现代短波通信技术及其应用Word格式.docx

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为使接收点有足够的场强，必须掌握电波传播的途径、特点和规律，才能达到良好的通信效果。

1.1.2无线电波传播方式

（1）地波（地表面波）传播

沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波，传播途径如下图所示。

其传播途径主要取决于地面的电导特性。

地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。

但地波不受气候影响，可靠性高。

超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。

短波近距离通信也利用地波传播。

地波传播示意图

（2）直射波传播

直射波又称为空间波，是发射点从空间直线传播到接收点的无线电波，传播途径如下图所示。

由于地球表面曲率，直射波传播的距离限于视距范围。

在传播过程中，它的强度衰减较慢。

超短波和微波通信都属于直射波传播。

直射波通信，接收点的场强由两路组成：

一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和架设方向不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。

限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度，以及山、楼房、树林等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量把架设高度增高，以便增加通信距离。

直射波传播示意图

（3）天波传播

无线电波由天线向高空辐射，遇到大气电离层折射后返回地面，称为天波，传播途径如下图所示。

电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波通信。

天波传播示意图

（4）散射传播

散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射，其中一部份到达接收点。

散射传播距离远，但是效率低，不易操作，使用不广泛。

散射传播示意图

1.1.3电离层对短波通信的作用

电离层对短波通信起着主要作用，是我们研究的重点。

电离层指距地面大约60公里至2000公里之间处于电离状态的高空大气层。

上疏下密的高空大气层在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，气体分子和原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子，这个过程叫电离。

产生电离的大气层称为电离层。

电离层分为D、E、F1、F2四层。

其中：

D层高度60～90公里，白天可反射2～9MHz的频率；

E层高度85～150公里，这一层对短波的反射作用较小；

F层对短波的反射作用最大，分为F1和F2层。

F1层高度150～200公里，只在日间起作用，F2层高度大于200公里，是F层的主体，日间夜间都支持短波传播。

电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时反射的频率低。

电离的浓度以单位体积的自由电子数（即电密度）来表示。

电离层的高度和浓度随季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。

在各种影响因素中，太阳黑子的每日变化非常大，对短波通信影响最大。

当太阳黑子数值很高时，电离层对短波信号的衰减很大，信号甚至会穿透电离层，完全不反射，造成一段时间内短波通信大面积中断。

1.1.4短波频率范围

电离层最高可以反射40MHz的频率，最低可以反射1.5MHz的频率。

根据这一特性，短波工作频段被国际电联确定为1.6MHz～30MHz。

1.1.5短波的传播途径

短波的基本传播途径有两个：

一是地波，二是天波。

地波沿地球表面传播，传播距离取决于地表介质的电导特性。

海面介质的电导率高，对电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里；

陆地表面介质电导特性差，电波衰耗大（不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样，潮湿水网地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大），短波信号沿陆地地面一般只能传播十多公里。

地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。

短波的主要传播途径是天波。

电波由天线发出，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（从几百公里至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。

