第三节
微波接力通信和卫星微波通信

一、微波接力通信

（一）微波接力通信概述

1.定义

微波接力通信（microwave relay communication）是指利用300MHz以上频段的电磁波分米波段和厘米波（波长在1mm～1m之间），在对流层的视距范围内的传播，进行无线电通信的一种方式。两站之间的通信距离仅为50km左右。利用这种通信方式进行长距离通信，必须建立一系列将接收到的信号加以变频和放大的中继站，接力式地传输到终端站。

实际上微波通信也是载波通信的一种，只是其载波的频率在高频的微波频段，可采用视距的无线通信而已。用于空间传输的电波也是一种电磁波，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，通常把频率高于300MHz的电磁波称为微波。

2.无线通信电波的划分

无线通信按照电波传输距地面高度分为地球表面波传播、电离层天波传播和外层空间传播。一般的微波接力通信被认为是地球表面波传播；对于中波和短波（如广播信号）的传输则为电离层天波传播；而卫星微波通信则为外层空间传播，如图2-5所示。

1）无线电波的频段分类。无线电波按照频率从极低频到极高频共分为11个频段，见表2-1。其中，从特高频至极高频为微波通信所使用的频率范围。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。中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信；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。

2）在微波频段又按照频率范围分为17个波段，需按照设计要求及国家标准GB/T 14618—2012视距微波接力通信系统与空间无线电通信系统共同频率的技术要求及工业和信息产业部发布的通信行业标准YD/T 5088—2015数字微波接力通信系统工程设计规范中的分配波段选取执行。表2-2为微波通信波段划分表。

（二）微波接力通信的基本原理和基本构成

微波接力通信有地-地微波接力通信、地-天卫星微波接力通信和天-天卫星微波接力通信。而微波接力通信是指地-地微波接力通信，对于地-天卫星微波接力通信和天-天卫星微波接力通信将在下一部分进行介绍。

（1）视距传播 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。在使用微波的频段方面，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2GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、11GHz、15GHz、20GHz等各频段。我国的数字微波通信已有2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz、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能进行设计、建立和使用。

（2）微波接力通信的性能 就微波接力通信的性能而论，数字微波接力通信的特点可概括为微波、多路、接力三个特点。

1）微波：指通信频率是微波频段，其包括分米波、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1000倍。微波因为频率很高，不会受到天空其他电波干扰和工业产生的电磁波干扰。太阳黑子的变化对微波也无影响。所以微波接力通信的可靠性较高。还因微波频率高，所以其天线尺寸较小，往往做成面式天线或锅形天线，其天线增益较高、方向性很强，微波通信用抛物线天线实物图如图2-6所示。

2）多路：指微波接力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1%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。

3）接力：因微波频段的电磁波在视距范围内，且只能沿直线传播，故通信距离一般为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，发送端信号经若干中间站多次转发，才能到达接收端。图2-7所示为微波接力通信示意图。

（3）微波接力通信系统的基本构成 如图2-8所示，一条微波接力通信干线包括终端站和若干个中继站。终端站的设备有天线、发射机、接收机和载波终端设备，中继站一般只有天线、发射机和接收机。

1）天线：微波接力通信都采用定向天线，增益约为40dB。用得最多的有喇叭抛物面天线和卡塞格林双反射面天线。

2）馈线：天线与发射机或接收机相连接，采用高频同轴电缆或波导管。在一个微波站内，同一传输方向的收发，可以单独装设发射天线和接收天线，也可以共用一副天线。微波传输一般采用线极化（水平极化、垂直极化）波，因而相邻波道或收发之间可采用不同的极化波传输。只要有收发频率和极化的合理配置，良好的天线和馈线系统极化去耦防卫度，就可以保证波道间和收发信系统间不因干扰而影响通信质量。

3）多路复用设备：有模拟复用设备和数字复用设备之分。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。

4）发信本地振荡源：发信本地振荡源一般采用晶振倍频方式或直接微波空腔振荡方式，产生高稳定度单一微波。发信混频器则将调制器输出的调制信号与发信本振频率进行混频，使调制信号由中频搬移到所需的微波频段，再经功率放大器放大到发射机额定的输出功率。

