短波通信原理

短波通信原理盡管當(dāng)前新型無(wú)線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波這一古老和傳統(tǒng)的通信方式仍然受到全世界普遍重視，不僅沒有被淘太，還在快速發(fā)展。其原因主要有三：一、短波是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞鈕和有源中繼體制約的遠(yuǎn)程通信手段，一但發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)或?yàn)?zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊。無(wú)論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信能力與短波無(wú)可相比；二、在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)，超短波覆蓋不到，主要依靠短波；三、與衛(wèi)星通信相比，短波通信不用支付話費(fèi)，運(yùn)行成本低。近年來(lái)，短波通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。這些技術(shù)成果理應(yīng)被中國(guó)這樣的短波通信大國(guó)所用。用現(xiàn)代化的短波設(shè)備改造和充實(shí)我國(guó)各個(gè)重要領(lǐng)域的無(wú)線通信網(wǎng)，使之更加先進(jìn)和有效，滿足新時(shí)代各項(xiàng)工作的需要，無(wú)疑是非常有意義的。這里簡(jiǎn)要介紹短波通信的一般概念，優(yōu)化短波通信的經(jīng)驗(yàn)，以及一些熱門的新技術(shù)，如有錯(cuò)誤之處，歡迎閱正。1、短波通信的一般原理1.1.無(wú)線電波傳播無(wú)線電廣播、無(wú)線電通信、衛(wèi)星、雷達(dá)等都依靠無(wú)線電波的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線電波一般指波長(zhǎng)由100,000米到0.75毫米的電磁波。根據(jù)電磁波傳播的特性，又分為超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、中波、短波、超短波等若干波段，其中：超長(zhǎng)波的波長(zhǎng)為100,000米~10,000米，頻率3~30千赫；長(zhǎng)波的波長(zhǎng)為10,000米~1,000米，頻率30~300千赫；中波的波長(zhǎng)為1,000米~100米，頻率300千赫~1.6兆赫；短波的波長(zhǎng)為100米~10米，頻率為1.6~30兆赫；超短波的波長(zhǎng)為10米~1毫米，頻率為30~300,000兆赫（注：波長(zhǎng)在1米以下的超短波又稱為微波）。頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為：頻率=光速／波長(zhǎng)。電波在各種媒介質(zhì)及其分界面上傳播的過程中，由于反射、折射、散射及繞射，其傳播方向經(jīng)歷各種變化，由于擴(kuò)散和媒介質(zhì)的吸收，其場(chǎng)強(qiáng)不斷減弱。為使接收點(diǎn)有足夠的場(chǎng)強(qiáng)，必須掌握電波傳播的途徑、特點(diǎn)和規(guī)律，才能達(dá)到良好的通信效果。常見的傳播方式有：地波（地表面波）傳播沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ń械乇砻娌?，?jiǎn)稱地波。地波的傳播途徑如圖1.1所示。其傳播途徑主要取決于地面的電特性。地波在傳播過程中，由于能量逐漸被大地吸收，很快減弱（波長(zhǎng)越短，減弱越快），因而傳播距離不遠(yuǎn)。但地波不受氣候影響，可靠性高。超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、中波無(wú)線電信號(hào)，都是利用地波傳播的。短波近距離通信也利用地波傳播。直射波又稱為空間波，是由發(fā)射點(diǎn)從空間直線傳播到接收點(diǎn)的無(wú)線電波。直射波的傳播途徑如圖1.2所示。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中，它的強(qiáng)度衰減較慢，超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。在地面進(jìn)行直射波通信，其接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)由兩路組成：一路由發(fā)射天線直達(dá)接收天線，另一路由地面反射后到達(dá)接收天線，如果天線高度和方向架設(shè)不當(dāng)，容易造成相互干擾（例如電視的重影）。限制直射波通信距離的因素主要是地球表面弧度和山地、樓房等障礙物，因此超短波和微波天線要求盡量高架。天波傳播天波是由天線向高空輻射的電磁波遇到大氣電離層折射后返回地面的無(wú)線電波。傳播途徑如?1.3所示。電離層只對(duì)短波波段的電磁波產(chǎn)生反射作用，因此天波傳播主要用于短波遠(yuǎn)距離通信。

