短波在无线电通信中的作用及特点

短波在无线电通信中的作用及特点

作者：林剑芳

来源：《中国新通信》2015年第14期

【摘要】短波的频率范围1.5MHz-30MHz，传播途径分为地波和天波两种。其中地波因为受地面吸收和地面电气特性的影响而衰减的程度较大，只适用于短距离通信。因此短波通信的主要传播路径是天波。天波的传播是利用电离层的反射来实现的，尤其是多次反射后可以实现全球通信。地波传播受天气的影响较小，比较稳定，信道参数基本上不随时间的变化而变化，是恒参信道。

【关键词】地波天波电离层多跳路径

一、概述

1.1短波的传播方式

短波的传播方式有地波和天波两种。无线电波沿地球表面传播的部分称为地波（或地表波）。短波地波受地面吸收而衰减的程度比长波和中波大，而且受地面电气特性的影响也较大，故短波地波传播适用于近距离通信。地波衰减随工作频率递增，利用地波进行通信时，工作频率一般选在短波的低频段。地波传播受天气影响较小，比较稳定，信道参数基本上不随时间而变化，故地波传播信道可以看作恒参信道。

无线电波射向天空经电离层反射回地面的部分称为天波。倾斜投射的天波经电离层反射后，可以传播到几千公里外的地面。天波的传播损耗比地波小得多。由电离层反射回的电波本来传播就要远些，尤其是地面和电离层之间多次反射（多跳传播）之后，可以达到极远的地方。因此，利用天波可以进行全球通信。天波传播受电离层变化和多径传输的严重影响而极不稳定，其信道参数随时间、环境等因素而变化，因此称为时变信道或参变信道。尽管天波传播不稳定，但由于可以实现远距离通信，因此在无线电通信中仍非常重要。天波既可用于远距离通信还可以用于近距离通信。在地形复杂、短波地波或视距微波受阻拦而无法到达的地区，利用高仰角投射的天波可以实现通信。短波通信链路主要依靠天波传播来建立。天波传播的最大优点是传输损耗较小，从而可以利用较小的功率进行远距离通信。天波经电离层反射，一跳可达4000km，如再经地面反射，则多跳传播可以到达地球上的任何地点。对于近距离链路，也可以利用地波来建立。但如果地面的电气特性差或者受到高山等地理环境影响时，传播损耗太大，则利用天波传播。

1.2 电离层特性

电离层的特性随地理位置而变，并有日变化、季变化和年变化。因此，电离层的这种传输介质在时域、空域和频域三方面都呈现着显著的随机性由于电离层不稳定以及天波传播过程中存在多径衰落、多普勒频移、极化面旋转、非相干散射等效应，这就使短波天波信道具有时变色散传输特性，这是天波传播的主要的不利因素，天波信道的质量，一般只能依赖大量传输情况的统计分析资料来作出预测。按照电子的分布情况，电离层通常分成三个区（或层），按高度顺序由下向上，分别称为D区、E区和F区。而且各层的高度和电子密度随时间和地理位置而变。就高频传播来说，F层是主要的反射层，D层主要起吸收作用，E层则介于二者之间，当电波由F层反射时，它是吸收层，条件适当时它又可能成为反射层。当入射角HO一定时，频率越高，即电波要进入电离层更深入的地方才能出现全反射，如图1所示。

如果频率太高，电离层最大电子浓度值Nmax不足以使电波全反射，电波将穿透电离层而进入太空。图1 入射角固定而频率改变时的射线轨迹短波信号是按照发射天线的辐射图形在一定角度范围内发射的，不同的仰角有不同的辐值。某一发射频率由电离层反射时，可能有很多条传播路径。

由图2可见，电离层反射每跳所能达到的地面距离与射线辐射仰角和反射层高度有关。模式的表示方法是E，ES和F表示相应的反射层，用短横表示地面反射；字母之间没有短横，则表示射线在电离层之间连续反射。如F2层高度为320km，则当辐射角为0b时（地面切线），一跳可达4000km；当辐射角为2b时，一跳可达3500km。电离层高度增加时，距离增大，反之则减小。通常，F2层一条最大距离按3500-4000km来考虑。

