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

1、.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、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（230Mhz）的傳播有不同于其它頻段的特殊規(guī)律，只有透徹認(rèn)識和運用其特殊規(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

2、在靠近地面的低空大氣層中以近似直線的路徑傳播(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，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，電流流過時要消耗能量，形成地面對電波的吸收。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?，基本上不受氣候條件的影響，因此信號穩(wěn)定，這是地波傳播的突

3、出優(yōu)點。（3）天波傳播：天波是指地面發(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踐經(jīng)驗，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

4、效距離主要取決于短波電臺的發(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電波的吸收越小，短波電臺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)，信號強(qiáng)度越弱。遠(yuǎn)至一定距離，信號/ 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)。

5、四、短波的天波傳播：（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，了解電離層不同時段對不同頻段的短波段電波的反射規(guī)律，對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 F1F2 ):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

6、的電子密度與陽光強(qiáng)弱密切相關(guān)，隨地理位臵、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 6080公里，中午電子密度最大，入夜后很快消失；E 層：高度 100120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 200400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

7、射率亦隨之加大?？梢詫⒚恳粚觿澐譃樵S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)到電離層的某一點時，該點的電子密度值恰使其折射率為900，此時電波射線達(dá)到最高點，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，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，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，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，亦會因不能滿足 900 折射角的條件而使電波穿透電離層進(jìn)入太空，不再

8、返回地面。（3）電離層對電波的吸收：當(dāng)電波通過電離層時，電離層中的自由電子在電波的作用下作往返運動，互相碰撞，消耗能量。這部分能量來自電波，此為電離層對電波的吸收。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，電波強(qiáng)度將不能滿足短波接收機(jī)的信號/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）不能

9、高于最高可用頻率：當(dāng)通信距離一定時，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間變化，所以最高可用頻率也隨之變化。其次，對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每刻可靠反射電波，因此實際使用的頻率為最佳工作頻率。經(jīng)驗說明，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段的最高工作頻率及最佳工作頻率。 需要說明

10、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。實際應(yīng)用時，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ǔ潭纫灾虏荒鼙ＷC通信所必須的信噪比時，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，不同距離、不同時段的最低可用頻率一般比相應(yīng)的最佳工作頻率低34Mhz。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發(fā)生諧振，產(chǎn)生較大的諧振吸收。所以天波通信時工作頻率不應(yīng)低于2Mhz。（3）一日之內(nèi)適時改變工作頻率：

11、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變化的，而電臺的工作不可能隨時變化。實際工作中一晝夜內(nèi)只改頻12次。在一段時間內(nèi)只用一個頻率，通常選日頻、夜頻各一個。改頻時間通常是在電離層電子密度變化急劇的黎明和黃昏時刻適時進(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150200公里處消失，從理論上說，在此區(qū)域內(nèi)收不到任何信號。但是，當(dāng)前的一些新的天線技術(shù)已部分解決了這一問題，在

12、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，減少大地對電波的吸收，同時使仰角較大的電波能被電離層反射下來，可能會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：合理選頻對中遠(yuǎn)程短波通信至關(guān)重要，這一點已有說明。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“時間 頻率表”，各臺站之間以定時、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（電離層）是一種典型的隨機(jī)變參數(shù)信道

13、，它的信道特性隨時間、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，運用統(tǒng)計學(xué)方法得到的，是人們一廂情愿的“最佳頻率”。它可能與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐膶嶋H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)測的工作頻率有時只能作為參考。實際工作中，很大程度上要依賴通信系統(tǒng)指揮人員和各臺站操作人員的經(jīng)驗、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)盡可能減少通信系統(tǒng)對人員條件的依賴，采取技術(shù)措施使設(shè)備

14、操作（關(guān)鍵是頻點選擇）自動化、“傻瓜”化。當(dāng)前，中遠(yuǎn)程短波通信自動選擇可用工作頻點的所謂“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)實現(xiàn)自動頻率選擇、自動信道存儲、自動天線調(diào)諧，能實時選擇出當(dāng)時當(dāng)?shù)刈罴训亩滩ㄍㄐ判诺?，克服短波信道的時變性，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，自動選頻是在事先預(yù)臵的一組頻點中選擇最佳可用頻率，如預(yù)臵頻點不當(dāng)，當(dāng)然無法從中選出合適的頻率。（3） 頻率自

15、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)臵頻率上發(fā)送測試碼，被叫方接收并測量信號質(zhì)量，對各信道的通信質(zhì)量評分，按優(yōu)劣排序。然后，向主叫方發(fā)出應(yīng)答信號，反饋各可用信道評分排序信息。主叫方收到應(yīng)答信號后，向被叫方發(fā)出確認(rèn)信號，雙方建立頻率庫，進(jìn)入自適應(yīng)掃描狀態(tài)。此時，通信各方發(fā)射機(jī)處于寂靜狀態(tài)，接收機(jī)對已存入頻率庫的各頻點循環(huán)掃描。當(dāng)需要進(jìn)行通話時，主叫臺在頻率庫中選取最佳信道發(fā)出呼叫信號，被叫目標(biāo)臺收到呼叫信號后發(fā)送應(yīng)答信號，主叫臺收到應(yīng)答信號后發(fā)出確認(rèn)信號。至此，鏈路建立完成，可以進(jìn)行通信。如果主叫臺在最佳信道上呼叫不通，鏈路未能建立，則自動轉(zhuǎn)入排序第二位的信道上執(zhí)行呼叫，依此下去

16、，直到鏈路建立。電臺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，電臺仍在對該信道的通信質(zhì)量實施監(jiān)測，當(dāng)通信質(zhì)量下降到低于門限值時，通信各方自動轉(zhuǎn)入下一信道工作。以上過程在很短時間內(nèi)自動完成，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特優(yōu)勢。時段 頻率 距離 500公里 1000公里 2000公里0 時 最高可用頻率 5.4Mhz 7Mhz 11.5Mhz最佳工作頻率 4.6Mhz 6Mhz 10Mhz4 時 最高可用頻率 5.3Mhz 5.9Mhz 7Mhz最佳工作頻率 4.5Mhz 5Mhz 6Mhz8 時 最高可用頻率 8.3Mhz