微波信号分析（通用7篇）
微波信号分析 篇1
数字微波传输信号与其它通信技术相比,因频带宽、容量大、远距离传输质量高、抗自然灾害性强等优点而在广播电视等领域获得了广泛的研究与应用,然而,在微波频段,传输信号于频率很高,穿越低空大气层时受到大气的温度、湿度和压力的影响较大,造成数字微波接收信号场强起伏变化,即表现出信号衰落现象。因此,对数字微波传输信号的衰落根源进行分析,并设计预防信号衰落的技术或方案具有重要的意义[1]。
1 数字微波通信基本原理
数字微波通信系统主要由发信端与收信端2部分组成。发信端设备包括调制器和发射机两部分,输入数字基带信号在调制器中对载波进行中频调制(或者在微波上直接调制),调制方式可以是调幅、调频或调相,已调信号送入发射机后,由发射机把中频信号变换为微波信号,并且进行放大(对在微波上直接调制的信号只进行放大),然后发射出去。
收信端设备包括接收机、解调器和判决再生器3部分。接收机接收到的微波信号进行反变换,使其变为中频信号。经放大后,送入解调器,解调器从中频信号中取出调制前的基带信号。解调器的输出可能混有传输过程中产生的干扰和噪声,因此要由判决再生器对其进行取样判决,然后恢复成原来的数字脉冲基带信号。
2 数字微波传输信号衰落分析
2.1 数字信号衰落的成因
按照衰落发生的物理成因,可分为2大类。一类称为闪烁(或起伏)型衰落,这种衰落因大气环境局部变化的微小扰动引起电波射束散射所造成,各散射波的振幅小,相位随着大气变化而随机变化,结果它们在接收点的合成振幅变化很小,对主波影响不大。因此,这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大[2]。另一类衰落是由于大气折射指数的随机变化所引起的,其衰落深度可以很深,以至引起电路中断,这一类衰落包括K型衰落和波导型衰落,大自然气象状况发生变化不可避免,如大气折射的慢变化、雨雾衰减,大气中不均匀体的散射等引起的衰落,使信号带内各频率分量的衰减无显著差别。因此,这种衰落特征平坦,可以使收信电平降低,严重时可使电路中断。
此外,由于多径传播也可能引起信号传输衰落。由于气象条件骤然变化,使传播异常,可能出现多条传播路径到达接收天线。这几条射线由于在垂直面上来波角度不同及它们相位的变化,将造成相互干扰,使合成信号产生或深或浅的衰落。当接收天线高度固定时,这种衰落具有频率选择性;另一种情况是电波在低空大气层传播时,由于大气波导层的折射或反射形成的多径传播,产生的衰落叫波导型衰落,也具有频率选择性,故多径传播衰落也叫频率选择性衰落。
2.2 数字信号衰落的特性分析
广播电视数字信号在实际传输运用的过程中,需要采用大容量数字微波多路信号,这类信号属宽带信号,宽带信号通过空间信道后,各频率分量经受不相关的衰减。在接收的合成信号中,表现在某个小频带内的频率衰减过大,使信号整个频带内,不同频率的衰落深度不同,这种现象表现为多径衰落的色散特性,也可以说这种衰落就是频率选择性衰落[3]。产生这种衰落时,接收的信号功率电平不一定小,但其中某一些频率成分幅度过小,使信号产生的波形失真,数字微波对这种衰落反应敏感,由波形失真形成码间串扰,使误码率增加。所以对数字微波电路设计来讲,克服频率选择性衰落是首要解决的问题,解决频率选择性衰落仅考虑增加发射功率是不行的,最好的解决办法是采用分集接收和自适应均衡技术。
3 数字微波传输信号抗衰落技术对策
3.1 分集接收技术策略
为克服微波信号上的频率选择性衰落,可采用分集接收(常用二重分集)。常用的分集方式是频率分集和空间分集。二重频率分集是用同一天线发射2个频率,两者载同一消息,在接收端,用同一天线接收的两个频率被两部接收机分别接收后,再通过组合电路输出,这种方式占用频带宽,在干线微波上很少采用。二重空间分集是一个天线发射,两个在不同位置的天线接收,再通过耦合电路输出,对频率选择性衰落更严重的情况,也可以2种分集同时采用,称为混合分集。当存在地面反射时,垂直空间分集由平滑地面反射,发生地面反射而引起衰落时,衰落大小与行程差有关、与余隙有关,所以接收场强(或电平)随接收点高度的变化而变化,呈瓣状图形。
3.2 自适应均衡技术
自适应均衡器能够自动的调节系数从而跟踪信道,在通信系统中是一项关键技术。多径衰落引起传输信道的衰落和失真都是随地理环境和时间而随机变化。因此,需要设计抗多径衰落的均衡技术也必须具有实时适应能力。对于抗信号平坦衰落,一般是在接收机的中放电路加入自动增益控制电路。对于频率选择性衰落,一般使用空间分集、中频自适应幅度均衡和基带时域均衡,它们可以单独使用,也可组合使用,这种均衡对小时延差的多径衰落能够获得满意的均衡效果。
自适应均衡器[4]结构简单、造价低廉、使用方便,可以与空间分集技术结合使用,处理线路上的平坦衰落和频率选择性衰落问题,效果十分显著。根据工程实践,这种结合用于数字微波接力系统,是一种很好的综合措施。对于个别多径衰落特别严重的地段,如水面或地面反射大的地段,需要在上述综合利用基础上再加上基带时域均衡。
3.3 基于路由选择的抗衰落对策
在微波通信过程中,需要对线路路由作理论计算和科学论证,要考虑相邻站间有无障碍物阻档波束。根据视距微波通信的特点,两站间的距离最好在可视范围内,由于地面对电波传播的影响,线路应尽量避免跨越水面和平坦的开阔地面,防止造成强反射信号而形成深衰落,所以路由尽量选择起伏不平的断面,并注意充分利用地形条件。如果在线路上不可避免地要经过强反射地域时,应使一端天线架得很高,另一端天线架得很低,使反射点落在低端,并注意利用障碍物阻挡反射波。为保证可靠通信,站距不应太长,因为深衰落与站距有关,站距越长越容易引发深衰落。
4 抗衰落自适应均衡器电路设计与实验
