2025年一建通信-1.3 微波和卫星传输系统

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1.3 微波和卫星传输系统

1.3.1 微波信号的传播特性

1.微波通信的概念

微波是一种电磁波，频率范围为300MHz~300GHz（波长范围为1mm~1m），利用微波作为载体的通信称为微波通信，基带传输信号为数字信号的微波通信称为数字微波通信。其中，分米波的频率范围在300MHz~3GHz，主要用于通信和电视广播，厘米波的频率范围在3~30GHz主要用于雷达、卫星通信，无线电导航，毫米波的频率范围在30~300GHz用于卫星通信。

由于微波的频率高、波长短，因此只能在大气对流层中像光波一样作直线传播，即所谓的视距传播，其绕射能力弱，传播中遇到不均匀的介质时，将产生折射或反射现象。一般来说，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50km左右就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸，这种通信方式称为微波中继通信，是传统的长途通信技术。随着移动通信的快速发展，微波通信技术正在成为移动承载网络的传输主力，由此构成了面向未来的微波传送网。

2.微波通信的特点

（1）载波工作频率高（相对短波波段而言），在相对带宽相同的情况下，其信道的绝对带宽比短波要大得多，因而可传送较多的信息量。

（2）由于微波的波长短，所以容易制成高增益天线，天线增益可达几十分贝。

（3）天电干扰、工业干扰及太阳黑子的变化在微波波段基本不起作用。

（4）与有线通信相比，微波通信具有较大的灵活性，可用于地形受限时的接入、长途中继通信、应急通信等。

（5）微波传输主要考虑的因素包括大气效应和地面效应，它对气候变化比较敏感容易受天气影响，如雷雨、空气凝结物等都会引起反射，影响通信效果。

3.微波传播的影响因素

1）地形地物对微波传播的影响

地形地物对微波会产生反射、折射、散射、绕射和吸收现象，主要表现在平坦地表对微波的反射，以及地表障碍物对微波视距传播的影响。地表障碍物诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等会阻挡电磁波视距传播，与自由空间传播相比，地表障碍物对微波视距传播的影响表现为阻挡损耗。

2）大气对微波传播的影响

微波中继通信的电磁波传播主要在对流层中完成，对流层对微波传播的影响主要表现在3个方面:氧气分子和水蒸气分子对电磁波的吸收，雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射，对流层结构的不均匀性对电磁波的折射。当微波中继通信系统的工作频段在10GHz以下时，前2个方面的影响不显著，只需考虑对流层折射的影响:当工作频段在10GHz以上时，3个方面的影响都需考虑。

4.电磁波衰落的分类

1）大气吸收衰落

众所周知，任何物质的分子都是由带电的粒子组成，这些粒子都有固有的电磁诺振频率，当通过这些物质的微波频率接近它们的谐振频率时，这些物质对微波就产生共振吸收。大气中的氧分子具有磁偶极子，它们都能从电磁波中吸收能量，使微波信号产生衰落。

一般来说，水蒸气最大吸收峰值在波长为13mm处，氧分子的最大吸收峰值在波长为5mm处，对于频率较低的电磁波站距在50km以上，大气的衰耗和自由空间衰耗相比较可以忽略不计。

2）雨雾引起的散射衰落

由于雨雾中的大小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波能量损失，产生散射衰落。衰落程度主要与电磁波的频率和降雨强度有关:频率越高及降雨量越大，衰落就越大。一般来说，频率在10GHz以下，雨雾造成的衰落不太严重，通常50km站距的衰耗只有几分贝，10GHz以上频段，中继站之间的距离主要受到降雨衰耗的限制。

3）闪烁衰落

对流层中的大气常常产生体积大小不等、无规则的涡旋运动，称之为大气流。

大气湍流形成一些不均匀小块或层状物，使电解常数ε与周围不同，并能使电磁波向周围辐射，这就是对流层反射。在接收端天线可收到多径传来的这种散射波，它们之间具有任意振幅和随机相位，可使收信点场强发生衰落，这种衰落属于快衰落。其特点是持续时间短，电平变化小，一般不足以造成通信中断。

4）K型衰落

K型衰落又叫多径衰落。这是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达收信端时，因相位不同发生相互干涉而造成的微波衰落。其相位干涉的程度与行程差有关，而在对流气层中，行程差又随大气折射率的K（大气折射的重要参数）因子而变化，因此称为K型衰落。这种衰落尤其是微波线路经过海面、湖泊或平滑地面时显得特别严重，甚至会造成通信中断。因地面影响产生的反射衰落以及因大气折射产生的绕射衰落，当其衰落深度随时间变化时均属于K型衰落

