高频无线通信

13高频无线电通信3.1引言曾经有过一个时期，无线通信是远距离即时通信的几种方法之一。我们都曾在黑白战争片中看到过无线电话务员用体积庞大的无线电设备发送莫尔斯电码的场面。二次大战后，通信产业的重心转向了其他技术，致使在六七十年代高频无线通信发展缓慢。不过现在，在新技术的推动下，高频（也叫做短波）正处于令人振奋的复兴期。起源1现代无线电技术是随着JamesClerkMaxwell（詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家）1873年发表的电磁波传播基本理论的论文而诞生的。但15年后才有人第一次实际检测到了无线电波。1888年，HeinrichRudolfHertz（亨利希·鲁道夫·赫兹，频率单位就是以他的名字命名的。德国物理学家。因发现中子冲击原子定律，获1935年诺贝尔奖）演示了由火花放电线圈产生的扰动表现出的Maxwell无线电波特性。他的工作激励了GuglielmoMarconi（古列尔默·马可尼。意大利工程师和发明家）进行用莫尔斯电码传送无线电报的早期试验。到1986年，Marconi实现了将消息传送到几千米外。那时，人们认为无线电波在大气中是沿直线传播的，因而不能用于超越地平线的通信。但这种看法并没有使Marconi泄气，他是第一个演示了无线电波可以远距离传播的人。1901年，他在Newfoundland,Canada检测到了发自3000公里外的Cornwall,England（跨大西洋）的电报信号（1909年获得诺贝尔物理奖）。他所使用的天线是由风筝带入天空2的120米长的导线。Marconi的成功激励了许多人去努力解释和开发利用这一发现。EdwardAppleton（SirEdwardVictor，1892-1965，因发现F电离层而获1947年诺贝尔奖）最终解释了无线电波是如何绕过地球表面而被接收到的问题。正是这位英国物理学家发现了地球大气层中的电离层能够反射无线电波。到二十世纪二十年代，科学家们已经利用这一理论开发出1genesis【复数】geneses:Thecomingintobeingofsomething;theorigin.2aloftadv.Inorintoahighplace;highorhigherup.FundamentalsandNewConceptsforElectronics&Telecommunications2了测量和预报电离层散射特性的方法。发展人们终于懂得了高频无线电波的传播特性。例如，话务员知道可用的频率会随季节和一天中的时间不同而不同。高频技术得到快速发展。由于高频无线电能为陆、海、空军提供通信，到二次大战时，它已成为军事指挥员远3距离通信的主要手段。对于一个有多年经验，技术熟练，又理解电离层对电波传播的影响的话务员来说，高频无线电是能够与数千英里外的部队联络的可靠而有效的手段。今天，对于那些新建立的国家，利用高频无线电可以快速而廉价地建立它们的全国通信系统。停顿4在二十世纪六十年代出现卫星通信后的一段时期，人们对高频无线电的兴趣减弱了，这是因为卫星的频道更多，能够以更高的速度进行数据传输，此外，对卫星通信的操作人员的培训也比较容易。由于远距离通信手段转移给了卫星，高频也就被置于次要的地位5。结果，用户更多地寻求卫星这种有着更宽频带的通信方法，这样一来，随着经验丰富的高频电台操作人员的减少，人们对高频的熟悉程度也降低了。然而，随着时间的过去6，人们发现尽管卫星有许多优点，但也有其局限性。军队用户越来越关注卫星易被人为干扰和损坏等问题，而对完全依赖卫星提出了置疑，更何况建造和维护卫星及其配套设施的费用也十分昂贵。复苏7过去十年间，我们已经看到了高频无线电的复兴（resurgence）。相关的研究和开发工作得到了加强，出现了新一代的自动化高频设备。这些系统大大改善了链接可靠性和连通性，免除了使用老式设备时所需的繁琐手工操作过程。现在的自适应高频电台就像无线耳机一样容易使用。