短波通信的頻率選擇

1、短波通信的頻率選擇老笨所在的工作單位在上世紀(jì) 90年代初建立了一個(gè)短波單邊帶通信網(wǎng)，以解決手機(jī)通信站點(diǎn) 未能覆蓋的地區(qū)的移動(dòng)條件下的遠(yuǎn)程通信問題。為此，曾開了一期操作人員培訓(xùn)班。由設(shè)備 供應(yīng)商主講電臺(tái)的操作與使用。老笨負(fù)責(zé)主講短波通信的頻率選擇。在培訓(xùn)中老笨盡可能用 比較通俗易懂的方式來講解，但多數(shù)人沒有聽懂。系統(tǒng)建好后，曾多次有過固定臺(tái)對(duì)移動(dòng)臺(tái)（車載）之間建立起2000公里的話音溝通（發(fā)射功率約 100W ）。隨著手機(jī)通信覆蓋地域的 不斷擴(kuò)展，這套耗資百萬的系統(tǒng)用了幾年后現(xiàn)在已經(jīng)廢掉了?，F(xiàn)將當(dāng)年的培訓(xùn)提綱上至礦壇，為老笨加點(diǎn)積分。簡述短波段無線電波的傳播規(guī)律與短波無線電通信的頻率選擇及預(yù)測一

2、、引言：在無線電通信中，無線電發(fā)射機(jī)的天線輻射載有信息的電磁波，到達(dá)接收點(diǎn)無線電接收 機(jī)的天線，要經(jīng)過一段自然路徑。無線電波在自然環(huán)境中的傳播主要有三個(gè)路徑常用于無線 電通信：視距傳播、地波傳播、天波傳播。不同波長的無線電波在以上三種傳播路徑中有不 同的傳播規(guī)律。短波無線電波（2 30Mhz ）的傳播有不同于其它頻段的特殊規(guī)律，只有透 徹認(rèn)識(shí)和運(yùn)用其特殊規(guī)律，才能發(fā)揮短波無線電通信設(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。二、無線電波的傳播路徑：（1） 視距傳播：視距傳播是指電波在發(fā)射天線與接受天線互相看得見”的距離內(nèi)的傳播方式。電波在靠近地面的低空大氣層中以近似直線的路徑傳播（

3、見圖-1 ），在發(fā)射功率一定的情況下，其通信距離相當(dāng)大的程度上取決于收發(fā)雙方的天線高度，多用于超短波通信，本文 不多作討論。（2） 地波傳播：地波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴?。?dāng)電波沿地表傳播時(shí)， 在地表面產(chǎn)生 感應(yīng)電荷，這些電荷隨著電波的前進(jìn)而形成地電流。由于大地有一定的電阻，電流流過時(shí)要消耗能量，形成地面對(duì)電波的吸收。地電阻的大小與電波頻率有關(guān)，頻率越高，地的吸收越 大。因此，地波傳播適宜于長波和中波作遠(yuǎn)距離廣播和通信；小型短波電臺(tái)采用這種方式只 能進(jìn)行幾公里至幾十公里的近距離通信。地波是沿著地表面?zhèn)鞑サ模旧喜皇軞夂驐l件的 影響，因此信號(hào)穩(wěn)定，這是地波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。（3） 天波傳播：天波

4、是指地面發(fā)出的經(jīng)電離層折射返回地面的電波。短波無線電臺(tái)站可 以較小的發(fā)射功率，不依賴任何地面系統(tǒng)利用天波路徑獨(dú)自建立數(shù)百公里甚至數(shù)千公里的通 信聯(lián)系，是為有別于其它通信方式的突出優(yōu)勢。但是，電離層隨晝夜、季節(jié)、年度而變化，導(dǎo)致天波傳播狀況依時(shí)間變化。因此，依賴電離層反射所建立的短波無線電天波通信是不穩(wěn) 定、不可靠的（相對(duì)于其他傳播路徑而言）。遠(yuǎn)程短波通信要求設(shè)備操作人員對(duì)短波波段無 線電波的傳播規(guī)律有深入的了解和較多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且依賴于通信各方的配合默契。本文 主要討論短波通信的地波和天波傳播。三、短波的地波傳播：利用地波路徑，可在一定距離內(nèi)建立穩(wěn)定可靠的短波通信聯(lián)絡(luò)。其有效距離主要取決于

