短波在無線電通信中的作用及特點

【摘要】 短波的頻率范圍1.5MHz-30MHz，傳播途徑分為地波和天波兩種。其中地波因為受地面吸收和地面電氣特性的影響而衰減的程度較大，只適用于短距離通信。因此短波通信的主要傳播路徑是天波。天波的傳播是利用電離層的反射來實現(xiàn)的，尤其是多次反射后可以實現(xiàn)全球通信。地波傳播受天氣的影響較小，比較穩(wěn)定，信道參數(shù)基本上不隨時間的變化而變化，是恒參信道。

【關(guān)鍵詞】 地波 天波 電離層 多跳路徑

一、概述

1.1短波的傳播方式

短波的傳播方式有地波和天波兩種。無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ牟糠址Q為地波（或地表波）。短波地波受地面吸收而衰減的程度比長波和中波大，而且受地面電氣特性的影響也較大，故短波地波傳播適用于近距離通信。地波衰減隨工作頻率遞增，利用地波進(jìn)行通信時，工作頻率一般選在短波的低頻段。地波傳播受天氣影響較小，比較穩(wěn)定，信道參數(shù)基本上不隨時間而變化，故地波傳播信道可以看作恒參信道。

無線電波射向天空經(jīng)電離層反射回地面的部分稱為天波。傾斜投射的天波經(jīng)電離層反射后，可以傳播到幾千公里外的地面。天波的傳播損耗比地波小得多。由電離層反射回的電波本來傳播就要遠(yuǎn)些，尤其是地面和電離層之間多次反射（多跳傳播）之后，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的地方。因此，利用天波可以進(jìn)行全球通信。天波傳播受電離層變化和多徑傳輸?shù)膰?yán)重影響而極不穩(wěn)定，其信道參數(shù)隨時間、環(huán)境等因素而變化，因此稱為時變信道或參變信道。盡管天波傳播不穩(wěn)定，但由于可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，因此在無線電通信中仍非常重要。天波既可用于遠(yuǎn)距離通信還可以用于近距離通信。在地形復(fù)雜、短波地波或視距微波受阻攔而無法到達(dá)的地區(qū)，利用高仰角投射的天波可以實現(xiàn)通信。短波通信鏈路主要依靠天波傳播來建立。天波傳播的最大優(yōu)點是傳輸損耗較小，從而可以利用較小的功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。天波經(jīng)電離層反射，一跳可達(dá)4000km，如再經(jīng)地面反射，則多跳傳播可以到達(dá)地球上的任何地點。對于近距離鏈路，也可以利用地波來建立。但如果地面的電氣特性差或者受到高山等地理環(huán)境影響時，傳播損耗太大，則利用天波傳播。

1.2 電離層特性

電離層的特性隨地理位置而變，并有日變化、季變化和年變化。因此，電離層的這種傳輸介質(zhì)在時域、空域和頻域三方面都呈現(xiàn)著顯著的隨機(jī)性由于電離層不穩(wěn)定以及天波傳播過程中存在多徑衰落、多普勒頻移、極化面旋轉(zhuǎn)、非相干散射等效應(yīng)，這就使短波天波信道具有時變色散傳輸特性，這是天波傳播的主要的不利因素，天波信道的質(zhì)量，一般只能依賴大量傳輸情況的統(tǒng)計分析資料來作出預(yù)測。按照電子的分布情況，電離層通常分成三個區(qū)（或?qū)樱?，按高度順序由下向上，分別稱為D區(qū)、E區(qū)和F區(qū)。而且各層的高度和電子密度隨時間和地理位置而變。就高頻傳播來說，F(xiàn)層是主要的反射層，D層主要起吸收作用，E層則介于二者之間，當(dāng)電波由F層反射時，它是吸收層，條件適當(dāng)時它又可能成為反射層。當(dāng)入射角HO一定時，頻率越高，即電波要進(jìn)入電離層更深入的地方才能出現(xiàn)全反射，如圖1所示。

如果頻率太高，電離層最大電子濃度值Nmax不足以使電波全反射，電波將穿透電離層而進(jìn)入太空。圖1 入射角固定而頻率改變時的射線軌跡短波信號是按照發(fā)射天線的輻射圖形在一定角度范圍內(nèi)發(fā)射的，不同的仰角有不同的輻值。某一發(fā)射頻率由電離層反射時，可能有很多條傳播路徑。

由圖2可見，電離層反射每跳所能達(dá)到的地面距離與射線輻射仰角和反射層高度有關(guān)。模式的表示方法是E，ES和F表示相應(yīng)的反射層，用短橫表示地面反射；字母之間沒有短橫，則表示射線在電離層之間連續(xù)反射。如F2層高度為320km，則當(dāng)輻射角為0b時（地面切線），一跳可達(dá)4000km；當(dāng)輻射角為2b時，一跳可達(dá)3500km。電離層高度增加時，距離增大，反之則減小。通常，F(xiàn)2層一條最大距離按3500-4000km來考慮。

圖2 比較常見的幾種混合傳輸模式 T-發(fā)射端 R-接收端

電波長距離傳播時，需要多次反射（多跳），由于路徑上各處電離層的高度和臨界頻率不同，并且隨著時間變化，傳播情況往往十分復(fù)雜，如圖3所示。沿著不同的傳播路徑，同時或者接近同時到達(dá)接收點。由各不同傳播路徑到達(dá)的信號，具有不同的仰角、強(qiáng)度和相對時延。

