《短波通信系统》PPT课件.ppt

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1、中国地质大学机电学院 张惠捷 第第2章章 短波通信系统短波通信系统本章介绍本章介绍短波传输的特性与特点短波传输的特性与特点短波通信技术短波通信技术系统及发展系统及发展中国地质大学机电学院 张惠捷 本章主要内容：本章主要内容：（1）短波通信的特点；（2）短波通信的常用调制方式；单边带通信和调频通信的概念、基本原理、系统组成；（3）数据信号在短波信道上的传输问题；（4）重点介绍高频自适应和扩展频谱通信的原理及其在现代通信设备中的应用。中国地质大学机电学院 张惠捷 本章要求：本章要求：1掌握短波通信的特点。理解多径传播对通信系统性能的影响。2理解短波通信的调制方式，掌握单边带通信和调频通信的概念、基

2、本原理、系统组成。4理解数据信号在短波信道上的传输问题。5了解高频自适应和扩展频谱通信的原理及其在现代通信设备中的应用。中国地质大学机电学院 张惠捷 2.1 概述概述短波通信短波通信也称为高频（HF）无线电通信是指利用波长为100m10m（频率为3MHz30MHz）的电磁波进行的无线电通信。n一般也把中波的高频段（1.5MHz3MHz）归到短波波段，所以现有的许多短短波通信波通信设备，其波段范围往往扩展到波段范围往往扩展到1.5MHz30MHz。n短波通信被广泛地用于气象、通信导航等部门。中国地质大学机电学院 张惠捷 一、短波传输特性一、短波传输特性1短波的传播形式短波主要靠电离层反射（天波）

3、传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离几十公里以内传播。电波各种传播形式的特性简介电波各种传播形式的特性简介n（1）地波传播形式地波传播形式地波传播形式的频频率率范范围围大大约约是是1.5MHz5MHz。地波的衰减随着频率的升高而增大，传播距离和传播路径上媒介的电参数密切相关。不宜用做无线电广播或远距离通信。主要用在长距离点与点之间的通信，如船舶助航用。中国地质大学机电学院 张惠捷 （2）天波传播形式）天波传播形式天波靠电离层反射传播，可以进行远距离传播，可以超越丘陵地带，还可以在地波传播无效的很短的距离内建立无线电通信线路。所以对于短波通信线路，天波传播较地波传播更有意义。中国地质大学机

4、电学院 张惠捷 2 大气电离层的大气电离层的结构结构电离层由围绕地球的处于不同高度的3个导电层组成的，这3个导电层分别称为D层、E层、F层。中国地质大学机电学院 张惠捷 各导电层对短波传播的影响各导电层对短波传播的影响（l）D层：D层是最低层，在地球上空60km90km高度处。白天存在，夜间消失，所以在夜间不再对短波通信产生影响。D层中的衰减量远大于E层、F层中的，所以也称D层为吸收层层为吸收层。（2）E层：在在地地球球上上空空 100km120km高高度度处处，最大电子密度发生在110km处，白天基本不变。在通信线路设计和计算时，以110km作为E层高度。E层实际上对短波传播不起作用。中国地

5、质大学机电学院 张惠捷 （3）F层层：为反射层，在一般情况下，远距离短波通信都选用F层作为反射层。白天电离层包含D、E、F1和F2层，白天F层有两层：F1层位于地球上空170km220km高度处，F2层位于地球上空225km450km高度处。F2层在日落以后没有完全消失，仍保持剩余的电离，夜间F2层的电子密度较白天降低了一个数量级，所以夜间能反射的频率远低于白天。由此可以看出，若要保持昼夜短波通信，其工作频率必须昼夜更换，而且一般情况下夜间工作频率远低于白天工作频率。中国地质大学机电学院 张惠捷 二二 短波电离层传播的基本特性短波电离层传播的基本特性1 最高可用频率（最高可用频率（MUF）电波