通过在广播接收机前端配置自适应均衡器可以降低数字微波传输中出现的频率选择性信号衰落。用于抗衰落的自适应均衡器采取如下设计方案:在较短的微波接力段采用自适应振幅均衡器;在标准站距的微波接力段采用自适应振幅均衡器与空间分集技术结合。在数字信号传输过程中,传输码间干扰始终是影响通信质量的主要因素之一,为了提高通信质量,减少码间干扰,在接收端通常采用均衡技术抵消信道的影响。由于信道响应是随着时间变化的,通常采用自适应均衡器。
按照上述方案,设计了一种自适应均衡器用于抵抗频率选择性数字微波信号衰落,均衡器的电路结构见图1。在自适应均衡器中,采用美国国家半导体的CLC014进行二级均衡滤波,外围电路接收均衡滤波单元送来的差分信号,并产生用于控制滤波单元的控制信号,以实现自适应均衡滤波原理。
采用上述自适应均衡器抵抗频率选择性数字微波信号衰落,并进行仿真实验,实验结果见图2。由图2可以发现,采用自适应均衡器后频率选择性衰落有了很好的补偿与抑制,输出信号稳定。
5 结语
通过对数字微波传输抗衰落技术进行了研究,针对频率选择性信号的衰落情况,提出了不同的信号抗衰落策略方案,并选用基于自适应均衡器进行了信号抗衰落实验,其实验结果为传输信号接收效果良好。科学的验证了数字微波传输信号的衰落是可以通过抗衰落策略得到有效抵消或抑制,文中提出的各种抗衰落技术策略,对数字微波通信抗衰落工程的开展应用是会起到具有一定的参考和借鉴意义。
摘要：数字微波通信是广播电视节目信号传输的核心环节,受到自然环境等因素影响,数字微波传输过程中将出现信号衰落。为了提高数字微波传输信号的质量,本文对数字微波传输信号的衰落根源进行了分析,在此基础上论述了抵抗数字信号衰落的对策。并针对频率选择性衰落,设计了一种基于自适应均衡器的抵抗技术方案,并通过实验验证了所提方案的效果。
关键词：数字微波通信,信号衰落,抗衰落,均衡器
参考文献
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微波信号分析 篇2
关键词：微波,信号传输,线路
一、引言
任何实际工程生产出来的信号传输零件都不可能是绝对精确标准的, 误差总是会存在的, 在信号传输零件的表面会出现微小的间隔距离和波峰波谷而形成凹凸不一的微小痕迹。通过相关的理论研究与实践实验分析可知, 信号传输零件表面表现出的误差情况会对微波信号的传输造成不好的影响。当微波信号的传输频率提高时, 因为零件表面存在的痕迹本身形成几何意义上的偏差, 导致对应传输信号的电量长度趋向作用增强, 并且信号传输深度逐渐变浅, 微小的几何意义偏差使得微波信号传输产生较大的误差。对于产生以上现象应对此做出相应的科学探索, 进行微波信号传输的影响因素的研究与分析并提供相应的优化方法, 具有十分重要的研究价值与实际意义。
二、微波信号传输的影响因素
1. 信号传输零件表面粗糙度
信号传输零件的表面粗糙度表征的是零件表面本身呈现出特殊微观几何外形特征的物理量, 相应的理论计算数值显得越小则代表着信号传输零件的表面状况光滑程度越高, 相反则代表着信号传输零件的表面状况粗糙程度越高。信号传输零件出现的误差包括表面的微小几何偏差、宏观形状误差和中部几何误差等, 波峰波谷的变化幅度越大, 形成相应的曲率半径则会相应的减小, 相应阻抗的变化程度也增大, 使得微波信号传输的放射性质加强, 为微波信号的有效传输效果带来很大的影响。
2. 信号传输零件表面状态
信号传输零件的表面状态通常都出现有刀刮痕迹、尖刺和纹理不均等外观形状, 对于采用不同类型的合成材料与工艺方法进行信号传输零件的制造生产, 即使可以达到理论计算值一致性的效果, 但是实际上在微观层面上还是会存在特征的差别, 使得微波信号的传输介质载体形成的贡献度有所不同。在微波信号传输的毫米波频率区域范围, 电量长度对信号传输零件表面状态有着对应的关系, 各种意义上的微观偏差、波动起伏和粗糙度的因素分类方式只能进行提出问题的环节, 则根据电量长度与趋肤效应对微波信号传输进行解决问题的有效分析与研究。
3. 大气环境状况的影响
位于地球表面存在的大气具有不均匀性和层次性的显著特点, 通常情况下大气的这种构造特征会造成介电常数的变化波动, 从而会导致微波信号在空气传输过程当中受到折射的作用会发生弯曲的现象, 而且这种现象的程度变化会伴随着环境天气的变化情况而发生相应的改变。在通常情况下进行分析时, 在作出信号传输路径的剖面示意图后将信号传播波束看作直线处理, 并且以直面的曲率变化程度作为参考标准, 一般以地球半径变化的倍数作为等效的参考数值。
三、微波信号传输的优化方法
1. 信号传输线路的优化
微波信号的传输方式有别于其它的普通信号传输方式, 一般情况而言对于普通信号的传输线路设计只满足电阻值与功率值的考虑因素, 而微波信号的传输线路还需要考虑其它的影响因素, 传输线路形成的电容与电感特性参数值必须进行充分的考虑。在各种微波信号传输线路的形式中, 平面导波系统能够十分有效保证微波信号的传输效果, 特性阻抗与有效介电常数是微波平面传输线路的主要考虑参数。支持微波信号传输且应用度较广的传输线路为微带线, 其本身的优异性在于成本低、尺寸小、易于组装集成、循环性良好和电路兼容性强等各方面的优势, 在微带线综合优点之上, 以共面波导形式的导体条带与公共接地板处于一个平面之中, 这样分布结构特点会产生低功耗的效果。一般在微波信号的片测试过程当中应用的是共面导波的信号传输线路, 应当应用导带双边都分布地线的微带线传输线路结构, 这样同时具有两种传输线路的优点, 能够很好优化微波信号的线路传输性能。
2. 信号不连续处的优化
微波信号的不连续特性主要表现为信号传输线路阻抗的不连续特性。当信号传输线路的阻抗值呈现出几何形状特征的均匀性与一致性则可以说明该信号传输线路的阻抗值为一恒定的数值, 位于同一个平面的信号传输线路对于特性阻抗能够进行很好的控制与调节, 但是对于出现信号传输线路互相搭接与转接的地方, 即信号不连续处, 其阻抗变化波动比较大, 相应的阻抗调节与控制难度较大。信号传输线路的不连续特性一般表现在信号传输线路的内部、各种类型的信号传输线路进行转换与交接相连等情况, 在微波信号的传输过程中应当考虑不连续特性对信号传输造成的影响因素。
