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。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10010Mm2超低频（SLF）30300Hz超长波101Mm3特低频（ULF）3003000Hz特长波1000100km4甚低频（VLF）330KHz甚长波（万米波） 10010km5低频（LF）30300KHz长波（千米波）101km6中频（MF）3003000KHz中波（百米波）1000100m7高频（HF）330MHz短波（十米波）10010m8甚高频（VHF）30300MHz超短波（米波）101m9特高频（UHF）3003000MHz分米波微波101dm10超高频（SHF）330GHz厘米波101cm11极高频（EHF）30300GHz毫米波101mm12至高频3003000GHz丝米波101丝米u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。 u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。u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。u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。u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。u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。 n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发射机发射机接收机接收机发射天线发射天线接收天线接收天线馈馈线线馈馈线线电磁波电磁波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接收机发射天线发射天线接收天线接收天线馈馈线线馈馈线线电磁波电磁波调调制制器器混混频频器器高高频频放放大大器器高频振荡器高频振荡器6.6.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发射天线发射天线馈馈线线调调制制器器混混频频器器高高频频放放大大器器高频振荡器高频振荡器低频（基带）低频（基带）信号信号中频信号中频信号高频振荡信号高频振荡信号射频信号射频信号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发射天线发射天线馈馈线线电磁波电磁波调调制制器器混混频频器器高高频频放放大大器器高频振荡器高频振荡器低频（基带）低频（基带）信号信号中频信号中频信号高频振荡信号高频振荡信号射频信号射频信号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天线接收天线馈馈线线第第一一混混频频器器高高频频放放大大器器一本振一本振第第二二混混频频器器二本振二本振二二中中放放解解调调器器低低频频（基基带带）放放大大器器一一中中放放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天线接收天线馈馈线线第第一一混混频频器器高高频频放放大大器器一本振一本振第第二二混混频频器器二本振二本振二二中中放放解解调调器器低低频频（基基带带）放放大大器器一一中中放放电磁波电磁波4.1.2 无线电传播的主要特点n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n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。ABC直射波直射波地面反射波地面反射波（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 气体在气体在90km以上以上的高空按其分子的高空按其分子的重量分层分布，的重量分层分布，如在如在300km高度高度上面主要成分是上面主要成分是氮原子氮原子在离地在离地90km以下以下的空间，由于大的空间，由于大气的对流作用，气的对流作用，各种气体均匀混各种气体均匀混合在一起合在一起电离层：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： 