图2 比较常见的几种混合传输模式 T-发射端 R-接收端

电波长距离传播时，需要多次反射（多跳），由于路径上各处电离层的高度和临界频率不同，并且随着时间变化，传播情况往往十分复杂，如图3所示。沿着不同的传播路径，同时或者接近同时到达接收点。由各不同传播路径到达的信号，具有不同的仰角、强度和相对时延。

二、短波通信的主要优点

（1）短波通信不需要接力进行中续，即可建立长距离通信链路，因此建设费用省，维护费用低，建设周期短。中等距离或近距离通信用的中、小型设备安装便利；车载式设备可以在运输到达后立即投入使用。

（2）短波通信设备比较简单，可以根据业务或使用要求固定设置，进行定点通信也可以装入船舰、车辆或飞行器中进行移动通信。小型设备体积小，重量轻，可以背负或手持使用。短波通信电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的灵活性。

（3）短波是进行远距离、全方位或区域性广播（或通播）业务的良好手段，因为接收端只需配置短波接收机即可接收广播消息。通信卫星虽然也可供新闻通信业务作远距离广播使用，但目前的接收设备相对来说则复杂、昂贵得多。

（4）短波通信系统对于自然灾害或战争的抗毁性能较强。通信设备体积小、容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破坏后容易恢复。

这些特点是通信卫星、地面微波、同轴电缆光纤电缆等通信手段无法相比的。

三、短波通信的主要缺点

（1）可供短波通信使用的频段，如按1.5-30MHz计算，宽度只有28.4MHz。这样窄的频段除供各种通信业务使用外，还有一部分分配给其它用途。短波电台数量很多，短波频段，特别是10MH以下部分的频率占用情况十分拥挤。虽然，在频率指配方面已经考虑了频率再利用，但由于天波传范围很广，这对于解决频率拥挤总是没有显著效果。短波频段通信容量小，电台之间干扰问题突出，这就大大限制了短波通信的发展。

（2）短波天波通信是变参信道，信号传输情况很不稳定。电离层的变化使信号产生衰落，衰落的辐度和频次也在连续不断地变化。天波信道还经常出现多路径传输，使信号出现频率选择性衰落和多径延迟。此外，在天波和地波都能到达的地方，天波和地波之间的干涉也能使信号衰落。选择性衰落使接收信号失真。多径时延则使接收信号在时间上扩散，成为短波链路传输数据能力的主要限制因素。当出现电离层突然骚扰和电离层暴等骚乱现象时，通信情况往往会急剧变坏，甚至完全中断。

（3）大气无线电噪声和人为无线电噪声，在无线电频谱的低端，强度很高；随着频率的升高，强度逐渐降低。在短波频段，这类噪声虽然比在长波和中波频段要低得多，但仍有相当高的强度，影响着短波信号的接收。尤其是脉冲型突发噪声，经常会使数据传输出现突发差错，严重影响接收质量。短波无线电通信已有数十年历史，由于短波所具有的极其鲜明的特点，在五六十年代曾是它的鼎盛时期。可是因为短波信道是变参信道，频段拥挤，大气和人为噪声大，干扰严重，因此通信可靠性差。随着地面微波、有线通信、通信卫星、光纤通信等较好通信手段的出现，许多短波通信链路被逐渐取代。七十年代末期以来，短波通信技术有了很大进展。随着电离层信道特性的深入探索，大规模集成电路和微处理机等新器件的应用，以及自适应天线等新技术的开发，新一代短波通信设备已经涌现出来。短波通信链路尽管其信道容量小和数据率低的固有的缺点没有改变，但链路质量大大提高，无论话音传输还是数据传输都可以与卫星链路相比，所以在军事通信方面和民用通信方面仍发挥着重要的作用。

参考文献

[1]何非常军事通信. 北京国防工业出版社，2002

[2]胡中豫现代短波通信.北京国防工业出版社，2003

[3]宋铮，张建华天线与电波传播西安西安电子科技大学出版社，2003

[4]熊皓电磁波传播与空间环境电子工业出版社，2004