短波通信原理

短波通信原理
尽管当前新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老与传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有被淘太,还在快速发展。

其原因主要有三:
(一)短波就是唯一不受网络枢钮与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,其抗毁能力与自主通信能力与短波无可相比;
(二)在山区、戈壁、海洋等地区,超短波覆盖不到,主要依靠短波;
(三)与卫星通信相比,短波通信不用支付话费,运行成本低。

近年来,短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。

这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。

用现代化的短波设备改造与充实我国各个重要领域的无线通信网,使之更加先进与有效,满足新时代各项工作的需要,无疑就是非常有意义的。

这里简要介绍短波通信的一般概念,优化短波通信的经验,以及一些热门的新技术。

1、短波通信的一般原理
1、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米以下的超短波又称为微波)。

频率与波长的关系为:频率=光速／波长。

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,由于扩散与媒介质的吸收,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、特点与规律,才能达到良好的通信效果。

常见的传播方式有:
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。

地波的传播途径如图1、1 所示。

其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,可靠性高。

超长波、长波、中波无线电信号,都就是利用地波传播的。

短波近距离通信也利用地波传播。

直射波传播
直射波又称为空间波,就是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。

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,超短波与微波通信就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,如果天线高度与方向架设不当,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就是地球表面弧度与山地、楼房等障碍物,因此超短波与微波天线要求尽量高架。

天波传播
天波就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。

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。

散射传播
散射传播就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产生散射,其中一部份到达接收点。

散射传播距离远,但就是效率低,不易操作,使用并不广泛。

1、2 电离层的作用
电离层对短波通信起着主要作用,因此就是我们研究的重点。

电离层就是指从距地面大约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射线与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,形成离子与自由电子,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与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,就是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。

电离层的高度与浓度随地区、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。

1、3 短波频率范围
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。

1、4 短波传播途径
短波的基本传播途径有两个:一个就是地波,一个就是天波。

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,这与天波传播就是不同的。

短波的主要传播途径就是天波。

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。

但天波就是很不稳定的。

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与畸变,影响短波通信的效果。

2、单边带的概念
在无线电通信中,传送信息的载体就是特定频率的载波(也称为主频)。

那么信息又就是如何放到载波上的呢？这就引出了“调制”的概念。

调制就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就是单边带电台。

2、1 单边带的定义
调幅信号的频谱就是由中央载频与上下两个边带组成的。

将载频与其中一个边带加以抑制,剩下的一个边带就成为单边带信号。

如果用一个边带再加上部份载频或全部载频,就成为兼容式调幅信号。

下面用图示的方法说明单边带信号就是怎样产生的。

2、2 单边带的优点
单边带的优点就是:
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。

一部100W单边带电台的实际通话效果,相当于过去1000W以上双边带电台。

优化短波通信的方法
1、改善短波信号质量的三大要素
由于短波传输存在固有弱点,短波信号的质量不如超短波。

不过我们可以通过一些途径改善短波信号质量,使其尽可能接近超短波。

改善短波信号质量的三大要素就是:正确选用工作频率;正确选择与架设天地线;选用先进优质的电台与电源等设备。

1、1 正确选用工作频率
短波频率与超短波频率的使用性质完全不同。

超短波属于视距通信,距离短,可以固定使用频段内的任何频点;而短波频率则受到电离层变化、通信距离与方向、海拔高度、天线类型等多种因素的影响与限制。

用同一套电台与天线,选用不同频率,通信效果可能差异很大。

对于有经验的短波工作者来说,选频并不困难,其中有明显的规律性可循。

一般来说:日频高于夜频(相差约一半);远距离频率高于近距离;夏季频率高于冬季;南方地区使用频率高于北方;等等。

另外,在东西方向进行远距离通信时,因为受地球自转影响,最好采用异频收发才能取得良好通信效果。

如果所用的工作频率不能顺畅通信时,可按照以下经验变换频率:
(1)接近日出时,若夜频通信效果不好,可改用较高的频率;
(2)接近日落时,若日频通信效果不好,可改用较低的频率;
(3)在日落时,信号先逐渐增强,而后突然中断,可改用较低频率;
(4)工作中如信号逐渐衰弱,以致消失,可提高工作频率;
(5)遇到磁暴时,可选用比平常低一些的频率。

