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第二章短波和超短波通信系统23

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第二章 短波和超短波通信系统 一、短波信道和超短波信道的特性 二、短波通信系统 三、短波自适应通信系统 四、短波通信系统的应用与发展 五、超短波通信系统 一、短波信道和超短波信道的特性 (一)短波和超短波传播的形式 (二)短波在电离层中的传播特性 (三)改进无线传输质量的主要措施 1.最高可用频率(MUF) 2.传输模式 3.多经传播 4.衰落 5.相位起伏(多普勒频移) 6.静区 7.昼夜间信号差别 (二)短波在电离层中的传播特性 (二)短波在电离层中的传播特性 4.衰落 短波在电离层传播过程中 ,由于多径传播等原因,使接收 端的信号出现叠加(干涉),接 收信号的强度出现忽大忽小的随 机起伏,称为衰落。多径干涉是 引起衰落的主要原因,此外电离 层特性的变化等因素也会引起衰 落。 4.衰落 衰落有快衰落和慢衰落之分,连续出现持 续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落; 持续时间比较长的衰落(1小时或者更长)称 为慢衰落。根据衰落产生的原因,可分为以下 3种衰落。干涉衰落、吸收衰落、极化衰落。 4.衰落 (1)干涉衰落 若从线路发送端发射恒定幅度的高频信号,由于多径传播 ,到达接收端的射线不是一条,而是多条。 这些射线通过不同的路径,到达接收端的时间不同,传播 的距离不同,遭受的衰减不同,所以到达接收端后的幅度也各不 相同。 再者由于电离层的电子密度、高度均是随机变化的,电波 射线轨迹也随之变化,这使得同一信号由多径传播到达接收端后 信号之间不能保持固定的相位差,使合成的信号振幅随机起伏。 这种衰落由到达接收端的若干个信号干涉造成,故称“干涉衰落 ”。 (1)干涉衰落 干涉衰落有下列特征。 ★具有明显的频率选择 性 即对不同频率的信号具 有不同的衰落特性,因此也 称“选择性衰落。通过试验 证明,当两个信号频率差值 大于400Hz时,他们的衰 落特性相关性就很小了。 (1)干涉衰落 根据此特点,可以 采用频率分集的方法克 服这种衰落。 (1)干涉衰落 ★衰落信号的振幅服从瑞利分布 在非骚动短波传播期间,也就是不存在电离层 暴变的时期,电场强度的快变化主要来源于干涉衰 落,少量时刻也可能是由于极化衰落。 (1)干涉衰落 ★衰落信号的振幅服从瑞利分布 通过长期的观察,证实了遭受快衰落的电场强度振幅服 从瑞利分布。可以证明,在瑞利分布条件下,到达或超过某 给定电场强度值的时间百分数T可由下式计算。 (1)干涉衰落 式中 E为给定的电场强度值; Emed为电场强度中值。 根据上式,可画出瑞利衰落下接收端电场强度的 概率分布曲线。 (1)干涉衰落 (1)干涉衰落 从曲线上可以查到:电场强 度达到或超过中值的时间为整个 观察时间的50%。若降低给定值 E,如E=0.39Emed,低于中值 8.2dB,此时T=90%;若 E=0.1Emed,低于中值20dB,此 时, T=99.3%。 (1)干涉衰落 此曲线图在短波线路设计中 非常有用,可以用它来计算为提 高线路可通率所需要额外增加的 功率。例如已经计算出保证50% 可通率需要的发射功率为100W ,现要求可通率提高至90%,即 保证在90%的时间内,线路保持 原有的通信质量,发射机应增加 多少功率呢? (1)干涉衰落 从右图曲线上可以查到,当 可通率T=90%时,接收端的电场 强度E将跌落到中值Emed的0.39 倍,接收功率跌落到中值的0.15 倍,所以要达到原有的通信质量 ,发射机功率应增加1/0.15=6.6 倍。