淺議短波通信實際應(yīng)用中的頻率選擇

梁擁軍

河北省人防（民防）指揮信息保障中心

在無線電通信中，無線電發(fā)射機的天線輻射載有信息的電磁波，到達接收點無線電接收機的天線，要經(jīng)過一段自然路徑。無線電波主要擁有視距傳播、地波傳播以及天波傳播三種傳輸途徑。短波無線電波的傳播與其他頻段的傳播不同，有其獨特的傳播規(guī)律，需要對其進行充分的認識，才能充分發(fā)揮出短波無線電波的作用。

無線電波的傳播路徑

無線電波的傳播路徑分為視距傳播、地波傳播和天波傳播三種。

視距傳播是指電波的發(fā)射與接收天線處于可視范圍內(nèi)，電波在靠近地面的地空中以接近直線的路徑進行傳播。當(dāng)發(fā)射功率保持固定時，視距傳播的距離主要受收發(fā)雙方天線高度的影響，該傳播方式主要用于短波通信。視距傳播基本不會受到天氣因素的影響，具有傳輸質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點。

地波傳播方式是指電波沿著地球表面進行傳播的一種方式，當(dāng)電波以地波傳播方式進行傳播的過程中，在地表面會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，這些電荷會隨著電波的前進而形成一定的地電流。由于大地存在一定的電阻，電流在流過大地時會消耗一定的能量，此時地面會吸收一定的電波。地電阻的大小與電波頻率存在直接關(guān)系，當(dāng)電波頻率越高時，地電阻越大。因此，地波傳播方式更適合中長波的傳播。地波傳播方式由于距離由于沿地表傳播，基本不會受到天氣因素的影響，具有較好的傳輸質(zhì)量。

天波傳播方式是指地面發(fā)出的電波經(jīng)過電離層的折射返回到地面的一種傳輸方式。通過天波傳播方式，小功率的短波無線電臺可以獨自實現(xiàn)長達數(shù)百公里甚至數(shù)千公里的傳輸路徑。但是由于電離層會隨著時間的推移不斷發(fā)生變化，因此，天波傳播的質(zhì)量也會隨著電離層的變化不斷發(fā)生變化。

短波的地波傳播

以地波方式進行短波通信，可以在一定的距離內(nèi)建立穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的具體有效距離主要受到短波電臺的發(fā)射功率、天線的結(jié)構(gòu)以及具體的傳播路徑的影響，同時還會受到載波頻段的影響。當(dāng)前三個條件固定的情況下，載波頻率成為提高通信距離的唯一因素。由于頻率越低，大地對電波的吸收越小，通常選擇短波頻率的低段（2～6MHz）作為地波通信頻率。地波的傳播距離越遠，信號強度越低，當(dāng)達到一定距離之后，短波通信的信噪比會降低到無法保證通信可靠進行的程度，而導(dǎo)致信號中斷。短波通信過程中的噪聲主要來自大氣的天線以及天線周圍的電器干擾。通常情況下，合理的載波頻率選擇，可以有效保證數(shù)十公里的可靠通信距離。

短波的天波傳播

（1）電離層

由于天波傳播方式主要依靠電離層的反射，因此，了解電離層在不同時段對不同頻率短波電波的反射規(guī)律，對提高短波無線通信的質(zhì)量具有重要作用。在電離層中，隊短波通信影響較大的主要為D、E、F1、F2 層，各層的中部電子密度最大且各層之間不存在明顯的界限。

D 層：高度 60～80km，中午電子密度最大，入夜后很快消失；

E 層：高度 100～120km，白天電子密度增加，晚上相應(yīng)減少；

F1 層：高度 180km，中午電子密度最大，入夜后很快消失；

F2 層：高度 200～400km，電子密度在下午達到最大值，之后不斷減少，黎明降到最小值。

（2）電離層對電波的折射和反射

電離層對電波的折射率主要與電離層電子密度以及電波頻率有關(guān)。其中，電離層的電子密度越高，對電波的折射率越大；電波的頻率越高，電離層對電波的折射率越小。隨著電離層高度的增加，電子密度會逐漸上升，對電波的折射率也不斷上升。當(dāng)電波的頻率一定時，電波的入射角越大，則越容易被電離層反射回地面，而當(dāng)入射角度小于一定值時，電波則會穿過電離層進入太空中。當(dāng)入射角固定時，電波的頻率越高，電波需要進入更高的電離層空間，才能被反射會地面，而當(dāng)電波頻率達到一定程度時，因為折射角條件無法滿足而穿過電離層進入太空中。

（3）電離層對電波的吸收

電波在通過電離層時，電離層中的自由電子在電波的作用下會不斷運動，逐漸消耗電波的能量，這即是電離層對電波的吸收。具體的吸收程度主要與電離層的電子密度和電波的頻率有關(guān)。當(dāng)電子密度越高、電波頻率越低時，電離層對電波的吸收越強。

短波電臺通信頻率的選擇

由于電離層的高度及電子的密度不斷變化，因此對短波電臺通信頻率的選擇是保證通信質(zhì)量的關(guān)鍵，如果選擇的頻率過低，則可能導(dǎo)致電離層對電波的吸收過強，無法保證短波信號的信噪比；而如果選擇的頻率過高，則可能導(dǎo)致電波直接穿過電離層進入太空。對此，需要考慮以下原則。

