1、第5章 无线传输技术,5.1 引言 5.2 无线传输理论 5.3 微波中继传输的基本概念 5.4 卫星传输的基本概念,5.1 引 言,无线电通信就是不用导线，而利用电磁波振荡在空中传递信号，天线就是波源。电磁波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。,5.2 无线传输理论,5.2.1 无线电波传播特性,1. 电波传输所涉及的地球大气层大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，再上面就是星际空间
2、了。,除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20至30千米，实际介于对流层和平流层之间。电离层很厚，大约距地球表面80千米以上。电离层对电磁波影响很大，我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通讯。,2. 无线电波的传播方式和特性,第2章已介绍了无线电波有4种主要传播方式，即地波传播，天波传播、空间波传播和散射波传播。尽管电磁波的波长不同，其传播方式和特点也不同，但电磁波在传播过程中有以下共同特性：,（1）电磁波在均匀介质中沿直线传播。,（2）能量的扩散与吸收。,5.2.2 无线信道噪声与衰落,我们将信道中不需要的电信号统称为噪声。传输系统中没有
3、传输信号时也有噪声，噪声永远存在于系统中。,1. 噪声的分类,图5-1 噪声分类图,2. 噪声指标的分配信道的传输质量不仅取决于信号功率的大小，而且与信道中所存在的噪声功率的大小有关。在无线通信系统中是用载噪比来描述他们之间的关系。载噪比是指信号载波功率与噪声功率之比。通常用符号C/N来表示。载噪比越低，误码率就越高，信道的传输质量就越。噪声干扰按其性质可以分为固定恶化干扰、恒定恶化干扰和变化恶化干扰，对噪声干扰的这种分类法是与数字无线信道传播特点相适应的。,3. 常见噪声类型,（1）白噪声 白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。白噪声的功率谱密度在整个频域内均
4、匀分布，所有频率具有相同能量。,（2）高斯噪声 高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布。,（3）高斯白噪声 如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。,（4）窄带高斯噪声 当高斯噪声通过以wc为中心角频率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。,4. 衰落原因与分类,（1）慢衰落在无线信道传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落，通常把这种现象称为阴影效应，由此引起的衰落又称为阴影慢衰落。慢衰落产生的原因：一是路径损耗，这是慢衰落的主要原因；二是障碍物阻挡电磁
5、波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落；三是天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。,（2）快衰落移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落。快衰落细分为： 时间选择性衰落（快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散） 空间选择性衰落（不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样） 频率选择性衰落（不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散）。多普勒效应。多普勒效应指相对运动体之间有电波传输时，其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增大而相应增高和降低的现象。,无线电波传播中的衰落现象及其随机性给中继传输带来不利的
6、影响，因此，人们在研究电波传播统计规律的基础上，提出各种对抗电波衰落的技术。抗衰落技术一般用分集接收技术来实现。分集接收就是采用两种或两种以上的不同的方法接收同一信号，以减少衰减带来的影响，是一种有效的抗衰落的措施。,5. 抗衰落技术,分集接收主要有空间分集和频率分集。,（2）频率分集频率分集是用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用电磁波在不同频率下的不同行程来减少或消除影响。,（1）空间分集空间分集指在接收端架几副高度不同的天线，利用电磁波到达各接收天线的不同行程来减少衰减。这种方法通常应用在大通路的微波干线上。,（3）自适应均衡技术均衡就是接收端的均衡器产
