第2章 现代短波通信

X第1页第2章现代短波通信2.1概述短波通信是指利用波长为100m至10m（频率为1.5MHz至30MHz）的无线电波进行的通信。又称为高频（HF）无线电通信。短波通信可以利用地波传播，但主要是利用电离层反射进行传播。X第2页第2章现代短波通信2.1概述短波通信的优点：•可用低廉的成本实现远距离通信；•通信设备体积小，可方便地改变工作频率；•短波电台临时组网方便、迅速，具有很大的灵活性。短波通信的缺点：•可供使用的频段窄，通信容量小；•信道条件差（是一种变参色散信道）；•大气和工业无线电噪声干扰严重。X第3页2.2短波在电离层中的传播特性2.2.1短波的传播方式28MHZ天线天线入射角F2层0短波的天波传播模式X第4页2.2短波在电离层中的传播特性短波段低频端的电波被吸收的程度较大，高频端的电波有可能穿出电离层，大部分电波被电离层反射，形成短波的天波传播模式。天波的入射角应选择在保证电波能返回地面但又不被吸收的范围内。缩小寂静区的办法：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，使射线在入射角较小时电波不至于穿透电离层。地面波和天波均不能到达的区域2.2.1短波的传播方式X第5页2.2短波在电离层中的传播特性最高可用频率：指在实际传播中能被电离层反射回地面的电波的最高频率。Fmu：入射角为θ0（θ00º）时的最高可用频率。2.2.2最高可用频率（MUF）临界频率：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，在此频率的电波垂直入射（θ0=0）到电离层时，将被该分层反射，而高于此频率的电波将穿出该分层。vfvf0secvmuffX第6页2.2短波在电离层中的传播特性一天内最高可用频率的变化规律2.2.2最高可用频率（MUF）34569MHZf/夜频（4.5MHZ）日频（9MHZ）04812162024t/h20最高可用频率工作频率建议选用的工作频率X第7页2.2短波在电离层中的传播特性（a）为天波和地波构成的多径；（b）为天波的单跳模式和多跳模式构成的多径；（c）为电离层不同分层的反射构成的多径；（d）为电离层的漫射构成的多径。2.2.3多径传播问题（a）（b）（c）（d）多径传播将带来的问题：信号的延时和信号的衰落。X第8页2.2短波在电离层中的传播特性2.2.4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，接收到的信号强度总呈现忽大忽小的随机起伏，这种现象称为信号的“衰落”。快衰落：持续时间仅几分之一秒的衰落。慢衰落：持续时间比较长（可能达到1小时甚至更长）的衰落。X第9页2.2短波在电离层中的传播特性2.2.4衰落1、慢衰落（吸收型衰落）它是由于电离层电子密度及其高度的变化造成电离层吸收特性的变化而引起的。其表现为信号电平的缓慢变化。2、快衰落（干涉型衰落）它是由于多径传输引起的干涉型衰落。干涉衰落具有明显的频率选择性。X第10页2.2短波在电离层中的传播特性2.2.5多普勒频移如果在发送端发送一个单频（等幅、恒定相位的正弦波）信号，经多径传输后得到的接收信号不再是一条普线的单频信号，高频载波的频普将被展宽，这种现象称为多普勒频移或多普勒展宽。多普勒频移的倒数称为信道的“相干时间”。当系统传输的信息符号（时间）宽度大于信道的相干时间时，将引起时间选择性衰落。X第11页2.4短波数据通信技术短波通信原来主要用于话音通信，但各类数据信息包括数字传真、慢扫描图像和计算机等各类数据终端的数据，也希望能在短波信道上传输。在短波数据传输中，要解决的最大问题就是短波信道对数据传输的影响。主要是：(1)多径衰落引起的短波数据通信中的突发错误；(2)多径效应造成码元的时间扩展引起的码间干扰；(3)电离层的快速运动和变化引起多普勒频移，使发射信号的频率结构发生变化造成数据信号的错误接收。