高频无线通信

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业Fundamentals and New Concepts for Electronics & Telecommunications3 高频无线电通信3.1 引言曾经有过一个时期，无线通信是远距离即时通信的几种方法之一。我们都曾在黑白战争片中看到过无线电话务员用体积庞大的无线电设备发送莫尔斯电码的场面。二次大战后，通信产业的重心转向了其他技术，致使在六七十年代高频无线通信发展缓慢。不过现在，在新技术的推动下，高频（也叫做短波）正处于令人振奋的复兴期。起源 genesis

2、 【复数】geneses: The coming into being of something; the origin.现代无线电技术是随着James Clerk Maxwell（詹姆斯克拉克麦克斯韦，英国物理学家）1873年发表的电磁波传播基本理论的论文而诞生的。但15年后才有人第一次实际检测到了无线电波。1888年，Heinrich Rudolf Hertz（亨利希鲁道夫赫兹，频率单位就是以他的名字命名的。德国物理学家。因发现中子冲击原子定律，获1935年诺贝尔奖）演示了由火花放电线圈产生的扰动表现出的Maxwell无线电波特性。他的工作激励了Guglielmo Marconi（古列尔默

3、马可尼。意大利工程师和发明家）进行用莫尔斯电码传送无线电报的早期试验。到1986年，Marconi实现了将消息传送到几千米外。那时，人们认为无线电波在大气中是沿直线传播的，因而不能用于超越地平线的通信。但这种看法并没有使Marconi泄气，他是第一个演示了无线电波可以远距离传播的人。1901年，他在Newfoundland, Canada检测到了发自3000公里外的Cornwall, England（跨大西洋）的电报信号（1909年获得诺贝尔物理奖）。他所使用的天线是由风筝带入天空 aloft adv. In or into a high place; high or higher up.的1

4、20米长的导线。Marconi的成功激励了许多人去努力解释和开发利用这一发现。Edward Appleton （Sir Edward Victor，1892-1965，因发现F电离层而获1947年诺贝尔奖）最终解释了无线电波是如何绕过地球表面而被接收到的问题。正是这位英国物理学家发现了地球大气层中的电离层能够反射无线电波。到二十世纪二十年代，科学家们已经利用这一理论开发出了测量和预报电离层散射特性的方法。发展人们终于懂得了高频无线电波的传播特性。例如，话务员知道可用的频率会随季节和一天中的时间不同而不同。高频技术得到快速发展。由于高频无线电能为陆、海、空军提供通信，到二次大战时，它已成为军事指

5、挥员远 haul拖, 拉, 拖运距离A distance, especially the distance over which something is pulled or transported. It was a long haul home, carrying all these bags of books up the hill.距离通信的主要手段。对于一个有多年经验，技术熟练，又理解电离层对电波传播的影响的话务员来说，高频无线电是能够与数千英里外的部队联络的可靠而有效的手段。今天，对于那些新建立的国家，利用高频无线电可以快速而廉价地建立它们的全国通信系统。停顿 hiatus n.

6、A gap or an interruption in space, time, or continuity; a break在二十世纪六十年代出现卫星通信后的一段时期，人们对高频无线电的兴趣减弱了，这是因为卫星的频道更多，能够以更高的速度进行数据传输，此外，对卫星通信的操作人员的培训也比较容易。由于远距离通信手段转移给了卫星，高频也就被置于次要的地位 relegate 转移to the background推到幕后，置于次要的地位。结果，用户更多地寻求卫星这种有着更宽频带的通信方法，这样一来，随着经验丰富的高频电台操作人员的减少，人们对高频的熟悉程度也降低了。然而，随着时间的过去 over

7、time，人们发现尽管卫星有许多优点，但也有其局限性。军队用户越来越关注卫星易被人为干扰和损坏等问题，而对完全依赖卫星提出了置疑，更何况建造和维护卫星及其配套设施的费用也十分昂贵。复苏 n the revival of a drowned manvt The fresh air soon revived him. vi These flowers will revive in water.过去十年间，我们已经看到了高频无线电的复兴（resurgence）。相关的研究和开发工作得到了加强，出现了新一代的自动化高频设备。这些系统大大改善了链接可靠性和连通性，免除了使用老式设备时所需的繁琐手工操作过

8、程。现在的自适应高频电台就像无线耳机一样容易使用。虽然如此 nonetheless adv.even so, for all that, nevertheless，仍有些人将高频无线电看作是一种天生就不便于使用的方法。这种陈旧的观念之所以继续存在是因为有些通信工作者只记得陈旧的高频设备的样子。但是现在，你对这个问题感兴趣本身就已经表明高频又从新被看作是一种远距离通信媒介的强有力竞争者，它的能力强着呢。在此导言中，我们帮助你了解现代高频无线电技术的知识。它将涉及到高频无线电原理，讨论特定的应用，然后设想高频无线电通信的未来。3.2 无线电通信的原理理解无线电通信要从理解电磁辐射开始。无线电波是电

9、磁辐射家族中的一员。电磁辐射包括X射线、紫外线、以及我们每天都要用到的可见光。就像将一个石头扔进平静的湖水中会形成水波一样，无线电信号也是从发射天线向外辐射（传播）。但与水波不同的是，无线电波以光速传播。人们以幅度、频率和波长来表示无线电波的特征。无线电波的幅度（即强度）是其高度 峰值与最低点间的距离 的形象化描述。幅度单位为电压，工程师们常常以均方根（RMS，Root Mean Square）值来表示。无线电波的频率是在某一给定时间内电波的重复次数（即周期）。频率以Hz为单位。1Hz等于每秒一周，数千Hz表为kHz（kilohertz），数百万Hz表为MHz（megahertz）。例如可将2

