任查学
（国家新闻出版广电总局五九四台，陕西 咸阳 712028）
【摘 要】为提高短波通信质量，分析了电离层的特性，着重讨论了电离层引起的多径、衰落对短波通信造成的不利影响的基础上，给出克服这一影响的主要频率选择方法。
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关键词 短波；频率；选择
作者简介：任查学，男，陕西咸阳人，国家新闻出版广电总局五九四台台长，高级工程师。
0 引言
短波通信距离远、设备简单，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通信，也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进行移动通信；对自然灾害或战争的抗毁能力强。但同时短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差，其信道拥挤，具有时变、色散特性等缺点，受外界干扰因素多，通信不稳定。在军事通信保障中，如何根据地域环境、通信要求选择合适的短波通信频段成为研究的重点。在采用不同传播方式进行通信时，应依据短波电离层对短波通信传输的影响，正确选择通信频率，才能发挥短波通信电台设备的应有效能，建立稳定可靠的通信联系，提高通信质量。
1 电离层对短波通信影响分析
１.1 电离层特性分析
短波无线电远程通信依赖于高空电离层反射的天波路径。电离层中电子密度呈层状分布，对短波通信影响大的有Ｄ层、Ｅ层、Ｆ１层、Ｆ２层，各层的中部电子密度最大，各层之间没有明显的分界线。各层的电子密度Ｄ＜Ｅ＜Ｆ１＜Ｆ２。由于电离层的形成主要是太阳紫外线照射的结果，因此电离层的电子密度与阳光强弱密切相关，随地理位置、昼夜、季节和年度变化，其中昼夜变化的影响最大。因此，电离层的这种传输介质在时域、空域和频域三方面都呈现着显著地随机性。由于电离层不稳定以及天波传播过程中存在多径、衰落、多普勒频移、非相干散射等效应，使得短波天波信道具有时变色散传输特性。这是天波传播的主要不利因素。
1.2 多径影响分析
短波传播的多径情形主要有4种，如图1所示。其中，图1（a）的多径由天波和地波构成，图1（b）为单跳和多跳构成，图1（c）和（d）的情况是寻常波和非寻常波之间的干扰以及电离层的漫射构成的多径。多径传播主要带来两个问题，一是衰落，二是延时。
多径延时是指多径中最大的传输延时与最小的传输延时之差。多径延时与通信距离、工作频率和工作时刻有密切的关系。
多径延时与通信距离的关系可用图2表示。从图中可见，在200km~300km的短波线路上，多径延时最严重，可达8ms左右。这是由于在这样的距离上，通常使用弱方向性的双极天线，电波传播的模式比较多，而且在接收点的信号分量中，各种传播模式的贡献相当，造成严重的多径延时。电离层与地面间多次反射时，在2000km~8000km的线路上，多径延时在2ms~3ms之间。当通信距离进一步增大时，由于不再存在单跳模式，多径延时又随之增大，当距离为20000km时，可达6ms。
多径延时随着工作频率偏离MUF的增大而增大。工作频率偏离MUF的程度可用多径缩减因子（MRF）表示。MRF的定义如下：
MRF=f/MUF
式中，f代表工作频率。显然，MRF越小，表示工作频率偏离MUF越大。图3是在同时考虑通信距离和工作频率时的实验结果，其曲线族的参数为多径延时。当给定通信距离和工作频率时，可以从图中查到典型的多径延时。
多径延时还与工作时刻有关。比如，在日出和日落时刻，多径延时现象最严重、最复杂，中午和子夜时刻多径延时一般较小而且稳定。多径延时随时间的变化，其原因是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。电子密度变化越急剧，多径延时的变化也越严重。
1.3 衰落影响分析
在电离层内短波传播过程中，由于电离层电特性的随机变化，引起传播路径和能量吸收的随机变化，使得接收电平呈现不规则变化。短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。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”。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（可能达一小时或者更长）称为慢衰落。
