应急电台学习培训模板课件

1、第4章 应急电台 4.1 短波通信4.2 短波自适应应急电台4.3 对讲机习题四4.1 短 波 通 信 按照国际无线电咨询委员会(ITU)的划分，短波是指波长在10100 m、频率为330 MHz的电磁波。利用短波进行无线电通信称为短波通信，又称高频(HF)通信。实际上，为了充分利用短波近距离通信的优点，短波通信实际使用的频率范围为1.530 MHz。 4.1.1 短波通信概述1. 短波通信的特点1) 通信距离远如果利用短波传播，短波单次反射最大地面传输距离可达4000 km，多次反射可达上万千米，甚至环球传播。尤其是在低纬度区域，短波通信可用频带较宽，最高可用频率较高，受粒子沉降事件及地磁暴

2、的影响较小，而卫星通信在此区域受电离层及对流层的影响较大，所以短波通信更加实用。在应急通信中，短波通信得到了广泛的应用。特别是短波频率自适应技术的发展，极大地提高了短波通信的可靠性和有效性。一些实验结果表明，在一天内，万千米级的短波通信可通信时间大于90%。自适应技术保证了系统总是在最佳的信道上工作，大大减少了发射功率，节省了能源，改善了电磁环境。2) 技术成熟短波通信元器件要求低、技术成熟、制造简单、设备体积小、价格便宜，在工业、商业、交通、邮政等各部门及军事领域中，都得到了广泛的应用。3) 顽存性强短波通信设备目标小、架设容易、机动性强，即使遭到损坏也容易修理。由于其造价相对较低，可以大量

3、装备，因而系统顽存性强。卫星通信系统虽然同样具有远距离通信能力，而且容量大，传输可靠，但是其设备复杂，价格相对较高，且安装调试相对复杂。 4) 信道拥挤由于短波通信的信道拥挤、频带窄，因此要采用特殊的调制技术，如单边带调制。这种方法比调幅节省一半带宽，由于抑制了不携带信息的载波，因而节省了发射功率。但是，短波信道的时变和色散特性，使通信中可用的瞬时频带变窄，限制了传输速率。5) 天线匹配困难由于短波波段为1.530 MHz，相对波长为10200 m，覆盖了多个倍频程。因此，研制高速全频段跳频且阻抗匹配良好的宽带天线的难度很大。 2. 短波通信的发展自从1921年发生在罗马的一次意外事故，使短波

4、被发现可实现远距离通信以来，短波通信发展迅速，成为世界各国远程通信的主要手段，但是，在20世纪20年代到60年代期间，短波通信一直不能提供稳定的服务，其根本原因是短波传播的规律还没有被完全了解和掌握。到了80年代，人类对短波的传播规律有了比较完整的认识，其中关于电离层反射、多径衰落、传播损耗、可用频率范围、电离层的不规则性、电离层骚动、电离层倾斜、波导传播和散射传播的激励和理论均趋于成熟。国际电信联盟于1982年公布了关于短波传播的系列报告，这些成为短波通信系统设计的基本依据。国际电信联盟也发布了典型地形条件下地波的传播曲线。地波传播的研究取得了重大的进展，解决了平面、球面、海面、陆地及考虑到

5、地表粗糙度的传播分析方法，研究了大气尘埃对地场波的影响，提出了非齐次球型地面与人造建筑地面上地波损耗的计算方法。实际测量和理论计算有很好的一致性，在系统设计中发挥了重大作用。以上这些研究成果为短波通信奠定了坚实的基础，促进了技术的发展和广泛的应用。1) 实时信道估计技术的成熟和自适应频率的选择实时信道估计技术(RTCE)和自适应频率选择技术是最近十几年来最热门的短波通信新技术。由于短波信道的不均匀和时变特性，如果采用的频率不当，就无法实现有效的通信。在掌握了电离层的变化规律和短波在其中的传输规律之后，20世纪60年代中期，美国国防通信局首先研究出能够为通信用户提供最佳信道的自动频率选择与预报的

6、公共用户无线电传输探测系统(CURTS)。该系统每隔10分钟就能将计算机处理过后的频率报表分送给各用户，但因其设备庞大，造价昂贵，没有被广泛使用。20世纪70年代中期，BARRY公司研制了一种简便的战术通信实时选频系统，它能实时测量信道的传输参数；80年代，计算机技术的发展促进了实时信道估计、频率选择与通信系统的结合，实现了从信道参数测量、链路质量分析到自动链路建立的频率自适应的基本功能。后来在增加自适应控制器的功能、优选信道参数估计、提高链路质量分析性能和方法等方面继续发展。 2) 高速调制解调技术的发展为了进一步挖掘短波在远距离通信方面的巨大潜力，提高短波通信的数据传输速度，人们付出了不懈

7、的努力。多音并行调制/解调器采用多个副载波在短波信道带宽内并发传输信息，每路传输低速率码以克服码间串扰的影响，数据经过交织，具有前向纠错功能。美国Harris公司于1984年研制成功的RF3466调制/解调器，在距离为1200 km，发射功率为125 W时，达到速率为2400 b/s、误码率为10-310-4的水平。但是多音并行调制/解调器技术上也存在着不能克服的缺点，如发射功率分散、平均功率与峰值功率比值小、功率利用率低、抗频率选择性衰落等。人们又研制了单音串行高速调制/解调器，其关键技术是采用了连续探测信道特性，实施自适应信道均衡技术，达到了与短波信道的最佳匹配，从而可以在给定误码率下达到