四、结语
在微波信号传输的实际过程中, 为保证信号传输的完整性与有效性, 必须清楚地了解对微波信号传输造成影响的各种因素, 从各种层面进行相应的分析, 其中信号传输零件表面粗糙度与信号传输零件表面状态是一个方面的重要影响因素, 表面状态会使得微波的毫米波传播形式对信号传输的影响作用显得更大, 而表面粗糙度不能得到充分的影响作用分析。电量长度与趋肤效应是用于分析与评判信号传输零件表面的几何形状偏差。微波信号传输线路在整个微波信号传输系统当中起着重要的作用和地位, 对信号传输线路的不连续处进行优化设计, 减弱其对微波信号传输造成的影响。
参考文献
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宽带微波信号光纤传输链路的设计 篇3
随着信息时代的到来,人们对信息传送的媒质也提出了更高的要求。目前,在微波信号的传送中,基本上都是以电缆传送为主,但是电缆传送存在一些问题,
比如传送距离相对较近,外界信号容易干扰传输信息等。为了解决这些问题, 人们开始利用光缆进行信号传送。光缆的传送距离非常远,可以达到一百多千米, 在传送的过程中,信号的衰减系数非常小,能够保证信号的高质量传送。光缆传送的稳定性好,不容易受到外界环境的干扰,而且具有相关设备质量小以及应用成本低等特点。所以,光纤传输在各个领域都得到了越来越广泛的应用。本文先介绍宽带微波信号光纤传输链路的主要组成部分,然后探讨相关的重要参数。
1宽带微波信号光纤传输链路的组成
光纤传输链路主要可以分为三个部分:发射装置、接收装置和光纤。光发射装置的主要功能是将输入的电信号进行调制,将其转化成为光信号,光源的调制方式可以分为直接调制和外调制两种,直接调制所能达到的带宽是26.5GHz,要想增加带宽,可以利用外调制,最大可以达到70GHz。光纤在快带微波通信中的主要作用是运输作用,处于信号发射装置到终端接受装置之间。,这也是光纤输送优于电缆输送的关键所在。光接收装置的功能和光发射机的相反,它是将光纤传送过光信号恢复为最初的电信号,从而实现信号的重新读取。
根据电信号形式的不同,光纤传送可以分为两类:模拟传输和数字传输。模拟光纤传输的传送距离相对较短,应用成本低,容易受到宽带的限制,但是其损耗比较低,常用的场合有雷达信号处理、天线遥测等。数字光纤传输的传送距离比较长,应用的成本也比较高,但是不受到宽带的限制,能够对大容量的信息进行传送,所以一些超级望远镜的宽带微波信号的传输就可以选用数字光纤传输。
2宽带微波信号光纤传输链路的重要参数
借助一些重要的参数,我们可以检验宽带微波信号光纤传输链路性能优劣,下面将对光纤传输链路的性能参数和传输参数进行探讨。
2.1宽带微波信号光纤传输链路的性能参数
宽带微波信号光纤传输链路的性能参数主要有四个,包括增益、带宽、噪声系数以及动态范围等。
增益是指信号功率在输出端与输入端的比值,它跟整个系统的一些设备性能相关联,包括光纤的衰减特性以及光发射机、光接收机的增益Glink等。Glink=G-A增益可表示为:
式中G表示光反射机、光接收机的增益,A为光纤内的信号损耗。光纤内的信号损耗A越小,或者光反射机、光接收机的增益G越大,则整个光纤传输的增益就越大。
带宽主要是衡量信号失真传输的可用带宽范围,它是增益下降3dB所对应的频带宽度。在该带宽内,信号的抗干扰能力极强,信号不容易失真。光纤的带宽大小主要跟色散效应相关,而在单模光纤中是不存在模间色散的,所以单模光纤的带宽非常大。所以整个光纤传输链路的带宽主要受限制于光反射机、光接收机的频率响应。
噪声系数是指系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值。系统的信噪比可以定义为接受信号功率S与噪声功率Np的比值 :
式中,RL为光检测器负载电阻, i2S表示均方信号电流, i2N表示均方噪声电流。暗电流、前置放大器以及负载电阻等都会产生噪声,这些噪声对信号的传输会产生干扰的作用,所以需要严格的控制噪声。
在光纤传输系统中,信号在一定范围发生变化时,信号的能否进行有效传输是一个重要的研究点。动态范围就是用来衡量信号能够进行变化的有限范围。在动态范围中,最小的信号值叫做灵敏度,它跟整个系统的背景噪声有关。当信号值不断的增大时,系统会因为非线性而发生信号失真。动态范围给了人们一个信号高质、高效传输的标准,从而可以避免信号受到干扰以及失真现象发生。
2.2光纤的传输参数
在光纤的传输中,光纤的相关参数主要有衰减和色散两个。
光纤的衰减是光纤的一个重要参数, 它是指在光纤传输过程中信号会产生一定的损失。在一般情况下,光纤的衰减特性在决定了整个光纤传输链路的最大距离。宽带微波在光纤中传输时,随着距离z的增加,光功率P存在以下关系式:
式中, p(0)为起始处的光信号功率,αp为损耗常数。光纤的衰减特性可以用衰减系数α表示,它可以用单位长度的分贝数来表示,定义如下 :
光纤衰减产生的原因有很多,主要是光纤材料质量以及设计问题,光纤发生一定的弯曲时,会产生信号损失,所以要避免光纤的弯曲。散射损耗则是光的散射效应造成的,它主要跟光纤的结构缺陷有关。有的光纤自身还能对一定量的信号进行吸收,造成信号的衰减。
色散是光纤的另一个重要参数,因为光纤传输中的信号会具有不同的类型,它们的传送速度会存在一定的差别。这就导致了整个信号不同部分不能够在同一时间到达光纤终端,最终会导致输出信号出现失真现象,不能够顺利读取信号。可以用时延差来衡量色散的严重程度,时延差越大,则色散程度越严重。信号的时延差与光源的相对带宽、温度有关。