但天波很不稳定，在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响通信效果。

这正是短波技术界多年来一直致力研究的课题。

1.2单边带的概念

在无线电通信中，传送信息的载体是特定频率的载波（也称为主频）。

那么信息又是如何放到载波上的呢？

这就引出了“调制”的概念。

调制就是将动态信息通过一定形式加到载波上发送出去，接收台收到被调制的载频信号后，再还原成原来的信息。

调制分为幅度调制（简称“调幅”）、频率调制（简称“调频”）、相位调制（简称“调相”）三种。

中波、短波主要采用调幅方式，超短波一般采用调频方式。

根据国际协议，短波通信多使用单边带调幅方式（SSB），短波广播节目可以使用双边带调幅方式（AM）。

因此短波电台也称为单边带电台。

1.2.1单边带的定义

调幅信号的频谱是由中央载频和上下两个边带组成的。

将载频和其中一个边带加以抑制，剩下一个边带成为单边带。

如果用一个边带再加上部份载频或全部载频，就成为兼容式调幅信号。

下面用图示的方法说明单边带信号是怎样产生的。

（1）单音调制的调幅信号波形如下图所示。

单音信号

载频信号

经单音信号调

制的载频信号

（2）单音调制的调幅信号和上边带信号频谱如下图所示。

调幅信号

频谱

上边带信号

（3）受话音调制的调幅信号和边带信号波形及频谱如下图所示。

话音调制波形及

话音调制的AM

号波形和频谱

话音调制的边带

波形和频谱

（4）调幅话与兼容话的频谱如下图所示。

调幅话频谱

兼容话频谱

1.2.2单边带的优点

①提高了频谱利用率，减少了信道拥挤；

②节省发射功率约四分之三；

③减少信道互扰；

④抗选择性衰落能力强。

综合而言，一部100W单边带电台的通信效果，相当于一部1600W双边带电台。

1.2.3CCIR规定的短波发射类型标识符

J3E单边带，抑制载波（用于短波通信）

R3E单边带，缩减载波（用于短波通信）

H3E单边带，全载波（用于短波通信）

A3E双边带，全载波（用于短波广播）

A1A高频载波键控（用于莫尔斯电报）

短波发射类型还有很多，这里只列出了有关的几种。

在陆地普通短波通信中，最常用到的发射类型是J3E和A1A。

1.2.4短波通信常用术语中英文对照

HF高频（短波）

RF射频

SSB抑制载波的单边带话

USB上边带话

LSB下边带话

ISB独立边带话

AM调幅

FSK移频键控

AFSK音频移频键控

CCIR国际无线电咨询委员会

1.2.5短波电台的功率

发射机平均功率

平均功率是指在标准工作条件下，发射机在相当长一段时间内传输给匹配天线的功率平均值。

发射机峰值功率

峰值功率也称为峰包功率，是指在最大信号电平时，在高频载波一个周期内的平均功率，即在包络达到峰值时的高频平均功率，用PEP表示。

CW功率

CW定义为等幅波，因此CW功率指在等幅波条件下的发射机输出功率，例如用手电键发报的功率。

CW功率通常比平均功率高一些。

三种功率参数的实用意义和注意事项

目前国际上的短波电台输出功率大致分为两种类型：

一类以澳大利亚和日本电台为代表，为了实现设备小型化，设计的CW功率低于PEP功率（以125WPEP电台为例，CW功率约80~110W）；

另一类以欧美军用电台和国产军用电台为代表，设计的CW功率与PEP功率相同。

这两种电台在通话时区别不大，但在数传时第二类电台功率要大一些。

在选配天线和稳压电源等设备时，通常应以CW功率确定其承载功率。

此外用第一类电台做数传时，功率应控制在50W以内，以防电台过热。

1.2.6短波通信与超短波通信的对比

分项

短波通信

超短波通信（卫星除外）

传播路径

地表面波和天波反射

地面直射波（而非地波）

传播距离

●地波传播，主要取决于地面电导特性

干燥地面传播较近（十几公里）；

潮湿地面传播较远（几十公里）；

海面传播最远（百公里以上）。

●天波传播，主要取决于电离层变化、多径效应和地面哀耗、工作频率、天线类型和架设等因素。

在各种条件较好时，通信距离可达数千至上万公里。

●近程盲区，主要指配用鞭天线的车载台或背负台），北方地区约在十几公里至一百公里之间。

●加大电台功率对距离的增益明显大于超短波。

●主要取决于两点之间的天线高度。

高建筑基站：

对移动台可通几十至百公里以上。

野外临时基站：

对移动台可通十至几十公里。

●加大电台功率对距离的增益较小。

●因电波绕射能力差，遇山区和高大障碍物时，通信距离缩短甚至不通。

通信枢钮

不需要枢纽。

集群、GSM电话、CDMA电话等通信方式都属于网络通信，必须依靠枢纽。