10、 182 000Hz可写作2 182 kHz或2.182 MHz。波长是无线电相邻波峰间的距离。波长与频率的乘积是等于传播速度，而速度是一个常数。因此，当频率增高时，波长缩短，反之亦然。由于无线电波以光速（每秒300106米）传播，对任何频率，用300除以MHz为单位的频率即可得到以米为单位的波长。所以，用300除以10，得10MHz电波的波长为30米。 无线电频谱在无线电频谱中，可用的频率范围大约从20kHz（正好高于声波）到30 000MHz以上。相应于20kHz的波长为15公里，相应于30 000MHz的波长只有1厘米。高频段的频率范围是3到30MHz。大多数高频电台实际使用的频率范围是

11、从1.6到30 MHz。多数高频远距离通信使用频率为4到18 MHz。根据电离层条件和一天中时间的不同，有时 from time to time adv.也使用18 到30MHz的较高频段（见3.3）。早期，由于高频电台使用的波长（10到100米）短于商业广播电台的波长，高频被叫做短波。这个术语至今仍用于远程无线通信。频率分配和调制高频频谱范围内的若干频段已被分配给各种特定用途 航空、海运、军事、政府、广播即业余。此外还按照紧急救援、广播、语音、Morse电码、传真、数据等不同的传输类型作进一步管制。频率分配是按国际条约，由国家指定的权威机构来管理的。对于无线通信，分配一个频率只是一个起点，无

12、线电波本身并不传达信息，它只不过是有节奏的连续波（CW Continuous Wave）流而已。对无线电波进行调制而使其携带信息，称之为载波。为了传送信息，必须以表示信息的信号去改变（即调制）载波的幅度、频率或相位。最简单的调制载波的方法是用电报按键控制其通断。在无线电通信的早期，用Morse电码进行开-关键控是传送无线信息的唯一方法。现在无线电通信的常用方法有调幅（AM），是按与信号（例如人的声音）的幅度变化成正比的关系改变载波的幅度。换句话说，信息包含在幅度的变化中。调幅过程产生一个载频和一对在载频附近上下两边的完全相同的边带。AM是一种低效率调制方式，它必含载波。只有边带才携带信息，而A

13、M信号的大部分功率都被不携带信息的载波所消耗。单边带（SSB）是效率较高的调幅方式之一，采用这种调制方式时，抑制掉了载波和一个边带，只发送剩下的一个边带USB或LSB。由于SSB信号只需AM信号频带的一半，而且只当有信号时才产生，因此SSB系统的频带利用率（这必适应于许多用户）和发射机的功率利用率都较高。全部发射功率都在携带信息的边带之中。这种方案的一个变种是等效调幅（AME，常用于军事和商业通信），它将被削弱了的载波与边带一起发送。AME系统可用结构较简单的接收机来检测信号。另一个变种是独立边带（ISB），它发送两个边带，但每个边带携带的信息不同，如一个边带携带数据信号，而另一个边带携带语音

14、信号。调频（FM）技术中载波的频率随调制信号成正比变化。许多技术上的原因使常规FM产生的信号比AM的更清晰，但要占用较宽的频带。有时高频电台也窄带调频，其频带利用率较高，但信号质量较差。其他用高频通道进行数据传输的方案还有信号移频和信号移相，这些将在3.6节中讨论。无线电波传播传播描述的是，无线电信号是如何从发射源向外辐射的。可简单地想象无线电波沿着直线行进（就像石头扔进静止湖面产生的水波）。不过，无线电波传播的实际路径往往要复杂得多。有两种传播模式：地波和天波。地波沿着地球表面传播，而天波则是被“反射”回地球的。图3.1表示高频无线电波的不同传播路径。图3.1地波由三部分组成：表面波、直达波

15、和地面反射波。表面波沿地球表面行进，达地平线以远。实际上，表面波的能量会被地球吸收。表面波的有效距离主要取决于频率以及电波行进区域的地表电导率。吸收强度随频率的升高而增大。发射无线电信号利用表面波传播的传播距离与发射机功率、接收机的灵敏度、天线的特性以及传播路径的类型有关。一台完好的设备，在全海面导电路径上的传播距离可达200到250英里。但使用同样的设备，在干旱、多岩石、不导电的地形上的传播距离还不足20英里。直达波沿着直线行进，强渡随距离增加而减弱。它也可能会被大气折射，使其传播距离略远于地平线。要进行通信，发射天线和接收天线必须相互能“看得见”，所以天线的高度是决定通信距离的关键因数。因

16、此直达波有时又叫做视距波（Line-of-Sight，LOS）。地面反射波是从发射机发出，经地面反射到达接收机的电波。天波使超视距（Beyond Line-of-Sight，BLOS）通信成为可能。对于某些特定的频率，无线电波经折射可返回到数百、甚至数千英里远的地球表面。随着频率、一天中的时间和大气条件的不同，信号可能经过多次反射到达接收机。由于电离层不断变化，可能不易掌握好天波的利用。下以节我们将更仔细地讨论天波。小结 从天线发射的无线电信号以光速在空间传播。 无线电频率的单位是赫兹（每秒周期数）、千赫兹或兆赫兹。 无线电波的频率决定了其波长，频率低时波长长，频率高时波长短。 1.630兆赫