抗多径衰落是实现短波数据通信的首要问题，主要采用了以下几方面的技术：X第12页2.4短波数据通信技术在短波通信中，由于多径效应引起了时域扩展，若不采用专门的时域均衡措施，所能传输的最高码元速率仅为200波特(码元宽度为5ms)。采用专门的调制解调技术以后，可以将数据速率提高到2400b/s以上，现在主要有并行制和串行制两种不同的体制。并行体制的基本思想是把高速的串行信道分割为许多低速的并行信道，这时在短波电离层信道上已不再是高速数据传输，而是同时并行发送的低速信道；在接收端，单边带接收机输出的多路数据信号经并／串变换后再恢复成高速数据流。2.4.1传输高速数据信号的调制技术X第13页2.4短波数据通信技术并行体制由于多频同时发射会导致发射功率分散、信号平均功率和峰值功率比低等缺点，但是技术成熟，成本低，具有较高的性能价格比。串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因此提高了高频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率发散的缺点。由于串行体制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，从根本上克服了由于多径传播和信道畸变所引起的码间串扰。从发展角度看，串行体制提高数据率的潜力较大。2.4.1传输高速数据信号的调制技术X第14页2.4短波数据通信技术时频调制(FTSK)是一种组合调制，它是由时移键控(TSK)和频率键控(FSK)组合而成的。时频调制是指在一个或一组二进制符号的持续时间内，用若干个窄的高频脉冲的组合来传送原二进制数据。每个高频脉冲在不同的时隙内具有不同的频率。这种由不同时隙和不同频率所构成的信号形式，称为时频调制信号。时频调制实际上是用编码的方法来传输信息的，因此也称之为时频编码调制。2.4.2时频组合调制X第15页2.4短波数据通信技术时频调制的主要优点是它能够抗瑞利衰落。由于它的一个二进制符号就发送两个不同频率的高频脉冲，只要选用的频率f1、f2之间有足够大的频差(＞500Hz)，这两个频率就具有几乎不相关的衰落特性，可以达到频率分集的效果。时频调制可以克服分集接收的一些不足之处，如可能造成的功率分散、设备复杂度增加等。另外，如果采用比较好的编码方式，时频调制不仅可以在抗衰落方面达到分集接收的效果，而且还可以起到抗码间串扰的作用。2.4.2时频组合调制X第16页2.4短波数据通信技术分集接收技术是在短波线路上采用的抗衰落和抗多径的技术措施之一。它的基本思想是：接收端消息的恢复建立在多重接收的基础上，利用接收到的多个信号的适当组合来达到提高通信质量和可通率。分集接收技术包括两个方面的内容：（1）信号的分散传输。（2）信号的组合。2.4.3分集接收技术X第17页2.4短波数据通信技术1、信号的分集（1）空间分集（2）频率分集（3）时间分集（4）极化分集2.4.3分集接收技术X第18页2.4短波数据通信技术2、信号的组合合并方式有选择式、等增益合并和最大比值合并三种。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；当某路信噪比很低时将该路自动切断，不参与合并。2.4.3分集接收技术X第19页2.4短波数据通信技术短波通信中的差错控制技术基本上有两类：一类称为反馈纠错方式，即根据线路接收端的要求而自动重发的检错方式，简称ARQ方式；另一类称为前向纠错方式，简称FEC方式。在这两类的基础上又派生出混合纠错HEC方式。2.4.4差错控制技术X第20页2.5短波自适应选频技术在短波通信系统中，工作频率的选择非常重要，如果不能正确地选择工作频率，通信质量就很难保证，有时甚至不能正常通信。传统的短波无线电通信采用人工选择频率的方式。这种利用人工选频建立短波通信线路的方法，不仅时效低，而且对短波通信使用人员的专业素质要求很高，需要依靠操作员的长期工作经验，通信的质量无法得到可靠的保证。长期频率预报是根据太阳黑子数来预测通信电路的最高可用频率，由于这种方法基于月中值的概念，所以工作频率不能够实时跟踪电离层的变化，实际短波通信的效果是不理想的。