6、斜射至电离层的入射角；d通信线路的长度；h电波反射点处电离层的虚高。中国地质大学机电学院 张惠捷 关于关于MUF的几点结论：的几点结论：（1）通信距离、反射层的电离密度改变，其MUF值改变。（2）当选用MUF作为工作频率时，一般情况下可能获得最佳接收。（3）一般情况下，FOT=0.85MUF。（4）实际通信线路白天和夜间各选用一个频率即可。中国地质大学机电学院 张惠捷 2 传输模式传输模式传输模式有单跳、多跳。依靠单电离层或多电离层反射构成电磁波传输路径。当通信距离2500km时，往往采用多跳，以获得较大的仰角。如利用F2反射一次，称为1F2传输模式。中国地质大学机电学院 张惠捷 3 多径传播

7、多径传播 多径传播多径传播：指电波通过若干条路径到达接收端。多径延时多径延时：多径延时是指电波在同一方向沿着不同路径传播时，到达接收端同一脉冲的各条射线间最大的允许延时差值。统计表明，一般延时差大于5ms的仅占0.5%。多径延时有下列特征多径延时有下列特征：（a）多径延时随着工作频率偏离MUF的增大而增大；（b）多径延时和通信距离存在一定关系；（c）多径延时随时间变化，因为电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。中国地质大学机电学院 张惠捷 4 衰落衰落在短波通信的接收端，信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰衰落落”。在短波传播中，衰落有快衰落和慢衰落之分。连续出现

8、持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快快衰衰落落，持续时间比较长的衰落（可能达1小时或者更长）称为慢衰落慢衰落。中国地质大学机电学院 张惠捷 衰落的种类（依衰落原因划分）衰落的种类（依衰落原因划分）（1）干干涉涉衰衰落落：由于多径传播，到达接收端的若干个信号的时间不同而造成的衰落。（2）吸收衰落：）吸收衰落：产生的原因是D层衰减特性的慢变化。（3）极化衰落）极化衰落中国地质大学机电学院 张惠捷 5 相位起伏（多普勒频移）相位起伏（多普勒频移）短波传播中存在的多径效应使信号的相位起伏不定。这种相位起伏也可以看成电离层不规则运动引起的高频载波的多普勒频移多普勒频移。多普勒频移在日出和日落期间呈现出较

9、大的数值。尤以发生磁暴时为甚（可达6Hz）。在电离层平静时期的夜间不存在多普勒效应，而在其他时间，对于单跳模式传播多普勒频移大约在1Hz2Hz的范围内。中国地质大学机电学院 张惠捷 三三 无线电干扰无线电干扰 无线电干扰分外部干扰和内部干扰。外部干扰是指接收天线从外部接收的各种噪声，如大气噪声、人为干扰、宇宙噪声等。内部干扰是指接收设备本身产生的噪声。在通信中对信号传输产生影响的主要是外部干扰。中国地质大学机电学院 张惠捷 四四 总结短波通信的特点总结短波通信的特点（1）主要靠电离层的反射实现远距离通信。（2）由于电离层的时变性，信号传播存在多种衰落和多径延时，使接收信号存在随机性和不稳定性。

10、（3）接收信号时强时弱，背景噪声较大，信噪比低，选择工作频率是很重要的。（4）短波通信在最佳工作频率时多径延时也在0.5ms左右，要使码元周期远大于0.5ms取为5ms，则RB为200波特，若要以更高的速率传输，则需采取一定的技术措施。在短波信道上传输数据时一般的传输速率2.4Kb/s。（5）短波通信中采用的各种新技术包括自适应技术、跳频技术，传输数据时采用抗干扰性强的调制解调技术和差错控制技术。中国地质大学机电学院 张惠捷 2.2 现代短波通信技术现代短波通信技术一常用的调制、解调技术调制的目的调制的目的（1）将消息变换为便于传送的形式。（2）提高性能，特别是抗干扰能力。（3）有效地利用频带