计算机测频
利用计算机测频软件预测可用频率对短波通信很有帮助,就是国外经常采用的先进技术手段。

计算机测频系统能够根据太阳黑子活动规律等因素,结合不同地区的历史数据,预测两点之间在未来一段时期每天各时节的可用频段,具有较高参考价值。

美国、欧盟、澳大利亚政府的计算机测频系统数据比较准确,它们通过分布在全球的监测点采集与跟踪各种环境参数的变化提供频率依据。

其中澳大利亚的ASPAS系统面向全世界提供测频服务,安装与服务费用不高,很有使用价值。

1、2 正确选择与架设天线地线
天线与地线就是很多短波用户容易忽视的问题。

当通信质量不好时,很多人习惯于从电台上找原因,而实际上信号不良常常源自天线或地线。

短波与超短波使用的天线就是完全不同的。

超短波通信因为使用频率高,波长短,天线可以做得很小,通常为直立鞭状天线。

而短波通信因使用的频率较低,天线必须做得足够大才能有效工作。

简单的规律就是:天线的长度达到所使用频率的1/2波长时,天线的效率最高。

短波天线的理论原理比较高深。

短波天线的种类繁多,用途各异,究竟应该选购何种天线,怎样安装架设才能获得良好的通信效果？根据我们了解与掌握的情况作如下简要介绍:
(1)了解天线的基本工作原理
短波天线分地波天线与天波天线两大类。

地波天线包括鞭状天线、倒L形天线、T形天线等。

这类天线发射出的电磁波就是全方向的,并且主要以地波的形式向四周传播,故称全向地波天线,常用于近距离通信。

地波天线的效率主要瞧天线的高度与地网的质量。

天线越高、地网质量越好,发射效率越高,当天线高度达到1/2 波长时,发射效率最高。

天波天线主要以天波形式发射电磁波,分为定向天线与全向天线两类。

典型的定向天波天线有:双极天线、双极笼形天线、对数周期天线、菱形天线等,它们以一个方向或两个相反方向发射电磁波,用天线的架设高度来控制发射仰角。

典型的全向天波天线有:角笼形天线、倒V形天线等。

它们就是以全方向发射电磁波,用天线的高度或斜度来控制发射仰角。

天波天线简单的规律为:天线水平振子(一臂的)长度达到1/2波长时,水平波瓣主方向的效率最高;天线高度越高,发射仰角越低,通信距离越远;反之,天线高度越低,发射仰角越高,通信距离越近;天线高度与波长之比(H/λ)达到二分之一时,垂直波瓣主方向的效率最高。

(2)按用途选购天线
随着短波通信技术的发展,短波天线出现了很多不同用途的新品种,例如用于短波跳频的高效能宽带天线;用于为了解决天线架设场地小与多部电台共用一副天线的多馈多模天线等。

选择天线基本的着眼点应该就是用途。

近距离固定通信:选择地波天线或天波高仰角天线。

点对点通信或方向性通信:选择天波方向性天线等。

组网通信或全向通信: 选择天波全向天线。

车载通信或个人通信: 选择小型鞭状天线。

(3) 正确处理天线价格与质量的关系
俗话讲一分钱一分货。

首先同种用途的天线有不同种类,其增益有高低之分。

此外同一种外形的天线,使用不同材料;不同制造工艺,其通信效果的差异就是很大的。

例如以特种不锈铜钢复合绞线为振子的天线,比用塑包线为振子的天线高频电磁转换效率高得多。

又例如匹配器所用的磁性材料优劣,对电台与天线的匹配状态影响极大。

高性能磁料能够保证全频段每个频点都能良好匹配;劣质磁料可能造成很多频点甚至整段频率匹配不好,驻波比过大。

使用劣质天线,电台输出的功率可能只送出去不到三分之一甚至更少,通信效果可想而知。

在投资增加不多的前提下,尽量选用高质量高增益的天线,能够保证长期稳定与优良的通信效果与延长使用寿命,就是很划算的。

(4)介绍二种性能与价格兼优的基站天线
根据多年的对比实验与实际使用经验,我们认为有两种进口天线在性能上能够广泛满足我国大多数用户的通信要求,而且价格不高,性能价格比好,以下分别介绍:
● 用于全方位通信的三角组合型全向全角天线
我国省级行政区,从省会到边缘地区的距离多数在1200公里以内。

在这个区域内组建全省或地区的通信网,中心基站选用这种天线就是比较理想的。

这种天线既能照顾360°全方位,又能照顾近中远各种距离,接收效
果好,对改善通信盲区特别有效,此外它能兼顾垂直极化波与水平极化波,
对区域内各种台站的不同种类天线的兼容性好。

● 兼顾全向与定向两种用途的高增益三线式天线
三线式天线就是国际上近年流行的新型多用途天线,它虽然属于偶极
天线类,但其性能就是普通双极天线无法相比的。

与普通双极天线相比它
有以下优点:
1、增益高,全频段内驻波比小,而且均匀辐射效率高;
2、水平架设时不仅在天线宽边方向辐射强,而且在窄边方向也有较强辐射;
3、架设状态平稳,抗风抗毁能力强;
4、提供平行与倒V两种架设方式,分别支持2500公里内定向通信与2000
公里半径内全向通信。