7、生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。 均衡可分为时域均衡和频域均衡两种 。,5.2.3 无线电波传播损耗,无线电波的传输频段见表5.2-1,1. 常用的无线电波传播损耗,（1）自由空间传播损耗 通常把电磁波在真空中的传播称之为“自由空间传播”。也就是说，把大气看成为近似真空的均匀介质，电磁波沿直线传播，不发生反射、折射、绕射和散射等现象，这时在大气中的传播就等效于自由空间传播，其能量会因向空间扩散而损耗。如示意图5-6所示：,图5-6自由空间传播损耗,由电磁场理论可知，若无方向性（也称全向天线）天线的辐射功率为PT瓦时，则距辐射源d米处收点B处的单位面积上的电波平
8、均功率为：,由天线理论知，一个各向均匀接收的天线，其有效接收面积为：,一个无方向性天线在B点收到的功率为：,或,自由空间的传播损耗定义为：,式中，d为收发天线的距离，f为发信频率。,自由空间基本传播损耗Lp只与频率f和传播距离有关d，当频率增加一倍或距离扩大一倍时，Lp分别增加6 dB 。 若用发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR 则式上式应改写为：,例5.2.1 某微波传输信道，发射天线的增益为22 dB ，接收天线的增益为18 dB ，收发距离为14500 Km，载波中心频率为5.904 GHz。,求：(1)该信道的基本传输损耗为多少？,(2) 若发射功率为25 W，接收机的接收到的
9、功率为多少？,例5.2.2 已知发射功率PT = 1W，发信频率f = 3800 MHz，收发距离为45 Km，GT = 38 dB ，GR = 40 dB ，馈线系统损耗Lr = 1（dB），Lt = 3（dB），求自由空间传播条件下收信功率。,（2）大气吸收损耗（3）雨雾引起的散射损耗（4）大气折射的引起损耗（5）电离层、对流层闪烁引起的损耗（6）多径传播引起损耗,2. 常用的无线传播模型,实际中，可以按照下述各种特定传播环境的传播模型来估算电波的传播损耗。,（1）自由空间传播模型（2）平坦大地的绕射模型 （3）粗糙大地上的传播模型（4）OKUMURA - HATA模型 （5）LONGLE
10、Y - RICE（ITS）模型,5.2.4 无线传输的多址方式,在无线通信中，许多用户同时通话，以不同的无线信道分隔，防止相互干扰的技术方式称为多址方式。根据信号的特征有三种多址方式，即：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）等方式。,图5-9 三种多址方式示意图,1. FDMA（频分多址）FDMA （Frequency Division Multiple Access） 指把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址），这种技术称为“频分多址”技术。,2. TDMA（时分多址）TDMA（Time
11、 Division Multiple Access）是把时间分割成互不重叠的时段（帧），再将帧分割成互不重叠的时隙（信道）与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接叫时分多址。,3. CDMA（码分多址）CDMA(Code Division Multiple Access）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。,4. 空分多址（SDMA）空分多址(SDMA)，也称为多光束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的
12、天线光束来进行频率的复用。,5.3 微波中继传输技术,随着通信技术的迅速发展，微波技术已成为一门比较成熟的学科，它在移动通信、微波通信、卫星通信、雷达、导航、电子对抗、计算机通信以至于日常生活及医疗卫生等诸多领域得到了广泛的应用，在现代化国防建设中发挥着巨大作用。,5.3.1 微波中继传输的基本概念,1. 微波的定义微波是一种频率极高，波长很短的电磁波。微波的所谓“微”是指其波长比普通无线电波波长更微小。,微波在整个无线电波中的位置见表5-1。,2. 微波传输的特点,（1）具有类似光波的特性。（2）微波波段的频带宽、通信容量大（3）适于传送宽频带信号（4）采用中继传输方式（5）抗干扰能力强,3
13、. 微波中继传输线路,微波中继传输主要是解决城市与城市之间、地区与地区之间大容量信息的传输问题，用于长途电话及电视节目的传输。,（1）微波中继传输线路的组成由于微波沿直线传播，不能沿地球表面绕射。所以微波传输的特点是每隔50km要设一个微波中继站。微波传输靠几个甚至几十个微波站进行无线电波的发射和接收，进行接力传送达到远距离通信的目的。,一个典型的微波中继传输线路示意图如图5-13所示，整个通信链路由多个相距几十千米的中继站构成，系统中包含了各种类型的微波通信站。图5-13中的结点，统称为微波站，除两头的终端站之外，还有大量的中继站、枢纽站和分路站。,图5-13微波中继传输线路示意图,（2）微
