第2章-现代短波通信解析说课材料

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第2章-现代短波通信解析
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.1 短波的传播方式
入射角 0
F2层
28MHZ 天线
天线
短波的天波传播模式
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.1 短波的传播方式
短波段低频端的电波被吸收的程度较大，高频端 的电波有可能穿出电离层，大部分电波被电离层反 射，形成短波的天波传播模式。
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2.4 短波数据ຫໍສະໝຸດ Baidu信技术
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2.4.3 分集接收技术
➢分集接收技术是在短波线路上采用的抗衰落和抗多 径的技术措施之一。它的基本思想是：接收端消息 的恢复建立在多重接收的基础上，利用接收到的多 个信号的适当组合来达到提高通信质量和可通率。 ➢分集接收技术包括两个方面的内容： （1）信号的分散传输。 （2）信号的组合。
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2.5.4 自适应控制技术
➢在短波自适应通信系统中，自适应控制器是系统的 指挥中心，是系统成败的关键。 ➢自适应控制系统是一种特殊的非线性控制系统，系 统本身的特性(结构和参数)、环境及干扰特性存在某 种不确定性。在系统运行期间，系统本身只能在线 地积累有关信息，进行系统结构有关参数的修正和 控制，使系统处于所要求的最佳状态。
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.4 差错控制技术
➢短波通信中的差错控制技术基本上有两类：一类称 为反馈纠错方式，即根据线路接收端的要求而自动 重发的检错方式，简称ARQ方式；另一类称为前向 纠错方式，简称FEC方式。在这两类的基础上又派生 出混合纠错HEC方式。
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5.1 自适应选频的基本原理
➢典型的短波自适应选频系统能够使无线电台在最佳 信道上自动建立通信，这是通过线路质量分析、自 动线路建立和自动转换信道三个环节来实现的。
1、线路质量分析 线路质量分析(LQA)是一种实时选频技术。对信道
进行LQA就是对信道参量进行测量和统计分析，然 后按测试结果对信道进行评分和排序。LQA的结果 存储在LQA矩阵表中，当装配有自适应控制器的电 台要进行选择性呼叫时，便根据LQA的结果，自动 地在最佳信道上进行。
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5.2 实时信道估值（RTCE）技术
➢RTCE有这样几种具体方法： 1 电离层脉冲探测RTCE 2 调频连续波探测RTCE 3 CHEC探测RTCE 4 导频探测技术 5 误码计算技术 6 8移频键控（8FSK）信号探测
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5 短波自适应选频技术
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➢要实现高质量的短波通信必须采用自适应技术。 ➢这里说的短波自适应技术，主要是针对短波信道的 缺陷而发展起来的频率自适应技术，通过在通信过 程中，不断测试短波信道的传输质量，实时选择最 佳工作频率，使短波通信链路始终在传输条件较好 的信道上。 ➢自适应选频技术包括以下几个方面：实时信道估值， 自适应信号处理和自适应信号控制。
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5.2 实时信道估值（RTCE）技术
➢实时信道估值(Real Time Channel Evaluation ， RTCE)，就是实时地获取一组信道参数，通过这些参 数来定量描述信道的状态和对传输某种通信业务的 能力。 ➢对于数据通信系统来讲，需要测试的信道参数有： 接收信号功率的强弱、噪声功率及其分布、多径延 时、多普勒展宽、给定时段内接收的错误码元的数 目、自动差错重发（ARQ）系统中给定时段内请求 重发的次数等。
天波的入射角应选择在保证电波能返回地面但又 不被吸收的范围内。
缩小寂静区的办法：选用高仰角天线减小电波到 达电离层的入射角，同时选用较低的工作频率，使 射线在入射角较小时电波不至于穿透电离层。
地面波和天波均不能到达的区域
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.2 最高可用频率（MUF）
最高可用频率：指在实际传播中能被电离层反射 回地面的电波的最高频率。
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2.4 短波数据通信技术
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➢短波通信原来主要用于话音通信，但各类数据信息 包括数字传真、慢扫描图像和计算机等各类数据终 端的数据，也希望能在短波信道上传输。
