[通信工程电子信息工程信息工程论文]数字微波中继通信方式电路分析

[通信工程电子信息工程信息工程论文]数字微波中继通信方式电路分析内容摘要：

同时工作，并可传输电视图像等宽频带信号。 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。 通信灵活 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。 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。 7 投资少、建设快 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。 近年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，数字微波设备与模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。 而数字微波除了具有微波通信的普遍特点外还具有数字通信的特点： ◆ 抗干扰性强 ,整个线路噪声不积累； ◆ 保密性强，便于加密 ； ◆ 器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少 ； ◆ 便于组成综合业务数字网（ ISDN）； 数字微波的主要缺点是要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性衰落，其抗衰落技术比模拟微波中相应的技术要复杂。 数字微波通信系统的组成 数字微波传输线路 的组成形式可以是一条主干线，中间有若干分支，也可以是一个枢纽站向若干方向分支。 但不论哪种形式，主要是由微波终端站、中继站和分路站等组成的，如图 ,所示。 但要构成一个完整的数字微波通信系统，还应该包括其他部分，如图 所示，数字微波通信系统总是由图 中中给出的几部分组成的。 8 （ a）线路的组成 （ b）微波中继站的类型 图 微波通信的信道构成 图 数字微波通信系统方框图 数字微波法传输线路的组成形式可以是一条主干线 ，中间有若干分支，也可以有若干分支，也可以是一个枢纽站向若干方向分支。 但不论哪种形式，主要是由微波终端站、中继站和分路站等组成的。 但要构成一个完整的数字微波 通信系统，还应包括其他部分，如图 所 示，数字微波通信系统总是由图 给出的微 波终端站微 波中继站数 字终端站交换机用户终端数 字终端站微 波终端站微 波中继站微 波分路站数字分路终端站交换机用户终端微 波终端站数 字终端站用户终端交换机数字分路终端站微 波分路站微 波中继站微 波终端站数 字终端站交换机用 户终 端交换机用 户终 端BC中继站 中继站终端站终端站A主干线支 线微波终端站微波分路站微波中继站 9 几部分组成的。 用户终端 用户终端指直接为用户 所使用的终端设备，如自动电话机、电传机、计算机和调度电话机等。 交换机 交换机是用 于功能单元、信道或电路的暂时组合，用以保证按要求进行通信操作的设备。 用户可通过交换机进行呼叫连接，建立暂时的通信 信道或电路。 这种交换可以是模拟交换，也可以是数字交换。 数字终端机 数字终端机的基本 功能是把来自交换机的多路音频模拟信号变换成时分多路数字信号 ,发往数字微波传输信道 ,以及把数字微波传输信道收到的时分多路数字信号反变换成 多路模拟信号 ,送到交换机。 微波站 微波站的基本功能是传输数字信息。 按工作性质不同，可分为数字微波终端站、数字微波中继站和数字微波分路站三类。 微波站的主要设备包括数字微波发送信号设备、数字微波接收信号设备、天线、馈线、铁塔，以及为保障线路正常运行和无人维护 所需的检测控制设备、电源设备等。 10 微波低噪声放大器 混频 中放 解调 再生 收本振 f1 解调 变频 中频振荡器 微波功放 f2 （ a）再生转接 第二章 数字微波中继通信中的中继方式 在长距离的微波中继线路中，微波站通过天线收到微波信号后可以经过下变频转换为中频信号后再进行转接，也可以在解调出基带信号后再进行转接，也可以直接由微波放大器放大后进行转接。 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接信号时的接口频带划分，它们划分为 再生 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。 除此之外，还有微波直放转接方式和无源转接方式。 11 图 中继方式 再生 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。 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。 再生 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 （图 (a) 只表示出了第一种情况）。 中频转接方式 如图 （ 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变频，输出载频为 f2 的微波信号。 该信号经微波功放、天馈 12 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。 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 （ 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，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低。 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。 13 中继方式的选择 在数字微波系统中，再生转接属于再生型中继方式，而中频转接及微波转接属于非再生型中继方式。 凡是需要上、下话路的中继站，必须采用再生型中继方式。 由于 信号再生还能克服长距离传输的噪声积累，因此是数字微波的一种主要中继方式。 非再生中继虽然没有这些优点，但设备简单、耗电量低，在某些低功耗无人值守中继站采用这种方式也有一定特点，当不需要上、下话路时，也是中继站的一种可行方案。 除此以外，还有一种无源中继方式，即利用金属板的反射或绕射效应改变波束方向，达到转接的目的。 这种转接方法维护简单，成本较 低，主要用于克服某些地形障碍。 14 第三章 数字微波发信设备 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。 微波调制发射机 微波调制发射 机的组成方框图如图 （ 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，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时，其微波功率放大器制作难度大，且发射机的通用性差。 中频调制发射机 中频调制发射机的组成方框如图 （ 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，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。 15 图 两种数字微波发信设备 发信设备的主要性能 指标 工作频段 微波中继通信的频段包括 1GHz～ 40GHz 的很宽范围。 工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量，同时天线设备也具有更尖锐的方向性，而且体积重量减小，但是频率高时，雾、雨或雪的吸收显著，传播损耗、衰落和接收设备噪声也愈高。 从 12GHz 起必须考虑大气中水蒸气的吸收问题，这种吸收衰耗随频率上升而增加，当频率接近 22GHz 时，即水蒸气分子谐振频率时，是大气传播衰减 的 峰值，衰减量很大。 对于较长距离的微波中继． 1. 7GHz～ 12 GHz 是主要工作频段， 12GHz 以上，目前使用不多。 我国选用 11GHz 做为微波通信的主要频段 其中2， 4， 6GHz 频段主要用 于干线微波中继， 11GHz 主要用做支线或专用网。 输出功率 微波中继站所需的发射功率和很多因素有关。 例如，通信话路愈多，频带愈宽，为保持同样通信质量，必须有更大发信功率。 另外，也和站址选择、多径衰落的影响、分集接收技术的采用等诸因素有关。 一般情况下，数字通信比模拟信号通信有更好的抗干扰能力。 为了 保持同等( a ) 微波调制发射机方框图中 频振荡器中 频调制器功率中放上变频器微波功放微波滤波器码型变换微波本振信码入微 波振荡器微 波调制器微波功放微波滤波器码 型变 换信码入( b ) 中频调制发射机方框图 16 通信质量，数字微波通信与模拟通信相比需要较小的发送功率。 例如数字微波发射机输出功率有时只需几十毫瓦到 几百 毫瓦功率，只有长距离情况下才需要几瓦量级。 频率稳定度 微波通信对频率稳定度的要求决定于所采用的通信制式以及对通信质量的要求。 对于数字微波通信系统经常采用的 PSK 调制方式来说，发射机频率漂移将使解调过程 产生相位误差，致使有效信号幅度下降，误码率增加。 因此采用数字调相的数字微波发射机比采用模拟调频的模拟微波发射机应该有更高的频率稳定度。 采用 PSK 调制方式时，频率稳定度可以取 1 105 ～ 5 105 左右。 干扰与噪声 发信设备中的噪声可包括相位噪声，交调干扰噪声等。 相位噪声产生于本机振荡器，它体现了振荡器瞬时频率稳定度的质量，也表示了微波振荡器输出信号的频谱纯度。 离开主振频率愈远相位密度愈低，噪声谱密度随频率下降的速率与振荡电路的 Q值有关。 直接振荡式的微波本振，例如介质振荡器、体效应二极管振荡器等，当电 路 Q 值不够高时，将产生较强的相位噪声。 交调干扰噪声主要产。