14、波站的主要设备,微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。,最新的微波通信设备，其数字系列标准与光纤通信的同步数字系列（SDH）完全一致，称为SDH微波。这种新的微波设备在一条电路上，八个束波可以同时传送三万多路数字电话（2.4Gbit/s）。,微波天线：微波天线都采用定向天线，增益约为40分贝。目前用得最多的有喇叭抛物面天线和卡塞格林双反射面天线，如图5-14所示，用高频同轴电缆或波导管与发射机或接收机相连。,图5-14 抛物面天线示意图,发射机：发射机由调制器、发信本地振荡源、发信混频器和微波功率放大器等主要部件组成。,接收机：接收机由本地振荡源、收
15、信混频器、中频放大器和解调器组成。,4. 微波接力传输方式,微波接力传输系统的中继方式有两类。第一类，是将中继站收到的前一站信号，经解调后，再进行调制，然后放大，转发至下一站。第二类是将中继站收到的前一站信号，不经解调、调制，直接进行变频，变换为另一微波频段，再经放大发射至下一站。,图5-15微波、光纤和卫星联合组网方式,图5-15是一个微波、光纤、卫星一体的通信组网方式示意图,5. 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、对流层影响，环境的大气压力、温度、湿度等参数变化。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，则电波射线往下弯曲，当下层比上层
16、传播快则往上弯曲，如图5-17所示: 地面反射和大气折射示意图。,当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，计算公式为：,式中表示微波工作波长（m）；d1表示反射点离发射天线距离（m）；d2表示反射点离接收天线距离（km）；d表示收、发天线间距离(d=d1+d2)（km）。,余隙计算如下：当地面反射系数较小时。线路(山区、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，hc0.3F1 当地面反射系数较大的线路，如水面、稻田等地
17、区，余隙不能太小。这时，余隙标准为：K=4/3(标准大气)，hc1.0F1。当K=(余隙较大)，hc1.35 F1，则,0.3 F1 (K=2/3)1.0 F1 (K4/3)1.35 F1 (K),hc=,5.3.2 SDH大容量数字微波传输系统,20世纪90年代随着电信传输技术的发展，同步数字系列SDH技术在数字微波传输中逐步取代了原来使用的准同步数字系列PDH，SDH可以应用于光纤传输系统，也适用于微波传输，使其成为新一代大容量的微波通信系统。SDH传输体制规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速度等级、接口码型等特性。,1. SDH传输系统的组成 一个实用的STM-4速率SDH传输系统的
18、组成如图5-18所示。,图5-18 STM-4速率SDH传输系统的组成,支路信号（TR）是要传输的信息数据，它们可以是PDH基群到四次群信号，也可以是SDH的低次群信号。终端复用器（TM）在网络的终端站点上，将输入的低次群信号复用成高速率的合路信号STM-4后，送入微波传输线路，或从STM-4的信号中分离出低速支路信号。STM-4是由4个STM-1按字节复接而成，1个STM-1同步传输模块的速率为155. 520 M bit/s。再生中继器（REG）采用基带中继方式，对接收到的信号进行抽样、判决和再生整形，以达到不积累线路噪声和干扰的影响，保证线路上传送信号波形的完好性。分插复用器（ADM）或
19、数字交叉连接设备（SDXC）用于需上下话路的转接站点处，以避免PDH传输系统中多级复用设备成对连接的复杂性。,2. SDH数字微波传输系统的容量,我国规定，SDH数字微波系统可采用以下的容量系列。（1）51. 840Mbit/s (STM-0或STM- RR)，表示容量为51.840 M bit/s的同步数字系列，即传送微波传输接力系统零阶同步传送模块（STM-0）的标称速率。（2）155. 520M bit/s (STM-1)，表示容量为155.520Mbit/s的同步数字系列，即传送微波传输接力系统一阶同步传送模块（STM-1）的标称速率。（3）2155.520Mbit/s ( 2STM-
20、1 )，表示容量为2155.520Mbit/s的同步数字系列，即传送二倍的微波传输接力系统一阶同步传送模块（2STM-1）的标称速率。,（4）4155.520Mbit/s (4STM-1)，表示容量为4155. 520Mbit/s的同步数字系列，即传送4倍微波传输接力系统一阶同步传送模块（4STM-1）的标称速率。（5）622. 080Mbit/s (STM-4 )，表示容量为622.080Mbit/s的同步数字系列，即传送微波传输接力系统四阶同步传送模块（STM-4）的标称速率,其中第一种速率是根据SONET的规范和微波及卫星传输时频带较窄的特点确定的，SDH的基本传输速率为155.520M
21、bit/s，而很多情况下，业务需求并不需要这么高的传输速率。为了促进SDH网的广泛应用，SDH的复用结构必须能支持低于STM-1的速率。一个合适的接口速率为51.840Mbit/s，称做STM-0速率或子STM-1速率，这个速率与SONET的STS-1速率一致。,5.3.3 微波传输系统的关键技术,调制技术2.交叉极化干扰抵消技术 3.自适应均衡技术 4.高线性功率放大器和自动发射功率控制（ATPC）,5.4 卫星传输技术,卫星传输技术是在微波中继传输和航天技术基础上发展起来的一门新兴的通信传输技术。它是微波传输向太空的延伸，采用的是微波频段。,5.4.1卫星传输的基本概念,1. 卫星通信卫星
