微波通信

　　简介

　　微波通信使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz～3THz）的电磁波进行的通信。包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点对点、一点对多点或广播等通信方式。

　　中国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。

　　一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。

　　表 1 无线电波划分

　　发展简史

　　微波的发展是与无线通信的发展是分不开的。1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。无线通信初期，人们使用长波及中波来通信。20世纪20年代初人们发现了短波通信，直到20世纪60年代卫星通信的兴起，它一直是国际远距离通信的主要手段，并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。

　　用于空间传输的电波是一种电磁波，其传播的速度等于光速。无线电波可以按照频率或波长来分类和命名。我们把频率高于300MHz的电磁波称为微波。由于各波段的传播特性各异，因此，可以用于不同的通信系统。例如，中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。而短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。

　　1931年在英国多佛与法国加莱之间建起世界上第一条微波通信电路。第二次世界大战后，微波接力通信得到迅速发展。1955年对流层散射通信在北美试验成功。20世纪50年代开始进行卫星通信试验，60年代中期投入使用。由于微波波段频率资源极为丰富，而微波波段以下的频谱十分拥挤，为此移动通信等也向微波波段发展。此外数字技术及微电子技术的发展，也促进了微波通信逐步从模拟微波通信向数字微波通信过渡。

　　微波通信是二十世纪50年代的产物。由于其通信的容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，模拟调频传输容量高达2700路，也可同时传输高质量的彩色电视，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。特别应该指出的是80年代至90年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展，对现今的卫星通信，移动通信，全数字HDTV传输，通用高速有线/无线的接入，乃至高质量的磁性记录等诸多领域的信号设计和信号的处理应用，起到了重要的作用。

　　国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上。据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%。我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。

　　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。为了把电波聚集起来成为波束,送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。抛物面天线是一种将在电磁波谱上的超高频/特高频用于无线电、电视、数据通讯的高增益反射天线，也常被用来做无线电定位（雷达）。

　　多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰，中国现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作，也可以八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。多路复用设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等级的微波电路。数字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群，进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并经过数字调制器调制于发射机上，在接收端经数字解调器还原成多路电话。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电路（2.4Gbit/s）。

　　频带划分

　　微波按波长不同可分为分米波，厘米波、毫米波及亚毫米波，分别对应于特高频UHF（0.3～3GHz）、超高频SHF（3～30GHz）、极高频EHF（30～300GHz）及至高频THF（300GHz～3THz）。

　　微波中部分频段常用代号来表示，如表1所示。

　　表1 微波部分频段的代号

　　其中L频段以下适用于移动通信。S至Ku频段适用于以地球表面为基地的通信，包括地面微波接力通信及地球站之间的卫星通信，其中C频段的应用最为普遍，毫米波适用于空间通信及近距离地面通信。为满足通信容量不断增长的需要，已开始采用K和Ka频段进行地球站与空间站之间的通信。60GHz的电波在大气中衰减较大，适宜于近距离地面保密通信。94GHz的电波在大气中衰减很少，适合于地球站与空间站之间的远距离通信。

　　系统构成

        
　　图2 微波多路通信系统示意图

　　微波通信系统由发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备、及用户终端设备等组成，如图2所示。其中，发信机由调制器、上变频器、高功率放大器组成，收信机由低噪声放大器、下变频器，解调器组成；天馈线系统由馈线、双工器及天线组成。用户终端设备把各种信息变换成电信号。多路复用设备则把多个用户的电信号构成共享一个传输信道的基带信号。在发信机中调制器把基带信号调制到中频再经上变频变至射频，也可直接调制到射频。在模拟微波通信系统中，常用的调制方式是调频；在数字微波通信系统中，常用多相数字调相方式，大容量数字微波则采用有效利用频谱的多进制数字调制及组合调制等调制方式。发信机中的高功率放大器用于把发送的射频信号提高到足够的电平，以满足经信道传输后的接收场强。收信机中的低噪声放大器用于提高收信机的灵敏度；下变频器用于中频信号与微波信号之间的变换以实现固定中频的高增益稳定放大；解调器的功能是进行调制的逆变换。微波通信天线一般为强方向性、高效率、高增益的反射面天线，常用的有抛物面天线、卡塞格伦天线等，馈线主要采用波导或同轴电缆。在地面接力和卫星通信系统中，还需以中继站或卫星转发器等作为中继转发装置。

