短波通信系统课件

1、第3章 短波通信系统School of Information Science and EngineeringShandong UniversityShandong, China 概论无线电通信频率划分段号频段名称频段范围波段名称在自由空间的波长范围123极低频超低频特低频330HZ30300HZ3003000HZ极长波超长波特长波10000010000 km100001000 km1000100 km45678甚低频(VLF)低频(LF)中频(MF)高频(HF)甚高频(VHF)330K30300K3003000K330M30300M甚长波长波中波短波超短波10010 km(万米波)10000

2、1000 m(千米波)1000100 m(百米波)10010 m(十米波)101 m(米波)9101112特高频(UHF)超高频(SHF)极高频(EHF)至高频3003000M330G30300G3003000G101 dm101 cm101 mm1000100um(亚毫米波)微波分米波厘米波毫米波丝米波甚低频VLF3-30KHz超长波1KKm-100Km空间波为主海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航低频LF30-300KHz长波10Km-1Km地波为主越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航中频MF0.3-3MHz中波1Km-100m地波与天波船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距

3、离导航高频HF3-30MHz短波100m-10m天波与地波远距离短波通信；国际定点通信甚高频VHF30-300MHz米波10m-1m空间波电离层散射（30-60MHz）；流星余迹通信；人造电离层通信（30-144MHz）；对空间飞行体通信；移动通信特高频UHF0.3-3GHz分米波1m-0.1m空间波小容量微波中继通信；（352-420MHz）；对流层散射通信（700-10000MHz）；中容量微波通信（1700-2400MHz）超高频SHF3-30GHz厘米波10cm-1cm空间波大容量微波中继通信（3600-4200MHz）；大容量微波中继通信（5850-8500MHz）；数字通信；卫星通

4、信；国际海事卫星通信（1500-1600MHz）极高频EHF30-300GHz毫米波10mm-1mm空间波在入大气层时的通信；波导通信Extremely Low Frequency (ELF)0KHzto3KHzVery Low Frequency (VLF)3KHzto30KHzRadio Navigation &Maritime/Aeronautical Mobile9KHzto540KHzLow Frequency (LF)30KHzto300KHzMedium Frequency (MF)300KHzto3000KHzAM Radio Broadcast540KHzto1630KHzT

5、ravellers Information Service1610KHz-High Frequency (HF)3MHzto30MHzShortwave Broadcast Radio5.95MHzto26.1MHzVery High Frequency (VHF)30MHzto300MHzLow Band: TV Band 1 - Channels 2-654MHzto88MHzMid Band: FM Radio Broadcast88MHzto174MHzHigh Band: TV Band 2 - Channels 7-13174MHzto216MHz短波通信的基本概念按照CCIR国际

6、无线电咨询委员会(International Radio Consultative Committee) (1993年起，ITU-R)的规定，短波是指频率为3-30MHz，波长为100m-10m的无线电波。 利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又 称为高频(HF)通信。短波(shortwave)的定义短波通信短波通信实际使用范围为1.5-30MHz。 短波的应用短波通信多年来被广泛用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用以传送语音、文字、图象、数据等信息。尤其是军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。短波通信军事应用短波通信设备短波通信设备 优点勿需中继站就可实现远距离通信短波通信的特点

7、技术成熟、完善机动性强、使用灵活建设周期短、建设和维护成本低对自然灾害和战争的抗毁性强缺点及对策 频带窄、容量小 短波天波信道是变参信道广泛采用单边带调制技术采用实时选频技术多径效应严重导致信号衰落分集接收技术、扩频技术时频编码/时频相编码及检测技术大气和人为干扰严重扩频技术地波：1.55 MHz。 短波传播方式短波通信实际使用范围为1.530MHz。 天波地表面波直接波地面反射波地波电离层短波地波传播特性 大地吸收导致传播损耗 地面导电性能越好，传播损耗越小 电波频率越低，传播损耗越小 垂直极化波比水平极化波衰减小(利用地波进行近距离通信的频率范围大约 是1.55MHz)(通常采用辐射垂直极

8、化波的垂直天线)一）短波传播的形式大地吸收导致传播损耗结论：地波的衰减随着频率的升高而增大，所以即使使用1000W的发射机，陆上传播距离也仅为100km左右，所以这种传播形式不宜用作无线电广播或远距离通信。电离层电离层是指从距地面大约60公里到1000公里处于电离状态的高空大气层。1. 电离层的形成电离：高空大气层在太阳辐射的作用下，大气气体分子或原子中的电子游离出来，形成离子和自由电子。电离现象显著的区域称为电离层。D层：6090kmE层：100110kmES层：120kmF1层：170220kmF2层：225450km电离层基本分层特性D层太阳升起时出现，太阳落下后消失短波以天波传播时将穿

