短波和超短波通信系统.ppt
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1、第二章第二章 短波和超短波通信系统短波和超短波通信系统一、短波信道和超短波信道的特性一、短波信道和超短波信道的特性二、短波通信系统二、短波通信系统三、短波自适应通信系统三、短波自适应通信系统四、短波通信系统的应用与发展四、短波通信系统的应用与发展五、超短波通信系统五、超短波通信系统一、短波信道和超短波信道的特性一、短波信道和超短波信道的特性(一)短波和超短波传播的形式(一)短波和超短波传播的形式(二)短波在电离层中的传播特性(二)短波在电离层中的传播特性(三)改进无线传输质量的主要措施(三)改进无线传输质量的主要措施1最高可用频率(最高可用频率(MUF)2传输模式传输模式3多经传播多经传播4衰
2、落衰落5相位起伏(多普勒频移)相位起伏(多普勒频移)6静区静区7昼夜间信号差别昼夜间信号差别(二)短波在电离层中的传播特性(二)短波在电离层中的传播特性(二)短波在电离层中的传播特性(二)短波在电离层中的传播特性4衰落衰落短波在电离层传播过程中,短波在电离层传播过程中,由于多径传播等原因,使接收端由于多径传播等原因,使接收端的信号出现叠加(干涉),接收的信号出现叠加(干涉),接收信号的强度出现忽大忽小的随机信号的强度出现忽大忽小的随机起伏,称为衰落。多径干涉是引起伏,称为衰落。多径干涉是引起衰落的主要原因,此外电离层起衰落的主要原因,此外电离层特性的变化等因素也会引起衰落。特性的变化等因素也会
3、引起衰落。4衰落衰落衰落有快衰落和慢衰落之分,连续出现持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;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(持续时间比较长的衰落(1小时或者更长)称为小时或者更长)称为慢衰落。根据衰落产生的原因,可分为以下慢衰落。根据衰落产生的原因,可分为以下3种衰落。干涉衰落、吸收衰落、极化衰落。种衰落。干涉衰落、吸收衰落、极化衰落。4衰落衰落(1)干涉衰落)干涉衰落若从线路发送端发射恒定幅度的高频信号,由于多径传播,若从线路发送端发射恒定幅度的高频信号,由于多径传播,到达接收端的射线不是一条,而是多条。到达接收端的射线不
4、是一条,而是多条。这些射线通过不同的路径,到达接收端的时间不同,传播这些射线通过不同的路径,到达接收端的时间不同,传播的距离不同,遭受的衰减不同,所以到达接收端后的幅度也各不的距离不同,遭受的衰减不同,所以到达接收端后的幅度也各不相同。相同。再者由于电离层的电子密度、高度均是随机变化的,电波再者由于电离层的电子密度、高度均是随机变化的,电波射线轨迹也随之变化,这使得同一信号由多径传播到达接收端后射线轨迹也随之变化,这使得同一信号由多径传播到达接收端后信号之间不能保持固定的相位差,使合成的信号振幅随机起伏。信号之间不能保持固定的相位差,使合成的信号振幅随机起伏。这种衰落由到达接收端的若干个信号干
5、涉造成,故称这种衰落由到达接收端的若干个信号干涉造成,故称“干涉衰落干涉衰落”。(1)干涉衰落)干涉衰落干涉衰落有下列特征。干涉衰落有下列特征。具有明显的频率选择具有明显的频率选择性性即对不同频率的信号具即对不同频率的信号具有不同的衰落特性,因此也有不同的衰落特性,因此也称称“选择性衰落。通过试验选择性衰落。通过试验证明,当两个信号频率差值证明,当两个信号频率差值大于大于400Hz时,他们的衰时,他们的衰落特性相关性就很小了。落特性相关性就很小了。(1)干涉衰落)干涉衰落根据此特点,可以采根据此特点,可以采用频率分集的方法克服用频率分集的方法克服这种衰落。这种衰落。(1)干涉衰落)干涉衰落衰落
6、信号的振幅服从瑞利分布衰落信号的振幅服从瑞利分布在非骚动短波传播期间,也就是不存在电离层在非骚动短波传播期间,也就是不存在电离层暴变的时期,电场强度的快变化主要来源于干涉衰暴变的时期,电场强度的快变化主要来源于干涉衰落,少量时刻也可能是由于极化衰落。落,少量时刻也可能是由于极化衰落。(1)干涉衰落)干涉衰落衰落信号的振幅服从瑞利分布衰落信号的振幅服从瑞利分布通过长期的观察,证实了遭受快衰落的电场强度振幅服通过长期的观察,证实了遭受快衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。可以证明,在瑞利分布条件下,到达或超过某从瑞利分布。可以证明,在瑞利分布条件下,到达或超过某给定电场强度值的时间百分数给定电场强度值