即发射功率PT=660W。 (1)干涉衰落 我们把功率增加的倍数称为 “功率余量”,也称“对快衰落的 防护度”,通常用分贝表示。因 此,也可以这样说,为了保证 90%的可通率,留有的功率余量 为: (1)干涉衰落 同理,若要求可通率达到 99.3%,功率余量就应增加到 20dB,即要求功率增加100倍, PT=10000W。由此可以看出, 对于短波线路,由于快衰落的存 在,可通率受到一定的限制。 (1)干涉衰落 并且,单纯靠增加发射功率来提高可通率是极 不经济的。近年来,在短波线路上广泛采用分集接 收技术、时频调制技术以及差错控制技术来对抗衰 落,使得正常的瑞利衰落信道上传输数据时,用不 太大的功率获得线路的高可通率。 (1)干涉衰落 ★干涉衰落是一种快衰落 根据大量的测量值表明干涉衰落的速率大约为 10~20次/min,衰落深度可达40dB(低于中值),偶 尔达80dB。衰落持续时间通常在4~20ms范围内,是一 种快衰落,与吸收衰落有明显的差别。持续时间的长短可 用于判别是吸收衰落还是干涉衰落。 4.衰落 (2)吸收衰落 产生吸收衰落的原因是D层衰减特性的慢变化 ,其时间最长可以持续1小时或更长,因此吸收衰 落属于慢衰落。由于吸收衰落是电离层吸收的变 化引起的,所以它有年、月、季节和昼夜的变化 。吸收衰落有下列特征: (2)吸收衰落 接收点信号幅度的变化比较慢,其周期从几分 钟到几小时(包括日变化)。 对短波整个频段的影响程度是相同的(不存在 频率选择性)。 克服吸收衰落,除了正确地选择频率外,在设 计短波线路时只能靠留功率余量来补偿电离层吸 收的增大。 4.衰落 (3)极化衰落 电波被电离层反射后,其极化已不再和发射天 线辐射时的相同。发射到电离层的平面极化射线 经电离层反射后,由于地磁场的作用,分为两条 椭圆极化射线,经合成形成接收地点的椭圆极化 波。椭圆长轴的大小和相位随着传播路径上电子 密度的随机变化而不断变化,导致接收信号强度 发生变化。 (3)极化衰落 极化衰落出现的概率远小于干涉衰落。粗略估 计,极化衰落仅占全部衰落的10%~15%。极 化衰落发生时,接收端的电压值均较未衰落时下 降3dB。为了避免这种极化衰落,可以采用几副 具有不同极化方式的接收天线,并且通过选择电 路接到接收机输入端。选择电路总使接收最强信 号的那副天线接到接收机输入端。这种方法称为 极化分集。 4.衰落 综上所述,分集接收是克服信号衰落的有效方法。短 波通信系统中,通常利用相距300米的两副天线获取两个 衰落近于不相关的信号样本,或者利用两个工作于不同频 率(频率相差在400Hz以上)的接收机获取两个衰落互不 相关的信号样本,然后按一定规则将两个信号样本相加( 合并),合成的信号电平将比较平稳,衰落程度将大为减 轻。上述利用两副不同位置的天线进行分集的方法称为二 重空间分集,而利用两个不同频率传输的方法称为二重频 率分集。增加所利用的天线或频率数目,可使分集重数增 加。 (二)短波在电离层中的传播特性 5.相位起伏(多普勒频移) 短波在传播过程中存在多径效应,不仅使接收点的信 号振幅发生随机变化,也使信号的相位起伏不定。即使只 存在一条射线,也就是单一模式传播的条件下,由于电离 层经常性的快速运动以及反射层高度的快速变化,使得传 播路径的长度不断变化,信号的相位也会发生变化,使信 号的频率结构发生变化,频谱产生畸变。这种频率发生变 化,畸变的现象称为多普勒频移。 多普勒频移在日出和日落期间呈现出更大的数值,此 时很容易影响采用小频移的窄带电报的传输。此外,在发 生磁暴时,将产生更大的多普勒频移。