书城科普读物站在巨人肩上-从贝尔谈数据通信
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第12章 微波通讯

微波发展简史

微波的发展是与无线通信的发展是密切联系的。1901年马可尼使用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,打开了人类无线通讯的大门。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。

电磁波用于空间传输,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。

微波通信从20世纪50年代开始,由于其通信的容量大、投资费用少(约占电缆投资的1/5),建设速度快、抗灾能力强等优点而取得迅速发展。20世纪40~50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。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的处理应用,起到了重要的作用。

外国发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例非常高,有一半以上。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。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。

卫星通信

卫星通信也很快发展起来,从1945年克拉克提出三颗对地球同步的卫星可覆盖全球的设想以来,卫星通信真正成为现实经历了20年左右的时间。先是诸多低轨卫星的试验:1957年10月4日原苏联成功发射的世界上第一颗距地球高度约1600千米的人造地球卫星,实现了对地球的通信,这是卫星通信历史上的一个重要里程碑;1965年4月6日发射的“晨鸟”号静止卫星标志着卫星通信真正进入了实际商用阶段,并纳入了世界上最大的商业卫星组织INTELSAT的第一代卫星系统IS-I。GEO商用卫星通信以INTELSAT卫星系统为典型,从1965年IS-I以来,至今正式商用的卫星系统历经八代12种。

移动通信方面,它的发展至今大约经历了五个阶段:第一阶段为20世纪20年代初到50年代末,主要用于船舰及军用,采用短波频段及电子管技术,至该阶段末期才出现150MHz的单频汽车公用移动电话系统MTS;第二阶段为50~60年代,此时频段扩展到UHF450MHz,器件技术已经向半导体过渡,大都为移动环境中的专用系统,并解决了移动电话与公用电话的接续问题;第三阶段为20世纪70年代初到80年代,此时频段已经扩展到800MHz,美国进行了AMPS试验;第四阶段为20世纪80年代到90年代中期,第二代数字移动通信兴起并且大规模的发展,并逐步向个人通信发展,出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、CDMAONE、PDC、PHS、DECTPACS、PCS等各类系统,频段扩至900MHz~1800MHz,而且除了公众移动电话系统以外,无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统等各类移动通信手段适应用户与市场需求同时兴起;第五阶段为20世纪90年代中期到现在,随着数据通信与多媒体的业务需求的发展,适应移动数据,移动计算机及移动多媒体的第三代移动通信开始兴起CDMA2000,WCDMA,LAS-CDMA等相应的标准应运而生。无线通信技术前景非常好。

近几十年来,随着国内信息网络的发展,对通信基础设施的要求也高了。各种网络接入技术越来越受到人们的重视。网络接入大致上可分为网络接入和单机接入两类。许多技术如DDN、XDSL、56K、ISDN、微波、帧中继、卫星通信等都成为人们的关注对象。迄今,尽管中国电信基础建设取得了极大的发展,但是仍无法满足网络迅速发展的迫切需要。因此,无线微波扩频通信以其建设快速、简便等优势成为建立广域网连接的另一重要方式,并在一些城市中(如北京)形成一定规模,是国内城市通信基础设施的有效补充,引起了很多网络建设单位的兴趣。

无线电波的传播特性

无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波、对流层反射波、电离层波和地波。

表面波传播,就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式,电波在地球表面上传播,以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用,吸收的强弱与带电波的频率,地面的性质等因素有关。

天波传播,就是自发射天线发出的电磁波,在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。电离层对电磁波除了具有反射作用以外,还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。

散射传播,就是利用大气层、对流层和电离层的不均匀性来散射电波,使电波到达视线以外的地方。对流层在地球上方约10英里处,是异类介质,反射指数随着高度的增加而减小。

外层空间传播,就是无线电在对流层、电离层以外的外层空间中的传播方式。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中,以及用于空间飞行器的搜索、定位、跟踪等。自由空间波又称为直达波,沿直线传播,用于卫星和外部空间的通信,以及陆地上的视距传播。视线距离通常为50千米左右。

微波通信与应用

微波是一种具有极高频率(通常为300MHz~300GHz),波长很短,通常为1mm~1m的电磁波。在微波频段,频率很高,电波的绕射能力弱,所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播,又称视距传播。这种传播方式,虽然与短波相比,具有传播较稳定,受外界干扰小等优点,但在电波的传播过程中,却难免受到地形、地物及气候状况的影响而引起反射、折射、散射和吸收现象,产生传播衰落和传播失真。

微波扩频通信技术的特点是指利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理,然后在某个载频进行调制以便传输。属于中程宽带通信方式。微波扩频通信技术来源于军事领域,主要开发目的是对抗电子战干扰。它的主要特点有以下几点:1.建设无线微波扩频通信系统目前无需申请、带宽较高、建设周期短;2.一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理、设备可再次利用;3.相连单位距离不能太远,并且两点直线范围内不能有阻挡物;4.抗噪声和干扰能力强,具极强的抗窄带瞄准式干扰能力,适应军事电子对抗;5.能与传统的调制方式共用频段;6.信息传输可靠性高;7.保密性强,伪随机噪声使得信号不易被发现而有利于防止窃听;8.多址复用,可以采用码分复用实现多址通信;9.设备使用寿命较长。

使用微波雷达的车线变更辅助系统

除了通信方面,微波的用途还很多。现代雷达大多数是微波雷达,利用微波工作的雷达可以使用尺寸较小的天线来获得很窄的波束宽度,以获得关于被测目标性质的更多的信息。