第2章短波通信系统2.ppt

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1、短波通信系统短波通信系统本章介绍本章介绍短波传输的特性与特点短波传输的特性与特点短波通信技术短波通信技术系统及发展系统及发展本章主要内容：本章主要内容：（1）短波通信的特点；（2）短波通信的常用调制方式；单边带通信和调频通信的概念、基本原理、系统组成；（3）数据信号在短波信道上的传输问题；（4）重点介绍高频自适应和扩展频谱通信的原理及其在现代通信设备中的应用。本章要求：本章要求：1 掌握短波通信的特点。理解多径传播对通信系统性能的影响。2 理解短波通信的调制方式，掌握单边带通信和调频通信的概念、基本原理、系统组成。4 理解数据信号在短波信道上的传输问题。5 了解高频自适应和扩展频谱通信的原理及

2、其在现代通信设备中的应用。2.1 概述概述 短波通信短波通信也称为高频（HF）无线电通信是指利用波长为100m10m（频率为3MHz30MHz）的电磁波进行的无线电通信。n一般也把中波的高频段（1.5MHz3MHz）归到短波波段，所以现有的许多短波通信短波通信设备，其波段范围往往扩展到波段范围往往扩展到1.5MHz30MHz。n短波通信被广泛地用于气象、通信导航等部门。一、短波传输特性一、短波传输特性1 短波的传播形式短波主要靠电离层反射（天波）传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离几十公里以内传播。电波各种传播形式的特性简介电波各种传播形式的特性简介n（1）地波传播形式地波传播形式地波传

3、播形式的频率范围大约是频率范围大约是1.5MHz5MHz。地波的衰减随着频率的升高而增大，传播距离和传播路径上媒介的电参数密切相关。不宜用做无线电广播或远距离通信。主要用在长距离点与点之间的通信，如船舶助航用。（2）天波传播形式）天波传播形式 天波靠电离层反射传播，可以进行远距离传播，可以超越丘陵地带，还可以在地波传播无效的很短的距离内建立无线电通信线路。所以对于短波通信线路，天波传播较地波传播更有意义。2 大气电离层的结构大气电离层的结构 电离层由围绕地球的处于不同高度的3个导电层组成的，这3个导电层分别 称为D层、E层、F层。各导电层对短波传播的影响各导电层对短波传播的影响（l）D层：D层

4、是最低层，在地球上空60km90km高度处。白天存在，夜间消失，所以在夜间不再对短波通信产生影响。D层中的衰减量远大于E层、F层中的，所以也称D层为吸收层层为吸收层。（2）E层：在地球上空在地球上空 100km120km高度处，高度处，最大电子密度发生在 110km处，白天基本不变。在通信线路设计和计算时，以110km作为E层高度。E层实际上对短波传播不起作用。（3）F层层：为反射层，在一般情况下，远距离短波通信都选用F层作为反射层。白天电离层包含 D、E、F1和 F2层，白天F层有两层：F1层位于地球上空 170km220km高度处，F2层位于地球上空 225km450km高度处。F2层在日

5、落以后没有完全消失，仍保持剩余的电离，夜间F2层的电子密度较白天降低了一个数量级，所以夜间能反射的频率远低于白天。由此可以看出，若要保持昼夜短波通信，其工作频率必须昼夜更换，而且一般情况下夜间工作频率远低于白天工作频率。二二 短波电离层传播的基本特性短波电离层传播的基本特性1 最高可用频率（最高可用频率（MUF）电波斜射至电离层的入射角；d通信线路的长度；h电波反射点处电离层的虚高。关于关于MUF的几点结论：的几点结论：（1）通信距离、反射层的电离密度改变，其MUF值改变。（2）当选用MUF作为工作频率时，一般情况下可能获得最佳接收。（3）一般情况下，FOT=0.85MUF。（4）实际通信线路

6、白天和夜间各选用一个频率即可。2 传输模传输模式式 传输模式有单跳、多跳。依靠单电离层或多电离层反射构成电磁波传输路径。当通信距离2500km时，往往采用多跳，以获得较大的仰角。如利用F2反射一次，称为1F2传输模式。3 多径传播多径传播 多径传播多径传播：指电波通过若干条路径到达接收端。多径延时多径延时：多径延时是指电波在同一方向沿着不同路径传播时，到达接收端同一脉冲的各条射线间最大的允许延时差值。统计表明，一般延时差大于5ms的仅占0.5%。多径延时有下列特征多径延时有下列特征：（a）多径延时随着工作频率偏离MUF的增大而增大；（b）多径延时和通信距离存在一定关系；（c）多径延时随时间变化

