山西廣播電視無線管理中心 ：羅宇飛

微波傳輸會受到天氣、晝夜、季節(jié)以及傳輸路徑上的地形等因素的影響，造成微波衰落，影響微波信號質(zhì)量，但衰落形成的原理有所不同，需要從具體原因著手，有針對地采用抗衰落技術(shù)解決微波傳輸?shù)乃ヂ鋯栴}。

1.微波的衰落現(xiàn)象

微波通信中，工作頻率一般采用6～8GHz，高頻電磁波的繞射能力弱，容易被障礙物阻擋，因此微波頻段的傳輸為視距傳輸，但微波遇到電離層時可以穿過。

微波信號在空氣中傳播時會受到空氣中溫度、濕度、氣壓的影響，所以微波信號接收時強度會隨著晝夜、季節(jié)、天氣變化而變化，這種現(xiàn)象稱為微波傳輸?shù)乃ヂ?。這種衰落有的一閃而過，只有幾毫秒或者幾秒，稱為快衰落；有時可以持續(xù)幾個小時，稱為慢衰落。當(dāng)信號的接收強度低于微波在自由空間傳播后接收的強度時，稱為下衰落；反之，接收信號強度高于自由空間傳播后接收的強度，稱為上衰落。

經(jīng)過不同地形、天氣、季節(jié)時對微波傳輸衰落測試，可得出如下規(guī)律：

（1）在微波傳輸路徑經(jīng)過水面和地勢平坦的地區(qū)比經(jīng)過山區(qū)的衰落嚴(yán)重。

（2）五到十月比十一到一月發(fā)生衰落的次數(shù)顯著增加，且深度大。

（3）晴朗的日間比夜間傳輸更穩(wěn)定。

（4）在天氣晴朗時，零點至三點、五點至九點、十九點至二十一點出現(xiàn)深衰落的頻率較高。

（5）雨、霧、大風(fēng)對接收電平的影響較微弱，僅略小于自由空間傳播的接收電平，但在雨、霧天氣后會產(chǎn)生時間短暫的深衰落。

以上情況是10GHz以下的微波傳輸?shù)乃ヂ湟?guī)律，在大于10GHz的頻段還需要考慮雨、雪、霧以及大氣對電磁波的吸收和散射。因為衰落現(xiàn)象的存在，在微波電路的設(shè)計時，應(yīng)留有足夠的電平儲備以應(yīng)對不同情況下的衰落。

2.衰落的類型及產(chǎn)生的原因

從物理角度看，衰落可以分為兩類：一類是閃爍型衰落，由于微波在傳輸過程中受到空氣輕微擾動發(fā)生散射，散射波在接收處與主波發(fā)生干涉引起，但散射波的振幅很小，對主波的影響微乎其微，因此對微波電路的影響不大；另一類是K型衰落和波導(dǎo)型衰落，是微波在空氣中折射引起的，這種衰落對微波電路傳輸指標(biāo)的影響很大，嚴(yán)重時可造成電路中斷。

2.1 K型衰落

微波在大氣中傳播時，受溫度、海拔高度等因素影響，空氣密度分布不均勻，因而會產(chǎn)生折射導(dǎo)致微波傳播路徑發(fā)生彎曲，折射波的路徑要長于直射波，在微波接收端，折射波與直射波因行程差產(chǎn)生相位差，兩者相互干涉引起接收強度變化而產(chǎn)生衰落。

K型衰落分為干涉型衰落和繞射型衰落。

微波通道無任何阻擋時，兩站距離、天線的高度、傳輸路徑的等效反射系數(shù)相同的情況下，直射波和反射波的傳播行程差受K值影響，兩路電路相互干涉，對接收端的信號強度產(chǎn)生影響，稱為干涉型K型衰落。在實踐中發(fā)現(xiàn)，干涉型K型衰落會造成快衰落，也會造成慢衰落。