慢衰落主要是吸收型衰落。它是由电离层电子密度及高度的变化造成电离层吸收特性的变化而引起的，表现为信号电平的慢变化，其周期可从数分钟到数小时。日变化、季节变化及11年周期变化均属于慢衰落。吸收衰落对短波整个频段的影响程度是相同的。在不考虑磁暴和电离层骚扰时，衰落深度可能低于中值10dB。要克服慢衰落，应该增加发射机功率，以补偿传输损耗。
快衰落是一种干涉型衰落，它是由随机多径传输引起的（见图2）。由于电离层媒质的随机变化，各径相对延时亦随机变化，使得合成信号发生起伏，在接收端看来，这种现象是由于多个信号的干涉所造成，因此称为干涉衰落。干涉衰落的衰落速率一般为每分钟10~20次，故为快衰落。干涉衰落具有明显的频率选择性。通常除了为补偿快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技术，例如分集接收、时频调制和差错控制等。
2 短波通信选频方法
克服电离层对短波通信带来的不利影响最有效的解决方法是合理的选择工作频率，改善通信质量，提高通信效果。
2．1 频率选择的原则
短波通信电台工作频率的选择是影响通信质量的关键性问题。
地波传播方式中，频率不宜过高，一般选用２ＭＨｚ～６ＭＨｚ频段内的频率。天波传播方式中，频率选择相对复杂，若频率太低，则电离层吸收增大，不能保证必须的信噪比，若频率太高，电波不能从电离层反射回来。一般来说，选择频率应考虑以下原则：
１）不能高于最高可用频率：最高可用频率与电子密度有关，电子密度越大，最高可用频率越高。电离层电子密度主要随时间变化，所以最高可用频率也随之变化。其次，对一定电离层高度而言，通信距离越远，则电波入射角也就越大，就是说最高可用频率越高。但应注意，由于电离层电子密度是经常变化的，其最高可用频率不能保证每时每刻可靠反射电波，因此实际使用的频率为最佳工作频率。经验说明，最佳工作频率约为最高可用频率的８５％。
２）不能低于最低可用频率：在短波通信中，频率越低，电离层吸收越大。当低到一定程度以致不能保证通信所必须的信噪比时，通信质量严重下降导致通信中断。能保证最低所需的信噪比的频率称为最低可用频率。根据经验，不同距离、不同时段的最低可用频率一般比相应的最佳工作频率低３ＭＨｚ～４ＭＨｚ。
３）适时改变工作频率：最低可用频率至最佳工作频率之间的频段可作为工作频率。但是，这一频段在一昼夜之间是随时变化的，而电台的工作不可能随时变化。实际工作中一昼夜内只改频１～２次。在一段时间内只用一个频率，通常选日频、夜频各一个。改频时间通常是在电离层电子密度变化急剧的黎明和黄昏时刻适时进行。
2.2 短波通信选频方法
长期、短期预报：
长期预报是依据电离层特性参量的时空变化 和太阳活动性指数的历史数据，推断出一个月、三个月甚至更长时间之后短波的传播模式、接收点信号场强，继而得出最高可用频率（ＭＵＦ）等参数的月中值。短期预报则利用电离层在短期内存在相对稳定的特性来预测ＭＵＦ值，它以近一段时间的积累数据作为依据，用七天加权值法预报给定地点的电离层参量，再运用内插、外推法或预测图的方法预报出近期的ＭＵＦ。
长期预报所确定的频率月中值是平均条件下的最佳频率，往往与实际通信过程中的ＭＵＦ值有较大的偏差。长期预报没有考虑多径效应的影响，电离层反射信道的特点之一就是多径传播效应，这种多径效应对于传输数据，尤其是对传输中速数据影响颇大。实验证明，多径效应对数据通信的危害程度除和通信距离有关外，还和通信线路所选用的工作频率有密切关系。长期预报所提供的最佳工作频率没有考虑而且也不可能考虑到电台干扰等一些随时间变化的因素因此只能用于频率的粗选以确定使用的大概频段，有助于为频率选用剔除无用频率。提高频率选择的效率在实际应用中必须首先使用长期预测确定可用频段.然后用短期预报选择更为准确的通信频率。
2.３ RTCE探测技术
2.３.1 RTCE的定义