17、的高频用于远程无线通信。按照国际协议，此频率范围内的不同频段划分给了特定的用途的无线通信。 调制过程是为了传递信息而将载波信号的相位、幅度或频率甲乙改变。 经电离层反射后传播无线电波叫做天波，利用天波可实现远程通信。3.3 电离层和无线电波传播要理解天波的传播，就要考虑电离层和太阳活动对高频无线电波传播的影响。还必须熟悉一些用于预测电波传播的技术和在特定时间对于特定的链路选择最佳频率的技术。我们先从定义开始吧。电离层 天然卫星电离层是地球大气中的带电粒子（带电气体）区域，其高度在地面上空50到600公里（30到375英里）之间。电离作用使电子从原子中剥离出来而产生带电粒子，这是由太阳辐射造成的

18、。当电离层强电离时，其气体甚至会发光，肉眼都能看见，这就是北极光和南极光。电离层在高频无线电中何以如此重要？那是由于这厚厚的一层气体就像是天然的卫星，使超视距无线电通信成为可能。无线电波到达这些电离层时，随频率不同，有些会被完全吸收，有些会被散射回地球，还有一些会穿透电离层进入外太空。在低频段吸收作用较强，电离作用越强，吸收也越强。天波进入电离层的角度叫做入射角（图3-2），其大小取决于波长和发射天线的类型。就像台球从球台的围栏上弹回来一样，无线电波以与入射角大小相同的角度折射回来。因此入射角是决定通信距离的重要因素。要达到较远的电台，入射角应较大。与附近电台通信，就用较小的入射角。无线电波的

19、入射角大小至关重要。如果几乎是垂直入射，电波会穿入电离层而不会被折射回地球。如果入射角太大，电波在到达电离密度较高的电离层之前就会被其低层吸收掉。因此，入射角的大小必须大到足以将电波折射回来，又不能太大使电波被吸收掉。电离层的分层电离层中有四个不断变化电离层。由于电离是由太阳辐射造成的，所以其高层的电离密度较大，而低层因受到外层的保护，电离密度较小。Appleton在上世纪二十年代早期首次发现电离层时，将其以Electric Wave命名为E层，后来又发现了D层和F层。到上世纪三十到四十年代又发现了一些其他电离层现象，如偶发性E层和极光。进一步还发现了A层，B层和C层。电离层中的D层是影响高频

20、无线电波的最低层。因电离只在白天发生，故当太阳位于天顶时D层的电离浓度最大，在近日落时很快消散。E层的电离浓度在中午最大，近日落时开始消散，午夜时最小。E层中偶尔会出现云状的电离气体。这些叫做偶发E区的区域可以用于高频段高段及更高频段的天波传播。电离层中电离浓度最大，因而对远距离通信最重要的是F层。在此高度上空气非常稀薄，离子和电子复合机会很少，即使日落后该层的电离特性也会保持下去。白天，F层由两个不同的层，F1和F2层组成。F1层只在白天存在，且冬天可以忽略，它对于高频通信并不重要。F2层的电离浓度在中午达最大，一直维持到午夜，以后逐渐减弱，直到日出前大最小值。白天，若要天波被电离层反射，则

21、要求其波长短到足以穿透D层和E层，但还不足以穿透F层。一般说来，10到20MHZ的频率满足此要求。但到晚上，这同一频段的无线电波又会穿透F层进入外太空。通常，远距离夜间通信最有效的频率为38MHZ。影响大气电离的因素太阳辐射的强度是周期性变化的，故电离层的电离浓度也是周期变化的。我们可以根据如每天时间的变化和季节变化来预知太阳的辐射强度，并使设备适应此变化以便最佳利用电离作用。春夏白昼较长，电离较强。当天波穿越电离密度高的D层和E层时会被吸收衰减，致使多数高频段的通信距离缩短。秋冬白昼较短，D层和E层电离较弱。较低频率容易穿过这样的弱电离层。因此，到达F层的信号较强，经反射可达到较远距离。另一

22、个长周期性变化源于11年一度的太阳黑子活动。太阳黑子爆发的辐射造成的电离密度更大。太阳黑子越多，电离作用越强。在太阳黑子活动较弱的年份，由于E层和F层的电离密度太弱，不足以将信号反射回地球，故一般不用20MHZ以上频率。不过，在太阳黑子活动的高峰期，可使用30MHZ以上频率实现全球通信。除这些规律性的变化外，还有如突发性电离层扰动SID Sudden Ionospheric Disturbances，这是一类无法预期的现象，也影响高频通信。突发性电离层扰动是由太阳耀斑造成的，一次SID可使天波通信中断几小时或几天。太阳耀斑 solar flare使D层产生高密度电离，吸收地球向阳面的大部分高频

23、信号。在太阳耀斑喷发后的20到40小时内常会发生磁暴 magnetic storm。来自磁暴的带电粒子会影响 affect effect influence 作为动词，都含“影响”的意思affect 指“产生的影响之大足以引起反应”，着重“影响”的动作，有时含有“对.产生不利影响”的意思，如：This article will affect my thinking. 这篇文章将会影响我的思想。effect 指“实现”、“达成”，着重“造成”一种特殊的效果，如：This book effected a change in my opinion. 这本书使我的看法起了变化。influence 指“

