梁軍

淺談如何提高短波通信質量

梁軍

福州94647部隊，福建 福州 350026

隨著社會經(jīng)濟文化的不斷進步與科學技術的迅猛發(fā)展，短波通信作為先進的科學技術在信息化時代被廣泛應用于各領域，同時也取得了顯著的成效。在通信技術的不斷升級和發(fā)展過程中，新的通信技術不斷涌現(xiàn)，提高了短波通信能力。短波通信技術在通信行業(yè)中的應用也逐漸占有十分重要的地位。首先介紹了短波信道的特點，然后分析了短波通信的不足，最后論述了提高短波通信質量的方法。

短波無線電；通信質量；短波通信

短波通信又稱高頻（HF）通信，是指在3～30 MHz頻段范圍內，通過電離層反射進行遠距離傳輸或通過地波進行近距離傳輸?shù)囊环N通信手段。短波通信與其他通信方式相比，有自身的優(yōu)點：（1）通信距離遠，在數(shù)千公里范圍內短波不需要轉發(fā)器就可進行超視距通信；（2）抗毀性強，短波是唯一不受網(wǎng)絡樞紐和有源中繼體制約的遠程通信手段，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭或災害，各種通信網(wǎng)絡都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊，但電離層具有不可摧毀性；（3）接收設備簡單，對于廣播業(yè)務，接收端只需要配置短波接收機即可。正是由于這些優(yōu)點，短波通信一直是世界各國中、遠程通信的主要手段，廣泛應用于政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門。

短波通信也存在固有的缺點：多徑衰落現(xiàn)象嚴重，短波在電離層反射的傳播過程中，信號振幅變化達幾十倍，甚至幾百倍；盲區(qū)內通信困難，一般來說，短波通過地波傳播最遠距離約為30?km，而天波從電離層第一次反射落地的最短距離約為100?km，因此30～100?km的區(qū)域，形成了短波通信的盲區(qū)；電離層暴變嚴重干擾短波通信，電離層參數(shù)受太陽等外界影響，F(xiàn)2層的電子濃度、有效高度以及電離層結構將產生不規(guī)則變化，使電離層的最高可用頻率降低，甚至完全破壞而使短波通信中斷。

近年來，隨著短波通信在航空導航、水上安全、搶險救災、軍事通信等方面的廣泛應用，其穩(wěn)定性和可靠性差的缺點日益突出，給短波通信研究帶來了很大的挑戰(zhàn)的同時，短波通信新技術發(fā)展也面臨著前所未有的機遇。

1 短波信道特點

目前應用的短波波段頻率在2～30 MHz 范圍，基準帶寬為 3 kHz、1.24 kHz。根據(jù)空間電磁理論分析，由于受到電離層多徑反射影響，無線電信號在地球表面和電離層之間產生次反射，會引起短波信道，多跳傳輸產生多徑時變，產生頻率、時間的分散，因此在接收端，接收到的信號產生毫秒級時間延拓與頻率拓展，造成信號的衰落，也稱為多普勒頻移。中緯度范圍內，短波信道引延遲拓展產生的時延多在2～6?ms區(qū)間范圍，信號衰落在1～5?Hz區(qū)間之內。據(jù)研究人員研究，在高緯度的北部處于極光地區(qū)，產生的時延可達到10?ms，信號的衰落達到50?Hz[1]。

電離層的狀態(tài)，決定了遠距離短波信道的通信鏈路鏈接準確率。遠距離短波信道傳輸特點主要有以下幾點。

（1）信號傳播時延和信道傳輸函數(shù)模量均具有時變特性；多跳傳輸產生多徑時變，引起多普勒頻移（信號衰落），容易產生傳輸碼間的相互串擾，對數(shù)據(jù)傳輸速率有很大的影響和限制。

（2）電離層多徑反射及快速移動引起多普勒頻移，信號相位變化，導致數(shù)據(jù)接收誤碼率較高，降低數(shù)據(jù)通信質量?？傊滩ㄍㄐ庞泻芏鄡?yōu)點，但是短波通信與電離層環(huán)境、使用的天線、電臺性能、天線架設方式、工作頻率選擇、干擾性能、軟硬件、電源選擇等等因素有很重要因素。

2 短波通信的不足

短波通信雖然能夠在不需要中繼的情況下進行遠距離傳輸，但是通信質量和效果則不太穩(wěn)定，主要原因是存在外部干擾和內部干擾。外部干擾是由天線從外部接收的各種干擾，如大氣噪聲、人為干擾、宇宙噪聲等。內部干擾則是由短波設備本身產生的噪聲。除了內部和外部的干擾外，短波在進行遠距離通信時，通信信道（通過電離層進行反射）也存在著一定程度的不穩(wěn)定。這些原因都使穩(wěn)定的短波通信較難實現(xiàn)。

