第四章短波通信系统和超短波通信系统

第四章短波通信系统和超短波通信系统4.1无线电通信概述4.2短波通信系统4.3超短波通信系统4.1无线电通信概述4.1.1无线电通信的概念4.1.2无线电波传播的主要特点4.1.3短波信道和超短波信道的特性4.1.4改进无线传输质量的主要措施定义：无线电通信是指利用无线电波传播信息的通信方式.优点：与有线通信方式相比，无线电通信具有通信建立迅速、通信距离远、机动灵活和组网容易等优点缺点：衰落严重，易受天电等外界干扰，容易被截获和窃听等应用：主要用于电报、电话、传真、广播和电视等各种信息传输系统。广泛地应用于地面、空中、海上和空间通信。4.1.1无线电通信的概念无线电通信的分类按工作频段划分为12个波段极长波、超长波、特长波、甚长波、长波、中波、短波、超短波和微波。根据无线电波的不同波段和传播模式无线电通信主要分为短波通信、超短波通信、微波中继通信、移动通信、卫星通信等。序号频段名称频率范围波段名称波长范围1极低频（ELF）3~30Hz极长波100~10Mm2超低频（SLF）30~300Hz超长波10~1Mm3特低频（ULF）300~3000Hz特长波1000~100km4甚低频（VLF）3~30KHz甚长波（万米波）100~10km5低频（LF）30~300KHz长波（千米波）10~1km6中频（MF）300~3000KHz中波（百米波）1000~100m7高频（HF）3~30MHz短波（十米波）100~10m8甚高频（VHF）30~300MHz超短波（米波）10~1m9特高频（UHF）300~3000MHz分米波微波10~1dm10超高频（SHF）3~30GHz厘米波10~1cm11极高频（EHF）30~300GHz毫米波10~1mm12至高频300~3000GHz丝米波10~1丝米短波通信（又称高频通信，HF）:是利用频率在3-30MHz的电磁波进行的无线电通信，实际上，人们也把中波的高频频段1.5-3MHz归到短波波段，所以现有的许多短波通信设备，其频段范围往往扩展到1.5-30MHz。超短波通信：是指利用波长为10-1m（频率为30-300MHz）的电磁波进行的无线电通信。由于超短波的波长在1-10m之间，所以也称为米波通信。整个超短波的频带宽度是270MHz，是短波频带宽度的将近10倍。由于频带相对较宽，被广泛应用于电视、调频广播、雷达探测、导航、移动通信、军事通信等领域。微波中继通信：是利用300MHz以上频段的电磁波进行无线电通信的一种方式。使用的是分米波和厘米波波段，这种通信方式采用的是视距传输方式，受地形和天线高度的限制，相邻两站之间的通信距离有限（一般在30公里左右）。利用这种通信方式进行远距离的通信，必须建立一系列的中继站，这也是中继（接力）通信的由来。卫星通信：是利用通信卫星作为中继站实现地球上各点之间的通信。主要通信业务是电话、电报、电视、传真和数据传输。卫星通信可以只经过一颗卫星，由卫星通信地球站向卫星传输的上行线路和卫星向地球站传输的下行线来完成，也可以经过多颗卫星和多条上、下行线路。卫星通信是20世纪60年代中期航天技术与通信技术相结合产生的新的通信手段。移动通信：是指通信的双方或至少一方在移动中进行的信息交换和传输方式。工作在超短波或微波波段。散射通信：是指利用大气层不均匀介质对电磁波的再辐射（散射或反射）作用进行的超视距无线电通信。散射通信包括对流层散射通信、电离层散射通信和流星余迹通信。无线电通信简史无线电通信起源于19世纪末。1892年，英国人麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，并证明在真空中它是以光速传播的。德国人赫兹于1887年用试验方法实现了电磁波的产生和接收。1859年，意大利人马可尼和俄国人波波夫分别进行了无线电通信试验，并研制成无线电收发报机。随着真空器件的出现，无线电通信得到迅速发展。随着无线电通信技术的发展，无线电接力通信、卫星通信、毫米波通信等相继发展起来。1931年，在英国多佛尔与法国加来之间建立了世界上第一条超短波接力通信线路。20世纪50年代，出现了1GHz以上频段的小容量微波接力通信系统。