第四章 短波通信系统和超短波通信系统.ppt

第四章短波通信系统和超短波通信系统 4 1无线电通信概述4 2短波通信系统4 3超短波通信系统 4 1无线电通信概述 4 1 1无线电通信的概念4 1 2无线电波传播的主要特点4 1 3短波信道和超短波信道的特性4 1 4改进无线传输质量的主要措施 定义 无线电通信是指利用无线电波传播信息的通信方式 优点 与有线通信方式相比 无线电通信具有通信建立迅速 通信距离远 机动灵活和组网容易等优点缺点 衰落严重 易受天电等外界干扰 容易被截获和窃听等应用 主要用于电报 电话 传真 广播和电视等各种信息传输系统 广泛地应用于地面 空中 海上和空间通信 4 1 1无线电通信的概念 无线电通信的分类按工作频段划分为12个波段极长波 超长波 特长波 甚长波 长波 中波 短波 超短波和微波 根据无线电波的不同波段和传播模式无线电通信主要分为短波通信 超短波通信 微波中继通信 移动通信 卫星通信等 短波通信 又称高频通信 HF 是利用频率在3 30MHz的电磁波进行的无线电通信 实际上 人们也把中波的高频频段1 5 3MHz归到短波波段 所以现有的许多短波通信设备 其频段范围往往扩展到1 5 30MHz 超短波通信 是指利用波长为10 1m 频率为30 300MHz 的电磁波进行的无线电通信 由于超短波的波长在1 10m之间 所以也称为米波通信 整个超短波的频带宽度是270MHz 是短波频带宽度的将近10倍 由于频带相对较宽 被广泛应用于电视 调频广播 雷达探测 导航 移动通信 军事通信等领域 微波中继通信 是利用300MHz以上频段的电磁波进行无线电通信的一种方式 使用的是分米波和厘米波波段 这种通信方式采用的是视距传输方式 受地形和天线高度的限制 相邻两站之间的通信距离有限 一般在30公里左右 利用这种通信方式进行远距离的通信 必须建立一系列的中继站 这也是中继 接力 通信的由来 卫星通信 是利用通信卫星作为中继站实现地球上各点之间的通信 主要通信业务是电话 电报 电视 传真和数据传输 卫星通信可以只经过一颗卫星 由卫星通信地球站向卫星传输的上行线路和卫星向地球站传输的下行线来完成 也可以经过多颗卫星和多条上 下行线路 卫星通信是20世纪60年代中期航天技术与通信技术相结合产生的新的通信手段 移动通信 是指通信的双方或至少一方在移动中进行的信息交换和传输方式 工作在超短波或微波波段 散射通信 是指利用大气层不均匀介质对电磁波的再辐射 散射或反射 作用进行的超视距无线电通信 散射通信包括对流层散射通信 电离层散射通信和流星余迹通信 无线电通信简史无线电通信起源于19世纪末 1892年 英国人麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在 并证明在真空中它是以光速传播的 德国人赫兹于1887年用试验方法实现了电磁波的产生和接收 1859年 意大利人马可尼和俄国人波波夫分别进行了无线电通信试验 并研制成无线电收发报机 随着真空器件的出现 无线电通信得到迅速发展 随着无线电通信技术的发展 无线电接力通信 卫星通信 毫米波通信等相继发展起来 1931年 在英国多佛尔与法国加来之间建立了世界上第一条超短波接力通信线路 20世纪50年代 出现了1GHz以上频段的小容量微波接力通信系统 到20世纪70年代 数字微波接力通信系统逐步完善 到80年代 毫米波波段开始应用于接力通信 美国贝尔实验室于1952年首先提出对流层散射超视距通信设想 20世纪60年代以后 散射通信得到很大的发展 在卫星通信方面 英国人克拉克早在1954年提出了利用地球静止轨道卫星通信的设想 1957年10月 原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星 1958年美国发射了世界上第一颗通信卫星 斯科尔 开始了卫星通信的试验阶段 1965年美国发射对地静止卫星 国际通信卫星 1 号及原苏联发射对地非静止卫星 闪电 1 号的成功 标志着卫星通信进入实用阶段 20世纪70年代 卫星通信进一步向各应用领域扩展 例如 美国现已拥有 国防通信卫星 舰队通信卫星 Milstar 等多个使用不同频段具有不同用途的军用卫星通信系统 卫星通信现已成为美国全球军事通信的重要手段 目前世界各国的长距离通信和国际通信中约有一半线路应用了无线电通信 中国的无线电通信发展较早 1899年在广州 马口等要塞及各江防舰艇上就设置了无线电台 1923年喀什噶尔电台建立 可与印度通报 1930年上海国际电台建立 同旧金山 柏林 巴黎建立了直达无线电报线路 中华人民共和国成立后 无线电通信得到迅速发展 20世纪60年代开始发展大容量的微波通信 70年代建立卫星通信地球站 1984年发射了第一颗试验通信卫星 目前 无线电通信已成为中国通信事业中的重要手段 无线电通信系统的组成和简单工作过程 无线电通信系统的组成和简单工作过程 接收机 发射天线 接收天线 馈线 馈线 电磁波 调制器 混频器 高频放大器 高频振荡器 6 无线电通信系统的组成和简单工作过程 发射天线 馈线 调制器 混频器 高频放大器 高频振荡器 高频振荡信号 无线电通信系统的组成和简单工作过程 发射天线 馈线 电磁波 调制器 混频器 高频放大器 高频振荡器 高频振荡信号 无线电通信系统的组成和简单工作过程 接收天线 馈线 第一混频器 