短波通信的外部干擾主要來源于天電干擾、工業(yè)干擾和電臺干擾。天電干擾由大氣放電產生。這種放電所產生的高頻震蕩的頻譜很寬，可以干擾短波波段的正常通信。工業(yè)干擾是由各種電器設備和電力網(wǎng)等因素產生的。這種干擾的幅度具有隨機性和不確定性。電臺干擾是與工作頻率相近的其他無線電臺的干擾，包括敵人有意識的干擾。由于短波波段的頻帶較窄，而且用戶越來越多，因此電臺干擾將成為影響短波通信的主要干擾源。如何抗電臺干擾也將成為設計短波電臺需要考慮的主要問題。

短波通信中的內部干擾來自電臺內部。如果電臺內部的電磁兼容性能不好，內部的電磁干擾加大，就將直接導致數(shù)據(jù)傳輸工作不正常。

通信信道對短波通信源于基本傳播途徑：地波與天波。地波的傳播距離主要取決于地表介質特性。天波傳輸則需要短波信號由天線發(fā)出后射向電離層，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠（幾百至上萬公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波傳輸?shù)娜觞c就是電離層有時會不穩(wěn)定，而且路徑衰耗、時間延遲、多徑效應等因素，也同樣會造成信號的弱化和畸變，從而影響短波通信的效果。

3 提高短波通信質量的方法

3.1 多天線技術應用

多天線技術（MIMO）作為新型天線技術，是現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術，為移動通信系統(tǒng)的容量提升起到了重大作用。它是由多個獨立的天線單元組合而成的，同時用于收或發(fā)，以提高系統(tǒng)的性能。在無線通信環(huán)境中，無線電波信號在空間傳送過程中，由于障礙物的存在，信號會出現(xiàn)反射和散射，因此發(fā)送方發(fā)出的信號到達接收方時，已經(jīng)不再是一個單純的直射信號，而是由直射信號、折射信號、散射信號等多路信號組合而成的合成信號。這些信號在疊加過程中，如果相位相同，信號就會加強；如果相位相反，信號就會衰減。這種衰減也被稱為多徑衰減。多徑衰減對系統(tǒng)的可靠性造成了嚴重的影響。在信號多徑環(huán)境下，采用多個天線同時進行發(fā)射和接收可以成倍地提高系統(tǒng)的信道容量。多通道天線技術與正交頻分復用技術（MIMI-OFDM）相結合可以帶來頻率效率增加、覆蓋范圍變廣、數(shù)據(jù)速率加快的好處，目前正被越來越多的公司采用。軟件無線電是指將原來由硬件實現(xiàn)的無線傳輸功能部分采用軟件來代替實現(xiàn)的技術。軟件無線電可以屏蔽移動臺的差異性，使各個移動設備之間的通信能夠無縫對接，大大降低了不同設備之間通信的復雜性，也降低了通信成本。多通道天線技術和軟件無線電的結合，可以將寬帶通信延伸到各種通信設備之中。另外，在頻譜感知系統(tǒng)中，應用網(wǎng)格化技術，能夠提高短波通信的性能[2]。

3.2 選擇良好性能的電源裝置

電源的可靠性、電源動態(tài)范圍以及電磁兼容性等指標成為影響短波通信質量的一個問題。隨著干擾技術的不斷提升，在電臺電源選擇上應充分考慮電源的屏蔽特性，尤其在軍事領域，電源很容易產生干擾，容易被敵方偵測到。因此在電源選擇方面需要選擇輸出電壓波紋好、功率容量大、線性特性好、電源動態(tài)范圍大、靜態(tài)特性好、屏蔽性能優(yōu)良、電路設計余量充沛的電源，作為短波通信電臺電源。

3.3 選擇自適應跳頻電臺

自適應跳頻主要針對敵方人為干擾自適應跳頻特點在于精確感知敵方干擾信號后，在收發(fā)信號過程可以進行信道切換，即捕獲某個頻率點干擾，立即在下一次跳變點更換掉上一頻率。自適應跳頻只有具備足夠的信號樣本分析能力，才能精確檢測接收功率，尤其是在分析中頻信號的頻譜時，跳頻掃描速率應足夠快，采樣速率和跳頻駐留時間應作為主要考慮參數(shù)，從而實現(xiàn)較快的掃描速度。自適應跳頻采用雙工信道模式，引入非對等時分技術，對功率譜進行預估計，既能保證下行鏈路通信質量，又可以實現(xiàn)上行通信控制，提取相應頻點功率譜密度，建立通信鏈路修正頻率表，提升頻譜感知質量，增強抗干擾性能。

3.4 做好地線處理工作

要正確埋設接地體和接地線。連接好地線、埋設好接地體有助于降低噪聲系數(shù)，提升天線性能，另外良好的高頻接地有助于減小發(fā)射駐波。信號高頻地線不同于交流供電電源系統(tǒng)的電源或者保護接地。高頻信號地線應單獨設計和埋設處理。埋設接地體要嚴格按照標準操作，盡量降低接地電阻，一般小于4Ω。短波通信電臺接地柱、接地體應可靠導體連接，最好選擇編織銅線、多股銅線、大截面優(yōu)良金屬導體，從而降低噪聲系數(shù)，減小發(fā)射駐波，提升干擾特性。

