数字微波传输信号衰落分析及对策

何 刚

（作者单位：贵州省新闻出版广电局八四一台）

数字微波传输信号衰落分析及对策

何 刚

（作者单位：贵州省新闻出版广电局八四一台）

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。

数字微波通信；信号衰落；抗衰落；均衡器

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。

图1　抗衰落自适应均衡器结构与组成

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。

图2　基于自适应均衡器的信号接收效果

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。

［1］王彧.数字微波通信中的抗衰落技术［J］.山西科技，2005（5）.

［2］崔俊龙.大容量数字微波电路电波衰落现象成因及应对措施［J］.山西科技，2013（5）.

［3］宁海斌.数字微波电路传输衰落对抗措施的应用讨论［J］.广播与电视技术，2007（11）.

［4］胡彬，朱志辉，张利清.论数字微波传输中衰落与抗衰落［J］.内蒙古广播与电视技术，2008（2）.