11、，高频无线传输就是频分复用。短波通信常用：短波通信常用：调幅AM、单边带SSB、频率调制FM中国地质大学机电学院 张惠捷 常用调制技术常用调制技术中国地质大学机电学院 张惠捷 二二 数据传输的相关技术数据传输的相关技术1 短波信道对数据传输的影响短波信道对数据传输的影响（1）多径效应引起的衰落。它使传输的数据信号幅度减小，甚至完全消失，是造成短波数据通信中出现突发错误的主要原因。（2）多径效应引起的波形展宽。它使传输的数据码元间互相串扰，是限制数据速率的主要原因。（3）电离层快速运动和反射层高度变化引起的多普勒频移。它使发射信号的频率结构发生变化，相位起伏不定，造成数据信号的错误接收。中国地质

12、大学机电学院 张惠捷 2 抗多径和抗衰落的主要措施抗多径和抗衰落的主要措施（1）高高频频自自适适应应技技术术：包括频率自适应、速率自适应、功率自适应、自适应均衡等。尤其是频率自适应，是目前抗多径和抗干扰的最有效措施。（2）抗衰落性良好的调制键控技术：如抗衰落性良好的调制键控技术：如时频调制技术。（3）分分集集接接收收技技术术：在给定信号形式的条件下，接收端通过接收信号的某些处理来提高系统的抗衰落和抗干扰能力。（4）差差错错控控制制技技术术：在短波数据传输系统中加入某种类型的差错控制技术，使接收端具有检测和纠正信息错误部分的能力。差错控制技术和前面提到的各种技术不同，不论是由多径、衰落或干扰造成

13、的数据错误接收，在一定条件下，绝大部分都能通过差错控制系统纠正，从而提高了系统的通信质量。中国地质大学机电学院 张惠捷 3 分集接收技术分集接收技术（1）采用分集接收的原因短波通信中存在由多径干涉产生的决衰落，衰落深度常达40dB，偶尔达80dB。仅靠加大发射功率来克服快衰落，实际上付不起那么大的“功率”代价。（2）什么是分集接收利用接收到的多个信号的适当组合或选择，从而达到提高通信质量和可通率的技术。中国地质大学机电学院 张惠捷 分集接收技术包括分集接收技术包括1）信号的分散传输，以求在接收端获得多个独立衰落的信号样品。2）信号合并（也称信号的组合），是指接收端收到多个独立衰落的信号后如何合

14、并的问题。3）分集方式）分集方式分集的方式（即指信号分散传输的方式）有间分集、时间分集、极化分集和角度分集等，时频调制也可看作分集的一种方式，称为“时频编码分集”。中国地质大学机电学院 张惠捷 （4）合并方式）合并方式1）选择式：选择信噪比最强的一路输出。2）等增益合并：各路信号合并时的加权系数都相等。3）最大比值合并：各路信号合并时，加权系数按各路的信噪比自适应地调整，以求合并后获得最大信噪比输出。中国地质大学机电学院 张惠捷 4差错控制技术差错控制技术（1）必要性：）必要性：在通信系统中加入某种类型的差错控制系统，使接收端具有检测和纠正错误数据信息的能力。（2）短波通信线路中差错的特点）短

15、波通信线路中差错的特点：随机性、突发性、混合性。（3）差错控制方式）差错控制方式差错控制方式基本分两类。一类称为反馈纠错，简称ARQ。另一类称为前向纠错(FEC)方式。在这两类的基础上又派生出混合纠错(HEC)方式。中国地质大学机电学院 张惠捷 （l）传输高速数据的并行体制）传输高速数据的并行体制把高速串行信道分裂成许多低速的并行信道。经单边带发射机完成频率搬移和功率放大后由天线发射出去。在短波电离层信道上已不再是高速数据传输，而是分裂成多路同时并发的低速传输。因此，并行制也称为频分多路并发体制。并行制也称为频分多路并发体制。在接收端，单边带接收机输出的多路数据信号经分路滤波器分路后解调，获得

