短波与超短波[资料]

短波与超短波[资料] 一、 短波通信 短波通信(Short-wave Comunication)是无线电通信的一种。 波长在 10 米,100 米之间， 频率范围 3 兆赫,30 兆赫。发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远， 是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响， 所以短波通信的稳定性较差，噪声较大。目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和 广播等方面。 尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍 然受到全世界普遍重视，不仅没有被淘汰，还在快速发展。 1. 短波传播途径 短波的基本传播途径有两个:一个是地波，一个是天波。 如前所述，地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播 1000 公里左右;陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样(潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大)。短波信号沿地面最多只能传播几十公里。地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。短波的主要传播途径是天波。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远(几百至上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波是很不稳定的。在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果。 2. 电离层的作用 电离层对短波通信起着主要作用。 电离层是指从距地面大约 60 公里到 2000 公里处于电离状态的高空大气层。上疏下密的高空大气层，在太阳紫外线、太阳日冕的软 X 射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，大气气体分子或原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子，这个过程叫电离。产生电离的大气层称为电离层。电离层分为 D、E、F1、F2 四层。D 层高度 60~90 公里，白天可反射 2~9MHz 的频率。E 层高度 85~150 公里，这一层对短波的反射作用较小。F 层对短波的反射作用最大，分为 F1 和 F2 两层。F1 层高度 150~200 公里，只在日间起作用，F2 层高度大于200 公里，是 F 层的主体，日间夜间都支持短波传播。 电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高， 浓度低时反射的频率低。 电离的浓度以单位体积的自由电子数(即电密度)来表示。 电离层的高度和浓度一方面随地区、季节、时间、太阳黑子活动等自然因素的变化而变化;另一方面也受到地面核试验、高空核试验以及大功率雷达等人为因素影响而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。一般在太阳活动性大的一年采用波段中的长波通信，在太阳活动性小的一年采用波段中的短波 3. 短波通信优点 第一、 短波是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比 第二、在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波 第三、与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。 近年来， 短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。 