6090km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：90150km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：170200km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21012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：n突发E层（或称Es层）产生“遮蔽”现象n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n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，l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，l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35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短波在电离层中的传播特性1最高可用频率（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。hd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）。dhhffF为什么在同一电离层高度上有多个工作频率？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，从图中可以看出，这两条曲线存在有许多交点，所有的这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：例如：fob为为14MHz，对，对F2来讲存在两条传播路径，它们来讲存在两条传播路径，它们的反射点分别标为的反射点分别标为1和和1。E反射点反射点1的高度为的高度为380km，反射点，反射点1的高度为的高度为680km。EE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。E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。E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）。E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。04812162024t/h3456920f/MHz最高可用频率最高可用频率最高可用频率最高可用频率工作频率工作频率建议选用的工作建议选用的工作频率频率日频日频9MHz夜频夜频4.5MHz2传输模式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层层E层层TRF2层层E层层TRF2层层Es层层TRE层层E层层E层层理论上讲，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。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 。模 式路 径 时 延（ms）1E2E12.733E12.824E12.931F12.962F13.452FE13.653F14.184F15.135F16.26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。（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。u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。u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。u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。u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）、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。 6静区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。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：收发信收发信主机主机电源电源自动天自动天线耦合线耦合器器A调制解调制解调器调器扩展设扩展设备备500W功放功放自动天自动天线耦合线耦合器器B现代短波通信系统方框图现代短波通信系统方框图1主机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。