短波通信

短波通信
一.概念简介
短波通信(Short-wave Comunication)是无线电通信的一种.波长在50米～10米之间，频率范围6MHZ～30MHZ.发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远，是远程通信的主要手段.由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性较差，噪声较大.目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面.尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视，不仅没有被淘汰，还在快速发展.
1.无线电波传播
无线电广播、无线电通信、卫星、雷达等都依靠无线电波的传播来实现.
无线电波一般指波长由100,000米到0.75毫米的电磁波.根据电磁波传播的特性，又分为超长波、长波、中波、短波、超短波等若干波段，其中：超长波的波长为100,000米~10,000米，频率3~30千赫；长波的波长为10,000米~1,000米，频率30~300千赫；中波的波长为1,000米~100米，频率300千赫~1.6兆赫；短波的波长为100米~10米，频率为1.6~30兆赫；超短波的波长为10米~1毫米，频率为30~300,000兆赫（注：波长在1米以下的超短波又
f=
称为微波）.频率与波长的关系为：λ/c
电波在各种媒介质及其分界面上传播的过程中，由于反射、折射、散射及绕射，其传播方向经历各种变化，由于扩散和媒介质的吸收，其场强不断减弱.为使接收点有足够的场强，必须掌握电波传播的途径、特点和规律，才能达到良好的通信效果.
常见的传播方式有：
(1)地波（地表面波）传播
沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波，一般<2MHz.地波的传播途径主要取决于地面的电特性.地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远.但地波不受气候影响，信号稳定、吸收小、可靠性高.超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的.短波近距离通信也利用地波传播.
(2)天波传播
天波是由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线电波，一般2 MHz－30MHz.电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信及长中波广播.
(3)直射波传播
直射波又称为空间波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波，一般>30MHz.直射波传播距离一般限于视距范围.在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波、微波中继通信、蜂窝通信、电视、雷达、卫星通信与广播就是利用直射波传播的.
在地面进行直射波通信，其接收点的场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）.限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量高架.
(4)散射传播
散射传播是由天线辐射出去的电磁波，投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时，利用对流层、电离层、流星余迹等不均匀体对电磁波的散射来实现“超视距传播”，其中一部份到达接收点.散射传播用于超短波（米波）和微波的远距离通信，通信距离远，但是效率低，不易操作，使用并不广泛.
2.电离层的作用
电离层对短波通信起着主要作用，因此是我们研究的重点.
电离层是指从距地面大约60公里到2000公里处于电离状态的高空大气层.上疏下密的高空大气层，在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，大气气体分子或原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子，这个过程叫电离.产生电离的大气层称为电离层.电离层分为D、E、F1、F2四层.D层高度60~90公里，白天可反射2~9MHz的频率.E层高度85~150公里，这一层对短波的反射作用较小.F层对短波的反射作用最大，分为F1和F2两层.F1层高度150~200公里，只在日间起作用，F2层高度大于200公里，是F 层的主体，日间夜间都支持短波传播.
电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时反射的频率低.电离的浓度以单位体积的自由电子数（即电密度）来表示.
电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变.
3.短波传播途径
(1)短波通信的传播方式
电离层最高可反射40MHz的频率，最低可反射1.5MHz的频率.根据这一特性，短波工作频段被确定为1.6MHz - 30MHz.所以根据无线电波传播的分类可知短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波.
如前所述，地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性.海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样（潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）.短波信号沿地面最多只能传播几十公里.地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的.
短波的主要传播途径是天波.短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（几百至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡.但天波是很不稳定的.在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果.
(2)短波通信的调制方式
在无线电通信中，传送信息的载体是特定频率的载波（也称为主频）.那么信息又是如何放到载波上的呢？这就引出了“调制”的概念.调制就是将信息的动态波形通过一定形式加到载波上发送出去，接收台收到被调制的载频信后，再还原信息.调制分为幅度调制（简称“调幅”）、频率调制（简称“调频”）、相位调制（简称“调相”）三种.中波、短波一般采用调幅方式，超短波一般采用调频方式.
