數(shù)字微波傳輸信號(hào)衰落分析及對(duì)策

何 剛

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局八四一臺(tái)）

數(shù)字微波傳輸信號(hào)衰落分析及對(duì)策

何 剛

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局八四一臺(tái)）

數(shù)字微波通信是廣播電視節(jié)目信號(hào)傳輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)，受到自然環(huán)境等因素影響，數(shù)字微波傳輸過(guò)程中將出現(xiàn)信號(hào)衰落。為了提高數(shù)字微波傳輸信號(hào)的質(zhì)量，本文對(duì)數(shù)字微波傳輸信號(hào)的衰落根源進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上論述了抵抗數(shù)字信號(hào)衰落的對(duì)策。并針對(duì)頻率選擇性衰落，設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)均衡器的抵抗技術(shù)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案的效果。

數(shù)字微波通信；信號(hào)衰落；抗衰落；均衡器

數(shù)字微波傳輸信號(hào)與其它通信技術(shù)相比，因頻帶寬、容量大、遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量高、抗自然災(zāi)害性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在廣播電視等領(lǐng)域獲得了廣泛的研究與應(yīng)用，然而，在微波頻段，傳輸信號(hào)于頻率很高，穿越低空大氣層時(shí)受到大氣的溫度、濕度和壓力的影響較大，造成數(shù)字微波接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)起伏變化，即表現(xiàn)出信號(hào)衰落現(xiàn)象。因此，對(duì)數(shù)字微波傳輸信號(hào)的衰落根源進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)預(yù)防信號(hào)衰落的技術(shù)或方案具有重要的意義［1］。

1　數(shù)字微波通信基本原理

數(shù)字微波通信系統(tǒng)主要由發(fā)信端與收信端2部分組成。發(fā)信端設(shè)備包括調(diào)制器和發(fā)射機(jī)兩部分，輸入數(shù)字基帶信號(hào)在調(diào)制器中對(duì)載波進(jìn)行中頻調(diào)制（或者在微波上直接調(diào)制），調(diào)制方式可以是調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相，已調(diào)信號(hào)送入發(fā)射機(jī)后，由發(fā)射機(jī)把中頻信號(hào)變換為微波信號(hào)，并且進(jìn)行放大（對(duì)在微波上直接調(diào)制的信號(hào)只進(jìn)行放大），然后發(fā)射出去。

收信端設(shè)備包括接收機(jī)、解調(diào)器和判決再生器3部分。接收機(jī)接收到的微波信號(hào)進(jìn)行反變換，使其變?yōu)橹蓄l信號(hào)。經(jīng)放大后，送入解調(diào)器，解調(diào)器從中頻信號(hào)中取出調(diào)制前的基帶信號(hào)。解調(diào)器的輸出可能混有傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾和噪聲，因此要由判決再生器對(duì)其進(jìn)行取樣判決，然后恢復(fù)成原來(lái)的數(shù)字脈沖基帶信號(hào)。

2　數(shù)字微波傳輸信號(hào)衰落分析

2.1數(shù)字信號(hào)衰落的成因

按照衰落發(fā)生的物理成因，可分為2大類。一類稱為閃爍（或起伏）型衰落，這種衰落因大氣環(huán)境局部變化的微小擾動(dòng)引起電波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位隨著大氣變化而隨機(jī)變化，結(jié)果它們?cè)诮邮拯c(diǎn)的合成振幅變化很小，對(duì)主波影響不大。因此，這種衰落對(duì)視距微波接力電路的穩(wěn)定性影響不大［2］。另一類衰落是由于大氣折射指數(shù)的隨機(jī)變化所引起的，其衰落深度可以很深，以至引起電路中斷，這一類衰落包括K型衰落和波導(dǎo)型衰落，大自然氣象狀況發(fā)生變化不可避免，如大氣折射的慢變化、雨霧衰減，大氣中不均勻體的散射等引起的衰落，使信號(hào)帶內(nèi)各頻率分量的衰減無(wú)顯著差別。因此，這種衰落特征平坦，可以使收信電平降低，嚴(yán)重時(shí)可使電路中斷。

