高频无线电系统的组成

高频无线电系统的组成对电波传播有了总的认识，再来看看电波是怎样产生的。高频无线电系统主要有发射机、接收机和天线三大部分组成。许多现代无线电设备将发射机和接收机合并为一个单元，叫做无线电收发机[1]。大型固定系统的发射台和接收台一般设在不同地点，通常是由另一个远地台控制。1发射机发射机的结构虽变化多端，但它们都是由激励器和功放组成。激励器中的载波的幅度、频率或相位受来自信号源（例如麦克风）的较低频率信号的调制。已调信号再变换为发送频率。在经电缆将其送往发射天线之前，功率放大器要将信号的输出功率提升到发射机所需的瓦特数。发射机可能还包含用于清理输出信号的滤波器。使用带通滤波器可除去噪声、寄生信号和激励器产生的谐波，或源于功放输出的谐波。这样可降低对邻近信道的干扰。2接收机所有现代高频接收系统都由射频输入滤波/放大器，一组频率变换器以及中频放大器，解调器，和本地振荡频率合成器组成。工作时，接收机选择所需信号，将其放大到适当电平，经过解调恢复原来信息（解调是从已调波恢复原始调制信号的过程）。在当代无线设备中，这些功能中多数都是数字化的。为了滤除噪声和无用信号，有时可在射频输入级加入一个可调预选器（一种带通滤波器）。然后将经过滤波的信号放大并经频率变换后再进一步处理。滤波处理还不止此。典型情况下，接收信号会在几个不同的中频经过滤波和放大。中放级的放大倍数依接收信号的强弱而变。例如，为了输出语音或数据，解调器输出音频（基带）信号送到相应设备。同时，因为输入信号的强度大小不等，解调器可产生一个正比于射频输入信号电平的电压，将此电压作为自动增益控制信号反送到射频放大器和中频放大器，以保证解调器的输入大小适当。3天线天线是无线通信中至关重要的组成部分之一。特性和参数描述天线特性的最常用术语是阻抗、增益、辐射模式、出射角[2]和偏振。每一个天线都有一个输入阻抗，它表征接到发射机上的负载。输入阻抗值取决于许多因素，如天线设计、工作频率以及天线相对于周边物体的位置。无线电通信的基本要求是要在所需的地点和时间，寻找尽可能多的动力产生并发射信号。大多数发射机都是设计成能高效地向50欧姆（欧姆是电阻单位，其符号为）负载提供最大功率。有些天线，如对数周期天线可以在某个宽频带范围内对发射机呈50欧姆负载，这类天线一般可直接连接到发射机。但其他天线，例如偶极子天线、鞭状天线、长线天线等，其阻抗随频率和周围环境的变化很大。在这些情况下，要使用天线调谐器（天线耦合器），将其置于发射机和天线之间，以改变天线对发射机呈现的负载特性，才能将发射机的输出功率尽可能多的传送给天线。天线增益是天线方向性（将辐射能量向某个特定方向聚焦）的计量单位。其大小是将该天线接收到的信号电平与一个全向天线（其辐射在各方向均等）接收到的信号电平相比较而确定的。增益用表示，增益越大，天线的方向性就越好。发射天线增益还直接影响到对发射机功率的技术要求。例如，若用一付增益为10的定向天线取代一付全向天线，用一台100瓦的发射机就可以产生和一台1千瓦发射机和一个全向天线同样的有效辐射功率。除增益外，用户还必须懂得天线的辐射方向图才能实现最佳信号传输。辐射方向图与天线设计有关，天线相对于地面的位置对其影响很大，此外还可能会受附近建筑物和树木等物体的影响。大多数天线的方向图都不是均匀的，这种不均匀性可以用波瓣lobes（辐射最强区域）和nulls（辐射最弱区域）来表征。通常，以垂直面和水平面的两个方向图来表示（图3.5），以展现天线增益与仰角（垂直方向图）方位角（水平图）的关系。辐射方向图与频率有关，所以要全面描述一个天线的辐射方向图，就要有一组不同频率下的方向图。在确定通信距离时，出射角是一个重要因素，它是发射天线水平面与天线方向图的主瓣间的夹角。远距离通信时常用小出射角，短距离通信时多用大出射角。