➢在短波数据传输中，要解决的最大问题就是短波信 道对数据传输的影响。主要是： (1)多径衰落引起的短波数据通信中的突发错误； (2)多径效应造成码元的时间扩展引起的码间干扰； (3)电离层的快速运动和变化引起多普勒频移，使发 射信号的频率结构发生变化造成数据信号的错误接 收。
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.2 时频组合调制
➢时频调制(FTSK)是一种组合调制，它是由时移键控 (TSK)和频率键控(FSK)组合而成的。 ➢时频调制是指在一个或一组二进制符号的持续时间 内，用若干个窄的高频脉冲的组合来传送原二进制 数据。每个高频脉冲在不同的时隙内具有不同的频 率。这种由不同时隙和不同频率所构成的信号形式， 称为时频调制信号。 ➢时频调制实际上是用编码的方法来传输信息的，因 此也称之为时频编码调制。
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2.6.2 短波跳频扩频通信技术
1、跳频通信的优点 (1)抗干扰性强 (2)有较强的抗截获能力 (3)可实现码分多址通信，可以组网工作 (4)抗多径衰落的效果好 (5)便于和定频电台兼容
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2.6 短波扩频与跳频通信
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2.6.2 短波跳频扩频通信技术
2、短波跳频通信系统的原理和组成
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2.5.3 自适应信号处理技术
➢在短波自适应选频通信系统中，自适应信号处理器 是系统的核心部件，实时探测的电离层信道参数都 在这里计算处理。 ➢目前，国际上研制成功的高速编程信号处理器，采 用FFT算法来提取多种电离层信道参数，估算各种传 输速率所需的各种质量等级的频率，供通信实时应 用。
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2.5 短波自适应选频技术
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.1 传输高速数据信号的调制技术
➢并行体制由于多频同时发射会导致发射功率分散、 信号平均功率和峰值功率比低等缺点，但是技术成 熟，成本低，具有较高的性能价格比。 ➢串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串 行发送高速数据信号，因此提高了高频发射机的功 率利用率，克服了并行体制功率发散的缺点。由于 串行体制采用了高效的自适应均衡、序列检测和信 道估值等综合技术，从根本上克服了由于多径传播 和信道畸变所引起的码间串扰。 ➢从发展角度看，串行体制提高数据率的潜力较大。
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➢在短波通信系统中，工作频率的选择非常重要，如 果不能正确地选择工作频率，通信质量就很难保证， 有时甚至不能正常通信。 ➢传统的短波无线电通信采用人工选择频率的方式。 这种利用人工选频建立短波通信线路的方法，不仅 时效低，而且对短波通信使用人员的专业素质要求 很高，需要依靠操作员的长期工作经验，通信的质 量无法得到可靠的保证。 ➢长期频率预报是根据太阳黑子数来预测通信电路的 最高可用频率，由于这种方法基于月中值的概念， 所以工作频率不能够实时跟踪电离层的变化，实际 短波通信的效果是不理想的。
临界频率f v：对应于电离层各分层的电子密度，都存 在一个相应的最高频率 ，f v在此频率的电波垂直入射 （θ0=0）到电离层时，将被该分层反射，而高于此 频率的电波将穿出该分层。
Fmu ：入射角为θ0（θ0>0º ）时的最高可用频率。
fmufvsec0
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.2 最高可用频率（MUF）
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（
日频 9M H Z）
9
最高可用频率 工作频率 建议选用的工作频率
f /M HZ
6
夜频 5
（
4
.5
M
H
Z
）
4
3
0
4
8
12
16
20
24
t/h
一天内最高可用频率的变化规律
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.3 多径传播问题
（a）
（b）
（c）
（d）
（a）为天波和地波构成的多径； （b）为天波的单跳模式和多跳模式构成的多径； （c）为电离层不同分层的反射构成的多径； （d）为电离层的漫射构成的多径。
➢抗多径衰落是实现短波数据通信的首要问题，主要 采用了以下几方面的技术：
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.1 传输高速数据信号的调制技术