24、通过说服、举例等对行动、思想、性格等产生不易觉察到的，潜移默化的影响”，如: Influenced by a high-school biology teacher, he took up the study of medicine.在一位中学生物教师的影响下, 他从事医学研究。电离层的散射作用，暂时性地中断其反射作用。频率和最佳路径由于电离层的状况会影响无线电波传播，通信工程师必须为特定时间选定最佳路径和最佳频率。在给定电离层条件下用于在特定路径上传播的最高可用频率叫做最高可用频率（MUF） Maximum Usable Frequency。高于MUF的频率会穿过电离层进入太空，低于MUF的

25、频率则可能散射回地球。随着频率降低，信号被D层吸收随之加强。（当频率降低到某最低频率时，信号）会被电离层完全吸收。这个频率叫做最低可用频率（LUF） Lowest Usable Frequency。因此，可用频率“窗口”处于最高可用频率和最低可用频率之间。最佳传输频率FOT Frequency of Optimum Transmission通常是MUF的85%。一般说来，FOT的数值在晚上较低，白天较高。除频率外，要实现最佳通信还必须考虑无线电信号的传播路径。由于接收到的信号可能是经由几条路径到达的电波组成的，包括一路或几路天波和一路地波。由于它们的路径长度不同，到达时间也不同。时间差的范围叫

26、做多径传播 multipath spread。选择尽可能接近MUF的频率可将多径传播的影响减到最小。传播预测技术既然影响电波传播的许多因数有周期性重复特性，而且是可以预测的，就会有许多能有效确定FOT的技术被开发出来。目前已有许多传播预测的计算机程序可供使用。其中电离层通信分析和预测程序IONCAP Ionospheric Communication Analysis and Prediction是一种已被广泛使用而且很有效的程序，它可以预测在一天中给定的时间，系统性能与在给定传播路径上使用的频率和设备的特定配置之间的关系。当然，由于计算机化的预测方法是基于历史数据建立起来的，不可能考虑到影响

27、通信的某些当前条件，如因干扰和噪声这类随机现象造成的电离层变化等（后面更详细讨论）。有一种更快速的自动预测方法与电离层探测技术有关。线性调频脉冲探测器系统利用远方电台发射一种2到30MHZ的扫描探测信号（线性调频脉冲），用接收机跟踪该信号，同时分析在各指定频率上的接收性能，并立即显示最佳传播频率范围。此外，现代高频通信系统越来越多地利用链接质量分析LQA Link Quality Analysis技术。这种系统的发射台和接收台自动地协同评估其可用信道质量。在需要通信时，可用LQA数据选择最佳频率。第6节再进一步讨论这种技术。小结电离层是地球大气中的带电粒子（带电气体）区域，高度在地面上空50到

28、600公里（30到375英里）之间。电离层中有几个电子密度不同的层次，它们对无线电波的吸收、通过、反射特性取决于各层的厚度、电波的入射角和信号的频率。由太阳辐射引起的电离作用将电子从原子中剥离出来，形成带电粒子。电离层的电离密度随太阳辐射的强度变化而变化，太阳辐射的强度随一天中的不同时间、季节以及太阳黑子活动周期而变。辐射角度取决于信号波长和所用的天线类型。无线电波穿过大气层时会被大气层吸收，吸收率随频率的降低而增大。当采用最佳传输频率时，通信效果最好。通常，最佳传输频率为最高可用频率MUF的85%。太阳黑子数每11年增减一次。太阳黑子数多时，电离作用增强；太阳黑子数少时，电离作用减弱。太阳耀

29、斑造成突发性电离层扰动SIDs，它可使高频通信中断。传播预测技术，例如IONCAP，可以为给定的传输路径和一天中给定的时间确定MUF、LUF和FOT。此外还有电离层探测和链接质量分析LQA技术等。3.4 高频无线电系统的组成对电波传播有了总的认识，再来看看电波是怎样产生的。高频无线电系统主要有发射机、接收机和天线三大部分组成。许多现代无线电设备将发射机和接收机合并为一个单元，叫做无线电收发机 transceiver。大型固定系统的发射台和接收台一般设在不同地点，通常是由另一个远地台控制。3.4.1 发射机发射机的结构虽变化多端，但它们都是由激励器和功放组成。图3.3是一台典型的高频发射机的简化

30、示意图。激励器中的载波的幅度、频率或相位受来自信号源（例如麦克风）的较低频率信号的调制。已调信号再变换为发送频率。在经电缆将其送往发射天线之前，功率放大器要将信号的输出功率提升到发射机所需的瓦特数。发射机可能还包含用于清理输出信号的滤波器。使用带通滤波器可除去噪声、寄生信号和激励器产生的谐波，或源于功放输出的谐波。这样可降低对邻近信道的干扰。3.4.2 接收机所有现代高频接收系统都由射频输入滤波/放大器，一组频率变换器以及中频放大器，解调器，和本地振荡频率合成器组成（见图3.4）。工作时，接收机选择所需信号，将其放大到适当电平，经过解调恢复原来信息（解调是从已调波恢复原始调制信号的过程）。在当

31、代无线设备中，这些功能中多数都是数字化的。为了滤除噪声和无用信号，有时可在射频输入级加入一个可调预选器（一种带通滤波器）。然后将经过滤波的信号放大并经频率变换后再进一步处理。滤波处理还不止此。典型情况下，接收信号会在几个不同的中频经过滤波和放大。中放级的放大倍数依接收信号的强弱而变。例如，为了输出语音或数据，解调器输出音频（基带）信号送到相应设备。同时，因为输入信号的强度大小不等，解调器可产生一个正比于射频输入信号电平的电压，将此电压作为自动增益控制信号反送到射频放大器和中频放大器，以保证解调器的输入大小适当。3.4.3 天线天线是无线通信中至关重要的组成部分之一。以下介绍一些典型的天线类型及