7、的时间百分数T可由下式计算。可由下式计算。(1)干涉衰落)干涉衰落式中式中 E为给定的电场强度值;为给定的电场强度值;Emed为电场强度中值。为电场强度中值。根据上式,可画出瑞利衰落下接收端电场强度的根据上式,可画出瑞利衰落下接收端电场强度的概率分布曲线。概率分布曲线。(1)干涉衰落)干涉衰落(1)干涉衰落)干涉衰落从曲线上可以查到:电场强从曲线上可以查到:电场强度达到或超过中值的时间为整个度达到或超过中值的时间为整个观察时间的观察时间的50%。若降低给定值。若降低给定值E,如,如med,低于中值,此时低于中值,此时T=90%;若;若med,低于中值低于中值20dB,此时,此时,T=99.3%
8、。(1)干涉衰落)干涉衰落此曲线图在短波线路设计中此曲线图在短波线路设计中非常有用,可以用它来计算为提非常有用,可以用它来计算为提高线路可通率所需要额外增加的高线路可通率所需要额外增加的功率。例如已经计算出保证功率。例如已经计算出保证50%可通率需要的发射功率为可通率需要的发射功率为100W,现要求可通率提高至,现要求可通率提高至90%,即,即保证在保证在90%的时间内,线路保持的时间内,线路保持原有的通信质量,发射机应增加原有的通信质量,发射机应增加多少功率呢?多少功率呢?(1)干涉衰落)干涉衰落从右图曲线上可以查到,当从右图曲线上可以查到,当可通率可通率T=90%时,接收端的电场时,接收端
9、的电场强度强度E将跌落到中值将跌落到中值Emed的倍,的倍,接收功率跌落到中值的倍,所以接收功率跌落到中值的倍,所以要达到原有的通信质量,发射机要达到原有的通信质量,发射机功率应增加倍。即发射功率功率应增加倍。即发射功率PT=660W。(1)干涉衰落)干涉衰落我们把功率增加的倍数称为我们把功率增加的倍数称为“功率余量功率余量”,也称,也称“对快衰落对快衰落的防护度的防护度”,通常用分贝表示。,通常用分贝表示。因此,也可以这样说,为了保证因此,也可以这样说,为了保证90%的可通率,留有的功率余量的可通率,留有的功率余量为:为:(1)干涉衰落)干涉衰落同理,若要求可通率达到同理,若要求可通率达到9
10、9.3%,功率余量就应增加到,功率余量就应增加到20dB,即要求功率增加即要求功率增加100倍,倍,PT=10000W。由此可以看出,。由此可以看出,对于短波线路,由于快衰落的存对于短波线路,由于快衰落的存在,可通率受到一定的限制。在,可通率受到一定的限制。(1)干涉衰落)干涉衰落并且,单纯靠增加发射功率来提高可通率是极不并且,单纯靠增加发射功率来提高可通率是极不经济的。近年来,在短波线路上广泛采用分集接收经济的。近年来,在短波线路上广泛采用分集接收技术、时频调制技术以及差错控制技术来对抗衰落,技术、时频调制技术以及差错控制技术来对抗衰落,使得正常的瑞利衰落信道上传输数据时,用不太大使得正常的
11、瑞利衰落信道上传输数据时,用不太大的功率获得线路的高可通率。的功率获得线路的高可通率。(1)干涉衰落)干涉衰落干涉衰落是一种快衰落干涉衰落是一种快衰落根据大量的测量值表明干涉衰落的速率大约为根据大量的测量值表明干涉衰落的速率大约为1020次次/min,衰落深度可达,衰落深度可达40dB(低于中值),偶尔(低于中值),偶尔达达80dB。衰落持续时间通常在。衰落持续时间通常在420ms范围内,是一种范围内,是一种快衰落,与吸收衰落有明显的差别。持续时间的长短可用快衰落,与吸收衰落有明显的差别。持续时间的长短可用于判别是吸收衰落还是干涉衰落。于判别是吸收衰落还是干涉衰落。4衰落衰落(2)吸收衰落)吸
12、收衰落产生吸收衰落的原因是产生吸收衰落的原因是D层衰减特性的慢变化,层衰减特性的慢变化,其时间最长可以持续其时间最长可以持续1小时或更长,因此吸收衰落小时或更长,因此吸收衰落属于慢衰落。由于吸收衰落是电离层吸收的变化属于慢衰落。由于吸收衰落是电离层吸收的变化引起的,所以它有年、月、季节和昼夜的变化。引起的,所以它有年、月、季节和昼夜的变化。吸收衰落有下列特征:吸收衰落有下列特征:(2)吸收衰落)吸收衰落接收点信号幅度的变化比较慢,其周期从几分接收点信号幅度的变化比较慢,其周期从几分钟到几小时(包括日变化)。钟到几小时(包括日变化)。对短波整个频段的影响程度是相同的(不存在对短波整个频段的影响程