微波傳輸余隙較小時，K值小于1，微波的傳輸路徑會變?yōu)榘夹吻€，稱之為負(fù)折射，在出現(xiàn)負(fù)折射時，微波傳輸路徑上的最高阻擋物與微波路徑的距離變小。當(dāng)K值繼續(xù)變小，負(fù)折射更加嚴(yán)重，微波路徑被阻擋物阻擋時，余隙變?yōu)樨?fù)值，接收電平變得很小，造成微波傳輸中斷，稱為繞射型K型衰落。由此可見，繞射型K型衰落產(chǎn)生的直接原因是大氣負(fù)折射，要避免繞射型K型衰落，在微波站建站規(guī)劃設(shè)計時，需要有足夠的余隙，以及可能出現(xiàn)的最小K值，避免電波傳輸被阻擋。

2.2 波導(dǎo)型衰落

在一定的天氣和溫度條件下，如晴朗的夜間，靠近地面的空氣溫度因地面冷卻下降迅速，但上層空氣仍保持較高的溫度，這個溫差層就成為了大氣波導(dǎo)層，一般距離地面1公里內(nèi)。大氣波導(dǎo)層出現(xiàn)的時間、位置、厚度、形狀是隨機(jī)的，對微波傳輸?shù)挠绊懹兴煌?/p>

在收站和發(fā)站的微波天線同時處于大氣波導(dǎo)層內(nèi)時，K小于0，微波傳輸處于超折射狀態(tài)，發(fā)站天線發(fā)出的微波在波導(dǎo)層內(nèi)傳輸，電波的振幅和相位隨時改變，收站天線接收到的折射波與直射波相位相同時振幅疊加，電場強度大幅增強；兩者相位不同時，電場強度可能會大幅下降，這種衰落稱為干涉型波導(dǎo)型衰落，衰落的持續(xù)時間比K型衰落短。

收站和發(fā)站兩側(cè)的微波天線有一側(cè)在大氣波導(dǎo)層內(nèi)，另一側(cè)在大氣波導(dǎo)層外時，微波的傳播會偏離傳輸路徑，接收到的信號強度會大幅減小，稱之為衰減型波導(dǎo)型衰落。

據(jù)實驗表明，大氣波導(dǎo)層的厚度一般為20米到30米，因此收站和發(fā)站天線高度差較小時，容易產(chǎn)生干涉型波導(dǎo)型衰落，反之，收站和發(fā)站高度差較大時，容易產(chǎn)生衰減型波導(dǎo)型衰落。

此外，波導(dǎo)型衰落還與大氣波導(dǎo)層的厚度相關(guān)，微波波長越短，導(dǎo)致波導(dǎo)型衰落的大氣波導(dǎo)層厚度越小。例如，微波頻段為4GHz，大氣波導(dǎo)層厚度20米左右時，會產(chǎn)生波導(dǎo)型衰落。

2.3 混合型衰落

當(dāng)微波傳輸路徑跨越湖泊、海面等地形時，既可能產(chǎn)生K型衰落，也可能產(chǎn)生波導(dǎo)型衰落，形成兩種衰落的條件都滿足時，地面產(chǎn)生的反射波、大氣波導(dǎo)層的折射波，以及直射波相互疊加干涉，影響信號的接收場強，稱為混合型衰落。

K型衰落的持續(xù)時間長，變化慢；波導(dǎo)型衰落的持續(xù)時間短，變化快。兩種衰落同時發(fā)生時，會使得衰落變得更深，甚至發(fā)生瞬時中斷，所以混合型衰落比單一類型的衰落對微波傳輸?shù)奈：Ω蟆?/p>

3.抗衰落技術(shù)概述

人們在實踐中研究出對抗衰落的技術(shù)措施，分為微波電路建設(shè)前的規(guī)劃和建成后對嚴(yán)重衰落所采取的應(yīng)對措施。

3.1 微波電路建設(shè)前的規(guī)劃

微波產(chǎn)生嚴(yán)重衰落的主要原因是K型衰落，在微波電路路徑的選擇上應(yīng)當(dāng)避免跨越湖泊、海面等有強烈反射的區(qū)域。有時出于政治、成本等方面因素考量，不可避免地選擇上述區(qū)域時，可采取如下措施改善：一是盡可能根據(jù)實地條件，利用地形或自然阻擋物阻擋反射波；二是在設(shè)計天線高度時保證足夠的余隙；三是若反射波無法被阻擋，應(yīng)當(dāng)使兩站的天線高度差增大，讓反射點靠近較低天線。如果經(jīng)上述措施后仍無法改善衰落，可以進(jìn)行分集接收或者安裝抗衰落天線。