8、最高信息传输速率。为了进一步降低误码率，还采用了数据速率自适应、信号幅度自适应、分集自适应及自动请求重发和前向纠错编码等新技术。单音串行高速调制/解调器甚至可以在“负信噪比”信道上传输数据。预计基于单音串行高速调制/解调器，人们还将进一步改进信道均衡技术，研究快速收敛的跟踪算法，增强抗干扰的手段，以达到更高的传输速率。随着通信技术的飞速发展，系统的更新换代更加迅速。为了适应通信的要求，近年来软件无线电的思想迅速发展。其基本思想是尽可能在接近天线处将信号数字化，然后，利用DSP和大规模可编程逻辑芯片构成的统一平台，结合各种软件来完成各种通信功能。不同的调制方式，不同体制，不同的通信协议只需要采用

9、不同的软件，并通过标准的接口来实现互联。因为只需在软件上作改动，所以也大大缩短了研制周期和经费。 4.1.2 短波通信信道1. 地波传播1) 地波传播形式沿地面传播的无线电波叫地波。当天线架设较低，且其沿地面方向为最大辐射方向时，主要是地波传播。地波传播的特点是信号比较稳定，基本上不受天气的影响，但随着电波频率的升高，传输损耗迅速增大。因此，这种方式更加适合短波的低频传输。 地波传输的情况主要取决于地面条件。地面条件的影响主要表现在两个方面：一是地面的不平坦性，二是地面的地质情况。前者对电波的影响随波长不同而变化，而后者是从土壤的电气性质来研究对电波传播的影响。描述大地电磁特性的参数有介电系数

10、(或相对介电常数r)、电导率、磁导率。根据实际测量，不同土壤的电参数见表4.1。表4.1 不同土壤的电参数表2) 地波传播的基本特征对地波传播的理论分析是相当复杂的，在此只给出一些基本结论，并加以定性的分析。(1) 受到大地的吸收。当电波沿地面传播时，在地面要产生感应电流。由于大地不是理想导电体，因此感应电流在地面流动要消耗能量，这个能量是由电磁波供给的。这样，电波在传播过程中，就有一部分能量被大地吸收。 大地对电波能量吸收的大小与下列因素有关： 地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。因为电导率越大，地电阻越小，故电波沿地面传播的损耗越小。因此，电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和

11、江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。 电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，所以频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。因此，利用地波传播的频率使用范围一般在1.55 MHz。 垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，导致地面的感生电流增大，故产生较大的衰减。(2) 产生波面倾斜。理论分析指出，沿实际半导体表面传播的垂直极化波是横磁波(TM波)，即沿电磁波传播方向有电场纵向分量。地面波传播过程中的波面倾斜现象就有很大的实用意义，可以采用相应形式的天线以便有效接收。 (3) 具有绕射损失。电波的绕射能力与其波

12、长和地形的起伏有关，波长越长，绕射能力越强；障碍物越高，绕射能力越弱。在地面波通信中，长波的绕射能力最强，中波次之，短波较小，超短波最弱。当传播距离较远时，必须考虑地球曲率的影响，此时到达接收点的地面波是沿着地球表面绕射传播的。此外，地面障碍物对电波有一定的阻碍作用，因此有绕射损失。(4) 传播稳定。地波是沿地球表面传播的，因为地球表面的电性能及地貌、地物等不会随时间很快的变化，所以在传播路径上，地波传播基本上可以视为不随时间变化。因此，接收点的场强较稳定。 2. 天波传播依靠电离层反射来传播的无线电波称为天波。离地面50km以上的大气层，空气极其稀薄，同时，太阳辐射和宇宙射线辐射等作用很强，

13、使空气产生电离，故称电离层。电离层大致分为三层：离地面6090km为D层；离地面90150km为E层；离地面150450 km为F层，F层白天分裂为F1层和F2层，晚上合并成F层。电波达到电离层后，一部分能量被电离层吸收，另一部分能量被反射或折射回地面，形成天波。利用电离层通信可供采用的频率一般为1.530MHz频段。电离层的密度随昼夜、季节、太阳活动周期和经纬度的变化而变化。 一般情况下，对于短波通信线路，天波传播具有更重要的意义。天波不仅可以进行远距离传播，跨越丘陵地带，而且可以在非常近的距离内建立无线电通信。3. 短波信道的特性1) D层D层是最低层，出现在地球上空6090 km处，最大

14、电子密度发生在70 km处。因为D层出现在太阳升起时，消失在太阳降落后，所以在夜间D层不再对短波通信产生影响。D层的电子密度不足以反射短波，因而短波以天波传播时可穿过D层。不过，在穿过D层时，电波将遭受严重的衰减，频率越低，衰减越大。而且在D层中的衰减量将远远大于E层和F层，所以称D层为吸收层。在白天，D层决定了短波传播的距离，以及为获得良好的传播所必需的发射机功率和天线增益。在白天D层有可能反射频率为25 MHz的短波。2) E层E层出现在地球上空90150 km处，最大电子密度发生在110 km处。在通信线路设计和计算中，通常都以110 km作为E层高度。和D层一样，E层出现在太阳升起时，

15、而且在中午电离达到最大值，随后逐渐减小，在太阳降落后，E层实际上对短波传播已经不起任何作用。在电离开始后，E层可以反射高于1.5 MHz的电波。 3) Es层Es层称为偶发E层，是偶尔出现在地球上空120 km高处的电离层。Es层虽然是偶尔存在，但是它具有很高的电子密度，甚至能将高于短波波段的频率反射回来，因而，目前在短波通信中，许多人都希望能选用它来作为反射层。当然，Es层的采用应十分谨慎，它有可能导致通信中断。 4) F层对短波通信来讲，F层是最重要的，在一般情况下，短波通信都使用F层作为反射层。这是由于与其他导电层相比，它具有最高的高度，可以传播最远的距离。因此，习惯上称F层为反射层。