高频放大器 一本振 第二混频器 二本振 二中放 解调器 低频 基带 放大器 一中放 无线电通信系统的组成和简单工作过程 接收天线 馈线 第一混频器 高频放大器 一本振 第二混频器 二本振 二中放 解调器 低频 基带 放大器 一中放 电磁波 4 1 2无线电传播的主要特点 电波传播方式根据电波的频率 波长 的不同 无线电波主要有以下四种传播方式 地波传播 天波传播 视距传播 散射传播 1 地波传播地波传播方式是指无线电波沿地球表面传播 它主要用于中波以上的波段的近距离通信 2 天波传播发射天线向空中发射电波 由高空电离层反射后到达接收点 这种方式称为天波传播 它是短波通信的主要传播方式 3 直接波传播直接波传播方式是指电波在发射天线和接收天线能互相 看见 的距离内的一种传播方式 故也称为视距传播 其传播的路径基本是直线 一般有两种形式 一种是地对地的视距传播 一种是地对空的视距传播 4 散射传播这种传播方式是利用对流层及电离层的不均匀性对电波的散射作用而实现的超视距传播 主要用于超短波和微波的远距离通信 图无线电波的主要传播方式 a 直射传播 b 地波传播 c 天波传播 d 散射传播 电波传播的特性实际上 天线辐射出去的电波的传播往往不是单一的形式 可能既有地波 也有天波等 但总有一种方式是最主要的 不同波段的电波 其主要传播方式也不同 但他们也有一些共同的特性 1 电波具有直线传播的特性在均匀介质中 电波是沿直线传播的 它从波源出发 同时向各个方向传播 而且速度相同 因而在某一瞬间 电波到达空间各点距波源的距离相等 其形状很象一个球面 此种波称为球面波 2 电波具有相互干涉的特性在同一波源所产生的不同方向的电波 由于其所经过的路径和距离不一样 则接收点的场强是各不同路径电波的合成波 这种现象称为干涉 干涉会造成接收信号时强时弱 A B C 直射波 地面反射波 3 电波具有扩散的特性电波离开信源越远 能量越分散 场强越弱 这种现象称为电波的扩散 4 电波具有反射和折射的特性当电波由一种介质传到另一种介质时 在两种介质的分界面上 传播的方向要发生变化 产生反射和折射 5 电波具有绕射的特性电波在传播过程中有绕过障碍物的能力 其绕射能力与电波波长和地形有关 波长越长 其绕射能力越强 波长越短 其绕射能力越弱 6 电波能量的被吸收现象当电波在真空中传播时 只有能量的扩散现象 没有能量的损耗现象 但实际工作中 电波在传播路径上不管遇到导体还是半导体 都会产生感应电流 因而会损耗一些能量 这种现象称为电波的能量被吸收现象 4 1 3短波信道和超短波信道的特性 短波通信主要依靠天波和地波两种传播方式 超短波通信主要为直线视距传播 地波传播方式受大地的吸收地面对电波能量的吸收的大小与地面的导电性能和电波频率有关 地面的导电性越好 吸收越小 电波频率越低 损耗越小 具有绕射现象地波在传播过程中能绕过障碍物而传播的现象 称为绕射 地波的绕射能力与电波的波长 障碍物的高低大小及波源所处的位置有关 波长越长 障碍物越低窄 地波的绕射能力越强 传播稳定地表面的电性能及地貌 地物等并不随时间很快的变化 天波传播方式电离层的形式与结构 大气的分层现象 气体在90km以上的高空按其分子的重量分层分布 如在300km高度上面主要成分是氮原子在离地90km以下的空间 由于大气的对流作用 各种气体均匀混合在一起 电离层 60km到1000km的区域自由电子 正离子 负离子 中性分子和原子等组成的等离子体 电离源太阳辐射的紫外线 X射线 高能带电微粒流 为数众多的微流星其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等只占全部大气质量的2 左右 但因存在大量带电粒子 所以对电波传播有极大影响 磁层 电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的辐射带 磁层顶是地球磁场作用所及的最高处 出了磁层顶就是太阳风横行的空间 磁层是第一道防线 挡太阳风 电离层第二道防线 吸收各种射线 平流层内极少量的臭氧 O3 第三道防线 防紫外线 电离层根据电子密度分层每一个最大值所在的范围叫做一个层D E F1 F2层 D层特点 60 90km夜间消失 气体密度大 电子易与其它粒子复合而消失 夜间没有日照而消失在中午时达到最大电子密度对电波损耗较大电子密度随季节有较大的变化 E层 90 150km可反射几兆赫的无线电波在夜间其电子密度可以降低一个量级 F层 170 200km为F1层 200km以上称F2层 在晚上 F1与F2合并为一层 F2层的电子密度是各层中最大的 在白可达2 1012个 m3 冬天大 夏天小 F2层空气极其稀薄 电子碰撞频率极低 电子可存在几小时才与其它粒子复合而消失 F2层的变化很不规律 其特性与太阳活动性紧密相关 电离层的变化规律电离层的规则变化日夜变化 正午稍后时分达到最大值 到拂晓时各层的电子密度达到最小 D层消失 E层减小 F合并季节变化 夏季的电子密度大于冬季 F2层反常 随太阳黑子11年周期的变化 随地理位置变化 低纬度大于高纬度 长波可在D层反射下来 在夜晚由于D层消失 长波将在E层反射 中波将在E层反射 但在白天D层对电波的吸收较大 故中波仅能在夜间由E层反射 短波将在F层反射 而超短波则穿出电离层 电离层的不规则变化是随机的 非周期的 突发的急剧变化 主要有以下3种 