13、度是相同的(不存在频率选择性)。频率选择性)。克服吸收衰落,除了正确地选择频率外,在设克服吸收衰落,除了正确地选择频率外,在设计短波线路时只能靠留功率余量来补偿电离层吸计短波线路时只能靠留功率余量来补偿电离层吸收的增大。收的增大。4衰落衰落(3)极化衰落)极化衰落电波被电离层反射后,其极化已不再和发射天电波被电离层反射后,其极化已不再和发射天线辐射时的相同。发射到电离层的平面极化射线线辐射时的相同。发射到电离层的平面极化射线经电离层反射后,由于地磁场的作用,分为两条经电离层反射后,由于地磁场的作用,分为两条椭圆极化射线,经合成形成接收地点的椭圆极化椭圆极化射线,经合成形成接收地点的椭圆极化波。
14、椭圆长轴的大小和相位随着传播路径上电子波。椭圆长轴的大小和相位随着传播路径上电子密度的随机变化而不断变化,导致接收信号强度密度的随机变化而不断变化,导致接收信号强度发生变化。发生变化。(3)极化衰落)极化衰落极化衰落出现的概率远小于干涉衰落。粗略估极化衰落出现的概率远小于干涉衰落。粗略估计,极化衰落仅占全部衰落的计,极化衰落仅占全部衰落的10%15%。极。极化衰落发生时,接收端的电压值均较未衰落时下化衰落发生时,接收端的电压值均较未衰落时下降降3dB。为了避免这种极化衰落,可以采用几副。为了避免这种极化衰落,可以采用几副具有不同极化方式的接收天线,并且通过选择电具有不同极化方式的接收天线,并且
15、通过选择电路接到接收机输入端。选择电路总使接收最强信路接到接收机输入端。选择电路总使接收最强信号的那副天线接到接收机输入端。这种方法称为号的那副天线接到接收机输入端。这种方法称为极化分集极化分集。4衰落衰落综上所述,分集接收是克服信号衰落的有效方法。短综上所述,分集接收是克服信号衰落的有效方法。短波通信系统中,通常利用相距波通信系统中,通常利用相距300米的两副天线获取两个米的两副天线获取两个衰落近于不相关的信号样本,或者利用两个工作于不同频衰落近于不相关的信号样本,或者利用两个工作于不同频率(频率相差在率(频率相差在400Hz以上)的接收机获取两个衰落互不以上)的接收机获取两个衰落互不相关的
16、信号样本,然后按一定规则将两个信号样本相加相关的信号样本,然后按一定规则将两个信号样本相加(合并),合成的信号电平将比较平稳,衰落程度将大为(合并),合成的信号电平将比较平稳,衰落程度将大为减轻。上述利用两副不同位置的天线进行分集的方法称为减轻。上述利用两副不同位置的天线进行分集的方法称为二重空间分集,而利用两个不同频率传输的方法称为二重二重空间分集,而利用两个不同频率传输的方法称为二重频率分集。增加所利用的天线或频率数目,可使分集重数频率分集。增加所利用的天线或频率数目,可使分集重数增加。增加。(二)短波在电离层中的传播特性(二)短波在电离层中的传播特性5相位起伏(多普勒频移)相位起伏(多普
17、勒频移)短波在传播过程中存在多径效应,不仅使接收点的信短波在传播过程中存在多径效应,不仅使接收点的信号振幅发生随机变化,也使信号的相位起伏不定。即使只号振幅发生随机变化,也使信号的相位起伏不定。即使只存在一条射线,也就是单一模式传播的条件下,由于电离存在一条射线,也就是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,使得传层经常性的快速运动以及反射层高度的快速变化,使得传播路径的长度不断变化,信号的相位也会发生变化,使信播路径的长度不断变化,信号的相位也会发生变化,使信号的频率结构发生变化,频谱产生畸变。这种频率发生变号的频率结构发生变化,频谱产生畸变。这种频率发生变
18、化,畸变的现象称为多普勒频移。化,畸变的现象称为多普勒频移。多普勒频移在日出和日落期间呈现出更大的数值,此多普勒频移在日出和日落期间呈现出更大的数值,此时很容易影响采用小频移的窄带电报的传输。此外,在发时很容易影响采用小频移的窄带电报的传输。此外,在发生磁暴时,将产生更大的多普勒频移。在电离层平静的夜生磁暴时,将产生更大的多普勒频移。在电离层平静的夜间,一般不存在多普勒效应,而在其他时间,多普勒频移间,一般不存在多普勒效应,而在其他时间,多普勒频移大约在大约在12Hz的范围内。当发生磁暴时,频移最高可达的范围内。当发生磁暴时,频移最高可达6Hz。以上给出的。以上给出的26Hz的多普勒频移是对于
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