微波通信新發(fā)展與通用發(fā)射機(jī)技術(shù)研究

作為傳輸介質(zhì)，微波有著其他通信方式無法比擬的優(yōu)點。微波中繼通信系統(tǒng)以及現(xiàn)有的微波寬帶通信系統(tǒng)是已經(jīng)商用的系統(tǒng)。從通信系統(tǒng)使用的信道傳輸頻率來看，屬于微波通信系統(tǒng)的有衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面微波中繼通信系統(tǒng)、本地多點分配接入系統(tǒng)(LMDS)等系統(tǒng)。這些微波通信系統(tǒng)基本上具有相同的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，本文將探討通用的微波發(fā)射機(jī)技術(shù)。

微波簡介

微波是指頻率在300MHz～300GHz的電磁波，對應(yīng)波長為1m～1km，傳播速度與光速相同。目前工業(yè)微波設(shè)備所采用的微波頻率為2450MHz和915MHz兩種。在工業(yè)微波設(shè)備中，微波的特性主要表現(xiàn)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(zhuǎn)化為熱能，即微波對極性分子具有熱效應(yīng)。當(dāng)對介質(zhì)施加頻率達(dá)2450MHz的微波電場時，電場方向每秒鐘變換24.5億次，極性分子也會隨之?dāng)[動24.5億次。這種分子的擺動受到分子問作用力的干擾和阻礙而產(chǎn)生熱能，形成宏觀的微波加熱，介質(zhì)的溫度也隨之升高。水是典型的極性分子，所以微波可以用來對含水物料進(jìn)行干燥。微生物的細(xì)胞也是由極性分子構(gòu)成的。微波對微生物不僅具有熱效應(yīng)，而且具有生物效應(yīng)，使微生物的細(xì)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(xì)菌、蟲及蟲卵。微波可以穿透絕緣材料(如陶瓷、玻璃、紙張、塑料等)，遇到金屬則會被反射。

微波的主要特性有以下幾點。

①微波能穿透高空電離層，這一特點為天文觀測增加了一個“窗口”，使得射電天文學(xué)研究成為可能。同時，微波能穿透電離層這一特點又可被用來進(jìn)行衛(wèi)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的視距范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)距離微波通信需用中繼站接力。

②微波的波長比一般宏觀物體如建筑物、船艦、飛機(jī)、導(dǎo)彈等的尺寸短得多，因此當(dāng)微波波束照射到這些物體上時將產(chǎn)生顯著的反射。一般地說，電磁波的波長越短，其傳播特性就越接近于光波。微波的波長短這一特點，對于雷達(dá)、導(dǎo)航和通信等應(yīng)用都是很重要的。此外，一般微波電路的尺寸可以和波長相比擬。由于延時效應(yīng)，電磁波的傳播特性將明顯地表現(xiàn)出來，使得電磁場的能量分布于整個微波電路之中，形成所謂的“分布參數(shù)”，這與低頻時電場和磁場能量分別集中在各個元件中的所謂“集總參數(shù)”有原則的區(qū)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。在微波有線通信方面，利用同軸電纜可同時傳送幾千路電話和幾路電視，而光纖傳輸線的問世與發(fā)展使信息容量更為大增；在無線通信方面，利用微波中繼接力傳送電視和進(jìn)行通信。人造衛(wèi)星通信的射頻都是工作在微波波段的，利用三個互成120°的位于外層空間的同步衛(wèi)星便可進(jìn)行全球的電視傳播。

微波通信系統(tǒng)

微波中繼通信系統(tǒng)可使用的傳輸頻率覆蓋了L波段到Ka波段川。根據(jù)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(xiàn)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；7、8、11GHz作為省內(nèi)二級干線用。而作為干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a(bǔ)充，如點對點的SHD微波通信系統(tǒng)、PHD微波通信系統(tǒng)等，主要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自災(zāi)害時的緊急修復(fù)，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場合。這種用于光纖接力的微波通信系統(tǒng)將使用更高的頻段，如Ka頻段，以順利實現(xiàn)傳輸速率的增高。衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有廣大的覆蓋區(qū)域、無縫連接，建設(shè)成本與距離無關(guān)，易于建站組網(wǎng)等特點。衛(wèi)星通信系統(tǒng)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C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，32個Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，38個Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，共有45個點波束，覆蓋整個北美地區(qū)。2004年發(fā)射的亞洲首顆新型寬帶通信衛(wèi)星iPSTAR，工作在Ku/Ka波段，Ku波段84個點波束、3個成形波束(用于通信和廣播)，7個地區(qū)廣播波束(專門用于廣播)，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(wèi)星(Apstar6)，擁有S3個C頻段和12個Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，帶有抗干擾功能，覆蓋范圍遍及亞太區(qū)域。

