微波通信新發(fā)展與通用發(fā)射機技術(shù)研究

作為傳輸介質(zhì)，微波有著(zhù)其他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。微波中繼通信系統以及現有的微波寬帶通信系統是已經(jīng)商用的系統。從通信系統使用的信道傳輸頻率來(lái)看，屬于微波通信系統的有衛星通信系統、地面微波中繼通信系統、本地多點(diǎn)分配接入系統(LMDS)等系統。這些微波通信系統基本上具有相同的發(fā)射機結構，本文將探討通用的微波發(fā)射機技術(shù)。

微波簡(jiǎn)介

微波是指頻率在300MHz～300GHz的電磁波，對應波長(cháng)為1m～1km，傳播速度與光速相同。目前工業(yè)微波設備所采用的微波頻率為2450MHz和915MHz兩種。在工業(yè)微波設備中，微波的特性主要表現為吸收性、穿透性和反射性。微波能夠被極性分子的介質(zhì)所吸收，并將微波能轉化為熱能，即微波對極性分子具有熱效應。當對介質(zhì)施加頻率達2450MHz的微波電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)方向每秒鐘變換24.5億次，極性分子也會(huì )隨之擺動(dòng)24.5億次。這種分子的擺動(dòng)受到分子問(wèn)作用力的干擾和阻礙而產(chǎn)生熱能，形成宏觀(guān)的微波加熱，介質(zhì)的溫度也隨之升高。水是典型的極性分子，所以微波可以用來(lái)對含水物料進(jìn)行干燥。微生物的細胞也是由極性分子構成的。微波對微生物不僅具有熱效應，而且具有生物效應，使微生物的細胞失去生物活性而死亡。所以，微波可以殺滅食品、藥品或其他物料中的細菌、蟲(chóng)及蟲(chóng)卵。微波可以穿透絕緣材料(如陶瓷、玻璃、紙張、塑料等)，遇到金屬則會(huì )被反射。

微波的主要特性有以下幾點(diǎn)。

①微波能穿透高空電離層，這一特點(diǎn)為天文觀(guān)測增加了一個(gè)“窗口”，使得射電天文學(xué)研究成為可能。同時(shí)，微波能穿透電離層這一特點(diǎn)又可被用來(lái)進(jìn)行衛星通信和宇航通信。但另一方面，也正是由于微波不能為電離層所反射，所以利用微波的地面通信只限于天線(xiàn)的視距范圍之內，遠距離微波通信需用中繼站接力。

②微波的波長(cháng)比一般宏觀(guān)物體如建筑物、船艦、飛機、導彈等的尺寸短得多，因此當微波波束照射到這些物體上時(shí)將產(chǎn)生顯著(zhù)的反射。一般地說(shuō)，電磁波的波長(cháng)越短，其傳播特性就越接近于光波。微波的波長(cháng)短這一特點(diǎn)，對于雷達、導航和通信等應用都是很重要的。此外，一般微波電路的尺寸可以和波長(cháng)相比擬。由于延時(shí)效應，電磁波的傳播特性將明顯地表現出來(lái)，使得電磁場(chǎng)的能量分布于整個(gè)微波電路之中，形成所謂的“分布參數”，這與低頻時(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量分別集中在各個(gè)元件中的所謂“集總參數”有原則的區別。

③由于微波的頻帶較寬，信息容量較大，故需要傳送較大信息量的通信都可以用其作為載波。在微波有線(xiàn)通信方面，利用同軸電纜可同時(shí)傳送幾千路電話(huà)和幾路電視，而光纖傳輸線(xiàn)的問(wèn)世與發(fā)展使信息容量更為大增；在無(wú)線(xiàn)通信方面，利用微波中繼接力傳送電視和進(jìn)行通信。人造衛星通信的射頻都是工作在微波波段的，利用三個(gè)互成120的位于外層空間的同步衛星便可進(jìn)行全球的電視傳播。