中继接力

不需要架设中继台。

山区克服阻挡，或在平地为延长距离，必须架设中继台进行接力。

信号质量

收信质量不很稳定，信号常伴有噪声。

信号好，噪声小。

设备体积

●基台体积与超短波相似。

●移动台体积较大。

●天线大（频率低，波长很长）。

●基台体积与短波相似。

●移动台体积小。

●天线小（频率高，波长短）。

抗毁能力

可能毁坏部分台站，不能毁坏全网。

枢纽损坏则全网瘫痪。

建设投资

单站投资较大。

建网投资与超短波差不多。

单站投资小。

建网（枢纽、中继站）投资大。

通信费用

不用付费。

除专网集群外，都要付费。

1.2.7短波与卫星电话的对比

短波

卫星

传播方式

●天波通过电离层反射，属无源中继。

●地表面波传播。

信号通过卫星转发，属于有源中继。

●卫星即枢纽，卫星出故障则通信中断。

●卫星转发器资源紧张则难拨通。

受天候影响

主要受电离层变化的影响。

阴、雨、雾等不影响通信。

易受阴、雨、雾等影响。

受地域影响

陡峭山区和丛林影响小。

●陡峭山区和丛林影响通信。

●有时存在卫星盲区，不能通信。

不用付费

费用很高

第二章改善短波通信质量的三大要素

由于短波存在固有弱点，信号质量肯定不如超短波，但是可以通过一些途径改善信号质量，使其尽可能接近超短波。

改善短波信号质量的三大要素是：

①正确选用工作频率；

②正确选择和架设天线地线；

③选用先进和优质的电台、电源等设备。

2.1要素之一——正确选用工作频率

2.1.1短波选频的一般原理

短波频率和超短波频率的使用性质完全不同。

超短波属于直线传播，距离短，可以固定使用频段内的任何频点。

而短波频率则受到电离层变化、通信时间、距离和方向、海拔高度、天线类型和架设方式等多种因素的影响和限制，选用不同频率，通信效果可能差异很大。

但选频也有明显的规律可循，一般来说：

日频高于夜频（相差约一半）；

远距离频率高于近距离；

夏季频率高于冬季；

南方地区频率高于北方。

东西方向远距离通信因为受地球自转影响，最好采用异频收发。

如果所用的频率不能顺畅通信，可参照以下经验变换频率：

接近日出时，夜频可以改用较高的频率；

接近日落时，日频可以改用较低的频率；

在日落时，信号先逐渐增强，而后突然中断，可降低频率；

通信中如信号逐渐减弱，甚至消失，可提高频率；

遇到空间发生电磁暴时，可选用比平常低一些的频率。

在建设短波通信网时，最好向无线电管理机关多申请几个频率，只用一个频率很难全天保证通信质量。

2.1.2ASAPS计算机测频

利用计算机测频系统预测可用的频段，是一种先进的技术手段，对短波通信很有帮助。

计算机测频系统能够根据分布在全球各地的观测站所采集的电离层变化、太阳黑子活动规律等因素，结合不同地区的历史数据，所使用的天线种类，预测两点之间在未来一段时期内（一天、一周、一个月、几个月）每天各时段的可用频段，具有较高参考价值。

美国、欧盟、澳大利亚政府的计算机测频系统数据比较准确，它们通过分布在全球的监测点跟踪采集各种环境参数的变化，提供频率依据。

其中澳大利亚政府空间服务机构（IPS）提供的ASPAS系统面向全世界提供公开的测频服务，安装和服务费用不高，被广泛使用。

2.1.3ALE频率自适应

什么是频率自适应

频率自适应也称为链路自动建立，英文全称AutomaticLinkEstablishment，简称ALE，出现于20世纪70年代。

国际上通用美国标FED-STD-1045和美军标MIL-STD-188-141。

这两种标准原理相同，互相兼容。

在ALE系统中，要求网内的每部电台都配备自适应控制功能。

自适应功能基于一个与时间和通信对象有关的链路历史质量数据库（简称LQA）。

LQA与电台配合构成一个或几个频率扫描组（每组预存若干个频率）。

在一个通信网内每部电台的ALE频率组设置必须相同。

自适应选频的过程是：

主呼台在某个频率组的某个频点上发出ALE信号呼叫对方，被呼台收到ALE信号后自动测评其信号质量，并将测评结果回送给主呼台。

主呼台测评被呼叫台的信号质量后发出确认信号给被呼台，双方同时存储测评结果。

之后主呼台用组内频率依次呼叫对方，组内每个频率都被测评一次后，双方将频率按质量排队，并自动调用最好的频率建立通信链路。

自适应电台还可以预设信号质量可用值，当测评某个频率达到可用值即开始通信，这种方式建链速度快一些。

ALE技术处在不断发展完善中，新型的MIL-188-141B系统的LQA已实现了智能化，为每一个已通频率增加双方的身份码（ID）和联络时间等信息，而且LQA数据库不断自动更新。