16、在白天，F层有F1和F2两层。F1层位于地球上空150200 km处；F2层位于地球上空2001000 km处。它们的高度在不同季节、一天内的不同时刻是不一样的。对F2层来讲，其高度在冬季的白天最低，而在夏季的白天最高。F2层和其他层不同，在日落之后并不会完全消失，仍然会保持有剩余的电离。其原因是在夜间由于F2层的电子密度低，以及天黑后数小时内粒子辐射仍然存在。虽然夜间F2层的电子密度较白天降低了很多，但是仍然可以反射短波某频段的电波，显然，夜间能反射的电波频率要远低于白天。所以，要保持昼夜不间断通信，工作频率必须昼夜更换，且夜间工作频率要低于日间工作频率。电离层的分层情况见表4.2 表4.2

17、 电离层分层情况(2) 季节变化。不同季节，太阳的强度也不尽相同。通常，夏季的电子密度大于冬季，但是F2层例外，F2层冬季的电子密度大于夏季电子密度，其原因至今还不清楚。有一种解释说，由于在夏季F2层大气因高温膨胀使电子密度减小。(3) 11年周期变化。当太阳黑子活动数目增加时，太阳所辐射出的能量增强，使得电离层各层的电子密度增大。因为太阳黑子的活动周期是11年，电离层的电子密度也随着太阳黑子的变化而变化，所以电离层的变化周期也是11年。 4. 电离层的变化规律电离层的变化分为规则变化和不规则变化。1) 规则变化电离层的规则变化包括：日夜变化、季节变化、11年周期变化和随地理位置变化。(1)

18、日夜变化。由于一天内太阳的强度不同，因此白天电子密度比夜间大；中午密度比早晚大；日落之后D层很快消失，E层、F层电子密度减小。总的来说，日照越强，电子密度越大。 (4) 随地理位置变化。电离层的特性随地理位置的不同而不同。这是因为不同地点的太阳辐射不同，赤道附近太阳辐射最强，两极最弱。所以，赤道上空电子密度高，两极上空电子密度低。 2) 不规则变化电离层除了上述规则变化外，还存在一些随机的、非周期的或突发的急剧变化，我们称这种变化为不规则变化。它主要包括突发Es层(突发E层)、电离层暴、电离层突然骚扰等。电离层的不规则变化，往往导致通信中断。(1) 突发E层(Es层)。Es层的出现是偶然的，结

19、构不均匀，但是形成后在一定时间内很稳定。在中纬度区域，Es层在夏季出现较多。从全球来看，远东地区Es层的出现概率较大，我国上空Es层强且多，特别是在夏季频繁出现。Es层对短波有时呈半透明特性，即入射电波的部分能量被反射，另一部分能量被吸收。有时，由于受到Es层的反射，入射电波无法达到Es层以上的区域，因而会形成“遮蔽”现象。(2) 电离层暴。当太阳黑子数目急剧增多时，太阳所辐射的紫外线、X射线和带电微粒都急剧增加，正常的电离层状态就会遭到破坏，这种电离层的异常变化称为电离层暴或电离层骚扰。电离层暴在F2层表现的最为明显。出现的电离层暴常常使F2层的临界频率大大降低，一次就可能使原来正常使用的高

20、频率电波穿透F2层而无法被反射，造成通信中断。电离层暴的持续时间可以从几小时到几天之久。当太阳出现耀斑时，喷射出大量微粒流，也常常引起地磁场的很大骚动，即产生磁暴。由于磁暴经常伴随着电离层暴，且又比电离层暴出现早，因此目前它是预报电离层暴的重要依据之一。此外，当发生磁暴时，地磁场急剧变化，在大地中产生感应电流，这种电流会对通信电路产生严重干扰。 (3) 电离层突然骚扰。当太阳发生耀斑时，常常辐射出大量的X射线，以光速到达地球，当穿透高层大气到达D层所在高度时，会使D层电离度大大增强，这种现象称为电离层突然骚扰。它的持续时间有几分钟到几小时不等。因为这种现象是由太阳耀斑引起的，所以只发生在地球上

21、的太阳照射区。电离层突然骚扰对不同频段的无线电波产生不同的影响。由于D层的电子密度大大增强，使得需要在D层以上各层反射的短波信号遭到强烈的吸收，甚至导致通信中断，这种现象称为“短波消逝”。此外，D层的高度明显下降(有时下降幅度可达15 km)，因此，导致D层反射的电磁波信号的相位产生突然的变化，这种现象称为“相位突然异常”。5. 短波在电离层中的传播特性1) 最高可用频率(MUF)MUF是指在给定通信距离下的最高可用频率，是电波能返回地面和穿出电离层的临界值，如果频率高于此临界值，电波就会穿过电离层到达外层空间。MUF和反射层的电离密度有关，所以凡影响电离密度的诸因素，都将影响MUF。当通信线

22、路选用MUF作为工作频段时，因为只有一条传播路径，所以，一般情况下有可能获得最佳接收。考虑到电离层的结构变化和保证获得长期稳定的接收，在确定线路的工作频率时，应取低于MUF的频率OWF。OWF称为最佳工作频率，一般情况下：OWF=0.85MUF (4.1)选用OWF之后，能保证通信线路有90%的可通率。2) 多径传播短波的多径传播主要带来两个问题，一是衰落，二是时延。多径时延是指多径中最大的传输时延与最小传输时延之差。多径时延与通信距离、工作频率和工作时刻都有密切关系。多径时延随着工作频率偏离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： 式(4