　　微波传播特点

　　微波通信中电波所涉及的媒质有地球表面、地球大气（对流层、电离层和地磁场等）及星际空间等。按媒质分布对传播的作用可分为：连续的（均匀的或不均匀的）介质体，如对流层，电离层等，及离散的散射体，如雨滴、冰雷、飞机及其它飞行物等。微波通信中的电波传播，可分为视距传播及超视距传播两大类。

　　视距传播时，发射点和接收点双方都在无线电视线范围内，利用视距传播的有地面微波接力通信、卫星通信、空间通信及微波移动通信。其特点是信号沿直线或视线路径传播，信号的传播受自由空间的衰耗和媒质信道参数的影响。如地-地传播的影响包括地面、地物对电波的绕射、反射和折射、特别是近地对流层对电波的折射、吸收和散射；大气层中水气、凝结体和悬浮物对电波的吸收和散射。它们会引起信号幅度的衰落，多径时延，传波角的起伏和去极化（即交叉极化率的降低）等效应。在地-空和空-空视距传播中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，而地面、地物和近地对流层对地-空、空-空传播的影响则比对地面视距传播的影响小，有时可以忽略不计。

　　对流层超视距前向散射传播是利用对流层近地折射率梯度及介质的随机不连续性对入射无线电波的再辐射将部分无线电波前向散射到超视距接收点的一种传播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度远大于地面视距微波通信，从而使可用频带受到限制，但站距则可远大于地面视距通信。

　　分类

　　根据通信方式和确定信道主要性质的传输媒质的不同，微波通信可分为大气层视距地面微波通信、对流层超视距散射通信、穿过电离层和外层自由空间的卫星通信，以及主要在自由空间中传播的空间通信。按基带信号形式的不同，微波通信可分为主要用于传输多路载波电话、载波电报、电视节目等的模拟微波通信，以及主要用于传输多路数字电话、高速数据、数字电视、电视会议和其它新型电信业务的数字微波通信。

　　7.1 微波接力通信

　　利用微波视距传播以接力站的接力方式离微波通信，也称微波中继通信。微波接力系统由两端的终端站及中间的若干接力站组成，为地面视距点对点通信。各站收发设备均衡配置，站距约50km，天线直径1.5～4m，半功率角3～5°，发射机功率1～10W，接收机噪声系数3～10dB（相当噪声温度290～261K），必要时二重分集接收。模拟调频微波容量可达1800～2700路，数字多进制正交调幅微波容量可达144Mbit/s。设备投资和施工费用较少，维护方便；工程施工与设备安装周期较短，利用车载式微波站，可迅速抢修沟通电路。

　　7.2 对流层散射通信

　　利用对流层中媒质的不均匀体的不连续界面对微波的散射作用实现的超视距无线通信。常用频段为0.2～5GHz，为地面超视距点对点通信。跨距数百公里，大型广告牌（抛物面）天线等效直径可达30～35m，射束半功率角1～2°，有孔径介质耦合损耗，发射机功率5～50kW，四重分集接收，容量数十话路至百余话路。对流层散射通信一般不受太阳活动及核爆炸的影响，可在山区、丘陵、沙漠、沼泽、海湾岛屿等地域建立通信电路。

　　7.3 卫星通信

　　地球站之间利用人造地球卫星上的转发器转发信号的无线电通信，为地一空视距多址通信系统，卫星中继站受能源和散热条件的限制，故地-空设备偏重配置。同步卫星系统，空间段单程大于3.6万公里，地面站天线直径15～32m，增益60dB，射束半功率角0.1～1°，需要自动跟踪，发射机功率0.5～5kW。卫星中继站，下行全球波束用喇叭天线，点波束用抛物面天线，可借助波束分隔进行频率再用。转发器功率数十瓦，带宽一般为36MHz，容量5000～10000话路。卫星通信覆盖面广，时延长，信号易被截获、窃听、甚至干扰。一种容量较小的可适用于稀路由的甚小天线地球站（VSAT）适用于数据通信。

　　7.4 空间通信

　　利用微波在星体（包括人造卫星、宇宙飞船等航天器）之间进行的通信。它包括地球站与航天器、航天器与航天器之间的通信、以及地球站之间通过卫星间转发的卫星通信。地球站与航天器之间的通信分近空通信与深空通信。在深空通信时，为了实现从髙噪声背景中提取微弱信号，需采用特种编码和调制、相干接收和频带压缩等技术。

