第四章短波通信系统和超短波通信系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,. . . .,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,2,. . . .,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,3,. . . .,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。,4,. . . .,序号,频段名称,频率范围,波段名称,波长范围,1,极低频（,ELF,）,330Hz,极长波,10010Mm,2,超低频（,SLF,）,30300Hz,超长波,101Mm,3,特低频（,ULF,）,3003000Hz,特长波,1000100km,4,甚低频（,VLF,）,330KHz,甚长波（万米波）,10010km,5,低频（,LF,）,30300KHz,长波（千米波）,101km,6,中频（,MF,）,3003000KHz,中波（百米波）,1000100m,7,高频（,HF,）,330MHz,短波（十米波）,10010m,8,甚高频（,VHF,）,30300MHz,超短波（米波）,101m,9,特高频（,UHF,）,3003000MHz,分米波,微,波,101dm,10,超高频（,SHF,）,330GHz,厘米波,101cm,11,极高频（,EHF,）,30300GHz,毫米波,101mm,12,至高频,3003000GHz,丝米波,101,丝米,5,. . . .,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。,6,. . . .,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。,7,. . . .,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。,8,. . . .,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。,9,. . . .,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。,10,. . . .,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。,11,. . . .,无线电通信系统的组成和简单工作过程,发射机,接收机,发射天线,接收天线,馈线,馈线,电磁波,12,. . . .,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,13,. . . .,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,低频（基带）信号,中频信号,高频振荡信号,射频信号,14,. . . .,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,低频（基带）信号,中频信号,高频振荡信号,射频信号,15,. . . .,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,16,. . . .,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,17,. . . .,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。,18,. . . .,（,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。,19,. . . .,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,20,. . . .,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。,21,. . . .,（,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。,22,. . . .,（,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,23,. . . .,（,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。,24,. . . .,（,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。,25,. . . .,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。,26,. . . .,天波传播方式,电离层的形式与结构,27,. . . .,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,28,. . . .,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。,29,. . . .,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（,O,3,）第三道防线（防紫外线）,30,. . . .,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,、,F,1,、,F,2,层,31,. . . .,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,32,. . . .,F,层：,170,200km,为,F,1,层，,200km,以上称,F,2,层。,在晚上，,F,1,与,F,2,合并为一层。,F,2,层的电子密度是各层中最大的，在白可达,210,12,个,/m,3,，冬天大，夏天小。,F,2,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。,F,2,层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相关。,33,. . . .,34,. . . .,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,35,. . . .,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。,36,. . . .,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,37,. . . .,38,. . . .,39,. . . .,40,. . . .,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。,41,. . . .,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）,42,. . . .,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,43,. . . .,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。,44,. . . .,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,45,. . . .,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,f,v,，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。,46,. . . .,如果电波是以,0,0,的入射角斜射电离层，频率为,f,v,的电波不会穿出该层，而当为更高的某一频率,f,ob,时才穿出该层。,f,ob,被称为入射角为,时的最高可用频率，它可表示为：,显然，,f,ob, f,v,。,47,. . . .,在给定通信距离和反射点高度的情况下，,f,ob,与,f,v,关系式可表示为式,2-1,：式中,f,v,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,48,. . . .,若给定通信线路的通信距离为,2000km,，在不同斜射频率下（即以,f,ob,为参数），按照式,2-1,计算，可得到一组,f,v,-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）。,49,. . . .,50,. . . .,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？,51,. . . .,在设计短波通信线路时，工作频率应采用接近,f,mu,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。,52,. . . .,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,53,. . . .,例如：,f,ob,为,14MHz,，对,F,2,来讲存在两条传播路径，它们的反射点分别标为,1,和,1,。,E,54,. . . .,反射点,1,的高度为,380km,，反射点,1,的高度为,680km,。,E,E,55,. . . .,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。,56,. . . .,若斜射频率,f,ob,改为,18MHz,，对,F,2,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,。,57,. . . .,从图中可以看出，和这个斜射频率相应的,f,v,-h,曲线，和频高图中（虚线）,E,、,F1,层曲线不存在交点。,E,58,. . . .,这表明,f,ob,=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,59,. . . .,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,f,ob,=14MHz,时的情况,。,E,60,. . . .,继续升高斜射频率，当斜射频率,f,ob,为,20MHz,，只存在,F,2,层的一个反射点,3,，反射高度,h=370km,。,E,61,. . . .,也就是说当,f,ob,=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,。,E,62,. . . .,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,f,v,就是,F2,层的临界频率，与该点相对应的,f,ob,就称为,F2,层的最高可用频率（,MUF,）。,E,63,. . . .,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。,64,. . . .,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。,65,. . . .,66,. . . .,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,67,. . . .,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。,68,. . . .,F2,层,E,层,T,R,F2,层,E,层,T,R,F2,层,Es,层,T,R,E,层,E,层,E,层,69,. . . .,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。,70,. . . .,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,0.54.5ms,之间。,71,. . . .,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%,。,72,. . . .,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,。,模 式,路 径 时 延（,ms,）,1E,2E,12.73,3E,12.82,4E,12.93,1F,12.96,2F,13.45,2FE,13.65,3F,14.18,4F,15.13,5F,16.26,73,. . . .,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。,74,. . . .,（,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,200300km,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,20008000km,的线路上，可能存在的传播模式减少，故多径时延只有,23ms,。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,。,75,. . . .,（,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。,76,. . . .,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。,77,. . . .,（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”。,78,. . . .,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。,79,. . . .,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。,80,. . . .,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=0.39E,med,低于中值,8.2dB,，此时,T=90%,；若,E=0.1E,med,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？,81,. . . .,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,E,med,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,P,T,=660W,。,82,. . . .,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：,83,. . . .,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，,P,T,=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。,84,. . . .,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。,85,. . . .,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。,86,. . . .,（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。,87,. . . .,（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,。,88,. . . .,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。,89,. . . .,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。,90,. . . .,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,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：,式中，,n,为跳数；,f,为单跳多普勒频移；,ftot,为总频移值。,91,. . . .,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,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。,92,. . . .,静区,93,. . . .,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。,94,. . . .,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。,95,. . . .,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。,96,. . . .,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。,97,. . . .,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。,98,.