微波通信

　　簡介

　　微波通信使用波長為1m至0.1mm（頻率為0.3GHz～3THz）的電磁波進行的通信。包括地面微波接力通信、對流層散射通信、衛(wèi)星通信、空間通信及工作于微波波段的移動通信。微波通信具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸損傷小、抗干擾能力強等特點，可用于點對點、一點對多點或廣播等通信方式。

　　中國微波通信廣泛應用L、S、C、X諸頻段，K頻段的應用尚在開發(fā)之中。由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉發(fā)。

　　一般說來，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設置中繼站，將電波放大轉發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質量。

　　表 1 無線電波劃分

　　發(fā)展簡史

　　微波的發(fā)展是與無線通信的發(fā)展是分不開的。1901年馬克尼使用800KHz中波信號進行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波的通信試驗，開創(chuàng)了人類無線通信的新紀元。無線通信初期，人們使用長波及中波來通信。20世紀20年代初人們發(fā)現(xiàn)了短波通信，直到20世紀60年代衛(wèi)星通信的興起，它一直是國際遠距離通信的主要手段，并且對目前的應急和軍事通信仍然很重要。

　　用于空間傳輸?shù)碾姴ㄊ且环N電磁波，其傳播的速度等于光速。無線電波可以按照頻率或波長來分類和命名。我們把頻率高于300MHz的電磁波稱為微波。由于各波段的傳播特性各異，因此，可以用于不同的通信系統(tǒng)。例如，中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強，適用于廣播和海上通信。而短波具有較強的電離層反射能力，適用于環(huán)球通信。超短波和微波的繞射能力較差，可作為視距或超視距中繼通信。

　　1931年在英國多佛與法國加萊之間建起世界上第一條微波通信電路。第二次世界大戰(zhàn)后，微波接力通信得到迅速發(fā)展。1955年對流層散射通信在北美試驗成功。20世紀50年代開始進行衛(wèi)星通信試驗，60年代中期投入使用。由于微波波段頻率資源極為豐富，而微波波段以下的頻譜十分擁擠，為此移動通信等也向微波波段發(fā)展。此外數(shù)字技術及微電子技術的發(fā)展，也促進了微波通信逐步從模擬微波通信向數(shù)字微波通信過渡。

　　微波通信是二十世紀50年代的產(chǎn)物。由于其通信的容量大而投資費用省（約占電纜投資的五分之一），建設速度快，抗災能力強等優(yōu)點而取得迅速的發(fā)展。20世紀40年代到50年代產(chǎn)生了傳輸頻帶較寬，性能較穩(wěn)定的微波通信，成為長距離大容量地面干線無線傳輸?shù)闹饕侄?，模擬調(diào)頻傳輸容量高達2700路，也可同時傳輸高質量的彩色電視，而后逐步進入中容量乃至大容量數(shù)字微波傳輸。80年代中期以來，隨著頻率選擇性色散衰落對數(shù)字微波傳輸中斷影響的發(fā)現(xiàn)以及一系列自適應衰落對抗技術與高狀態(tài)調(diào)制與檢測技術的發(fā)展，使數(shù)字微波傳輸產(chǎn)生了一個革命性的變化。特別應該指出的是80年代至90年代發(fā)展起來的一整套高速多狀態(tài)的自適應編碼調(diào)制解調(diào)技術與信號處理及信號檢測技術的迅速發(fā)展，對現(xiàn)今的衛(wèi)星通信，移動通信，全數(shù)字HDTV傳輸，通用高速有線/無線的接入，乃至高質量的磁性記錄等諸多領域的信號設計和信號的處理應用，起到了重要的作用。

　　國外發(fā)達國家的微波中繼通信在長途通信網(wǎng)中所占的比例高達50%以上。據(jù)統(tǒng)計美國為66%，日本為50%，法國為54%。我國自1956年從東德引進第一套微波通信設備以來，經(jīng)過仿制和自發(fā)研制過程，已經(jīng)取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個微波通道全部安然無恙。九十年代的長江中下游的特大洪災中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發(fā)展前景的通信手段之一。