根据国际协议，短波通信必须使用单边带调幅方式（SSB），只有短波广播节目可以使用双边带调幅方式（AM）.因此，国内外使用的短波电台都是单边带电台.单边带的优点是：①提高了频谱利用率，减少信道拥挤；②节省发射功率约四分之三；③减少信道互扰；④抗选择性衰落能力强.
二.短波通信优缺点及关键技术
1.优点：
①.短波是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击.无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比；
②.在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波；
③与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低.
2.缺点：
①.可供使用的频段窄，通信容量小
国际规定每个短波电台占用3.7KHZ的频段宽度，而整个波段的频带宽度才28.5MHZ,为了避免相互间的干扰，全球只有7700多个可用短波信道，每个信道3.7KHZ的现有带宽大幅制约了提高信道容量和数据传输速率.
②.信道差
短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波.
地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性.海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样（潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）.短波信号沿地面最多只能传播几十公里.地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的.
由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的性较差，噪声较大.
短波的主要传播途径是天波.短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（几百至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡.但天波是很不稳定的.在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果.
③.大气和工业无线电噪声干扰严重
工业电磁辐射的无线电噪声干扰在短波频段的平均强度很高，此外，大气无线电噪声和无线电台间的干扰，尤其是脉冲型突发噪声，使短波通信的质量深受影响，常会使数据传输发生严重错误，影响通信质量.
3.关键技术：
⑴短波自适应通信技术
现代短波通信的重要特征之一是自适应通信技术.其由来可追溯到1979年，在美国原子弹防御研究所的主持下，对遭受原子弹袭击后果用何种通信手段能迅速地恢复通信联络的问题进行了研究，于I980年l2月提出了关于短波自适应自动无线电的报告.在报告中明确提出：最有希望的解决办法，是采用价格不高的、能自动寻找优质信道的短波自适应收发信机.这种低价格设备能提供从视距到几千公里的范围内，不需要中继的通信能力.报告中还指出：今后的短波通信将越来越多的采用自适应技术，即利用收端接收的误差信号为准则，通过某种途径，对系统结构和参数进行自动调整，使系统具有适应通信条件变化的能力，经常处于最佳工作状态.通信条件包括传播条件、大气噪声、人为干扰(有意的或无意的)和敌人的窃听、被传输信息的形式等都可归纳到通信条件中去.因此，从广义上讲，短波自适应通信技术包括：自适应实时选频、自适应调制解调、自适应零位天线、自适应均衡、自适应编码自适应功率控制、传输速率的自适应、自动重发请求、自动同步等.说到底这种短波通信的自适应，就是短波信道(属变参信道、电波在传播过程中会产生多径效应、衰落多普勒频移等，将严重影响短波通信的质量和可靠性)的自适应，其核心是各种各样的自适应技术都要能实时她、照佳地匹配于肘、频、空域都在动态变化着的短波信道的传播特性，即它们要从不同的侧面各自努力做到足够迅速地自适应于信道各种参数的动态变化.下面简单介绍一下这些技术的发展概况.
①.自适应实时选频技术
由于信道的主要参数都与频率密切相关，所以通信频率的选择对提高通信质量起者决定性作用．因此，自适应实时选频在所有自适应方法中是最本质也最有效.目前广泛应用的这
种短波自适应选频系统分为自适应频率管理系统和频率自适应系统两种.前者能够在很的时间内对短波全频段进行快速扫描和探测，不断预报各频率的可用情况(选频)，但不能使通信系统跟踪信道媒质的短期变化.后者是融探测与通信为一体的系统，包括自适应探测技术、全频段谱被占用或受干扰的监测技术、预置信道上的选频技术、线路质量分析技术(ALQA)、自动链路建立技术(ALE)和快速换频技术，使系统的自适应能力达到了一个新的水平.