突发E层 或称Es层 产生 遮蔽 现象电离层突然骚动 太阳上燃烧的氢气发生巨大爆炸 D层突然吸收现象电离层暴 太阳风进入电离层F2受影响最大 电子浓度可能增加可能减小 对电波传播影响最大的是电离层骚扰和电离层暴 例如2001年4月份多次出现极其严重的电离层骚扰和电离层暴造成我国满洲里 重庆等电波观测站发射出去的探测信号全频段消失 较高频率部分的信号因电子密度的下降而穿透电离层飞向宇宙空间 较低频率部分的电波因遭受电离层的强烈吸收而衰减掉 其它电波观测站的最低起测频率比正常值上升3 5倍 临界频率下降了50 电离层暴致使短波通信 卫星通信 短波广播 航天航空 长波导航 雷达测速定位等信号质量大大下降甚至中断 电离层电波传播 无线电波在电离层中的传播物理机制短波经电离层反射的传播经电离层连续折射而返回地面到达接收点电离层散射传播流星余迹散射传播电离层电波传播通常指电离层反射传播 天波传播 电离层电波传播 频率范围 长波 中波 短波 短波为主 优点 能以较小的功率进行可达数千千米的远距传播电路建立迅速机动性好设备简单缺点 受电离层影响衰落现象严重 传播效应 多径传输多普勒频移极化面旋转非相干散射衰落 超短波传播方式超短波通信主要依靠地波传播和空间波视距传播 优点 频段宽 通信容量大 视距以外的不同网络电台可以用相同频率工作 不会相互干扰 可用方向性较强的天线 有利于抗干扰 受昼夜和季节变化的影响小 通信较稳定 缺点 通信距离较近 受地形影响较大 电波通过山岳 丘陵 丛林地带和建筑物时 会被部分吸收或阻挡 是通信困难或中断 1 最高可用频率 MUF 2 传输模式3 多经传播4 衰落5 相位起伏 多普勒频移 6 静区7 昼夜间信号差别 短波在电离层中的传播特性 1 最高可用频率 MUF 最高可用频率的英文缩写为MUF 它是指在实际通信中 能被电离层反射回地面的最高频率 对应于电离层各分层的电子密度 都存在一个相应的最高频率fv 也称为临界频率 在此频率时 该层对垂直入射的 入射角 00 电波将起到反射作用 而当频率高于fv时 垂直入射的电波将穿出该层 因此不能为收发用户提供短波通信链路 如果电波是以 00的入射角斜射电离层 频率为fv的电波不会穿出该层 而当为更高的某一频率fob时才穿出该层 fob被称为入射角为 时的最高可用频率 它可表示为 显然 fob fv 在给定通信距离和反射点高度的情况下 fob与fv关系式可表示为式2 1 式中fv为电波垂直入射时的最高反射频率 也称临界频率 为电波斜射至电离层的入射角 d为通信线路的长度 h 为电波反射点处电离层的虚高 h d 若给定通信线路的通信距离为2000km 在不同斜射频率下 即以fob为参数 按照式2 1计算 可得到一组fv h 的曲线 实线 然后在给定的通信线路上测量 可以得到该线路的频高图 即实测的f h 的曲线 虚线 d h h f f F 为什么在同一电离层高度上有多个工作频率 在设计短波通信线路时 工作频率应采用接近fmu频率 其原因如下 低频电波将受到较大的吸收损耗 同时 对于较低频率的电波 电离层的各个分层都可能对它产生反射 多经传播效应严重 从图中可以看出 这两条曲线存在有许多交点 所有的这些交点表示在给定的斜射频率上 可能存在的传播路径 E 例如 fob为14MHz 对F2来讲存在两条传播路径 它们的反射点分别标为1和1 反射点1的高度为380km 反射点1 的高度为680km E 通过反射点1反射而到达接收端的信号要比反射点1 反射来的信号强 这是因为两条路径所受的衰减不同 反射点1 所通过的路径 除了由于通过D E F1层而遭到衰减外 和反射点1的路径相比 在F2层内传播更长的距离 因而多了一定的附加衰减 若斜射频率fob改为18MHz 对F2来讲仍然存在两条传播路径 它们的反射点分别标为2和2 反射高度分别为340km和460km 从图中可以看出 和这个斜射频率相应的fv h 曲线 和频高图中 虚线 E F1层曲线不存在交点 E 这表明fob 18MHz时 电波已不可能利用F1层和E层反射 而只是穿过它们 然后由F2层反射 E 同样的道理 2点反射在接收端的信号较2 点反射的强 但由于两者的反射高度相差不太大 所以其场强的差别将小于fob 14MHz时的情况 E 继续升高斜射频率 当斜射频率fob为20MHz 只存在F2层的一个反射点3 反射高度h 370km 也就是说当fob 20MHz时 只有一条传播路径 继续升高斜射频率 曲线族和频高曲线不再存在交点 这说明电波将穿过F2层 不再返回地面 由此可见 反射点3时斜射电波能否返回地面的临界点 与该点相对应的fv就是F2层的临界频率 与该点相对应的fob就称为F2层的最高可用频率 MUF 总结以上结论 可以得到以下重要概念 1 MUF是指给定通信距离下的最高可用频率 若通信距离改变了 计算所得的曲线族和实测频高图都将发生变化 从而使临界点的位置发生变化 对应的MUF值也就改变了 显然MUF还和反射层的电离密度有关 所以凡影响电离密度的诸因素 都将影响MUF的数值 2 当通信线路选用MUF作为工作频率时 由于只有一条传播路径 所以在一般情况下 有可能获得最佳接收 3 MUF是电波能返回地面和穿出电离层的临界值 考虑电离层的结构随时间的变化和保证获得长期稳定的接收 在确定线路的工作频率时 不是取预报的MUF值 而是取低于MUF的频率FOT