综上所述,在整个光纤传输链路设计过程中,需要考虑传输的实际情况,根据不同参数对整个系统的影响,选择最佳的参数值,从而实现宽带微波信号光纤传输链路的最佳设计。
3结语
数字微波长距离传输信号工程实践 篇4
数字微波是用微波作为载体传送数字信息的一种通信手段, 在我国的广播电视信号传输中发挥着重要作用。但是, 由于微波在空间无线传输, 特别是在长距离传输过程中, 极易遇到气候、环境以及电磁干扰等影响, 所以, 如何提高微波的抗干扰性、让数据在长距离传输后仍然具有很高的可靠性, 成为广播电视传输工程中需要解决的问题。
1背景情况
2009年, 湖南广电移动电视开始建设全省统一的国标移动电视网络。通过4年的建设, 目前已形成以全省前端播控中心集中提供信号源, 经过光纤干线网传达至湖南全省12个地区网络, 全省共有33座移动电视发射基站, 信号覆盖大中城市及农村近5000万人口。该网络为湖南省的“数字化”、“新农村建设”发挥着日益重要的作用。
湖南省属于丘陵地带, 多山且地形复杂, 大多数广播电视发射台远离城镇, 建设在具有一定海拔高度的山上, 只采用光纤作为单一传输链路, 在运行中存在着诸多隐患。为了保障安全播出, 我们决定以数字微波作为现有光纤传输网的备份。
微波传输网的特点是受地理条件的限制小, 在视距条件下可跨越山区、江河、高速公路、城市干道传输, 当出现特大洪灾等重大自然灾害时, 当其他通信手段失效时, 微波还可保证广播电视信号的畅通。
2传输路由
2010年, 湖南广电移动电视开始建设SDH数字微波干线传输网, 该微波采用SDH 155Mbps大容量速率, 频率波段在7GHz~8GHz, 传输中央、卫视、省地面频道共45套数字电视节目, 目前完成一期工程建设, 如图1所示。
信号路由从长沙老电视台向南北方向延伸, 途经常德、益阳、长株潭、衡阳、最后到达南部郴州, 全长约为500km。其中老电视台至达摩岭、达摩岭至会龙山、老电视至韶山、韶山至南岳、泗洲山至苏仙岭由于距离短, 我们采用了哈里斯分体式微波。
太阳山至会龙山距离长达89km、南岳至泗洲山更是达到129km的超长距离, 对于这种长距离微波我们选用全室内型微波设备, 同时优化传输方案, 在充分考虑传输衰落和功率储备的前提下进行分集设计, 尽可能地减少电磁环境、雨衰、气温等因素影响, 保证长距离传输过程中的信号稳定性与可靠性。
3技术特点
湖南省多山地形复杂, 气候多变, 数字微波在长距离传输过程中, 各种衰落综合作用将引起传输波形失真, 严重时会导致传输中断, 解决这个问题的最有效方法是采用分集技术。
对于地面反射衰落, 通常采用接收天线空间分集;而对于大气多径衰落, 既可采用空间分集也可用频率分集。因为本次工程采用155Mbps大容量SDH传输速率, 多状态调制方式会对频率选择性衰落更加敏感, 我们同时采用了空间分集与频率分集技术, 同时对方案施工过程中的工程质量进行严格把控, 保证系统性能指标达到最优。
4工程实践
国内数字微波的长距离传输一般不超过80km, 而南岳至泗洲山达到129km, 下面以这一跳微波的工程实践为例, 进行相关介绍。
1.频率的选择
微波频率选择要依据国际定义, 对于长站距微波电路, 推荐采用5GHz、6GHz、7GHz和8GHz频段, 频率越高信号绕射能力越低, 抗雨衰能力也越弱。具体选择要视当地的气候条件、传输断面、空间频率、无委意见而定。经过综合论证并在南岳、泗洲山两处现场扫频后, 我们计划采用7142/7296 (MHz) , 7198/7352 (MHz) 两组微波频率。
2.调制方式的选择
微波是一种频带受限的传输媒质, 要在有限的频带内传送尽可能高的比特率, 最有效的办法就是采用多状态调制解调技术。我国在4GHz~11GHz频段大多采用28MHz~30MHz或40MHz的波道间隔配置, 湖南移动电视的SDH微波传输系统干线选用7GHz频段, 波道间隔为30MHz, 调制方式为128QAM。
3.频率分集
频率分集是指采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息, 然后再进行选择合成, 以减轻传输衰落的影响。频率分集要求两个分集信号相关性小, 才不会使两个微波频率在给定路径上同时发生深衰落现象。
南岳对泗洲山基站一跳选用两组收发频率 (7296/7142MHz、7352/7198MHz) , 收发频率f1与f2相差较大, 对应频率间隔达到56MHz;微波引入环形器, 增加了两组频率间的隔离度;机柜内采用分离滤波器、两组收发信机, 分别处理来自不同组的收发信号, 这些措施有利于降低频率分集信号的相关性, 减少传输性衰落。
4.空间分集
空间分集是指发端用一面天线发射, 收端用两面天线接收同一信号, 当一面天线受到多径干扰时, 另一面天线可以避开干扰, 从而对抗衰落。空间分集要求两面天线在垂直方向有一定的挂高差 (图2) , 垂直间距越大, 信号的相关性就越小, 分集改善的效果也越好, 但是这会要求铁塔有理想的高度。如果下天线离地面太近, 还要考虑地面余隙的损耗问题。
泗洲山基站安装了两面3.2m的天线做分集接收, 7GHz微波的波长λ约为4cm, 分集要求上下天线间距至少达到100λ至200λ, 方可满足分集的技术要求。我们把下天线挂在铁塔的北侧垂直塔柱上, 挂高位置尽可能低 (视前方地面无阻挡即可) , 另一面上天线挂在新建的增高铁架上, 同时要保证此铁架的承载和抗风强度, 两面天线挂高间距达到8.5m, 工程安装达到空间分集的要求。
5.天线调整
对于均匀激励的天线, 主副瓣电平差为17.6d B, 但由于天线的口径遮挡, 加工精度及照射器的非理想性都会提高副瓣电平的幅度, 通常主副瓣电平差在10d B左右。天线调整过程中常常会出现这种情况, 即把某一端的天线对准到另一端的副瓣上, 无论如何调整都只能测到一个很小的电压, 收信电平达不到设计指标。这时候需要两端配合, 先粗调天线大致都对准主瓣, 然后再精细调整。在天线俯仰或水平调整过程中, 会出现图3的电压波形, 此时其电压最大点位置, 即为俯仰或水平方向的主瓣最佳对准位置。
