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 90年代初建立了一個短波單邊帶通信網(wǎng)，以解決手機通信站點 未能覆蓋的地區(qū)的移動條件下的遠程通信問題。為此，曾開了一期操作人員培訓(xùn)班。由設(shè)備 供應(yīng)商主講電臺的操作與使用。老笨負責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，曾多次有過固定臺對移動臺（車載）之間建立起2000公里的話音溝通（發(fā)射功率約 100W ）。隨著手機通信覆蓋地域的 不斷擴展，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)將當年的培訓(xùn)提綱上至礦壇，為老笨加點積分。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)射機的天線輻射載有信息的電磁波，到達接收點無線電接收 機的天線，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（2 30Mhz ）的傳播有不同于其它頻段的特殊規(guī)律，只有透 徹認識和運用其特殊規(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ā．旊姴ㄑ氐乇韨鞑r， 在地表面產(chǎn)生 感應(yīng)電荷，這些電荷隨著電波的前進而形成地電流。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距離廣播和通信；小型短波電臺采用這種方式只 能進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，這是地波傳播的突出優(yōu)點。（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)。其有效距離主要取決于

5、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，地波的場強與傳播距離成反比，距離越遠，信號強度越弱。遠至 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)。四、短

6、波的天波傳播：（1） 關(guān)于電離層：短波無線電遠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 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都要 折射一次，折射角依次加大，當電波射線達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入太空不再返回地面。當入射角一定時，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入太空，不再返回地面

9、。（3 ）電離層對電波的吸收：當電波通過電離層時，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。當吸收大到一定程度時， 電波強度將不能滿足短波接收機的信號 /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，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

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?shù)偷揭欢?程度以致不能保證通信所必須的信噪比時，通信質(zhì)量嚴重下降導(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 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。

12、（3）一日之內(nèi)適時改變工作頻率：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1 2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 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。但是，當前的一些新的

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：合理選頻對中遠程短波通信至關(guān)重要，這一點已有說明。傳統(tǒng)的中遠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一頻率表”，各臺站之間以定時、定頻方式進行通信聯(lián)絡(luò)。但是，問題在于要準確地預(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）是一種典型的隨機變 參數(shù)信道，它的信道特性隨時間、空間和工作頻率而隨機變化。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)計學方法得到的，是人們一廂情愿的最佳頻率”。它可能與當時當?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

15、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)備操作（關(guān)鍵是頻點選擇）自動化、傻瓜”化。當前，中遠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）。它采用微處理機控制技術(shù)， 使短波通信機實現(xiàn)自動頻率選擇、自動信道存儲、自動天線調(diào)諧，能實時選擇出當時當?shù)刈?佳的短波通信信道，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)置的一組頻點中選 擇最佳可用頻率，如預(yù)

16、置頻點不當，當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 確認信號，雙方建立頻率庫，進入自適應(yīng)掃描狀態(tài)。此時，通信各方發(fā)射機處于寂靜狀態(tài)， 接收機對已存入頻率庫的各頻點循環(huán)掃描。當需要進行通話時，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 確認信號。至此，鏈路建立完成，可以進行通信。如果主叫臺在最佳信道上呼叫不

17、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，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 時最咼可用頻率5.4Mhz7Mhz11.5Mhz最佳工作頻率4.6Mhz6Mhz10Mhz4 時最咼可用頻率5.3