　　主要設備

　　微波站的設備包括天線、收發(fā)信機、調(diào)制器、多路復用設備以及電源設備、自動控制設備等。為了把電波聚集起來成為波束,送至遠方，一般都采用拋物面天線，其聚焦作用可大大增加傳送距離。拋物面天線是一種將在電磁波譜上的超高頻/特高頻用于無線電、電視、數(shù)據(jù)通訊的高增益反射天線，也常被用來做無線電定位（雷達）。

　　多個收發(fā)信機可以共同使用一個天線而互不干擾，中國現(xiàn)用微波系統(tǒng)在同一頻段同一方向可以有六收六發(fā)同時工作，也可以八收八發(fā)同時工作以增加微波電路的總體容量。多路復用設備有模擬和數(shù)字之分。模擬微波系統(tǒng)每個收發(fā)信機可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等級的微波電路。數(shù)字微波系統(tǒng)應用數(shù)字復用設備以30路電話按時分復用原理組成一次群，進而可組成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并經(jīng)過數(shù)字調(diào)制器調(diào)制于發(fā)射機上，在接收端經(jīng)數(shù)字解調(diào)器還原成多路電話。最新的微波通信設備,其數(shù)字系列標準與光纖通信的同步數(shù)字系列（SDH）完全一致，稱為SDH微波。這種微波設備在一條電路上，八個束波可以同時傳送三萬多路數(shù)字電話電路（2.4Gbit/s）。

　　頻帶劃分

　　微波按波長不同可分為分米波，厘米波、毫米波及亞毫米波，分別對應于特高頻UHF（0.3～3GHz）、超高頻SHF（3～30GHz）、極高頻EHF（30～300GHz）及至高頻THF（300GHz～3THz）。

　　微波中部分頻段常用代號來表示，如表1所示。

　　表1 微波部分頻段的代號

　　其中L頻段以下適用于移動通信。S至Ku頻段適用于以地球表面為基地的通信，包括地面微波接力通信及地球站之間的衛(wèi)星通信，其中C頻段的應用最為普遍，毫米波適用于空間通信及近距離地面通信。為滿足通信容量不斷增長的需要，已開始采用K和Ka頻段進行地球站與空間站之間的通信。60GHz的電波在大氣中衰減較大，適宜于近距離地面保密通信。94GHz的電波在大氣中衰減很少，適合于地球站與空間站之間的遠距離通信。

　　系統(tǒng)構成

        
　　圖2 微波多路通信系統(tǒng)示意圖

　　微波通信系統(tǒng)由發(fā)信機、收信機、天饋線系統(tǒng)、多路復用設備、及用戶終端設備等組成，如圖2所示。其中，發(fā)信機由調(diào)制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機由低噪聲放大器、下變頻器，解調(diào)器組成；天饋線系統(tǒng)由饋線、雙工器及天線組成。用戶終端設備把各種信息變換成電信號。多路復用設備則把多個用戶的電信號構成共享一個傳輸信道的基帶信號。在發(fā)信機中調(diào)制器把基帶信號調(diào)制到中頻再經(jīng)上變頻變至射頻，也可直接調(diào)制到射頻。在模擬微波通信系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式是調(diào)頻；在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，常用多相數(shù)字調(diào)相方式，大容量數(shù)字微波則采用有效利用頻譜的多進制數(shù)字調(diào)制及組合調(diào)制等調(diào)制方式。發(fā)信機中的高功率放大器用于把發(fā)送的射頻信號提高到足夠的電平，以滿足經(jīng)信道傳輸后的接收場強。收信機中的低噪聲放大器用于提高收信機的靈敏度；下變頻器用于中頻信號與微波信號之間的變換以實現(xiàn)固定中頻的高增益穩(wěn)定放大；解調(diào)器的功能是進行調(diào)制的逆變換。微波通信天線一般為強方向性、高效率、高增益的反射面天線，常用的有拋物面天線、卡塞格倫天線等，饋線主要采用波導或同軸電纜。在地面接力和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，還需以中繼站或衛(wèi)星轉發(fā)器等作為中繼轉發(fā)裝置。