这样，用在ALE方式呼叫一个台站时，先自动调用LQA记录的双方近期常用频率开始ALE呼叫，建链速度更快。

什么情况下要用ALE自适应

固定站之间的通信，方向和距离是固定的，一天中各时段的工作频率也比较明确，ALE的用处不太大。

但对于车、船等移动站，或经常转移场地的半固定站，其通信距离和方位一直在变，可用通信频率也随之改变，ALE的作用就大了。

所以军队和其它大量使用移动台和半固定台的用户对ALE需求较多。

ALE自适应的局限性

ALE也存在局限性：

建链耗费时间；

通信实时性不好；

周期性发送ALE探测信号挤占有效通信时间；

造价较高等。

此外，ALE进行周期性探测耗费大量电能，因此携带台应少用ALE。

2.1.4电台的手动信道控测

澳大利亚宝丽2050等先进电台，还提供一项称为“手动信道评估”的功能。

这种功能建立在选呼基础上，通过向对方电台发送探测信号并监听对方台的回铃音，能够评估当前信道的质量，并通过几个信道的探测结果挑选好的信道建立联络。

2.2要素之二——正确选择和架设天线

天线（包括地线）是很多短波用户重视不够。

当通信质量不好时，很多人习惯从电台上找原因，而实际上多数问题出在天线或地线。

短波和超短波使用天线的原理是完全不同的。

超短波频率高，波长短，天线做得很小。

而短波工作频率低，天线必须做得足够大才能有效工作。

另外，不同通信选用的天线种类也很不同，所谓“一把钥匙开一把锁”，基站、车载、船载、背负台都必须使用各自的天线类型，在多数情况下不具有互换性。

我们将在下面第三章专门讲述短波天线有关问题。

2.3要素之三——选用先进优质的电台和电源

工作频率和天线地线搞好了，相当于铺了一条“好路”。

好路上还要跑“好车”。

好车就是先进优质的电台和电源等设备。

（1）选择先进和优质的电台

电台的优劣体现在电气性能和通信功能两个方面：

电气性能决定了技术指标的优劣和设备可靠性；

具有多种先进功能则是实现现代组网通信和改善信号质量的基础条件。

电台的电气性能

电气性能涉及的内容很多，这里只简述三个方面：

①频率特性。

好的电台频率稳定性比差的电台高几倍、几十倍甚至几百倍。

频率稳定性高的电台，不但话音清晰，信号等级高，而且是支持高速数传的必要条件。

在评价频率稳定性时要注意两点：

一是全频段各频点的稳定性要一致；

二是要在很宽的温度范围内稳定，不能机器一发热就产生频漂。

②通道特性。

这一特性描述信号在通过高频、中频、低频几个通道后的畸变程度和通道宽度。

当进行短波数传时，这一问题非常突出。

使用通道特性差的电台，数传速率很难提高，原因之一就是高速数据脉冲通过不良通道后发生明显畸变，难以识别。

③干扰和抗干扰特性。

这方面的性能在技术说明书上都是以dB（分贝）值表示的。

电台发射方面的dB指标不好，说明传给对方台的信号不好，而且干扰其它台。

电台接收方面的dB指标不好，说明自身容易被别人干扰。

二者都是不能容许的。

组网功能

社会需求的发展和科技的进步，使短波通信日益向多功能方向发展，可以概括为几个方面：

用于计算机和传真机的高速数据传输功能。

用于保密和抗干扰的跳频和数字化加密功能。

用于组网通信的数字选呼功能，包括选址通信（选呼），定位跟踪的GPS数据收发功能，用于连接市话网的有无线转接功能，以及类似手机的短信息功能等等。

当前短波领域，先进的多功能电台现在已呈普及之势，其价格并非高不可及，我国多数用户是可以接受的。

数字化（软件化）电台