6.时延调整
由于空间分集导致两路信号的路径不一样, 信号间就会存在时延差。虽然微波内部已经设计有鉴相器、移相器、时延均衡器等模块对时延自动处理, 但尽可能通过物理方法减少工程中产生的时延, 可以进一步抑制误码的产生。
泗洲山基站分集的上、下接收天线调整后电平达到计算值, 发现传输仍然不够稳定。经过现场勘察, 发现上、下天线安装不在同一个垂直面, 而是向前移了2m左右, 上下天线的馈线长度差也达到10m, 根据设备安装手册的说明, 良好的IF合成要求对时延做出手工设置, 按照时延等于馈源间距离差 (m) ×3.34 (ns) 关系得到时延修正值, 然后对设备内部的时延跳线进行手工设置, 信号恢复到稳定状态。
7.驻波比指标
南岳基站在安装过程中, 发现主天线达到接收电平值后传输链路仍然不通, 而且有设备告警记录。当交换分集天线的馈线后, 主天线传输正常、设备告警也消失。经过指标对比发现是天线驻波比高引起的, 再次检查主馈线发现在入室位置有明显折压变形, 在变形位置重做好接头, 保证接头密封良好不漏气, 这些工艺有效地降低了驻波比, 主天线接收恢复正常。
实践证明, 如果驻波比大于1.2, 增加的码间干扰将导致解码器失锁, 即使在正常接收电平下也会出现连续误码影响同步。
8.充气机作用
对于高山台站的潮湿山地气候, 充气机可让馈管内保持干燥气体提高驻波比。对于密封不严的馈管接头, 充气压力可以防止雨雾从天线缝隙进驻。充气机应该在天馈工程安装时尽早使用, 防止雨雾天气导致天馈指标变差, 影响系统正常开通。
充气机开机后对馈管进行充气, 当气压到达一定值时 (Min
9.自动功率控制 (ATPC)
据统计, 传输过程发生深衰落的概率一般在1%的时间以下, 设备工作时采用ATPC技术, 让发信功率在一定范围内根据传输条件改变而自动改变。在传输条件较好的情况下, 传输功率可比最大值降低20 d B, 在发生雨衰的情况下, 可自动将发送功率维持在最大, 保证10E-12的误码和99.999%的可用度, 这就使得发信机在绝大多数时间不需要工作在大功率状态, 一方面节省整机功耗, 同时还可减少对相邻系统的干扰。
经过几个月的现场施工与反复优化, 该微波链路开通后, 运行稳定, 指标良好, 为国内数字微波的长距离传输积累了很好的工程应用经验。
5结论
微波在长距离传输过程中, 极有可能出现各种传输衰落, 我们需要对当地气候条件、微波传输断面、空间频率等因素有充分的认识, 通过科学设计、频率分集、空间分集、时延调整、施工质量等技术手段对抗衰落, 改善带内失真, 提高分集增益, 降低信号中断事故。
湖南广电移动电视在数字微波干线网建设后, 通过近3年的运行实践, 系统的稳定性与安全播出无中断时间达到99.999%。该案例说明, 通过合理的技术控制, 数字微波在长距离信号传输领域, 性能将更加稳定, 信号更加可靠, 可以作为干线网长距离传输及安全播出保障的重要手段。
摘要：湖南广电移动电视采用数字微波作为全省移动电视干线网的传输手段, 通过空间分集、频率分集、时延调整等技术手段提高微波信号长距离传输中的抗衰落能力, 为省干线网的长距离传输和安全播出提供了一种很好的应用解决方案。
关键词：数字微波,传输衰落,分集技术,时延调整
参考文献
微波信号分析 篇5
随着激光技术的发展,激光具有的带宽极宽,数据传输量大,分辨率高等优势愈来愈突显出来。但激光在复杂信道中传输时,由于受到衰减和散射,使得光波的强度,相位在时间和空间上都会呈现随机起伏,产生光束弯曲和漂移,扩展以及接收端光斑发生畸变等现象。但是用微波对激光信号进行调制后,激光信号在频域上产生了变化,其传输信号的能力也大大加强。
二、微波信号调制激光源的调制方法
近年来,关于基于微波信号调制激光雷达的激光发射器的研究工作已经有不少报道,国内外提出了多种的微波调制技术方案。大致上可以分成两种类型:一是内调制技术,即直接在激光发射器内部实现对输出激光脉冲信号的微波调制。二是外调制技术,即利用外部光学调制器实现对输出激光脉冲信号的微波调制。
1、内调制方式
内调制适用于半导体激光器,它是利用微波信号对激光二极管工作点控变的直接调制,将信号注入到半导体激光器,从而获得相应的光信号,属于电源调制方法。调制频率受激光二极管响应速率所限,其极限频率可达25GHz,调制带宽也不平坦,需附加补偿网络。
内调制方式是在激光器内部实现调制过程,直接输出调制后的激光脉冲信号,这种调制方式适合短距离、低调制频率的激光信号传输。
内调制技术存在两个缺点:由于固有弛豫频率的限制无法实现高速激光器调制(>10 GHz);激光器的调制是通过改变注入电流而实现的,这样会产生啁啾,将限制系统的传输距离进一步提高。所以激光的内调制方式只适合做短距离、低调制频率的激光信号传输。调制带宽也不平坦,需附加补偿网络。
2、外调制方式
外调制是在激光信号形成以后,把微波信号输入光调制器,调制到一个由激光器产生的激光载波信号上,并控制这个激光载波信号的某个参数(振幅、相位等),使它按微波信号的规律变化。于是,激光载波信号就运载着这些微波信息(此时的激光被称作已调制激光信号),经过信息处理以后由激光雷达发射天线发射出去。
激光的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。使用外调制技术可提高信号的传输速率,实现光信号的远距离传输,中继距离可延长到至少300km以上,可省掉昂贵的光放大器,降低光通讯的成本,是光通信技术发展方向之一。
缺点是调制损耗较大,且调制线性范围较小。
