[通信工程电子信息工程信息工程论文]短波信道特性和改进短波传输质量的措施研究

[通信工程电子信息工程信息工程论文]短波信道特性和改进短波传输质量的措施研究内容摘要：

强辐射所致，所以只发生在地球上的太阳照射区。 电离层突然骚扰，对不同频段的无线电波分别引起不同的异常现象。 由于 D区的电子密度大大增强，使通过 D区在上面反射的短波信号遭到强烈吸收，甚至使通信中断，这种现象称为“短波消逝”。 此外， D区的高度也有明显的下降（有时下降可达 15km），因而使 D区反射的长波和超长波信号的相位发生突然变化，这种现象称为“相位突然异常”，利用这一现象可以得知太阳耀斑的发生。 此外 ,电离层不仅有反射电波的作用，还有吸收电波能量的作用。 电子密度 N 愈大，电离层对电波能量的吸收就愈大，即电波衰耗就愈大。 电波频率愈低（波长越长），吸收越大。 电离层对电 波的吸收大小除了与上述两个因素有关外，还与电波在电离层中所走的路程有关，因为在电离层中传播的距离远，势必造成较大的吸收。 14 第二章 短波在电离层中的传播特性 传输模式 电波到达电离层，可能发生三种情况：被电离层完全吸收、折射回地球、穿过电离层进入外层空间 ,这些情况的发生与频率密切相关。 低频端的吸收程度较大，并且随着电离层的电离密度增大而增大。 天波传播的情况如图 9 所示。 在远距离的短波通信线路设计时 ,为了获得比较小的传输衰耗 ,或为了避免仰角太小 ,以致现有的短波天线无法满足之一设计要求时 ,都需要精心的去选择传输模式。 电磁波进入电离层的角度称为入射角，入射角对通信距离有很大的影响，对于较远距离的通信，应当用较大的入射角，近距离通信应用较小的入射角。 但是，如果入射角太小，电波会穿过电离层而不会折射回地面，如果入射角太大，电波在到达电离密度大的较高电离层前会被吸收。 因此，入射角应选择在保证电波能返回地面而又不被吸收的范围。 入射角可由下式确定： 0 1 Nf  （ 21） 式中 N 为电子浓度（ 3m ）； f 为工作频率。 图 9 天波传播的情况 15 图 10 静区 在短波传播中，存在着天波和地波均不能到达的区域，这个区域通常称为静区。 如图10所示。 缩小静区的方法是，选用高仰角天线减小电波到达电离层的入射角，同时选用较低的工作频率，以使在较小的入射角时，电波不至于穿透电离层。 最高可用频率 最高可用频率（ MUF）是指给定通信距离下的最高可用频率，是电波能返回地面和穿 出电离层的临界值。 若选用的工作频率超过它 ,则电波传出电离层 ,不 再返回地面 ,所以确定通信线路的 MUF 是线路是线路设计要确定的重要参数之一。 远距离通信中 ,电波都是斜射至电离层的 ,若令此时最大的反射频率为 abf ,则在一直通信线路长度和反射点高度的情况下 ,可以从下式求出 abf ： 239。 se c 1 2ab vdff h     （ 22） 式中 vf 是电波垂直投射时的最高反射频率 ,也成临界频率；  是电波斜射至电离层的入射角； d是通信线路的长度； 39。 h 是电波反射点处电离层的虚高。 MUF 还和反射层的电离密度有关。 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，一般情况下，有可能获得最佳接收。 考虑到电离层的结构变化和保证获得长期地面反射点 静区 F 层 地波 16 稳定的接收，在确定线路工作频率时，不是取预报的 MUF 值，而是取低于 MUF 的频率 ,这种频率称为最佳工作频率（ OWF），一般情况选用 OWF 之后 ,能保证通 信线路有 90％的可通率。 在最高可用频率中选用最佳工作频率时 ,可采用下式 OWF=0． 85MUF （ 23） 衰落 在短波通信中 ,即使在电离层的平静时期 ,也不可能获得稳定的信号。 在衰落接收端信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为衰落。 连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落；持续时间比较长的称为慢衰落（可能达数小时）。 根据衰落产生的原因 ,可以分为以下三种衰落 : 1．吸收衰落 它是由电离层电子密度及高度的变化造成电离层吸收特性的变化而引起的，表现为信号电平的慢变化，其周 期可以从数分钟到数小时。 正由于它是电离层吸收的变化所引起的 ,所以它有日变化、季节变化及年变化 ,且均属于慢衰落。 吸收衰落对短波整个频段的影响程度是相同的。 在不考虑磁暴和电离层骚扰时，衰落深度可能低于中值 lOdB。 通常 ,电离层骚扰 ,也可以归到吸收衰落。 