AB地球圖AB地球圖1.3天波傳播）散射傳播散射傳播是由天線輻射出去的電磁波投射到低空大氣層或電離層中不均勻介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生散射，其中一部份到達(dá)接收點(diǎn)。散射傳播距離遠(yuǎn)，但是效率低，不易操作，使用并不廣泛。1.2電離層的作用電離層對(duì)短波通信起著主要作用，因此是我們研究的重點(diǎn)。電離層是指從距地面大約60公里到2000公里處于電離狀態(tài)的高空大氣層上疏下密的高空大氣層，在太陽(yáng)紫外線、太陽(yáng)日冕的軟X射線和太陽(yáng)表面噴出的微粒流作用下，大氣氣體分子或原子中的電子分裂出來(lái)，形成離子和自由電子，這個(gè)過程叫電離。產(chǎn)生電離的大氣層稱為電離層。電離層分為D、E、F1、F2四層。D層高度60~90公里，白天可反射2~9MHz的頻率。E層高度85~150公里，這一層對(duì)短波的反射作用較小。F層對(duì)短波的反射作用最大，分為F1和F2兩層。F1層高度150~200公里，只在日間起作用，F(xiàn)2層高度大于200公里,是F層的主體，日間夜間都支持短波傳播。電離層的濃度對(duì)工作頻率的影響很大，濃度高時(shí)反射的頻率高，濃度低時(shí)反射的頻率低。電離的濃度以單位體積的自由電子數(shù)（即電密度）來(lái)表示。電離層的高度和濃度隨地區(qū)、季節(jié)、時(shí)間、太陽(yáng)黑子活動(dòng)等因素的變化而變化，這決定了短波通信的頻率也必須隨之改變。1.3短波頻率范圍電離層最高可反射40MHz的頻率，最低可反射1.5MHz的頻率。根據(jù)這一特性，短波工作頻段被確定為1.6MHz-30MHz。1.4短波傳播途徑短波的基本傳播途徑有兩個(gè)：一個(gè)是地波，一個(gè)是天波。如前所述，地波沿地球表面?zhèn)鞑?，其傳播距離取決于地表介質(zhì)特性。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對(duì)于電波傳播最為有利，短波地波信號(hào)可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對(duì)電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對(duì)電波的衰耗程度不一樣（潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信號(hào)沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。短波的主要傳播途徑是天波。短波信號(hào)由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬(wàn)公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的。在天波傳播過程中，路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會(huì)造成信號(hào)的弱化和畸變，影響短波通信的效果。2、單邊帶的概念在無(wú)線電通信中，傳送信息的載體是特定頻率的載波（也稱為主頻）。那么信息又是如何放到載波上的呢？這就引出了“調(diào)制”的概念。調(diào)制就是將信息的動(dòng)態(tài)波形通過一定形式加到載波上發(fā)送出去，接收臺(tái)收到被調(diào)制的載頻信后，再還原信息。調(diào)制分為幅度調(diào)制（簡(jiǎn)稱“調(diào)幅”）、頻率調(diào)制（簡(jiǎn)稱“調(diào)頻”）、相位調(diào)制（簡(jiǎn)稱“調(diào)相”）三種。中波、短波一般采用調(diào)幅方式，超短波一般采用調(diào)頻方式。根據(jù)國(guó)際協(xié)議，短波通信必須使用單邊帶調(diào)幅方式（SSB），只有短波廣播節(jié)目可以使用雙邊帶調(diào)幅方式（AM）。因此，國(guó)內(nèi)外使用的短波電臺(tái)都是單邊帶電臺(tái)。2.1單邊帶的定義調(diào)幅信號(hào)的頻譜是由中央載頻和上下兩個(gè)邊帶組成的。將載頻和其中一個(gè)邊帶加以抑制，剩下的一個(gè)邊帶就成為單邊帶信號(hào)。如果用一個(gè)邊帶再加上部份載

頻或全部載頻，就成為兼容式調(diào)幅信號(hào)。下面用圖示的方法說明單邊帶信號(hào)是怎樣產(chǎn)生的。（1）單音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和上邊帶信號(hào)波形如圖2.1所示。單音信號(hào)載頻信號(hào)經(jīng)單音信號(hào)調(diào)制附載鎖信號(hào)單音信號(hào)載頻信號(hào)經(jīng)單音信號(hào)調(diào)制附載鎖信號(hào)圖2.1單音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和上邊帶信號(hào)波圖）2）單音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和上邊帶信號(hào)頻譜如圖2.2所示上邊帶蓿上邊帶蓿圖2.2單音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和上邊帶信號(hào)頻譜圖）3）受話音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和邊帶信號(hào)波形及頻譜如圖2.3所示。

3語(yǔ)青刑制由上邊帝粳形和頻厝（a）語(yǔ)苣調(diào)制瑕走和嵌洛di吾音凋制由3語(yǔ)青刑制由上邊帝粳形和頻厝（a）語(yǔ)苣調(diào)制瑕走和嵌洛di吾音凋制由AM雇號(hào)菠形和頻i普（圖2.3受話音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)和邊帶信號(hào)波形及頻譜圖）（4）調(diào)幅話與兼容話的頻譜如圖2.4所示?！场?、 ,: 廣II丨「 A認(rèn)3調(diào)幅話須誥 r~^ 嚴(yán)w<t>>議客話頻詩(shī)（圖2.4調(diào)幅話與兼容話的頻譜圖）2.2單邊帶的優(yōu)點(diǎn)單邊帶的優(yōu)點(diǎn)是：①提高了頻譜利用