關(guān)于改善海上微波通信傳輸衰落的研究

戚曉晶 張野

（91550部隊(duì)，遼寧 大連 116000）

微波是指頻率從300MHz到300GHz范圍內(nèi)的電磁波。微波通信是利用分米波、厘米波和毫米波的無(wú)線電波作為載波載送信號(hào)的通信方式。微波通信按其傳送信號(hào)可分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信。近些年來(lái)，隨著大容量的準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)和具有全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口的同步數(shù)字系列(SDH)微波通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，使得微波通信的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的高度。

1 微波通信的特點(diǎn)

微波傳輸是指在地球表面、大氣層和宇宙空間中的傳播過(guò)程。因此微波通信具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)中繼性：由于微波是以直射波形式在視距內(nèi)傳播的，其傳輸易受地形、地貌和大氣層影響，所以微波通信傳輸是采取中繼接力的方式；(2)微波天線可獲得高增益和強(qiáng)方向性：當(dāng)微波天線口徑一定時(shí)，波長(zhǎng)越短，其天線增益就越大，一般天線增益都在40dB以上；（3）寬頻段：微波頻段很寬，可以傳送綜合業(yè)務(wù)信息；(4)架設(shè)便捷：相對(duì)于傳統(tǒng)的電纜、光纜通信，微波通信更適合海上的通信和綜合業(yè)務(wù)信息的傳輸，因?yàn)槲⒉ㄍㄐ挪恍枰佋O(shè)線路，所以建設(shè)速度快、靈活性大。

2 微波電路傳輸指標(biāo)

在實(shí)際應(yīng)用中，電路傳播余隙、衰落儲(chǔ)備和衰落中斷率是衡量微波通信鏈路質(zhì)量的主要3個(gè)指標(biāo)。

電路傳播余隙滿足要求，說(shuō)明2個(gè)微波站之間沒(méi)有阻擋，視距上能夠直通。衰落儲(chǔ)備電平滿足要求，說(shuō)明2個(gè)微波站之間的距離夠近，收發(fā)信機(jī)有足夠的電平能量對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收。圖1描述了衰落儲(chǔ)備的含義。(GTX和GRX分別為微波站發(fā)射和接收端)

圖1 衰落儲(chǔ)備示意圖

衰落中斷率滿足要求，說(shuō)明其數(shù)字微波電路的傳輸誤碼率滿足要求。但在跨海微波電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)惠更斯原理，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是直射波與海面反射波的疊加，由于海面具有較高的反射系數(shù)，除了以上3個(gè)指標(biāo)外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮海面波反射效應(yīng)對(duì)傳輸質(zhì)量的影響。

3 影響微波通信傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

3.1 大氣層對(duì)微波傳輸?shù)挠绊?/h3>

微波接力通信是采用空間波傳輸?shù)?，而且是在距地?km以下的對(duì)流層實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，因此，收信電平受到?duì)流層的影響非常大。波長(zhǎng)小于2cm的微波波段，氣體分子諧振易引起氣體對(duì)電磁波能量的吸收；波長(zhǎng)小于5cm的微波波段，由于雨、霧、雪等惡劣天氣的影響，電磁波產(chǎn)生散射易造成能量的損耗。另外，由于大氣層中不均勻氣體的位置、形狀隨機(jī)變化，造成折射波、散射波與直射波之間在行程差上存在隨機(jī)變化，進(jìn)而使接收點(diǎn)上會(huì)呈現(xiàn)電磁波振幅和相位的大幅度起伏變化，造成微波傳輸?shù)亩鄰剿ヂ洹?/p>

3.2 反射波對(duì)微波傳輸?shù)挠绊?/h3>

不同的地形條件決定了微波的反射系數(shù)及電平損耗是不同的。需要指出的是：當(dāng)微波傳輸路徑上有刀刃形的障礙物（或山峰）阻擋時(shí)，如果障礙物的尖峰恰好落在兩個(gè)相鄰的微波站的收信天線與發(fā)信天線的連線上，微波傳輸會(huì)增加6dB的電平衰耗；當(dāng)障礙物的尖峰超出連線時(shí)，則電平衰耗將增加得更快。所以在實(shí)際應(yīng)用中要盡量避免出現(xiàn)這種情況，但解決的辦法是可以通過(guò)改變微波傳輸線路或增高天線來(lái)改變傳輸特性。

3.3 多徑衰落對(duì)微波傳輸?shù)挠绊?/h3>

大容量微波通信由于所占用的頻帶較寬，經(jīng)多徑傳輸后，各頻率分量在空間的衰減程度上有很大差異，造成合成信號(hào)幅度和相位的大幅度失真，從而產(chǎn)生頻率選擇性衰落。隨著大容量數(shù)字微波通信在通信領(lǐng)域的使用，數(shù)字微波通信經(jīng)多徑傳輸后，衰落情況非常嚴(yán)重。