太阳黑子区域常发生耀斑爆发，有极强的 X射线和紫外线辐射，并以光速向外传播 ,使得白昼时电离层的电离增强， D层的电子密度可能比正常值大 10 倍以上 ,不仅把中波吸收 ,而且还会把短波大部分甚至全部吸收，以致通信中断。 通常这种骚扰的持续时间为几分钟到 lh。 要克服吸收衰落， 应该增加发射机功率，以补偿传输损耗。 根据测量得到的短波信道小时中值传输损耗的典型概率分布，可以预计在一定的可通率要求下所需增加的发射功率。 通常，要保证 90％的可通率，应补偿的传输损耗约为 130dB；若要求 95％的可通率，则应补偿可能出现的 95％的传输损耗。 2．干涉衰落 若从发射端发射恒定幅度的高频信号 ,由于多径传播 ,到达接收端的涉嫌不是一根而是多根。 这些射线通过不同的路径 ,到达接收端的时间是不同的。 因为遭受不同的衰减 ,所以它们的幅度也不相同。 由于电离层媒质的随机变化，各径相对时延亦随机变化，使得合成信号 发生起伏，在接收端看来，这种现象是由于多个信号的干涉所造成，因此称为干涉衰落。 其衰落速率一般为 10～ 20 次／ rain，故为快衰落。 干涉衰落具有明显的频率选择 17 性。 实验证明，两个频率差值大于 400Hz 后，它们的衰落特性的相关性就很小。 遭受干涉衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。 干涉衰落的深度可达 40dB，甚至达 80dB。 增加发射功率也可补偿快衰落。 但单纯通过增加功率来补偿快衰落是不经济的。 通常为了补偿快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技术，如分集接收、时频调制和差错控制等。 3．极化衰落 电 离层反射后，由 于地磁场的影响，一般分裂为两个椭圆极化射线，经合成 ,就形成了接收地点的椭圆极化波。 当电离层的电子密度随机起伏时，每个椭圆极化波的椭圆主轴方向也随之相应的改变，因而在接收天线上的感应电势有相应的随机起伏。 若用垂直天线接收信号时 ,当场轴方向接近垂直时 ,信号的强度会变的最大。 反之 ,当接近水平时 ,信号的强度会变得很小。 以上就是极化 衰落产生的原因。 因此，极化衰落也是一种快衰落。 但是极化衰落的发生概率远比干涉衰落小，一般占全部衰落的 10％～ l5％左右。 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 极化衰落发生，可采用几副不同极化的接收天线 ,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。 多径传播 短波的多径传播有四种，如图 11 所示。 图中（ a）的多径由天波和地波构成的；（ b） 为单跳和多跳构成；（ c）和（ d）是寻常波和非寻常波之间的干扰及电离层的漫射构成的多径。 图 11 短波的多径传播 多径时延是指多径中最大的传输时延与最小传输时延之差。 多径时延与通信距离、工作频率和工作时刻有密切的关系。 18 多径时延与通信距离的关系可用图 12 表示。 图中看出，在 200～ 300km 的短波线路上，多径时延最为严重，可达 8ms 左右。 这是由于在这样的距离上，通常使用弱方向性的双极天线，电波传播的模式比较多，而且在接收点的信号分量中，各种传播模式的效果相当，造成严重的多径时延。 电离层与地面间多次反射时，在 2020～ 8000km 的线路上，多径时延在 2～ 3ms 之间。 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 20200km 时，多径时延可达 6ms。 多径时延随着工作频率偏离 MUF 的增大而增大，工作频率偏离 MUF 的程度可用多径缩减因子（ MRF）表示，其定义如下 图 12 多径时延与通信距离的关系 fMRF MUF （ 24） 式中 f工作频率； MRF多径缩减因子。 从上式中看出， MRF 越小，表示工作频率偏离 MUF 越大。 图 13 是在同时考虑通信距离和工作频率时的实验结果，其曲线族的参数为多径时延。 当给定通信距离和工作频率时，可从图中查到典型的多径时延。 图 13 工作频 率与通信距离的关系 19 多径时延还与时间有关。 由于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 ,多径时延的变化也越严重。 所以通常在黎明时刻 ,电子密度变化最大。 在日出和日落时刻，多径时延现象最严重又复杂，中午和子夜时刻多径时延一般较小而且稳定。 