三、微波信号调制激光雷达进行水下探测的技术研究
通常情况下,激光雷达发射的是未经过调制的激光脉冲信号,其单个脉冲的数学形式可表示为:
其中,P0表示激光脉冲信号的峰值功率;u(t)为单位阶跃函数;tp为激光脉冲的宽度。
为了将微波信号加载到激光脉冲信号上,在这里我们可以用一个激光器产生一个载波激光脉冲信号,再用一个微波发生器产生一个编码了的有用微波信号,再由一个调制器进一步将有用微波信号调制到载波激光脉冲信号上,从而可以产生调制后的激光脉冲信号。当调制器用调制频率为fm,调制深度为m的余弦调制微波信号来调制激光脉冲信号时,可以得到经过调制了的激光脉冲信号如下式所示:
其中,P0表示激光脉冲信号的峰值功率;tp为激光脉冲的宽度;fm调制频率为;调制深度m为调制器对激光脉冲峰值的调制能力,m的大小通常在0～100%之间。
未调制的激光脉冲信号和调制后的激光脉冲信号如下图所示:
四、小结
由于相干探测技术的出现,使得微波雷达技术在探测目标、测距等方面拥有很多的优点,而激光雷达采用蓝绿光波却可以使信号穿透水体,这在探测水下目标的领域具有很大的优势,同时激光雷达具有探测距离远、分辨率高等优点。载波调制激光雷达实现了将微波雷达和激光雷达相结合,激光雷达在水介质中有一段频率窗口,可以进行对潜目标的探测。但是激光雷达在水下传输过程中会受到介质影响而产生严重的散射,这样散射光以噪声的形式被接收,从而严重影响目标探测的灵敏度。采用载波调制方法,实现了将激光雷达穿透水体的特性以及光信号空间分辨率高的优点和微波雷达信号处理的优势相结合,从而达到抑制散射,大大提高对潜目标探测灵敏度的目的。
综合了微波雷达技术和激光雷达技术优点的基于微波信号调制激光雷达技术,越来越广泛地被应用到地面、空中、海面和水下目标探测领域,特别是水下目标探测领域更具有独特的优势,是一种具有十分广阔应用前景的雷达新技术。
参考文献
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微波信号分析 篇6
高功率微波( HPM) 的脉冲峰值功率可以达到100MW以上,频率范围在1GHz ~ 300GHz之间。高功率微波通过天线耦合、传输线耦合、孔缝耦合等方式进入电子设备,对其造成小到工作结点受到干扰,大到元器件烧毁的系统性破坏。在计算机电磁防护设计中,通常采用的措施为控制耦合和降低敏感度,借用滤波、屏蔽的手段衰减入射的HPM场。相比之下,光电转换技术将信号电传输变成光纤传输,从根本上隔绝了由外部电缆耦合进的电磁干扰,能更有效地保护信号及设备。同时在带宽、容量及传输距离上,光纤传输都有着极大的优势。视频信号在计算机系统中及其重要,因此文中针对计算机中最常见的VGA视频信号提出一种光传输方案,以提高其HPM防护能力。
1 VGA光传输系统设计
VGA光传输系统包括光信号发送模块和光信号接收模块,二者通过光纤传输交换数据信号,功能框图如图1 所示。其中光信号发送模块将VGA信号转化为光信号输入光纤信道。光信号接收模块检测光纤信道中的光脉冲,对其进行解调,最终转回VGA信号输入到显示设备中。
1. 1 光信号发送模块设计
光信号发送模块由A/D转换电路,串化编码电路,芯片配置电路和光发射电路组成,其功能框图如图2 所示。A/D转换电路将VGA信号转换成24 位并行数字信号,再通过串化编码成为TMDS信号,光发送电路将TMDS电信号变为光信号送入光纤信道中。
1. 1. 1 A / D转换电路设计
VGA信号包括红( R ) 、绿( G ) 、蓝( B ) 和行( H) 、场( V) 五个信号,R、G、B为模拟信号,H、V为TTL数字信号,行信号的频率在37k Hz ~ 112k Hz之间,场信号频率可取60Hz,75Hz,85Hz。A/D转换电路用于将RGB模拟信号转化为数字信号。本设计采用一款像素为1280 × 1024,场频率为60Hz的工业液晶屏作为显示设备,以液晶屏的信号带宽作为A/D芯片选择的依据,其数值可通过以下计算公式获得:
式中,BW为带宽; HP为水平像素个数; VP为垂直像素个数; RV为场频; KB= TB/ ( 1 - TB) 为单位时间内,行消隐时间占的比例,取1. 4。
计算得BW= 110. 10MHz,最小采样频率应至少为BW的二倍。依据以上数据,采用Analog Device公司的AD9883 芯片实现A/D功能,它将RGB三色模拟信号转换成24 位并行数字信号,量化率为8bit,最大采样频率为300MHz,满足A / D转换需求。A / D转换电路如图3 所示。在RGB模拟信号输入AD9883 之前应进行滤波以保证输入信号的质量,由于模拟信号的带宽范围大,所以采用T型滤波电路。
1. 1. 2 TMDS串化编码电路设计
并行信号不适合光纤传输,因此需要将A/D转换来的24 位并行数字信号转化为差分串行信号即串化处理。文中串行信号采用TMDS格式。TMDS应用了8B /10B编码方式,将原始信号数据转为10位。前8 位数据由原始信号运算后获得,正好与8位像素数据对应,第9 位为变换方式标志位,用来指示运算的方式,第10 位为直流平衡码,用来实现不同逻辑接口之间的匹配。
文中TMDS编码采用德州仪器公司的TFP410 芯片实现。TFP410 内部集成一个TMDS编码模块,三个TMDS差分驱动器实现8B/10B编码; 支持PLL噪声抑制,最高可达到1600 × 1200 /60Hz的分辨率,支持165MHz的像素时钟; 同时TFP410 内部集成去耦电容和50Ω 的匹配电阻。该芯片内部寄存器可通过I2C总线配置,也可以通过外部引脚设置跳线来设置芯片的状态。TFP410 外围电路如图4 所示。
TFP410 主要配置引脚功能如表1 所示。
1. 1. 3 光发送电路设计
光发送电路将TMDS信号调制成光信号送入光纤信道中。光发送电路由光发送组件( TOSA) 和驱动电路组成。其结构功能图5 所示。