32、其应用。特性和参数描述天线特性的最常用术语是阻抗、增益、辐射模式、出射角 take-off angle，离源角和偏振。每一个天线都有一个输入阻抗，它表征接到发射机上的负载。输入阻抗值取决于许多因素，如天线设计、工作频率以及天线相对于周边物体的位置。无线电通信的基本要求是要在所需的地点和时间，寻找尽可能多的动力产生并发射信号。大多数发射机都是设计成能高效地向50欧姆（欧姆是电阻单位，其符号为）负载提供最大功率。有些天线，如对数周期天线由许多长度不同的振子所组成的一种宽频带天线。振子长度与间隔符合一定的比例关系，使得当工作频率改变时，天线的性能按频率的对数呈周期性变化可以在某个宽频带范围内对发射机

33、呈50欧姆负载，这类天线一般可直接连接到发射机。但其他天线，例如偶极子天线、鞭状天线、长线天线等，其阻抗随频率和周围环境的变化很大。在这些情况下，要使用天线调谐器（天线耦合器），将其置于发射机和天线之间，以改变天线对发射机呈现的负载特性，才能将发射机的输出功率尽可能多的传送给天线。天线增益是天线方向性（将辐射能量向某个特定方向聚焦）的计量单位。其大小是将该天线接收到的信号电平与一个全向天线（其辐射在各方向均等）接收到的信号电平相比较而确定的。增益用表示，增益越大，天线的方向性就越好。发射天线增益还直接影响到对发射机功率的技术要求。例如，若用一付增益为10的定向天线取代一付全向天线，用一台100

34、瓦的发射机就可以产生和一台1千瓦发射机和一个全向天线同样的有效辐射功率。除增益外，用户还必须懂得天线的辐射方向图才能实现最佳信号传输。辐射方向图与天线设计有关，天线相对于地面的位置对其影响很大，此外还可能会受附近建筑物和树木等物体的影响。大多数天线的方向图都不是均匀的，这种不均匀性可以用波瓣lobes（辐射最强区域）和nulls（辐射最弱区域）来表征。通常，以垂直面和水平面的两个方向图来表示（图3.5），以展现天线增益与仰角（垂直方向图）方位角（水平图）的关系。辐射方向图与频率有关，所以要全面描述一个天线的辐射方向图，就要有一组不同频率下的方向图。在确定通信距离时，出射角是一个重要因素，它是发

35、射天线水平面与天线方向图的主瓣间的夹角。远距离通信时常用小出射角，短距离通信时多用大出射角。天线相对于地面的取向决定其极化方向。大多数高频天线要么采用垂直极化，要么采用水平极化。垂直极化天线的出射角小，适用于发送地波和远距离天波。垂直天线的主要缺点是受地面的电导率和本地噪声影响大。为获得最佳效果，需采用地面屏蔽。水平极化天线的出射角较大，适用于短距离通信，远至400英里。通过调节天线的离地高度，有可能提高较小出射角时的天线增益，以实现较远距离的天波传播。极化方向对于地波传播，发射天线和接收天线应采用相同的极化方向才能得到最佳效果。而对于天波传播，却无需计划方向一致，这时由于电离层散射会改变信号

36、的极化方向。类型高频通信中使用的天线种类繁多，在此我们仅介绍几种最常用的类型。垂直鞭状天线是全向天线，出射角小，垂直极化，多适用于发送地面波。图3.6是垂直鞭状天线的典型辐射方向图。加装一个反射器，构成第二垂直鞭，可以为其方向图添加方向性。最通用的高频天线之一是半波偶极振子，其天线长度大约等于发射波长的一半。改变偶极子的取向即可使其水平极化或垂直（中心馈电）极化。图3.7是一个中心馈电的水平偶极子天线。其辐射方向图随离地高度变化很大。垂直偶极天线常用于舰船和地面交通工具上。小结 一个无线通信系统由发射机、接收机和天线组组成。 发射机组由激励和功率放大器组成，激励器包含调制器、载波发生器和频率变

37、换器。 接收机组由射频输入滤波放大器、变频器中频放大器，解调器和本地振荡器组成。 选择天线对于成功实现通信至关重要。天线的类型有垂直鞭状天线、偶极子天线和定向天线。 天线耦合器用于使天线阻抗与发射机阻抗相匹配，以便最大限度地将功率传送给天线。 天线增益是天线方向性的一种度量，天线方向性是将天线辐射能量聚焦到特定方向的能力。 天线辐射方向图的特征是零瓣（辐射最弱区域）和波瓣（辐射最强区域） 远程通信常用小天线出射角，短程通信常用大出射角。3.5 噪声和干扰当你在雷暴时听收音机，一定注意到曾 at one time or another曾经出现过中断。当你正在收听你所喜爱的FM台时，你可能也同时听

38、到过飞行员向塔台急促地报告 rattle off adv. 急促地背诵：He rattled off the poem. 他把诗文不假思索地背出。飞行数据。这些都是影响接收机性能的干扰。当你想要收听音乐时，这些干扰很是令人烦恼，高频通信任务的成败取决于是否听到并懂得所传送的信息，所以噪声和干扰十分有害。接收机噪声和干扰源既有来自内部的，也来自外部的。在高频的大部分频段，外部噪声电平大大超过接收机内部噪声。信号的品质以信噪比SNR表示，单位为分贝（dB）。信噪比越高，信号品质就越好。有些干扰是无意的 inadvertent adj. 不注意的, 疏忽的, 无意中做的，如飞行员对塔台的呼叫。有些干

