第二章 地面系统

--29第二章地面通信系统原理与业务第一节地面通信系统的基本知识一、无线电波的产生无线电波实质上是一种电磁波。电荷周围有电场存在，电荷定向移动产生电流，在电流周围会产生磁场。如果电流大小与方向随时间变化，此交变电流在其周围将产生交变的电磁场。当交变频率足够高时，交变的电磁场将会摆脱电流的束缚辐射出去，这就是交变电磁场产生的基本原理。无线电传播过程就是交变电磁场向前波动的过程。当交变的电流通过天线向空间辐射后，在天线附近空间形成交变的电场和磁场，变化的电场能产生磁场，交变的磁场又生成电场，如此反复，电磁场以光的速度向外辐射和传播。二、频率、周期、波长和速度的定义以及相互关系电波在1秒的单位时间内幅值大小与方向周期性重复变化的次数称为频率。符号：f；单位：赫兹（Hz）千赫兹（KHz）兆赫兹（MHz）G赫兹（GHz）1000Hz=1KHz1000KHz=1MHz1000MHz=1GHz电波幅值大小与方向变化一次所用的时间称为周期。符号：T；单位：秒（s）毫秒（ms）微秒（s）1秒（s）=1000毫秒（ms）1毫秒（ms）=1000微秒（s）电波在一个周期内传播的距离称为波长。符号：λ；单位：米（m）分米（dm）厘米（cm）毫米（mm）1米（m）=10分米（dm）1分米（dm）=10厘米（cm）1厘米（cm）=10毫米（mm）单位时间内无线电波传播的距离称为速度。符号：v；单位：米/秒（m/s），千米/秒（km/s）。T=1/f；V=λ*f角速度ω=2πf在真空中无线电波是以光速传播的。C=3X105km/s。三、频率的划分现在无线电通信被广泛地使用于许多领域，为了更好地使用频率资源，减少相互间的干扰，国际无线电咨询委员会（CCIR）为不同行业指定使用不同的频段。无线电波一般按波段划分，划分后的波段名称、波长、频率范围详情下表2-2-1所示：--30表2-2-1CCIR给海上地面移动通信业务专门指配了通信频段和通信频率为：MF：415—4000KHz。其中，MFI：415-530KHzMFII：2MHzHF：4000--27500KHzVHF：156-174MHz在HF频率范围内，CCIR指定海上移动通信使用的频段为4、6、8、12、16、18、22、25MHz。同时，CCIR还为无线电话（RT）、无线电传（TELEX）、数字选择性呼叫（DSC）、无线电报（WT）几种通信方式分别指配了工作信道。每一工作信道对应一对工作频率，分别供船岸电台和船对船的电台通信使用。CCIR按通信方式、波段，分别划分通信信道。船岸通信信道的收/发频率通常是不同的；而指配用于船对船的通信信道其收/发频率是相同的。指配用于遇险安全等一些重要的通信，收/发频率相同。这些频率不仅用于船船间通信，而且用于船岸间的通信。例如上海海岸电台无线电传业务使用828信道，这一信道对应的岸台的发射频率(即船台的接收频率)是8430.0KHz，接收频率（即船台发射频率）是8390.0KHz。TELEXHFCH828指8MHz频段的28信道指TELEX的信道TELEX的MF遇险安全通信收发频率都为2174.5KHz.VHF：156-174MHz海上移动业务使用01-28、60-88信道。CH70用于DSC呼叫，其它信道用于无线电话业务。船舶自动识别系统（AIS）工作在这一波段的88B信道和87B信道。波段名称波长范围波段名称频率范围极长波105m以上极低频（ELF）3KHz以下超长波105m-104m甚低频（VLF）3-30KHz长波104m-1000m低频（LF）30-300KHz中波1000m-100m中频（MF）300-3000KHz短波100m-10m高频（HF）3-30MHz米波（超短波）10m-1m甚高频（VHF）30-300MHz微波分米波10-1dm特高频（UHF）300-3000MHz厘米波10-1cm超高频（SHF）3-30GHz毫米波10-1mm极高频（EHF）30-300GHz--31以上这些信道和频率划分详情，登载在英版《无线电信号书》第一卷的附录中。