多径时延随时间的变化，其原因是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF 随时间变化。 多径时延除了随日 、 小时变化外 ,由于电离层的结构还存在着较快的随机起伏 ,所以也存在着快变化 ,甚至在零点几秒的时间区间内都会发生变化。 因此严格的说 ,应用统计平均值来计 算。 总之 ,多径时延严重影响短波数据通信的质量 ,所以在线路设计时 ,通常为了保证传输数据的质量 ,要限定通报速率 ,目前在印字电报通信中 ,为了减少多径传输的影响 ,通报速率限定在 200bit 以下 ,在短波线路上传输高速数据时 ,通常要采用多路并发的方法。 相位起伏（多普勒频移） 利用天波传播短波信号时 ,不仅需要对付由于衰落造成的信号振幅的起伏 ,而且还必须对付由于传播中多普勒效应所造成的发射信号频率的漂移。 这种漂移称为多普勒频移 ,用 f 表示。 短波传播中所存在的多 径效应 ,不仅使接收点的信号振幅随机变化 ,而且也是信号的相位起伏不定。 必须指出 ,就是只存在一根射线 ,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 ,是传播路径的长度不断的变化 ,信号的相位也跟着产生起伏不定的变化。 此外，电离层折射率的随机变化及电离层不均匀体的快速运动，都会使信号的传输路径长度不断变化而出现相位的随机起伏。 根据实测：信号衰落率愈高，信噪比愈低，则相位起伏愈大。 当信号的相位随时问变化时，必然产生附加的频移。 无线信道中的频率偏移主要是由于收 、发双方的相位运动而引起的。 由传播中多普勒（ Doppler）效应所造成的发射信号频率的漂移称为多普勒频移。 在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，使传播路径的长度不断的变化，信号的相位也随之产生起伏不定的变化。 若从时域的角度观察这种现象，这意味着短波传播中存在着时间选择性衰落。 多普勒频移在白天（日出至日落期间）较严重，夜间（电离层平静期）不存在多普勒效应，而在其他时间，多普勒频移约在 1～ 2Hz 范围内。 磁暴时，频移最高可达 6Hz。 2～ 6Hz 的多普勒频移，是指单跳模式而言。 多跳模式，总频移 totf n f   （ 25） 20 式中 n 为跳数； f 为单跳多普勒平移； totf 为频移值。 静区 由天波的反对和原理可知 ,入射角越小 ,入射线达到的地点距发射点越近。 当入射角小到一定值时 ,电波就会穿过电离层而无反射。 因为同一频率的电波不是一条射线 ,而是一簇波速 ,在此波速中 ,有的反射远 ,有的反射近 ,有的穿过电离层而无反射。 很显然 ,电波的最近反射点到 发射点之间是没有反射电波的 ,这种现象叫做天波的越距。 在进行短波通信时 ,天线发射的电波 ,除了天波传播外 ,还有地波传播。 一般来说 ,地波传播最远可达 30km,而天波从电离层第一次落地（第一跳）的最短距离约为 100km。 可见30～ 100km 之间这一段 ,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。 车载台由于天线的限制 ,也存在通信盲区问题。 图 14 电波传输中的越距现象及盲区 静区是长期困扰短波“动中通”的一大难题。 解决通信盲区的办法有 :一是加大电台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的频率、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。 因此 ,在野战通信中 ,为保证在 300km 以内较近距离通信、经常采用较低的工作频率；三是采用高仰角天线 ,也成“高射天线”或“喷泉天线” ,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 ,电波第一跳地的距离越短 ,盲区越少 ,当仰角接近 090 时盲区基本上就不存在了。 21 第三章 无线电干扰及抗 干扰措施 为了提高短波通信线路的质量 ,除了使系统设计时应适应短波传输的媒介的特点外 ,还必须采取各种有利的抗干扰措施 ,来消除或减轻短波信道中所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号干扰比。 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受的各种噪声 ,如大气噪声、人为噪声、宇宙噪声等。 内部干扰是指接收。