　　微波傳播特點

　　微波通信中電波所涉及的媒質有地球表面、地球大氣（對流層、電離層和地磁場等）及星際空間等。按媒質分布對傳播的作用可分為：連續(xù)的（均勻的或不均勻的）介質體，如對流層，電離層等，及離散的散射體，如雨滴、冰雷、飛機及其它飛行物等。微波通信中的電波傳播，可分為視距傳播及超視距傳播兩大類。

　　視距傳播時，發(fā)射點和接收點雙方都在無線電視線范圍內(nèi)，利用視距傳播的有地面微波接力通信、衛(wèi)星通信、空間通信及微波移動通信。其特點是信號沿直線或視線路徑傳播，信號的傳播受自由空間的衰耗和媒質信道參數(shù)的影響。如地-地傳播的影響包括地面、地物對電波的繞射、反射和折射、特別是近地對流層對電波的折射、吸收和散射；大氣層中水氣、凝結體和懸浮物對電波的吸收和散射。它們會引起信號幅度的衰落，多徑時延，傳波角的起伏和去極化（即交叉極化率的降低）等效應。在地-空和空-空視距傳播中，主要考慮大氣和大氣層中沉降物的影響，而地面、地物和近地對流層對地-空、空-空傳播的影響則比對地面視距傳播的影響小，有時可以忽略不計。

　　對流層超視距前向散射傳播是利用對流層近地折射率梯度及介質的隨機不連續(xù)性對入射無線電波的再輻射將部分無線電波前向散射到超視距接收點的一種傳播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度遠大于地面視距微波通信，從而使可用頻帶受到限制，但站距則可遠大于地面視距通信。

　　分類

　　根據(jù)通信方式和確定信道主要性質的傳輸媒質的不同，微波通信可分為大氣層視距地面微波通信、對流層超視距散射通信、穿過電離層和外層自由空間的衛(wèi)星通信，以及主要在自由空間中傳播的空間通信。按基帶信號形式的不同，微波通信可分為主要用于傳輸多路載波電話、載波電報、電視節(jié)目等的模擬微波通信，以及主要用于傳輸多路數(shù)字電話、高速數(shù)據(jù)、數(shù)字電視、電視會議和其它新型電信業(yè)務的數(shù)字微波通信。

　　7.1 微波接力通信

　　利用微波視距傳播以接力站的接力方式離微波通信，也稱微波中繼通信。微波接力系統(tǒng)由兩端的終端站及中間的若干接力站組成，為地面視距點對點通信。各站收發(fā)設備均衡配置，站距約50km，天線直徑1.5～4m，半功率角3～5°，發(fā)射機功率1～10W，接收機噪聲系數(shù)3～10dB（相當噪聲溫度290～261K），必要時二重分集接收。模擬調(diào)頻微波容量可達1800～2700路，數(shù)字多進制正交調(diào)幅微波容量可達144Mbit/s。設備投資和施工費用較少，維護方便；工程施工與設備安裝周期較短，利用車載式微波站，可迅速搶修溝通電路。

　　7.2 對流層散射通信

　　利用對流層中媒質的不均勻體的不連續(xù)界面對微波的散射作用實現(xiàn)的超視距無線通信。常用頻段為0.2～5GHz，為地面超視距點對點通信?？缇鄶?shù)百公里，大型廣告牌（拋物面）天線等效直徑可達30～35m，射束半功率角1～2°，有孔徑介質耦合損耗，發(fā)射機功率5～50kW，四重分集接收，容量數(shù)十話路至百余話路。對流層散射通信一般不受太陽活動及核爆炸的影響，可在山區(qū)、丘陵、沙漠、沼澤、海灣島嶼等地域建立通信電路。

　　7.3 衛(wèi)星通信

　　地球站之間利用人造地球衛(wèi)星上的轉發(fā)器轉發(fā)信號的無線電通信，為地一空視距多址通信系統(tǒng)，衛(wèi)星中繼站受能源和散熱條件的限制，故地-空設備偏重配置。同步衛(wèi)星系統(tǒng)，空間段單程大于3.6萬公里，地面站天線直徑15～32m，增益60dB，射束半功率角0.1～1°，需要自動跟蹤，發(fā)射機功率0.5～5kW。衛(wèi)星中繼站，下行全球波束用喇叭天線，點波束用拋物面天線，可借助波束分隔進行頻率再用。轉發(fā)器功率數(shù)十瓦，帶寬一般為36MHz，容量5000～10000話路。衛(wèi)星通信覆蓋面廣，時延長，信號易被截獲、竊聽、甚至干擾。一種容量較小的可適用于稀路由的甚小天線地球站（VSAT）適用于數(shù)據(jù)通信。