频率合成器频率合成器电源电源逻辑控制逻辑控制信道部分信道部分选件选件收发信机主机方框图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（1.630MHz），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；当处于发射状态时音音频频放放大大调调制制载波载波混混频频1混混频频2激励激励1激励激励2线线性性放放大大功功率率放放大大ALC控制电路控制电路当处于接收状态时，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。当处于接收状态时选选频频网网络络射射频频放放大大混混频频1混混频频2本振本振1本振本振2中中频频放放大大解解调调AGC控制电路控制电路音音频频功功放放扬扬声声器器载波载波（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。微处理器系统微处理器系统电源电源射频信号检射频信号检测测匹配网络匹配网络射频输射频输入入（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10-210-3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10-510-6。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）。时时移移键键控控频频移移键键控控时时频频调调制制频频移移键键控控从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310-4，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12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，ai0。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，而随机噪声将导致随机错误。对于随机错误，信道的特性通常用差错率来描述；对于突发错误，通常用突发长度（即突发持续时间）和突发间隔时间的分布来描述。根据实际测量的结果，通常在设计差错控制系统时，要求能抗长度为3s的突发错误是比较适宜的。（2） 差错控制方式差错控制有两类基本方式： 1）反馈纠错根据线路接收端要求而自动重发的检错，简称ARQ。2）前向纠错在单向通讯信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。FEC 是利用数据进行传输冗长信息的方法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。 混合纠错 ARQ和FEC方式各有优缺点，可适用于不同的场合。目前在高质量的短波通信线路上，通常采用ARQ方式。 与FEC方式相比，ARQ的主要特点是：u准确度高u效率高u实现方便u兼有监测信道质量的功能ARQ系统的主要缺点是不能有效的用于通播网。这是由于ARQ采用反馈纠错方式时必须具备反馈信道，因此只适用于专向通信。当要用于通播网时，应该选用FEC差错控制方式。通播网是集通信网、广播网和计算机网为一体的全新网络 6、传播高速数据信号的调制技术、传播高速数据信号的调制技术在短波信道上传输高速数据的主要障碍是多径传播引起的波形展宽，若不采用专门的措施，在短波线路上传输的最高码元速率为200Baud，因此必须采取措施，使短波线路能传输2.4kb/s以上的高速数据信号。目前采用的串行制和并行制两种方法均可以满足高速数据的要求（1）传输高速数据的并行体制设计思想：将高速串行信道分裂成许多低速的并行信道。（2）传输高速数据的串行体制串行制调制器的作用是在一个话路带宽内串行发送高速数据信号，即发送端采用单载波发送高速数据信号，提高了高频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。短波线路之所以能够串行传输高速数据是因为采用了高效的自适应均衡、序列检测和信道估值等综合技术，基本克服了由于多径传播和信道畸变引起的码间串扰。