23、.2)中，f代表工作频率。显然，MRF越小，表示工作频率偏离MUF越大。 (4.2)多径时延还与工作时刻有关。比如，在日出日落时刻，多径时延现象最严重，最复杂，中午和子夜时刻多径时延一般较小而且稳定。多径时延随时间变化的原因是由于电离层电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。电子密度变化越剧烈，多径时延的变化也就越严重。3) 衰落在电离层内短波传播的过程中，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。在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。接收信号振幅总是呈现随机变化，这种现象称为“衰落”。衰落分为慢衰落和快衰落。慢衰落主要是

24、吸收型衰落。它是由电离层电子密度的高度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波段的影响程度是相同的。在不考虑磁暴和电离层骚扰的情况下，衰落深度可能低于中值10 dB。要克服慢衰落应该增加发射机功率以补偿传输损耗。根据测量得到的短波信道小时中值传输损耗的典型概率分布，可以预计在一定的可通率要求下所需增加的发射功率。通常，要保证90%的可通率，应补偿的传输损耗约为130 dB。快衰落是一种干涉型衰落，它是由随机多径传输引起的。由于电离层媒质的随机变化，各径相对时延亦随机变化，使得合成信号

25、发生起伏，在接收端看来，这种现象是由于多个信号的干涉造成的，因此称为干涉衰落。干涉衰落具有明显的频率选择性。实验证明，两个频率差值大于400 Hz后，它们的衰落特性的相关性就很小了。干涉衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。干涉衰落的衰落深度可达40 dB，偶尔会达到80 dB。为了减小快衰落的影响，不仅需要增加发射功率，还需要采用抗衰落技术，例如：分集接收、时频调制和差错控制等。4) 相位起伏(多普勒频移)信号相位起伏是指相位随时间的不规则变化。引起相位起伏的主要原因是多径传播。此外，电离层折射率的随机变化及电离层不均匀体的快速运动，都会导致信号的传输路径长度不断变化，从而出现相位的随机起伏。信号

26、相位随时间变化，必然会产生附加的多普勒频移。必须指出，即使只存在一条射线，也就是在单一模式传播的条件下，由于电离层经常性的快速运动，以及反射层高度的快速变化，使传播路径的长度不断的变化，信号相位也会随之产生起伏不定的变化。从时间域的角度来看，短波传播中存在时间选择性衰落。多普勒频移在日出和日落期间较为严重，在电离层平静的夜间，不存在多普勒频移，而在其他的时间，单跳模式下多普勒频移一般为12 Hz。当发生磁暴时，频移最高可达6 Hz。6. 短波信道的噪声和干扰短波信道的噪声主要包括大气噪声、人为噪声、宇宙噪声等。其中，噪声在大部分地区都为人为噪声。人为噪声也称为工业干扰，它是由各种电器设备、电力

27、网和点火装置等所产生的。特别需要指出的是，这种干扰的幅度除了与本地噪声源有密切关系外，同时也取决于供电系统，这是因为大部分人为噪声的能量是通过商业电力网传送来的。人为噪声短期变化很大，与位置有密切的关系，而且随着频率的增加而减小。人为噪声辐射的极化具有重要意义，当接收相同距离、相同强度的干扰源的噪声时，可以发现，接收到的噪声电平的垂直极化比水平极化高3 dB。 4.1.3 短波自适应通信系统1. 短波自适应通信系统的基本概念在通信技术高度发展的今天，短波通信由于有着通信距离远、机动性好、顽存性强以及具有多种通信能力等独特优点，仍然是无线电通信的主要技术手段之一。但是短波通信也存在着信道的时变色

28、散特性和高电平干扰等弱点。为了提高短波通信的质量，最根本的途径是“实时地避开干扰，找出具有良好传播条件的信道”，完成这一任务的关键是采用自适应技术。 通常人们将实时信道估值(Real Time Channel Evaluation，RTCE)技术和自适应技术合在一起统称为短波自适应技术。从广义上讲，所谓自适应，就是能够连续测量信号和系统变化，自动改变系统结构和参数，使系统能自行适应环境的变化和抵御人为干扰。因此，短波自适应的含义很广，它包括自适应选频、自适应跳频、自适应功率控制、自适应数据速率、自适应调零天线、自适应调制/解调器、自适应均衡、自适应网管等。我们一般说的高频自适应，就是指频率自适

29、应。短波自适应通信技术主要是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术，通过在通信过程中不断测试短波信道的传输质量，实时选择最佳工作频率，使短波通信链路始终在传输条件较好的信道上。短波自适应通信技术有如下的作用。(1) 有效改善衰落。信号经过电离层传播后，幅度的起伏现象叫做衰落，这是一种最常见的传播现象。衰落的主要原因有多径传播、子波干涉、吸收变化、极化旋转和电离层的运动等。衰落时，信号的强度变化可达几十倍到几百倍，衰落的周期由十分之几秒到几十秒不等，严重地影响了短波通信的质量。采用自适应技术后，通过链路质量分析，短波通信可以避开衰落现象比较严重的信道，选择在通信质量较稳定的信道上工作。 (

30、2) 有效地克服“静区”效应。在短波通信中，时常会遇到在距离发信机较近或较远的区域都可以收到信号，而在中间某一区域却收不到信号的现象，这个区域就称为“静区”。产生“静区”的原因，一方面是地波受地面障碍物的影响导致衰减很大；另一方面是对于不同频率的电波，电离层对其反射的角度不一样，因而造成了在天波反射超出，地波又到达不了的区域不能正常通信。采用短波自适应技术，系统可通过自动链路建立功能，在所有的信道上尝试建立通信链路，找到不在“静区”的信道工作。 (3) 有效地提高短波通信抗干扰能力。由于短波电台进行远距离通信主要是靠电离层反射来实现的，因此电离层的变化对短波通信影响很大，特别是太阳表面出现的黑