3.5 匹配好電臺與天線

匹配好電臺、饋線、天線，實現(xiàn)高頻輸入輸出阻抗一致性。實現(xiàn)無損耗連接對提高短波通信質量尤為重要。短波電臺通常的輸出阻抗/輸入阻抗值是 50，射頻電纜在選擇時必須與之匹配相同。一般天線的特性阻抗在 600 上下，寬帶天線在200～300。所以需要在天線與射頻電纜間增加合適的阻抗匹配器。目前隨著軟件無線電應用，已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化匹配阻抗，即匹配器輸入端保證與電纜匹配一致，輸出端與天線阻抗匹配。阻抗匹配器應安裝在最接近天線位置。多天線系統(tǒng)需要增加變換器，適應天線阻抗匹配的功能要求，實現(xiàn)良好的信號接收和發(fā)射，提高短波通信質量[3]。

另外，天線的前饋系統(tǒng)具有無條件穩(wěn)定、線性度高、線性度與增益無直接關系、良好的噪聲性能等優(yōu)點，因此是一個較好的選擇。前饋系統(tǒng)的失真抑制環(huán)路中存在誤差，降低了工作效率，成為限制前饋功放應用的主要問題。優(yōu)化前饋放大器中耦合器的耦合系數(shù)能夠提高整個系統(tǒng)的工作效率。此外，在前饋功放中直流輸入的大部分功率被主放大器和誤差放大器所消耗，因此降低每個功放的消耗功率和無源電路參數(shù)的優(yōu)化同樣重要。為了降低整個前饋功放的消耗功率，需要提高主放大器的效率和線性度。主放大器線性的提高還能減少誤差放大器的消耗功率，因此提高主放大器的線性性能成為提高前饋放大效率的主要因素。

4 短波通信的發(fā)展趨勢

4.1 由自適應轉向全自適應技術

對信號和系統(tǒng)變化進行連續(xù)測量，然后通過環(huán)境改變已設定系統(tǒng)的結構和參數(shù)，使整個技術實現(xiàn)隨環(huán)境的改變而做出相應的干擾。這就是自適應技術的核心設計理念。短波通信通過綜合利用選頻信道建立兩種技術，再以功率和傳輸速率的自適應技術作為輔助，將解調技術、分集技術和編碼技術等多種技術運用起來，實現(xiàn)結構和技綜合的完美設計。這是短波技術由單一的自適應轉向全適應的重要發(fā)展趨勢，這更能將短波技術的應用價值體現(xiàn)出來。

4.2 短波通信系統(tǒng)向第三代自適應網(wǎng)絡方向發(fā)展

通信系統(tǒng)可以兼容各種通信技術，而通信網(wǎng)絡以其可靠性和高效性，可以將通信系統(tǒng)整合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)相互通用，同時輔助自動化和智能化，在較短時間內實現(xiàn)系統(tǒng)更新，以達到綜合處理業(yè)務的目的。將網(wǎng)絡化和數(shù)字化綜合運用到短波通信中，這是推動該技術的前進方向。短波通信能夠綜合利用自身優(yōu)勢，將移動平臺通過網(wǎng)絡容量綜合用到各種業(yè)務中，以推動短波通信向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、業(yè)務綜合化發(fā)展。

4.3 短波終端技術向調制解調技術的發(fā)展

電磁干擾是短波通信在傳統(tǒng)的傳輸終端遇到的常見問題。高效的傳輸系統(tǒng)是數(shù)據(jù)傳輸改變的重要方向，主要目的就是使數(shù)據(jù)業(yè)務通過系統(tǒng)傳輸更具有穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)的短波通信技術無法滿足綜合業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰{制解調技術以其獨特的優(yōu)勢，在短波通信中將多種發(fā)射模式并存運用，不僅能降低電磁干擾，而且能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。所以，現(xiàn)代短波通信發(fā)展必須改變傳統(tǒng)終端技術，應用調制解調技術。

5 結語

在實際工作中，我們應認真摸索并掌握短波傳輸?shù)墓逃刑匦?，采取有效措施提高短波通信的穩(wěn)定性。短波通信仍然是我國必備的通信手段。

[1]左衛(wèi). 短波通信系統(tǒng)發(fā)展及關鍵技術綜述[J]. 通信技術，2014（8）：847-853.

[2]辛登松. 短波通信技術概括及通信頻率選擇[J]. 中國新通信，2016（4）：33-34.

[3]汝凡超，范清杰，王雪華. 短波通信技術發(fā)展分析[J].信息產業(yè)，2013（6）：91.

Talking about How to Improve the Quality of Short Wave Communication

Liang Jun

Fuzhou 94647 Force, Fujian Fuzhou 350026

With the continuous advancement of social economy and culture and the rapid development of science and technology, short wave communication has been widely used in various fields as an advanced science and technology in the information age, and it has also achieved remarkable results. In the continuous development of communication technology, new communication technologies are emerging, and the short wave communication capability is improved. The application of short wave communication technology in the communication industry has gradually occupied a very important position. Firstly, the characteristics of short wave channel are introduced, then the shortcomings of short wave communication are analyzed. Finally, the method of improving the quality of short wave communication is discussed.

short wave radio; communication quality; short wave communication

TN925

A