7、，因为电离层的电子密度随时间变化，从而使 MUF随时间变化。4 衰落衰落 在短波通信的接收端，信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰落衰落”。在短波传播中，衰落有快衰落和慢衰落之分。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落快衰落，持续时间比较长的衰落（可能达1小时或者更长）称为慢衰落慢衰落。衰落的种类（依衰落原因划分）衰落的种类（依衰落原因划分）（1）干涉衰落：）干涉衰落：由于多径传播，到达接收端的若干个信号的时间不同而造成的衰落。（2）吸收衰落：）吸收衰落：产生的原因是D层衰减特性的慢变化。（3）极化衰落）极化衰落干涉衰落的特征：干涉衰落的特征：l）具有明显的频率选择性

8、，只对某一单个频率或一个几百赫兹的窄频带（频段宽度不超过300Hz）产生影响。2）快衰落信号的电场强度振幅服从瑞利分布。指电场强度达到或超过电场强度中值Emed的时间为整个观察时间的50%。3）干涉衰落的速率（也称衰落速率）大约为 1020次分，衰落深度可达40dB，偶尔达80dB。衰落持续时间通常在4ms20ms范围内。产生的原因是D层衰减特性的慢变化，其时间最长可以持续1小时或更长，因此吸收衰落属于慢衰落。吸收衰落有下列特征：吸收衰落有下列特征：1）接收点信号幅度的变化比较慢，其周期从几分钟到几小时。2）对短波整个频段的影响程度是相同的。在太阳黑子区域常常发生耀斑爆发，此时有极强的X射线和

9、紫外线辐射，并以光速向外传播，使白昼时电离层的电离增强，D层的电子密度可能比正常值大10倍以上，不仅把中波吸收，而且把短波大部分甚至全部吸收，以致通信中断。通常这种骚扰的持续几分钟到1小时。克服吸收衰落的方法：克服吸收衰落的方法：除了正确地选择频率外，在设计短波线路时只能靠留功率余量来补偿电离层吸收的增大。极化衰落极化衰落 电波被电离层反射后，其极化已不再和发射天线辐射时的相同。发射到电离层的平面极化射线经电离层反射后，形成接收地点的椭圆极化波，椭圆长轴的大小和相位随着传播路径上电子密度的随机变化而不断变化。若用垂直天线接收信号，当长轴方向接近垂线时，信号的强度变得最大；反之，当接近水平时，信

10、号的强度变得很小。克服方法：克服方法：可以采用几副具有不同极化的接收天线，并且通过选择电路将接收最强信号的那副天线接到接收机输入端。这种方法称为极化极化分集分集。5 相位起伏（多普勒频移）相位起伏（多普勒频移）短波传播中存在的多径效应使信号的相位起伏不定。这种相位起伏也可以看成电离层不规则运动引起的高频载波的多普勒频移多普勒频移。多普勒频移在日出和日落期间呈现出较大的数值。尤以发生磁暴时为甚（可达 6Hz）。在电离层平静时期的夜间不存在多普勒效应，而在其他时间，对于单跳模式传播多普勒频移大约在1Hz2Hz的范围内。三三 无线电干扰无线电干扰 无线电干扰分外部干扰和内部干扰。外部干扰是指接收天线

11、从外部接收的各种噪声，如大气噪声、人为干扰、宇宙噪声等。内部干扰是指接收设备本身产生的噪声。在通信中对信号传输产生影响的主要是外部干扰。1大气噪声大气噪声在短波波段，大气噪声主要是天电干扰，由大气放电产生。具有以下特征：（1）对长波波段的干扰最强，中、短波次之；而对超短波的影响极小，甚至可以忽略。（2）具有地区性，雷电地区强。（3）与接收地点产生的电场强度和电波的传播条件有关。（4）在整个电磁频谱上变化相当大，但是在接收不太宽的通频带内，具有和白噪声一样的频谱。（5）天电干扰具有方向性。（6）天电干扰具有日变化和季节变化。天电干扰的能量主要集中在短波的低频段这正是短波夜间通信的最有利频段。因此