當(dāng)微波電路所跨越的區(qū)域等效反射系數(shù)大于0.3，又無法利用地形或自然阻擋物有效阻擋反射波，則可以采用分集技術(shù)抵抗衰落。在微波電路跨越湖泊、海面的狀況下，等效反射系數(shù)約等于1，由于衰落嚴(yán)重，可選擇使用抗衰落天線。

除傳輸路徑的選擇外，考慮到受大氣負(fù)折射的影響可能形成繞射型衰落，根據(jù)不同的氣候條件，設(shè)計天線高度時應(yīng)考慮足夠的余隙。

此外，據(jù)統(tǒng)計表明，深衰落發(fā)生的概率與站距呈正相關(guān)，因而在衰落嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)縮短站距，以減少深衰落發(fā)生的概率。

3.2 已建成微波電路

在已建成的微波電路中，不得不跨越可能引起嚴(yán)重衰落的地區(qū)，或因地形條件改變、新建建筑物阻擋等原因影響微波電路傳輸質(zhì)量?？刹扇》旨夹g(shù)和抗衰落天線抵抗衰落。

3.2.1 分集技術(shù)

分集技術(shù)，指的是利用兩條或者多條傳輸路徑傳輸同一內(nèi)容，以減輕衰落對微波電路的影響。從實現(xiàn)方式原理上，又分為空間分集和頻率分集。

在垂直空間上安裝兩副或兩副以上天線，同時接收或發(fā)送同一信號，選擇強度質(zhì)量較好的一路或者將兩路信號合成的方式，稱為空間分集。

利用幾個不同微波頻率，同時發(fā)送同一內(nèi)容信號，選擇質(zhì)量較好的一路或者將兩路信號合成的方式，稱為頻率分集。

空間分集和頻率分集可混合使用，例如發(fā)站使用兩個頻率發(fā)送，收站垂直空間安裝兩副天線接收不同頻率的信號，再選擇或者合成，稱為混合分集。

多個微波通道同時發(fā)生深衰落的概率小于單一微波通道時，才能取得抵抗衰落的效果，多個微波通道受衰落影響的相關(guān)性越小，取得的效果越好。

3.2.2 抗衰落天線

對于等效反射系數(shù)約等于1的情況，可以使用抗衰落天線來抑制反射波，從而減少K型衰落的影響?？顾ヂ涮炀€包括選擇合適口面尺寸天線和防反射天線。

選擇合適口面尺寸天線。增大天線的口面尺寸時，其方向圖主瓣會收窄，主瓣和第一旁瓣之間的最小增益點方向角也隨之改變。為了抑制反射波，可以使用合適口面尺寸的天線，使天線的主瓣和第一旁瓣的最小增益點方向與反射波方向重合，這樣就能顯著地減弱反射波的作用。

在使用合適口面尺寸天線時，應(yīng)當(dāng)增大兩站微波天線高度差，使反射點靠近較低天線的一端，否則會導(dǎo)致所需天線口面尺寸過大而無法實現(xiàn)。

防反射天線陣。當(dāng)所需天線的口面尺寸過大無法實現(xiàn)時，可以采用在垂直空間上安裝多副天線組成天線陣，多副天線接收到的信號按照相應(yīng)的相位關(guān)系發(fā)送到微波收發(fā)信機(jī)。天線陣形成的方向圖主瓣更窄，方向性更好，能夠很好地屏蔽反射波，減輕K型衰落的影響。

抗衰落天線在應(yīng)對K型衰落時，可以起到很好的效果，但在遇到波導(dǎo)型衰落時卻作用有限，因此抗衰落天線的使用有一定的局限性。

4.空間分集

微波中繼傳輸中，在抗衰落措施中最常用的辦法是設(shè)置備用頻率波道，主用波道受到衰落影響時自動啟用備用波道，然而相鄰頻率的波道有很大的相關(guān)性，往往倒換至備用波道改善效果并不明顯?？臻g分集技術(shù)可以防止因深衰落引起的誤碼率增大和信號閃斷。