➢在短波通信中，由于多径效应引起了时域扩展，若 不采用专门的时域均衡措施，所能传输的最高码元 速率仅为200波特 (码元宽度为5ms)。 ➢采用专门的调制解调技术以后，可以将数据速率提 高到2400b/s以上，现在主要有并行制和串行制两种 不同的体制。 ➢并行体制的基本思想是把高速的串行信道分割为许 多低速的并行信道，这时在短波电离层信道上已不 再是高速数据传输，而是同时并行发送的低速信道； 在接收端，单边带接收机输出的多路数据信号经并 ／串变换后再恢复成高速数据流。
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2.2.5 多普勒频移
如果在发送端发送一个单频（等幅、恒定相位的 正弦波）信号，经多径传输后得到的接收信号不再 是一条普线的单频信号，高频载波的频普将被展宽，
这种现象称为多普勒频移或多普勒展宽。
多普勒频移的倒数称为信道的“相干时间”。当 系统传输的信息符号（时间）宽度大于信道的相干 时间时，将引起时间选择性衰落。
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2.5 短波自适应选频技术
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2.5.1 自适应选频的基本原理
2、自动线路建立(ALE) ALE是短波自适应通信最终要解决的问题，其过
程如下： (1)主呼台选择性呼叫 (2)被呼台预置信道扫描
3、自动转换信道 在进行通信的同时，电台仍然对该信道的通信质
量不断进行监测。当该信道突然遭受到强烈的无线 电干扰，致使信道质量下降到低于门限值时，通信 双方将自动转入下一个信道工作。
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2.6 短波扩频与跳频通信
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2.6.1 短波直接扩频通信系统
➢短波直接序列扩频通信系统通常以话音频带的带宽 （3kHz左右）来传送扩频信号，因此又称为短波窄 带扩频系统。 ➢短波通信中这种窄带扩频系统用得不多，更多的是 采用宽带扩频系统，即下面的跳频扩频通信系统。
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2.6 短波扩频与跳频通信
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.3 分集接收技术
1、信号的分集 （1）空间分集 （2）频率分集 （3）时间分集 （4）极化分集
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.3 分集接收技术
2、信号的组合 合并方式有选择式、等增益合并和最大比值合并
三种。目前在短波通信中，选择式和等增益合并由 于电路比较简单而被广泛应用，尤其是选择式和等 增益合并的混合合并方式最流行。即当各种信噪比 都比较接近时，采用等增益合并；当某路信噪比很 低时将该路自动切断，不参与合并。
短波跳频通信系统的原理框图
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2.6 短波扩频与跳频通信
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2.6.2 短波跳频扩频通信技术
3、短波跳频通信技术的发展 20世纪80年代以来，短波跳频通信技术不断得到
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。
多径传播将带来的问题：信号的延时和信号的衰落。
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.4 衰落
在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不 可能获得稳定的信号，接收到的信号强度总呈现忽 大忽小的随机起伏，这种现象称为信号的“衰落”。
快衰落：持续时间仅几分之一秒的衰落。
慢衰落：持续时间比较长（可能达到1小时甚至更 长）的衰落。
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.2.4 衰落
1、慢衰落（吸收型衰落） 它是由于电离层电子密度及其高度的变化造成电
离层吸收特性的变化而引起的。其表现为信号电平 的缓慢变化。
2、快衰落（干涉型衰落） 它是由于多径传输引起的干涉型衰落。干涉衰落
具有明显的频率选择性。
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2.2 短波在电离层中的传播特性
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2.4 短波数据通信技术
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2.4.2 时频组合调制
➢时频调制的主要优点是它能够抗瑞利衰落。 ➢由于它的一个二进制符号就发送两个不同频率的高 频脉冲，只要选用的频率f1、f2之间有足够大的频差 (＞500Hz)，这两个频率就具有几乎不相关的衰落特 性，可以达到频率分集的效果。 ➢时频调制可以克服分集接收的一些不足之处，如可 能造成的功率分散、设备复杂度增加等。 ➢另外，如果采用比较好的编码方式，时频调制不仅 可以在抗衰落方面达到分集接收的效果，而且还可 以起到抗码间串扰的作用。