　　7.4 空間通信

　　利用微波在星體（包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器）之間進行的通信。它包括地球站與航天器、航天器與航天器之間的通信、以及地球站之間通過衛(wèi)星間轉發(fā)的衛(wèi)星通信。地球站與航天器之間的通信分近空通信與深空通信。在深空通信時，為了實現(xiàn)從髙噪聲背景中提取微弱信號，需采用特種編碼和調(diào)制、相干接收和頻帶壓縮等技術。

　　7.5 微波移動通信

　　通信雙方或一方處于運動中的微波通信，分陸上、海上及航空三類移動通信。陸上移動通信多使用150，450或900MHz的頻段，并正向更高頻段發(fā)展。海上、航空及陸上移動通信均可使用衛(wèi)星通信。海事衛(wèi)星可提供此種移動通信業(yè)務。低地球軌道（LEO）的輕衛(wèi)星將廣泛用于移動通信業(yè)務。

　　通信方式

　　地面上的遠距離微波通信通常采用中繼（接力）方式進行，原因如下：

　　微波波長短，具有視距傳播特性。而地球表面是個曲面，電磁波長距離傳輸時，會受到地面的阻擋。為了延長通信距離，需要在兩地之間設立若干中繼站，進行電磁波轉接。

　　微波傳播有損耗，隨著通信距離的增加信號衰減，有必要采用中繼方式對信號逐段接收、放大后發(fā)送給下一段，延長通信距離。

　　A、B兩地間的遠距離地面微波中繼通信系統(tǒng)如下圖所示。

　　微波中繼通信示意圖

　　在微波傳輸過程中，有不同類型的微波站，如下圖示。

　　微波網(wǎng)絡布局分類

　　終端站：只有1個傳輸方向的微波站。

　　中繼站：具有2個傳輸方向，為了解決微波視通問題，需要增加的微波站。分為有源中繼站和無源中繼站兩種。

　　樞紐站：具有3個或3個以上傳輸方向，對不同方向的傳輸通道進行轉接的微波站，或稱為HUB站。

　　分路站：具有2個傳輸方向，因傳輸業(yè)務上下的需要而設立的微波站。

　　業(yè)務種類

　　微波通信由于其頻帶寬、容量大、可以用于各種電信業(yè)務的傳送,如電話、電報、數(shù)據(jù)、傳真以及彩色電視等均可通過微波電路傳輸。

　　抗衰落技術

　　微波傳輸也會受到很多外界因素的干擾而衰落。從衰落的物理因素來看，可以分成以下幾種類型：

　　吸收衰落：大氣中的氧分子和水分子能從電磁波吸收能量，導致微波在傳播的過程中的能量損耗而產(chǎn)生衰耗。頻率越高，站距越長，衰落越嚴重。

　　雨霧引起的散射衰落：雨霧中的大小水滴能夠散射電磁波的能量，因而造成電磁波的能量損失而產(chǎn)生衰落。雨霧天氣時，對高頻微波影響大。

　　K型衰落：多徑傳輸產(chǎn)生的干涉型衰落。由于這種衰落與大氣的折射參數(shù)K值的變化而變化的，故稱為K型衰落。這種衰落在水面、湖泊、平滑的地面時顯得特別嚴重。

　　波導型衰落：由于氣象的影響，大氣層中會形成不均勻的大氣波導。微波射線通過大氣波導，則接收點的電場強度包含了“波導層”以外的反射波，形成嚴重的干擾型衰落，造成通信的中斷。

　　閃爍衰落：對流層中的大氣常發(fā)生大氣湍流，大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電系數(shù)與周圍的不同。當微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來時，將使電波向周圍輻射，形成對流層散射。此時接收點也可以接收到多徑傳來的這種散射波，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產(chǎn)生的，因此稱之為閃爍衰落。