（3）串行体制与并行体制的比较与并行体制相比，串行体制具有以下优点：u在误码率相同的条件下，串行制可通率较高，尤其适合对误码率要求很低的数据传输u在保证可通率相同的条件下，串行制误码率很低u进一步提高数据率的潜力较大u消除了发射功率的分散，信号具有较高的平均功率和峰值功率比4.2.3 短波通信系统的数字化 随着数字技术和微电子技术的迅速发展，数字信号处理器（DSP）等同用可编程器件的运算能力成倍提高，而间隔却显著下降，短波通信系统越来越多的功能可以由软件实现，由此产生了软件无线电1、短波软件无线电、短波软件无线电（1）软件无线电技术的特点软件无线电(Software Radio)作为一种新的无线通信概念和体制在国内外受到广泛的重视，其基本思想是把硬件作为无线电通信的基本平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来实现。软件无线电的优点系统结构通用，功能实现灵活具有很强的互操作性模块复用开发周期短要求系统的主要功能都用软件来实现，可方便地采用各种新的信号处理手段提高抗干扰性能（2）短波软件无线电系统的基本结构1）软件无线电思想的实现采用高速A/D和D/A及高速DSP，实现具有开放结构的短波软件无线电结构。系统主要由实时信道处理、环境分析管理和软件开发工具三个处理模块组成。实时信道处理：对各种业务进行综合，实现信源编码/解码、数据链路控制、基带自适应调制解调、SSB调制解调、上/下变频、分集技术及跳频等；环境分析管理：分析各种选择性衰落的特性，对信道质量进行评估、选择最佳工作频率及建立通信链路，并进行相应的控制以获得最佳通信状态；软件开发工具：通过分析无线通信环境、定义更先进的通信技术，并可通过修改各工作模块来实现业务和性能的升级。2）开放式模块化结构的实现4.2.4 短波自适应通信网一、短波自适应通信的基本概念短波通信由于具有通信距离远、建立迅速、机动性好、顽存性强、组网灵活等优点，目前仍然是无线电通信的主要手段之一。但短波通信的传输媒介-电离层是一种典型的时变媒质，存在着瑞利衰落、多径时延、多普勒频移及高强度噪声干扰等复杂的时变因素。短波自适应通信的任务就是实时地跟踪和补偿这种时变特性，保持通信的最佳化。 广义上的短波自适应技术是指能够连续地测量信号和系统的变化自动改变系统结构和参数，使系统自行适应环境变化和抵御人为干扰的技术。短波自适应包括频率自适应、功率自适应、传输速率自适应、自适应天线调零、分集自适应、自适应均衡等。狭义的短波自适应就是指短波频率自适应。短波频率自适应技术是指在通信过程中，不断测试短波信道的传输质量，实时选择最佳工作频率，使短波通信链路始终在传输条件最好的信道上，因此也称为实时选频技术。短波自适应通信技术具有以下作用：1有效改善了衰落现象 衰落现象严重影响了短波通信的质量。采用自适应通信技术后，通过链路质量分析，短波通信可以避开衰落现象比较严重的信道，选择在通信质量较稳定的信道上工作。 2有效克服了“静区”效应 采用短波自适应通信技术，可通过自动链路建立功能，系统可以尝试在所有的信道上尝试建立通信链路，找到不在“静区”的信道工作。 3提高了短波通信的抗干扰能力采用自适应通信技术后，在通信过程中，短波自适应系统仍在对信号进行质量监视，当通信质量低于门限值时，通过实时选频功能，通信双方将自动装换信道，避免工作信道受外界干扰而中断通信，提高了短波通信的抗干扰能力。 4缩小了白天和夜间接收信号质量的差别 采用自适应通信技术后，通过实时选频功能，通信系统在白天和夜间能自动选择通信质量较好的信道工作，保持了短波通信质量的稳定性。5有效拓展了短波通信业务范围 短波自适应通信系统不仅可以进行传统的报话通信，而且，在外接数字调制解调器和相应的终端设备，如计算机、传真机等，可以进行数据、传真和静态图像等非话业务通信。 二、短波频率自适应的分类二、短波频率自适应的分类 频率自适应根据功能不同分为通信与探测分离的独立系统和探测与通信一体的频率自适应系统两类。 根据所采用的技术形式可分为： 采用“脉冲探测RTCE”（real time channel evaluation 实时信道估计）的高频自适应；采用“Chirp（啁啾）探测RTCE”的高频自适应；采用“导频探测RTCE”的高频自适应；采用“错误记数RTCE”的高频自适应；采用“8移频键控（8FSK）RTCE”的高频自适应。根据是否发射探测信号分为：主动式选频系统和被动式选频系统。前者要发射探测信号，来完成自适应选频；后者无需发射探测信号，而是通过某种计算方法计算出电路的可通频段，在该可通频段内测量出安静频率作为通信频率。 三、短波自适应通信技术三、短波自适应通信技术 1、实时信道估计（RTCE）技术 RTCE: real time channel evaluation（1）RTCE的定义实时信道估计的定义首先由Darnell在1978年提出，根据Darnell的定义，实时信道估计是描述“实时测量一组信道的参数并利用得到的参数值来定量描述这组信道的状态和对传输某种通信业务的能力”的过程。