FOT称为最佳工作频率 一般情况下FOT 0 85MUF 选用FOT之后 能保证通信线路有90 的可通率 由于工作频率较MUF下降了15 接收点的场强较工作在MUF时损失了10 20dB 可见为此付出的代价也是很大的 由于电离层的电子密度受太阳辐射影响很大 白天和夜晚的最高可用频率相差甚大 工作频率也需要进行相应的调整 下图示出了最高可用频率一天内的变化 作为简单的取值方法 而为了更好的适应电离层参数变化引起的传输特性随机起伏 实时地选用最佳工作频率是合适的 下图画出了MUF和FOT及建议选用的日频和夜频 0 4 8 12 16 20 24 t h 3 4 5 6 9 20 f MHz 最高可用频率 最高可用频率 工作频率 建议选用的工作频率 日频9MHz 夜频4 5MHz 2 传输模式在远距离短波通信线路的设计中 为了获得较小的传输衰减 或者为了避免仰角太小 以致现有的天线无法满足这一设计要求等原因 都需要精心地选择传输模式 下图为短波线路的路径图解 F2层 E层 T R F2层 E层 T R F2层 Es层 T R E层 E层 E层 理论上讲 要严格设计这种多跳远距离通信线路 就必须分别研究线路中每一地段对应于工作频率的传播特性和所需要的辐射仰角 但一般来讲这种严格的计算是不必要的 实际上 在设计中只考虑线路两个终端的电波传播情况 就足以确定短波线路对设备的具体要求 3 多经传播从前面的学习中我们知道 电波可以通过若干路径和不同的传输模式到达接收端 这种现象就称为多径传播 由于这些路径具有不同的长度 所以到达接收端的各条射线 它们所经历的传播时间是不同的 通过华盛顿到英格兰 6000km 和日本到英格兰 9600km 的传真传输的测量表明不同模式的射线到达接收端的时间是不同的 它们间的差值 在0 5 4 5ms之间 下图为短波通信线路多径时延差的统计值 一般说来 时延差值等于或大于0 5ms的占99 5 而超过5ms的仅占0 5 从表中可以看出 最低模式是2E 时延为12 73ms 最高模式为5F 时延为16 26ms 两者之差即为多径时延差3 53ms 在短波信道上 多径时延具有下列特征 1 多径时延随着工作频率偏离MUF的增大而增大 原因 在f MUF时 将出现单径传输 不存在多径时延 偏离MUF将出现多径传播 工作频率与最大可用频率MUF的比值称为多径缩减因子 英文缩写为MRF 表示为 f为工作频率 多径缩减因子越大 说明工作频率越靠近最高可用频率 在实际线路中由于MUF随电离层发生变化 因此MRF也随之变化 多径时延亦随之变化 因此在线路设计时应考虑这一情况 实时进行频率预报来达到工作频率尽可能靠拢MUF的目的 2 多径时延与通信距离有密切关系图中示出了多径时延与通信距离之间的关系统计曲线 可见在200 300km的短波线路上 由于电离层与地面间的多次反射 使多径时延最严重 可达8ms 在2000 8000km的线路上 可能存在的传播模式减少 故多径时延只有2 3ms 当通信距离进一步增大时 由于不再存在单跳模式 多径时延又随之增大 当距离为20000km时 可达6ms 3 多径时延随时间发生变化多径时延随时间变化的原因是电离层的电子密度随时间变化 从而使MUF随时间变化 电子密度变化越急剧 多径时延的变化越严重 多径时延严重影响短波数据通信的质量 所以在线路设计中 通常为了保证传输质量 要限制传输速率 目前在印字电报通信中 为了减少多径传输的影响 通报速率限制在200波特以下 在短波线路传输高速数据时 通常需要采用多路并发的方法 4 衰落短波在电离层传播过程中 由于多径传播等原因 使接收端的信号出现叠加 干涉 接收信号的强度出现忽大忽小的随机起伏 称为衰落 多径干涉是引起衰落的主要原因 此外电离层特性的变化等因素也会引起衰落 衰落有快衰落和慢衰落之分 连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落 持续时间比较长的衰落 1小时或者更长 称为慢衰落 根据衰落产生的原因 可分为以下3种衰落 干涉衰落 吸收衰落 极化衰落 1 干涉衰落若从线路发送端发射恒定幅度的高频信号 由于多径传播 到达接收端的射线不是一条 而是多条 这些射线通过不同的路径 到达接收端的时间不同 传播的距离不同 遭受的衰减不同 所以到达接收端后的幅度也各不相同 再者由于电离层的电子密度 高度均是随机变化的 电波射线轨迹也随之变化 这使得同一信号由多径传播到达接收端后信号之间不能保持固定的相位差 使合成的信号振幅随机起伏 这种衰落由到达接收端的若干个信号干涉造成 故称 干涉衰落 干涉衰落有下列特征 具有明显的频率选择性即对不同频率的信号具有不同的衰落特性 因此也称 选择性衰落 通过试验证明 当两个信号频率差值大于400Hz时 他们的衰落特性相关性就很小了 根据此特点 可以采用频率分集的方法克服这种衰落 衰落信号的振幅服从瑞利分布在非骚动短波传播期间 也就是不存在电离层暴变的时期 电场强度的快变化主要来源于干涉衰落 少量时刻也可能是由于极化衰落 衰落信号的振幅服从瑞利分布通过长期的观察 证实了遭受快衰落的电场强度振幅服从瑞利分布 可以证明 在瑞利分布条件下 到达或超过某给定电场强度值的时间百分数T可由下式计算 式中E为给定的电场强度值 Emed为电场强度中值 根据上式 可画出瑞利衰落下接收端电场强度的概率分布曲线 从曲线上可以查到 