以上两种天线的振子材质都就是不锈铜钢复合绞线,电磁转换效率高
而且经久耐用;其高性能磁性材料保证了全频段匹配良好。

(5)正确架设天线与连接馈线
选购好合适的天线后,还必须正确地安装架设,才能发挥出最佳效果。

天线的长度与架设规范就是不能改变的,但对于某些天线而言,架设
的方向与高度就是靠用户自己掌握的,应严格按通信的方向与距离来确定
方向与高度。

天线的架设位置以开扩的地面为好,没有条件的单位也可以
架在两个楼房之间或楼顶。

天线高度指天线发射体与地面或楼顶的相对高度。

架在楼顶时,高度应以楼顶与天线发射体之间的距离计算,不就是按楼
顶与地面的高度计算。

我们提醒用户,切忌因为架设场地不理想或怕麻烦,
就随便把天线架起来完事,这样做通信效果很可能就是不好的。

另一个要点就是馈线的选用与布设。

馈线就是将电台的输出功率送到天线进行发射的唯一通道,如果馈线不畅通,再好的电台与天线,通信效果也就是很差的。

馈线分为明馈线与射频电缆两类。

目前100W~150W电台一般都使用射频电缆馈电方式。

选用射频电缆时要注意两项指标:一就是阻抗为50欧姆;二就是对最高使用频率的衰耗值要小。

一般来讲,射频电缆直径越粗,衰耗越小,传输功率越大。

在实际使用中,100W级短波单边带电台,常选用SYV-50-5或SYV-50-7的射频电缆,必要时也可以选SYV-50-9的射频电缆。

天线在进行安装选位与布设时,应尽可能缩短馈线的长度,普通SYV-50-5馈线每1米造成信号衰减0、082dB,这意味着100W电台功率通过50米馈线送达天线时,功率剩下不到40W。

因此通常要求馈线长度控制在30米以内。

如果因为场地条件限制必须延长馈线,则应采用大直径低损耗电缆。

另外在布设电缆,应尽量减少弯曲,以降低对射频功率的损耗,如果必需弯曲,则弯曲角度不得小于120度。

(6)电台与天线的匹配
天线、馈线、电台三者之间的匹配必须引起高度重视,否则,虽然电台、天线、馈线都选得很好,通信效果还就是不好。

所谓“匹配”就就是要求达到无损耗连接,只有电台、馈线、天线三者保证高频输入输出阻抗一致,才能实现无损耗连接。

多数短波电台的输出/输入阻抗为50欧姆,必须选用阻抗为50欧姆的射频电缆与电台匹配。

天线的特性阻抗比较高,一般为600欧姆左右,只有宽带天线的特性阻抗稍低一点,大约200~300欧姆,因此,天线不能直接与射频电缆连接,中间
必须加阻抗匹配器(也叫单/双变换器)。

阻抗匹配器的输入端阻抗必须与射频电缆的阻抗一致(50欧姆),输出端阻抗必须与天线的输入阻抗一致(600欧姆或200/300欧姆)。

阻抗匹配器的最佳安装位置就是与天线连为一体。

自动天线调谐器也就是匹配天线与电台阻抗用的。

自动天调的输入端与电台连接,输出端与单极天线连接。

自动天调与偶极天线连接时要根据不同产品而定。

有些天调要求加单/双变换器,天调与单/双变换器之间用50欧姆射频电缆相连(芯线接天调输出端,外皮接天调的地端),单/双变换器的双输出端与天线连接;多数新型天调不用加单/双变换器,用天调的输出端与接地端分别连接偶极天线的两臂,匹配效果更好,而且效率更高。

(7)正确埋设接地体与连接地线
地线就是很多用户容易草率处理的问题。

短波通信台站的地线就是至关重要的,地线实际上就是整个天馈线系统的重要组成部分。

我们所说的地线,不就是交流供电系统中的电源地或保安地。

这里所说的地线就是信号地,也称高频地。

信号地一般不能接到电源地或保安地上,必须单独埋设。

埋设接地体时,必须按有关标准进行,接地电阻不应大于4欧姆。

电台的接地柱与接地体之间,必须用多股线铜、编织铜线或大截面优良导体连接,才能起到良好的高频接地作用。

而良好的高频接地就是减小发射驻波与减小接收噪声的必要前提。

1、3 选用先进优质的电台与电源
工作频率与天线地线搞好了,相当于铺了一条“好路”。

好路上还要跑“好车”。

好车就就是先进优质的电台与电源等设备。

(1)选择电台的原则与标准
怎样评价电台的先进性与优质呢？先进性体现在两个方面:一就是电气特性与工艺结构,这方面先进与否决定了性能指标的优劣与设备的可靠性;二就是使用功能,具有多种先进功能的电台不仅用途更广泛,而且也说明制造者的科技实力。