虽然如此8，仍有些人将高频无线电看作是一种天生就不便于使用的方法。这种陈旧的观念之所以继续存在是因为有些通信工作者只记得陈旧的高频设备的样子。但是现在，你对这个问题感兴趣本身就已经表明高频又从新被看作是3haul拖,拉,拖运距离Adistance,especiallythedistanceoverwhichsomethingispulledortransported.Itwasalonghaulhome,carryingallthesebagsofbooksupthehill.4hiatusn.Agaporaninterruptioninspace,time,orcontinuity;abreak5relegate转移tothebackground推到幕后，置于次要的地位。6overtime7ntherevivalofadrownedmanvtThefreshairsoonrevivedhim.viTheseflowerswillreviveinwater.8nonethelessadv.＝evenso,forallthat,nevertheless3一种远距离通信媒介的强有力竞争者，它的能力强着呢。在此导言中，我们帮助你了解现代高频无线电技术的知识。它将涉及到高频无线电原理，讨论特定的应用，然后设想高频无线电通信的未来。3.2无线电通信的原理理解无线电通信要从理解电磁辐射开始。无线电波是电磁辐射家族中的一员。电磁辐射包括X射线、紫外线、以及我们每天都要用到的可见光。就像将一个石头扔进平静的湖水中会形成水波一样，无线电信号也是从发射天线向外辐射（传播）。但与水波不同的是，无线电波以光速传播。人们以幅度、频率和波长来表示无线电波的特征。无线电波的幅度（即强度）是其高度—峰值与最低点间的距离—的形象化描述。幅度单位为电压，工程师们常常以均方根（RMS，RootMeanSquare）值来表示。无线电波的频率是在某一给定时间内电波的重复次数（即周期）。频率以Hz为单位。1Hz等于每秒一周，数千Hz表为kHz（kilohertz），数百万Hz表为MHz（megahertz）。例如可将2182000Hz可写作2182kHz或2.182MHz。波长是无线电相邻波峰间的距离。波长与频率的乘积是等于传播速度，而速度是一个常数。因此，当频率增高时，波长缩短，反之亦然。由于无线电波以光速（每秒300×106米）传播，对任何频率，用300除以MHz为单位的频率即可得到以米为单位的波长。所以，用300除以10，得10MHz电波的波长为30米。※mMHzfmHzfkmf）（＝）（300000,000,300000,300无线电频谱在无线电频谱中，可用的频率范围大约从20kHz（正好高于声波）到30000MHz以上。相应于20kHz的波长为15公里，相应于30000MHz的波长只有1厘米。高频段的频率范围是3到30MHz。大多数高频电台实际使用的频率范围是从1.6到30MHz。多数高频远距离通信使用频率为4到18MHz。根据电离层条件和一天中时间的不同，有时9也使用18到30MHz的较高频段（见3.3）。早期，由于高频电台使用的波长（10到100米）短于商业广播电台的波长，高频被叫做短波。这个术语至今仍用于远程无线通信。频率分配和调制9fromtimetotimeadv.4高频频谱范围内的若干频段已被分配给各种特定用途——航空、海运、军事、政府、广播即业余。此外还按照紧急救援、广播、语音、Morse电码、传真、数据等不同的传输类型作进一步管制。频率分配是按国际条约，由国家指定的权威机构来管理的。对于无线通信，分配一个频率只是一个起点，无线电波本身并不传达信息，它只不过是有节奏的连续波（CWContinuousWave）流而已。对无线电波进行调制而使其携带信息，称之为载波。为了传送信息，必须以表示信息的信号去改变（即调制）载波的幅度、频率或相位。最简单的调制载波的方法是用电报按键控制其通断。