②.自适应调制解调技术
众所周知，由于数字通信具有抗干扰能力强、易于加密和纠错、提高传输速率、增加系统容量等优点，电路结构便于集成化、又通用化，是现化通信的发展方向.语音、数据和图象等信息已经或即将使用数字化信号，而且都是相似的二进制数字信号，完全可以综台起来进行传输和交换以提高效率.因此，短波通信也将由过去传输模拟信息为主转向传输数字信息为主.这样就要求有计划、有步骤地改造现有短波通信网，并积极研制高性能的调制解调数传机.近年来，开发的并行高速调制解调器的特点，一是采用了前向误差控制(FEC)、分集多普勒频偏校正和数字信号处理等综台技术，提高了抗干扰能力；二是采用了高速数字信号处理器(如TMs320)和微处理器等，因而使并行高速调制解调器的性能有了很大的提高.从80年代以来又出现了自适应串行调制解调技术，现在技术上已基本成熟，在性能、复杂性和成本上已达到实际应用水平，如美国Harm公司的Modem5254和5254 法国TRT公司的MDM12／24等都是串行体制的短波高速调制解调器.目前，它们又分为以自适应均衡为主体的和以最大似然检测(MLSE)为核心的串行短波高速调制解调器.前者目前研究最多，产品也是最多的一种；后者以最大似然检测为核心的串行短波高速调制解调器，性能最优，但由于运算量和所需存储量都很大，目前产品较少；还有以自适应均衡和以MLSE相组合构成的串行短波高速调制解调器，目前它虽处于理论研究阶段，但很有可能成为今后串行短波高速调制解调器发展的方向.
串行体制和并行体制相比具有很大的优越性，首先串行体制提高数传速率的潜力很大，使频谱利用率比并行制高；其次串行体制对选择性衰落不敏感，而且它是目前最好型式的抗多径干扰体制；再其次，串行体制峰值功率和平均功率的比值小，允许单边带发射机有一定的幅度非线性失真；最后从效果上来比，在同样误码率情况下，串行体制的调制解制器比并行的可通率高20～40％，若固定可通率，对误码率进行测试，串行调制解调器比并行体制低得多.所谓自适应调翩解调技术，就是根据信道当前的特点来改变调制解调方式；或自适应地根据／Ⅳ改变各种滤波算法，根据多径时延长短来升降数据率，根据带内的窄带干扰改变当前的调制频率等．
③.自适应零位天线技术
自适应零位天线技术就是对所收到的信号进行实时处理，并且实时地调节天线阵元的相位，改变天线的方向图，以强化信号、抑翩干扰．用这种方法来对抗各种各样有意或无意的干扰可得到10～20dB信噪比的改善；若对抗瞄准式干扰可得到30～60 dB信噪比的改善．目前，采用自适应零位天线阵作为接收天线，已成为抗干扰的有效手段之一
④.自适应均衡技术
自适应均衡技术是短波信道实现串行体制数据传输方式之一的关键技术.它包括自适应信道均衡的误差准则、各种自适应均衡算法[平方根卡尔曼算法、快速横向滤波(FTF )算法、最小平方格型算法等等，它们各具优缺点，可视实际情况予以选用，自适应均衡器结构及其实现技术等.目前技术已趋成熟，适应于短波信道的自适应均衡器，其均衡精度高、稳定性能好，收敛速度已可以达到或基本达到跟踪信道时变特性的目的.
⑤.自适应编码技术
自适应编码技术包含自适应信源编码技术和自适应信道编码技术.信源编码是指将任
意信源有效地转换为数字信息的方法，根据不同的信道条件采用不同的信源编码法.当信道
噪声大时，可采用相关编码再增加多余度保护，当信道误码率高到一定程度时，可从标准速率降速使用，信息就容易通过信道.自适应信道编码技术则足指信源数据在进人调制之前所
10 量级的实用要需的全部数字处理，它必须与当前信道条件相匹配.为使信道误码率达到5
求，通常采用前向纠错(FEC)及反馈应答(ARQ)两大类型的差错控制技术，其编码多为线性分组码或扩展卷积码．在FEC法中，采用依信道参数而变的编码和不同的码长，在可靠保护信码的前提下减小多余度；在ARQ法中，根据信道条件的好坏，改变数据分组的长短，使重发的数据量尽可能小.近年来又出现了分组码软判译码的方法，使纠错码的潜力得到更充分的发挥.