此外，由于多徑傳播也可能引起信號(hào)傳輸衰落。由于氣象條件驟然變化，使傳播異常，可能出現(xiàn)多條傳播路徑到達(dá)接收天線。這幾條射線由于在垂直面上來(lái)波角度不同及它們相位的變化，將造成相互干擾，使合成信號(hào)產(chǎn)生或深或淺的衰落。當(dāng)接收天線高度固定時(shí)，這種衰落具有頻率選擇性；另一種情況是電波在低空大氣層傳播時(shí)，由于大氣波導(dǎo)層的折射或反射形成的多徑傳播，產(chǎn)生的衰落叫波導(dǎo)型衰落，也具有頻率選擇性，故多徑傳播衰落也叫頻率選擇性衰落。

2.2數(shù)字信號(hào)衰落的特性分析

廣播電視數(shù)字信號(hào)在實(shí)際傳輸運(yùn)用的過(guò)程中，需要采用大容量數(shù)字微波多路信號(hào)，這類信號(hào)屬寬帶信號(hào)，寬帶信號(hào)通過(guò)空間信道后，各頻率分量經(jīng)受不相關(guān)的衰減。在接收的合成信號(hào)中，表現(xiàn)在某個(gè)小頻帶內(nèi)的頻率衰減過(guò)大，使信號(hào)整個(gè)頻帶內(nèi)，不同頻率的衰落深度不同，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為多徑衰落的色散特性，也可以說(shuō)這種衰落就是頻率選擇性衰落［3］。產(chǎn)生這種衰落時(shí)，接收的信號(hào)功率電平不一定小，但其中某一些頻率成分幅度過(guò)小，使信號(hào)產(chǎn)生的波形失真，數(shù)字微波對(duì)這種衰落反應(yīng)敏感，由波形失真形成碼間串?dāng)_，使誤碼率增加。所以對(duì)數(shù)字微波電路設(shè)計(jì)來(lái)講，克服頻率選擇性衰落是首要解決的問(wèn)題，解決頻率選擇性衰落僅考慮增加發(fā)射功率是不行的，最好的解決辦法是采用分集接收和自適應(yīng)均衡技術(shù)。

3　數(shù)字微波傳輸信號(hào)抗衰落技術(shù)對(duì)策

3.1分集接收技術(shù)策略

為克服微波信號(hào)上的頻率選擇性衰落，可采用分集接收（常用二重分集）。常用的分集方式是頻率分集和空間分集。二重頻率分集是用同一天線發(fā)射2個(gè)頻率，兩者載同一消息，在接收端，用同一天線接收的兩個(gè)頻率被兩部接收機(jī)分別接收后，再通過(guò)組合電路輸出，這種方式占用頻帶寬，在干線微波上很少采用。二重空間分集是一個(gè)天線發(fā)射，兩個(gè)在不同位置的天線接收，再通過(guò)耦合電路輸出，對(duì)頻率選擇性衰落更嚴(yán)重的情況，也可以2種分集同時(shí)采用，稱為混合分集。當(dāng)存在地面反射時(shí)，垂直空間分集由平滑地面反射，發(fā)生地面反射而引起衰落時(shí)，衰落大小與行程差有關(guān)、與余隙有關(guān)，所以接收?qǐng)鰪?qiáng)（或電平）隨接收點(diǎn)高度的變化而變化，呈瓣?duì)顖D形。

3.2自適應(yīng)均衡技術(shù)

自適應(yīng)均衡器能夠自動(dòng)的調(diào)節(jié)系數(shù)從而跟蹤信道，在通信系統(tǒng)中是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。多徑衰落引起傳輸信道的衰落和失真都是隨地理環(huán)境和時(shí)間而隨機(jī)變化。因此，需要設(shè)計(jì)抗多徑衰落的均衡技術(shù)也必須具有實(shí)時(shí)適應(yīng)能力。對(duì)于抗信號(hào)平坦衰落，一般是在接收機(jī)的中放電路加入自動(dòng)增益控制電路。對(duì)于頻率選擇性衰落，一般使用空間分集、中頻自適應(yīng)幅度均衡和基帶時(shí)域均衡，它們可以單獨(dú)使用，也可組合使用，這種均衡對(duì)小時(shí)延差的多徑衰落能夠獲得滿意的均衡效果。

自適應(yīng)均衡器［4］結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用方便，可以與空間分集技術(shù)結(jié)合使用，處理線路上的平坦衰落和頻率選擇性衰落問(wèn)題，效果十分顯著。根據(jù)工程實(shí)踐，這種結(jié)合用于數(shù)字微波接力系統(tǒng)，是一種很好的綜合措施。對(duì)于個(gè)別多徑衰落特別嚴(yán)重的地段，如水面或地面反射大的地段，需要在上述綜合利用基礎(chǔ)上再加上基帶時(shí)域均衡。