　　7.5 微波移动通信

　　通信双方或一方处于运动中的微波通信，分陆上、海上及航空三类移动通信。陆上移动通信多使用150，450或900MHz的频段，并正向更高频段发展。海上、航空及陆上移动通信均可使用卫星通信。海事卫星可提供此种移动通信业务。低地球轨道（LEO）的轻卫星将广泛用于移动通信业务。

　　通信方式

　　地面上的远距离微波通信通常采用中继（接力）方式进行，原因如下：

　　微波波长短，具有视距传播特性。而地球表面是个曲面，电磁波长距离传输时，会受到地面的阻挡。为了延长通信距离，需要在两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。

　　微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信距离。

　　A、B两地间的远距离地面微波中继通信系统如下图所示。

　　微波中继通信示意图

　　在微波传输过程中，有不同类型的微波站，如下图示。

　　微波网络布局分类

　　终端站：只有1个传输方向的微波站。

　　中继站：具有2个传输方向，为了解决微波视通问题，需要增加的微波站。分为有源中继站和无源中继站两种。

　　枢纽站：具有3个或3个以上传输方向，对不同方向的传输通道进行转接的微波站，或称为HUB站。

　　分路站：具有2个传输方向，因传输业务上下的需要而设立的微波站。

　　业务种类

　　微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。

　　抗衰落技术

　　微波传输也会受到很多外界因素的干扰而衰落。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型：

　　吸收衰落：大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量，导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。频率越高，站距越长，衰落越严重。

　　雨雾引起的散射衰落：雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。雨雾天气时，对高频微波影响大。

　　K型衰落：多径传输产生的干涉型衰落。由于这种衰落与大气的折射参数K值的变化而变化的，故称为K型衰落。这种衰落在水面、湖泊、平滑的地面时显得特别严重。

　　波导型衰落：由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的大气波导。微波射线通过大气波导，则接收点的电场强度包含了“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断。

　　闪烁衰落：对流层中的大气常发生大气湍流，大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。

　　对抗这些衰落的技术有自适应均衡、自动发信功率控制（ATPC）、前向纠错（FEC）和分集接收技术等。

　　表 2 微波抗衰落技术

　
　　主要特点

　　微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡,因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划，使之不受高楼的阻隔而影响通信。

　　发展概况

　　中国开发成功点对多点微波通信系统，其中心站采用全向天线向四周发射，在周围50公里以内，可以有多个点放置用户站，从用户站再分出多路电话分别接至各用户使用。其总体容量有100线、500线和1000线等不同的容量的设备，每个用户站可以分配十几或数十个电话用户，在必要时还可通过中继站延伸至数百公里外的用户使用。这种点对多点微波通信系统对于城市郊区、县城至农村村镇或沿海岛屿的用户、对分散的居民点也十分合用，较为经济。

　　微波通信还有“对流层散射通信”、“流星余迹通信”等，是利用高层大气的不均匀性或流星的余迹对电波的散射作用而达到超过视距的通信，这些系统，在中国应用较少。

　　特征

　　微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

　　一、穿透性

　　微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长长。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

　　二、选择性加热

　　物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

　　三、热惯性小

　　微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

　　原理

　　1、微波同光波一样，是直线传播的，要求两个通信地点（两个微波站）之间没有阻挡，信号才能传到对方，即所谓的视距传播。在微波的频段使用方面，各国的微波设备往往首先使用4GHz频段。目前各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。我国的数字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各频段的设备。频率低，其电波传播较稳定，但其设备及元器件的尺寸也较大，当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。对微波频率的选取要遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定，经申请后得到批准才行。

　　2、就微波通信的性能而论，数字微波通信的特点可概括为微波、多路、接力六个字。

　　3、“微波”指通信频率是微波频段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波频段宽度是长波、中波、短波及特高频几个频段总和的l000倍。微波频率不受天电干扰和工业干扰及太阳黑子变化的影响，通信的可靠性较高。还因微波频率高，所以其天线尺寸较小，往往做成面式天线，其天线增益较高、方向性很强。

　　4、“多路”指微波通信不但总的频段宽，传输容量大，而且其通信设备的通频带也可以做得很宽。例如，一个4000MHz的设备，其通频带按l%估算，可达40MHz。模拟微波的960路电话总频谱约为4MHz带宽。可见，一套微波收发信设备可传输的话路数是相当多的。因数字信号占用带宽较宽，所以数字微波通信设备在选择适当的调制方式后，可传输的话路容量仍然是相当多的。

　　5、“接力”因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的，通信距离一般为40~50km。考虑到地球表面的弯曲，在进行长距离通信时，就必须采用接力的传播方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。