任查學(xué)

【摘 要】為提高短波通信質(zhì)量，分析了電離層的特性，著重討論了電離層引起的多徑、衰落對(duì)短波通信造成的不利影響的基礎(chǔ)上，給出克服這一影響的主要頻率選擇方法。

【關(guān)鍵詞】短波；頻率；選擇

0 引言

短波通信距離遠(yuǎn)、設(shè)備簡(jiǎn)單，可以根據(jù)使用要求固定設(shè)置，進(jìn)行定點(diǎn)固定通信，也可以背負(fù)或裝入車輛、艦船、飛行器中進(jìn)行移動(dòng)通信；對(duì)自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭(zhēng)的抗毀能力強(qiáng)。但同時(shí)短波的天波信道是變參信道，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性差，其信道擁擠，具有時(shí)變、色散特性等缺點(diǎn)，受外界干擾因素多，通信不穩(wěn)定。在軍事通信保障中，如何根據(jù)地域環(huán)境、通信要求選擇合適的短波通信頻段成為研究的重點(diǎn)。在采用不同傳播方式進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)依據(jù)短波電離層對(duì)短波通信傳輸?shù)挠绊懀_選擇通信頻率，才能發(fā)揮短波通信電臺(tái)設(shè)備的應(yīng)有效能，建立穩(wěn)定可靠的通信聯(lián)系，提高通信質(zhì)量。

1 電離層對(duì)短波通信影響分析

1.1 電離層特性分析

短波無線電遠(yuǎn)程通信依賴于高空電離層反射的天波路徑。電離層中電子密度呈層狀分布，對(duì)短波通信影響大的有D層、E層、F1層、F2層，各層的中部電子密度最大，各層之間沒有明顯的分界線。各層的電子密度D

1.2 多徑影響分析

短波傳播的多徑情形主要有4種，如圖1所示。其中，圖1（a）的多徑由天波和地波構(gòu)成，圖1（b）為單跳和多跳構(gòu)成，圖1（c）和（d）的情況是尋常波和非尋常波之間的干擾以及電離層的漫射構(gòu)成的多徑。多徑傳播主要帶來兩個(gè)問題，一是衰落，二是延時(shí)。

（a） （b） （c） （d）

圖1 短波多徑傳播示意圖

多徑延時(shí)是指多徑中最大的傳輸延時(shí)與最小的傳輸延時(shí)之差。多徑延時(shí)與通信距離、工作頻率和工作時(shí)刻有密切的關(guān)系。

圖2 多徑延時(shí)與距離的關(guān)系

多徑延時(shí)與通信距離的關(guān)系可用圖2表示。從圖中可見，在200km～300km的短波線路上，多徑延時(shí)最嚴(yán)重，可達(dá)8ms左右。這是由于在這樣的距離上，通常使用弱方向性的雙極天線，電波傳播的模式比較多，而且在接收點(diǎn)的信號(hào)分量中，各種傳播模式的貢獻(xiàn)相當(dāng)，造成嚴(yán)重的多徑延時(shí)。電離層與地面間多次反射時(shí)，在2000km～8000km的線路上，多徑延時(shí)在2ms～3ms之間。當(dāng)通信距離進(jìn)一步增大時(shí)，由于不再存在單跳模式，多徑延時(shí)又隨之增大，當(dāng)距離為20000km時(shí)，可達(dá)6ms。

多徑延時(shí)隨著工作頻率偏離MUF的增大而增大。工作頻率偏離MUF的程度可用多徑縮減因子（MRF）表示。MRF的定義如下：

式中，f代表工作頻率。顯然，MRF越小，表示工作頻率偏離MUF越大。圖3是在同時(shí)考慮通信距離和工作頻率時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其曲線族的參數(shù)為多徑延時(shí)。當(dāng)給定通信距離和工作頻率時(shí)，可以從圖中查到典型的多徑延時(shí)。

多徑延時(shí)還與工作時(shí)刻有關(guān)。比如，在日出和日落時(shí)刻，多徑延時(shí)現(xiàn)象最嚴(yán)重、最復(fù)雜，中午和子夜時(shí)刻多徑延時(shí)一般較小而且穩(wěn)定。多徑延時(shí)隨時(shí)間的變化，其原因是由于電離層的電子密度隨時(shí)間變化，從而使MUF隨時(shí)間變化。電子密度變化越急劇，多徑延時(shí)的變化也越嚴(yán)重。

