五分鐘看懂微波通信
大家好，我是小棗君。
今天我要給大家介紹的，是微波通信。
我們在日常生活中，隨處可以看到移動通信基站。大概是這樣的：
或者這樣的：
但是，如果你細心觀察的話，會發現，在有些大樓的樓頂上，除了基站，還會有一些像「大鼓」一樣的設備。
在荒郊野外，可能更加容易看到：
這些「大鼓」，就是我們通常所說的「微波設備」。更準確一點，是「微波通信天線」。
拉近距離來看，是這樣的：
微波通信，英文是Microwave Communication，是指使用微波（Microwave）作為載波，攜帶信息，進行中繼通信的方式。
微波，是頻率範圍300MHz~3THz的電磁波（1THz=1000GHz），也就是說，波長範圍是1米~0.1毫米（光速=波長×頻率）。
微波通信並沒有使用微波的全部頻率，而是主要使用3GHz-40Ghz這個範圍。
工程師們將部分微波波段進行了定義，並且單獨命名，例如我們經常聽說的Ka波段、Ku波段、C波段等。
人類使用微波進行通信的歷史並不算短。
早在1931年，從英國多佛爾到法國加萊，就建立了世界上第一條超短波通信線路，橫跨了英吉利海峽。
二戰之後，微波通信獲得了迅速發展和廣泛應用。
1945年，美軍的微波通信設備
1947年，著名的美國貝爾實驗室在紐約和波士頓之間，建立了世界上第一條模擬微波通信線路。
到了50年代末，澳大利亞、英國、加拿大、法國、義大利和日本等國家，都在本國的主幹路由上安裝了微波接力通信系統。
我國的微波通信研究啟動比較晚，開始於60年代。與此同時，模擬微波逐漸被淘汰，人類逐漸進入了數字微波通信時代。
數字微波通信，又分為PDH（准同步）和SDH（同步）兩個階段。相信之前看過小棗君傳輸網科普文章的同學，一定不會覺得陌生。
80年代後期至本世紀初，SDH在傳輸系統中佔據統治地位，微波通信技術發展非常迅速。
目前微波通信技術也和有線通信技術一樣，進入了IP時代。
如今，雖然以光纖通信為主的有線傳輸網路佔據主導，但是某些特殊應用場景下，我們仍然離不開微波通信方式。例如偏遠地區，布設有線傳輸難度太大或成本過高，又或者發生自然災害，光纖傳輸遭到損壞。
相比於光纖通信來說，微波仍然具有很多無法替代的優勢。例如成本低，抗災害能力強等。
需要注意的是，我們通常說有三大傳輸系統：光纖通信、微波通信、衛星通信。實際上，衛星通信也是微波通信的一種，只是比較特別而已，待會我們會詳細說到。
電磁波通信，一般可以分為廣播方式和點對點方式。我們的微波通信，屬於後者。
為什麼要採用點對點方式？這主要是由微波的特性決定的。
微波的特性，就是頻率高，波長短。
這種類型的電磁波，繞射能力很差，穿透力很差，在地表傳輸時，衰減很大，傳輸距離短。
我們知道，電磁波除了在地面沿空氣傳播之外，還可以利用天空中電離層反射的方式進行遠距離傳播。
但微波仍然無法利用這種方式。還是因為微波的頻率太高，以至於電離層無法有效反射（只能穿透）。
所以，微波傳輸幾乎只能進行視距傳輸。什麼是視距傳輸？就是發送天線和接收天線之間沒有障礙物阻擋，可以相互「看見」的傳輸。
視距傳輸，除了容易受山體或建築物等影響之外，還會受到地球表面弧度的限制。
地球是一個球體，地球的表面是有弧度的。微波天線發出的微波，經過一定距離之後，就會被地球表面所阻擋，無法繼續傳播。
因此，微波通信存在距離限制。通常來說，如果微波天線掛在正常高度的鐵塔上，它的傳輸距離就是50公里。
如果要進行遠距離傳輸，就必須進行「接力」，也就是說，需要設置微波中繼轉接站。
微波中繼轉接站接收到前一站的微波信號，加以放大等處理，再轉發到下一站去，就像接力賽跑一樣，直到抵達最終收信端。
也正是因為這個傳輸特點，微波通信經常被稱為微波中繼通信，或微波接力通信。
根據上面的內容，我們可以知道，微波天線距離地面越高越好。
那麼，你一定想到了，為什麼我們不幹脆把中繼站掛到天上去呢？是的，這就是衛星通信。
藉助地球同步衛星，將「微波中繼站」掛在太空中，可是最大化地擴大微波通信的距離。
地球同步衛星距離地面36000公里，可以覆蓋地球表面積的三分之一，理論上來說，只需要3顆衛星，就能保證地球上任意兩個中繼站進行通信。
接下來我們具體看一下微波設備的組成。
一般來說，微波設備主要由IDU、ODU、中頻電纜、天線等部分組成。
IDU是室內單元，Indoor Unit。ODU是室外單元，Outdoor Unit。
中頻是指發射機將信號載波變換成發射頻率，或者將接收頻率變換成基帶的一個中間頻率，一般由系統架構決定。
而射頻，就是天線發射出去的、在空中傳播的電磁波信號頻率。
IDU負責完成業務接入、復分接和調製解調，在室內將業務信號轉換成中頻模擬信號。
ODU負責完成信號的變頻和放大。
天線就不用說了，將射頻信號轉換成電磁波，向空中進行輻射。或者接收電磁波，轉換成射頻信號，送給ODU。
微波天線除了大家看到的這種「大鼓」一樣的，還有拋物面天線和卡塞格倫天線。
衛星通信就是用的這類天線，俗稱「大鍋」。
室外微波設備的安裝方式，也分為兩種。
一種是ODU和天線分開的分離式安裝，還有一種是ODU和天線扣在一起的直扣式安裝。
當存在兩個ODU時（用於1+1 HSB熱備份，或者1+1 FD頻分），還會有一個合路器，用於功率分配或合成。
1+1 HSB熱備份（一個主用，一個備用，以防ODU故障造成業務中斷）：
我們可以看看完整的微波單站系統結構圖：
可以看到，上圖中，有兩種方式的天線。一種是直接掛在鐵塔上，還有一種是藉助了無源反射板，將信號進行了一個反射。
這裡，我們就要提到轉發方式了。
微波通信里，站點分為三種：終端站、中繼站、樞紐站。
中繼站和樞紐站，都會涉及到信號轉發（中繼）。中繼的方式，分為無源和有源。無源除了剛才我們圖裡看到的無源反射板之外，還有背靠背天線。
而有源的話，就分為再生中繼、中頻中繼和射頻中繼。所謂的「有源」，就是有能量源、電源，也就是說，通過外部能源進行了加強。雖然效果會更好，但是成本更高，而且故障點更多。
好啦，關於微波通信的科普介紹，就到這裡。
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