16、低速数据信号，再经并串变换后恢复成高速数据流。多路并发体制避免了由于多径传播引起的码间串扰，技术成熟、成本低，至今仍被广泛使用，但多路信号并发，分散了发射机的功率。中国地质大学机电学院 张惠捷 三三 自适应通信技术自适应通信技术 1 基本概念基本概念 1）短短波波天天波波通通信信的的频频率率预预测测以以及及采采用用高高频频自自适适应应的的必必要要性性为了确定某一条通信链路，必须在通信前完成“频率预测”的任务。在短波通信线路上采用高频自适应来实时预报频率，可提供较可靠的高质量的通信线路。综上所述，高频自适应系统在短波通信中出现决不是偶然的，是短波信道特性的时变性和拥挤性的必然趋势。任何一个高频自

17、适应系统都必须完成实时探测信道特性和干扰分布情况的双重任务，系统提供的最佳工作频率是综合分析这两方面数据的结果。完 成 上 述 任 务 采 用 的 技 术 统 称 为“实实 时时 信信 道道 估估 值值（RTCE）”技术。中国地质大学机电学院 张惠捷 2）高频自适应通信：）高频自适应通信：指高频通信系统具有适应通信条件变化的能力。通通信信条条件件：传播条件、大气噪声、人为干扰及被传输信息的形式。自自适适应应包包括括：频率自适应、功率自适应、速率自适应、分集自适应、自适应均衡和自适应调零天线。3）实现频率自适应的方法）实现频率自适应的方法利用RTCE技术测量和分析各种环境参数，根据综合分析和计算

18、的结果建立一条工作在最佳频率上的通信线路。中国地质大学机电学院 张惠捷 四四 扩展频谱技术扩展频谱技术1 扩展频谱通信的基本概念和理论基础扩展频谱通信的基本概念和理论基础（1）定义：扩扩频频通通信信的信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽通过编码及调制的方法实现，与所传信息数据无关；在接收端用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。（2）理论基础：仙农（Shannon）的有关信道容量的公式：P为信号功率，N为白噪声功率，W为频带宽度，C称为传输速率中国地质大

19、学机电学院 张惠捷 2 扩频通信的主要特点扩频通信的主要特点抗干扰性强抗干扰性强隐蔽性好隐蔽性好可实现码分多址可实现码分多址抗多径干扰抗多径干扰能精确地定时和测距能精确地定时和测距中国地质大学机电学院 张惠捷 3 扩展频谱通信系统的原理组成扩展频谱通信系统的原理组成中国地质大学机电学院 张惠捷 4 扩展频谱通信系统的方式及原理扩展频谱通信系统的方式及原理1）直接序列扩展频谱系统（）直接序列扩展频谱系统（DSSS）直接序列扩频系统是由待传信息信号与高速率扩频码（伪随机码），如m序列发生器的波形相乘后直接控制射频信号的某个参量而扩展了传输带宽得名的。中国地质大学机电学院 张惠捷 2）跳频扩频系统（

20、）跳频扩频系统（FH-SS）：数字信息与二进制伪码序列模2相加后构成跳频指令（又称跳跳频频图图案案）离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变，跳变系统可以随机选取的频率数通常是几千到220个离散频率。FHSS实际上是一个“多多频频、选选码码和和移移频频键键控控”系统。在跳频系统中，控制频率跳变的指令码的速率没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳。在FHSS中，扩展颇带的宽度是由跳变的频率总数和频率跳变的最小间隔决定的。中国地质大学机电学院 张惠捷 3）跳跳时时扩扩频频系系统统（THSS）：跳时是用伪码序列启闭信号的发射时刻和时间。发射信号的“有”

21、、“无”同伪码序列一样是伪随机的，跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成“时时 频频 跳跳 变变”系 统。主 要 用 于 时 分 多 址（TDMA）通信。4）混混合合式式：以上3种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如FHDS、THDS、FHTH等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有更优良的性能。中国地质大学机电学院 张惠捷 2.3 现代短波通信系统现代短波通信系统 系统组成及基本原理系统组成及基本原理中国地质大学机电学院 张惠捷 25 短波通信的发展短波通信的发展1小型化小型化小型化是电子技术最新成果在电台整机中应用的具体体现。电台中大量采用微小型元器件、贴片元件