39、扰是敌方 adversaryAn opponent; an enemy.为破坏我方通信而故意施放的。工程师们采用各种技术来抗击 combat struggle against.噪声和干扰。其中有： 提高有效辐射功率， 设法优化工作频率， 选择适当的调制方案， 选择适当的天线系统， 设计能抗干扰的接收机。下面我们先看看一些常见的噪声源和干扰源。天然噪声源闪电是主要的大气（天然）噪声源。大气噪声在夏天最为频繁，晚上最强，主要处于1到5MHz频段。已有人测定了全球各地的大气噪声平均值与一天中不同时间和季节的关系，并将其用于预测高频无线电系统的性能。另一个天然噪声源是来自太空的宇宙噪声。它对整个高频频

40、段的影响是均匀的，但不影响20MHz以下接收机的性能。人为噪声电力线、计算机设备、以及工业和办公室设备都会产生人为噪声，它们是经辐射或通过电力电缆到达接收机的。人们将这类人为干扰称为电磁干扰EMI electromagnetic interference，电磁干扰在城市区域最强。工程师们常用无线电设备接地和屏蔽技术和对电源输入线路滤波的方法来抑制EMI。无意干扰任何时刻都有成千上万的高频发射机都在空间争用本来就比较窄的频段中的射频频谱，相互间必然会形成干扰。在夜晚以及在靠近MUF的频率低端干扰最为严重。在欧洲，由于人口密度高，射频频谱也就特别拥挤。无意干扰的一个主要来源是发射机、接收机和天线的

41、布局。例如，船舰上地方狭窄，不得不将若干无线电系统放在一起。30余年来，有人设计了许多RF通信系统，实现了克服布局问题的高性能集成舰载通信系统。减小布局干扰的方法有：使天线精确定向、采用对强无用信号不会过载的接收机、精心设计以便将互调降至最低程度的发射机等。故意干扰故意干扰，或叫人为干扰，是有意破坏通信、在工作频率上发送的干扰信号。人为干扰可能直接针对某一个频道，也可能是宽带的。可能是连续不断的干扰，也可能只在被干扰信号存在时才进行干扰。现代军用无线电系统采用某些技术来克服人为干扰，降低被检测和被侦听的机率。其中的扩频技术是以比原始信息的频率分量宽得多的频带发射已调信息的。我们将在第7章讨论这

42、些技术。信号从发射机经由多条路径到达接收机，形成衰落，这是由于这些信号会随机地相互加减造成的。小结 噪声源有天然（大气）的也有人为的。闪电是大气噪声的主要来源；电力线、计算机终端和工业电器是主要的人为噪声源。 众多高频发送设备争用相当窄的射频频谱资源造成干扰。夜晚在较低频率段情况更糟。 将发射机放在一起造成相互干扰，并干扰附近的接收机。 人为干扰是为故意破坏通信而在对方发射台工作频率上施放的干扰。 多径干扰会造成信号衰减。3.6 采用高频无线电通道的数据通信从一开始起，高频无线电就使用Morse电码进行数据通信。随着时间的推移，成功开发了考虑到RF媒介可变性的若干改进技术，大大提高了在射频链路

43、上传播数据的速率。此外，应用纠错码和自动重发请求ARQ Automatic Repeat reQuest技术，使得能够在计算机-计算机通信系统中使用RF无线电而无差错的传送数据。为了理解高频数据通信原理，我们将定义一些常用的数据术语，并说明modem的重要性，并简单介绍与高频数据通信相关的某些问题和解决方案。二进制数据通信是从发射机通过适当的信道将信息传播到接收机的活动。例如，本书使用一些符号（字母）将信息编码成一组代码（单词），通过信道（印刷页面）向接收机（读者）传送。将此原理应用于数据（信息），为了通过（高频无线电）信道向接收机（读者）传送信息，我们采用简写形式先将数据（信息）变换成代码字

44、。位（binary digits，bits）是只用两个基数即符号0和1的计数制中的成分。因而，一个位代表截然不同的两个状态变量之一。例如，开关的通或断，电压的正或负，等等。传达二进制数据的一个简单方法是以链路另一端能解释的方式接通或断开电路。电报通信的早期基本上就是做的。以后采用的方案是用数位来控制选择载波的两个特征性质 频率或幅度。更为复杂的方法是让载波可以具有两个以上的状态，用以代表更多数位。波特率数据传输速率一般以比特/秒（bps）来测定，有时也用波特表示比特/秒，虽然实际上这两个术语有着不同的含义。波特是信号发送速度的单位，是被每秒被发送的符号数的一种度量。而每一个符号可以代表多个数位

45、。一个无线信道能支持的最大波特率取决于信道带宽 带宽越宽，波特率就越高。信息传送的速率，即比特率，取决于每个符号有多少位。异步数据和同步数据数据传输有两种模式：异步和同步，定义如下：在异步数据传输中，每个字符都有一个起始位和一个停止位。起始位让接收方准备好接受字符，停止位使接收方返回空闲状态。同步数据传输中，除去了起始位和停止位。系统采用一个前同步信号 preamble，一个已知的数位串，在消息开始时发送，接收方用以使其内部时钟同步来告知接收方消息来了。异步系统无需复杂的同步电路，但其系统开销比同步系统要高。这是因为起始位和停止位将字符长度增加了25%，从8位增加到10位。高频调制解调器用常规