在高频自适应通信系统中称他为链路质量分析，简称LQA（Link Quality Analysis）。由以上定义可以引出以下几个重要概念。 u实时测量信道参数是RTCE的主要任务。究竟采用何种信道参数，要视通信线路传输何种通信业务而定。对于数据传输，能直接反映数据传输质量的参数有信号能量、噪声能量、多径展宽或多径时炎、多普勒展宽即在给定时间内接收错误码元的数据等；对于传输语音信号，被测参数主要有语音清晰度、基带频谱及失真系数。uRTCE中“实时”的概念，应理解为“实时预报”。在通信线路中，采用具有RTCE的探测系统，其目的是为通信系统提供“将来”应该选用什么频率的信息。u采用RTCE的短波自适应系统和给定的通信线路与所要传输的通信业务密切相关。它并不考虑电离层结构和电离层的具体变化，而从特定线路出发，发送某种形式的探测信号，接收端在规定的彝族信道上测量被选定的参数，通过实时处理所得数据，即可定量地区分被测信道的优劣，从而为通信线路提供实时的频率资源信息。 uRTCE最终目的是要能描述在一组信道上传输某种通信业务的能力。在RTCE中反映这种能力最好是和线路上传输某种通信业务的质量指标联系起来。通常传输数据采用误码率，传输语音时用清晰度较为适宜。 2电离层脉冲探测RTCE电离层脉冲探测是早期应用最广泛的RTCE形式，它是一种采用时间与频率同步传输和接收的脉冲探测系统。发送端采用高功率的脉冲探测发射机，在给定的时刻和预调的短波频道上发射窄脉冲信号，远方站的探测接收机按预定的传输计划和执行程序进行同步接收。电离层脉冲探测系统正常工作的基础是收发探测电路在时间和频率上应同步传输。缺点：由于脉冲探测信号形式过于简单且宽度较窄，这就要求脉冲探测接收机具有较宽的带宽，整个探测接收过程易受干扰的影响。改进办法：对每个频率上的各个探测脉冲进行调制。3电离层调频连续波探测RTCE调频连续波探测是另一种电离层探测方式，探测信号采用了调频连续波（FMCW），也称啁啾（Chirp）信号。接收端通过对Chirp探测信号的分析，可以测得电离图、干扰分布图和信号功率分布图，利用这三张分布图，可用观察法人工地确定最佳工作频率。或者把三张图中得到的信号功率、噪声功率和多径时延的数据送入频率管理终端，在屏幕上直接读出被测信道的频率质量等级。 四、短波自适应通信系统四、短波自适应通信系统 短波自适应系统是利用信令技术通过电离层进行沟通联络，具有自动选择和建立线路功能的通信系统，其组成如下图所示。虽然短波自适应通信系统产品繁多，但基本功能大同小异，主要有以下五个方面的功能。 自动天线自动天线调谐器调谐器单边带收单边带收发信机发信机自适应自适应控制器控制器短波自适应通信系统基本框图短波自适应通信系统基本框图1RTCE功能短波自适应通信能适应不断变化的传输介质，具有RTCE功能。这种功能在短波自适应通信设备中称为链路质量分析，建成LQA（Link Quality Analysis）。LQA是一种实时选频技术。它通过在所有已编程信道上发送探测信息，接收方根据接收信息质量，以打分的形式对信道进行综合质量评估，并将评估结果以由好到差的顺序依次排队，并存储于存储器中，以便通信时选用。2自动扫描接收功能为了接收选择呼叫和进行LQA试验，网内所有电台都必须具有自动扫描接收功能。即在预先规定的一组信道上循环扫描，并在每一信道停顿期间等候呼叫或者LQA探测信号的出现。 3自动链路建立（ALE）功能短波自适应通信系统根据LQA矩阵全自动地建立通信线路，这种功能也称“ALE”（Automatic Link Establishment）。在LQA基础上，电台储存了关于与其它电台之间所有已编程信道的质量及排序信息，为自动链路建立准备了必要的条件。ALE是指主叫台自动选择最佳可用信道沟通被叫目标台，以实现与被叫目标台的通信。4信道自动切换功能由于短波信道存在的随机干扰、选择性衰落、多径等都有可能使已建立的信道质量恶化，甚至可能使通信中断。因此，短波自适应通信应能够不断跟踪电离层传输媒质的变化，以保证线路的传输质量。当电台之间的通信链路在某一信道上建立后，在进行通信的同时，电台仍在对信道的通信质量实施检测。当碰到电波传播条件变坏，或通信信道遭受强烈的干扰以至于质量下降到低于门限值时，自适应通信系统应能做出信道切换的响应，使通信频率自动跳到LQA矩阵中次佳的频率上。 5选址呼叫功能选址呼叫是可以进行呼叫方式选择和呼叫对象选择。它分为单台呼叫、网络呼叫、全呼及插入链路呼叫等。单台呼叫是使用目标台的单台地址执行呼叫，与单个电台建立通信；网络呼叫是使用目标台网络地址执行呼叫，与编入网络内的所有网络成员建立通信；全呼是与守听主叫台具有共同信道的所有单台建立通信链路，是一种广播呼叫；插入链路呼叫是当两个电台或多个电台已建立通信链路，另有电台想进入链路时，可选择插入链路呼叫，其呼叫方式有两种；一种是欲插入的电台向已在链路上的任意一个单台呼叫；另一种是在链路上的任意一个单台不退出链路，向欲插入的电台呼叫，将其拉入链路。 