微波通信系統

微波中繼通信系統可使用的傳輸頻率覆蓋了L波段到Ka波段川。根據原CCTIT建議。1～40GHz的頻段用作微波通信的頻段，占有39GHz的頻寬，具有較大的通信容量，可以傳送綜合業(yè)務(wù)?，F在我國主要使用微波通信的頻段為2、4、6、7、8、11GHz。其中，2、4、6GHz用作國家一級干線(xiàn)；7、8、11GHz作為省內二級干線(xiàn)用。而作為干線(xiàn)光纖傳輸的備份及補充，如點(diǎn)對點(diǎn)的SHD微波通信系統、PHD微波通信系統等，主要用于干線(xiàn)光纖傳輸系統在遇到自災害時(shí)的緊急修復，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場(chǎng)合。這種用于光纖接力的微波通信系統將使用更高的頻段，如Ka頻段，以順利實(shí)現傳輸速率的增高。衛星通信系統具有廣大的覆蓋區域、無(wú)縫連接，建設成本與距離無(wú)關(guān)，易于建站組網(wǎng)等特點(diǎn)。衛星通信系統常使用C、Ku和Ka波段，如加拿大Telesat公司于2004年發(fā)射的Anik F2，擁有24個(gè)C波段轉發(fā)器，32個(gè)Ku波段轉發(fā)器，38個(gè)Ka波段轉發(fā)器，共有45個(gè)點(diǎn)波束，覆蓋整個(gè)北美地區。2004年發(fā)射的亞洲首顆新型寬帶通信衛星iPSTAR，工作在Ku/Ka波段，Ku波段84個(gè)點(diǎn)波束、3個(gè)成形波束(用于通信和廣播)，7個(gè)地區廣播波束(專(zhuān)門(mén)用于廣播)，可提供45Gb/S以上的通信容量。于2005年4月12日發(fā)射的亞太六號衛星(Apstar6)，擁有S3個(gè)C頻段和12個(gè)Ku頻段轉發(fā)器，帶有抗干擾功能，覆蓋范圍遍及亞太區域。

MLDS是一種微波寬帶系統，它工作在微波頻率的高端(10～40GHz)，使用的帶寬可以達到1GHz以上。LMDS可以在較近的距離(3～10km)傳輸，可以實(shí)現用戶(hù)遠端到骨干網(wǎng)的寬帶無(wú)線(xiàn)接入，能夠實(shí)現從64kb/s～2Mb/s，甚至高達155Mb/s的用戶(hù)接入速率。LMDS可以實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)雙向傳輸話(huà)音、視頻和圖像信號等多種寬帶交互式數據及多媒體業(yè)務(wù)，也可作為Internet的接入網(wǎng)，支持ATM、TCP/IP和MPEG-2等標準。LMDS組網(wǎng)靈活，可靠性高，在網(wǎng)絡(luò )投資、建設速度、業(yè)務(wù)提供上比光纖經(jīng)濟、快速、方便，能為運營(yíng)商提供有效的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，因此具有“無(wú)線(xiàn)光纖”的美稱(chēng)。特別是，隨著(zhù)Internet的快速發(fā)展，國內居民對于家中高速上網(wǎng)的需求也日益巨大，這使得LMDS發(fā)展日益蓬勃。出于大帶寬，高容量的考慮，其使用的傳輸頻率大體為24-38GHz。如NEC公司的PASOLINK系列的微波通信產(chǎn)品，工作頻率覆蓋7～38GHz，在26GHz的工作頻率上，采用QPSK調制方式，發(fā)射功率為20dBm；P-COM公司的Tel-LinkPMP系列的微波通信產(chǎn)品，工作頻率覆蓋10～38GHz，在26GHz的工作頻率上，采用QPSK調制方式時(shí)發(fā)射功率為22dBm，采用16QAM時(shí)發(fā)射功率為20dBm，采用64QMA時(shí)發(fā)射功率為18dBm。