31、子会发射出强大的紫外线和大量的带电粒子，使电离层的正常结构发生变化。对于不同的短波频率，电离层对其反射的能力不同，而电离层的变化对不同频率的电波的影响也不相同；同时，短波通信过程中还存在着外界的大气无线电噪声和人为干扰，这些因素已成为影响高频通信系统顺畅的主要干扰源。采用自适应技术可使系统工作在传输条件良好的弱干扰或无干扰的频道上。目前，短波自适应通信系统已具有“自动信道切换”功能，当遇到严重干扰时，通信系统做出切换信道的响应，提高了短波通信的抗干扰能力。(4) 有效地拓展短波通信业务范围。由于采用了数字信号处理技术，短波自适应通信系统不仅可以进行传统的报话通信，而且，可以外接数字调制/解调器

32、和相应的终端设备，如计算机、传真机等，以进行数字、传真和静态图像等非话业务通信。总之，采用短波自适应技术可充分利用频率资源，降低传输损耗，减少多径影响，避开强噪声与电台干扰，提高通信链路的可靠性。短波模拟通信已普遍采用自适应实时选频。 实现频率自适应必须研究和解决以下两个方面的问题：一方面，准确、实时地探测和估算短波线路的信道特性，即实时信道估值(RTCE)；另一方面，实时、最佳地调整系统的参数以适应信道的变化，即自适应技术。2. 短波频率自适应的分类频率自适应根据功能的不同可分为以下两类。1) 通信与探测分离的独立系统通信与探测分离的独立系统是最早投入实用的实时选频系统，也称为自适应频率管理

33、系统。它利用独立的探测系统组成一定区域内的频率管理网络，在短波范围对频率进行快速扫描探测，得到通信质量优劣的频率排序表，根据需要，统一分配给本区域内的各个用户。这种实时选频系统其实只对区域内的用户提供实时频率预报，通信与探测是由彼此独立的系统分别完成的。如美国在20世纪80年代初研制出的第二代战术频率管理系统AN/TRQ42(v)，该系统成功地用于海湾战争，支撑着短波通信网，取得了良好的效果。 2) 探测与通信为一体的频率自适应系统探测与通信为一体的短波自适应系统，是近年来微处理器技术和数字信号处理技术不断发展的产物。该系统对短波信道的探测、评估和通信一并完成。它利用微处理器控制技术，使短波通

34、信系统实现自动选择频率、自动信道存储和自动天线调谐；利用数字信号处理技术，完成对实时探测的电离层信道参数的高速处理。这种系统的主要特征是具备限定信道的实时信道估值功能，能对短波信道进行初步的探测，即线路质量分析(LQA)，能够自动链路建立(ALE)。它能实时选择出最佳的短波信道通信，减少短波信道的时变性、多径延时和噪声干扰等对通信的影响，使短波通信频率随信道条件的变化而自适应地改变，确保通信始终在质量最佳的信道上进行。由于实时信道估计是作为高频通信设备的一个嵌入式组成部分，在设计阶段已经综合到系统中，因而成本大大降低，市场应用前景广泛。通信与探测为一体的频率自适应系统的典型产品有美国Harri

35、s公司的RF-7100系列，加拿大RACE公司的ARCE系统，德国Rohde & Schwartz的ALIS系统，以色列Tadiran公司的MESA系统等。美国军方于1988年9月公布了HF自适应通信系统的军标MIL-STD-188-141A，我国在20世纪90年代制定了国家军用标准GJB2077，并以此规范了我国通用短波自适应通信设备。频率自适应根据所采用的技术形式可分为以下五种： 采用“脉冲探测RTCE”的高频自适应； 采用“Chirp探测RTCE”的高频自适应； 采用“导频探测RTCE”的高频自适应； 采用“错误计数RTCE”的高频自适应； 采用“8移频键控(8FSK)RTCE”的高频自

36、适应。频率自适应根据是否发射探测信号可分为以下两种： 主动式选频系统。这类系统均要发射探测信号，来完成自适应选频。 被动式选频系统。这类系统无需发射探测信号，而是通过某种方法计算出电路的可通频段，在该可通频段内测量出安静频率作为通信频率。 3. 短波自适应通信相关技术1) 实时信道估值(RTCE)技术在以往的短波通信中，人们利用长期频率预报技术或经验来选择工作频率。长期频率预报是根据太阳黑子数来预测通信电路的最高可用频率，因为这种方法基于月中值的概念，所以工作频率不能够实时跟踪电离层的变化，因而影响短波通信的效果。为了克服长期频率预报的缺点，20世纪60年代末发展了实时选频技术，在国际上又将实

37、时选频技术叫做RTCE技术。通过利用RTCE技术实时得到最佳通信频率来进行通信，这就是频率自适应的概念。因此，RTCE技术是频率自适应的基础和关键，也是其他自适应技术的基础。 (1) RTCE的定义。实时信道估值的定义首先由Darnell在1978年提出，根据Darnell的定义，实时信道估值是描述“实时测量一组信道的参数并利用得到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。在高频自适应通信系统中，实时信道估值被称为线路质量分析，简称LQA(Link Quality Analysis)。由上述定义可以看出，实时测量信道参数是RTCE的主要任务。为了实现这个目标，信道估算的实施

