现代短波通信技术及其应用

新维电信有限公司技术资料1现代短波通信简明讲义新维电信有限公司作者何滨黎杰概述尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，不仅没有被淘汰，还在快速发展。其原因主要有二：一、短波是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，一旦发生战争或灾害，各种通信网络都可能瘫痪，只有短波通信设备不可能被大面积摧毁，无论哪种通信方式，抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比；二、在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，只能依靠短波或卫星，而卫星通信话费昂贵，短波通信则不用支付话费。短波重要性的实证很多。战时通信自不待言，平时通信方面，近些年的抗灾过程就很说明问题：1996年云南丽江地震，是短波电台报出灾情并成为抗灾初期的主要通信工具；2008年汶川地震时虽然多了卫星电话，但由于灾区拥积的卫星电话过多，造成卫星资源紧张，加上天气因素和山区丛林障碍，电话很难打出去。因此，据了解当时国家调集了上万部短波电台到灾区。汶川救灾非常明确地说明了：远距离的应急通信工具只有短波电台和卫星电话，并且二者互补方能有效和可靠。综上，短波的应用意义可以概括为：设备体积和信号质量不如其它通信工具，但在特定地区，以及面对灾难和战争时，却不得不备，不得不用。近年来，短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。用现代化的短波设备改造和充实我国各个重要领域的无线通信网，特别是应急通信网，使之更加可靠和有效，无疑是非常重要和紧迫的。鉴于市面上短波资料较少，十多年前我们应很多用户之需编写了一本简明讲义，后来经过不断修订成为现在这本讲义。本讲义简要介绍短波通信的基本概念，优化短波通信的常用方法，设备选型和使用，新的应用技术，日常维护知识等，供短波管理人员和技术人员参考，难免有错误之处，欢迎阅正。第一章短波通信的基本概念1.1短波通信原理1.1.1无线电波无线电广播、通信、雷达等，都要依靠无线电波来传播。无线电波一般指波长由100,000米至0.75毫米的电磁波。根据电磁波的传播特性，又分为超长波、长波、中波、短波、超短波等若干波段，其中：超长波的波长为100,000米～10,000米，频率3～30千赫；长波的波长为10,000米～1,000米，频率30～300千赫；中波的波长为1,000米～100米，频率300千赫～3.0兆赫；短波的波长为100米～10米，频率为3.0～30兆赫；超短波的波长为10米～1毫米，频率为30～300,000兆赫（注：波长在1米以下的超短波又称为微波）。新维电信有限公司技术资料2频率与波长的关系为：频率=光速／波长。电波在各种媒介质及其分界面上传播的过程中，由于反射、折射、散射及绕射，其传播方向经历各种变化，仅由于扩散和媒介质的吸收，其场强不断减弱。为使接收点有足够的场强，必须掌握电波传播的途径、特点和规律，才能达到良好的通信效果。1.1.2无线电波传播方式(1)地波（地表面波）传播沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波，传播途径如下图所示。其传播途径主要取决于地面的电导特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离通信也利用地波传播。地波传播示意图(2)直射波传播直射波又称为空间波，是发射点从空间直线传播到接收点的无线电波，传播途径如下图所示。由于地球表面曲率，直射波传播的距离限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢。超短波和微波通信都属于直射波传播。直射波通信，接收点的场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和架设方向不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度，以及山、楼房、树林等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量把架设高度增高，以便增加通信距离。直射波传播示意图(3)天波传播无线电波由天线向高空辐射，遇到大气电离层折射后返回地面，称为天波，传播途径如下图所示。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波通信。天波传播示意图新维电信有限公司技术资料3(4)散射传播散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射，其中一部份到达接收点。散射传播距离远，但是效率低，不易操作，使用不广泛。散射传播示意图1.1.3电离层对短波通信的作用电离层对短波通信起着主要作用，是我们研究的重点。电离层指距地面大约60公里至2000公里之间处于电离状态的高空大气层。上疏下密的高空大气层在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，气体分子和原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子，这个过程叫电离。产生电离的大气层称为电离层。电离层分为D、E、F1、F2四层。其中：D层高度60～90公里，白天可反射2～9MHz的频率；E层高度85～150公里，这一层对短波的反射作用较小；F层对短波的反射作用最大，分为F1和F2层。F1层高度150～200公里，只在日间起作用，F2层高度大于200公里，是F层的主体，日间夜间都支持短波传播。电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时反射的频率低。电离的浓度以单位体积的自由电子数（即电密度）来表示。电离层的高度和浓度随季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。在各种影响因素中，太阳黑子的每日变化非常大，对短波通信影响最大。当太阳黑子数值很高时，电离层对短波信号的衰减很大，信号甚至会穿透电离层，完全不反射，造成一段时间内短波通信大面积中断。1.1.4短波频率范围电离层最高可以反射40MHz的频率，最低可以反射1.5MHz的频率。