电场强度达到或超过中值的时间为整个观察时间的50 若降低给定值E 如E 0 39Emed 低于中值8 2dB 此时T 90 若E 0 1Emed 低于中值20dB 此时 T 99 3 此曲线图在短波线路设计中非常有用 可以用它来计算为提高线路可通率所需要额外增加的功率 例如已经计算出保证50 可通率需要的发射功率为100W 现要求可通率提高至90 即保证在90 的时间内 线路保持原有的通信质量 发射机应增加多少功率呢 从右图曲线上可以查到 当可通率T 90 时 接收端的电场强度E将跌落到中值Emed的0 39倍 接收功率跌落到中值的0 15倍 所以要达到原有的通信质量 发射机功率应增加1 0 15 6 6倍 即发射功率PT 660W 我们把功率增加的倍数称为 功率余量 也称 对快衰落的防护度 通常用分贝表示 因此 也可以这样说 为了保证90 的可通率 留有的功率余量为 同理 若要求可通率达到99 3 功率余量就应增加到20dB 即要求功率增加100倍 PT 10000W 由此可以看出 对于短波线路 由于快衰落的存在 可通率受到一定的限制 并且 单纯靠增加发射功率来提高可通率是极不经济的 近年来 在短波线路上广泛采用分集接收技术 时频调制技术以及差错控制技术来对抗衰落 使得正常的瑞利衰落信道上传输数据时 用不太大的功率获得线路的高可通率 干涉衰落是一种快衰落根据大量的测量值表明干涉衰落的速率大约为10 20次 min 衰落深度可达40dB 低于中值 偶尔达80dB 衰落持续时间通常在4 20ms范围内 是一种快衰落 与吸收衰落有明显的差别 持续时间的长短可用于判别是吸收衰落还是干涉衰落 2 吸收衰落产生吸收衰落的原因是D层衰减特性的慢变化 其时间最长可以持续1小时或更长 因此吸收衰落属于慢衰落 由于吸收衰落是电离层吸收的变化引起的 所以它有年 月 季节和昼夜的变化 吸收衰落有下列特征 接收点信号幅度的变化比较慢 其周期从几分钟到几小时 包括日变化 对短波整个频段的影响程度是相同的 不存在频率选择性 克服吸收衰落 除了正确地选择频率外 在设计短波线路时只能靠留功率余量来补偿电离层吸收的增大 3 极化衰落电波被电离层反射后 其极化已不再和发射天线辐射时的相同 发射到电离层的平面极化射线经电离层反射后 由于地磁场的作用 分为两条椭圆极化射线 经合成形成接收地点的椭圆极化波 椭圆长轴的大小和相位随着传播路径上电子密度的随机变化而不断变化 导致接收信号强度发生变化 极化衰落出现的概率远小于干涉衰落 粗略估计 极化衰落仅占全部衰落的10 15 极化衰落发生时 接收端的电压值均较未衰落时下降3dB 为了避免这种极化衰落 可以采用几副具有不同极化方式的接收天线 并且通过选择电路接到接收机输入端 选择电路总使接收最强信号的那副天线接到接收机输入端 这种方法称为极化分集 综上所述 分集接收是克服信号衰落的有效方法 短波通信系统中 通常利用相距300米的两副天线获取两个衰落近于不相关的信号样本 或者利用两个工作于不同频率 频率相差在400Hz以上 的接收机获取两个衰落互不相关的信号样本 然后按一定规则将两个信号样本相加 合并 合成的信号电平将比较平稳 衰落程度将大为减轻 上述利用两副不同位置的天线进行分集的方法称为二重空间分集 而利用两个不同频率传输的方法称为二重频率分集 增加所利用的天线或频率数目 可使分集重数增加 5 相位起伏 多普勒频移 短波在传播过程中存在多径效应 不仅使接收点的信号振幅发生随机变化 也使信号的相位起伏不定 即使只存在一条射线 也就是单一模式传播的条件下 由于电离层经常性的快速运动以及反射层高度的快速变化 使得传播路径的长度不断变化 信号的相位也会发生变化 使信号的频率结构发生变化 频谱产生畸变 这种频率发生变化 畸变的现象称为多普勒频移 多普勒频移在日出和日落期间呈现出更大的数值 此时很容易影响采用小频移的窄带电报的传输 此外 在发生磁暴时 将产生更大的多普勒频移 在电离层平静的夜间 一般不存在多普勒效应 而在其他时间 多普勒频移大约在1 2Hz的范围内 当发生磁暴时 频移最高可达6Hz 以上给出的2 6Hz的多普勒频移是对于单跳模式传播而言的 若电波按多跳模式传播 则总频移值按下式计算 式中 n为跳数 f为单跳多普勒频移 ftot为总频移值 6 静区由天波的反射原理可知 入射角越小 反射线达到的地点距发射点越近 当入射角小到一定值时 电波就有可能穿透电离层而无反射 天线发射的同一频率的电波一般不是一条射线 而是一簇波束 在此波束中由于入射角度不同 有的反射的远 有的反射的近 有的穿透电离层而无反射 很显然 电波的最近反射点至发射点之间是没有反射电波的 这种现象称为天波的越距 在进行短波通信时 天线发射的电波 除有天波传播外 还有地波传播 一般来说 地波最远可达30公里 而天波从电离层第一次反射落地 第一跳 的最短距离约为100公里 可见30 100公里之间的这一区域 地波和天波都覆盖不到 形成了短波通信的寂静区 简称静区 也称为盲区 盲区内的通信大多是比较困难的 车载台均存在通信盲区问题 静区 静区是长期困扰短波 动中通 的一大难题 解决通信盲区的方法有 一是增大电台的发射功率以延长地波传播距离 二是采用较低的工作频率 由于静区的大小与电波频率 电离层电子密度及发射功率有关 频率越低 电子密度越大 发射功率越大 则静区越小 三是采用高仰角天线 也称高射天线或喷泉天线 