38、方法和考虑问题的出发点采用了与长期预测及短期预测不同的途径。RTCE的特点是不考虑电离层的结构和具体变化，从特定的通信模型出发，实时地处理到达接收端的不同频率的信号，并根据接收信号的能量、信噪比、误码率、多径延时、多普勒频移、衰落特征、干扰分布、干扰非白色度、基带频谱和失真系数等信道参数的不同情况和不同通信质量要求，选择通信使用的频段和频率。广义地说，实施频率预测好像一种在短波信道上实时进行的同步扫频通信，只不过所传递的消息和对信息的解释是为了评价信道的质量，及时地给出通信频率而已。显然，这种在短波通信电路上进行的频率实时预报和选择，要比建立在统计学基础上的长期预测和短期预测准确。它的突出优点

39、是： 可以提供高质量的通信电路，提高传递信息的准确度； 采用实时频率分配和调用，可以扩大用户数量； 可以提高通信干线的利用率； 在任何电离层和干扰的情况下，总可以为每个用户、每条电路提供可利用的频率资源。因而，在电缆、卫星通信中断时，短波通信能够担负起应急通信任务。 对实时信道估算值的要求是准确、迅速，而这两个要求又相互矛盾。要求实时信道估算准确，就要尽可能多地测量一些电离层信道参数，如信噪比、多径延时、频率扩散、衰落速率、衰落深度、衰落持续时间、衰落密度、频率偏移、噪声干扰统计特性、频率和振幅、谐波失真等。但在实际工程中，测量这样多的参数并进行实时数据处理，势必延长系统的运转周期，同时要求信

40、号处理器具有很高的运算速度，这在经济上是不合算的。研究表明，只需对通信影响较大的信噪比、多径延时和误码率三个参数进行测量就可以较全面地反映信道的质量。实时选频采用实时信道估值技术，探测电离层传输和噪声干扰情况，即实时发射探测信号，根据收到的探测信号处理的结果进行信道评估，实现自动选择最佳工作频率。(2) 电离层脉冲探测。电离层脉冲探测是早期应用最广泛的RTCE形式。它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，远方站的探测接收机按预定的传输计划和执行程序进行同步接收。为了获得较大的延时分辨，收和发在时间上应是

41、同步的，因此，收发两端最好装配原子时间标准和原子频率标准，或者收发两端的时间被校准在时标发送台的标准时间上。由此可见，只要收发的时间表是相同的，而且时间又经过精确的校准，就可以获得收发探测电路在时间和频率上的同步传输，这是探测系统正常工作的基础。另外，通过在每个探测频率上发射多个脉冲和对接收响应曲线进行平均，可以减少传输模式中快起伏的影响。由于脉冲探测信号的形式过于简单且宽度较窄，这就要求脉冲探测接收机具有较宽的带宽，从而使整个探测接收过程不易受干扰的影响。为此，需要对这种简单的基本脉冲探测系统进行改进。一项最易于实施的改进措施就是对每个频率上的各个探测脉冲进行调制。这样做的结果至少有三个好处

42、：首先，在不缩短基本脉冲宽度和不增大发射机峰值功率的前提下，改善了系统的时间分辨特性，并允许使用脉冲压缩编码技术；其次，通过脉冲调制编码可以传输如预定频率上基地站干扰电平信息一类的数据；第三，能够适当地改善系统在高干扰环境中的性能。(3) 电离层调频连续波探测。调频连续波探测或称啁啾(Chirp)探测，是另一种电离层探测方式，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(FMCW)，也就是频率扫描信号。典型的Chirp探测信号是频率线性扫描信号，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。也就是说，探测发射机

43、和探测接收机必须经过精确校时，以保证同时开始扫描。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。(4) 导频探测技术。导频探测技术是利用低电平连续波音频信号测量不同探测频率上的信道参数。它的探测信号是在和基站数据信号混频后才被送入短波信道的。因此，远方站在处理接收信号前，要将信号进行分离。使用导频探测技术时，低电平的连续波音频信号是插在数据频谱或安排在另一些潜在可用信道中发射出去的。在远方的接收站，通过对连续波信号的参数进行测量，并利用信道参数与误码率之间的理论关系，就可以用数据误码来实现对信道状态的估算。测量的参数包括幅度、

44、信噪比、相位、多普勒频移、多普勒展宽和多径展宽等，它们可以单独在许多RTCE中使用，也可以结合起来用于RTCE。导频探测技术的主要优点有：概念和实施简单；RTEC信号和数据信息易于合并，而无需单独发送探测信号；容易实现自动化。它的不足之处表现在不能确定最高可用频率(MUF)和不能辨认传播模式。(5) 误码计算技术。在误码计算技术中，探测信号与传播信号的参数实质上是一样的。探测信号轮流占用每个预选信道，发送探测数码，而接收机只要对接收的数码进行误码检测，就可以弄清每个信道的比特误码率，以确定哪个信道最好。该方法的优点是直接测量数字数据的质量，其缺点是正在传播通信信息的信道不能与其他代替信道进行比

45、较，从而要对正在工作的信道作出某种替代时，缺乏充分的依据。(6) 8FSK信号探测。8FSK是20世纪80年代末广泛推荐使用的一种数据探测体制，在通信选频合一的自适应电台中是一种规范化的信号格式。美国军标MIL-STD-188-141A的附录A(自动线路建立系统)和我国军用标准GJB2077-94(短波自适应通信系统自动线路建立规程)都对8FSK信号的选频协议及自动线路的建立做了详细规定。通过执行军标中的各种协议，自适应电台可以完成线路质量分析、自动选择呼叫、预置信道扫描及自动线路的建立。协议中的信道质量探测及各种信令的传输均利用8FSK信号。8FSK探测体制是目前自适应电台中使用最广泛的信号