5）波导型衰落

由于种种气象条件的影响，如夜间地面的冷却、早晨地面被太阳晒热以及平静的海面和高气压地区都会形成大气层中不均匀结构，会在某个大气层中出现K<0的情况，当电磁波通过对流层中这些不均匀大气层时将产生超折射现象，这种现象称为大波导。只要微波射线通过大气波导，而收、发信天线在波导层下面，则接收点的场强除了直射波和地面反射波外，还可能收到波导层边界的反射波，形成严重的干涉型衰落，这种衰落发生时，往往会造成通信中断。

5.电磁波衰落对微波传输的影响

电磁波衰落对微波传输的影响主要表现在使得接收端收信号电平出现随机性的波动，这种波动有如下两种情况:

（1）在信号的有用频带内，信号电平各频率分量的衰落深度相同，这种衰落被称为平衰落，发生平衰落时，当收信号电平低于收信机门限时，造成电路质量严重恶化甚至中断。

（2）信号电平各频率分量的衰落深度不同，这种衰落称为频率选择型衰落，产生这种衰落时，接收的信号电平不一定小，但其中一些频率分量幅度过小，使信号波形失真。大容量数字微波对这种衰落反应敏感，由波形失真形成码间串扰，使误码率增加。严重时造成电路中断。

6.克服电磁波衰落的一般方法

（1）利用地形地物削弱反射波的影响。可以选择适当的地形或其他附加物来阻挡反射波进入接收端，从而减小反射波的影响。

（2）将反射点设在反射系数较小的地面。适当地选取天线的高度，常常可以将反射点移动到反射系数较小的区域。例如反射点从水面移至森林或凹凸不平的地面，以减小反射系数，从而减小进入接收端的反射波。

（3）利用天线的方向性。有时收发天线均很高，而反射点又处于途径中间的开阔地或水面上，这种情况很难用上述两种方法来减小反射波的影响，可以调整其天线角度减小反射波进入接收端的成分，通过损失部分接收电平来减小衰落及反射的影响。

（4）用无源反射板克服绕射衰落。当路由中存在较高障碍物时，为了克服在大气折射时产生绕射衰落，可以改变天线方向。使用无源反射板或背对背天线可使电波绕过障碍物。

（5）分集接收。采用不同的接收方法接收同一信号，减小接收端的衰落影响。一般常用的分集接收方法有两种:频率分集和空间分集。以往采用的波道备用的方法就是频率分集接收。目前采用最多的是空间分集。利用不同高度的两幅或多幅天线，接收同一频率的信号，以达到克服衰落的目的。此时，到达不同高度天线上的反射波行程差不同，因此当某幅天线发生衰落时，另一幅天线不一定同时产生衰落。采用适当的信号合成方法可以克服衰落的影响。

分集接收并不能解决所有的衰落，如对雨雾吸收性衰落等只有增加发射功率，缩短站距，适当改变天线设计才能克服。高性能的微波信道还要把空间分集和自适应均技术配合使用，以便最大限度地降低中断时间。实践表明，多种措施同时采用可以达到最佳的抗多径衰落效果。

1.3.2 数字微波系统的构成及应用

1.数字微波的概念

数字微波系统包括发信设备、收信设备、微波天线设备、数字调制设备、数字解调设备、微波跟踪和位同步恢复电路、均衡、切换、勤务、接口及其他辅助电路。数字微波通信系统的波道配置一般由一个或一个以上的主用波道和一个备用波道组成，简称N+1。基本的数字微波系统如图1.3-1所示。

图1.3-1 基本的数字微波系统方框图

2.数字微波站的分类

按工作性质不同，数字微波站分为终端站、分路站和中继站三类，其中有两个以上方向的上、下话路的微波站称为数字微波枢纽站。

1）微波终端站

终端站处于微波传输链路两端或分支传输链路终点。终端站的基本任务是:在发信时，将复用设备送来的基带信号，通过调制器变为中频信号送往发信机进行上变频使之成为微波信号，然后再通过天线发射给对方站；在收信时，由天线接收到的对方站散波信号，送往微波接收机，进行下变频后的中频信号传给解调器，通过解调器还原的基带号送到复用设备。这种站可上、下全部话路，具有波道倒换功能，可作为数字微波网管的中心站或次中心站。