电气特性涉及的内容很多,这里只简述三个方面:
①频率特性。

好的电台频率稳定性比差的电台高几倍、几十倍甚至几百倍。

频率稳定性高的电台,不但话音清晰,信号等级高,而且就是支持高速数传的必要条件。

在评价频率稳定性时要注意两点:一就是全频段各频点的稳定性要一致;二就是要在很宽的温度范围内稳定,不能机器一发热就产生频漂。

②通道特性。

这一特性描述信号在通过高频、中频、低频几个通道后的畸变程度。

当进行短波数传时,这一问题非常突出。

使用通道特性差的电台,无论怎样改造,数传速率都上不去,原因之一就就是高速数据脉冲通过不佳的通道后发生明显畸变,使其难以被识别。

③干扰与抗干扰特性。

这方面的性能在技术说明书上都就是以dB(分贝)值表示的,我们统称为dB指标。

电台发射方面的dB指标不好,说明您传给对方台的信号不好,而且干扰其它台;电台接收方面的dB指标不好,说明自身容易被别人干扰;二者都就是不能容许的。

工艺结构方面,主要瞧电路集成度与模块化程度。

集成度高,可靠性必然高。

模块化除了提高设备可靠性外,还使扩展功能与维修十分便利,就是当今电台工艺的主流趋势。

再来瞧使用功能。

社会需求的发展与科技的进步,使短波通信日益向多功能化方向发展。

像用于半自动优选频率的自适应功能与全自动优选频率的自优化功能,用于计算机与传真机的数据传输功能,用于保密与抗干扰的跳频功能,用于组网通信的数字选呼功能,用于卫星定位的GPS监控功能,用于连接有线网的有线无线转接功能,等等。

在具有这些现代化功能的电台面前,那些只能进行简单通话的电台就显得太原始了。

目前在国内有一种现象,就就是很多单位致力于在一些单功能电台上添加数传、自适应等功能。

这固然就是由于有大量旧式电台要改造,可能还有造价方面的考虑。

但可以肯定这种现象就是过渡阶段。

正像现在大家都用GSM手机,再也没有人使用土造的手持电话一样,未来的短波领域也势必普及先进的多功能电台。

此外,先进优质电台的售价呈下降趋势,也越来越接近我国用户的经济承受能力。

哪些电台先进而且优质,要具体分析,但有一点可以肯定:目前国内常见的多数日本电台,其电性能、可靠性、功能等与欧美与澳大利亚名牌产品不在一个等级上。

澳大利亚柯顿公司首创的NGT自优化短波电台,正就是先进电台的代表。

(2)电源质量与通信效果的关系
很多人认为只要稳压电源的输出电压与电流的数值符合要求就可以用,这种认识不够全面。

其实有些干扰可能来自电源,有些话音失真也可能就是电源动态范围不足所致。

数据传输对电源的要求更严格,如果电源的电磁屏蔽特性不好,输出纹波大,将直接导致数传工作不正常。

功率容量与
设计余量也就是考核稳压电源优劣的重要依据,有些电源为了降低生产成本,加强价格竞争能力,把功率容量设计在临界状态,并尽量简化电路,选用低指标元器件等等。

这类电源的技术性能与可靠性肯定就是做不高的。

好汽车要用好发动机,好电台要用好电源,道理就是相同的。

在选购电源时,一定要挑选功率容量大、输出电压纹波小、电磁屏蔽特性好、电路设计余量大的静化电源产品。

2、短波通信的常见难点及解决方法
2、1 近距离盲区及解决方法
前节已介绍了天波与地波二种传输途径。

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至100公里之间这一段,地波与天波都够不到,形成了短波通信的“寂静区”,也称为盲区。

盲区内的通信大多就是比较困难的。

解决盲区通信主要有两个方法:一就是加大电台功率以延长地波传播距离;二就是常用的有效方法就就是选用高仰角天线,也称“高射天线”或“喷泉天线”。

仰角就是指天线辐射波辨与地面之间的夹角。

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°时,盲区基本上就不存在了。

前文提到的三角组合型全向全角天线就属于这一类。

2 车载台的通信困难及解决方法
车载通信一直都就是短波通信中的一个难题。

车的体积就那么大,没办法架长天线,其辐射能力怎么也比不上固定台。

因此必须从合理设计天线形态与合理选择架设位置等方面来弥补,尽可能利用车体的反射效应,尽可能增加天线的“电长度”。