3.3基于路由選擇的抗衰落對(duì)策

在微波通信過(guò)程中，需要對(duì)線路路由作理論計(jì)算和科學(xué)論證，要考慮相鄰站間有無(wú)障礙物阻檔波束。根據(jù)視距微波通信的特點(diǎn)，兩站間的距離最好在可視范圍內(nèi)，由于地面對(duì)電波傳播的影響，線路應(yīng)盡量避免跨越水面和平坦的開闊地面，防止造成強(qiáng)反射信號(hào)而形成深衰落，所以路由盡量選擇起伏不平的斷面，并注意充分利用地形條件。如果在線路上不可避免地要經(jīng)過(guò)強(qiáng)反射地域時(shí)，應(yīng)使一端天線架得很高，另一端天線架得很低，使反射點(diǎn)落在低端，并注意利用障礙物阻擋反射波。為保證可靠通信，站距不應(yīng)太長(zhǎng)，因?yàn)樯钏ヂ渑c站距有關(guān)，站距越長(zhǎng)越容易引發(fā)深衰落。

4　抗衰落自適應(yīng)均衡器電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

通過(guò)在廣播接收機(jī)前端配置自適應(yīng)均衡器可以降低數(shù)字微波傳輸中出現(xiàn)的頻率選擇性信號(hào)衰落。用于抗衰落的自適應(yīng)均衡器采取如下設(shè)計(jì)方案：在較短的微波接力段采用自適應(yīng)振幅均衡器；在標(biāo)準(zhǔn)站距的微波接力段采用自適應(yīng)振幅均衡器與空間分集技術(shù)結(jié)合。在數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸碼間干擾始終是影響通信質(zhì)量的主要因素之一，為了提高通信質(zhì)量，減少碼間干擾，在接收端通常采用均衡技術(shù)抵消信道的影響。由于信道響應(yīng)是隨著時(shí)間變化的，通常采用自適應(yīng)均衡器。

按照上述方案，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)均衡器用于抵抗頻率選擇性數(shù)字微波信號(hào)衰落，均衡器的電路結(jié)構(gòu)見圖1。在自適應(yīng)均衡器中，采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的CLC014進(jìn)行二級(jí)均衡濾波，外圍電路接收均衡濾波單元送來(lái)的差分信號(hào)，并產(chǎn)生用于控制濾波單元的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡濾波原理。

圖1　抗衰落自適應(yīng)均衡器結(jié)構(gòu)與組成

采用上述自適應(yīng)均衡器抵抗頻率選擇性數(shù)字微波信號(hào)衰落，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用自適應(yīng)均衡器后頻率選擇性衰落有了很好的補(bǔ)償與抑制，輸出信號(hào)穩(wěn)定。

圖2　基于自適應(yīng)均衡器的信號(hào)接收效果

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)字微波傳輸抗衰落技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)頻率選擇性信號(hào)的衰落情況，提出了不同的信號(hào)抗衰落策略方案，并選用基于自適應(yīng)均衡器進(jìn)行了信號(hào)抗衰落實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為傳輸信號(hào)接收效果良好?？茖W(xué)的驗(yàn)證了數(shù)字微波傳輸信號(hào)的衰落是可以通過(guò)抗衰落策略得到有效抵消或抑制，文中提出的各種抗衰落技術(shù)策略，對(duì)數(shù)字微波通信抗衰落工程的開展應(yīng)用是會(huì)起到具有一定的參考和借鑒意義。

［1］王彧.數(shù)字微波通信中的抗衰落技術(shù)［J］.山西科技，2005（5）.

［2］崔俊龍.大容量數(shù)字微波電路電波衰落現(xiàn)象成因及應(yīng)對(duì)措施［J］.山西科技，2013（5）.

［3］寧海斌.數(shù)字微波電路傳輸衰落對(duì)抗措施的應(yīng)用討論［J］.廣播與電視技術(shù)，2007（11）.

［4］胡彬，朱志輝，張利清.論數(shù)字微波傳輸中衰落與抗衰落［J］.內(nèi)蒙古廣播與電視技術(shù)，2008（2）.