以缩短天波第一跳落地的距离 仰角是指天线辐射波瓣与地面之间的夹角 仰角越高 电波第一跳落地的距离越短 盲区越少 当仰角接近90度时 盲区基本上就不存在了 7 昼夜间信号差别很大收听收音机时 常遇到这样的现象 夜间收到的信号多而强 白天收到的信号少而弱 有时还有另一种现象 在白天收到的信号 夜间却消失了 这些现象应如何解释呢 要解释这些现象 还应从电离层的变化说起 电离层的层数 各层的高度和电子密度在白天和夜间是不同的 在白天 电离层的电子密度较大 而且存在D层 当电波穿过D层时受到的吸收很大 再加上E层和F层的吸收 反射到地面的电波很弱 只有少数在有效通信距离内大功率发信机送来的电波较强 故收信机在白天收到的信号弱而少 在夜间 D层消失 而且E层和F层的电子密度减小 这样电波受到的吸收大大减小 反射到地面的电波较强 故收信机在夜间收到的信号多而强 在夜间 由于电离层电子密度减小 本来白天由E层反射的电波 夜间则改由F层反射了 F层比E层高 形成的静区就大 本来某收信机白天位于A电波反射后的可收听区 到夜间则位于A电波反射后的静区了 这样 有些在白天可收到的信号 到夜间反而收不到的 这种现象 即使白天和夜间均由F层反射 也会由于F层昼夜间高度不同而发生 克服昼夜间接受差别大的方法可以采用先进的实时选频技术来克服 4 1 4改进无线传输质量的主要措施 为了提高短波 超短波通信线路的质量 除了系统设计时应适应传播媒介的特点外 还必须采用各种有力的抗干扰措施来消除或减少信道中引入的各种干扰对通信的影响 并保证在接收地点所需要的信噪比 下面在讨论无线电干扰的基本类型和特点的基础上 介绍短波通信系统抗干扰的主要方法 1 无线电干扰无线电干扰分为外部干扰和内部干扰 外部干扰是指接收天线从外部接收的各种噪声 如大气噪声 人为干扰 宇宙噪声等 内部干扰是指接收设备本身产生的噪声 在通信中对信号传输产生影响的主要是外部干扰 1 大气噪声在短波波段 大气噪声主要是天电干扰 具有以下特征 1 天电干扰由大气放电产生 这种放电所产生的高频振荡的频谱很宽 对长波波段的干扰最强 中 短波次之 对超短波 微波的影响极小 甚至可以忽略 2 每一地区受天电干扰的程度视该地区是否接近雷电中心而异 在热带和靠近热带的区域 因雷电较多 天电干扰更严重 3 天电干扰与接收地点产生的电场强度和电波的传播条件有关 在短波波段中 出现干扰电平随频率的增高而加大的情况 这是由于天电干扰的场强不完全取决于干扰源产生的频谱密度 而且和干扰的传播条件有关 4 天电干扰虽然在整个电磁频谱上变化相当大 但是在接收不太宽的通频带内 实际上具有和白噪声一样的频谱 5 天电干扰具有方向性 对于纬度较高的区域 天电干扰由远方传播而来 而且带有方向性 6 天电干扰具有日变化和季节变化 一般来说 天电干扰的强度冬季低于夏季 这是因为夏天有更频繁的大气放电 在一天内 夜间的干扰强于白天 由于天电干扰的能量主要集中在短波的低频段 这正是夜间短波通信适合选用的频段 2 人为噪声人为噪声也称工业干扰 是由各种电气设备和电力网产生的 特别地 这种干扰的幅度除了和本地噪声源有密切关系外 也取决于供电系统 这是因为大部分人为噪声的能量是通过商业电力网传送来的 3 电台干扰电台干扰是指和工作频率相近的其他无线电台的干扰 包括有意识的干扰 由于短波和超短波频带较窄 而且用户越来越多 因此电台干扰成为影响短波 超短波通信顺畅的主要干扰源 特别是在军事通信中电台干扰更严重 因此抗电台干扰成为设计短波 超短波通信系统需要考虑的首要问题 2 抗干扰措施对于上述各种外部干扰 在进行短波通信系统设计时应区别对待 对于大气噪声 在系统设计中需要计算 并以此为基础 根据所要求的信噪比确定接收点最小信号功率 人为噪声的计算比较困难 因而在系统设计中 通常采用加大最小信号功率的办法 如接收中心设在工业城市内 需要把以上计算的最小功率提高10dB 以克服工业干扰的影响 必须指出 在可能的条件下 接收中心最好设在远离城市的郊区 这是最有效的抗工业干扰措施 目前 在短波通信系统中抗电台干扰的途径大致有下面几个方面 1 采用实时选频系统 在实时选频系统中 通常把干扰水平的大小作为选择频率的一个重要因素 所以由实时选频系统提供的优质频率实际上已经躲开了干扰 可使系统工作在传输条件良好的弱干扰或无干扰的频道上 近年来出现的高频自适应系统还具有 自动信道切换 的功能 也就是说 遇到严重干扰时 通信系统将作出切换信道的响应 2 尽可能提高系统的频率稳定度 以压缩接收机的通频带 3 采用定向天线和自适应调零天线 前者由于方向性很强 减弱了其他方向来的干扰 后者由于零点能自动对准干扰方向 从而避免了干扰 4 采用抗电台干扰能力强的调制和键控制度 5 采用 跳频 技术 自20世纪80年代以来短波跳频通信技术得到了不断地发展 先后经过了常规跳频 自适应跳频和高速跳频三个阶段 4 2短波通信系统 4 2 1短波通信系统的组成及工作原理4 2 2短波高速数据传输4 2 3短波通信系统的数字化4 2 4短波自适应通信网4 2 5短波调频通信网4 2 6短波通信系统的应用与发展 4 2 1短波通信系统的组成及工作原理 现代短波通信系统一般由带自适应链路建立功能的收发信主机 自动天线耦合器 电源以及一些扩展设备 如高速数据调制解调器 大功率放大器等部分组成 如下图所示 收发信主机 电源 自动天线耦合器A 