终端站由于位于系统终端，在这个站上应当装有调制和解调设备。微波收信机和发信机是微波站的主要设备，统称为高频架，其作用是对信号进行频率搬迁、频率变换和放大。例如，发信机是在发信通道对调频信号进行放大和上变频，使之成为微波调频信号后再进行微波放大，然后送往天线发射系统。

2）微波分路站

分路站处在微波传输链路中间。分路站的任务是:接收或发送该站相邻两个站的微波信号，通过微波收、发信机进行下变频或上变频，经调制解调器送往复用设备。复用设备将两个方向送来的信号分出或插入一部分话路，而另一部分进行交叉连接转发。总之，分路站既要完成信号转发任务，又要分出或插入一部分话路功能。分路站可以上、下话路，具有波道倒换功能，可以作为数字微波网管的中心站，也可用作受控站。

3）微波中继站

中继站处在微波传输链路中部。有调制、解调设备的中继站，称再生中继站。中继站的任务是:对收到的已调信号解调、判决、再生，转发至下一方向的调制器。经过它可以去掉传输中引人的噪声、干扰和失真，这体现出数字通信的优越性。中继站可分为基带转接站、中频转接站、射频有源转接站和射频无源转接站。这种站不上、下话路，不具备波道倒换功能，具有站间公务联络和无人值守功能。中继站无需调制和解调设备，只对微波信号进行放大和转发。

3.数字微波站的构成

一个完整的微波站由天线、馈线及分路系统、收发信机设备、调制解调设备、复用设备、基础电源及其自动控制设备等组成。

1）天馈线和分路系统

一般情况下，在微波站内采用收发共用天线和多波道共用天线，这就要求微波天馈线系统除了含有用来接收或发射微波信号的天线及传输微波信号的馈线外，还必须有极化分离器、波道的分路系统等。常用的天线类型为卡塞格林天线，从天线至分路系统之间的连接部分称为馈线系统。

微波天线的基本参数为天线增益、半功率角、极化去耦、驻波比。由于微波天线大部分采用抛物面式天线，所以天线还应采取一定的抗风强度和防冰雪的措施。

馈线有同轴电缆型和波导型两种形式。一般在分米波段（2GHz），采用同轴电缆馈线，在厘米波段（4GHz以上频段）因同轴电缆损耗较大，故采用波导馈线。波导馈线系统又分为圆波导馈线系统、椭圆软波导馈线系统和矩形波导馈线系统。馈线系统中还配有密封节、杂波滤除器、极化补偿器、极化旋转器、阻抗变换器、极化分离器等波导器件。

收、发信波道分路系统在馈线和收信机射频输入及发信机射频输出接口之间，其作用是将不同波道的信号分开。分路系统由环形器、分路滤波器、终端负荷及连接用波导节、波道同轴转换等组成。

天线系统多采用收发共用和多波导天线。因此，天线系统除了有用来接收发射微波信号和传输微波信号的馈线外，还必须有极化分离器、波道的分并路系统等。

2）微波收发信机

微波收发信机是数字微波通信设备的重要组成部分。其中发信机是将已调中频信号变为微波信号，并以一定的功率送往天馈线系统，一般由功率放大器、上变频器、发信本振等主要单元组成，其主要指标有输出功率、频率稳定度、自动发信功率控制范围（AT-PC）。收信机的主要功能是将接收到的微波信号经过低噪声放大、混频、中放滤波和均衡后变为符合性能标准的中频信号，其主要指标有本振频率稳定度、噪声系数、收信机最大增益、自动增益控制范围（AGC）。

4.IP微波传输系统

微波传输作为传统的长途通信技术，其核心是微波中继通信，随着移动通信技术的快速升级，当前的微波通信技术逐步转变为移动回传的选择，相应的微波设备可用于前传（Fronthaul）覆盖、多业务接入和汇聚的回传（Backhaul）网络以及核心网中的骨干传输（Backbone）。分体式IP微波设备拥有丰富的业务接口、灵活解决方案，广泛用于多业务接入和多方向汇聚场景。

移动回传网络中的IP微波设备与光纤网络相比具有如下特点:

（1）LTE网络建设过程中，基站数量密集，LTE回传的光纤获取遇到越来越大的困难，新建站点无法快速开通，IP微波能实现LTE站点紧急开通，实现业务的快速部署。

（2）由于LTE网络光纤的铺设难度，导致网络回传设备的长链无法成环，安全隐患较大，IP微波能够实现光网补网，提高现网的成环率，提升可靠性。

（3）站点遭遇暴雨等自然灾害袭击、光缆被毁后，IP微波能实现故障点业务的紧急恢复。

IP微波相比传统的SDH微波优点如下:

（1）能提供更大的带宽，可实现单载频达Cbit/s级。

（2）能提供先进的IP技术，如MPLS/MPLS-TP和1588v2时钟同步技术。

（3）能达到与SDH网络类似的业务运维能力，提供图形化网管、自动保护倒换以及告警和性能的实时准确监控。

1.3.3 卫星通信系统的结构及工作特点

1.卫星通信的特点

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星至地球两切线夹角之间为磁波覆盖区，凡在覆盖区内的地球站都能以该卫星为中继站相互通信。若在赤道轨道卫星的圆形轨道上，以120°的相等间隔配置3颗卫星，则除南、北极地区外，其余部分均在卫星波束覆盖范围之内，而且部分地区为两颗卫星波束的重叠区，借助于重叠区内地球站的中继，可以实现不同卫星覆盖区内地球站之间的通信。原则上，只要3颗卫星适当配置，就可以基本实现全球通信（除地球两极附近地区外）。

1）卫星通信的优点

与其他通信方式相比，卫星通信具有以下优点:

（1）通信距离远，且费用与通信距离无关。

利用卫星通信，建站费用并不会因为地球站之间的距离远近而有所变化。这是微波通信、光纤通信和短波通信等其他方式所不能比的。

（2）覆盖面积大，组网灵活，便于多址连接。

只要是在卫星天线波束的覆盖范围内，都可以设地球站，共用一颗卫星进行通信。

（3）通信频带宽，传输容量大。

卫星通信通常使用300MHz以上的频段，可用频带宽。目前，卫星带宽已经达到3000Mbit/s以上，一颗卫星的通信容量已可达到30000路电话，同时可传输3路彩色电视信号以及一定的数据流量。

（4）机动性好。

卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离干线通信，而且可以在车载船载、机载等移动地球站之间通信，甚至可以为个人终端提供通信服务。

（5）通信线路稳定，传输质量高。

卫星通信的无线电波束主要在大气层以外的宇宙空间传播，传播特性稳定，不易受到自然条件的影响，因而传输质量高。

（6）可以自发自收进行监测。

当收、发端地球站处于同一个覆盖区域时，本站同样可以收到自己发出的信号从而可以监视判断本站传输是否正常。

2）卫星通信的缺点

正是由于以上特点，卫星通信得到了迅速的发展，成为一种强有力的现代化通信工具，但它的发展过程中存在着一些问题，如:卫星信号发射和控制技术比较复杂；地球高纬度地区采用静止卫星进行通信效果不好，两极地区存在盲区；容易受到宇宙和太阳系环境的影响等。与其他通信方式相比，卫星通信还存在以下的缺点:

（1）保密性差。

卫星具有广播特性，一般容易被窃听。因此，不公开的信息应注意采取保密措施。

（2）电波的传播时延较大，存在回波干扰。

利用静止卫星通信时，信号由发端地面站经卫星转发到收端地球站，单程传输时延约为0.27s，会产生回波干扰，给人感觉又听到自己反馈回来的声音，因此必须采取回波抵消技术。

（3）存在日凌中断和星蚀现象。在每年春分和秋分前后数日，太阳、卫星和地球在同一直线上，卫星位于太阳和地球中间，地球站天线对准卫星的同时，也对准了太阳，太阳的强大噪声干扰，每天会造成几分钟通信中断，这种现象称为日凌中断。另外，当卫星进人地球的阴影区，会造成卫星的日食，在卫星通信上，称之为星蚀。

2.卫星通信系统的组成

卫星通信系统由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统4大部分组成，其中有的直接用来进行通信，有的用来保障通信的进行。

卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。卫星中的通信系统称为卫星转发器，其功能是:收到地面发送来的信号（称为上行信号），进行变频放大、转换、均衡等处理后再发回地面（这时的信号称为下行信号）。一条卫星通信线路通常由发端地球站、上行传播路径、通信卫星转发器、下行传播路径和收端地球站组成。

1）空间分系统的组成与功能

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（包括太阳能电池和蓄电池）装置等。如前所述，通信卫星主要是起无线电中继站的作用，它是靠星上通信装置中的转发器（微波收、发信机）和天线来完成的。一个卫星的通信装置可以包括一个或多个转发器，每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号。显然，当每个转发器所能提供的功率和带宽一定时，转发器越多，卫星通信容量就越大。