在电离层平静的夜 间,一般不存在多普勒效应,而在其他时间,多普勒频移 大约在1~2Hz的范围内。当发生磁暴时,频移最高可达 6Hz。以上给出的2~6Hz的多普勒频移是对于单跳模式 传播而言的。若电波按多跳模式传播,则总频移值按下式 计算: 5.相位起伏(多普勒频移) 5.相位起伏(多普勒频移) 式中,n为跳数;△f为单跳多普勒频移; △ftot为总频移值。 (二)短波在电离层中的传播特性 6.静区 由天波的反射原理可知,入射角越小,反射线达到的 地点距发射点越近。当入射角小到一定值时,电波就有可 能穿透电离层而无反射。天线发射的同一频率的电波一般 不是一条射线,而是一簇波束,在此波束中由于入射角度 不同,有的反射的远,有的反射的近,有的穿透电离层而 无反射。很显然,电波的最近反射点至发射点之间是没有 反射电波的,这种现象称为天波的越距。 6.静区 在进行短波通信时,天线发射的电波,除有天波传播 外,还有地波传播。一般来说,地波最远可达30公里,而 天波从电离层第一次反射落地(第一跳)的最短距离约为 100公里。可见30~100公里之间的这一区域,地波和天 波都覆盖不到,形成了短波通信的寂静区,简称静区,也 称为盲区。盲区内的通信大多是比较困难的。车载台均存 在通信盲区问题。 静区 6.静区 静区是长期困扰短波“动中通”的一大难题。解决通信 盲区的方法有:一是增大电台的发射功率以延长地波传播 距离;二是采用较低的工作频率。由于静区的大小与电波 频率、电离层电子密度及发射功率有关。频率越低,电子 密度越大,发射功率越大,则静区越小。三是采用高仰角 天线,也称高射天线或喷泉天线,以缩短天波第一跳落地 的距离。仰角是指天线辐射波瓣与地面之间的夹角。仰角 越高,电波第一跳落地的距离越短,盲区越少,当仰角接 近90度时,盲区基本上就不存在了。 (二)短波在电离层中的传播特性 7.昼夜间信号差别很大 收听收音机时,常遇到这样的现象,夜间收 到的信号多而强,白天收到的信号少而弱。有时 还有另一种现象,在白天收到的信号,夜间却消 失了。这些现象应如何解释呢?要解释这些现象 ,还应从电离层的变化说起。 7.昼夜间信号差别很大 电离层的层数、各层的高度和电子密度在白天和夜间 是不同的。在白天,电离层的电子密度较大,而且存在D 层。当电波穿过D层时受到的吸收很大,再加上E层和F层 的吸收,反射到地面的电波很弱,只有少数在有效通信距 离内大功率发信机送来的电波较强,故收信机在白天收到 的信号弱而少;在夜间,D层消失,而且E层和F层的电子 密度减小,这样电波受到的吸收大大减小,反射到地面的 电波较强,故收信机在夜间收到的信号多而强。 7.昼夜间信号差别很大 在夜间,由于电离层电子密度减小,本来白天由E层反 射的电波,夜间则改由F层反射了。F层比E层高,形成的静 区就大。 本来某收信机白天位于A电波反射后的可收听区,到夜 间则位于A电波反射后的静区了。这样,有些在白天可收到 的信号,到夜间反而收不到的。这种现象,即使白天和夜 间均由F层反射,也会由于F层昼夜间高度不同而发生。 克服昼夜间接受差别大的方法可以采用先进的实时选 频技术来克服。 一、短波信道和超短波信道的特性 (一)短波和超短波传播的形式 (二)短波在电离层中的传播特性 (三)改进无线传输质量的主要措施 一、短波信道和超短波信道的特性 (三)改进无线传输质量的主要措施 为了提高短波、超短波通信线路的质量,除了 系统设计时应适应传播媒介的特点外,还必须采 用各种有力的抗干扰措施来消除或减少信道中引 入的各种干扰对通信的影响,并保证在接收地点 所需要的信噪比。下面在讨论无线电干扰的基本 类型和特点的基础上,介绍短波通信系统抗干扰 的主要方法。 (三)改进无线传输质量的主要措施 1.无线电干扰 无线电干扰分为外部干扰和内部干扰。外部干 扰是指接收天线从外部接收的各种噪声,如大气 噪声、人为干扰、宇宙噪声等。内部干扰是指接 收设备本身产生的噪声。在通信中对信号传输产 生影响的主要是外部干扰。 1.无线电干扰 (1)大气噪声 在短波波段,大气噪声主要是天电干扰,具有 以下特征。 1)天电干扰由大气放电产生。这种放电所产 生的高频振荡的频谱很宽,对长波波段的干扰最 强,中、短波次之;对超短波、微波的影响极小 ,甚至可以忽略。 (1)大气噪声 2)每一地区受天电干扰的程度视该地区是否 接近雷电中心而异。在热带和靠近热带的区域, 因雷电较多,天电干扰更严重。 3)天电干扰与接收地点产生的电场强度和电 波的传播条件有关。在短波波段中,出现干扰电 平随频率的增高而加大的情况。这是由于天电干 扰的场强不完全取决于干扰源产生的频谱密度, 而且和干扰的传播条件有关。 (1)大气噪声 4)天电干扰虽然在整个电磁频谱上变化相当 大,但是在接收不太宽的通频带内,实际上具有 和白噪声一样的频谱。 5)天电干扰具有方向性。对于纬度较高的区 域,天电干扰由远方传播而来,而且带有方向性 。 (1)大气噪声 6)天电干扰具有日变化和季节变化。一般来 说,天电干扰的强度冬季低于夏季,这是因为夏 天有更频繁的大气放电。在一天内,夜间的干扰 强于白天,由于天电干扰的能量主要集中在短波 的低频段,这正是夜间短波通信适合选用的频段 。 1.无线电干扰 (2)人为噪声 人为噪声也称工业干扰,是由各种电气设备和 电力网产生的。特别地,这种干扰的幅度除了和 本地噪声源有密切关系外,也取决于供电系统, 这是因为大部分人为噪声的能量是通过商业电力 网传送来的。 1.无线电干扰 (3)电台干扰 电台干扰是指和工作频率相近的其他无线电台 的干扰,包括有意识的干扰。由于短波和超短波 频带较窄,而且用户越来越多,因此电台干扰成 为影响短波、超短波通信顺畅的主要干扰源。特 别是在军事通信中电台干扰更严重,因此抗电台 干扰成为设计短波、超短波通信系统需要考虑的 首要问题。 (三)改进无线传输质量的主要措施 2.抗干扰措施 对于上述各种外部干扰,在进行短波通信系统设计时 应区别对待。对于大气噪声,在系统设计中需要计算,并 以此为基础,根据所要求的信噪比确定接收点最小信号功 率。人为噪声的计算比较困难,因而在系统设计中,通常 采用加大最小信号功率的办法。如接收中心设在工业城市 内,需要把以上计算的最小功率提高10dB,以克服工业 干扰的影响。必须指出,在可能的条件下,接收中心最好 设在远离城市的郊区,这是最有效的抗工业干扰措施。 2.抗干扰措施 目前,在短波通信系统中抗电台干扰的途径大致 有下面几个方面: (1)采用实时选频系统。在实时选频系统中,通 常把干扰水平的大小作为选择频率的一个重要因素。 所以由实时选频系统提供的优质频率实际上已经躲开 了干扰,可使系统工作在传输条件良好的弱干扰或无 干扰的频道上。近年来出现的高频自适应系统还具有 “自动信道切换”的功能,也就是说,遇到严重干扰 时,通信系统将作出切换信道的响应。 2.抗干扰措施 (2)尽可能提高系统的频率稳定度,以压缩接收 机的通频带。 (3)采用定向天线和自适应调零天线。前者由于 方向性很强,减弱了其他方向来的干扰,后者由于零 点能自动对准干扰方向,从而避免了干扰。 (4)采用抗电台干扰能力强的调制和键控制度。 (5)采用“跳频”技术,自20世纪80年代以来短 波跳频通信技术得到了不断地发展,先后经过了常规 跳频、自适应跳频和高速跳频三个阶段。
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