调制解调器 扩展设备 500W功放 自动天线耦合器B 现代短波通信系统方框图 1 主机收发信机主机一般由收发信道部分 频率合成器部分 逻辑控制部分 电源和一些选件组成 现代收发信机多了自适应选件 能借助收 发信道完成自动链路的建立 频率合成器 电源 逻辑控制 信道部分 选件 收发信机主机方框图 1 信道部分通常由选频滤波 频率变换 调制解调 音频功率放大 射频功率放大 AGC 自动增益控制 电路 ALC 自动电平控制 电路 收 发转换电路等组成 当处于发射状态时 其主要功能是将音频信号经音频放大送至调制器进行调制 形成单边带调制信号 然后再经两次频率变换 频率搬移 将信号搬移到工作频率上 1 6 30MHz 之后对射频信号进行线性放大 功率放大 滤波 保证有足够的纯信号功率输出 经天线向空间传播 当处于发射状态时 当处于接收状态时 则将在天线上感应的射频信号加到选频网络 利用该网络选择出有用信号 经射频放大或直接输入到混频器对射频信号进行频率变换 一般进行两次混频 将信号搬移到低中频 然后对低中频信号放大后进行解调 还原成音频信号 再经音频功放推动扬声器发声 为了使收信信号输出稳定 发射功率输出平稳 信道部分一般要加入自动增益控制电路和自动电平调整电路 当处于接收状态时 2 频率合成器一般由几个锁相环组成 产生信道部分实现频率变换 混频 调制解调所需的稳定的激励 本振和载波信号 现代频率合成器一般采用数字式频率合成技术 使频率合成器的体积大大缩小 3 逻辑控制电路现代通信设备中的逻辑控制电路一般采用单片机控制技术或嵌入式系统技术 逻辑控制电路通常包括微处理器系统 包括CPU 程序存储器 数据存储器等 输入与输出电路 键盘控制电路 数字显示电路及扩展电路的接口等 逻辑控制电路将控制整个设备的工作状态 协调与扩展电路的联系 扩展能力的强弱是体现设备先进的重要标志 4 电源部分提供主机内各部分的直流电源 5 选件根据用户的不同要求 完成某一个或某几个特殊要求 可选择不同的选件 2 自动天线耦合器随着频率的变化 天线将呈不同的特性阻抗 自动天线耦合器的作用是将变化的阻抗通过天线耦合器的匹配网络与功放输出的阻抗完全匹配 使天线得到最大功率 提高发射效率 目前 自动天线耦合器主要由射频信号检测器部分 匹配网络部分和微处理器系统等电路组成 微处理器系统 电源 射频信号检测 匹配网络 射频输入 1 射频信号检测部分通常由3个检测器电路组成 分别对射频信号的相位 阻抗及驻波比进行检测 并将检测的数据送给微处理器系统作为调谐匹配的依据 检测器的精度直接影响调谐的准确性 2 匹配网络一般由可变串联电感 可变并联电容等元件组成 微处理器系统经过处理运算 输出驱动继电器的控制信息 使相应的电感 电容介入匹配电路达到天线与功放输出阻抗匹配的目的 3 微处理器系统为自动天线耦合器的核心 是由单片机组成的电路系统 其作用是根据检测器所提供的信息进行判断 处理 输出一组控制匹配网络的数据 并调整其匹配网络参数 判断是否匹配 如未达到匹配目的 微处理器系统将再输出一组控制数据进行判断 直到网络参数满足匹配条件为止 在工作频率变化后 应重复上述调谐步骤 对所工作的频率完成调谐匹配功能 3 电源交 直流变换电源一般是中功率电源 提供系统各部分的电源 较常见的有开关电源和线性稳压电源 4 2 2短波高速数据传输 用短波和超短波传输数据信号时 由于短波 超短波信号传播方式不同 它们所体现的数据传输性能也不尽相同 与超短波相比 天波传播的特殊性限制了传输速率的提高和误码率性能的改善 因此 必须采取相关技术来提高短波信道上数据信号的传输速率 1 短波信道对数据传输的影响从物理概念上 短波信道对数据信号传输的影响主要表现在以下几方面 1 多径效应引起的衰落使传输的数据信号幅度减小 甚至完全消失 这是造成短波数据通信中出现突发错误的主要原因 2 多径效应引起的波形展宽是传输的数据码元间互相串扰 这是限制数据速率的主要原因 3 电离层快速运动和反射层高度变化引起的多普勒频移 使发射信号要的频率结构发生变化 相位起伏不定 从而造成数据信号的错误接收 2 短波数据传输系统的抗多径和抗衰落的措施在传统的短波数据传输系统中 信道误码率通常是10 2 10 3的数量级 严重的衰落以及由于多径引起的码元串扰限制了通信质量的进一步提高 近几年来 由于在短波数据传输系统中采用了各种有效的抗衰落和抗多径 通常是指码元串扰 措施 系统的误码率差不多减少了两个数量级 达到10 5 10 6 目前 在短波线路上广泛采用以下4种抗衰落和抗多径的技术措施 1 高频自适应技术 2 抗衰落性能良好的调制键控技术 3 分集接收技术 4 差错控制技术 1 高频自适应技术包括频率自适应 速率自适应 功率自适应 自适应均衡等 尤其是频率自适应技术 是目前抗多径和抗干扰的有效措施 2 抗衰落性良好的调制键控技术 时频调制技术就是其中的一种 3 分集接收技术 在给定信号形式的条件下 接收端通过接收信号的某些处理来提高系统的抗衰落和抗干扰能力的一种技术 4 差错控制技术 在短波数据传输系统中加入某种类型的差错控制技术 使接收端具有检测和纠正信息错误的能力 差错控制技术与前面提到的各种技术不同 不论是由多径 衰落还是干扰造成的数据错误接收 在一定条件下 绝大部分错误都能通过差错控制系统予以纠正 从而提高了系统的通信质量 3 时频组合调制时频调制是一种组合调制 由时移键空 