天线相对于地面的取向决定其极化方向。大多数高频天线要么采用垂直极化，要么采用水平极化。垂直极化天线的出射角小，适用于发送地波和远距离天波。垂直天线的主要缺点是受地面的电导率和本地噪声影响大。为获得最佳效果，需采用地面屏蔽。水平极化天线的出射角较大，适用于短距离通信，远至400英里。通过调节天线的离地高度，有可能提高较小出射角时的天线增益，以实现较远距离的天波传播。极化方向对于地波传播，发射天线和接收天线应采用相同的极化方向才能得到最佳效果。而对于天波传播，却无需计划方向一致，这时由于电离层散射会改变信号的极化方向。类型高频通信中使用的天线种类繁多，在此我们仅介绍几种最常用的类型。垂直鞭状天线是全向天线，出射角小，垂直极化，多适用于发送地面波。图3.6是垂直鞭状天线的典型辐射方向图。加装一个反射器，构成第二垂直鞭，可以为其方向图添加方向性。最通用的高频天线之一是半波偶极振子，其天线长度大约等于发射波长的一半。改变偶极子的取向即可使其水平极化或垂直（中心馈电）极化。图3.7是一个中心馈电的水平偶极子天线。其辐射方向图随离地高度变化很大。垂直偶极天线常用于舰船和地面交通工具上。4噪声和干扰当你在雷暴时听收音机，一定注意到曾[4]出现过中断。当你正在收听你所喜爱的FM台时，你可能也同时听到过飞行员向塔台急促地报告[5]飞行数据。这些都是影响接收机性能的干扰。当你想要收听音乐时，这些干扰很是令人烦恼，高频通信任务的成败取决于是否听到并懂得所传送的信息，所以噪声和干扰十分有害。接收机噪声和干扰源既有来自内部的，也来自外部的。在高频的大部分频段，外部噪声电平大大超过接收机内部噪声。信号的品质以信噪比SNR表示，单位为分贝（dB）。信噪比越高，信号品质就越好。有些干扰是无意的，如飞行员对塔台的呼叫。有些干扰是敌方为破坏我方通信而故意施放的。人们采用各种技术来抗击噪声和干扰。其中有：⑴提高有效辐射功率，⑵设法优化工作频率，⑶选择适当的调制方案，⑷选择适当的天线系统，⑸设计能抗干扰的接收机。下面我们先看看一些常见的噪声源和干扰源。天然噪声源闪电是主要的大气（天然）噪声源。大气噪声在夏天最为频繁，晚上最强，主要处于1到5MHz频段。已有人测定了全球各地的大气噪声平均值与一天中不同时间和季节的关系，并将其用于预测高频无线电系统的性能。另一个天然噪声源是来自太空的宇宙噪声。它对整个高频频段的影响是均匀的，但不影响20MHz以下接收机的性能。人为噪声电力线、计算机设备等都会产生人为噪声，它们是经辐射或通过电力电缆到达接收机的。人们将这类人为干扰称为电磁干扰EMI[9]，电磁干扰在城市区域最强。人们常用无线电设备接地和屏蔽技术和对电源输入线路滤波的方法来抑制EMI。无意干扰任何时刻都有成千上万的高频发射机都在空间争用本来就比较窄的频段中的射频频谱，相互间必然会形成干扰。在夜晚以及在靠近MUF的频率低端干扰最为严重。无意干扰的一个主要来源是发射机、接收机和天线的布局。例如，船舰上地方狭窄，不得不将若干无线电系统放在一起。30余年来，有人设计了许多RF通信系统，实现了克服布局问题的高性能集成舰载通信系统。减小布局干扰的方法有：使天线精确定向、采用对强无用信号不会过载的接收机、精心设计以便将互调降至最低程度的发射机等。故意干扰故意干扰，或叫人为干扰，是有意破坏通信、在工作频率上发送的干扰信号。人为干扰可能直接针对某一个频道，也可能是宽带的。可能是连续不断的干扰，也可能只在被干扰信号存在时才进行干扰。现代军用无线电系统采用某些技术来克服人为干扰，降低被检测和被侦听的机率。其中的扩频技术是以比原始信息的频率分量宽得多的频带发射已调信息的。我们将在第7章讨论这些技术。信号从发射机经由多条路径到达接收机，形成衰落，这是由于这些信号会随机地相互加减造成的。