第二章短波和超短波通信系统2-2

第二章短波和超短波通信系统一、短波信道和超短波信道的特性二、短波通信系统三、短波自适应通信系统四、短波通信系统的应用与发展五、超短波通信系统一、短波信道和超短波信道的特性（一）短波和超短波传播的形式（二）短波在电离层中的传播特性（三）改进无线传输质量的主要措施1．最高可用频率（MUF）2．传输模式3．多经传播4．衰落5．相位起伏（多普勒频移）6．静区7．昼夜间信号差别（二）短波在电离层中的传播特性一、短波信道和超短波信道的特性（二）短波在电离层中的传播特性1．最高可用频率（MUF）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。1．最高可用频率（MUF）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。1．最高可用频率（MUF）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1．最高可用频率（MUF）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2-11．最高可用频率（MUF）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）。1．最高可用频率（MUF）1．最高可用频率（MUF）dhh’ffF为什么在同一电离层高度上有多个工作频率？1．最高可用频率（MUF）在设计短波通信线路时，工作频率应采用接近fmu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。1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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’。E1．最高可用频率（MUF）反射点1的高度为380km，反射点1’的高度为680km。EE1．最高可用频率（MUF）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。1．最高可用频率（MUF）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。1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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。E1．最高可用频率（MUF）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）。E1．最高可用频率（MUF）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。1．最高可用频率（MUF）（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。1．最高可用频率（MUF）（3）MUF是电波能返回地面和穿出电离层的临界值。考虑电离层的结构随时间的变化和保证获得长期稳定的接收，在确定线路的工作频率时，不是取预报的MUF值，而是取低于MUF的频率FOT，FOT称为最佳工作频率。一般情况下FOT=0.85MUF。选用FOT之后，能保证通信线路有90%的可通率。由于工作频率较MUF下降了15%，接收点的场强较工作在MUF时损失了10-20dB,可见为此付出的代价也是很大的。1．最高可用频率（MUF）由于电离层的电子密度受太阳辐射影响很大，白天和夜晚的最高可用频率相差甚大，工作频率也需要进行相应的调整。下图示出了最高可用频率一天内的变化，作为简单的取值方法，而为了更好的适应电离层参数变化引起的传输特性随机起伏，实时地选用最佳工作频率是合适的。下图画出了MUF和FOT及建议选用的日频和夜频。04812162024t/h3456920f/MHz最高可用频率最高可用频率工作频率建议选用的工作频率日频9MHz夜频4.5MHz1．最高可用频率（MUF）为了更形象地看出斜射频率与传播路径的关系，根据前面的频高图画出不同斜射频率可能传播路径示意图：1．最高可用频率（MUF）从图中可以看出，在某一给定的通信距离上，所选用的频率高于MUF时，就穿出电离层，不再返回地面（图中粗线）。1．最高可用频率（MUF）所选用的频率低于MUF时，则存在两条传播路径。由于这两条路径所需射线的仰角不同，分别称为高仰角射线和低仰角射线，1’、2’对应的是高仰角射线，1、2对应的是低仰角射线。1．最高可用频率（MUF）随着工作频率逐渐接近MUF，高仰角和低仰角两条射线越来越接近，当工作频率选用MUF时，两条射线重合，出现了单径传播。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式在远距离短波通信线路的设计中，为了获得较小的传输衰减，或者为了避免仰角太小，以致现有的天线无法满足这一设计要求等原因，都需要精心地选择传输模式。下图为短波线路的路径图解。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式短波线路的路径图解。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式若已知反射点高度（h’）和传输距离（D），从该图中可以确定传输模式。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式若要求通信距离为2200km，我们可以利用F2层反射，反射点高度为300km时，选用150仰角，采用单跳模式，就可以满足要求，这种传输模式，称为1F2传输模式。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式从图中还可以看出，满足2200km的传输还可以利用E层两次反射。通常称为两跳，即2E模式。此时所需仰角约为40。（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式当通信距离大于2500km时，往往采用多跳，以获得较大的仰角。下图画出了可能出现的传播模式。F2层E层TRF2层E层TRF2层Es层TRE层E层E层（二）短波在电离层中的传播特性2．传输模式理论上讲，要严格设计这种多跳远距离通信线路，就必须分别研究线路中每一地段对应于工作频率的传播特性和所需要的辐射仰角。但一般来讲这种严格的计算是不必要的，实际上，在设计中只考虑线路两个终端的电波传播情况，就足以确定短波线路对设备的具体要求。（二）短波在电离层中的传播特性3．多经传播从前面的学习中我们知道，电波可以通过若干路径和不同的传输模式到达接收端，这种现象就称为多径传播。（二）短波在电离层中的传播特性3．多经传播由于这些路径具有不同的长度，所以到达接收端的各条射线，它们所经历的传播时间是不同的。通过华盛顿到英格兰（6000km）和日本到英格兰（9600km）的传真传输的测量表明不同模式的射线到达接收端的时间是不同的，它们间的差值，在0.5~4.5ms之间。（二）短波在电离层中的传播特性3．多经传播下图为短波通信线路多径时延差的统计值。一般说来，时延差值等于或大于0.5ms的占99.5%；而超过5ms的仅占0.5%。（二）短波在电离层中的传播特性3．多经传播从表中可以看出，最低模式是2E，时延为12.73ms；最高模式为5F，时延为16.26ms，两者之差即为多径时延差3.53ms。模式路径时延（ms）1E2E12.733E12.824E12.931F12.962F13.452FE13.653F14.184F15.135F16.263．多经传播在短波信道上，多径时延具有下列特征：（1）多径时延随着工作频率偏离MUF的增大而增大。原因：在f=MUF时，将出现单径传输，不存在多径时延，偏离MUF将出现多径传播。工作频率与最大可用频率MUF的比值称为多径缩减因子，英文缩写为MRF，表示为：（二）短波在电离层中的传播特性（二）短波在电离层中的传播特性f为工作频率，多径缩减因子越大，说明工作频率越靠近最高可用频率。fMRFMUF（二）短波在电离层中的传播特性问：当工作频率选用FOT时，MRF为多少？MRF=0.85fMRFMUF（二）短波在电离层中的传播特性当工作频率选用FOT时，试验表明：多径时延为0.5ms。在实际线路中由于MUF随电离层发生变化，因此MRF也随之变化，多径时延亦随之变化。因此在线路设计时应考虑这一情况，实时进行频率预报来达到工作频率尽可能靠拢MUF的目的。fMRFMUF（2）多径时延与通信距离有密切关系图中示出了多径时延与通信距离之间的关系统计曲线。可见在200~300km的短波线路上，由于电离层与地面间的多次反射，使多径时延最严重，可达8ms；3．多经传播（2）多径时延与通信距离有密切关系在2000~8000km的线路上，可能存在的传播模式减少，故多径时延只有2~3ms。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20000km时，可达6ms。3．多经传播3．多经传播（3）多径时延随时间发生变化多径时延随时间变化的原因是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，多径时延的变化越严重。3．多经传播多径时延严重影响短波数据通信的质量，所以在线路设计中，通常为了保证传输质量，要限制传输速率。目前在印字电报通信中，为了减少多径传输的影响，通报速率限制在200波特以下。在短波线路传输高速数据时，通常需要采用多路并发的方法。作业：假设通信距离为1000km,试画出当fob分别为10MHz、12MHz、14MHz、16MHz、18MHz、20MHz时的fv-h’曲线。若F1层的最高可用频率为14MHz；F2层的最高可用频率为18MHz，试画出F1层和F2层的实测频高概图。