4.2.6 短波通信系统的应用与发展 （一）短波通信具有很多其他通信方式无法比拟的优势：1.不需接力站中继即可实现远距离的通信，因而建设和维护费用低，建设周期短；2.通信设备简单，可以根据使用要求固定设置、进行定点固定通信。也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进行移动通信；3.电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的灵活性；4.短波通信对于自然灾害或战争的抗毁性较强。通信设备体积小，容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避干扰和窃听，破坏后容易恢复。正是由于以上优点，短波通信一直被广泛用于军事、公安、边防、石油、矿山、渔业、森林防火、抗洪救灾、江河管理等部门，尤其适用于边远偏僻地区，山区、船岸之间的通信联络。（二）短波通信的应用： 1在机动通信中的应用 我国幅员辽阔地形复杂的地区，对短波车载通信的需求之迫切是自不待言的。在超短波通信距离有限，卫星通信受设备和话费制约的情况下，短波是很多用户解决远程移动通信的惟一手段。2在军事通信领域的应用 短波传输系统是国防通信网的重要组成部分之一，主要用于建立各级指挥员之间快速、直接指挥通信和陆、海、空军之间的协同通信。它能保障方向不明、距离不等、位置不定的指挥员于作战部（分）队之间的通信。 （三）短波通信的主要发展方向 ： 1采用实时选频技术，以选择最佳信道。由于短波电离层反射信道参数和各种干扰的时变性，工作频率的选择不能完全依赖于长期预报而要求实时预报，即利用实时选频技术找到电波不会穿出电离层、传播损耗小、多径时延小和无干扰或弱干扰的最佳工作频率。采用实时选频可以在百分之九十的时间内，使短波的信道误码率保持在 或更好。 2.采用各种自适应技术，以适应变参和干扰严重的短波信道。这些技术包括数据速率的自适应、发射功率的自适应、对基带内窄带干扰的自适应（基带内频率捷变技术）、自适应均衡和使天线方向图的零点总对准干扰方向的自适应等技术。3.采用新的调制制度、分级接收技术、差错控制技术和压缩扩张技术等，进一步提高短波通信抗衰落和抗干扰的性能。 4.3 超短波通信系统4.3.1 超短波通信系统的组成及工作原理4.3.2 超短波调频电台组网4.3.3 超短波通信系统的主要应用及发展（一）超短波通信系统的组成及工作原理 超短波电台一般用于近距离通信，其形式主要是车载、机载、背负、手持等，一般要求其体积小、重量轻、功能多、抗干扰能力强。超短波电台经历多年的发展，其电路形式变化不大。但就具体电路而言，新技术、新器件大量地应用于超短波电台，使超短波电台的性能和功能得到明显的提高和改善，特别是扩频通信技术在超短波电台中的应用，使得电台的抗干扰能力、组网能力都有了质的变化。 1传统超短波通信系统组成及工作原理 传统超短波通信系统由终端站和中继站组成，终端站装有发射机、接收机、载波终端机和天线。中继站则仅有通达两个方向的发射机、接收机以及相应的天线。 （1）超短波发射机 超短波发射机一般采用间接调频法，即利用调相获得调频的方法。这样可用频率稳定度较高的晶体振荡器作主振器，而不必用复杂的频率控制系统。但为了减少寄生调幅和非线性失真，调制系数不能太大（一般小于0.5 rad）。因此，在这种发射机中要用多级倍频器，以获取所需的频偏，从而提高发射频率的边带功率。发射机末端使用高频率高功率放大器。在超短波低频段尚可用集中参数元件构成调谐回路，其高频端可用微带部件。 （2）超短波接收机 一般采用典型的调频式超外差接收机。主要由高频放大、本地震荡、变频（一次或二次）、中频放大、限幅、鉴频及基带放大等部件组成。超短波段外来干扰较多，需在接收机输入端加螺旋式滤波器，在中放级加输入带通滤波器以抑制干扰。中放后的调频信号，通过限幅器，可消去混杂近来的脉冲干扰或寄生调幅波，以改善信噪比。然后用鉴频器把原来的基带信号恢复出来，加以放大，再由载波终端机分路输出相应用户。 （3）载波终端机 将超短波发射机和超短波接收机的四线基带信号分路还原合并为多路二线语音信号，接通用户或接至市话交换机的设备。载波终端机只装载超短波终端站。（4）天线 由于超短波波长较短，一般采用结构简单、增益较高、方向性较好的三单元或五单元八木天线。在接近微波段的高频段，也可采用角形面反射天线。2现代超短波通信系统的组成和工作原理 现代超短波通信系统的组成可归结为发信通道、接收通道、频率合成器、逻辑控制器、跳频单元、电源及其辅助电路等，如图所示。