⑥.自适应功率控制技术
接收端对所收得的信号大小产生一个控制指令，并通过反馈信道传输到发送端，对发射机输出功率进行自动控制，以保证通信质量和可靠性.
⑦.传输速率的自适应技术
通常当工作频率选定后，在允许的误码率条件下，应选择尽可能高的传输速率.实际上这完全由信道传播特性的好坏来决定，当信道传播特性良好时，可用较高的数据速率发送信息，而当信道特性恶化时，则降低传输速率，使系统的误码率满足规定的要求.此技术的关键是解决实时信道估值和实施收发两端同步变速问题.采用自动重发请求(ARQ)技术，除可纠错外，也是属于传输速率自适应的范围，它可以根据请求重发次数来提高、减慢或保持传输速率.
上述各种短波自适应通信技术，都是为着迅速适应信道参数的变化，通过有效利用高频频谱来实现高质量、高效率和高可靠的通信目的.
⑵短波通信抗干扰技术
由于电子对抗技术的发展，现代短波通信必须寻找新的抗干扰技术来增强抗干扰能力.目前在短波通信中，抗干扰能力较强的技术有突发数据通信技术、扩频跳频技术、分集技术和前面介绍的自适应技术等.突发数据通信就是将信息压缩存储后，在某一瞬间突然发送出去，具有随机性和短暂性.信息的每次发送时间短，频率更换频繁，因此有防截收的作用.目前先进的现代短波通信系统(如西德的CHX一200、HF一850；以色列PRC一174电台配置了TMD一326型突发通信终端；美国RF-5000；法国TR0743小型轻便式突发终端)都具有此种功能.扩频跳频技术则是将频谱展宽，让信号能量分散，使具有防探测，防截收的功能.目前短波跳额的典型值是每秒几跳到每秒几十跳，如西德的CHX一200；英国的PRC一150；美国RF一5000和美军舰载高频系统7680等都只实现了每秒几十跳.分集技术则是根据短波信道的具体情况，自适应地从空间、时间、频率、极化、角度和路由等分集技术中选用一种或多重组合技术，以提高信噪比，降低误码率，达到高质量高可靠通信的目的.
⑶短波通信组网技术
组网可使军用短波通信用户整体的通信效率及灵活性增加，并且是保证.不问断的必要条件.目前国外的短波通信网主要有两种类型：一种是具有主控节点的、集中控制结构的短波自动控制系统，简称集中控制系统；另一种是网结构具有灵活分布的、自适应、自组织网络，简称自组织、自适应网络.集中控制系统主要根据短波通信的特点，采用的是一般的组网技术，如自动信道检测，有线无线转接，自动链路建立，数据编码保护等，这种类型有代表性的如加拿大的RACE无线电话系统；西德RS公司的自动控制短波无线电通信系统；日本高频无线电话电路的数字传辖系统；美国海军的岸舰高频网络等.另一种，自组织、自适应网络的概念，是80年代初期为了适应现代战场抗毁要求而提出的抗毁性结构网.它能够自动地组织和自动地适应由于网络拓扑变化而引起的接续变化的网络.这种网络的生存能力及抗干扰能力都很强.美国海军研究实验室和海军研究办公室支持开发的特混舰队内部短波通
信网HF—ITF就是这种可自组筝{的抗毁高频移动无线分组网.它有几十至一百个节点，工作频率2～30 MHz，链路通信距离5D～l 000 km.它采用动态的单跳连接多群结构，网络中分频段建网，能提高抗干扰能力，也有益于系统的抗毁.总之，一般的点对点通信，已远远满足不了用户的要求，必须发展自适应路由组网技术.