目前技术最先进的是全数字化电台（代表产品为宝丽2050全能数字化电台），有关这方面的介绍详见本讲义第四章。

（2）电源质量直接影响通信效果

说到稳压电源，很多人认为只要输出电压和电流符合要求就行，这种认识不全面。

其实有些噪声源于电源的负载特性不好，有些话音失真也是电源瞬态响应慢使信号发生畸变所致。

数据传输对电源的要求更高，如果电源的负载特性、瞬态响应、电磁屏蔽特性不好，输出纹波大，将直接导致数传不正常。

功率容量和器件设计余量也是考核短波稳压电源优劣的重要依据。

有些电源为了降低生产成本，把功率容量设计在临界状态，并尽量简化电路，减少元器件，选用廉价元器件等等。

这类电源虽然价格低，但技术性能和可靠性肯定是不行的，军用通信自不待言，专用通信也最好不用这种廉价电源。

好汽车要用好发动机，好电台要用好电源，道理是相同的。

在选购稳压电源时，一定要挑选功率容量大、瞬态响应快、电磁屏蔽性好、输出电压纹波小、负载特性好、电路设计保险余量大的短波专用优质电源产品。

第三章短波天线

3.1短波天线的一般原理

短波天线的理论比较深，天线种类繁多，用途各异。

本章对短波天线的原理、分类和使用要点，作简单介绍，重点介绍各种台站的优选天线。

3.1.1地波天线和天波天线

按照辐射特性，短波天线可分为地波天线和天波天线两大类。

地波天线包括鞭状天线、倒L形天线、T天线等。

这类天线发射的电磁波是全方向的，主要以地波形式向四周传播，故称全向地波天线，常用于远距离通信。

典型地波天线和波瓣分布如下图所示。

地波天线的效率主要看天线的高度和地网的质量。

天线越高、地网质量越好，辐射效率就越高，当天线达到二分之一波长时，辐射效率最高。

T形地波天线结构示意图

典型地波天线垂直波瓣分布图

天波天线主要以天波形式发射电磁波，分为定向和全向两类。

典型的定向天波天线包括：

双极天线、笼形天线、对数周期天线、水平三线天线等，它们向一个方向或两个相反方向发射电磁波，通过天线的架设高度来控制发射仰角（不同仰角适应不同通信距离）。

典型的全向天波天线如：

角笼形天线、倒V形天线等。

它们向全方向发射电磁波，通过也是天线的架设高度来控制发射仰角，典型天波天线和波瓣分布如下图所示。

典型天波天线（双极天线）结构示意图

典型天波天线水平波瓣分布图

典型天波天线垂直波瓣分布图

天波天线辐射效率的简单规律为：

水平振子每一臂的长度达到二分之一波长时，水平波瓣主方向的辐射效率最高。

天线高度越高，发射仰角越低，通信距离越远；

反之，天线高度越低，发射仰角越高，通信距离越近。

天线高度与波长之比（H/λ）达到二分之一时，垂直波瓣主方向的辐射效率最高。

3.1.2行波天线和驻波天线

按照天线振子上的电场分布特性，短波天线可分为行波天线和驻波天线。

行波天线是指在天线振子的终端接有吸收电阻，振子上没有驻波的天线。

吸收电阻与天线的特性阻抗相匹配，在无损耗和完全匹配的理想状态下，天线上各点的电流（或电压）的振幅值相等。

常见的行波天线有倒V形天线、菱形天线、鱼骨形天线等。

驻波天线是指没有终端吸收电阻，工作在驻波状态的天线。

常见驻波天线有双极天线、笼形天线等。

3.1.3天线的仰角

天线的仰角指天线在垂直面发射电磁波最强的方向与地平面之间的夹角。

短波无线链路是利用电离层反射电磁波建立的，因此在垂直面上，最佳发射仰角取决于电离层的高度和通信距离，选择和架设天线应以电磁波反射传播所需要的仰角为设计着眼点，使发射的电磁波经电离层反射到达接收地点时信号最强。

3.1.4短波天线的价格问题

短波天线的价格差异