5、短波電臺(tái)的發(fā)射功率、天線的架設(shè)方式、傳播路徑上的地形地物的影響及使用的載波頻段。 在發(fā)射功率、天線架設(shè)、地形地物均已確定的情況下，載波頻率成為決定通信距離的唯一可 選因素。鑒于頻率越低大地對(duì)電波的吸收越小，短波電臺(tái)的地波通信宜選用短波頻率的低段（2 6 Mhz ）。很明顯，地波的場強(qiáng)與傳播距離成反比，距離越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度越弱。遠(yuǎn)至 一定距離，信號(hào)/噪聲比將降低到無法保證可靠通信的程度，導(dǎo)致通信中斷。對(duì)于短波通信 而言，其噪聲主要來自產(chǎn)生于大氣的天電和周圍工業(yè)設(shè)備的電氣干擾。一般來說，在一方天線高架的情況下，選擇合適的載波頻率，小型短波電臺(tái)利用地波路 徑可在數(shù)十公里范圍內(nèi)建立可靠的通信聯(lián)絡(luò)。四、短

6、波的天波傳播：（1） 關(guān)于電離層：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，了解電離層 的生成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，了解電離層不同時(shí)段對(duì)不同頻段的短波段電波的反射規(guī)律，對(duì)短波無線電通信有至關(guān)重要的意義。由于太陽紫外線照射、宇宙射線的碰撞，使地球上空大氣中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子電離，產(chǎn)生正離子和電子，形成所謂電離層，其分布 高度距地面幾十公里至上千公里。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 E F1 F2 ）:由于電離層的形成主要是太陽紫外線照射的結(jié)果， 因此電離層的電子密

7、度與陽光強(qiáng)弱密切相關(guān)，隨地理位置、晝夜、季節(jié)和年度變化，其中晝 夜變化的影響最大。D層：高度60 80公里，中午電子密度最大，入夜后很快消失；E層：高度100 120公里，白天電子密度增加，晚上相應(yīng)減少；F1層：高度180公里，中午電子密度最大，入夜后很快消失；F2層：高度200 400公里，下午達(dá)到最大值，入夜逐漸減少，黎明前最小。（2）電離層對(duì)電波的折射和反射：電離層可看成具有一定介電常數(shù)的媒質(zhì)，電波進(jìn)入電離層會(huì)發(fā)生折射。折射率與電子密 度和電波頻率有關(guān)。電子密度越高，折射率越大；電波頻率越高，折射率越小。電離層電子 密度隨高度的分布是不均勻的，隨高度的增加電子密度逐漸加大，折射率亦隨之加

8、大?？梢?將每一層劃分為許多薄層，每一薄層的電子密度可視為均勻的。電波在通過每一薄層時(shí)都要 折射一次，折射角依次加大，當(dāng)電波射線達(dá)到電離層的某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的電子密度值恰使其 折射率為900，此時(shí)電波射線達(dá)到最高點(diǎn)，爾后沿折射角逐漸減小的軌跡由電離層深處折返 地面。當(dāng)頻率一定時(shí)，電波射線入射角越大，則越容易從電離層反射回來。當(dāng)入射角小于一 定值時(shí)，由于不能滿足900的折射角的條件，電波將穿透電離層進(jìn)入太空不再返回地面。當(dāng)入射角一定時(shí)，頻率越高，使電波反射所需的電子密度越大，即電波越深入電離層才能返 回。當(dāng)頻率升高到一定值時(shí)，亦會(huì)因不能滿足900折射角的條件而使電波穿透電離層進(jìn)入太空，不再返回地面

