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中国地质大学机电学院张惠捷第2章短波通信系统本章介绍短波传输的特性与特点短波通信技术系统及发展中国地质大学机电学院张惠捷本章主要内容：（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。中国地质大学机电学院张惠捷本章要求：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其在现代通信设备中的应用。中国地质大学机电学院张惠捷2.1概述•短波通信也称为高频（HF）无线电通信是指利用波长为100m～10m（频率为3MHz～30MHz）的电磁波进行的无线电通信。一般也把中波的高频段（1.5MHz～3MHz）归到短波波段，所以现有的许多短波通信设备，其波段范围往往扩展到1.5MHz～30MHz。短波通信被广泛地用于气象、通信导航等部门。中国地质大学机电学院张惠捷一、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（1）地波传播形式地波传播形式的频率范围大约是1.5MHz～5MHz。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。中国地质大学机电学院张惠捷•（2）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。中国地质大学机电学院张惠捷2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。中国地质大学机电学院张惠捷各导电层对短波传播的影响•（l）D层：D层是最低层，在地球上空60km～90km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。•（2）E层：在地球上空100km～120km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。中国地质大学机电学院张惠捷•（3）F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170km～220km高度处，F2层位于地球上空225km～450km高度处。F2层在日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。中国地质大学机电学院张惠捷二短波电离层传播的基本特性1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。中国地质大学机电学院张惠捷关于MUF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）实际通信线路白天和夜间各选用一个频率即可。中国地质大学机电学院张惠捷2传输模式•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。中国地质大学机电学院张惠捷3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：（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，因为电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。中国地质大学机电学院张惠捷4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”。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，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。中国地质大学机电学院张惠捷衰落的种类（依衰落原因划分）（1）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：产生的原因是D层衰减特性的慢变化。（3）极化衰落中国地质大学机电学院张惠捷5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1Hz～2Hz的范围内。中国地质大学机电学院张惠捷三无线电干扰•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。中国地质大学机电学院张惠捷四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。中国地质大学机电学院张惠捷2.2现代短波通信技术一常用的调制、解调技术调制的目的（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：调幅AM、单边带SSB、频率调制FM中国地质大学机电学院张惠捷常用调制技术中国地质大学机电学院张惠捷二数据传输的相关技术•1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，甚至完全消失，是造成短波数据通信中出现突发错误的主要原因。