放大器、光电检测器件和光源一起封装在TO -46 基壳中构成光发送组件。本设计中选用光源为VCSEL的光发送组件,它具有效率高、寿命长、价格低的特点。VCSEL光源是一个阈值器件,会根据不同的工作电流发出自然光或激光,它的阈值是温度和使用寿命的函数。为保证传输过程中光功率的稳定,需要通过闭环控制调整偏置电流来补偿由温度和老化引起的阈值电流变化。本设计中以Maxim公司的MAX3740A作为光源驱动电路的核心。它能将电功率转化为光功率输出,同时内部集成了自动功率控制电路以保证光输出的稳定。图6 所示为激光驱动电路原理图。
其中需要计算和选择的参数有调制电流控制电阻Rmodset、调制电流温度补偿电阻Rtc、偏置电流设定电阻Rbiasset、和平均光功率设定电阻Rpwrset。根据芯片手册,调制电流Imod用来控制VCSEL的开关变化,其值由Rmodset决定,Imod与Rmodset的具体关系如下式:
查TOSA资料取Imod为10m A; Rout +为OUT + 端内部上拉负载电阻,取典型值80Ω; Rout －为OUT + 外接VCSEL的负载电阻,此处取典型值50Ω; 由此可得Rmodset = 1. 65kΩ。
调制电流会随着温度的变化而变化,MAX3740A提供温度补偿电流来解决这个问题。查TOSA器件手册可知,在- 20℃ ~ 85℃ 环境下,温度补偿系数为- 5000ppm/℃,图7 为MAX3740A芯片手册给出的温度补偿系数与温度补偿电阻关系图,取Rtc = 100kΩ。
电阻Rpwrset决定了监控光二极管的反馈电流大小。本设计中所用TOSA的监控光二极管电流平均值为0. 45m A,由图8 监控二极管电流与Rpwrset关系,可取Rpwrset = 470Ω。偏置电流的最大值由Rbiasset所决定,查芯片手册可知当Rbiasset = 1. 7kΩ时,可以得到最大偏置电流。
1. 2 光信号接收模块设计
光接收模块包括光接收电路、TMDS解码电路和D/A转换电路三个部分。其结构功能图如图9所示。
光接收电路检测光纤信道中的光脉冲,并将其转化成电信号。TMDS解码电路将转化来的电信号解码为24 路并行信号输出。D/A转换电路将24 位并行信号转化为VGA的模拟RGB信号输入到显示设备中。
1. 2. 1 光接收电路设计
光接收电路结构功能框图如图10 所示。
其中光电检测器件,前置放大器和滤波电路共同组成光接收组件( ROSA) 。光电检测器件选用PIN型光电二极管,它工作电压低,适用于近距离的光传输; 前置放大电路将光电流转化为电压输出,它决定了整个光接收模块的灵敏度和带宽; 滤波电路用于保证波形均衡,补偿失真; 限幅放大电路和自动增益控制电路用于提供进一步的信号增益,并通过闭环控制使输出信号在一定范围内不受输入信号变化的影响。限幅放大电路核心芯片选用Maxim公司的MAX3272,单3. 3V供电,最高速率2.5Gbps,可接收宽范围的输入电压并提供带有受控沿速率的稳定电流模式逻辑电压输出。对于MAX3272,TH脚所接电阻决定了门限值。当输入信号低于该门限,且门限时间大于TLOS时,电路将发出LOS信号丢失指示。TLOS的大小由CLOS引脚接地电容CLOS决定,当CLOS= 0. 01μF时,TLOS的典型值为50μs。
1. 2. 2 TMDS解码电路设计
TMDS解码电路将TMDS信号转换成24 位并行的数字信号,本设计中采用德州仪器公司的TFP401A芯片实现,其功能与TFP410 正好相反。TFP401A支持UXGA显示模式,采用四倍频采样技术,内部集成终端匹配电阻消除反射,使用像素时钟交错输出技术抑制地弹噪声。芯片供电为3. 3V,最大功耗4. 3W。TFP401A内部结构功能图如图11所示。
QE( 0 - 23) 为偶像素输出,QO( 0 - 23) 为奇像素输出,ODCK为像素时钟,SCDT为同步检测,HSYNC和HSYNC分别为行、场同步信号。
1. 2. 3 D / A转换电路设计
D / A转换电路将解码出来的24 位并行数字信号转化成VGA的R、G、B模拟信号,本设计中采用ADI公司的ADV7125 实现。 ADV7125 采用3. 3V供电,支持掉电模式,最大功耗277m W。其像素扫描时钟可选50MHz、140MHz、270MHz、330MHz。它内部集成3 个8 位DAC实现DA转换,可以分别处理R、G、B视频数据,数据输入采用标准TTL电平接口。输出电流范围为2. 0m A ~ 26. 5m A,并有输出补偿功能。D/A转换电路原理图如图12 所示。
2 抗高功率微波实验与结果分析
实验将采用了VGA光传输设计的加固计算机置于高功率微波环境中,在微波源直接辐射的情况下,观察其工作状态,测试本设计能够抵抗高功率微波干扰的能力。
2. 1 实验方法
实验环境如图13 所示。
将计算机放置在微波暗室中,通过光纤与外界显示器相连。计算机与微波源距离为R。实验前通过由天线、衰减器、检波器和示波器组成的测试系统标定计算机所处位置的场强。实验时通过天线检测微波源的实际输出。实验采用三种可调微波源:
( 1) L频段微波源: 频率1. 3GHz、最大功率1MW、脉宽为20ns ~ 1 (s、重频为100Hz。
( 2) S频段微波源: 频率2. 15GHz、最大功率900k W、脉宽为20ns ~ 1 (s、重频为100Hz。
( 3) 超宽带微波源: 最大功率100MW、脉宽为1. 5ns、重频可调范围为1Hz ~ 100Hz。
在同一微波源辐射时调整计算机与微波源的距离R分别为1m、2m和4m。记录在不同微波参数和不同距离情况下显示器的工作状况。
2. 2 实验结果及分析
实验过程中如遇显示器黑屏、花屏等显示异常现象则判定视频信号光传输受到高功率微波的干扰。根据实验记录的数据计算采用本设计的加固计算机能够抵抗高功率微波的功率密度。