46、语音电台是不能直接传输数据的。必须用一种适用于发送音频信号的称之为调制器的设备将数字电压电平变换成音频信号。相反，在接收机端，则用解调器将音频信号变回数字电压电平。有些电台（例如Harris RF-5000）内置了高速modem（组装在一起的MODulator和DEModulator），既能接受语音，也能接受数字输入。高频 modem分为三个基本类型： 低速移频键控（FSK）modem； 高速并行音调modem； 高速串行（单一）音调modem。最简单的modem采用FSK对二进制数据（若干0和1）编码。调制器的输入是取两个可能电平之一的数字信号，其输出是两个可能音调之一的音频信号。由于存在多

47、径传播的影响， 高频 modem系统的数据率被限制在低于75bps。采用频率的多音调FSK（MFSK）可以获得较高的速率。Harris在上世纪80年代首先采用并行的和串行的音调波形使数据传输率提高到4800bps。串行音调modem以单一音调携带信息，并采用功能强大的前向纠错（Forward Error Correction，FEC）大大改善了高频信道的数据传输，极大的提高了健壮性，降低了对干扰的敏感度，提高了数据率。差错控制有多种不同的途径避免数据传输问题。FEC是在数据流中加入冗余数据，让接受方检错和纠错。这种方案的一个重要特点是它无需用作认可的返回信道。如果接收方检测到一个错误，它只需将

48、其纠正并准确地产生原始数据，而无需告知发送方数据有问题。如果在数据流中错误是随机出现的，FEC编码技术是最有效的。但是高频介质往往出现突发的一串错误，即信道中的高误码率（bit error rate，BER）的段散布在低误码率段中。为充分利用FEC编码技术的优势，最好采用交错处理方法将信道中出现的错误随机化。例如，在调制器方，使数据进入一个9行10列矩阵，数据块在行向进入列向出来。但数据块离开矩阵准备传送时，输出数位的序列成为1，11，21，等等。在解调器方，进行相反的退交错处理。数据从列向进入一个与发送方同样的矩阵。再按行读出，将数据序列恢复成原始状态。这样，如果有一9个连续位的突发错误，经

49、退交错处理后，它们落入任何一个30位的序列中的错误位不大于3。软判决解码进一步提高纠错编码的纠错能力。其中，将一组保持其模拟特性的被测符号与一组可能的传输代码字相比较。系统“记住”检测电压，在决定发送哪一个代码字之前，对代码字中的每一个符号都施用一个加权系数。数据通信中还用声码器 VOCODER= VOice CODER,语音编码器，声码器，自动语音合成仪An electronic device or system for synthesizing speech.进行加密语音呼叫。声码器将声音变成数据流经高频信道发送，在接收端再用声码器将数据重建成电话品质的声音。除纠错技术外，在高速串行mod

50、em中还可以采用两种信号处理方案来改善数据传输。一是用自动信道均衡器来补偿接收数据时的信道特性变化。一是用自适应切割滤波器找出并抑制解调器输入端的窄带干扰，以降低同信道干扰的影响，即出现在正在使用的同一信道中的干扰。小结 传送数据时，需用modem将数字数据变换成模拟形式；接收数据时，需将模拟数据变回数字形式。 高频modem有低速FSK、高速并行音调和高速串行音调三类。 串行音调modem大大改善了在高频信道进行数据通信的性能，如数据率高、前向纠错（FEC）能力强，抗干扰力强。 采用FEC方案无需采用回线即可实现纠错。 交错技术是一种使突发差错随机化的方法，可使FEC工作更加可靠。 软判决解

51、码是利用将一组模拟字符符号与一些可能传输的代码字对比来进一步降低误码率。 采用声码器将语音信号转变为数值数据以便在高频信道上的编码传输。 自动信道均衡和自适应分割滤波是为提高数据通信性能而采用的信号处理技术。3.7 自适应无线电技术电离层性质的不断变化以及随机噪声和干扰会造成高频通信中断。过去，需要技术熟练的电台操作员来建立通信并不断调节运行参数。现在，这一功能完全自动化了。提供自适应无线电系统的RF通信能对传播条件的变化迅速做出反应并利用实时信道评估技术的反馈信息来选择频率、调节数据率、或改变调制方案。链接自动建立和链路品质分析是众多自适应过程中的两个。链接自动建立ALE Automatic

52、 Link Establishment链接自动建立是一种无需操作员干预，而能让高频电台自动呼叫并在最佳信道建立链接的技术。典型的链接自动建立系统要利用存储在一个存储器“矩阵”中的新近测量到无线信道特性（LAQ数据）。该系统的工作很像电话，网络为其中的中的每一个电台都分配了一个地址（ID）。不使用时，每一个电台都不断扫描为其分配的各个频率，倾听对它的呼叫。要与指定台通信，呼叫方只需象拨电话号码一样输入其ID。电台查询其LAQ矩阵并选择最佳可用分配频率（下面将对LAQ矩阵做进一步说明）。然后发出一段含目的电台ID的简短消息。当接收台“听到”其地址时，就停止扫描并停留在该频率上。两个电台自动实现了“

53、握手”联络以确认链路的建立并准备开始通信。原先完全沉寂的接收台会发出一个振铃信号告警接收方操作员有来电呼叫。当通信完结时，一方电台“挂机”，一个切断信号送到另一个电台，然后它们都返回扫描模式。链接品质分析一个高频通信系统有许多分配给它的信道。一个具有LAQ功能的系统能选择最佳信道。以下是一个自适应系统的工作原理。网络中的电台会在规定的时间间隔尝试与分配给它的各个频率建立链接，并测量每一个链接频率上的信号品质。这些品质数据存储在一个矩阵中。呼叫初始化时，电台会检测其“存储器”以确定对该呼叫要与之通信的电台的最佳品质频率，既之以该频率进行链接。如果链接失败，它会尝试以下一个最佳频率链接，如此进行下

