微波通信

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

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。

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)。

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。

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。

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:

A、B两地间的远距离地面微波中继通信系统如下图所示。

在微波传输过程中，有不同类型的微波站，如下图示。

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。

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:

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

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。

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。

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。

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。

在微波通信中，一般情况，一条微波线路提供的可用带宽都非常宽。而一般收发机的通频带较之小很多。因此如何充分利用微波通信的可用带宽是一个十分重要的问题。

为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用，人们将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段，并在每个频率小段上设置一套微波收发信机，构成一条微波通信的传输通道。

由于一条微波线路上允许有多套微波收发信机同时工作，这就必须对各波道的微波频率进行分配。分配应做到:在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数量;尽可能减少各波道间的干扰，以提高通信质量;尽可能地有利于通信设备的标准化、系列化。

由微波的极化特性可知，利用两个相互正交的极化方式，可以减少它们之间的干扰，由此我们可以对射频波道进行频率再用。频率再用是指在相同和相近的波道频率位置，借助不同的极化方式来增加射频波道安排数量的一种方式，其包括两种可行方案:同波道型频率再用;插入波道型频率再用。

微波通信系统还应包括一些用于保证通信系统正常运行和为运行人员提供维护手段的辅助设备，如监控系统、勤务联络系统等。

2011年全球数字微波通信市场规模为80亿美金，受益于全球移动带宽普及与升级，微波通信将在未来5年预计保持6%增速，到2016年达到120亿美金规模。

随着技术的不断发展，除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们的重视。数字微波通信已在发达国家大量应用，预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。