（1）通信卫星。

根据使用的目的和发射条件的不同，可以有不同的高度和不同形状的运动轨道。按照轨道高度的不同，可以把卫星分为静止轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星。

①静止轨道卫星（GEO）距离地面35786km，卫星运行周期24h，相对于地面位置是静止的。

②中地球轨道卫星（MEO）距离地面5000~20000km，卫星运行周期4~12h，相对于地面位置是移动的。

③低地球轨道卫星（LEO）距离地面500~1500km，卫星运行周期2~4h，相对于地面位置是移动的。

通信卫星实际上是一个中继器，它的基本作用是为各地球站转发无线电信号，以实现它们之间的通信。通信卫星常用的一种定向天线是微波天线，按其波束覆盖区域的大小，可分为全波束天线、区域波束天线和点波束天线。在静止卫星上，全波束天线常用喇叭形，其波瓣宽度约为17.34°，恰好覆盖卫星对地球的整个视区，天线增益为15~18dB。对卫星天线来说，最主要的是要使其波束始终对准指定的地球上的通信区城。

（2）转发器。

转发器或中继器，它实际上是一种宽频带收、发信机。通常一颗通信卫星上带有若干个转发器，每一个转发器覆盖一定的频段。它是通信卫星的核心部分。转发器分为透明转发器和处理转发器。

2）地球站的组成与功能

地球站是卫星通信系统的主要组成部分，所有的用户终端将通过它们接入卫星通信线路。由多个地球站构成的通信网络，可以是星形、网格形、混合型。在星形网中，各边远站只能通过中心站进行相互通信，各边远站之间不能通过卫星直接相互通信，即各边远站必须通过中心站转接才能联系。在网格形网络中，各站彼此可经卫星直接沟通。除此之外，卫星通信网络也可以是上述两种网络的混合形式。

典型的地球站如图1.3-2所示。

（1）天馈设备。

主要作用是将发射机送来的射频信号经天线向卫星方向辐射，同时它又接收卫星转发的信号并送往接收机。通常由于收、发信机共用一幅天线，为了使收、发信号隔离，还需要接入一只双工器。

图1.3-2 典型的地球站示意图

（2）发射机。

主要作用是将已调制的中频信号经上变频器变换为射频信号，并放大到一定电平经馈线送至天线向卫星发射。

（3）接收机。

主要作用是接收来自卫星的有用信号，经下变频器变换为中频信号，送至解调器由于接收到的信号极其微弱，接收机必须使用噪声温度很低的放大器。

（4）信道终端设备。

主要作用是将用户终端送来的信息加以处理形成基带信号，对中频进行调制，同时对接收的中频已调信号进行解调以及进行与发端相反的处理，输出基带信号送往用户终端。

（5）跟踪设备。

主要用来校正地球站天线的方位和仰角，以便使天线对准卫星。

3.VSAT卫星通信网

VSAT（VerySmallApertureTerminal）即甚小口径终端，简称小站，是一种具有甚小口径天线的、智能的卫星通信地球站，很容易在用户办公地点安装。VSAT卫星通信是指利用大量VSAT小站与一个大型地球站协同工作组成的卫星通信网。通常，可以通过它进行单向或双向数据、语音、图像及其他业务通信，它在卫星通信领域占有重要地位。

VSAT网络由中心站、小型站和微型站3类VSAT小站组成，天线口径分别为11m、3.5~5m和1.2~3m。全网有一个或多个配备较大口径天线的中心站，这些站配置数据交换设备，并在其中之一配置全网的控制和管理中心（简称网控中心）。小型VSAT小站可以有几百个，微型的VSAT小站可以多达几千甚至几万个。

VSAT卫星通信网的主要特点如下:

（1）设备简单，体积小，耗电少，造价低，安装、维护和操作简单，集成化程度高，智能化（包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能化等）功能强，可无人操作。

（2）组网灵活，接续方便，独立性强，一般作为专用网，用户享有对网络的控制权。网络结构模块化，易于扩展和调整网络结构。可以适应用户业务量的增长以及用户使用要求的变化。

（3）通信效率高，性能质量好，可靠性高，通信容量可以自适应，适用于多种数据率和多种业务类型，即能够传输综合业务，便于向ISDN过渡。

（4）可以建立直接面对用户的直达电路，它可以与用户终端直接接口，避免了一般卫星通信系统信息落地后还需要地面线路引接的问题。

（5）VSAT站很多，但各站的业务量较小。

（6）有一个较强的网管系统，互操作性好，可使用不同标准的用户跨越不同地面网而在同一个VSAT网内进行通信。

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