到20世纪70年代，数字微波接力通信系统逐步完善，到80年代，毫米波波段开始应用于接力通信。美国贝尔实验室于1952年首先提出对流层散射超视距通信设想，20世纪60年代以后，散射通信得到很大的发展。在卫星通信方面，英国人克拉克早在1954年提出了利用地球静止轨道卫星通信的设想；1957年10月，原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星；1958年美国发射了世界上第一颗通信卫星“斯科尔”，开始了卫星通信的试验阶段；1965年美国发射对地静止卫星“国际通信卫星-1”号及原苏联发射对地非静止卫星“闪电-1”号的成功，标志着卫星通信进入实用阶段。20世纪70年代，卫星通信进一步向各应用领域扩展。例如，美国现已拥有“国防通信卫星”、“舰队通信卫星”、“Milstar”等多个使用不同频段具有不同用途的军用卫星通信系统，卫星通信现已成为美国全球军事通信的重要手段。目前世界各国的长距离通信和国际通信中约有一半线路应用了无线电通信。中国的无线电通信发展较早。1899年在广州、马口等要塞及各江防舰艇上就设置了无线电台。1923年喀什噶尔电台建立，可与印度通报。1930年上海国际电台建立，同旧金山、柏林、巴黎建立了直达无线电报线路。中华人民共和国成立后，无线电通信得到迅速发展。20世纪60年代开始发展大容量的微波通信，70年代建立卫星通信地球站，1984年发射了第一颗试验通信卫星。目前，无线电通信已成为中国通信事业中的重要手段。无线电通信系统的组成和简单工作过程发射机接收机发射天线接收天线馈线馈线电磁波无线电通信系统的组成和简单工作过程接收机发射天线接收天线馈线馈线电磁波调制器混频器高频放大器高频振荡器6.无线电通信系统的组成和简单工作过程发射天线馈线调制器混频器高频放大器高频振荡器低频（基带）信号中频信号高频振荡信号射频信号无线电通信系统的组成和简单工作过程发射天线馈线电磁波调制器混频器高频放大器高频振荡器低频（基带）信号中频信号高频振荡信号射频信号无线电通信系统的组成和简单工作过程接收天线馈线第一混频器高频放大器一本振第二混频器二本振二中放解调器低频（基带）放大器一中放无线电通信系统的组成和简单工作过程接收天线馈线第一混频器高频放大器一本振第二混频器二本振二中放解调器低频（基带）放大器一中放电磁波4.1.2无线电传播的主要特点电波传播方式根据电波的频率（波长）的不同，无线电波主要有以下四种传播方式：地波传播、天波传播、视距传播、散射传播。（1）地波传播地波传播方式是指无线电波沿地球表面传播。它主要用于中波以上的波段的近距离通信。（2）天波传播发射天线向空中发射电波，由高空电离层反射后到达接收点，这种方式称为天波传播。它是短波通信的主要传播方式。（3）直接波传播直接波传播方式是指电波在发射天线和接收天线能互相“看见”的距离内的一种传播方式，故也称为视距传播。其传播的路径基本是直线。一般有两种形式，一种是地对地的视距传播，一种是地对空的视距传播。（4）散射传播这种传播方式是利用对流层及电离层的不均匀性对电波的散射作用而实现的超视距传播。主要用于超短波和微波的远距离通信。(a)射线(b)(c)电离层(d)对流层图无线电波的主要传播方式（a）直射传播;（b）地波传播;（c）天波传播;（d）散射传播电波传播的特性实际上，天线辐射出去的电波的传播往往不是单一的形式，可能既有地波，也有天波等，但总有一种方式是最主要的。不同波段的电波，其主要传播方式也不同，但他们也有一些共同的特性。（1）电波具有直线传播的特性在均匀介质中，电波是沿直线传播的，它从波源出发，同时向各个方向传播，而且速度相同，因而在某一瞬间，电波到达空间各点距波源的距离相等，其形状很象一个球面，此种波称为球面波。（2）电波具有相互干涉的特性在同一波源所产生的不同方向的电波，由于其所经过的路径和距离不一样，则接收点的场强是各不同路径电波的合成波，这种现象称为干涉。干涉会造成接收信号时强时弱。ABC直射波地面反射波（3）电波具有扩散的特性电波离开信源越远，能量越分散，场强越弱，这种现象称为电波的扩散。