这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。 用现代化的短波设备改造和充实我国各个重要领域的无线通信网，使之更加先进和有效，满足新时代各项工作的需要，无疑是非常有意义的。 4. 短波电台 短波电台是指工作波长为 100,10 米(频率为 3,30 兆赫)的无线电通信设备。主要用 于传送话音、等幅报和移频报。在传送电话信号时，采用振幅调制和单边带调制。由发信机、 收信机、天线、电源和终端设备等组成。军用短波电台按用途和使用条件，分为便携式、车载(或舰载、机载)式和固定式电台。便携式电台主要用于保障战术分队的通信联络，具有体积小、重量轻等特点，一般采用鞭形天线,利用地波进行近距离通信,功率通常为数瓦至数十瓦。车载式电台用于组成指挥所通信枢纽或作移动通信使用，其功率为数十瓦至数千瓦,一般使用鞭形天线和双极天线。固定式电台主要用于战略通信，通常组成发信集中台和收信集中台，其功率为数百瓦至数千瓦，甚至到数十千瓦，一般使用性能较好的大型天线。为使用地波通信，便携式和车载式电台的频 率范围已扩展到中波波段，通常为 1.6,30 兆赫。 5. 短波通信组网技术 通信网络化是高技术战争条件下战场电子信息分发的必然要求， 是现代战争通信保障的 发展趋势，对于提高信息交互速度、电子对抗能力、充分发挥部队的整体作战效能有着重要 的意义。 作为一种不可或缺的应急通信手段， 短波通信的网络化以及短波通信在不同层次的 指挥网系中的嵌入应用已经成为短波通信技术的研究重点。 全自动短波网络实质上是一种无线分组交换网络，采用 OSI 的七层结构模型，网络的 主要设备是网络控制器(HFNC) ，其功能有自动路由选择与自动链路选择、自动信息交换 与信息存储转发、接续跟踪、接续交换、间接呼叫、路由查询和中继管理等，网内所有设备 都接受网络管理设备(嵌入式计算机)的管理和控制，这些设备包括电台、ALE 控制器与 ALE Modem、数据控制器与数据 Modem、HFNC。第三代短波网络已经制定。今后将 要实现: 快速链路建立; 较低的 S/N 下仍然可实现连接 (1) (2) (在衰落信道中改善 8-10dB) ; (3)信道效率高，能处理上百个台站和更大信息量; (4)ALE 和 DLP(数据链路)使 用同类波形(串行单音 Modem 的 PSK 波形)(5)能支持 IP 及其应用。 ; 外军的短波通信网络，在 20 世纪 8、90 年代得到快速发展。HF-ITF 和 HFSS 是美海军 研究实验室于 80 年代初开发的 HF 通信网络。HF-ITF 为海军特遣舰队研制，是一个具有自 组织能力的分布式 HF 网络。HFSS 网络则是具有集中网络控制节点的 HF 广域网，用于岸 一舰之间的 HF 远程通信网络。北美试验的改进型 HF 数字网络 IHFDN 是具有上述两种网 络结构的组合体系，使用天波和地波构成大范围的 HF 多层次网络通信系统。澳大利亚国防 部进行了两个 HF 网络的建设:一是对已有的海、空军作战通信站进行现代化改造，于 1999 年底完成，建立了一个集中控制的 HF 互联广域网。另外一个是分布式窄带分组 HF 网络， 建立了一个节点可移动的、自组织的分布式通信网络。另外，在网系融合、对 IP 业务的支 持上，外军也发展迅速。例如，美军的自动化数字网络系统就综合了有线、卫星、短波通信 等多种中远程通信手段，并且能够支持 IP 业务。 1998 年，美军发布了第三代短波通信系统标准 MIL-STD-188-141B，其主要目的是提高 短波自动化技术，以支持大范围短波网络、数字化战场以及 C4I 网络的互操作性。第三代短 波通信网是无线连接、 无线分组的交换网络， 其自动链路建立系统可与第二代自适应系统实 现互操作， 短波网络控制器具有强大的网络控制功能， 支持在端对端通信中存在其他传输媒 介，包括电缆、光缆、微波、散射和卫星等通信线路。 5.1 短波通信组网的信道类别 (1) 固定频率通信网 固定频率通信网是传统的组网方式， 目前军队还有较多使用。这种组网方式的通信稳 定性和抗干扰能力比较差， 其使用范围正逐渐缩小。 (2)频率自适应 通信网 频率自适应通信网是指网内自适应电台通过线路质量分析、 自动选择呼叫及预置信道扫 描， 能够自动在预先设置频率点组中选择最好的频率建立起短波通信。由于其在保证信道 质量、 占用频率数量、 建立通信链路、 组网、 系统设备的成熟性等综合性能方面优点突 出， 因此， 世界各国都广泛使用。 (3)短波跳频通信网 短波跳频通信是使通信信号的频率在一定带宽内快速随机跳变( 对外界来说是随机跳 变， 而实际上是按预先设置的“ 图案” 跳变) ， 使敌方侦察和干扰跟不上这种变化， 无 法施放干扰而达到抗干扰的目的。所以， 跳频的性能好坏， 取决于频率点变化的多少( 频 率点越多， 意味着信号带宽越宽) 和频率点变化的快慢， 即跳频速率。 跳频带宽越宽， 跳 速越高.，则侦察和干扰越困难。 目前， 随着自适应跳频通信技术的逐渐成熟， 短波跳频 通信网将成为短波通信网络的重要组成部分。 短波跳频电台组网有其特殊性，跳频网络是一个复杂的随机时序系统，实现跳频互通， 技术体制和系统所有参数要完全相同， 还要进行管理和授权。 短波跳频电台有同步组网和异 步组网两种方式，一般短波跳频跳速慢，同步保持时间长，大多采用同步保持法组网，由一 部电台发出同步信号完成初始同步， 在通信过程中随机地补发一些同步校正信号， 以消除各 台之间时钟误差。理论上组网数等于跳频频率数，经优化实际可达到频率数的 80,, 85%，同步频率数越多，组网效率越高，但同步时间和组网时间加长。同步组网一定是正交 的，适用于电台密集的场合。异步组网容易，使用方便，各网建立时间不分先后，但组网效 率低，频率碰撞概率与组网数按指数规律增加。 (4)短波直接序列扩频通信网 直接序列扩频通信是将原来集中在信息带宽内的能量分散在带宽宽得多的扩频码序列 带宽之内，使能量密度下降成千上万倍甚至低于接收机的噪声。 而在通信的接收端， 用解 扩的方法再将能量集中起来， 实现正常的通信。 因此它又有优良的抗干扰性能和抗截获性 能。 显然， 以这种传输方式组成的通信网特别适用于战时。 但扩频通信技术要求很高， 目 前国际上的应用也刚刚起步。 5.2 短波网络的拓扑设计 对短波通信来说， 由于是无线传送， 不需要实际的物理连接， 同时其信道容量小， 一 般不采用总线形拓扑结构。从短波通信的军事用途角度来看，环形拓扑结构的抗毁性较差， 容易被破坏导致通信中断。因此，主要的网络拓扑结构有星形、树形、网形。 (1)星形网络结构 星形网传送平均延时小， 结构简单， 建网容易，传统的定频无线电台的组网， 通常 按指挥关系组成集中式的星形网。 在一个频率上， 采用“ 按键讲话”的单工方式， 也就 是各个设备经常处在“ 接收” 状态，而用本机的转换开关来启动发射机。网内每部电台都 能与其它任何一部电台直接通信， 也可以经过一个适当配置的转信台转接。 在后一种情况 下， 转信台与不同分台联络时要用不同频道作为发送和接收，定频无线电台也可以异频双 工工作。 定频组网的应用范围越来越少， 考虑到短波通信装备的现状， 目前宜采用自适应信道 组织非实时星形网或近实时星形网结构。 由于星形网络可靠性差， 中心节点易成为系统的“ 瓶颈” ， 且一旦发生故障会导致 整个网络瘫痪， 因此采用星形拓扑结构时， 不能将其作为唯一的结构。 (2)树形网络结构 树形网络结构符合军队建制， 可以通过增加链路的数量来提高其抗毁性， 是短波通信 在军事上应用的一种常用拓扑结构。 在这种拓扑结构中， 每个结点与其子结点有连接， 其 所有子结点之间采用全连通形拓扑结构， 并根据需要与同级其它子结点进行有限连接， 从 而提高整个通信网络的抗毁性能。 军事上一般不允许一个作战单元同时听命于两个指挥部， 故每个子结点只拥有一个父结点。例如， 岸上战区指挥所( 岸指) 、 海上编队指挥所( 编 指) 及战斗群指挥所( 群指) 按建制可组成树形网络结构， 群指为该网的一个子节点， 如 图 2 所示。 (3) 网形网络结构 短波通信干线网中的各节点， 都是各种作战、 管理信息的汇集、 发出、 中转、 储 存中枢， 信息流向多、流量大， 是战时作战指挥的中心。因此， 短波通信干线网应具有 很高的通信可靠性和及时性。