54、去，直到成功建立链接。自适应技术的增强通过使用计算机控制器，根据信道条件选择modem的数据率，选择最佳天线，自动调节发射功率，自动消除干扰信号，选择modem的调制方式和编码方案等，可以使自适应无线电技术得到进一步增强。其优点是这样的自适应系统高度自动化，无需人为干预即可提高通信质量。这样一来，对要有高技术知识的操作员的需求就大大减少了。小结 自适应无线电技术可使现代高频无线电系统自动适应不时变化的传播条件。 链路自动建立（ALE）使高频无线电台有可能无需人员干预而建立链接。 链路品质分析（LQA）是一种评估品质的方法，以便在最佳信道/频率建立链接。 还有其他一些自适应技术。3.8保密通信无

55、线电技术的进步已使我们进入通信更容易、更安全、更可靠的时代。通信安全问题现在已经和通信本身一样重要。这一章我们将讨论保密通信COMSEC COMmunication SECurity，它是保证重要通信安全的方法。我们也要谈及保密传输TRANSEC TRANsmission SECurity问题 让他人难于劫获或干扰你通信的方案。COMSEC COMSEC采用扰频 scrambling不规则性，杂乱性；扰频；（加密）编码（法）或加密 cryptographic 加密, 密码技术使那些无需或不应知道通信内容的人无法理解你的信息。请注意用于数字信号的加密技术和用于模拟信号的扰频技术是不同的。加密是在

56、发射机端将信息加密成看起来是随机信息，并在接收机端采用解密方法将该随机消息解密的过程。历史上曾使用了代码来保护敏感信息。那时，在发信之前，发信人用手工方式对消息进行编码，在接收端，收信人再用手工方式对收到的消息解码。而现代电子技术却可以自动完成编码和解码过程。编码和解码都需使用某种数学算法，并配上一把密匙，将显见信息变为加密状态。否则，发送未经加密保护的信息，而被他人截获，则截获者无需费力就可以知道你发送的信息。为此，美国政府已经建立了相关标准来划分敏感信息的分类和级别。在无需极高保密级的语音通信系统中，可以用加密来防止窃听 eavesdropping 偷听。扰频 scrambling不规则性

57、，杂乱性；扰频；（加密）编码（法）作为一种模拟通信保密技术，是将语音信号分割成若干子音频频带，将子音频频带搬移到不同的音频段，然后再以组合音频输出去调制发射机。其中，是以随机方式去控制频率搬移的。扰频方式类似于以一个解码环（有点象孩子们的早餐盒）发送一段消息。例如，你将字母c指定为g，a指定为n，t指定为w，这样当你收到消息gnw时，你就将它解码为cat。去扰频 descrambling就是在接收方将扰频过程反转过来。在数字加密中，数据（可以是第5节中描述的数字化的声音）简化成二进制数据流。加密引擎 cryptographic engine根据通信量密匙（TEK） traffic encryp

58、tion key产生一个极长的、不重复的二进制数据流。将此数据流加于加密数据流中而产生已密数据流，即加密正文。以这种方式产生的二进制数据流是天生不可预测的。而所有模拟信号都比较容易预测，因而不大安全。数据加密强度是确定消息内容的困难程度，它与密匙算法的复杂程度有关。密匙是一个能改变算法的重建同步 resynchronization的变量。保护好密匙极其重要，即使不速之客访问到加密信息并且掌握了算法，没有密匙照样无法解密信息。美国政府开发了严格的密匙管理程序来保护、分发、存储和废除密匙。过去，是人工用纸带、磁介质、或插入式传递装置将密匙载入加密设备的。创建密匙和将密匙安全投递给每个用户对于军事行

59、动的细节部署和保管记录工作都十分重要。还有一种用于商业机构的密匙管理系统是公共密匙加密法。采用此方法时，每个用户都要产生两把密匙。一把是公共密匙“Y”，一把是私人密匙“X”，其Y值得自X值。这种系统的加密强度取决于从Y导出X的难度。用Y密匙加密的信息只能用X密匙解密。采用公开向用户分发公共Y密匙，同时保留独家访问私人X密匙的方法，任何人都可以利用你的公共密匙向你发送保密消息，而由于只有你有X密匙，你才是唯一能解密该消息的人。若在网络中使用公共密匙系统，网络中的所有用户都可以实现双向保密通信。这叫做非对称密匙系统。此外还有所谓对称密匙系统，它是用同一密匙加密和解密。因为源发者和接收者都必须有相同

60、的密匙，因而这种系统的安全性最高。美国一家电子公司Harris首先为保护和分发对称密匙通信系统密匙开发了最新的电子方法。其中，一种适用于无线网络的产品叫做Over-The-Air-Rekeying（OTAR）。这种技术几乎完全无需手工装载密匙，是一种很安全的密匙管理系统。OTAR基于一个密匙开始分发系统（a begin key distribution system），它包括一把用于加密TEK（通信量密匙）的用以对密匙加密的密匙（KEK，key encryption key）和另外任何一把运作中的COMSEC或TRANSEC密匙。这种方法称之为“包裹”，以区别于通信量加密。KEK是唯一必须事先