劉 冰 張福寶 武警士官學(xué)校 浙江省杭州市 310000

0 引言

1924年，隨著第一條短波通信線路的建立，短波通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。近年來，隨著新技術(shù)、新裝備的接連問世，短波通信技術(shù)作為保底通信手段，在軍事通信中起到至關(guān)重要的作用，是唯一利用電離層反射進行中遠距離傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，在遂行通信保障任?wù)中不可或缺。而電離層是大氣層中天然形成的，也是短波通信遠距離傳輸時的主要媒介，通過對電離層特性的深度分析，發(fā)現(xiàn)電離層特性與短波通信的特定規(guī)律，對提升短波通信信號質(zhì)量至關(guān)重要。

1 短波通信與電離層的關(guān)系

1.1 短波通信傳輸特性

短波通信主要傳輸方式為天波傳輸和地波傳輸。由于地表對電磁波有一定吸收作用，加之地波繞射能力較差，有效的傳輸距離有限，因此地波一般只適用于近距離傳輸。而天波傳輸可靠電離層反射進行遠距離傳輸，信號損耗也相對較少，在傳輸過程中不需要人造中繼即可實現(xiàn)遠距離傳輸。

1.2 電離層特性

電離層存在于大氣層當(dāng)中，距離地表約60 km 以上，溫度在180 K到3000 K之間，是地球大氣的一個重要層區(qū)。主要由于太陽輻射、紫外線照射、宇宙射線等作用于地球大氣層，使之分裂生成帶負電荷的電子和帶正電荷的離子以及中性粒子組成的電離層。

衡量電離層特性最重要的參數(shù)是電子密度，根據(jù)電子密度的分布，電離層劃分如圖1所示，各層電子密度D＜E＜F1＜F2。各層級的高度會隨著所處地區(qū)的緯度、季節(jié)、晝夜、太陽黑子活動等不同自然因素做出周期性或非周期性的變換。夜晚由于太陽電磁輻射降低，D層幾乎消失，E層和F層電子密度也有不同程度的降低。電子密度受太陽輻射影響一般規(guī)律為，夏季高于冬季，低緯度高于高緯度，白天高于夜晚。除此之外，電子密度還會受到高空核試驗、核輻射、大功率雷達輻射等人為因素影響，極易受到干擾。

1.3 電離層特性對短波通信的影響

電離層屬于一種具有隨機性、各向異性等特性的半導(dǎo)體介質(zhì)，由于電離層的隨機性也就注定了短波天波傳輸?shù)臉O不穩(wěn)定性，通常表現(xiàn)在電離層對電磁波的折射、反射、吸收、衰落等方面。

1.3.1 電離層的折射、反射和吸收

短波使用天波傳播時，會出現(xiàn)折射和反射的情況，電離層電子密度愈高、短波工作頻率愈低，電離層對電磁波的折射率和反射率越高［1］。超短波與微波由于頻率較高，一般不會被電離層反射而直接擊穿。電磁波傳播經(jīng)過電離層時，將導(dǎo)致電離層帶電粒子相互碰撞，消耗能量，發(fā)生能量吸收。電離層電子密度越高，電磁波頻率越低，吸收作用則越大，反之亦然。因此，當(dāng)電子密度過大，信號頻率過低時，接收機所需最低解調(diào)門限信噪比不能被滿足，將導(dǎo)致短波通信失敗。

1.3.2 衰落

電離層每時每刻都在發(fā)生著變化，使得接收端的信號強度也在發(fā)生著時強時弱，時有時無的變化，產(chǎn)生衰落甚至是失真。即使處于電離層相對平穩(wěn)的時期，也不會接收到穩(wěn)定的信號。

（1）干涉性衰落

由于電離層不穩(wěn)定的特性，當(dāng)收信方接收到兩路或多個路徑經(jīng)電離層反射傳來的信號時，相位很難確保一致，便形成衰落。如果各路信號相位保持一致，則收信方信號增強，反之則會削弱信號。