46、格式。(7) 干扰重心频率(ICF)“无源”探测。为了提高信道探测的隐蔽性、机动性，降低设备成本，我国研究了一种无源探测实时选频系统。对于这种技术来说，接收天线照射区域内的每一辐射源都起着选频发射机的作用，这些辐射源发射的干扰信号经电离层反射后进入接收天线，利用干扰监测仪对这些干扰信号进行扫频接收，并求出ICF为式(4.3)中，Fi为第i个频率；D(Fi)为Fi的干扰能量值 。(4.3) 到目前为止，在多个地点进行的试验表明，ICF与F2层临界频率f0F2之间有很好的相关性。因此，可从接收点处实时测得的ICF求出f0F2为f0F2=aICFb (4.4)式(4.4)中，a和b可由试验确定。由f

47、0F2得到电路最高可用频率(MUF)。然后利用干扰监测仪在MUF以下找出安静频率，作为实时的通信频率，这种选频方法在快速隐蔽的军事通信中有着重要的意义。2) 自适应信号处理技术在短波自适应选频通信系统中，自适应信号处理器是系统的核心部件，实时探测的电离层信道参数都在这里计算处理。它要求计算准确、速度快，当探测参数较多时，计算处理的任务就相当繁重。采用什么样的信号形式进行电离层信道探测？探测哪些参数？如何快速准确地进行计算、分析和处理? 这些都是自适应信号处理技术要研究的内容。目前，国际上研制成功的高速编程信号处理器，采用FFT算法来提取多种电离层信道参数，估算各种传输速率所需的各种质量等级的频

48、率，供通信实时应用。 用数字信号处理器实现的短波自适应控制器如图4.1所示，主要由DSP数字信号处理芯片(TMS320CXX)、A/D转换器、D/A转换器、音频接口芯片、只读存储器以及高速随机存储器组成。DSP是该单元的核心，它的高速运行使得音频信号的实时处理成为可能。短波自适应通信系统自动线路建立(ALE)规程中规定，在信道中传输的探测信号是相位连续的8个单音信号(8FSK信号)，即每个单音代表3 bit的二进制数据，最低有效位在右边，两者的对应关系如下：a 750 Hz000b 1000 Hz001e 1250 Hz011d 1500 Hz010e 1750 Hz110f 2000 Hz1

49、11g 2250 Hz101h 2500 Hz100 发送的单音应以每秒125个单音(符号)的速率发出，每个单音持续8 ms，发出的码元速率应为375 b/s；发送字之间的过渡应与单音之间的过渡相一致。图4.1 短波自适应控制器硬件组成框图数字信号处理器处理的内容包括调制和解调、交织和解织、编码和译码、系统的同步、链路质量分析等。在发送端，数字序列经格雷编码、交织、三倍冗余后，送至8FSK调制器，即将比特信息转化为频率信息，再经D/A及低通滤波后送至发射机，其符号速率为125 Baud(波特)，比特速率为375 b/s该系统的8FSK中代表八进制码元符号的8个发送信号波形Si(t)(i=1，2

50、，8)具有以下特征： 0tT其他(4.5)在式(4.5)中，T=8 ms为码元宽度；E=A2T/2为码元信号能量，式(4.6)表明各波能量相等且彼此正交。为了减少谐波的输出，应使码元之间的相位连续，且8个频率等间隔地分布在7502500 Hz之间。(4.6)收端在8 ms码元中去掉4 ms受多径干扰部分，采用128点FFT进行解调和同步调整，将频率信息转化为比特信息，再经解冗余、解交织、格雷译码，从而恢复出发端数据，得到信令。将交织后码字冗余发送，其目的是便于接收端进行大数判决，保护所传送的数据，同时，在大数判决中检测到的错误也是测量误码率的依据。FFT有利于信号和噪声的分离，分为信号区和噪声

51、区，这样便可以进行通信链路质量分析，即测量信道的信噪比，其测量方法是在频域窗口里分别求出信号功率和噪声功率，即可得到信噪比。 研制自适应信号处理芯片，利用微处理机的软硬件技术实现高速编程信号处理器是自适应信号处理技术的发展方向。利用自适应信号处理芯片，可使自适应短波通信系统的复杂程度降低，体积和成本减少。由于信号处理芯片是可编程的，因此可以根据不同的自适应功能要求编程，改变信号处理器的软硬件功能，以适应不同系统的要求。3) 自适应控制技术在短波自适应通信系统中，自适应控制器是系统的指挥中心，是系统成败的关键。自适应控制系统是一种特殊的非线性控制系统，系统本身的特性(结构和参数)、环境及干扰特性

52、存在某种不确定性。在系统运行期间，系统本身只能在线地积累有关信息，进行系统结构有关参数的修正和控制，使系统处于所要求的最佳状态。 因为短波信道是一种极不稳定的时变信道，所以短波自适应系统属于随机自适应控制系统。通常，随机自适应控制系统是由被测对象、辨识器和控制器三部分组成的。辨识器根据系统输入/输出数据进行采样后，辨识出被测对象参数，根据系统运行的数据及一定的辨识算法，实时计算被控对象未知参数的估值和未知状态的估值，再根据事先选定的性能指标，综合出相应的控制作用。由于控制作用是根据这些变化着的环境及系统的数据不断辨识、不断综合出新的规律，因此系统具有一定的适应能力。目前，参数估计和状态估算的方

53、法很多，最优控制算法也很多，因而组成相应的随机自适应控制系统也是非常灵活的。某自适应通信系统的自适应控制器组成方框图如图4.2所示，自适应控制器功能的实现主要由显示控制板、信息处理板、音频接口板和调制/解调器板完成。图4.2 自适应控制器组成框图信息处理板完成自动线路建立(ALE)的功能，软件设计完全依据短波自适应通信系统自动线路的建立规程。信息处理板主要分为两个部分，每个部分由一个独立的处理器控制，即主CPU部分和从CPU部分。主CPU部分处理外部控制单元的控制信号，并实现对电台的设置，以及控制终端的输入/输出和对电台的控制、存储和调用LQA信息等。从CPU(TMS320C25)完成线路信号