9、。（3 ）電離層對(duì)電波的吸收：當(dāng)電波通過電離層時(shí)，電離層中的自由電子在電波的作用下作往返運(yùn)動(dòng)，互相碰撞，消 耗能量。這部分能量來自電波，此為電離層對(duì)電波的吸收。吸收的大小主要與電子密度和電 波頻率有關(guān)。電子密度越高、電波頻率越低，吸收越大，反之則低。當(dāng)吸收大到一定程度時(shí)， 電波強(qiáng)度將不能滿足短波接收機(jī)的信號(hào) /噪聲比要求，導(dǎo)致通信中斷。五、短波天波通信的頻率選擇與預(yù)測：由于電離層的高度及電子密度主要隨日照強(qiáng)弱晝夜變化，因此工作頻率的選擇是影響通 信質(zhì)量的關(guān)鍵性問題，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

10、）不能高于最高可用頻率：當(dāng)通信距離一定時(shí)，可以被電離層反射回來的最高頻率叫 最高可用頻率。很明顯，通信頻率不能高于最高可用頻率，否則電波將穿出電離層。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%。附表列出了我國南方夏季不同通信距離在不同時(shí)段的最高工作頻率及最佳工

11、作頻率。需要說明的是，表中所列的工作頻率并非確定的準(zhǔn)確頻率，而是在此頻率附近即可。實(shí) 際應(yīng)用時(shí)，可從表列最佳工作頻率向下1-2Mhz的范圍內(nèi)選取合適的工作頻率，以適應(yīng)不同的季節(jié)及地域。（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?程度以致不能保證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 3 4Mhz。此外，頻率為1.4Mhz附近的電波可與電離層中自由電 子的振動(dòng)發(fā)生諧振，產(chǎn)生較大的諧振吸收。所以天波通信時(shí)工作頻率不應(yīng)低于2Mhz。

12、（3）一日之內(nèi)適時(shí)改變工作頻率：原則上說，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。六、短波通信的盲區(qū)”短波通信的盲區(qū)亦稱 靜區(qū)”盲區(qū)現(xiàn)象是短波無線電通信很難回避的問題。在地波最遠(yuǎn) 覆蓋范圍與天波最近反射區(qū)之間有一段所謂盲區(qū)”。在一方天線高架的情況下，盲區(qū)從數(shù)十公里的距離開始出現(xiàn)，大約在150 200公里處消失，從理論上說，在此區(qū)域內(nèi)收不到任何信號(hào)。但是，當(dāng)前的一些新的

13、天線技術(shù)已部分解決了這一問題，在理論上的盲區(qū)內(nèi)可建立溝 通，只是信噪比差些而已。在此區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)降低工作頻率，減少大地對(duì)電波的吸收，同時(shí) 使仰角較大的電波能被電離層反射下來，可能會(huì)使信噪比狀況有所改善。七、關(guān)于頻率自適應(yīng)技術(shù)”：（1）傳統(tǒng)短波通信選頻方式的固有缺陷：合理選頻對(duì)中遠(yuǎn)程短波通信至關(guān)重要，這一點(diǎn)已有說明。傳統(tǒng)的中遠(yuǎn)程短波通信的選頻模式是：通信指揮人員根據(jù)長期頻率預(yù)測和短期頻 率預(yù)測以及電離層隨季節(jié)、晝夜變化規(guī)律和通信距離指定時(shí)間一頻率表”，各臺(tái)站之間以定時(shí)、定頻方式進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。但是，問題在于要準(zhǔn)確地預(yù)測電離層的傳輸頻率，并使通信 效果始終保持良好狀態(tài)非常困難。其主要原因是：短波信道

14、（電離層）是一種典型的隨機(jī)變 參數(shù)信道，它的信道特性隨時(shí)間、空間和工作頻率而隨機(jī)變化。而預(yù)測所得到的頻率是在既 往資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到的，是人們一廂情愿的最佳頻率”。它可能與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際電離層傳輸頻率有較大的偏差，并且無法考慮到諸如多徑效應(yīng)、多普勒頻移和各種 干擾等因素，是一種比較粗糙的辦法。以這種方法預(yù)測的工作頻率有時(shí)只能作為參考。實(shí)際 工作中，很大程度上要依賴通信系統(tǒng)指揮人員和各臺(tái)站操作人員的經(jīng)驗(yàn)、技巧、隨機(jī)應(yīng)變能 力和通信各方的配合默契。而這種能力和默契的取得，有賴于專業(yè)化訓(xùn)練和長時(shí)間的磨合， 并非易事。（2 ）問題的解決辦法：為使現(xiàn)有的裝備能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，應(yīng)盡可能