9、过D层 短波穿过D层时严重衰减在白天，D层决定了短波传播的距离、发射机功率和天线增益 (吸收层)E层电离开始后可反射高于1.5MHz的短波出现在太阳升起时,中午达到最大值，之后逐渐减小;太阳降落后，对短波传播不起作用ES层具有很高的电子浓度，能将高于短波波段的电波反射回来(E-sporadic 偶发E层)偶尔发生如何利用尚待研究F层白天有两层：F1层和F2层F1层夜间消失，常出现于夏季F2层电子浓度白天大夜间小、冬大夏小适合远距离短波通信(反射层)电离层各层高度与电子密度的关系电子浓度随高度增加而增加；D、E层夜间消失；F层中午(白天)有两层；F1层夜间消失。最高可用频率（MUF, maxim

10、um usable frequency）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。 最高可用频率（MUF）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。hddhhffF为什么在同一电离层高度上有多个工作频率？MUF是电波能返回地面和穿出

11、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(frequency of optimum traffic)。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

12、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。04812162024t/h3456920f/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

13、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30100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

14、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。短波在电离层中的传播特性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。昼夜间信号差别很大电离层的层数、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

15、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。昼夜间信号差别很大在夜间，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。从前面的学习中我们知道，电波可

16、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。多经传播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

17、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（Rayleigh）在非骚动短波传播期间

18、，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。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1020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420ms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

19、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

20、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。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

21、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

22、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12Hz的范围内。当发生磁暴时，频移最高可达6Hz。以上给出的26Hz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： 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。无线电干扰无线

23、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

24、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

25、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。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

26、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

27、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。常用的调制技术常用的调制技术 通信中的调制方式很多，调制传输是对各种信号变换后传输的总称。调制的目的： (1)将消息变换为便于传送的形式。 (2)提高性能，特别是抗干扰能力。 (3)有效地利用频带，高频无线传输就是频分复用。 调幅 Amplitude modulation（AM）抑制载波双边带调幅 Double s

28、ide band suppressed-carrier(DSB-SC) 单边带调幅 Single side band (SSB)残留便带调幅 Vestigital sidebandmodulation (VSB)频率调制 Frequency modulation (FM)相位调制 Phase modulation (PM)幅度键控 Amplitude-shift keying (ASK)频率键控 Frequency-shift keying (FSK)相位键控 Phase-shift keying (PSK)常用的调制技术说明I差分相移键控 Differential phase-shift k

29、eying (DPSK) 四相相移键控 Quadrature phase-shift keying (QPSK) 正交振幅键控 Quadrature amplitude modulation(QAM) 最小移频键控 Minimum-shift keying (MSK)脉冲幅度调制 Pulse amplitude modulation(PAM)脉冲编码调制 Pulse code modulation(PCM)常用的调制技术说明II数据传输的相关技术 由于短波天波传播的特殊性，限制了传输速率、误码率等性能的提高，在这方面它无法与超短波比拟。人们正努力研究如何在短波信道上更快、更有效地传输数据信号。

30、下面介绍短波信道传输数据信号的一些问题。 短波信道对数据传输的影响抗多径和抗衰落的主要措施自动重发请求（Automatic Repeat Request）时频组合调制FTSK分集接收技术 抗衰落和抗多径的技术措施 定义：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，不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分散得到几个独立信号,分散传输，集中处理。（携带同一信息，不同衰落特性的信号）（不好的衰落特性变成好的）利用多条相互独立路径传输同一信息源信号, 接收端对信号合并，降低多径衰落的影响，分集技术空间分集极化分集频率分集时间分集在不同空间

31、、用不同频率和在不同时间 .分别得到从不同路径来的同一信号（独立）差错控制技术 前向纠错(Forward Error Correction, FEC)Automatic Repeat-request，ARQ自适应通信技术 自适应通信基本概念 高频自适应通信RTCE （ Real Time Channel Evaluation ）3.6 扩展频谱技术 定义： 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽通过扩频码及调制的方法实现，与所传信息数据无关；在接收端用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。 1. 信号的频谱被扩展宽了。一般的调

32、频信号或脉冲编码调制信号带宽与原始信息带宽之比只有几到十几，而扩频通信信号带宽与原始信息带宽之比则高达100到1000以上，属于宽带通信。 2. 采用扩频码序列调制的方式展宽信号频谱。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。如果用很窄的脉冲序列被所传信息调制，可产生很宽频带的信号。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。 3. 在接收端用相关解调来解扩。在扩频通信中，接收端用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的原始信息。 人们总是想法使信号所占频谱尽量窄，以充分利用宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽带的信号传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。这可以用信息论和抗干扰理论的基本观点说明。 扩频通信的理论基础 仙农(shannon)在其信息论中得到如下有关信道容量的公式: P信号功率,N白噪声功率, W频带宽度，C传输速率。 公式暗示在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比PN传输信息。换句话说，频带W和信噪比