RTCE(Real-Time Channel Evaluation)实时信道估计的定义是描述“实时测量一组信道的参数值来定量描述信道的状态和传输某种通信业务的能力”的过程。测量信道参数是RTCE的一项主要任务。究竟选用何种信道参数，要视通信线路传输何种通信业务而定。对于传输数据来讲，能反映数据传输质量的参数主要有：信号能量(信号功率)、噪声能量(噪声功率)及分布、多径展宽或多径时延、多普勒展宽)在给定时间接受错误码元的数目、在给定时间内请求重复的次数等指标，均可选为RTCE的测量指标，估计信道质量。
RTCE的最终目的是实时描述在一组信道上传送某种通信业务的能力。通常，传输数据时用误码率、传输语音时用清晰度来反映这种能力。
2.3.2 探测与通信分离
探测与通信分离的独立系统是最早投入使用的实时选频系统RTCE独立探测克服厂基丁统计学原理的固定地配置频率的不足。探测与通信分离的实时信道估计选频系统，是l:用的频率管理系统。它在整个短波范围内对频率进行快速扫描探测，实时处理收端信号的频率、误码率、信噪比和多径时延等若干参数。按照信道质量给频率打分排队，获得可以实时利用的频率数据。根据不同的通信质量要求，系统会选择不同的频段和频率分发到各个用户台。
探测电离层传输条件和噪声于扰，把握整个短波频段的资源动态，较快地选取通信所用频率，精确性较高小过。这种选频方式大多适合固定的专用选频系统，不能普遍应川到机动电台，井非真正做到选用频率的实时性。因此配备实时的频率分发系统.才能保证通信时的最住频率和探测时最优频率保持一致。
2.3.3 主要的探测方法
频率自适应根据所采用的探测技术主要有：采用“脉冲探测的RTCE”；采用“Chirp探测的RTCE”；采用“导频探测的RTCE”等技术。
脉冲探测的RTCE是一种采用时间与频率同步传输和接收的脉冲探测系统，发送端采用高功率的脉冲探测发射机，在给定的时刻和预调的短波频道上发射窄脉冲信号，接收端同步接收后通过分心脉冲信号质量，对信道进行分析。
调频连续波探测或称咽啾(Chirp)探测，是另一种电离层探测力一式，它在原理上和脉冲探测完全不同探测信号采用了调频连续波，也就是频率扫描信号，典型的Chirp探测信号是颇率线性扫描信号，当然也可以采用频率对数扫描形式。Chirp探测系统正常工作的基础和脉冲探测一样，必须使收、发在时间和频率扫描上精确同步。频率扫描信号的扫描范围和斜率应一致在满足上述条件后，发射机和接收机的本地扫描振荡器将同步地由低到高实施频率扫描。
2.4 基于ALE的选频体制
自适应选频系统在通信系统中直接采用RTCE技术，在通信间隙对短波信道进行探测、评估。该系统对短波信道的探测、评估和通信一并完成。它避免厂频率分发过程造成的时延问题，确保了频率选用的实时性。这种电台的主要特征是，具备限定信道的实时信道估计功能，能对短波信道进行初步的探测，即链路质量分析(LQA; Link Quality Analysis)，能够自动链路建立(ALE)，完成探测和通信任务。
另外，实际通信中还有许多好的探测技术如：导频探测技术、误码计算技术、8移频键控（8FSK）探测技术，这些技术各有优点，为达到通信质量最优的目的，现在的短波通信系统，大多将这些探测技术综合使用，以克服电离层对通信质量的影响。
3 结束语
短波通信技术是一种传统的通信技术，由于其设备简单、使用方便、机动灵活等优点得到广泛的应用。随着信息化网络技术发展，用户对短波通信，特别是数据通信可靠性与容量提出了更新、更高的要求。因此在实际使用过程中，需要综合运用短波频率选择方法，提高短波通信的链路质量。
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参考文献
［１］雷兵全,等．一种短波通信信道探测技术[J]．现代电子技术,2013,15(36):17-19.
［2］朱正平．电离层垂直探测中的观测模式研究[D]．北京:中国科学院研究生院,2006．
［3］丁鹭飞,耿富录．雷达原理[M]．西安:西安电子科技大学出版社,2002．
［4］陈雪涛,赵正予,刘进华,等．电离层斜向返回探测系统软件结构[J]．电波科学学报,2003,18(6):673-678.
［5］张岩波．正交频分复用系统信道估计技术研究[J]．现代电子技术,2012,35(21):22-24.
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