1.3 衰落影響分析

在電離層內(nèi)短波傳播過程中，由于電離層電特性的隨機(jī)變化，引起傳播路徑和能量吸收的隨機(jī)變化，使得接收電平呈現(xiàn)不規(guī)則變化。短波通信中，即使在電離層的平靜時(shí)期，也不可能獲得穩(wěn)定的信號(hào)。接收端信號(hào)振幅總是呈現(xiàn)忽大忽小的隨機(jī)變化，這種現(xiàn)象稱為“衰落”。連續(xù)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間僅幾分之一秒的信號(hào)起伏稱為快衰落。持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)的衰落（可能達(dá)一小時(shí)或者更長(zhǎng)）稱為慢衰落。

慢衰落主要是吸收型衰落。它是由電離層電子密度及高度的變化造成電離層吸收特性的變化而引起的，表現(xiàn)為信號(hào)電平的慢變化，其周期可從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)。日變化、季節(jié)變化及11年周期變化均屬于慢衰落。吸收衰落對(duì)短波整個(gè)頻段的影響程度是相同的。在不考慮磁暴和電離層騷擾時(shí)，衰落深度可能低于中值10dB。要克服慢衰落，應(yīng)該增加發(fā)射機(jī)功率，以補(bǔ)償傳輸損耗。

快衰落是一種干涉型衰落，它是由隨機(jī)多徑傳輸引起的（見圖2）。由于電離層媒質(zhì)的隨機(jī)變化，各徑相對(duì)延時(shí)亦隨機(jī)變化，使得合成信號(hào)發(fā)生起伏，在接收端看來，這種現(xiàn)象是由于多個(gè)信號(hào)的干涉所造成，因此稱為干涉衰落。干涉衰落的衰落速率一般為每分鐘10～20次，故為快衰落。干涉衰落具有明顯的頻率選擇性。通常除了為補(bǔ)償快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技術(shù)，例如分集接收、時(shí)頻調(diào)制和差錯(cuò)控制等。

2 短波通信選頻方法

克服電離層對(duì)短波通信帶來的不利影響最有效的解決方法是合理的選擇工作頻率，改善通信質(zhì)量，提高通信效果。

2.1 頻率選擇的原則

短波通信電臺(tái)工作頻率的選擇是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵性問題。

地波傳播方式中，頻率不宜過高，一般選用2MHz～6MHz頻段內(nèi)的頻率。天波傳播方式中，頻率選擇相對(duì)復(fù)雜，若頻率太低，則電離層吸收增大，不能保證必須的信噪比，若頻率太高，電波不能從電離層反射回來。一般來說，選擇頻率應(yīng)考慮以下原則：

1）不能高于最高可用頻率：最高可用頻率與電子密度有關(guān)，電子密度越大，最高可用頻率越高。電離層電子密度主要隨時(shí)間變化，所以最高可用頻率也隨之變化。其次，對(duì)一定電離層高度而言，通信距離越遠(yuǎn)，則電波入射角也就越大，就是說最高可用頻率越高。但應(yīng)注意，由于電離層電子密度是經(jīng)常變化的，其最高可用頻率不能保證每時(shí)每刻可靠反射電波，因此實(shí)際使用的頻率為最佳工作頻率。經(jīng)驗(yàn)說明，最佳工作頻率約為最高可用頻率的85%。

2）不能低于最低可用頻率：在短波通信中，頻率越低，電離層吸收越大。當(dāng)?shù)偷揭欢ǔ潭纫灾虏荒鼙ＷC通信所必須的信噪比時(shí)，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降導(dǎo)致通信中斷。能保證最低所需的信噪比的頻率稱為最低可用頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同距離、不同時(shí)段的最低可用頻率一般比相應(yīng)的最佳工作頻率低3MHz～4MHz。