三．短波通信发展现状
短波信道的时变性，使得高效的短波通信系统必须用上信道探测快速选频技术.在国外，本世纪60～70年代产品大多属于独立的信道探测系统，如l968年美国国防部委托斯坦福研究所研制的CURTS系统(公共用户无线电传输探测系统，简称自动选频和预报系统).它被应用于自动选频和预报中，预报出发点是基于信号能量干扰噪声多径展宽、多普勒展宽和空分集天线的相关性五个信道参数的实时测量.该系统适用于战略通信干线或通信网络的使用，每隔1O分钟为用户提供一张台有通信质量等级的频率表.被美军用作战略频率管理系统.利用
10 ，实际机电
该系统进行短波数据通信时，在90％的时间里，误码率可保持或低于5
线路中断时间减少20％～40％，在进行2400 baud数据传输试验时(与不使用该系统进行较)，数据丢失率减少65％.但该系统所占频谱宽，所需发射功率大，系统时间同步精度要求高，设备复杂而庞大，造价高昂.在本世纪70年代初，美国Barry公司研制的Chirp系统，于1976年发展成为美军第一代战术频率管理系统，AN／TRQ一35(V)系统，其性能是能发送Chirp探测信号，完成2～30MHz(或2～16MHz)多参数信号估算，能显示五个级共等8个优选工作频率，抗干扰能力强，易于组网，电磁兼容性好，具有检测功能，可使短波通信的质量和可靠性(与不使用该系统的一般通信进行比较)提高1O～l000倍.它的研制成功，曾让人们惊呼.短波通信已进人了新纪元，现已装备了美海、陆、空军和海军陆战队，以及世界上20多个国家军队．美陆军还计划配备第二代频率管理系统AN／TRQ一42(V)，它们都属于扫频制，需时较长，不能实时选频.属于此种类型的还有加拿大Hermes公司为其海军研制的CHEC(信道估算和呼叫)系统．它在信道估算中，主要根据信噪比作最佳频率鉴别，没有考虑多径传播的因素，因而所选频率对于传输数据信号并不一定是最佳的.另外，该系统只适用于单工方式工作的通信线路.
本世纪80年代以来，不少国家加速了对短波通信的研究与开发，并陆续推出了一些性能优良的设备和系统，其共性是容高频探测与通信为一体的综合系统，例如美国洛克伟尔--科里斯国际有限公司注册商标为SELSCAN 和ALQA的系统．前者含义为选择性呼叫与巡回检测为80年代初期产品，后者指.先进的线路质量分析器(ALQA) 为80年代中期产品，具有收发信机用快速自动调谐：发<1 s，收<10 ms，并且率先采用先进线路质量分析器，具有自动信道选择，信道自动建立，选呼和信道自动切换等功能，实现了高频探测与通信的综合，但由于该系统取样时间长度为9～26 s，因此信道参数测定(信号噪声谱密度比衰落深度、衰落功率谱、频率偏离的平均值和均方根值，噪声(干扰)的时间、频率和幅度的统计特性、谐波失真)需耗费散分钟的时间．该系统的代表产品有HF一80，AN／ARC一190(V)、AN／GRC一193A，AN／GRC一213等型电台．另外，美国Harris公司1985年推出AUTOLINK 即自动高频信道选频机，典型产品有RF一71∞、RF一7166和RF一7200等系统．其特点有HF线路的全自动建立、最佳信道选择、线路质量分析LQA、可预置信道检、选择性呼叫(群呼、广呼、单点呼叫)、微处理器控制、繁忙信道探测等，其中线路质量分析提供四项功能，即信噪比测试、6～l0个站的测试、点对点质量测试和网络质量测试.属于这种探测与通信综台的系统还有美国的Sunair公司推出的SC—l0系统(具有自动实时频率管理、自动建立线路、自动LQA、选择呼叫等功能)，西德Siemens公司推出的CHX一200系统，常简称智能化HF通信系统(具有32- 320个频率的自动信道选择，99个地址的选呼、数据保护、跳频和突发长度为230ms的突发传输和。