4 改善微波通信傳輸衰落的措施

微波通信傳輸由于受海上艦艇的主桅高度的限制，不可能采取天線的高低差技術(shù)將反射點(diǎn)移出海面。所以為了更好地克服海面波反射效應(yīng)以達(dá)到最佳的傳輸效果，可以采用如下技術(shù)來(lái)改善微波傳輸。

4.1 自適應(yīng)均衡技術(shù)

數(shù)字微波通信系統(tǒng)由于占用了更寬的頻帶，當(dāng)發(fā)生衰落時(shí)，其通帶內(nèi)的振幅特性是時(shí)刻變化的，為了使其能自動(dòng)平坦化，就必須使用能自適應(yīng)時(shí)間特性變化的自適應(yīng)均衡器。用于對(duì)抗衰落的自適應(yīng)均衡器可分為兩類：頻域自適應(yīng)均衡器。即用可變諧振器對(duì)幅頻特性的一次和二次特性進(jìn)行補(bǔ)償；時(shí)域自適應(yīng)均衡器。當(dāng)引起電路衰落的兩個(gè)波的時(shí)延非常大，以致于在所需頻帶內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)凹點(diǎn)時(shí)，只有一個(gè)諧振電路的均衡器就不能補(bǔ)償這樣的頻率特性，可采用時(shí)域自適應(yīng)均衡器進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際電路中，往往同時(shí)采用頻域自適應(yīng)均衡器和時(shí)域自適應(yīng)均衡器，以最大限度地提高電路的抗衰落能力。

4.2 分集技術(shù)

所謂分集，是在發(fā)射端用不同信道方式(時(shí)間、頻率、空間)發(fā)送攜帶同一信息的多個(gè)信號(hào)，由于各信道有不同的衰落特性，接收端收到這些信號(hào)后，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行合并處理，減少各種衰落對(duì)接收信號(hào)的影響，從而正確地恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)。分集接收效果的良好與否，決定于兩種信號(hào)衰落的相關(guān)程度，可以用相關(guān)系數(shù)表示。相關(guān)系數(shù)越小，則分集接收的效果越好；相關(guān)系數(shù)越大，則分集接收的效果越差。分集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能提高系統(tǒng)性能而不需增加發(fā)射機(jī)功率和系統(tǒng)帶寬。分集主要有空間分集、頻率分集和時(shí)間分集三種方式。時(shí)間分集是指將同一信號(hào)在不同的時(shí)隙重發(fā)，要求若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立。頻率分集是指將待發(fā)送的信息調(diào)制到不同的載波頻率上，只要載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬，就可實(shí)現(xiàn)頻率分集。但是考慮到對(duì)現(xiàn)有海上微波通信系統(tǒng)進(jìn)行分集技術(shù)改造的成本和程量，所以為了能在較小投入下更好地改善系統(tǒng)的傳輸衰落，我們會(huì)選擇運(yùn)用空間分集技術(shù)?？臻g分集可分為接收分集、發(fā)射分集。接收分集是在收端用多個(gè)天線接收，接收機(jī)通過(guò)適當(dāng)?shù)暮喜⒎绞交謴?fù)信號(hào)；發(fā)射分集是在發(fā)射端用多個(gè)天線發(fā)送信號(hào)。

4.3 智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)定義為：具有波束形成能力的天線陣列，可以形成特定的天線波束，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線可以利用信號(hào)的空間特征分開用戶信號(hào)、多徑干擾信號(hào)。智能天線分為自適應(yīng)天線、切換波束天線。自適應(yīng)天線陣可以自適應(yīng)地識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)的方向，通過(guò)反饋控制方式連續(xù)調(diào)整自身方向圖，而切換波束天線則是預(yù)先確定多個(gè)固定波束，隨著接收端移動(dòng)，發(fā)射端選擇使接收信號(hào)最強(qiáng)的波束。在工程實(shí)測(cè)中，某型海上微波通信系統(tǒng)采用智能天線后傳輸信號(hào)更加穩(wěn)定，質(zhì)量有很大的改善。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究海上微波通信的電路，分析并計(jì)算了影響微波傳輸特性的三個(gè)重要指標(biāo)：電路傳播傳播余隙、衰落儲(chǔ)備和衰落中斷率。由此可以得出影響海上微波通信衰落中斷的主要原因在于海面波的反射效應(yīng)，并提出改善海上微波傳輸能力的幾個(gè)有效措施，這對(duì)于提高海上通信與勤務(wù)保障能力起到至關(guān)重要的作用。

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