在无线电通信的早期，用Morse电码进行开-关键控是传送无线信息的唯一方法。现在无线电通信的常用方法有调幅（AM），是按与信号（例如人的声音）的幅度变化成正比的关系改变载波的幅度。换句话说，信息包含在幅度的变化中。调幅过程产生一个载频和一对在载频附近上下两边的完全相同的边带。AM是一种低效率调制方式，它必含载波。只有边带才携带信息，而AM信号的大部分功率都被不携带信息的载波所消耗。单边带（SSB）是效率较高的调幅方式之一，采用这种调制方式时，抑制掉了载波和一个边带，只发送剩下的一个边带USB或LSB。由于SSB信号只需AM信号频带的一半，而且只当有信号时才产生，因此SSB系统的频带利用率（这必适应于许多用户）和发射机的功率利用率都较高。全部发射功率都在携带信息的边带之中。这种方案的一个变种是等效调幅（AME，常用于军事和商业通信），它将被削弱了的载波与边带一起发送。AME系统可用结构较简单的接收机来检测信号。另一个变种是独立边带（ISB），它发送两个边带，但每个边带携带的信息不同，如一个边带携带数据信号，而另一个边带携带语音信号。调频（FM）技术中载波的频率随调制信号成正比变化。许多技术上的原因使常规FM产生的信号比AM的更清晰，但要占用较宽的频带。有时高频电台也窄带调频，其频带利用率较高，但信号质量较差。其他用高频通道进行数据传输的方案还有信号移频和信号移相，这些将在3.6节中讨论。无线电波传播传播描述的是，无线电信号是如何从发射源向外辐射的。可简单地想象无线电波沿着直线行进（就像石头扔进静止湖面产生的水波）。不过，无线电波传播的实际路径往往要复杂得多。有两种传播模式：地波和天波。地波沿着地球表面传播，而天波则是被“反射”回地球的。图3.1表示高频无线电波的不同传播路径。5图3.1地波由三部分组成：表面波、直达波和地面反射波。表面波沿地球表面行进，达地平线以远。实际上，表面波的能量会被地球吸收。表面波的有效距离主要取决于频率以及电波行进区域的地表电导率。吸收强度随频率的升高而增大。发射无线电信号利用表面波传播的传播距离与发射机功率、接收机的灵敏度、天线的特性以及传播路径的类型有关。一台完好的设备，在全海面导电路径上的传播距离可达200到250英里。但使用同样的设备，在干旱、多岩石、不导电的地形上的传播距离还不足20英里。直达波沿着直线行进，强渡随距离增加而减弱。它也可能会被大气折射，使其传播距离略远于地平线。要进行通信，发射天线和接收天线必须相互能“看得见”，所以天线的高度是决定通信距离的关键因数。因此直达波有时又叫做视距波（Line-of-Sight，LOS）。地面反射波是从发射机发出，经地面反射到达接收机的电波。天波使超视距（BeyondLine-of-Sight，BLOS）通信成为可能。对于某些特定的频率，无线电波经折射可返回到数百、甚至数千英里远的地球表面。随着频率、一天中的时间和大气条件的不同，信号可能经过多次反射到达接收机。由于电离层不断变化，可能不易掌握好天波的利用。下以节我们将更仔细地讨论天波。小结•从天线发射的无线电信号以光速在空间传播。•无线电频率的单位是赫兹（每秒周期数）、千赫兹或兆赫兹。•无线电波的频率决定了其波长，频率低时波长长，频率高时波长短。•1.6～30兆赫的高频用于远程无线通信。按照国际协议，此频率范围内的不同频段划分给了特定的用途的无线通信。•调制过程是为了传递信息而将载波信号的相位、幅度或频率甲乙改变。•经电离层反射后传播无线电波叫做天波，利用天波可实现远程通信。3.3电离层和无线电波传播要理解天波的传播，就要考虑电离层和太阳活动对高频无线电波传播的影响。还必须熟悉一些用于预测电波传播的技术和在特定时间对于特定的链路选择最佳频率的技术。我们先从定义开始吧。电离层—天然卫星电离层是地球大气中的带电粒子（带电气体）区域，其高度在地面上6空50到600公里（30到375英里）之间。电离作用使电子从原子中剥离出来而产生带电粒子，这是由太阳辐射造成的。当电离层强电离时，其气体甚至会发光，肉眼都能看见，这就