12、，夜间的远方天电干扰将被接收天线接收到。2 人为噪声人为噪声 人为噪声也称工业干扰，是由各种电气设备和电力网产生的。这种干扰的幅度除了和本地噪声源有密切关系外，也取决于供电系统，这是因为大部分人为噪声的能量是通过商业电力网传送来的。在工业区，这种人为干扰的强度通常远远超过大气噪声，因此它成为通信线路中的主要干扰源。3电台干扰电台干扰电台干扰电台干扰是指和工作频率相近的其他无线电台的干扰，包括恶意干扰。由于短波、波段的频带较窄，而且用户越来越多，因此电台干扰成为影响短波通信顺畅的主要干扰源。特别是在军事通信中，电台干扰更严重，因此抗电台干扰成为设计短波通信系统需要考虑的首要问题。抗电台干扰的途径

13、抗电台干扰的途径（1）采用实时选频系统。由实时选颁系统提供的优质频率躲开了干扰，可使系统工作在传输条件良好的弱干扰或无干扰的频道上。（2）尽可能提高系统的频率稳定度，以压缩接收机的通频带（压缩接收机的通频带，对于减弱大气噪声的影响也是有利的）。（3）采用定向天线，或自适应调零天线。（4）采用抗电台干扰能力强的调制和键控制度。如时频调制。（5）采用“跳频”和“突发传输”技术。四四 总结短波通信的特点总结短波通信的特点（1）主要靠电离层的反射实现远距离通信。（2）由于电离层的时变性，信号传播存在多种衰落和多径延时，使接收信号存在随机性和不稳定性。（3）接收信号时强时弱，背景噪声较大，信噪比低，选择

14、工作频率是很重要的。（4）短波通信在最佳工作频率时多径延时也在0.5ms左右，要使码元周期远大于0.5ms取为5ms，则RB为200波特，若要以更高的速率传输，则需采取一定的技术措施。在短波信道上传输数据时一般的传输速率2.4Kb/s。（5）短波通信中采用的各种新技术包括自适应技术、跳频技术，传输数据时采用抗干扰性强的调制解调技术和差错控制技术。2.2 现代短波通信技术现代短波通信技术一 常用的调制、解调技术调制的目的调制的目的（1）将消息变换为便于传送的形式。（2）提高性能，特别是抗干扰能力。（3）有效地利用频带，高频无线传输就是频分复用。短波通信常用：短波通信常用：调幅AM、单边带SSB、

15、频率调制FM常用调制技术常用调制技术2 振幅调制振幅调制 AM及解调（检波）及解调（检波）振幅调制中，输出已调信号的包络与输入调制信号成正比，其时间波形表达为：AM波占两倍的调制信号频谱的带宽，且上、下边带所含的信息相同，载波不含任何信息成分，只起运载信息的作用。故AM波的发射载波功率浪费了，且AM波占用频带较宽，抗干扰能力很差。调幅波的解调称为包络检波，它将调幅波中的调制信号即调幅波的包络变化检波出来，还原成原始的低频信号。3 单边带调制单边带调制SSB及解调及解调 单边带调制（单边带调制（SSB）是用高频滤波器将含有完整调制信号的单边带信号滤出，这种调制制度称为“单边带调制”。利用单边带信

16、号传递消息的通信方式称为“单边带通信”。原型单边带制：只用一个边带的传输方式独立边带制：发射机发射的两个边带中含有两种不同的信息。单边带信号的产生方法：单边带信号的产生方法：滤波法、相位补偿法、合成法解调方式：解调方式：相干解调4 频率调制频率调制FM及解调（鉴相）及解调（鉴相）频率调制（频率调制（FM）与相位调制（）与相位调制（PM）统称为角度调制。频率调制是使高频振荡的频率按调制信号的规律变化，振幅保持不变的一种调制方式。调相使高频振荡的相位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。调频信号的产生方法调频信号的产生方法：直接调频法与间接调频法。调频波解调的方法调频波解调的方法：（1）波形变换法解调，又称直接法。（2）锁相环解调及调频负反馈解调，又称间接法。（3）脉冲计数法。（4）正交鉴频，符合门解调器。与AM调制相比，角度调制的能量利用率高，其平均功率与最大功率相同。因为调频波是等幅的，可以利用限幅器去掉寄生调幅，故调频制的抗干扰性能好。二二 数据传输的相关技术数据传输的相关技术 1 短波信道对数据传输的影响短波信道对数据传输的影响（1）多径效应引起的衰落。它使传输的数据信号幅度减小，甚