图中，发信通道部分主要由音频信号处理部分、锁相环调频单元、功放、滤波输出单元电路组成，其作用是将音频信号放大后送至锁相环对VCO调制，形成调频波，再经功率放大、滤波后输出至天线。接收通道部分主要由高放、变频（一次或二次）组成。鉴频器解调出音频信号，经音频放大推动耳机或扬声器。频率合成器一般为数字频率合成器，在发射时完成调频功能，在接收时完成产生本振信号的任务，在逻辑控制单元或跳频保密单元的控制下改变其中心频率的高低或跳变。 逻辑控制部分发信通道部分频率合成器部分接收通道部分电源跳频保密单元 逻辑控制部分是由微处理器及一些外设电路组成的控制电路，根据操作人员的指令需要对整机实施控制和管理。在跳频状态下可以与跳频单元交换信息，实现跳频通信的工作方式。跳频通信是一种无线电抗干扰措施，在现代超短波电台中普遍采用，有些还实现自适应跳频通信，跳频速率是跳频通信的重要指标，跳速越高其抗电子干扰、抗截获、抗窃听的性能越好。 电源提供整机工作电源，背负式、手持式电台一般由蓄电池供电。 （二）超短波通信系统的主要应用与发展 超短波通信主要靠直接波传播，通信距离一般不超过40-50公里。近距离语音通信靠地波传播，通信距离一般只有几公里。靠直接波传播的超短波通信，为了延长通信距离，通常在通信两地之间设立若干个中间站，通过中间站的转发来实现超视距传播，这种通信方式称为无线电接力通信。此外也可采用其他传输机理或媒介来获得超视距的超短波通信，如散射通信、流星余迹通信、卫星通信等。 1在移动通信中的应用 超短波波长较短，因而收发天线尺寸可以较小。在短距离通信时，只需要配备很小的通信设备，因此广泛应用于移动通信方式。20世纪80年代以来，与电话交换技术结合，移动电台可以通过电话交换机以拨号方式与其它移动电台构成双向通信电路，称作无线电话（或移动电话），并可与市话网互通，形成方便灵活的通信网。最小型的移动电台为手持式，重量不足1000克。记者随身携带进入现场采访，在几千米范围内随时可与编辑部保持联系。如果带有文字传真、图像传真或用便携式计算机编写稿件的设备，则可将采访到的稿件或照片当场发回编辑部。 2在县级防汛调度网和水库网中的应用 超短波网作用距离有限，但音质好，干扰小，机型小巧携带方便，移动方式通信，机动性好，最适合县级防汛调度网和水库网。3在水文遥测中的应用 无线通信方式最适合在水文遥测中的应用，现阶段主要有超短波（VHF）、微波及卫星通信三种方式。其中超短波通信是水文自动测报系统应用最广泛、最成功的一种通信方式。 4在应急保障通信中的应用 我国目前传统的应急通信保障模式是由几家基础电信运营商的机动通信局或分队组成，以保障战备、抢险救灾和通信网络为主。除次之外，还有政府职能部门和公共服务事业单位的无线电通信网络。其中，既有模拟集群通信系统，也有数字集群通信系统，还有常规无线对讲通信系统。现有的超短波应急通信系统主要分为八类。 （1）公共安全网 由公安、安全、消防和交警部门组建，为公安、交警、急救等应急处置提供通信和信息保障。 （2）市政公用网 主要担负全市供水、供气、公交、出租、市政、排水和路灯等保供保运保障任务，采用的是450MHz常规对讲通信系统。 （3）抗洪防汛和水上安全救助网 包括由海事、港口、沿江管理部门组建的150MHz和800MHz水上应急网和集群系统。（4）三防网 即防火、防震、防空，主要采用400MHz或450MHz的常规通信网以及人防部门组建的450MHz模拟集群通信系统。（5）医疗救护网 主要使用的是450MHz常规对讲通信系统。（6）政府城市管理和调度指挥网 采用的是由市无线电管理机构、机关事务管理部门、城市综合管理等部门组建的常规对讲通信系统。（7）交通运使能源石油等指挥调度专网 主要有民航的800MHz模拟集群系统和150MHz甚高频通信系统，铁路的150MHz和450MHz列车调度系统，地铁的800MHz TETRA数字集群系统，电力的800MHz集群之后调度系统和400MHz常规系统，高速公路的800MHz模拟集群系统，石油化工的800MHz集群指挥调度系统和150MHz、450MHz常规通信系统等。（8）业余无线电爱好者网 主要使用的是144MHz和433MHz常规对讲通信系统。目前无论是几大基础电信运营商，还是政府部门与公共服务事业单位的应急通信保障系统，无线电通信在其中的地位和作用是显而易见的，可以说，一旦离开无线电通信，各个应急通信保障系统都将会立即陷入瘫痪状态。因此，无线电特别是超短波通信是应急通信保障系统的重要组成部门，其重要地位和作用是不可替代的。 5超短波通信系统的发展方向超短波通信系统的发展方向主要表现在以下几个方面：（1）设备全固态化，更多地采用集成电路；（2）采用太阳能电池等新能源；（3）提高抗干扰性能，压缩频带；（4）研制无人中继设备。