（1）當(dāng)通信距離固定時，短波電波的頻率不能超過能夠被電離層反射回來的最高頻率。否則，電波將穿過電離層進入太空。

（2）當(dāng)短波電波的通信頻率越低時，電離層對電波的吸收程度越強，當(dāng)短波電波的頻率降低到一定程度之后，會導(dǎo)致短波的信噪比下降，影響通信質(zhì)量。通常，短波的最低通信頻率為3～4MHz。

（3）根據(jù)時間的變化對短波的頻率進行合理調(diào)整。通常在白天和夜晚分別選擇不同的頻率，通常在電離層電子密度變化劇烈的黎明和黃昏時刻對電波頻率進行調(diào)整。

短波通信的“盲區(qū)”

盲區(qū)是短波無線電通信過程中的常見問題之一。通常該盲區(qū)存在于地波最大傳輸距離與天波的最近反射距離之間。在一方天線高架的情況下，盲區(qū)通常在距離短波發(fā)射天線數(shù)十公里到150km 左右的范圍內(nèi)。從理論上講，在盲區(qū)內(nèi)無法收到任何信號。但是，可以通過當(dāng)前一些新的天線技術(shù)來解決盲區(qū)問題，通過在忙去內(nèi)進行低頻傳輸，降低大地對電波的吸收，同時使仰角較大的電波反射回地面，可以改善信噪比。

關(guān)于“頻率自適應(yīng)技術(shù)”

（1）傳統(tǒng)短波通信選頻方式的固有缺陷：合理選頻對中遠程短波通信至關(guān)重要，這一點已有說明。傳統(tǒng)的中遠程短波通信的選頻模式是：通信指揮人員根據(jù)長期頻率預(yù)測和短期頻率預(yù)測以及電離層隨季節(jié)、晝夜變化規(guī)律和通信距離指定“時間-頻率表”，各臺站之間以定時、定頻的方式進行通信聯(lián)絡(luò)。但是要想對電離層的傳輸頻率進行準確預(yù)測，并始終保證通信質(zhì)量難度較大。其主要原因是：短波信道（電離層）是一種典型的隨機變參數(shù)信道，它的信道特性隨時間、空間和工作頻率而隨機變化。而預(yù)測所得到的頻率是在既往資料的基礎(chǔ)上，運用統(tǒng)計學(xué)方法得到的，可能與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐膶嶋H電離層傳輸頻率有較大的偏差，并且無法考慮到諸如多徑效應(yīng)、多普勒頻移和各種干擾等因素，是一種比較粗糙的辦法。以這種方法預(yù)測的工作頻率有時只能作為參考。

（2）問題的解決辦法：為使現(xiàn)有的裝備能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，應(yīng)盡可能減少通信系統(tǒng)對人員條件的依賴，采取技術(shù)措施使設(shè)備操作（關(guān)鍵是頻點選擇）自動化、“傻瓜”化。當(dāng)前，中遠程短波通信自動選擇可用工作頻點的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。短波自適應(yīng)通信方式是現(xiàn)代短波通信的象征，使短波通信系統(tǒng)具有自動適應(yīng)通信條件變化的能力。它采用微處理機控制技術(shù)，使短波通信機實現(xiàn)自動頻率選擇、自動信道存儲、自動天線調(diào)諧，能實時選擇出當(dāng)時當(dāng)?shù)刈罴训亩滩ㄍㄐ判诺溃朔滩ㄐ诺赖臅r變性，能非常有效地改善通信效果，簡化了人工選頻的復(fù)雜操作，非專業(yè)人員也能使用。

（3）頻率自適應(yīng)系統(tǒng)的工作過程為：在鏈路建立前，主叫方先在一組預(yù)置頻率上發(fā)送測試碼，被叫方接收并測量信號質(zhì)量，對各信道的通信質(zhì)量評分，按優(yōu)劣排序。然后，向主叫方發(fā)出應(yīng)答信號，反饋各可用信道評分排序信息。主叫方收到應(yīng)答信號后，向被叫方發(fā)出確認信號，雙方建立頻率庫，進入自適應(yīng)掃描狀態(tài)。此時，通信各方發(fā)射機處于寂靜狀態(tài)，接收機對已存入頻率庫的各頻點循環(huán)掃描。當(dāng)需要進行通話時，主叫臺在頻率庫中選取最佳信道發(fā)出呼叫信號，被叫目標(biāo)臺收到呼叫信號后發(fā)送應(yīng)答信號，主叫臺收到應(yīng)答信號后發(fā)出確認信號。至此，鏈路建立完成，可以進行通信。如果主叫臺在最佳信道上呼叫不通，鏈路未能建立，則自動轉(zhuǎn)入排序第二位的信道上執(zhí)行呼叫，依此下去，直到鏈路建立。

頻率自適應(yīng)技術(shù)使短波通信的質(zhì)量產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，將人的因素對通信系統(tǒng)的影響降低到最低限度，賦予短波通信以新的生命（在此前，短波通信因其前述的固有缺陷而趨于沒落），得以充分發(fā)揮其他通信手段所不具備的獨特優(yōu)勢。