TSK 和频移键控 FSK 组合而成的时频调制 FTSK 时移键控 频移键控 时频调制 频移键控 从FTSK波形可以看出 在一个二进制码元两个不同的时隙内 实际上发送了两个不同频率的载波 在本例中 对于码元 1 前一个时隙发送f1 后一个时隙发送f2 而对于码元 0 前一个时隙发送f2 后一个时隙则发送f1 这种FTSK波形称为 二时二频制 是时频调制中最简单的一种波形 经过大量的信道试验证明 采用时频调制的低速数传机 在规定的各种电报速率下 误码率均小于3 10 4 可通率达90 以上 与单纯采用FSK的数传机相比 误码率下降了将近两个数量级 若在时频调制的基础上再加上差错控制技术 可进一步盖上短波信道传送数据信号的性能 4 分集接收技术分集接收技术是短波通信中抗衰落和抗多径的主要技术之一 在短波通信中存在由多径干涉产生的快衰落 衰落深度达40dB 有时可达80dB 如果通过增大发射功率来克服快衰落 则必须付出极大的 功率 代价 因此 应采用其他的技术来有效对抗衰落 分集接收技术就是其中的一种 采用分集接收后 在其他条件不变的情况下 由于改变了接收端输出信噪比的概率密度函数 从而使系统平均误码率下降1 2个数量级 通信的中断率也明显下降 因此这种技术目前被广泛地应用在短波通信系统中 1 分集接收的概念分集接收技术是指接收端消息的恢复是在多重接收的基础上 利用接收到的多个信号的适当组合或选择 来缩短信号电平陡降到不能利用的那部分时间 从而达到提高通信质量和可通率的技术 由此定义可以看出 采用分集接收技术应研究两个基本问题 采用分集接收技术应研究两个基本问题 一是信号的分散传输问题 即将同一信号分散传输 以求在接收端获得多个独立衰落的信号样品 实践证明 在空间 频率 时间 角度和极化等方面分离得足够远的无线电信道 衰落可以认为是相互独立的 所以利用信号分散传输 在接收端获得独立衰落的样品是完全可能的 必须指出 在接收端能获得多个独立衰落的信号样品 是分集接收克服快衰落 达到可靠通信的依据 二是信号的合并问题 信号的合并也称信号的组合 是指接收端收到多个独立衰落的信号后如何合并的问题 2 分集方式分集方式是指信号分散传输的方式 有空间分集 时间分集 极化分集和角度分集等 目前在短波通信中最常见的是前3种分集及他们的组合 其中频率和时间分集 适宜于多路传输的无线电线路 此时 消息将被重复传输 分集方式是指信号分散传输的方式 有空间分集 时间分集 极化分集和角度分集等 目前在短波通信中最常见的是前3种分集及他们的组合 其中频率和时间分集 适宜于多路传输的无线电线路 此时 消息将被重复传输 3 合并方式分集接收效果的好坏 除与分集方式 分集重数有关外 还与接收端采用的合并方式有关 若收到的各路信号分别为f1 t f2 t fm t 则合并后的信号式中 ai为加权系数 按选用的加权系数不同 有以下几种合并方式 1 选择式合并方式 选择信噪比最强的一路输出 即加权系数只有一项不为零 此时 ai 0 2 等增益合并方式 各路信号合并时的加权系数都相等 即a1 a2 a3 am a 此时 3 最大比值合并方式 各路信号合并时 加权系数按各路的信噪比而自适应地调整 以求合并后获得最大信噪比输出 目前 在短波通信中 选择式和等增益合并由于电路比较简单而被广泛应用 尤其是选择式和等增益合并的混合合并方式最流行 即当各种信噪比都比较接近时 采用等增益合并 当某一路信噪比比较高时 采用选择式合并方式 5 差错控制技术短波信道的特点是深度的衰落和各种严重的干扰 这些将严重影响数据信息的传输 从而导致数据信息的错误接收 通常情况下 用户是用差错率来表示对短波通信线路传输电报和数据信息准确度的要求 当信道的差错率超过了用户对数据信息传输准确度的要求时 必须采取措施使系统的差错率减小 具体措施包括两个方面 一是改善信道性能 采用增大发射功率 增高天线增益 采用现代调制技术及分集接收技术等 使信道性能提高到满足用户对准确度的要求 二是采用差错控制技术 在短波通信系统中加入某种类型的差错控制系统 使接收端具有检测或纠正数据信息错误部分的能力 在一定的信道差错率基础上降低系统的输出差错率 以达到用户的要求 必须指出 差错控制系统对改善通信质量一般都是有条件的 就是通信线路本身的信道误码率不能高于某一阀值 例如10 2 实验证明 对于质量太差的短波信道 采用差错控制系统不仅无益而且有害 因此需要研究和改进信道性能的各种技术 使得在不大的功率代价条件下获得信道性能 近年来 由于微处理器的广泛应用 使得差错控制系统的体积 重量以及成本大大下降 因此在短波通信线路的设计中应充分利用差错控制技术 以减小通信设备的体积 重量 功耗和成本 1 差错的特点与短波信道的分类从差错控制的角度来看 可按差错的特点将信道分为3类 即随机信道 突发信道和混合信道 1 随机信道 随机信道的差错是随机出现的 恒参高斯信道完全由加性白噪声造成 由它造成的差错是随机的 独立的 这类差错称为 随机错误 2 突发信道 在突发信道中差错是随机出现的 这种类型的错误称为 突发错误 在突发错误的持续时间内 不一定每一个码元都出现差错 但按照突发错误一般定义 其第一个和最后一个必须是错码 3 混合信道 随机错误和突发错误都占有相当数量的信道称为混合信道 短波信道可以归为混合信道 信号在信道中传播时遭受到的衰弱和脉冲干扰是产生突发错误的原因 而随机噪