对于远距离高频通信频率的选择与分析

对于远距离高频通信频率的选择与分析

摘要:高频短波通信作为无线电通信方式的一种，主要实现超视距(远距离)无线电通信功能。本文简单介绍了高频通信的传输介质-电离层的变化规律，并对高频频率与电离层的关系、高频频率的选择方法进行了分析和阐述。

关键词:高频电离层电子密度电子浓度总含量最大电子密度临界频率最高可用频率最低可用频率自动链路建立

1 引言

高频短波通信(2～30M频段)作为超视距(远距离)无线电通信的一种手段，由于其使用电离层进行电波反射、无需使用卫星等中继设施的特点而广泛应用于航空、军事、海事活动中。但也由于其带宽较窄、电离层变化频繁等原因而时常出现通信质量差、通信突然中断的问题。所以在高频通信中如何选取适当的频率以保证通信质量就显得极其重要，而高频频率的选择又与高频通信信道-电离层的变化规律有着直接的联系。

2 电离层概述

高频通信主要利用天波经电离层反射进行远距离传播，因而受自然环境影响较大，由于电离层经常变化，短波波段内信号很不稳定，有严重的衰落现象，有时还因电离层暴等异常情况造成信号中断。

在地球上空大约70～400英里的范围内形成了4个不同的离子层D、E、F1、F2层，电离层示意图见图1。这些层通称为电离层。有了电离层对于高频信号的折射作用，才能实现高频远距离通信。四个电离层中，E层、F层完成大部分的高频信号的反射。

3 电离层变化规律

电离层的变化主要是指电离层的电子密度和层高有较明显日夜变化、季节变化、地理纬度和太阳11年周期的变化。高频远距离通信质量、通信频率选取与电离层的变化有密切关系。

3.1 电离层日变化

由于电离层中的大气电离能量主要来源于太阳辐射，太阳天顶角变化直接影响电离层的变化。日夜太阳的照射不同，故白天电子密度比夜间大;中午的电子密度又比早晚大;D层在日落之后很快消失，而E层和F层的电子密度减小(F1层与F2层合并)。到了日出之后，各层电子密度开始增长，到正午时达到最大值，以后又开始减少。

3.2 电离层月变化

由于不同季节太阳的照射不同，夏季的电子密度大于冬季，只有F2层冬天的电子密度反而比夏天大。

3.3 电离层与太阳活动周期关系

电离层电子密度的分布，除了呈现日变化和月变化外，还与太阳活动周期有密切关系。太阳活动性一般用太阳一年的平均黑子数来代表，即太阳黑子数最多的年份，也就是太阳活动性最强的年份。太阳黑子的变化周期大约是11年，因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关。当处于太阳活动性强的年份，电离层中各区域的电子密度也增加，当处于太阳活动性弱的年份，电离层中各区域的电子密度也减小，使之也具有11年周期性。太阳活动周期见图2，最近一个周期开始于2006年，至2011年仍处于太阳活动性强的年份。

当电离层的特性随地理位置不同也是有变化的。不同地点的上空太阳的辐射不同，赤道附近太阳照射强,南北极弱,赤道附近电子密度大，南北极最小。

4 电离层参数

4.1 电子密度

电子密度是电离层中的重要参数，通常用Ne表示，是指空中某一点单位体积内电子的数目，单位是“电子个数/每立方厘米”或“电子个数/每立方米”。电离层中最大的电子密度通常称为Nmax，它与高频通信频率的使用有直接关系。

4.2 TEC

电离层中还有一个重要参数是TEC，指电离层电子浓度总含量，又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等，是单位面积内电离层电子浓度沿垂直高度的积分总含量，有一个专用单位(TECu)来描述TEC，一个TECu是指“一个平方米面积内有10e16个电子”。TEC和Nmax 没有直接转换的公式，但从电离层物理研究的角度，TEC和Nmax 有很好的相关性，同样可以表示电离层的电子浓度情况。

下面以2010年12月20日夜间监测到的中国地区电离层情况为例。图3为监测站在当天夜间19时监测到的中国地区电离层电子浓度示意图，从该图中可以看出表明中国大部分地区在19时的TEC含量不超过20TECu，而白天该参数值一般为45～55 TECu左右。

4.3 临界频率

临界频率是指高频电波垂直投射到电离层后能够反射回来的最高频率，即高频信号发射角度与电离层成九十度直角时，可以反射回来的最高频率。它与Nmax的换算公式为:Fc(临界频率)=。从该公式可知，各电离层临界频率与该层最大电子密度成正比，密度越大，可以反射频率越高。故白天临界频率要大于夜间临界频率。由于F2层的Nmax值最大，对应的临界频率也最高，故一般使用F2的临界频率来表示整个电离层的最高临界频率。

电离层各层主要参数估计值可见表1。

5 电离层反射特性

电离层中的D层仅存于白天，且会吸收短波中的低频波,低频波大部分功率被吸收后无法进行远距离的通信，故白天低频波无法进行远距离通信。当发射波的频率逐渐升高后，D层对该波的吸收也逐渐减小，故高频波可以在白天进行远距离通信。到夜间后D层消失，E 层电子密度减小，可以使用低频波进行远距离通信。但夜间电离层电子密度变弱，导致夜间临界频率下降，高频波无法被电离层反射而穿透电离层。

总之电离层强则吸收低频波，反射高频波，电离层弱则反射低频波，高频波穿透电离层无法反射。而电离层白天强，夜间弱。

高频通信还受到噪声制约，高频频率越低越容易受到噪声干扰。常见的噪声有插入噪声、背景混杂噪声以及附加噪声。在两段话音之间涌现的噪声称为插入噪声;与信号混杂在一起的称谓背景噪声，消除背景噪声最为困难;附加噪声不是来自传播路径或电台本身，而是由于安装电台的地点、位置、安装条件等方面的原因所产生。

6 高频通信频率选择与确定

由上节对电离层的介绍可知，由于电离层反射和吸收高频信号具

有规律性，可使用频率的高低与电离层电子密度成正比，故在使用高频进行远距离通信时不能从高频波段内任意选用一个频率。应在白天尽量选用高频段频点，在夜间尽量选用低频段频点。高频段与低频段的分界线一般定为10MHz。高频系统虽然用于越洋或跨国通信，但由于其各频段特性均不相同且对电离层十分敏感，在大于一定距离通信时必须进行频率优选。

高频系统在通信中有一个概念即最高可用频率(MUF)与最低可用频率(LUF)。MUF不等同于上章所描述的临界频率Fc，它与Fc之间的换算公式为:MUF=Fc×sec。表示高频信号至电离层的入射角。由该公式可以看出，不同通信距离的MUF值也不相同，入射角越大即通信距离越长，MUF值便越大。在已知Fc的情况下和通信距离的情况下，可以推算出该距离下的MUF值。

LUF通常被定义为能保证最低所需信噪比的频率，它和高频发射机发射功率、天线增益、接收机灵敏度有关。一般高频通信频点应在MUF和LUF之间选择才能保证通信质量，而将MUF乘以0.85称为最佳工作频率(OWF)，该频率可以保证在一个月内有90%的概率达到指定的通信地点。

最后，即使所选通信频点是某一时段可使用的高频频率范围内，但由于高频通信的随机性和不可预见性，该频点无法建立通信的可能性也非常大。故一般情况下，在经过不断测试后，高频电台在白天选取三个(数量自定)最佳高频通信频点一直使用，夜晚选取三个(数量自