22、、大规模集成电路和混合集成电路，采用新材料、新工艺，使整机体积、重量明显降低，其兼容性、可靠性明显提高，结合智能化、数字化、网络化，使电台的功能增加，更适于灵活机动，扩大了电台的运用领域和范围。中国地质大学机电学院 张惠捷 2跳频高速化跳频高速化频率跳变速度是跳频电台的重要指标，跳速高，才能保证低截获、低检测概率和抗干扰能力强的跳频通信的优势。具有关资料介绍，世界已有5000次秒的高速跳频电台，它将彻底克服无线通信中的多径延时带来的多径干扰问题，因为电台改变频率之快足以使接收机接收不到延时信号。中国地质大学机电学院 张惠捷 3直扩与跳频相结合直扩与跳频相结合单一的跳频通信系统有不足之处，如传输

23、数据比传输话音的通信距离近，主要是多径效应产生码间串扰所致。传输数据时，由于个别跳频频率难免遇到干扰或“碰撞”，将出现突发差错，引起误码。由于这些问题的存在，人们设想更好地提高跳频通信系统的能力，目前世界上已有直扩与跳频相结合的扩频通信体制，它同时发挥了直接序列扩频和跳频的优势，克服两者的弊端。其最大的优势就是两者结合可以明显提高抗干扰容限和抗截获能力，同时增大通信距离和通信的可靠性。中国地质大学机电学院 张惠捷 4 软件无线电软件无线电人们设想一种信源，通过不同的调制方式，覆盖长波、中波、短波、超短波、微波等波段同时发送出去，在不同的地域根据不同的传播路径和不同解调方式接收到一种原始信源而达

24、到可靠通信的目的，这是一种理想的通信手段。20世纪90年代初，美国开始研究军用软件无线电，定义为多多频频段段、多多功功能能的的无无线线电电台台（MBMMR）。1994年8月，美军进行了成功演示。这不仅表明软件无线电在技术上是完全可行的，还代表了未来军用无线电台的发展趋势。软件无线电是一种基于宽带AD器件、高速DSP芯片，以软件为核心的崭新体系结构。中国地质大学机电学院 张惠捷 软件无线电主要特点如下：软件无线电主要特点如下：（1）灵活性。软件无线电在射频或中频对接收信号数字化，通过软件编程灵活地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码

25、及加密解密功能。（3）开放性。软件无线电特别强调开放性，无论在机械结构还是电气特性等方面都采用标准化、模块化的结构，保证了通过更新软件版本、个别的硬件模块，软件无线电就可以像个人计算机（PC）一样不断地升级换代，具有较长的生命周期。（2）适应性。软件无线电高度可编程性使新业务、新技术的引入十分方便、经济，只需要在电台加载新的软件模块即可实现，大大降低了系统开发成本，缩短了设备研制周期。中国地质大学机电学院 张惠捷 理想的软件无线电台框图如图理想的软件无线电台框图如图25所示：所示：中国地质大学机电学院 张惠捷 软件无线电台优点如下：软件无线电台优点如下：（1）软件无线电的特点和体系结构保证电台

26、的模块化、通用化、系列化设计，有利于统一三军电台装备的技术体制。（2）软件无线电的使用可以大大减少无线电设备保密机的品种和数量，降低电台的装备费用和维修费用。（3）通过集成各种通信频段、调制方式、抗干扰模式及灵活的组网方式，软件无线电能够使各军兵种之间的协同通信能力明显增强。（4）在软件无线电的引入过程中，部队不仅可以保留品种多、数量庞大的老电台资源，还能使这些老装备更好地发挥作用，实现新老电台的“渐变”过渡。软件无线电技术的运用可以节省大量经费。（5）未来的软件无线电甚至可以实现无感觉地自动选择并接入不同的通信网络，选择最佳的通信模式，发送探寻信号建立通信链路，采用合适的通信协议和信号格式进