54、质量的分析，并对发送的信号进行编码，对接收的信号进行解码。信号质量由误码率(SER)、信纳德(SINAD)和多径(MP)等评价参数来表征，这些参数被存储起来作为单向ALE判决或与其他台站交换后作为双向ALE判决，经与主CPU交换后储存在存储器中。另外，呼叫时接收到的命令代码经DSP解码后送到主CPU，主CPU解释命令代码后执行相应的操作。从CPU处理从主CPU接收到的ALE命令信息后，进行格雷编码和交织，每个ALE字通过重复发送来减少衰减、干扰和噪声的影响。ALE信号结构都由DSP编码实现，通过D/A转换后经接口板调整输出到发射机，接收到的ALE信号也从接口板输入经A/D转换后送到DSP解调，

55、取出信号传送的质量表征值，同时去交织和解码后的基本ALE字经双端口存储器送到CPU，主控CPU按ALE标准做出解释，并决定通信的进程和效果。 音频接口部分主要对音频信号进行处理，包括自适应呼叫时自适应音频的调整、放大，远程遥控发射机PTT音频的产生、调整、放大，独立边带音频输入经过调整、放大后上遥控线路，以及话音的压扩、调整、放大。同时，信息处理板与显示控制板之间的信号交换也在音频接口板进行。自适应呼叫时的ALE PTT控制、面板送话器PTT控制、面板电键KEY PTT控制经过音频接口板后，由PTT OUT输出，可实现对本地发射机的PTT控制。在短波自适应通信系统中，随着自适应功能不断增强，控

56、制的参数也不断增加，辨识器的功能和形式也逐渐增多，控制能力势必要增大，因此自适应控制器也相应地复杂起来，这就需要自适应设计者统观全局、综合分析，以尽可能减少被测对象，简单可行而又有效的辨识方法，获得尽可能多的自适应控制能力。4) 全自动频率管理技术短波自适应通信系统最主要的缺点是在有限的探测信道上进行信道评估，因此有可能在信道拥挤的夜间，选不出合适的频率来。信道测试表明，在选频性能上，频率管理系统优于短波自适应通信系统。例如，曾用Chirp频率管理系统和Autolink短波自适应通信系统做选频对比试验，Chirp系统(探测频率点为10 000个)在几分钟内总可以找到安静的信道，但Autolin

57、k系统(探测频率点为50个)很难保障所选最佳频率为安静频率点。因此有人提出如何实现频率管理系统和通信系统相结合的问题，以充分发挥频率管理系统的优点，解决它和通信系统分离的问题。Don.O.Weddle等人提出一种实现短波系统全自动频率管理的方法，这种方法的基础是连续不断地测量，连续不断地预测，连续不断地分配频率和连续不断地控制。测量、预测、分配、控制的整个过程在不停地进行，24小时的频率规划也在不断地更新和完善，从而能使网内各条通信线路自适应跟踪传播媒质的变化。5) 自动链路建立技术自动链路建立技术就是实时选频并自动选出最佳通信信道链结。实时选频采用实时信道估值(RTCE)技术，探测电离层传输

58、和噪声干扰的情况，即实时发射探测信号，根据接收端对收到的探测信号处理结果进行信道评估，实现自动选择最佳工作频率。RTCE是实时测量一组信道参数来描述这组信道的状态和对传输某种通信能力的过程。信道参数的选择要根据信道要传输的业务来决定。对于数据传输，信道参数包括信号能量、噪声能量及分布、多径展宽、多谱勒展宽、误码率；对于语音传输业务，被测参数还包括语音清晰度、基带频谱、失真系数等。自动链路建立需要采用的技术有：(1) 可靠性高的ALE标准调制解调器。它包括快速数字信号处理算法、信号检测技术、同步技术(位同步和帧同步)等。(2) 实用的链路质量分析(LQA)算法。它包括对误码率(BER)、信纳德(

59、SINAD)的计算及综合信道质量的评估。(3) ALE协议软件的可靠、高效实现。 具有以上技术的自动链路建立系统有以下五个特点：(1) 收发双方通过信令而不是人工来建立链路。(2) 具有RTCE功能，并能选择最优信道进行呼叫。(3) 信道估值和通信的一体化，这是区别于早期频率优选系统的重要标志。(4) 具有自动信道扫描功能。(5) 自动建立链路，降低对电台操作熟练程度的要求。 较早的短波通信系统采用电离层探测的方法来为通信系统选择最优频率，这类系统大多属于独立的信道探测系统。如1968年美国研制的CURTS系统(公共用户无线传输系统，简称自动选频和预报系统)、加拿大研制的CHEC系统。20世纪

60、70年代初，美国Barry公司开发出宽带Chirp系统，于1976年发展成为美军第一代战术频率管理系统。如AN/TRQ-35(V)系统，它发送Chirp探测信号完成230 MHz 频率上各种参数信号估算，能显示48个五个等级的优选频率，使短波通信的可靠性提高了101000倍，该系统己经装备了世界上许多国家的部队。20世纪80年代后，短波通信技术进入新的阶段，出现了美国RockwellCoffins公司的Selscan和ALQA系统(军用型号为 AN/ARC-190(V)系列)，它率先采用了先进的链路质量分析器ALQA，能完成信道的自动选择与建立及切换，收发信机快速调谐。该系统具有链路质量分析、