空間分集技術(shù)分為空間分集發(fā)送和空間分集接收。

空間分集發(fā)送是在微波頻段上進(jìn)行的，一種是垂直空間的兩面微波天線合成發(fā)送；另一種是選擇垂直空間的兩面天線中信號質(zhì)量較好的進(jìn)行發(fā)送?？臻g分集發(fā)送是通過改變微波信號的相位或者傳輸路徑實現(xiàn)抵抗衰落。

空間分集接收可以在微波設(shè)備的調(diào)制解調(diào)、中頻轉(zhuǎn)換以及微波發(fā)射時進(jìn)行。空間分集的接收方式有兩種：一是同相合成分集接收，將接收到的兩路微波信號相對相位移至同相后相加，合成為較強的信號；二是基帶開關(guān)分集接收，兩副天線分別接收信號后，發(fā)送至不同的收發(fā)信機(jī)，經(jīng)過中頻轉(zhuǎn)換并解調(diào)成基帶信號，由基帶開關(guān)選擇誤碼率較低的信號輸出。

5.頻率分集

5.1 頻率分集的工作原理

頻率分集是指采用相隔一定頻率的兩個或者兩個以上的微波頻率，發(fā)送或接收相同的信息，再進(jìn)行選擇或合成。

采用空間分集技術(shù)，要求兩路分集信號相關(guān)性較小，才能取得滿意的改善效果。頻率分集同樣要求兩個頻率的信號在抵抗衰落上相關(guān)性較小，不會同時發(fā)生深衰落。

5.2 頻率分集的分類

頻率分集可以分為兩類：同頻段分集和跨頻段分集。

5.2.1 同頻段分集

同頻段分集是指頻率分集使用的兩個微波信號頻率在同一頻段中。一般情況下，兩頻率間隔在信號頻率的2%時，兩頻率之間的相關(guān)系數(shù)約0.8，衰落就可以獲得改善。當(dāng)頻率間隔為5%時，兩個頻率信號幾乎無相關(guān)性，但會浪費頻譜資源，不會得到無線電管理部門的許可。

5.2.2 跨頻段分集

采用跨頻段分集是頻率分集使用的兩個微波信號頻率不在同一頻段。例如，一個頻率在11GHz頻段，另一個在6GHz頻段。這樣給兩個信號空出了足夠的頻率間隔，也節(jié)約了頻譜資源。

6.頻率分集與空間分集的優(yōu)缺點

6.1 頻譜利用率

因為頻率分集的兩個信號需要一定的頻率間隔，因而占用更多的頻譜，而空間分集僅需要一個頻率。

6.2 設(shè)計考慮

受無線電規(guī)劃的制約，頻率分集在頻率的選擇上較為嚴(yán)格，自由度較小，而空間分集可以靈活設(shè)計兩副天線垂直距離，但需要考慮經(jīng)濟(jì)性和自然條件的限制。

6.3 分集效果

對頻率分集而言，衰落的改善度隨著頻率的增加而降低，與頻率間隔呈線性正相關(guān)；空間分集衰落的改善度與頻率成正相關(guān)，與兩副天線高度差增加的平方成正比。

例如，當(dāng)衰落深度為-30dB，工作頻段為6GHz，兩信號的頻率間隔為4%時，衰落的改善度為10，想得到同樣的效果，使用空間分集僅需要建設(shè)時使主天線和分集天線的高度差調(diào)整至8.2米。主天線與分集天線的高度差增大1倍，改善度為40，相比之下，頻率間隔增大1倍時，改善度僅為20。

在實踐中，因頻率資源的日益緊張，頻率分集很少被應(yīng)用，而空間分集因其易于實現(xiàn)且有很好的分集改善效果，其技術(shù)設(shè)備不斷完善，已經(jīng)被廣泛使用。

7.數(shù)字微波系統(tǒng)中的抗衰落技術(shù)

