關于改善海上微波通信傳輸衰落的研究

戚曉晶 張野

（91550部隊，遼寧 大連 116000）

微波是指頻率從300MHz到300GHz范圍內的電磁波。微波通信是利用分米波、厘米波和毫米波的無線電波作為載波載送信號的通信方式。微波通信按其傳送信號可分為模擬微波通信和數字微波通信。近些年來，隨著大容量的準同步數字系列(PDH)數字微波傳輸系統和具有全球統一標準接口的同步數字系列(SDH)微波通信系統的迅猛發展，使得微波通信的發展進入了一個嶄新的高度。

1 微波通信的特點

微波傳輸是指在地球表面、大氣層和宇宙空間中的傳播過程。因此微波通信具有以下幾個特點：(1)中繼性：由于微波是以直射波形式在視距內傳播的，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方向性：當微波天線口徑一定時，波長越短，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，可以傳送綜合業務信息；(4)架設便捷：相對于傳統的電纜、光纜通信，微波通信更適合海上的通信和綜合業務信息的傳輸，因為微波通信不需要鋪設線路，所以建設速度快、靈活性大。

2 微波電路傳輸指標

在實際應用中，電路傳播余隙、衰落儲備和衰落中斷率是衡量微波通信鏈路質量的主要3個指標。

電路傳播余隙滿足要求，說明2個微波站之間沒有阻擋，視距上能夠直通。衰落儲備電平滿足要求，說明2個微波站之間的距離夠近，收發信機有足夠的電平能量對信號進行發射和接收。圖1描述了衰落儲備的含義。(GTX和GRX分別為微波站發射和接收端)

圖1 衰落儲備示意圖

衰落中斷率滿足要求，說明其數字微波電路的傳輸誤碼率滿足要求。但在跨海微波電路設計中，根據惠更斯原理，接收點的場強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，除了以上3個指標外，還應重點考慮海面波反射效應對傳輸質量的影響。

3 影響微波通信傳輸的主要因素

3.1 大氣層對微波傳輸的影響

微波接力通信是采用空間波傳輸的，而且是在距地面5km以下的對流層實現傳輸的，因此，收信電平受到對流層的影響非常大。波長小于2cm的微波波段，氣體分子諧振易引起氣體對電磁波能量的吸收；波長小于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變化，進而使接收點上會呈現電磁波振幅和相位的大幅度起伏變化，造成微波傳輸的多徑衰落。

3.2 反射波對微波傳輸的影響

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

3.3 多徑衰落對微波傳輸的影響

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

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將反射點移出海面。所以為了更好地克服海面波反射效應以達到最佳的傳輸效果，可以采用如下技術來改善微波傳輸。

4.1 自適應均衡技術

數字微波通信系統由于占用了更寬的頻帶，當發生衰落時，其通帶內的振幅特性是時刻變化的，為了使其能自動平坦化，就必須使用能自適應時間特性變化的自適應均衡器。用于對抗衰落的自適應均衡器可分為兩類：頻域自適應均衡器。即用可變諧振器對幅頻特性的一次和二次特性進行補償；時域自適應均衡器。當引起電路衰落的兩個波的時延非常大，以致于在所需頻帶內產生兩個凹點時，只有一個諧振電路的均衡器就不能補償這樣的頻率特性，可采用時域自適應均衡器進行補償。在實際電路中，往往同時采用頻域自適應均衡器和時域自適應均衡器，以最大限度地提高電路的抗衰落能力。

4.2 分集技術

所謂分集，是在發射端用不同信道方式(時間、頻率、空間)發送攜帶同一信息的多個信號，由于各信道有不同的衰落特性，接收端收到這些信號后，對這些信號進行合并處理，減少各種衰落對接收信號的影響，從而正確地恢復原來的信號。分集接收效果的良好與否，決定于兩種信號衰落的相關程度，可以用相關系數表示。相關系數越小，則分集接收的效果越好；相關系數越大，則分集接收的效果越差。分集技術的優點在于能提高系統性能而不需增加發射機功率和系統帶寬。分集主要有空間分集、頻率分集和時間分集三種方式。時間分集是指將同一信號在不同的時隙重發，要求若干時隙之間相互獨立。頻率分集是指將待發送的信息調制到不同的載波頻率上，只要載波頻率間隔大于相關帶寬，就可實現頻率分集。但是考慮到對現有海上微波通信系統進行分集技術改造的成本和程量，所以為了能在較小投入下更好地改善系統的傳輸衰落，我們會選擇運用空間分集技術。空間分集可分為接收分集、發射分集。接收分集是在收端用多個天線接收，接收機通過適當的合并方式恢復信號；發射分集是在發射端用多個天線發送信號。

4.3 智能天線技術

智能天線技術定義為：具有波束形成能力的天線陣列，可以形成特定的天線波束，實現定向發送和接收。智能天線可以利用信號的空間特征分開用戶信號、多徑干擾信號。智能天線分為自適應天線、切換波束天線。自適應天線陣可以自適應地識別用戶信號到達的方向，通過反饋控制方式連續調整自身方向圖，而切換波束天線則是預先確定多個固定波束，隨著接收端移動，發射端選擇使接收信號最強的波束。在工程實測中，某型海上微波通信系統采用智能天線后傳輸信號更加穩定，質量有很大的改善。

結束語

本文通過研究海上微波通信的電路，分析并計算了影響微波傳輸特性的三個重要指標：電路傳播傳播余隙、衰落儲備和衰落中斷率。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，并提出改善海上微波傳輸能力的幾個有效措施，這對于提高海上通信與勤務保障能力起到至關重要的作用。

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