27、行通信。中国地质大学机电学院 张惠捷 本章小结本章小结1短波依靠电离层的反射可建立几千公里的远距离通信线路。电离层是在太阳紫外线作用下的稀薄大气电离而成，又分为D、E、F三层，对电波起反射作用的主要为F2层。过低的电波将受到很大的吸收损耗而不能使用，过高的频率将穿过电离层不被反射回地面，达不到通信的目的。2 电离层反射有多种传输模式，形成多径传播，引起接收信号的干涉性衰落；用于数据传输时还将引起码间干扰。采用接近最高反射频率的最佳工作频率，可较大程度地减轻多径效应。由于电离层受太阳辐射的影响，因此，其特性随时间而变化，即随白天、夜晚、季节以及太阳黑子活动周期而变化，如在太阳磁爆时会引起通信中断

28、。中国地质大学机电学院 张惠捷 3短波通信系统几乎都采用（独立）单边带体制。工程上通常都采用边带滤波器产生单边带信号。4短波通信用于传送数据时，多径效应对其速率有严格限制，否则将产生严重的码间干扰。5 多路并行体制利用多个副载波通道同时传送低速数据，在保证码间干扰较小的情况下可提高一个话路内总的数据速率。串行体制须采用复杂的自适应技术，以克服码间干扰。中国地质大学机电学院 张惠捷 本章作业：本章作业：1短波的波长分别是多少？短波的主要传播形式是什么？地波传播的特点是什么？天波传播的特点是什么？2电离层由几层组成？高度各为多少？随时间不同，特性有何变化？3什么是最高可用频率？通常如何确定？4多径

29、传输对通信有何影响？5衰落可分为几种情况？6无线电干扰的分类如何？各自对通信有何影响？7短波通信系统中抗干扰的途径有哪些？中国地质大学机电学院 张惠捷 本章作业：本章作业：1短波的波长分别是多少？短波的主要传播形式是什么？地波传播的特点是什么？天波传播的特点是什么？2电离层由几层组成？高度各为多少？随时间不同，特性有何变化？3什么是最高可用频率？通常如何确定？4多径传输对通信有何影响？5衰落可分为几种情况？6无线电干扰的分类如何？各自对通信有何影响？7短波通信系统中抗干扰的途径有哪些？中国地质大学机电学院 张惠捷 8短波通信系统中传统的主要调制技术有几种？9在短波通信系统中广泛采用抗衰落和抗多

30、径的措施有几个？10分集接收的分集方式分类有哪些？分集接收的合并方式有几类？11差错控制方式有几类？各有何优缺点？12如如何何用用仙仙农农公公式式解解释释在在信信息息传传输输速速率率不不变变的的条件下频带与信噪比的关系？条件下频带与信噪比的关系？13短波通信中为什么要采用高频自适应技术？14扩展频谱通信有什么主要特点？扩展频谱通信有几种方式？中国地质大学机电学院 张惠捷 第一章思考题第一章思考题1现代通信系统主要由哪些硬件和软件构成？2通信网拓扑结构有几种基本形式？各有什么特点？3当前通信网中开放的主要业务有哪些？4简述通信网的分类。5现代通信系统与通信网的主要研究内容有哪些？6简述通信网的发展趋势。中国地质大学机电学院 张惠捷 1短波的波长分别是多少？短波的主要传播形式是什么？地波传播的特点是什么？天波传播的特点是什么？2电离层由几层组成？高度各为多少？随时间不同，特性有何变化？3什么是最高可用频率？通常如何确定？4多径传输对通信有何影响？5衰落可分为几种情况？6无线电干扰的分类如何？各自对通信有何影响？7短波通信系统中抗干扰的途径有哪些？本章作业：本章作业：