（2）選擇性衰落

短波通信會受頻率選擇的高低出現(xiàn)無規(guī)律的變化，在某個時間段內(nèi)，經(jīng)過電離層的某個頻率會出現(xiàn)明顯衰落［2］。

2 短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規(guī)律

天波靠電離層傳輸信號時，頻率選擇相對復(fù)雜，需結(jié)合電離層特性。工作頻率過低，短波會被電離層吸收，無法達到信號的反射要求；若所用頻率大于某一臨界值會造成穿透電離層的現(xiàn)象。這個臨界頻率就是最高可用頻率MUF（Maximum Usable Frequency）。一般情況下頻率選擇應(yīng)符合以下規(guī)律：遠距離通信相比于近距離通信時所使用的頻率更高，白晝相比于黑夜所使用的頻率更高，酷暑季節(jié)相比于寒冬季節(jié)所使用的頻率更高，低緯度地區(qū)在選頻時一般高于高緯度地區(qū)，當(dāng)進行較遠距離通信且通信方向為東西走向時，由于受地球自西向東自轉(zhuǎn)影響，一般采用不同的收發(fā)頻率以保證通信質(zhì)量。如果當(dāng)前頻率通聯(lián)效果不理想，可以根據(jù)電離層特性的一般規(guī)律進行改頻：臨近太陽初升，如果通信質(zhì)量變差，可根據(jù)晝高夜低的規(guī)律適當(dāng)將頻率調(diào)高；臨近日落時分，如果通信質(zhì)量變差，可適當(dāng)將頻率調(diào)低；傍晚時分，如果信號逐漸增強，之后又突然中斷，可將頻率適當(dāng)調(diào)低；當(dāng)太陽磁暴發(fā)生時，所使用的頻率一般要低于平時所用頻率。短波在進行天波傳輸時，所選用頻率要與電離層特性密切匹配，需結(jié)合實際經(jīng)常變換頻率以保證通信質(zhì)量。

3 改善短波天波傳輸時信號質(zhì)量與穩(wěn)定性的方法

3.1 短波天線選擇

短波通信質(zhì)量的好壞與所選用天線及天線架設(shè)方式有很大關(guān)系［3］。選用天線的尺寸一般為所發(fā)射頻率波長的二分之一，短波所使用的頻段范圍較低，波長較長，因此所使用的天線尺寸較大。在進行天波傳輸時要選用相對應(yīng)的天波天線。在進行遠距離通信時，不僅要考慮天線架設(shè)高度，天線架設(shè)的角度也尤為重要，通過改變天線的角度，調(diào)整天線仰角，以實現(xiàn)遠距離通信。在定向通信時，要考慮天線架設(shè)的方位，應(yīng)與通信方向一致，確保發(fā)揮最大效能。除此之外，架設(shè)天線時還需要考慮周邊的地形以及有無較大物體遮擋，一般選在視野開闊場地進行架設(shè)。

3.2 短波頻率預(yù)測

短波頻率預(yù)測可分為長期預(yù)測與短期預(yù)測，主要是根據(jù)太陽黑子預(yù)報值、通信雙方所處地理位置（經(jīng)緯度）以及通信設(shè)備功率等參數(shù)，結(jié)合電離層特性進行預(yù)測［4］。詳見表1，除通信距離外，在數(shù)據(jù)傳播時多徑效應(yīng)帶來的干擾程度與通信線路選擇的頻率也密切相關(guān)。由于長期預(yù)測推算出的最高可用頻率，沒有將隨時間變化的參量計算進去，事實上也幾乎不可能將隨時間變化的乘性干擾進行精準(zhǔn)預(yù)測，因此長期預(yù)測只能確定一個大概的頻率范圍，有助于在頻率選擇時排除低質(zhì)量頻率。為提升頻率預(yù)測的精準(zhǔn)度，在實際運用中一般采用長期預(yù)測與短期預(yù)測相結(jié)合的方式，首先使用長期預(yù)測推算出可用頻率范圍，之后結(jié)合短期預(yù)測在該頻率范圍內(nèi)進行精準(zhǔn)選頻。

表1 長期預(yù)測與短期預(yù)測對比分析

3.3 RTCE探測技術(shù)

RTCE（Real-Time Channel Evaluation）實時信道估值，又稱為鏈路質(zhì)量分析LQA（Link Quality Analysis）［5］。RTCE的主要特點是實時地分析到達接收端的信號，而電離層的具體變化和結(jié)構(gòu)特性對其影響較小，能夠反映信息質(zhì)量的參數(shù)主要有：信號能量、信噪比、誤碼率、多普勒頻移、衰落特征等指標(biāo)。因此，RTCE技術(shù)是在通信線路的各個信道上做出實時信道檢測，發(fā)出的探測信號和對信道的測量是在給各個信道進行打分排序，從而能夠選出最佳的工作頻率。綜上，RTCE是在各個通信線路上進行實時探測，比依靠大量歷史數(shù)據(jù)尋找規(guī)律的頻率預(yù)測法更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

隨著當(dāng)前新型通信技術(shù)的不斷進步，短波這一傳統(tǒng)的通信手段面臨著巨大的挑戰(zhàn)，短波通信的技術(shù)手段更新迭代，改善短波通信信號質(zhì)量變得尤為重要。下一步改善短波天波傳輸時的信號質(zhì)量與穩(wěn)定性亟須解決，安全性和可靠性有待進一步提升。因此，分析電離層特性對短波通信的影響因素，總結(jié)和發(fā)現(xiàn)短波通信頻率選擇與電離層特性的匹配規(guī)律，為今后提升短波通信質(zhì)量提供了重要依據(jù)。