根据这一特性，短波工作频段被国际电联确定为1.6MHz～30MHz。1.1.5短波的传播途径短波的基本传播途径有两个：一是地波，二是天波。地波沿地球表面传播，传播距离取决于地表介质的电导特性。海面介质的电导率高，对电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里；陆地表面介质电导特性差，电波衰耗大（不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样，潮湿水网地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大），短波信号沿陆地地面一般只能传播十多公里。地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。短波的主要传播途径是天波。电波由天线发出，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（从几百公里至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。但天波很不稳定，在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响通信效果。这正是短波技术界多年来一直致力研究的课题。新维电信有限公司技术资料41.2单边带的概念在无线电通信中，传送信息的载体是特定频率的载波（也称为主频）。那么信息又是如何放到载波上的呢？这就引出了“调制”的概念。调制就是将动态信息通过一定形式加到载波上发送出去，接收台收到被调制的载频信号后，再还原成原来的信息。调制分为幅度调制（简称“调幅”）、频率调制（简称“调频”）、相位调制（简称“调相”）三种。中波、短波主要采用调幅方式，超短波一般采用调频方式。根据国际协议，短波通信多使用单边带调幅方式（SSB），短波广播节目可以使用双边带调幅方式（AM）。因此短波电台也称为单边带电台。1.2.1单边带的定义调幅信号的频谱是由中央载频和上下两个边带组成的。将载频和其中一个边带加以抑制，剩下一个边带成为单边带。如果用一个边带再加上部份载频或全部载频，就成为兼容式调幅信号。下面用图示的方法说明单边带信号是怎样产生的。（1）单音调制的调幅信号波形如下图所示。（2）单音调制的调幅信号和上边带信号频谱如下图所示。调幅信号频谱上边带信号频谱单音信号载频信号经单音信号调制的载频信号新维电信有限公司技术资料5（3）受话音调制的调幅信号和边带信号波形及频谱如下图所示。（4）调幅话与兼容话的频谱如下图所示。1.2.2单边带的优点①提高了频谱利用率，减少了信道拥挤；②节省发射功率约四分之三；③减少信道互扰；④抗选择性衰落能力强。综合而言，一部100W单边带电台的通信效果，相当于一部1600W双边带电台。调幅话频谱兼容话频谱话音调制波形及频谱话音调制的AM号波形和频谱话音调制的边带波形和频谱新维电信有限公司技术资料61.2.3CCIR规定的短波发射类型标识符J3E单边带，抑制载波（用于短波通信）R3E单边带，缩减载波（用于短波通信）H3E单边带，全载波（用于短波通信）A3E双边带，全载波（用于短波广播）A1A高频载波键控（用于莫尔斯电报）短波发射类型还有很多，这里只列出了有关的几种。在陆地普通短波通信中，最常用到的发射类型是J3E和A1A。1.2.4短波通信常用术语中英文对照HF高频（短波）RF射频SSB抑制载波的单边带话USB上边带话LSB下边带话ISB独立边带话AM调幅FSK移频键控AFSK音频移频键控CCIR国际无线电咨询委员会1.2.5短波电台的功率发射机平均功率平均功率是指在标准工作条件下，发射机在相当长一段时间内传输给匹配天线的功率平均值。发射机峰值功率峰值功率也称为峰包功率，是指在最大信号电平时，在高频载波一个周期内的平均功率，即在包络达到峰值时的高频平均功率，用PEP表示。CW功率CW定义为等幅波，因此CW功率指在等幅波条件下的发射机输出功率，例如用手电键发报的功率。CW功率通常比平均功率高一些。三种功率参数的实用意义和注意事项目前国际上的短波电台输出功率大致分为两种类型：一类以澳大利亚和日本电台为代表，为了实现设备小型化，设计的CW功率低于PEP功率（以125WPEP电台为例，CW功率约80~110W）；另一类以欧美军用电台和国产军用电台为代表，设计的CW功率与PEP功率相同。这两种电台在通话时区别不大，但在数传时第二类电台功率要大一些。在选配天线和稳压电源等设备时，通常应以CW功率确定其承载功率。此外用第一类电台做数传时，功率应控制在50W以内，以防电台过热。新维电信有限公司技术资料71.2.6短波通信与超短波通信的对比分项短波通信超短波通信（卫星除外）传播路径地表面波和天波反射地面直射波（而非地波）传播距离●地波传播，主要取决于地面电导特性干燥地面传播较近（十几公里）；潮湿地面传播较远（几十公里）；海面传播最远（百公里以上）。●天波传播，主要取决于电离层变化、多径效应和地面哀耗、工作频率、天线类型和架设等因素。在各种条件较好时，通信距离可达数千至上万公里。●近程盲区，主要指配用鞭天线的车载台或背负台），北方地区约在十几公里至一百公里之间。●加大电台功率对距离的增益明显大于超短波。●主要取决于两点之间的天线高度。高建筑基站：对移动台可通几十至百公里以上。野外临时基站：对移动台可通十至几十公里。●加大电台功率对距离的增益较小。●因电波绕射能力差，遇山区和高大障碍物时，通信距离缩短甚至不通。通信枢钮不需要枢纽。集群、GSM电话、CDMA电话等通信方式都属于网络通信，必须依靠枢纽。中继接力不需要架设中继台。山区克服阻挡，或在平地为延长距离，必须架设中继台进行接力。信号质量收信质量不很稳定，信号常伴有噪声。信号好，噪声小。设备体积●基台体积与超短波相似。●移动台体积较大。●天线大（频率低，波长很长）。●基台体积与短波相似。●移动台体积小。●天线小（频率高，波长短）。抗毁能力可能毁坏部分台站，不能毁坏全网。枢纽损坏则全网瘫痪。建设投资单站投资较大。建网投资与超短波差不多。单站投资小。建网（枢纽、中继站）投资大。通信费用不用付费。除专网集群外，都要付费。1.2.7短波与卫星电话的对比分项短波卫星传播方式●天波通过电离层反射，属无源中继。●地表面波传播。信号通过卫星转发，属于有源中继。通信枢钮不需要枢纽。●卫星即枢纽，卫星出故障则通信中断。●卫星转发器资源紧张则难拨通。受天候影响主要受电离层变化的影