岸台开放业务以及使用的信道详情，也可在英版《无线电信号书》第一卷中查到。四、无线电波的传播途径和特点了解无线电波的传播途径和特点，将有助于正确的选择使用频率，迅速建立通信链路。1、无线电波的传播途径无线电波从发射点到接收点，不同频率的无线电波有不同的传播途径，按照离开地面高度，传播途径可划分为地波传播、空间传播、电离层波传播三种。地波传播：地波传播是指电波沿地球表面传播，见图2-1-1。空间波传播：是指电波在空间传播，由入射波、地面反射波和直射波组成。超短波通信就是靠空间波传播的，接收点的场强是由地面反射波，空间直射波合成，见图2-1-2(a/b/c)。电离层波传播：电离层波又称天波，电波由发射天线出发经电离层反射到达接收天线，我们称这种传播方式为电离层传播，见图2-1-3。图2-1-1地波传播直射波RT反射波入射波图2-1-2(a)空间波传播TR空间波图2-1-2(b)空间波传播--32TR空间波空间波卫星图2-1-2(c)空间波传播电离层发射台地波传输TR2R3寂静区250KM200KM100KM60KMF2层F1层E层D层二次反射R1图2-1-3电离层分布与电波传播2、各波段电波传播特点（1）电离层：大气层由于太阳紫外线的辐射，气体分子被电离，形成正负离子和自由电子组成的电离层。距地面高度为50到300km。随高度不同电离层电离程度不同，形成不同的浓度。根据电离层浓度可将电离层大致分为D、E、F1、F2层。高度越高，电子浓度越大，分布如图1-3-3所示，电波在穿越电离层时，会受到吸收和衰减。吸收和衰减大小与频率和电离层的浓度有关。D层和E层变化最有规律中午浓度最强，上下午次之，晚上D层消逝。F层在白天分为两层，F1和F2。F2为较高层。F1层在晚上消逝。晚上只剩E层和F2层。电离层极不稳定，受多种因素的影响，对电波传输影响较大。--33（2）长波和超长波传播特点超长波波长为100km-10km，频率为3-30kHz，长波波长为10km-1km，频率为30-300kHz。由于波长很长，地面的凹凸及地质参数的变化对传播影响很小。在300Km以内传播基本上是地波传播。对于较远距离的通信可用电离层传播。由于长波和超长波频率低，电子浓度很小时就可能满足反射条件，因此穿入电离层很浅，电离层对其吸收也很小。白天，电波由D层反射，夜间由E层反射。电波传播是在地面与电离层之间来回反射进行的，好象电波在波导中传播一样。因此称地面与电离层之间形成的传播途径为地球波导。由于D、E层变化较有规律，而且地波场强也较稳定，因此长波和超长波传播比较稳定，这是它的优点。但它有三个主要缺点:①由于地波衰减慢，发射台发出地波对其它收信台干扰大；②天电干扰对长波接收影响严重，尤其是在多雷雨的夏季；③收发设备笨重，需要庞大的天线；海上通信不工作在此波段。（3）中波传播特点中波波长为1km-100m，频率为300-3000kHz。中波可经地波和天波传播，但中波的地波传播和天波传播与长波相比具有许多不同之处。波长越短，沿地面绕射的能力越差。中波波长比长波波长短得多，因而它沿地面传播的能力比长波差得多。在山区，电波传播要受到地形的影响。长波和超长波的波长一般都比山峰的高度大得多，它们能绕过山峰如平地一样传播。中波波长较短，许多山峰的高度都接近甚至大于中波波长，因而对于沿地面传播的衰减增大，场强减小，传播距离相应减小。中波在电离层内传播时，由于其频率高于长波，故进入电离层较深。白天中波穿过D层时，受到强烈的吸收，天波信号微弱，甚至不能由电离层反射，接收信号几乎完全靠地波。夜间D层消失，由E层反射回来的天波强度大(因为晚间E层电离度减小，且E层位置也较白天高，气体分子比较稀薄，所以损耗较小)。传播信号有天波也有地波。总之，中波传播的特点是白天靠地波传播，而晚上则既靠地波又靠天波传播。在离开电台较远的地方，白天由于仅靠地波传播，地波场强不够，故收不到信号，但到晚上由于可经天波传播，因而可收到远处的中波信号。