　　對抗這些衰落的技術有自適應均衡、自動發(fā)信功率控制（ATPC）、前向糾錯（FEC）和分集接收技術等。

　　表 2 微波抗衰落技術

　
　　主要特點

　　微波通信具有良好的抗災性能，對水災、風災以及地震等自然災害，微波通信一般都不受影響。但微波經(jīng)空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴格管理之下進行建設。此外由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋,因此城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。

　　發(fā)展概況

　　中國開發(fā)成功點對多點微波通信系統(tǒng)，其中心站采用全向天線向四周發(fā)射，在周圍50公里以內(nèi)，可以有多個點放置用戶站，從用戶站再分出多路電話分別接至各用戶使用。其總體容量有100線、500線和1000線等不同的容量的設備，每個用戶站可以分配十幾或數(shù)十個電話用戶，在必要時還可通過中繼站延伸至數(shù)百公里外的用戶使用。這種點對多點微波通信系統(tǒng)對于城市郊區(qū)、縣城至農(nóng)村村鎮(zhèn)或沿海島嶼的用戶、對分散的居民點也十分合用，較為經(jīng)濟。

　　微波通信還有“對流層散射通信”、“流星余跡通信”等，是利用高層大氣的不均勻性或流星的余跡對電波的散射作用而達到超過視距的通信，這些系統(tǒng)，在中國應用較少。

　　特征

　　微波的基本性質通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

　　一、穿透性

　　微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長長。微波透入介質時，由于介質損耗引起的介質溫度的升高，使介質材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導時間，且在條件為介質損耗因數(shù)與介質溫度呈負相關關系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

　　二、選擇性加熱

　　物質吸收微波的能力，主要由其介質損耗因數(shù)來決定。介質損耗因數(shù)大的物質對微波的吸收能力就強，相反，介質損耗因數(shù)小的物質吸收微波的能力也弱。由于各物質的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質損耗因數(shù)也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

　　三、熱慣性小

　　微波對介質材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

　　原理

　　1、微波同光波一樣，是直線傳播的，要求兩個通信地點（兩個微波站）之間沒有阻擋，信號才能傳到對方，即所謂的視距傳播。在微波的頻段使用方面，各國的微波設備往往首先使用4GHz頻段。目前各國的通信設備已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各頻段。我國的數(shù)字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各頻段的設備。頻率低，其電波傳播較穩(wěn)定，但其設備及元器件的尺寸也較大，當天線口徑一定時，微波頻率越低，天線增益也越低。對微波頻率的選取要遵照CCIR的建議和各國無線電管理委員會的規(guī)定，經(jīng)申請后得到批準才行。

　　2、就微波通信的性能而論，數(shù)字微波通信的特點可概括為微波、多路、接力六個字。

　　3、“微波”指通信頻率是微波頻段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波頻段寬度是長波、中波、短波及特高頻幾個頻段總和的l000倍。微波頻率不受天電干擾和工業(yè)干擾及太陽黑子變化的影響，通信的可靠性較高。還因微波頻率高，所以其天線尺寸較小，往往做成面式天線，其天線增益較高、方向性很強。

　　4、“多路”指微波通信不但總的頻段寬，傳輸容量大，而且其通信設備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個4000MHz的設備，其通頻帶按l%估算，可達40MHz。模擬微波的960路電話總頻譜約為4MHz帶寬?？梢?，一套微波收發(fā)信設備可傳輸?shù)脑捖窋?shù)是相當多的。因數(shù)字信號占用帶寬較寬，所以數(shù)字微波通信設備在選擇適當?shù)恼{(diào)制方式后，可傳輸?shù)脑捖啡萘咳匀皇窍喈敹嗟摹?/p>

　　5、“接力”因微波頻段的電磁波在視距范圍內(nèi)是沿直線傳播的，通信距離一般為40~50km。考慮到地球表面的彎曲，在進行長距離通信時，就必須采用接力的傳播方式，發(fā)端信號經(jīng)若干中間站多次轉發(fā)，才能到達收端。