 在使用网格编码
21、(TCM)调制技术中, 使用的维特比译码实现较因难, 因而采用了一种叫做多级的编码调制(MLCM)的方法,如采用卷积编码为第一级编码, 奇偶校验为第二级编码, 由此称为多级编码。如STM-4中采用的64QAM MLCM调制方式。另外还有LEE代码64QAM调制等方式的调制技术, 这里不一一赘述。 在不同的无线数字通信系统中, 还有不同的数字调制技术, 如数字移动通信中的MSK调制技术, 卫星通信中的OK-QPSK调制技术等, 将在后面继续介绍。FSK、ASK和PSK是基本调制方式, 其他调制方式只是以此为基础进行组合、扩展和改造而已。,3. 分集技术 分集技术分为信号分集接收技术(在收信中选择
22、质量好的某一路作为输出, 有的也称倒换式分集)和室内分集技术(这里主要指最大功率组合器与最小色散组合器有多重室内分集)。 4. 非线性失真补偿技术 非线性失真补偿技术一般采用功率回退法与功率合成法、 预畸变法、前馈法等。 5. SDH微波传输新技术 要使微波能传送更高速率的SDH数字传送模块, 达到STM-16以上, 就对微波信道频谱利用率提出了极高的要求。 为满足这个要求, 必须研究一系列的新技术:, 提高调制的状态数及严格限带。为提高频带利用率, 一般采用多电平QAM技术, 今后可能实现1024QAM/2048QAM或更高电平QAM调制技术。 采用更复杂的纠错编码技术以降低系统误码率。 网
23、格编码调制及维特比检测技术。 高性能、 全数字化的二维时域均衡技术。 多载波的并联传输技术。 采用多重空间分集接收、发端功放非线性预校正、 自适应正交极化干扰消除电路等技术。,6.3 卫星通信系统,6.3.1 卫星通信系统的组成及特点 1. 卫星通信系统组成及工作过程 卫星通信部分主要包括发端地面站、收端地面站、上行线、下行线和通信卫星等五大部分, 如图6.12所示。(图6.11) 当甲地一些用户要与乙地的某些用户通话时, 甲地首先要把本站的信号组成基带信号, 经过调制器变换为中频信号(70 MHz), 再经上变频变为微波信号, 经高功放放大后, 由天线发向卫星(上行线)。卫星收到地面站的上行
24、信号, 经放大处理, 变换为下行的微波信号。 ,图6.11 卫星通信的示意图,图6.12 卫星通信线路的组成,3. 卫星通信的特点 与其他长途通信系统相比, 卫星通信具有以下特点: 覆盖面积大, 通信距离远。 一颗静止卫星可最大覆盖地球表面三分之一, 三颗同步卫星可覆盖除两极外的全球表面, 从而实现全球通信。 设站灵活, 容易实现多址通信。 通信容量大, 传送的业务类型多。 卫星通信一般为恒参信道, 信道特性稳定。 电路使用费用与通信距离无关。 建站快, 投资省。 其不足主要表现为: , 要求卫星严格, 有高可靠性、 长寿命。 通信地球站设备较复杂、 庞大。 卫星传输信号有延迟。 ,6.3.2
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