5）微波发射机：发射机由调制器、发信本地振荡源、发信混频器和微波功率放大器等主要部件组成。调制器在模拟微波通信系统中多为调频制，即用载波电话机输出的模拟群频信号控制器中副载频的频率，以形成调频信号；在数字微波通信系统中则用调相制或正交调幅制，即用脉码调制复用设备输出，由数字化语音信号组成的高次群数字信号控制调制器中副载频的相位，以形成调相或正交调幅信号。

6）接收机：接收机由本地振荡源、收信混频器、中频放大器和解调器组成。收信本地振荡源的工作原理和采用的技术同发信本地振荡源类似。收信混频器将接收到的微波信号和收信本地振荡信号差相转为中频，再经中频放大器放大，然后送至解调器。解调器的功能和发射机的调制器作用相反，即把调制信号还原为原来的模拟群频信号或数字脉码调制高次群信号，然后再经这些基带信号的相应复用设备还原为语音信号。

（4）电视节目的传送 电视节目的传送在模拟微波通信系统中，可以直接将视频信号送入调制器进行调制；在数字微波通信系统中，则首先要经过模/数转换，将视频信号数码化，然后再送入调制器。其他非电话业务（如传真、电报、数据等）都在话路中传输，分别经相应的调制/解调器或复用设备并入话路。

（5）中继方式 微波接力通信系统的中继方式有两类。

第一类是将中继站收到的前一站信号经解调后，再进行调制，然后放大，转发至下一站。

第二类是将中继站收到的前一站信号，不经解调、调制，直接进行变频，变换为另一微波频段，再经放大发射至下一站。

（三）微波接力通信系统的特点

1.基本特性

其一，微波接力通信的通信容量大；其二，建设费用低；其三，不受地形限制，“有山则山顶，无山则铁塔”（见图2-9）；其四，抗灾害性强；其五，能满足各种电信业务（电话、广播、传真、电视、电报）的信息传输质量要求，是通信网的重要组成部分。

但微波经空中传送，也受条件的制约。其一，易受干扰；其二，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向传输，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管控之下进行设计、建设和使用；其三，由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高山、高地，甚至高楼阻挡，因此，一个区域的微波天线均设置在该区域的最高点，早期城市高层楼房比较少，微波站一般都建筑在区域的最高山顶上。随着城市高楼的建设，现在也有将微波天线设置在高层楼房的屋顶上的，但大多数微波天线逐步架设在铁塔之上。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。

2.微波的特性

1）穿透性：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，微波就会被吸收，而使水和食物等自身发热。对于金属类和楼房之类的大型建筑，微波则难以通过，会产生反射波。

2）选择性的热损耗：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。所以微波在传输中如果遇到介质损耗因数大的物质，则损耗较大，如大雪暴雨天气、浓雾天气会对微波传输影响很大。

3）我国微波通信应用频段：我国微波通信广泛应用L、S、C、X等相对频率较低的频段，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，其在空气中的传播特性与光波相近，即为直线传输，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，超过视距则需要中继转发。一般来说，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50km左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸传输距离，这种通信方式也称为微波中继通信或称微波接力通信。特别是采用基于时分复用技术的多路数字微波通信，用于长距离微波通信干线，可以经过几十次的中继而传至数千千米，仍可保持很高的通信质量。

（四）微波接力通信系统的应用

世界上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，特别是地广人稀的国家应用比例更高。据统计，美国为66%，日本为50%，法国为54%。

我国自1956年从德国引进第一套微波通信设备，经过自发研制，已经取得了很大的进步，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。20世纪90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。在当今世界通信手段日新月异的情况下，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。

我国成功开发了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50km以内，可以有多个点放置中继站或终端用户站。从终端用户站可再分出多路信号分别接至各用户使用。其总体容量有100线、500线和1000线等不同容量的设备，每个用户站可以分配十几个或数十个信息终端用户。在必要时，还可通过中继站延伸至数百公里外的终端用户使用。这种点对多点微波通信系统，对于城市郊区、县城至农村乡镇或沿海岛屿的用户，以及分散的居民点十分适用，且较为经济。

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，对于这些系统，我国也在探索研究或在实验段进行实验中，目前除在实验段进行实验测试外，作为正式线路的实际应用还较少。