在數(shù)字微波系統(tǒng)中，常用分集接收方式有最大功率合成分集接收、最小功率偏差合成分集接收、基帶開關(guān)分集接收、自適應(yīng)均衡器。下面將討論這幾種分集接收方式的工作原理及優(yōu)缺點。

7.1 最大功率合成分集接收

數(shù)字微波系統(tǒng)中的最大功率分集功率接收是前述所說的同相合成，可以在數(shù)字微波系統(tǒng)的微波階段同相合成，也可以在下變頻為中頻后同相合成。

最大功率合成分集接收是將兩副天線接收到的信號振幅疊加，可以一定程度減小帶內(nèi)振幅偏差，但效果有限，因為在合成的信號中，除主波外，還會帶入有一定時延的反射波，這種反射波會引起帶內(nèi)振幅波動造成失真。

7.2 最小振幅偏差合成分集接收

最小振幅偏差合成分集接收的工作原理是將兩副天線接收到的微波信號的反射波進(jìn)行反相疊加，以減小反射波的振幅，最大限度地減小帶內(nèi)振幅偏差，使其幅頻特性更平坦。

與最大功率合成分集接收相比，最小振幅偏差將兩副天線接收到的信號中的反射波反相疊加后的合成信號中反射波分量已經(jīng)非常小，能有效抑制帶內(nèi)振幅偏差。

最小偏差合成分集接收系統(tǒng)由無限移相器、控制器、帶內(nèi)振幅偏差檢出器，以及合成器組成。首先用帶內(nèi)振幅偏差檢出器中的窄帶濾波器對微波信號濾波，在中心頻率為115MHz、140MHz、165MHz，帶寬均為5MHz的三個頻點取信號功率進(jìn)行檢波，由檢波電壓判斷帶內(nèi)振幅偏差是否減小，由控制器控制移相器對兩副天線接收的其中一個信號按照相應(yīng)的大小移相，得到帶內(nèi)振幅偏差減小的合成信號。帶內(nèi)振幅偏差檢出器對這個合成信號再次檢波，根據(jù)檢波電壓再次移相合成，如此重復(fù)檢波-移相-合成，到帶內(nèi)振幅偏差最小為止，基本可以消除信號中的反射波。

在接收到的信號小于門限時，將自動切換為中頻同相合成，因為兩副微波天線接收到的信號同時深衰落時，雖然幅頻特性會變得平坦，但噪聲仍然會累積，誤碼率也會增加，導(dǎo)致信號中斷。切換為中頻信號后合成可以降低噪聲功率，同時不影響同相合成的改善效果。

7.3 基帶開關(guān)分集接收

當(dāng)兩副天線接收到的信號分別下變頻為中頻信號，經(jīng)過解調(diào)，變換為基帶信號后，選擇誤碼率低的一路輸出。

7.4 自適應(yīng)均衡器

自適應(yīng)均衡器是除空間分集外抵抗頻率選擇性衰落的重要手段，自適應(yīng)均衡器可以在頻率域和時間域中補償失真波形。頻率均衡可以根據(jù)利用濾波器的頻率選擇的特點補償信道的幅頻和群時延特性，使微波系統(tǒng)的頻率特性可以消除碼間干擾；時域均衡是從時間響應(yīng)著手，使微波系統(tǒng)從沖激響應(yīng)特性可以消除碼間干擾。與時域均衡相比，頻率均衡要求的信道波形與奈奎斯特定理得到的理想波形一致，實現(xiàn)的條件苛刻。時域均衡則直接對接收到的波形補償以消除碼間干擾，判決更可靠，是數(shù)字微波系統(tǒng)中消除碼間干擾的主要方法。

不同地理、氣候環(huán)境下采用抗衰落技術(shù)遵循一定的原則：兩站站距較短時，采用自適應(yīng)均衡器；標(biāo)準(zhǔn)站距上可同時采用空間分集和自適應(yīng)均衡器；微波傳輸路徑跨越水面、平原等地區(qū)時采用空間分集和自適應(yīng)均衡器后，信號質(zhì)量仍不能滿足要求，可以同時采用橫向自適應(yīng)均衡器；而基帶開關(guān)分集接收適用于中小容量微波系統(tǒng)。