微波發(fā)射機

1微波發(fā)射機的實(shí)現方式

(1）微波直接調制發(fā)射機

微波直接調制發(fā)射機的方框圖如圖1所示。來(lái)自數字終端機的信碼經(jīng)過(guò)碼型變換后直接對微波載頻進(jìn)行調制，然后，經(jīng)過(guò)微波功放和微波濾波器饋送到天線(xiàn)，由天線(xiàn)發(fā)射出去。這種方案的發(fā)射機結構簡(jiǎn)單，但當發(fā)射頻率較高時(shí)，頻調制發(fā)射機的中頻功放設備制作難度大，而且在一個(gè)系列產(chǎn)品多種設備的場(chǎng)合下，這種發(fā)射機的通用性差。

圖1 微波直接調制發(fā)射機

(2）中頻調制發(fā)射機

中頻調制發(fā)射機的方框圖如圖2所示。信碼經(jīng)過(guò)碼型變換后，在中頻調制器中進(jìn)行調制，獲得中頻調制信號，然后經(jīng)過(guò)功率中放，把這個(gè)己調信號放大到上變頻器要求的功率電平。上變頻器把它變換為微波調制信號，再經(jīng)微波功率放大器放大到所需的輸出功率電平，最后經(jīng)微波濾波器輸出饋送到天線(xiàn)，由發(fā)射天線(xiàn)將信號送出?？梢?jiàn)，中頻調制發(fā)射機的構成方案與一般調頻的模擬微波發(fā)射機相似，只要更換調制、解調單元，就可以利用現有的模擬微波信道傳輸數字信息。因此，在多波道傳輸時(shí)，這種方案容易實(shí)現數字模擬系統的兼容，而在不同容量的數字微波中繼設備系列中，更改傳輸容量只需要更換中頻調制單元，微波發(fā)送單元可以保持通用。因此，在研制和生產(chǎn)不同容量的設備系列時(shí)，這種方案有較好的通用性。

圖2 中頻調制發(fā)射機

2發(fā)射機的主要性能指標

(1）工作頻段

微波通信系統的頻段為1～40GHz。工作頻率愈高，愈容易獲得較寬的通頻帶和較大的通信容量。同時(shí)，天線(xiàn)設備也具有更尖銳的方向性，而且體積重量減小，但是頻率高時(shí)，霧、雨或雪的吸收顯著(zhù)，傳播損耗、衰減和接收設備噪聲也愈高。從12GHz起，必須考慮大氣中水蒸氣的吸收問(wèn)題，吸收衰耗隨頻率上升而增加。當頻率接近22GHz時(shí)，即水蒸氣分子諧振頻率時(shí)，是大氣中傳播損耗的峰值，衰減量很大。

(2）輸出功率

微波發(fā)射機所需的發(fā)射功率和很多因素有關(guān)，例如，通話(huà)路數愈多，頻帶愈寬。為保持同樣的通信質(zhì)量，必須有更大的發(fā)信功率。另外，也和站址選擇，多徑衰落的影響，分集接收的采用等諸多因素有關(guān)。一般情況下，數字微波發(fā)射機輸出功率有時(shí)只需幾十mW到幾百mW功率，只有長(cháng)距離情況下才需要幾W量級。

(3）頻率穩定度

發(fā)射機的每個(gè)工作波道都有一個(gè)標稱(chēng)的射頻中心工作頻率。微波通信對頻率穩定度的要求取決于所采用的通信制式及對通話(huà)質(zhì)量的要求。對于數字微波通信系統經(jīng)常采用PKS調制方式來(lái)說(shuō)，發(fā)射機頻率漂移將使解調過(guò)程產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號幅度下降、誤碼率增加。因此，采用數字調相的數字微波發(fā)射機比采用模擬調頻的模擬微波發(fā)射機應該有更高的頻率穩定度。采用PSK調制方式時(shí)，頻率穩定度可以取。發(fā)射頻率穩定度取決于本機振蕩器的頻率穩定度。近年來(lái)，由于微波介質(zhì)材料性能的提高，介質(zhì)穩頻振蕩器日益被廣泛采用。此種振蕩器可以直接產(chǎn)生微波振蕩，具有電路簡(jiǎn)單、雜頻干擾小及噪聲較小等優(yōu)點(diǎn)。