22、通信是指利用人造卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。,用于实现通信目的的人造地球卫星被称为通信卫星。按卫星的运转轨道划分，通信卫星又分为静止卫星（同步卫星）和运动卫星（非同步卫星）。,静止卫星与地球的相对位置关系如图5-19所示。,图5-19 同步通信卫星,2. 卫星通信的特点卫星通信系统以通信卫星为中继站。与其他的通信系统相比较，具有以下优点。（1）通信距离远，通信成本与距离无关（2）以广播方式工作，便于实现多址联接（3）通信容量大，传送的业务种类多（4）性能稳定可靠,由于卫星通信的特殊性，也
23、带来了技术上的特殊性：需要采用先进的空间电子技术；需要解决信号传播时延带来的影响；需要解决卫星的姿态控制问题还必须解决星蚀、地面微波系统与卫星系统的干扰等问题，这些都是保证卫星通信系统正常运转的必要条件。,3. 卫星通信使用的频率,目前，大多数卫星通信系统选择在表5-2所示的频段工作。表5-2 卫星通信的主要工作频段：,目前大部分国际通信卫星尤其是商业卫星使用C频段，即6/4GHz频段（上行频率为6GHz，下行频率为4GHz），转发器带宽为500MHz，国内区域性通信卫星多数也应用该频段 。,5.4.2卫星传输系统,1. 卫星传输系统的基本组成,图5-20是一个最简单的卫星传输系统,图5-20
24、所示的卫星传输系统包括如下几个基本部分：,（1）控制与管理系统 ：它是保证卫星通信系统正常运行的重要组成部分。它的任务是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入轨道上的指定位置，卫星正常运行后，需定期对卫星进行轨道修正和位置保持,（2）星上系统：通信卫星内的主体是通信装置，其保障部分有星体上的遥测指令、控制系统和能源装置等。通信卫星的主要作用是无线电中继，星上通信装置包括转发器和天线。,（3）地球站：地球站是卫星通信的地面部分，用户通过它们接入卫星线路，进行通信。地球站一般包括天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备、电源设备。,2. 同步卫星通信系统,同步卫星通信系统由同
25、步通信卫星、地球站和控制中心三部分组成。,（1）同步通信卫星同步通信卫星由卫星天线分系统、卫星通信分系统、卫星电源分系统、跟踪遥测指令分系统和控制分系统五部分组成。如图5-21所示。,图5-21 通信卫星的组成框图, 卫星天线分系统：卫星天线有两类：遥测指令天线和通信天线。 卫星通信分系统：卫星通信分系统是通信卫星的核心部分 。 卫星电源分系统：为了保证卫星的工作时间必须有充足的能源，卫星上的能源主要来源有两部分：太阳能和蓄电池。 踪遥测指令分系统：该系统包括遥测和指令两大部 分，此外还有应用于卫星跟踪的信标发射设备。 控制分系统：控制分系统由一系列机械或电子的可控调整装置构成，完成对卫星的姿
26、态、轨道、工作状态的调整。,（2）地球站地球站是卫星通信系统的重要组成部分。它的作用有两个，一是向卫星发射信号；二是接收经卫星转发的、来自其他地球站的信号。,一个标准的卫星通信地球站由天线馈源分系统、发射分系统、接收分系统、信道终端分系统、跟踪伺服分系统和电源分系统等六部分组成。如图5-22所示。,图5-22地面站系统的总体组成方框图,介绍地球站各个组成部分的作用：, 天馈分系统：天线、馈线设备的基本作用是将发射机送来的射频信号变成定向（对准卫星）辐射的电磁波；同时，收集卫星发来的电磁波，送到接收设备 。 发射分系统：发射分系统的任务是将已调制的中频（通常为70 MHz）信号变换成射频信号，并
27、将功率放大到一定的电平，经馈线送到天线向卫星发射。 接收分系统：接收分系统的主要任务是把由天线收集的来自卫星转发器的有用信号，经加工变换后，送给解调器。该分系统的重要指标是低噪声性能。, 信道终端分系统：在发射端，信道终端的基本任务是将用户送来的信息加以处理，变成适合在卫星信道上传输的信号；在接收端，则是将到达接收站的信号恢复为原来的信息。 跟踪伺服分系统：由于种种原因，静止卫星并非绝对“静止”，因此，地球站的天线必须经常校正自己的方位和仰角，其跟踪方式有自动跟踪、手动跟踪、程序跟踪和步进跟踪。 电源分系统：现代卫星通信系统，一年中要求99.9的时间不间断地稳定可靠地工作。电源系统必须满足这一要求，特别是大型地球站，一般要有几种供电电源，即市电、柴油发电机和蓄电池。,5.4.3卫星传输系统中的关键技术,数字调制及信道编码技术； 多址技术：多址技术有频分多址 (FDMA)、时分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和码分多址(CDMA)。频分多址又可分为多种，SCPC/FDMA，PCM/TDMA/PSK/FDMA。 信道分配技术 ：目前信道分配方式常用两种方式 ，（1）预分配（PA）方式，（2）按需分配（DA）方式。 信号处理技术 ：（1）数字话音内插（DSI）技术，（2）回波抑制技术,