MLDS是一種微波寬帶系統(tǒng)，它工作在微波頻率的高端(10～40GHz)，使用的帶寬可以達(dá)到1GHz以上。LMDS可以在較近的距離(3～10km)傳輸，可以實現(xiàn)用戶遠(yuǎn)端到骨干網(wǎng)的寬帶無線接入，能夠?qū)崿F(xiàn)從64kb/s～2Mb/s，甚至高達(dá)155Mb/s的用戶接入速率。LMDS可以實現(xiàn)點對多點雙向傳輸話音、視頻和圖像信號等多種寬帶交互式數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)。LMDS組網(wǎng)靈活，可靠性高，在網(wǎng)絡(luò)投資、建設(shè)速度、業(yè)務(wù)提供上比光纖經(jīng)濟(jì)、快速、方便，能為運(yùn)營商提供有效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，因此具有“無線光纖”的美稱。特別是，隨著Internet的快速發(fā)展，國內(nèi)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(diào)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(diào)制方式時發(fā)射功率為22dBm，采用16QAM時發(fā)射功率為20dBm，采用64QMA時發(fā)射功率為18dBm。

微波發(fā)射機(jī)

1微波發(fā)射機(jī)的實現(xiàn)方式

(1）微波直接調(diào)制發(fā)射機(jī)

微波直接調(diào)制發(fā)射機(jī)的方框圖如圖1所示。來自數(shù)字終端機(jī)的信碼經(jīng)過碼型變換后直接對微波載頻進(jìn)行調(diào)制，然后，經(jīng)過微波功放和微波濾波器饋送到天線，由天線發(fā)射出去。這種方案的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但當(dāng)發(fā)射頻率較高時，頻調(diào)制發(fā)射機(jī)的中頻功放設(shè)備制作難度大，而且在一個系列產(chǎn)品多種設(shè)備的場合下，這種發(fā)射機(jī)的通用性差。

圖1 微波直接調(diào)制發(fā)射機(jī)

(2）中頻調(diào)制發(fā)射機(jī)

中頻調(diào)制發(fā)射機(jī)的方框圖如圖2所示。信碼經(jīng)過碼型變換后，在中頻調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制，獲得中頻調(diào)制信號，然后經(jīng)過功率中放，把這個己調(diào)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(diào)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，由發(fā)射天線將信號送出?？梢姡蓄l調(diào)制發(fā)射機(jī)的構(gòu)成方案與一般調(diào)頻的模擬微波發(fā)射機(jī)相似，只要更換調(diào)制、解調(diào)單元，就可以利用現(xiàn)有的模擬微波信道傳輸數(shù)字信息。因此，在多波道傳輸時，這種方案容易實現(xiàn)數(shù)字模擬系統(tǒng)的兼容，而在不同容量的數(shù)字微波中繼設(shè)備系列中，更改傳輸容量只需要更換中頻調(diào)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(shè)備系列時，這種方案有較好的通用性。

圖2 中頻調(diào)制發(fā)射機(jī)

2發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)

(1）工作頻段

微波通信系統(tǒng)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，天線設(shè)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，霧、雨或雪的吸收顯著，傳播損耗、衰減和接收設(shè)備噪聲也愈高。從12GHz起，必須考慮大氣中水蒸氣的吸收問題，吸收衰耗隨頻率上升而增加。當(dāng)頻率接近22GHz時，即水蒸氣分子諧振頻率時，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(jī)所需的發(fā)射功率和很多因素有關(guān)，例如，通話路數(shù)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(shù)字微波發(fā)射機(jī)輸出功率有時只需幾十mW到幾百mW功率，只有長距離情況下才需要幾W量級。