（五）微波接力通信系统的维护

1）防雷措施：由于中波发射天线相对较高，并明显超出周边建筑物，因此若缺少有效的维护措施，则发射天线极易遭受雷击。通常情况是铁塔下方区域的绝缘子属于雷击的首要目标，会使其发生过电压拉弧等一系列破坏性损害，最终导致绝缘子破损。由此得出，雷电在馈线、匹配网络中造成的不利影响较大，需要工作人员加强防雷维护，以保证该系统的安全运行。

2）地网维护：因为地网直接关系到信息的传输质量和安全性，所以为了认真做好相关维护工作，应对安装工程进行全面记录，并及时掌握地网的实际敷设深度、方向，利用记录对其进行精准查询，从而为维护、保养工作的开展奠定基础。所以，可以将地网延长线作为标志，即在其5m处，同时在每10m左右添加相应警示标识，保证标识清晰，并加大管护工作力度，防止地网敷设范围内发生取土情况，避免地网的自然破坏和人为损坏。

3）馈线与调配网路维护：对馈线情况应定期检查，同时对架设电杆的下垂度进行定期测试，对馈线下方区域0.8m以上的农作物、杂草等及时清理，对调配室应有清理规章制度，并认真做好防鼠、防虫等一系列措施。

4）天线铁塔与拉线维护：天线作为信息传输的重要设备，其直接关系到播放质量，只有认真做好相关保护工作，才能达到最佳传输效果。在日常维护工作中，应该对天线、铁塔、拉线等设施建立完备的维护日志，特别是在雷雨或大风等较为恶劣的天气后，应根据标准和制度全面地进行检测，确保信息传输顺利进行。

（六）微波接力通信系统的发展趋势

1.微波通信与无线通信的发展关系

微波通信的发展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进行通信。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，并且对于目前的应急通信和军事通信来说，仍然为重要的通信手段。

现在的世界通信中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一，特别是微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时，就可以使用微波传送的特点，在当今航空、航天通信中发挥出越来越大的作用。

2.微波通信的发展历史

微波通信的实际应用是20世纪50年代的产物，那时就出现了使用1GHz以下频段的小容量微波接力通信系统。到20世纪后叶，发展出了传输频带较宽，性能较稳定的2GHz和4GHz频段，每波道可传输300～960个话路或一路电视加伴音的通信系统。

20世纪60～70年代，由于长寿命行波管和微波集成电路等新器件的发明和应用，微波通信发展成为长距离、大容量地面干线无线传输的主要手段。在4～6GHz波段，每波道可以传输2700个话路或一路彩色电视加四路伴音的大容量微波通信系统。

20世纪70年代以来，随着通信网的逐步数字化，数字微波接力通信系统也开始迅速发展，逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输，并获得日益广泛的应用。

20世纪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20世纪80～90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处理与应用起到了重要的作用。

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）。

3.我国微波通信的发展状况

我国自1958年开始研制2GHz频段的每波道60话路的微波接力通信设备。其后，又研制了4GHz频段的每波道600话路和960话路的微波接力通信设备。

20世纪70年代初建成以北京为中心，连接27个省会城市的微波干线。大容量模拟微波接力通信已成为中国长途电信网的重要组成部分；中小容量的数字微波系统也在油田、矿山、电力干线上被广泛应用。

特别是我国航空航天事业高速发展的需求，大力促进了微波通信在卫星通信中的突破性进展。在酒泉卫星发射中心成功发射的东方红一号卫星，开创了中国航天史的新纪元，同时也开启了卫星微波通信的新纪元。此后，我国研发生产了各种特殊功能的卫星通信系统，主要包括资源卫星、气象卫星、通信卫星、导航卫星、海洋卫星等传递卫星信息的微波传输系统。

我国从20世纪80年代中期开始，利用国内外通信卫星发展卫星通信技术，以满足日益增长的通信、广播和教育事业的发展需求。特别是20世纪70～80年代兴起和发展的“广播电视大学”体系的建设，使微波电视教育得到大力发展，从一定程度上缓解了我国那段时期人才匮乏，而大学教育一时难以满足需求的状况。

在卫星固定通信业务方面，全国建有数十座大中型卫星通信地球站，联结世界180多个国家和地区的国际卫星通信话路达2.7万余条。我国已建成国内卫星公众通信网，国内卫星通信话路达7万多条，基本解决了边远地区的通信问题。