(4）交調失真

發(fā)射設備處在大信號工作狀態(tài)，往往工作在非線(xiàn)性區域，如功率放大器和上變頻器等。如果存在兩個(gè)正弦信號，其角頻率分別為w1和w2，則由于電路的非線(xiàn)性作用將產(chǎn)生許多交叉調制分量：mw1nw2，n=0，1，2，…。按照諧波次數(m+n)的大小，各分量分別稱(chēng)為(m+n)階交調分量。在各階交分量中2w1-w2和2w2-w1處在w1和w2附近，大多數情況下則處在通頻帶之內，從而成為干擾信號。一般，在微波通信系統中，更高階的交調分量和高次諧波分量已處在頻帶之外，而且功率也不大，所以不構成危害。電路非線(xiàn)性度愈壞，交調分量愈大。由于兩頻率相距不遠，這兩個(gè)譜線(xiàn)的功率相差不大。雙頻信號輸入時(shí)的三階交調系數是發(fā)送設備非線(xiàn)性的一項重要指標，例如在限帶情況下，PKS調制的三階交調系數約為-20～-25dB；而對于多電平正交調幅系統，如16QAM系統，則要求在-25～-30dB以上。也就是說(shuō)，對三階交調系數的要求，取決于通信體制及誤碼性能惡化等因素。

(5）諧波抑制度

總體設計在規定此項指標時(shí)，除了考慮數字微波通信系統本身的各種干擾以外，還應考慮其對模擬通信系統和衛星通信系統的干擾。因此，應適當地配置工作頻率和采取必要的防護措施。

(6）通頻帶寬度

除了濾波器以外，發(fā)信信道的各組成部件都應具有寬頻帶特性。通常，上變頻器和微波小信號功率放大器易于實(shí)現寬帶設計，而對于大功率微波放大器要求很寬的工作頻帶是不合適的，一般只要求能覆蓋兩個(gè)工作波段。這樣，總體設計時(shí)，可不考慮它們對發(fā)信信道通頻帶的影響。

當前微波通信技術(shù)的主要發(fā)展方向

1提高QAM調制級數及嚴格限帶

為了提高頻譜利用率，一般多采用多電平QAM調制技術(shù)， 目前已達到256和512QAM，很快就可實(shí)現l 024／2048QAM。與此同時(shí)，對信道濾波器的設計提出了極為嚴格的要求：在某些情況下，其余弦滾降系數應低至0.1，現已可做到0.2左右。

2網(wǎng)格編碼調制及維特比檢測技術(shù)

為降低系統誤碼率，必須采用復雜的糾錯編碼技術(shù)，但由此會(huì )導致頻帶利用率的下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可采用網(wǎng)格編碼調制(TCM)技術(shù)。采用TCM技術(shù)需利用維特比算法解碼。在高速數字信號傳輸中，應用這種解碼算法難度較大。

3自適應時(shí)域均衡技術(shù)

使用高性能、全數字化二維時(shí)域均衡技術(shù)減少碼間干擾、正交干擾及多徑衰落的影響。

4多載波并聯(lián)傳輸

多載波并聯(lián)傳輸可顯著(zhù)降低發(fā)信碼元的速率，減少傳播色散的影響。運用雙載波并聯(lián)傳輸可使瞬斷率降低到原來(lái)的1/10。

微波發(fā)展動(dòng)向―純分組傳送化

隨著(zhù)業(yè)務(wù)網(wǎng)分組化的發(fā)展，傳送網(wǎng)的分組化也是大勢所趨，尤其是隨著(zhù)3G 和WiMAX技術(shù)的快速發(fā)展，基站的帶寬需求急劇增加，預計到2011年，70％以上的基站凹傳業(yè)務(wù)將實(shí)現分組化。作為傳送網(wǎng)一部分的微波網(wǎng)絡(luò )也不可避免地面臨著(zhù)IP化、分組化的變革?；赥DM的VC交叉將會(huì )演變?yōu)橥ㄟ^(guò)PW E3技術(shù)的仿真來(lái)實(shí)現基于分組的統一包交換。微波通信系統也將向分組化演進(jìn)，這也是微波網(wǎng)絡(luò )下一步的發(fā)展方向。