二、 短波通信的主要優(yōu)點

（1）短波通信不需要接力進(jìn)行中續(xù)，即可建立長距離通信鏈路，因此建設(shè)費(fèi)用省，維護(hù)費(fèi)用低，建設(shè)周期短。中等距離或近距離通信用的中、小型設(shè)備安裝便利；車載式設(shè)備可以在運(yùn)輸?shù)竭_(dá)后立即投入使用。

（2）短波通信設(shè)備比較簡單，可以根據(jù)業(yè)務(wù)或使用要求固定設(shè)置，進(jìn)行定點通信也可以裝入船艦、車輛或飛行器中進(jìn)行移動通信。小型設(shè)備體積小，重量輕，可以背負(fù)或手持使用。短波通信電路調(diào)度容易，臨時組網(wǎng)方便、迅速，具有很大的靈活性。

（3）短波是進(jìn)行遠(yuǎn)距離、全方位或區(qū)域性廣播（或通播）業(yè)務(wù)的良好手段，因為接收端只需配置短波接收機(jī)即可接收廣播消息。通信衛(wèi)星雖然也可供新聞通信業(yè)務(wù)作遠(yuǎn)距離廣播使用，但目前的接收設(shè)備相對來說則復(fù)雜、昂貴得多。

（4）短波通信系統(tǒng)對于自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭的抗毀性能較強(qiáng)。通信設(shè)備體積小、容易隱蔽，便于改變工作頻率以躲避敵人干擾和竊聽，破壞后容易恢復(fù)。

這些特點是通信衛(wèi)星、地面微波、同軸電纜光纖電纜等通信手段無法相比的。

三、短波通信的主要缺點

（1）可供短波通信使用的頻段，如按1.5-30MHz計算，寬度只有28.4MHz。這樣窄的頻段除供各種通信業(yè)務(wù)使用外，還有一部分分配給其它用途。短波電臺數(shù)量很多，短波頻段，特別是10MH以下部分的頻率占用情況十分擁擠。雖然，在頻率指配方面已經(jīng)考慮了頻率再利用，但由于天波傳范圍很廣，這對于解決頻率擁擠總是沒有顯著效果。短波頻段通信容量小，電臺之間干擾問題突出，這就大大限制了短波通信的發(fā)展。

（2）短波天波通信是變參信道，信號傳輸情況很不穩(wěn)定。電離層的變化使信號產(chǎn)生衰落，衰落的輻度和頻次也在連續(xù)不斷地變化。天波信道還經(jīng)常出現(xiàn)多路徑傳輸，使信號出現(xiàn)頻率選擇性衰落和多徑延遲。此外，在天波和地波都能到達(dá)的地方，天波和地波之間的干涉也能使信號衰落。選擇性衰落使接收信號失真。多徑時延則使接收信號在時間上擴(kuò)散，成為短波鏈路傳輸數(shù)據(jù)能力的主要限制因素。當(dāng)出現(xiàn)電離層突然騷擾和電離層暴等騷亂現(xiàn)象時，通信情況往往會急劇變壞，甚至完全中斷。

（3）大氣無線電噪聲和人為無線電噪聲，在無線電頻譜的低端，強(qiáng)度很高；隨著頻率的升高，強(qiáng)度逐漸降低。在短波頻段，這類噪聲雖然比在長波和中波頻段要低得多，但仍有相當(dāng)高的強(qiáng)度，影響著短波信號的接收。尤其是脈沖型突發(fā)噪聲，經(jīng)常會使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)突發(fā)差錯，嚴(yán)重影響接收質(zhì)量。短波無線電通信已有數(shù)十年歷史，由于短波所具有的極其鮮明的特點，在五六十年代曾是它的鼎盛時期?？墒且驗槎滩ㄐ诺朗亲儏⑿诺?，頻段擁擠，大氣和人為噪聲大，干擾嚴(yán)重，因此通信可靠性差。隨著地面微波、有線通信、通信衛(wèi)星、光纖通信等較好通信手段的出現(xiàn)，許多短波通信鏈路被逐漸取代。七十年代末期以來，短波通信技術(shù)有了很大進(jìn)展。隨著電離層信道特性的深入探索，大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)等新器件的應(yīng)用，以及自適應(yīng)天線等新技術(shù)的開發(fā)，新一代短波通信設(shè)備已經(jīng)涌現(xiàn)出來。短波通信鏈路盡管其信道容量小和數(shù)據(jù)率低的固有的缺點沒有改變，但鏈路質(zhì)量大大提高，無論話音傳輸還是數(shù)據(jù)傳輸都可以與衛(wèi)星鏈路相比，所以在軍事通信方面和民用通信方面仍發(fā)揮著重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]何非常 軍事通信. 北京 國防工業(yè)出版社，2002

[2]胡中豫 現(xiàn)代短波通信.北京 國防工業(yè)出版社，2003

[3]宋錚，張建華 天線與電波傳播 西安 西安電子科技大學(xué)出版社，2003

[4]熊皓 電磁波傳播與空間環(huán)境 電子工業(yè)出版社，2004