白天传播距离近，主要靠地波传播，大约200海里左右；夜间传播距离远，靠地波和天波传播，能传播数百海里。这是中波传播的最大特点。中波传播与长波传播的另一个显著的特点是，中波传播存在衰落现象。所谓衰落现象是指接收点信号强度无规则变化，忽大忽小。产生衰落的原因是由于信号的多径传播。夜间，在天波和地波同时存在的区域，由于天波的波程随电离层电子浓度或电离层高度变化而时刻变化，接收点天波的相位也随之变化；地波场强较稳定，接收点地波相位也较稳定。因此，天波和地波的合成场强将不断地变化，当天地波同相时，合成场强最大，反相时，合成场强最小。如此便产生了信号忽大忽小的衰落现象。图2-1-4表示了一个接收信号的衰落情况（衰落现象）。克服衰落有二种方法，一种是在接收机中加自动增益控制电路，另一种方法是采用抗衰落天线，即设法使天线的辐射能量集中在地面上，尽量减小天波的辐射。--34vt图2-1-4表示一个接收信号的衰落情况（衰落现象）（4）短波传播特点短波波长为100-10m，频率为3-30MHz。和中波一样，短波也靠地波和天波来传播。但短波的地波传播，由于波长较短，沿地面绕射传播的能力差，且地面吸收强烈，衰减很快，在陆地的传播距离一般不超过100Km；在海洋，最多也只有150Km。天波传播时，由于频率较中波频率高，因而在电离层中的损耗相应地减小，可借助于电离层进行一次或多次反射，实现远距离通信。一般情况下，E层的电子浓度不足以将短波反射回来，而主要靠F层反射回地面。电波的损耗主要发生在E层。电波在电离层内衰减与频率有关，频率越高，衰减越小，当频率取得太高时，电波将会穿透电离层，辐射到外层空间，不再折回地面。短波传播具有以下几个特点：①地波传播衰减很快，传播距离不远。②天波传播距离远，但信号不稳定。比起中波来，由于短波的频率高，它在电离层内传播时的衰减很小，能够容易实现远距离通信。但由于短波是比较深入电离层的，它所受电离层变化的影响较大，不同时间有不同的最佳工作频率。实际工作中，白天电子浓度大使用较高的频率；夜间电子浓度小，使用较低频率。一般地讲，在高频的各频段中，较低的频率通信距离近，较高的频率通信距离远。③有衰落现象。短波通常经F层进行反射，，F层不象反射中波的E层那样稳定，所以短波通信中的衰落现象比较严重。但与中波衰落不同，短波衰落不是由于天地波的叠加而引起的，而是由于电离层里不同路线的电波传输，到达接收天线时，电波相位差的不同所引起的衰落。④存在寂静区。在海上通信时，常常遇到这样一种情况，即收听某一海岸电台的频率，在距离短波电台较近和较远地区都能收到信号，但在二者之间却有一个环形区收不到信号，我们通常称存在这一现象的地区为寂静区，又叫哑区，天波与地波之间的寂静区，见图2-1-5所示。对于地波来说，寂静区内因距发射台太远信号衰减而消失，不能收到。对于天波来说，由于存在跃距，而且跃距大于地波传播的最大距离，形成了一个天地波均不能复盖的区域。地波传播的最远距离r1为寂静区的内边界，天波传播的最近距离r2为寂静区的外边界。--35r1r2图2-1-5短波的寂静区（5）超短波和微波的传播特点超短波波长为10-1m，频率为30-300MHz。微波波长为1m-1mm频率为300MHz-300GHz。超短波和微波在传播特点上虽有些差别，但基本上是相同的。它们的频率比短波高得多，一般不能被电离层反射回来，而是穿透电离层奔向无边无际的太空，因而不能依靠电离层的反射实现远距离的传播。同时，由于它们的波长很短，地波衰减极大，也不能象长波、中波那样沿地面传播，主要靠空间波传播。由于受到地球曲率的影响，传播距离不会很远，在天线绝对高度(距海平面的高度)为几十米时，一般仅有几十海里。海上VHF波段，工作于超短波，通信距离一般在20海里左右。3、在主要航线上不同海区和国内主要海岸电台通信使用的频段船舶在下述海区与上海台白天和夜间的通信所使用的最佳频段（信息仅供参考）：所在海区白天最