X第21页2.5短波自适应选频技术要实现高质量的短波通信必须采用自适应技术。这里说的短波自适应技术，主要是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术，通过在通信过程中，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较好的信道上。自适应选频技术包括以下几个方面：实时信道估值，自适应信号处理和自适应信号控制。X第22页2.5短波自适应选频技术典型的短波自适应选频系统能够使无线电台在最佳信道上自动建立通信，这是通过线路质量分析、自动线路建立和自动转换信道三个环节来实现的。2.5.1自适应选频的基本原理1、线路质量分析线路质量分析(LQA)是一种实时选频技术。对信道进行LQA就是对信道参量进行测量和统计分析，然后按测试结果对信道进行评分和排序。LQA的结果存储在LQA矩阵表中，当装配有自适应控制器的电台要进行选择性呼叫时，便根据LQA的结果，自动地在最佳信道上进行。X第23页2.5短波自适应选频技术2.5.1自适应选频的基本原理2、自动线路建立(ALE)ALE是短波自适应通信最终要解决的问题，其过程如下：(1)主呼台选择性呼叫(2)被呼台预置信道扫描3、自动转换信道在进行通信的同时，电台仍然对该信道的通信质量不断进行监测。当该信道突然遭受到强烈的无线电干扰，致使信道质量下降到低于门限值时，通信双方将自动转入下一个信道工作。X第24页2.5短波自适应选频技术实时信道估值(RealTimeChannelEvaluation，RTCE)，就是实时地获取一组信道参数，通过这些参数来定量描述信道的状态和对传输某种通信业务的能力。对于数据通信系统来讲，需要测试的信道参数有：接收信号功率的强弱、噪声功率及其分布、多径延时、多普勒展宽、给定时段内接收的错误码元的数目、自动差错重发（ARQ）系统中给定时段内请求重发的次数等。2.5.2实时信道估值（RTCE）技术X第25页2.5短波自适应选频技术RTCE有这样几种具体方法：1电离层脉冲探测RTCE2调频连续波探测RTCE3CHEC探测RTCE4导频探测技术5误码计算技术68移频键控（8FSK）信号探测2.5.2实时信道估值（RTCE）技术X第26页2.5短波自适应选频技术在短波自适应选频通信系统中，自适应信号处理器是系统的核心部件，实时探测的电离层信道参数都在这里计算处理。目前，国际上研制成功的高速编程信号处理器，采用FFT算法来提取多种电离层信道参数，估算各种传输速率所需的各种质量等级的频率，供通信实时应用。2.5.3自适应信号处理技术X第27页2.5短波自适应选频技术在短波自适应通信系统中，自适应控制器是系统的指挥中心，是系统成败的关键。自适应控制系统是一种特殊的非线性控制系统，系统本身的特性(结构和参数)、环境及干扰特性存在某种不确定性。在系统运行期间，系统本身只能在线地积累有关信息，进行系统结构有关参数的修正和控制，使系统处于所要求的最佳状态。2.5.4自适应控制技术X第28页2.6短波扩频与跳频通信短波直接序列扩频通信系统通常以话音频带的带宽（3kHz左右）来传送扩频信号，因此又称为短波窄带扩频系统。短波通信中这种窄带扩频系统用得不多，更多的是采用宽带扩频系统，即下面的跳频扩频通信系统。2.6.1短波直接扩频通信系统X第29页2.6短波扩频与跳频通信1、跳频通信的优点(1)抗干扰性强(2)有较强的抗截获能力(3)可实现码分多址通信，可以组网工作(4)抗多径衰落的效果好(5)便于和定频电台兼容2.6.2短波跳频扩频通信技术X第30页2.6短波扩频与跳频通信2、短波跳频通信系统的原理和组成2.6.2短波跳频扩频通信技术短波跳频通信系统的原理框图X第31页2.6短波扩频与跳频通信3、短波跳频通信技术的发展20世纪80年代以来，短波跳频通信技术不断得到发展，先后经过了常规跳频、自适应跳频和高速跳频三个阶段。2.6.2短波跳频扩频通信技术