（4）电波具有反射和折射的特性当电波由一种介质传到另一种介质时，在两种介质的分界面上，传播的方向要发生变化，产生反射和折射。（5）电波具有绕射的特性电波在传播过程中有绕过障碍物的能力。其绕射能力与电波波长和地形有关，波长越长，其绕射能力越强；波长越短，其绕射能力越弱。（6）电波能量的被吸收现象当电波在真空中传播时，只有能量的扩散现象，没有能量的损耗现象。但实际工作中，电波在传播路径上不管遇到导体还是半导体，都会产生感应电流，因而会损耗一些能量，这种现象称为电波的能量被吸收现象。4.1.3短波信道和超短波信道的特性短波通信主要依靠天波和地波两种传播方式。超短波通信主要为直线视距传播。地波传播方式受大地的吸收地面对电波能量的吸收的大小与地面的导电性能和电波频率有关：地面的导电性越好，吸收越小；电波频率越低，损耗越小。具有绕射现象地波在传播过程中能绕过障碍物而传播的现象，称为绕射。地波的绕射能力与电波的波长，障碍物的高低大小及波源所处的位置有关：波长越长，障碍物越低窄，地波的绕射能力越强。传播稳定地表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快的变化。天波传播方式电离层的形式与结构云雨臭氧层O3温度气温随高度变化曲线对流层顶－50℃平流层顶－10℃中层顶－90℃热层顶1000℃卫星流星10102103104km磁层电离层平流层对流层珠穆朗玛峰107108109101010111012电子密度/个/m3DEF1F2大气的分层现象氮原子N氧原子O氮分子N2氧分子O2均匀层(O2占20.95%，N2占78.08%)气体在90km以上的高空按其分子的重量分层分布，如在300km高度上面主要成分是氮原子在离地90km以下的空间，由于大气的对流作用，各种气体均匀混合在一起电离层：60km到1000km的区域自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。电离源太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等只占全部大气质量的2％左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响。磁层：电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的辐射带，磁层顶是地球磁场作用所及的最高处，出了磁层顶就是太阳风横行的空间。磁层是第一道防线（挡太阳风）电离层第二道防线（吸收各种射线）平流层内极少量的臭氧（O3）第三道防线（防紫外线）电离层根据电子密度分层每一个最大值所在的范围叫做一个层D、E、F1、F2层云雨臭氧层O3温度气温随高度变化曲线对流层顶－50℃平流层顶－10℃中层顶－90℃热层顶1000℃卫星流星10102103104km磁层电离层平流层对流层珠穆朗玛峰107108109101010111012电子密度/个/m3DEF1F2D层特点：60～90km夜间消失，气体密度大，电子易与其它粒子复合而消失，夜间没有日照而消失在中午时达到最大电子密度对电波损耗较大电子密度随季节有较大的变化。E层：90～150km可反射几兆赫的无线电波在夜间其电子密度可以降低一个量级F层：170～200km为F1层，200km以上称F2层。在晚上，F1与F2合并为一层。F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达2×1012个/m3，冬天大，夏天小。F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存在几小时才与其它粒子复合而消失。F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相关。电离层的变化规律电离层的规则变化日夜变化。正午稍后时分达到最大值，到拂晓时各层的电子密度达到最小。D层消失，E层减小，F合并季节变化。夏季的电子密度大于冬季，F2层反常。随太阳黑子11年周期的变化。随地理位置变化。低纬度大于高纬度19001910192019301940