甚小口径终端（Very Small Aperture Terminal, VSAT）通信业务近几年发展较快，已有国内甚小口径终端通信业务经营单位30余个，服务小站用户15000余个，其中双向小站用户超过6300个；同时建立了金融、气象、交通、石油、水利、民航、电力、卫生和新闻等几十个部门的80多个专用微波通信网，甚小口径终端上万个。

在卫星电视广播业务方面，中国已建成覆盖全球的卫星电视广播系统和覆盖全国的卫星电视教育系统。从1985年开始利用卫星传送广播电视节目，已形成了占用33个通信卫星转发器的卫星传输覆盖网，负责传送中央、地方电视节目和教育电视节目日益增加，至2021年仅仅传输的高清电视中央、对外广播节目和地方广播节目就已达163套。卫星教育电视广播开播十多年来，有3000多万人接受了大、中专教育与培训。中国建成了卫星直播平台，通过数字压缩方式将中央和地方的卫星电视节目传送到无线广播电视覆盖不到的广大农村地区，使中国广播电视的覆盖率有了很大提高。我国现有卫星电视广播接收站约18.9万座。在卫星直播试验平台上，还建立了中国教育卫星宽带多媒体传输网络，面向全国开展远程教育和信息技术的综合服务。

4.微波通信的发展趋势

微波通信的发展趋势主要在于以下几个方面：

1）高频段的开发和数字化。10～20GHz频段的数字微波系统已投入使用。40GHz频段也已用于城市内电视中继传输系统。调制方式有脉码调制-调频（PCM-FM）、脉码调制-移相键控（PCM-PSK）以及脉码调制-正交调幅（PCM-QAM）等。在大容量数字微波通信系统中，由多经传输引起的衰落，不但会使信噪比变差，还会产生幅度失真和相位失真，导致误码率恶化。因此，除采用空间分集、频率分集等抗衰落措施外，还发展了自适应均衡技术，用来减小失真的影响。

2）数-模兼容技术的应用。在原模拟微波系统上利用话路基带上下频段，开拓话上数据和话下数据，或把模拟波道直接改造为数字波道。

3）设备固态化和低功耗。大功率砷化镓场效应晶体管的出现及微波集成电路和微带技术的应用，实现了接收-发射机的全固态化和集成化，使微波接力通信系统的可靠性更高，适应性更强，而且它的总功耗仅为几十瓦，有利于使用新能源（太阳能电池、风力发电、燃料电池等）。

4）提高微波频谱的有效利用率。调频制已达到每个波道传输3600话路，而采用单边带调幅，则可使每个波道传输6000话路，数字微波通信也由于采用8PSK和16QAM等调制方式，使每个波道传输码率达到2×34Mbit/s和140Mbit/s。

5）中继站的无人值守和系统的自动化管理。器件的长寿命、设备的高可靠性和微秒级波道转换开关的出现，为中继站的无人值守创造了条件。借助于遥信、告警系统和计算机，不但可以监视全系统的运行情况，还可以实现自动化管理。一个终端站（或枢纽站）一般可以管理几十个以至上百个中继站，从而提高了工作效率，降低了维护费用。

6）天线和馈线的发展。早期采用透镜天线，20世纪50年代中期开始采用喇叭抛物面天线，此后陆续出现双反射型的卡塞格林天线、多波段天线（4GHz、6GHz、7GHz频段共用，或4GHz、6GHz、11GHz频段共用）和安德鲁天线系统。安德鲁天线系统采用在反射抛物面上加边，内放微波吸收材料的方法，可抑制旁瓣辐射达20dB左右。近几年发展的圆号角型天线，在宽频带性能、背向辐射防卫度和天线本身驻波比指标上都优于前面几种天线，是一种很有发展前途的天线。2GHz以下的频段多采用同轴型馈线；2GHz以上的频段则多应用波导馈线。矩形波导馈线波型传输稳定，但衰耗较大，适用于短馈线系统；圆波导馈线衰耗虽小，但必须直线装设；椭圆波导馈线的衰耗介于上述两者之间，可以制成整根软波导管，安装方便，是一种良好的馈线。 FBvGFrt9aIezkZeOFbZvfl3vQFh2pH356uoFlXhgUjQdCNpzx8Z7qDQrpNNYv/Na