3）適時(shí)改變工作頻率：最低可用頻率至最佳工作頻率之間的頻段可作為工作頻率。但是，這一頻段在一晝夜之間是隨時(shí)變化的，而電臺(tái)的工作不可能隨時(shí)變化。實(shí)際工作中一晝夜內(nèi)只改頻1～2次。在一段時(shí)間內(nèi)只用一個(gè)頻率，通常選日頻、夜頻各一個(gè)。改頻時(shí)間通常是在電離層電子密度變化急劇的黎明和黃昏時(shí)刻適時(shí)進(jìn)行。

2.2 短波通信選頻方法

長(zhǎng)期、短期預(yù)報(bào)：

長(zhǎng)期預(yù)報(bào)是依據(jù)電離層特性參量的時(shí)空變化 和太陽活動(dòng)性指數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，推斷出一個(gè)月、三個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間之后短波的傳播模式、接收點(diǎn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，繼而得出最高可用頻率（MUF）等參數(shù)的月中值。短期預(yù)報(bào)則利用電離層在短期內(nèi)存在相對(duì)穩(wěn)定的特性來預(yù)測(cè)MUF值，它以近一段時(shí)間的積累數(shù)據(jù)作為依據(jù)，用七天加權(quán)值法預(yù)報(bào)給定地點(diǎn)的電離層參量，再運(yùn)用內(nèi)插、外推法或預(yù)測(cè)圖的方法預(yù)報(bào)出近期的MUF。

長(zhǎng)期預(yù)報(bào)所確定的頻率月中值是平均條件下的最佳頻率，往往與實(shí)際通信過程中的MUF值有較大的偏差。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)沒有考慮多徑效應(yīng)的影響，電離層反射信道的特點(diǎn)之一就是多徑傳播效應(yīng)，這種多徑效應(yīng)對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)傳輸中速數(shù)據(jù)影響頗大。實(shí)驗(yàn)證明，多徑效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的危害程度除和通信距離有關(guān)外，還和通信線路所選用的工作頻率有密切關(guān)系。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)所提供的最佳工作頻率沒有考慮而且也不可能考慮到電臺(tái)干擾等一些隨時(shí)間變化的因素因此只能用于頻率的粗選以確定使用的大概頻段，有助于為頻率選用剔除無用頻率。提高頻率選擇的效率在實(shí)際應(yīng)用中必須首先使用長(zhǎng)期預(yù)測(cè)確定可用頻段.然后用短期預(yù)報(bào)選擇更為準(zhǔn)確的通信頻率。

2.3 RTCE探測(cè)技術(shù)

2.3.1 RTCE的定義

RTCE（Real-Time Channel Evaluation）實(shí)時(shí)信道估計(jì)的定義是描述“實(shí)時(shí)測(cè)量一組信道的參數(shù)值來定量描述信道的狀態(tài)和傳輸某種通信業(yè)務(wù)的能力”的過程。測(cè)量信道參數(shù)是RTCE的一項(xiàng)主要任務(wù)。究竟選用何種信道參數(shù)，要視通信線路傳輸何種通信業(yè)務(wù)而定。對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)來講，能反映數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的參數(shù)主要有：信號(hào)能量（信號(hào)功率）、噪聲能量（噪聲功率）及分布、多徑展寬或多徑時(shí)延、多普勒展寬）在給定時(shí)間接受錯(cuò)誤碼元的數(shù)目、在給定時(shí)間內(nèi)請(qǐng)求重復(fù)的次數(shù)等指標(biāo)，均可選為RTCE的測(cè)量指標(biāo)，估計(jì)信道質(zhì)量。

RTCE的最終目的是實(shí)時(shí)描述在一組信道上傳送某種通信業(yè)務(wù)的能力。通常，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)用誤碼率、傳輸語音時(shí)用清晰度來反映這種能力。

2.3.2 探測(cè)與通信分離

探測(cè)與通信分離的獨(dú)立系統(tǒng)是最早投入使用的實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)RTCE獨(dú)立探測(cè)克服廠基丁統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的固定地配置頻率的不足。探測(cè)與通信分離的實(shí)時(shí)信道估計(jì)選頻系統(tǒng)，是l：用的頻率管理系統(tǒng)。它在整個(gè)短波范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行快速掃描探測(cè)，實(shí)時(shí)處理收端信號(hào)的頻率、誤碼率、信噪比和多徑時(shí)延等若干參數(shù)。按照信道質(zhì)量給頻率打分排隊(duì)，獲得可以實(shí)時(shí)利用的頻率數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的通信質(zhì)量要求，系統(tǒng)會(huì)選擇不同的頻段和頻率分發(fā)到各個(gè)用戶臺(tái)。