对于L频段和S频段的高功率微波,其功率密度用以下公式计算:
式中,Pm为测试点功率密度,单位为W/cm2,P为微波源发射功率; G为天线增益( 此处取13d B) ,R表示微波源与计算机的距离。
对于超宽带微波源辐射场采用以下计算方法:
其中,U为天线接收到的峰值电压幅度,R为微波源与计算机距离,E是测量点的场强,)是空间波阻抗( 此处取377) ,Pm单位为k V/m。表2 为功率密度计算结果。
在不同距离不同微波源的实验中均未出现显示异常状况。根据GJB151A - 97 的规定1 ~ 40GHz的发射敏感度的最大场强值为200V/m,换算成功率密度为0. 01W/cm2。相对于此标准,文中的VGA光传输系统在L频段、S频段以及超宽带波段内的防护性能都远超过了该指标。因此根据实验数据可以得出结论: 此种VGA信号光传输方法至少可以防护382. 68W/cm2的高功率微波干扰,满足实际的防护需求。
3 结束语
文中针对VGA视频信号提供了一种基于光电转化技术的传输方案,进而达到了抗高功率微波的目的。通过高功率微波实验,验证了该设计具有良好的防护效果,在加固计算机的设计与生产中有良好的应用前景。
参考文献
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微波信号分析 篇7
关键词：微波产生,频率切换,三波长光纤激光器
1 引言
过去的几十年里, 光学产生微波毫米波已经引起了研究者们极大的关注, 它具有广泛的应用, 比如超宽带光纤无线通信系统, 雷达, Ro F通信系统, 传感, 相干光子学等等[1]。已经报道了很多种产生光子RF信号的方案, 研究者们采用比较多的有外部调制法[2]、光外差法[3]。外调制法就是先用一个电光调制器将RF信号调制到光载波上, 然后得到一个拍频信号。该方法要求高性能稳定性好的RF信号源, 还要求高速调制器, 成本较高。光外差法只需直接将两个独立的激光源进行拍频就可得到稳定的RF信号, 但是得到的RF信号可调谐的范围有限, 且该信号也很难同时工作在微波毫米波段。在一些特殊的应用中, 我们就需要产生多频RF信号, 或是可在微波毫米波段切换的RF信号[4]。
本文基于一个不均匀频率间隔三波长光纤激光器, 提出并实验验证一种产生可快速切换的微波毫米波信号。因为三波长光纤激光器具有双折射效应, 只要调节偏振控制器 (PC) 就可输出任意两个波长, 从而得到相应的拍频。实验得到的微波信号频率分别为10.5GHz, 21.2GHz, 31.8GHz, 而且实现这三个频率的信号快速切换。
2 实验装置和工作原理
如图1所示为频率可快速切换微波毫米波信号产生实验装置。980nm泵浦输出241.8m W的泵浦光通过光波分复用器 (WDM) 泵入掺铒光纤中, 后向激光输出经偏振控制器 (PC) 和检偏器后, 再经一分光比为20:80的耦合器, 经光电探测器 (PD) 后输入频谱分析仪。PC用来调整输入激光的偏振态, 检偏器只能透过特定方向的光, 而滤掉其他偏振态方向的光。耦合器80%输出端接PD (带宽20GHz) 和频谱仪, 另一端输入光谱仪 (OSA) 以便实时监控光信号。
实验中使用的光纤光栅激光器, 是刻写在保偏光纤上的, 腔长约9.1mm, 相应的频率约11GHz。图2为该激光腔的反射谱和透射谱, 我们分别采用光谱仪和相干检测法[5]测量该激光腔。如图 (b) 所示, 可以看到标为4的峰值, 对应的波长为1544.9nm。峰1和峰2之间对应的频率间隔约22GHz, 峰4和峰2之间约11GHz。由于保偏掺铒光纤的双折射效应, 该激光腔的透射谱反射谱有两个重叠的尖峰, 分别对应两个偏振态, 那么该腔的三个峰之间互成一定角度存在。
在光谱上可以看到该激光器的输出光谱, 如图3所示为三波长输出光谱, 分别对应图2中的峰1、2和4。由于三个波长的偏振态不同, 为了验证三波长输出的稳定性, 我们每隔十分钟观测一次, 多次测量后三波长平均变化幅度约0.001d Bm。
3 实验结果和和讨讨论论
图4为激光器三波长输出时在频谱仪上监测到的微波毫米波信号, 得到三个频率信号分别是通过对任意两个波长的信号拍频获得, 其频率分别为10.5GHz、21.2GHz、31.8GHz, 相应的信号强度为-38.5d Bm、-44.9d Bm、-59.8d Bm。很明显, 这三个信号的频率恰好与激光器三波长的波长间隔相对应。此外, 随着信号频率的升高, 信号强度有下降趋势, 这主要是受实验条件限制, 实验中采用的告诉光电探测器带宽约20GHz。
通过调节PC, 三波长激光器可灵活输出双波长, 这样就方便实现微波毫米波信号的切换。该激光器任意两波长的输出光谱及其相应得到的拍频信号如图5所示。频率为10.5GHz的信号, 相对应的拍频波长为1544.97nm和1545.06m;频率为21.2GHz的信号, 相对应的拍频波长为1544.78m和1544.97nm;频率为31.8GHz的信号, 相对应的拍频波长为1544.78nm和1545.06nm, 三个信号的强度分别为-35.24d Bm、-40.18d Bm、-49.41d Bm。与10.5GHz的信号强度相比, 21.2GHz降低4.94d Bm, 31.8降低14.17d Bm, 频率较高处信号强度降低也是受光电探测器带宽有限的影响。
4 结论
本实验采用三波长光纤激光器展示了一种多频率微波毫米波可切换的信号发生器, 只要简单调节偏振控制器, 就可灵活改变激光器的输出状态, 得到的频率信号也可以灵活的切换。本实验装置简单, 结构灵活, 得到的射频信号稳定性好, 还可灵活快速切换。
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