第五章短波通信系统-.ppt-[修复的]

5.2短波单边带通信技术第五章短波通信系统5.1现代短波通信概述5.4短波跳频通信技术5.3短波自适应选频技术5.1现代短波通信概述5.1.1短波通信的起源5.1.2无线信道5.1.3短波通信信道传输特性5.1.4短波通信的特点5.1.1短波通信的起源按照CCIR的规定，短波是指频率为3~30MHz，波长为100m~10m的无线电波。利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又称为高频(HF)通信。1.短波的定义2.短波通信短波通信实际使用范围为1.5~30MHz。5.1.1短波通信的起源1901年12月马可尼实现了无线电波越洋传播，传播距离达到3000km，实现了英国到北美的纽芬兰信息传递；科学家猜想大气层有带电粒子层的缘故；1921，意大利罗马郊外发生一场大火，一台功率只有几十瓦的业余短波无线电台发出呼救信号，信号被1500km之外的哥本哈根的一些接收机收到，从此短波通信收到人们的重视；1924年，英国物理学家阿普尔顿证实了电离层的存在，并因此于1947年获得诺贝尔物理学奖。3.起源5.1.2无线信道5.1.2.1电离层的特性电离层是指从距地面大约60公里到1000公里处于电离状态的高空大气层。1.电离层的形成电离：高空大气层在太阳辐射的作用下，大气气体分子或原子中的电子游离出来，形成离子和自由电子。电离现象显著的区域称为电离层。–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。5.1.2.1电离层的特性2.电离层基本分层特性电离层中电离浓度相对分层集中，较显著的有三层：D、E、F。5.1.2.1电离层的特性D层：60~90kmE层：90~150kmES层：120kmF1层：150~220kmF2层：200~1000km2.电离层基本分层特性5.1.2.1电离层的特性2.电离层基本分层特性D层•太阳升起时出现，太阳落下后消失•短波以天波传播时将穿过D层•短波穿过D层时严重衰减•在白天，D层决定了短波传播的距离、发射机功率和天线增益(吸收层)5.1.2.1电离层的特性2.电离层基本分层特性E层•电离开始后可反射高于1.5MHz的短波•出现在太阳升起时,中午达到最大值，之后逐渐减小;太阳降落后，对短波传播不起作用5.1.2.1电离层的特性2.电离层基本分层特性ES层•具有很高的电子浓度，能将高于短波波段的电波反射回来(偶发E层)•偶尔发生•如何利用尚待研究5.1.2.1电离层的特性F层•白天有两层：F1层和F2层•F1层夜间消失，常出现于夏季•F2层电子浓度白天大夜间小、冬大夏小•适合远距离短波通信(反射层)2.电离层基本分层特性5.1.2.1电离层的特性电离层各层高度与电子密度的关系100电子密度)/1(3m)(Kmh200300400500010910101011101210132F2F1FED中午午夜电子浓度随高度增加而增加；D、E层夜间消失；F层中午(白天)有两层；F1层夜间消失。(太阳黑子变化周期11年,黑子数增加大)3.电离层的变化规则变化•日夜变化•季节变化•11年变化•随地理位置变化(白天大夜间小中午最大值)(夏季大冬季小，但F2相反)(赤道附近大，两极小）5.1.2.1电离层的特性3.电离层的变化不规则变化•偶发E层•电离层突扰(太阳耀斑引起D层强烈吸收造成“短波消逝”）•电离层暴(太阳黑子增多引起的电离层异常，在F2区表现得最为明显。）5.1.2.1电离层的特性5.1.2.2无线电波的传播形式短波信号的折射、反射、散射电离层电子密度随高度增加而增加，介电常数和折射率随高度增加而变小，因而电波会发生折射甚至反射。电离层电子密度的非均匀性还会造成电波的散射。（1）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。（2）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。（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。电波在电离层中的折射和反射设想电离层由无数平行薄层构成，各层中电子浓度是均匀的。2181rNnf电波通过每一薄片层时折射一次。各层的电子浓度N随高度增加而增加，电离层的等效相对介电常数、折射率n亦发生改变，它们与电波频率的关系是：r电波在电离层中的折射和反射01230011sinsinsinmmnnn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。5.1.2.2无线电波的传播形式（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）视距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。(a)射线(b)(c)电离层(d)对流层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5.1.3短波信道传输特性地波：1.5~5MHz。5.1.3.1短波传播方式短波通信实际使用范围为1.5~30MHz。天波地表面波直接波地面反射波地波电离层1地波传播形式地波传播形式的频率范围大约是1.5MHz～30MHz。地波传播的特点是：信号比较稳定，基本上不受气象条件的影响，但随着频率的升高，地波的衰减迅速增大，传播距离和传播路径上媒介的电参数密切相关。不宜用做无线电广播或远距离通信。地波传播情况主要取决于地面条件。一方面是地面的不平坦性；二是地面的地址情况。因为地表面导电特性在短时间内变化小，故电波传播稳定可靠。短波沿路地传播是衰减很快，只有距离发射天线很近的地方才能收到，因此近距离陆地通信和长距离点与点之间的通信，如船舶助航用。5.1.3短波信道传输特性•2天波传播形式•天波靠电离层反射传播，可以进行远距离传播，可以超越丘陵地带，还可以在地波传播无效的很短的距离内建立无线电通信线路。所以对于短波通信线路，天波传播较地波传播更有意义。5.1.3短波信道传输特性•（1）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。•此外，天波传播的形式还受到电波进入电离层的入射角的影响，对于较远距离的通信，应选择较大的入射角，反之，应选较小入射角。但是如果入射角太小，电波就会穿过电离层而不会折射回地球，如果入射角太大，电波在到达电离密度大的较高电离层之前就会被吸收，因此，入射角应选择保证电波能返回地面而又不被吸收的范围。5.1.3短波信道传输特性（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性•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φ=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。（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性如果电波是以φ00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φ时的最高可用频率，它可表示为：显然，fob≥fv。secffobv（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性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；φ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。2sec1'2dfffobvvhh’d式2-1（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性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）。（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性在设计短波通信线路时，工作频率应采用接近fMUF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。（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性从图中可以看出，这两条曲线存在有许多交点，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。E（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性例如：fob为14MHz，对F2来讲存在两条传播路径，它们的反射点分别标为1和1’。E（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性反射点1的高度为380km，反射点1’的高度为680km。EE（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性通过反射点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。（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性若斜射频率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。（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性从图中可以看出，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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性这表明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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性同样的道理，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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性继续升高斜射频率，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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性也就是说当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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性由此可见，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（2）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性总结以上结论，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）最高可用频率（MUF）5.1.3短波信道传输特性（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。（