(3）頻率穩(wěn)定度

發(fā)射機(jī)的每個工作波道都有一個標(biāo)稱的射頻中心工作頻率。微波通信對頻率穩(wěn)定度的要求取決于所采用的通信制式及對通話質(zhì)量的要求。對于數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常采用PKS調(diào)制方式來說，發(fā)射機(jī)頻率漂移將使解調(diào)過程產(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(shù)字調(diào)相的數(shù)字微波發(fā)射機(jī)比采用模擬調(diào)頻的模擬微波發(fā)射機(jī)應(yīng)該有更高的頻率穩(wěn)定度。采用PSK調(diào)制方式時，頻率穩(wěn)定度可以取。發(fā)射頻率穩(wěn)定度取決于本機(jī)振蕩器的頻率穩(wěn)定度。近年來，由于微波介質(zhì)材料性能的提高，介質(zhì)穩(wěn)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，具有電路簡單、雜頻干擾小及噪聲較小等優(yōu)點。

(4）交調(diào)失真

發(fā)射設(shè)備處在大信號工作狀態(tài)，往往工作在非線性區(qū)域，如功率放大器和上變頻器等。如果存在兩個正弦信號，其角頻率分別為w1和w2，則由于電路的非線性作用將產(chǎn)生許多交叉調(diào)制分量：mw1±nw2，n=0，1，2，…。按照諧波次數(shù)(m+n)的大小，各分量分別稱為(m+n)階交調(diào)分量。在各階交分量中2w1-w2和2w2-w1處在w1和w2附近，大多數(shù)情況下則處在通頻帶之內(nèi)，從而成為干擾信號。一般，在微波通信系統(tǒng)中，更高階的交調(diào)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(gòu)成危害。電路非線性度愈壞，交調(diào)分量愈大。由于兩頻率相距不遠(yuǎn)，這兩個譜線的功率相差不大。雙頻信號輸入時的三階交調(diào)系數(shù)是發(fā)送設(shè)備非線性的一項重要指標(biāo)，例如在限帶情況下，PKS調(diào)制的三階交調(diào)系數(shù)約為-20～-25dB；而對于多電平正交調(diào)幅系統(tǒng)，如16QAM系統(tǒng)，則要求在-25～-30dB以上。也就是說，對三階交調(diào)系數(shù)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(shè)計在規(guī)定此項指標(biāo)時，除了考慮數(shù)字微波通信系統(tǒng)本身的各種干擾以外，還應(yīng)考慮其對模擬通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾。因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)嘏渲霉ぷ黝l率和采取必要的防護(hù)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(yīng)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現(xiàn)寬帶設(shè)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工作波段。這樣，總體設(shè)計時，可不考慮它們對發(fā)信信道通頻帶的影響。

當(dāng)前微波通信技術(shù)的主要發(fā)展方向

1提高QAM調(diào)制級數(shù)及嚴(yán)格限帶

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

2網(wǎng)格編碼調(diào)制及維特比檢測技術(shù)

為降低系統(tǒng)誤碼率，必須采用復(fù)雜的糾錯編碼技術(shù)，但由此會導(dǎo)致頻帶利用率的下降。為了解決這個問題，可采用網(wǎng)格編碼調(diào)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(shù)字信號傳輸中，應(yīng)用這種解碼算法難度較大。

3自適應(yīng)時域均衡技術(shù)

使用高性能、全數(shù)字化二維時域均衡技術(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)傳輸可顯著降低發(fā)信碼元的速率，減少傳播色散的影響。運(yùn)用雙載波并聯(lián)傳輸可使瞬斷率降低到原來的1/10。

微波發(fā)展動向—純分組傳送化

隨著業(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3G 和WiMAX技術(shù)的快速發(fā)展，基站的帶寬需求急劇增加，預(yù)計到2011年，70％以上的基站凹傳業(yè)務(wù)將實現(xiàn)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IP化、分組化的變革?；赥DM的VC交叉將會演變?yōu)橥ㄟ^PW E3技術(shù)的仿真來實現(xiàn)基于分組的統(tǒng)一包交換。微波通信系統(tǒng)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。