（2）多径效应引起的波形展宽。它使传输的数据码元间互相串扰，是限制数据速率的主要原因。（3）电离层快速运动和反射层高度变化引起的多普勒频移。它使发射信号的频率结构发生变化，相位起伏不定，造成数据信号的错误接收。中国地质大学机电学院张惠捷2抗多径和抗衰落的主要措施（1）高频自适应技术：包括频率自适应、速率自适应、功率自适应、自适应均衡等。尤其是频率自适应，是目前抗多径和抗干扰的最有效措施。（2）抗衰落性良好的调制键控技术：如时频调制技术。（3）分集接收技术：在给定信号形式的条件下，接收端通过接收信号的某些处理来提高系统的抗衰落和抗干扰能力。（4）差错控制技术：在短波数据传输系统中加入某种类型的差错控制技术，使接收端具有检测和纠正信息错误部分的能力。差错控制技术和前面提到的各种技术不同，不论是由多径、衰落或干扰造成的数据错误接收，在一定条件下，绝大部分都能通过差错控制系统纠正，从而提高了系统的通信质量。中国地质大学机电学院张惠捷3分集接收技术（1）采用分集接收的原因短波通信中存在由多径干涉产生的决衰落，衰落深度常达40dB，偶尔达80dB。仅靠加大发射功率来克服快衰落，实际上付不起那么大的“功率”代价。（2）什么是分集接收利用接收到的多个信号的适当组合或选择，从而达到提高通信质量和可通率的技术。中国地质大学机电学院张惠捷分集接收技术包括1）信号的分散传输，以求在接收端获得多个独立衰落的信号样品。2）信号合并（也称信号的组合），是指接收端收到多个独立衰落的信号后如何合并的问题。3）分集方式分集的方式（即指信号分散传输的方式）有间分集、时间分集、极化分集和角度分集等，时频调制也可看作分集的一种方式，称为“时频编码分集”。中国地质大学机电学院张惠捷（4）合并方式1）选择式：选择信噪比最强的一路输出。2）等增益合并：各路信号合并时的加权系数都相等。3）最大比值合并：各路信号合并时，加权系数按各路的信噪比自适应地调整，以求合并后获得最大信噪比输出。中国地质大学机电学院张惠捷4差错控制技术•（1）必要性：在通信系统中加入某种类型的差错控制系统，使接收端具有检测和纠正错误数据信息的能力。•（2）短波通信线路中差错的特点：随机性、突发性、混合性。•（3）差错控制方式差错控制方式基本分两类。一类称为反馈纠错，简称ARQ。另一类称为前向纠错(FEC)方式。在这两类的基础上又派生出混合纠错(HEC)方式。中国地质大学机电学院张惠捷（l）传输高速数据的并行体制把高速串行信道分裂成许多低速的并行信道。经单边带发射机完成频率搬移和功率放大后由天线发射出去。在短波电离层信道上已不再是高速数据传输，而是分裂成多路同时并发的低速传输。因此，并行制也称为频分多路并发体制。在接收端，单边带接收机输出的多路数据信号经分路滤波器分路后解调，获得低速数据信号，再经并／串变换后恢复成高速数据流。多路并发体制避免了由于多径传播引起的码间串扰，技术成熟、成本低，至今仍被广泛使用，但多路信号并发，分散了发射机的功率。中国地质大学机电学院张惠捷三自适应通信技术•1基本概念1）短波天波通信的频率预测以及采用高频自适应的必要性为了确定某一条通信链路，必须在通信前完成“频率预测”的任务。在短波通信线路上采用高频自适应来实时预报频率，可提供较可靠的高质量的通信线路。综上所述，高频自适应系统在短波通信中出现决不是偶然的，是短波信道特性的时变性和拥挤性的必然趋势。任何一个高频自适应系统都必须完成实时探测信道特性和干扰分布情况的双重任务，系统提供的最佳工作频率是综合分析这两方面数据的结果。完成上述任务采用的技术统称为“实时信道估值（RTCE）”技术。中国地质大学机电学院张惠捷2）高频自适应通信：指高频通信系统具有适应通信条件变化的能力。通信条件：传播条件、大气噪声、人为干扰及被传输信息的形式。自适应包括：频率自适应、功率自适应、速率自适应、分集自适应、自适应均衡和自适应调零天线。3）实现频率自适应的方法利用RTCE技术测量和分析各种环境参数，根据综合分析和计算的结果建立一条工作在最佳频率上的通信线路。中国地质大学机电学院张惠捷四扩展频谱技术•1扩展频谱通信的基本概念和理论基础（1）定义：扩频通信的信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽通过编码及调制的方法实现，与所传信息数据无关；在接收端用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。（2）理论基础：仙农（Shannon）的有关信道容量的公式：P为信号功率，N为白噪声功率，W为频带宽度，C称为传输速率中国地质大学机电学院张惠捷2扩频通信的主要特点抗干扰性强隐蔽性好可实现码分多址抗多径干扰能精确地定时和测距中国地质大学机电学院张惠捷3扩展频谱通信系统的原理组成中国地质大学机电学院张惠捷4扩展频谱通信系统的方式及原理•1）直接序列扩展频谱系统（DS－SS）直接序列扩频系统是由待传信息信号与高速率扩频码（伪随机码），如m序列发生器的波形相乘后直接控制射频信号的某个参量而扩展了传输带宽得名的。中国地质大学机电学院张