探測(cè)電離層傳輸條件和噪聲于擾，把握整個(gè)短波頻段的資源動(dòng)態(tài)，較快地選取通信所用頻率，精確性較高小過。這種選頻方式大多適合固定的專用選頻系統(tǒng)，不能普遍應(yīng)川到機(jī)動(dòng)電臺(tái)，井非真正做到選用頻率的實(shí)時(shí)性。因此配備實(shí)時(shí)的頻率分發(fā)系統(tǒng).才能保證通信時(shí)的最住頻率和探測(cè)時(shí)最優(yōu)頻率保持一致。

2.3.3 主要的探測(cè)方法

頻率自適應(yīng)根據(jù)所采用的探測(cè)技術(shù)主要有：采用“脈沖探測(cè)的RTCE”；采用“Chirp探測(cè)的RTCE”；采用“導(dǎo)頻探測(cè)的RTCE”等技術(shù)。

脈沖探測(cè)的RTCE是一種采用時(shí)間與頻率同步傳輸和接收的脈沖探測(cè)系統(tǒng)，發(fā)送端采用高功率的脈沖探測(cè)發(fā)射機(jī)，在給定的時(shí)刻和預(yù)調(diào)的短波頻道上發(fā)射窄脈沖信號(hào)，接收端同步接收后通過分心脈沖信號(hào)質(zhì)量，對(duì)信道進(jìn)行分析。

調(diào)頻連續(xù)波探測(cè)或稱咽啾（Chirp）探測(cè)，是另一種電離層探測(cè)力一式，它在原理上和脈沖探測(cè)完全不同探測(cè)信號(hào)采用了調(diào)頻連續(xù)波，也就是頻率掃描信號(hào)，典型的Chirp探測(cè)信號(hào)是頗率線性掃描信號(hào)，當(dāng)然也可以采用頻率對(duì)數(shù)掃描形式。Chirp探測(cè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)和脈沖探測(cè)一樣，必須使收、發(fā)在時(shí)間和頻率掃描上精確同步。頻率掃描信號(hào)的掃描范圍和斜率應(yīng)一致在滿足上述條件后，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的本地掃描振蕩器將同步地由低到高實(shí)施頻率掃描。

2.4 基于ALE的選頻體制

自適應(yīng)選頻系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中直接采用RTCE技術(shù)，在通信間隙對(duì)短波信道進(jìn)行探測(cè)、評(píng)估。該系統(tǒng)對(duì)短波信道的探測(cè)、評(píng)估和通信一并完成。它避免廠頻率分發(fā)過程造成的時(shí)延問題，確保了頻率選用的實(shí)時(shí)性。這種電臺(tái)的主要特征是，具備限定信道的實(shí)時(shí)信道估計(jì)功能，能對(duì)短波信道進(jìn)行初步的探測(cè)，即鏈路質(zhì)量分析（LQA； Link Quality Analysis），能夠自動(dòng)鏈路建立（ALE），完成探測(cè)和通信任務(wù)。

另外，實(shí)際通信中還有許多好的探測(cè)技術(shù)如：導(dǎo)頻探測(cè)技術(shù)、誤碼計(jì)算技術(shù)、8移頻鍵控（8FSK）探測(cè)技術(shù)，這些技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，為達(dá)到通信質(zhì)量最優(yōu)的目的，現(xiàn)在的短波通信系統(tǒng)，大多將這些探測(cè)技術(shù)綜合使用，以克服電離層對(duì)通信質(zhì)量的影響。

3 結(jié)束語

短波通信技術(shù)是一種傳統(tǒng)的通信技術(shù)，由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。隨著信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，用戶對(duì)短波通信，特別是數(shù)據(jù)通信可靠性與容量提出了更新、更高的要求。因此在實(shí)際使用過程中，需要綜合運(yùn)用短波頻率選擇方法，提高短波通信的鏈路質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]