15、減少通信系統(tǒng)對(duì)人員條件的依賴，采取技術(shù)措施使設(shè)備操作（關(guān)鍵是頻點(diǎn)選擇）自動(dòng)化、傻瓜”化。當(dāng)前，中遠(yuǎn)程短波通信自動(dòng)選擇可用工作頻點(diǎn)的所謂頻率自適應(yīng)技術(shù)”及產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。短波自適應(yīng)通信方式是現(xiàn)代短波通信的象征，使短波通信系統(tǒng)具有自動(dòng)適應(yīng) 通信條件變化的能力（還有功率自適應(yīng)技術(shù)，本文不作討論）。它采用微處理機(jī)控制技術(shù)， 使短波通信機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率選擇、自動(dòng)信道存儲(chǔ)、自動(dòng)天線調(diào)諧，能實(shí)時(shí)選擇出當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)刈?佳的短波通信信道，克服短波信道的時(shí)變性，能非常有效地改善通信效果，簡化了人工選頻 的復(fù)雜操作，非專業(yè)人員也能使用。需要指出的是，自動(dòng)選頻是在事先預(yù)置的一組頻點(diǎn)中選 擇最佳可用頻率，如預(yù)

16、置頻點(diǎn)不當(dāng)，當(dāng)然無法從中選出合適的頻率。（3）頻率自適應(yīng)系統(tǒng)的工作過程為：在鏈路建立前，主叫方先在一組預(yù)置頻率上發(fā)送 測試碼，被叫方接收并測量信號(hào)質(zhì)量，對(duì)各信道的通信質(zhì)量評(píng)分，按優(yōu)劣排序。然后，向主 叫方發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，反饋各可用信道評(píng)分排序信息。主叫方收到應(yīng)答信號(hào)后，向被叫方發(fā)出 確認(rèn)信號(hào)，雙方建立頻率庫，進(jìn)入自適應(yīng)掃描狀態(tài)。此時(shí)，通信各方發(fā)射機(jī)處于寂靜狀態(tài)， 接收機(jī)對(duì)已存入頻率庫的各頻點(diǎn)循環(huán)掃描。當(dāng)需要進(jìn)行通話時(shí)，主叫臺(tái)在頻率庫中選取最佳 信道發(fā)出呼叫信號(hào)，被叫目標(biāo)臺(tái)收到呼叫信號(hào)后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，主叫臺(tái)收到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)出 確認(rèn)信號(hào)。至此，鏈路建立完成，可以進(jìn)行通信。如果主叫臺(tái)在最佳信道上呼叫不

17、通，鏈路 未能建立，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入排序第二位的信道上執(zhí)行呼叫，依此下去，直到鏈路建立。電臺(tái)之間 的通信鏈路在某一信道上建立之后，在進(jìn)行通信的同時(shí)，電臺(tái)仍在對(duì)該信道的通信質(zhì)量實(shí)施 監(jiān)測，當(dāng)通信質(zhì)量下降到低于門限值時(shí)，通信各方自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一信道工作。以上過程在很短 時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成，無需人工干預(yù)和操作。頻率自適應(yīng)技術(shù)使短波通信的質(zhì)量產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，將人的因素對(duì)通信系統(tǒng)的影響降低 到最低限度，賦予短波通信以新的生命（在此前，短波通信因其前述的固有缺陷而趨于沒落） ： 得以充分發(fā)揮其它通信手段所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢。時(shí)段頻率距離500公里1000公里2000公里0 時(shí)最咼可用頻率5.4Mhz7Mhz11.5Mhz最佳工作頻率4.6Mhz6Mhz10Mhz4 時(shí)最咼可用頻率5.3