由于全互联形网形结构， 其任意两点间可直接通信， 通信速 度快， 网络的可靠性最高， 所以， 短波通信干线网若其节点不是很多时应采用全互联形 网形结构。 然而， 由于短波的频率范围较窄， 容量有限， 资源十分宝贵，而且容易受电 离层随机变化、 衰落和多径干扰的影响， 短波信道的质量很差， 可靠性较低。为了充分 利用频率资源并且保证一定的可靠性， 当通信节点数较大时， 短波网的拓扑结构不宜采用 全互联的形式。因为信道数量较大时， 不仅会降低对资源的利用， 同时也会造成相互之间 的干扰而使整个网络的性能下降。 此时结构亦不能太松散， 因为这会使可靠性的要求难以 满足。所以， 对于网形结构， 一般采用某种特殊方法进行设计， 寻找经济性和可靠性之 间的最佳平衡点， 这是通常采用的拓扑结构之一。研究表明，区组设计型( DBBD) 网络拓 扑结构是比较符合网络设计要求的网络拓扑结构。 区组设计是一种受人重视的数学方法，利 用它能在有效地减少网络拓扑图边数的同时， 保持网络结构的对称均衡性。 区组形是一种分布式无中心的网络拓扑结构，一个或几个节点被破坏， 不会对网络的 总体性能产生太大的影响， 任意两个节点间的通信不会因此中断， 从而提高了网络的抗毁 性能， 因此这种结构在军事通信上必将有更广泛的应用前景。 基于区组设计方法构造的拓扑结构具有一些良好的性质， 与全互联结构相比， 其网络 连通性有所下降， 但所需的链路数极大地减少。 这些结构对于节点较多而连通性要求较高 的短波网是合适的， 因为， 若采用全互联结构， 虽然连通性最好， 但这一方面对设备的 要求较高， 另一方面由于信道拥挤而易造成相互间的干扰， 反而使网络的整体性能下降。 该结构可用于那些在网络中地位较高的节点之间的互连， 既能保证相互之间较强的通信能 力， 又避免了占用太多的链路而影响整个网络的性能。 短波网络的拓扑结构设计是一个非常复杂的过程， 选择合适的拓扑结构是短波组网的 基础， 不同的应用背景对网络性能的要求不尽相同。而网络的拓扑结构对其性能， 如可靠 性、 抗毁性、 吞吐率、 时延等起着决定性的作用。 实际上， 网络的拓扑结构并不一定 拘泥于某种特定的结构。 实践中， 短波网的拓扑通常是几种结构混合而成的分级形式， 不 同部分根据不同的要求采用不同的结构。 5.3 短波电台的组网应用 在数字化部队的建设上，对无线组网的要求是稳定、可靠、自动、智能(因此必须确保 短波通信链路的质量， 使各级指挥所的计算机和移动人员数字终端始终工作在畅通的网络平 台上(下面以一个实际的短波数据，话音通信系统为例(阐述短波跳频电台的组网应用以及 如何实现静态图像、数据、话音等业务的远距离传输(该短波通信阿为星形阿结构，构成 P —MP 通信方式(其同络拓扑结构如图 2 所示( 整个系统由一个固定的短波中心站和四个可移动的短波远端站组成( 中心站为整个系统 的管理和控制中心(配有两套短波通信设备，负责管理和调度整个网络的资源配置和利用。 中心站透过中心计算机接入所在局域网中(作为局域网的一个工作站。 在网络控制上。中心站主要完成网络地址的分配与选择、通信链路的控制、通信终端的 工作状态、业务类型的区分等任务。短波远端站可由派出部队车载或背负伞降携行。该网络 的主要功能有:可联机传递自动化指挥系统的数据信息，数据传递具有自动降速和 ARQ 功 能(实现无差错传输:可实现交换电话业务;能实时传递 GPS 定位信息和短报文信息:实 现军队标号的传输与标绘:具有高频自动管理功能(即通过联机 LQA 过程可实现信道排 队(在 LQA 的基础上能在最佳信道上建立通信链路;能够执 行，接收独立呼叫和网络呼叫; 中心站能够全方位地实现与远端站近程和远程通信: 能够实现信息加密: 在规定的时间间隔 内返回传输应答。该网以传递数据为主(数话兼备，指挥电话优先。 (1)单机组网 单机组网最典型的方案是互不相通的数据局域网或通信网由短波通信来连接 参见图 3 (2)多通道收发信机组网 参见图 4 多通道收发信机组网主要是将多个数据局域网或电话网利用短波通信连接起 来 对每一台收发信机定义一个 IP 地址 局域网中的任何一台网络 PC 通过访问和控制 TRX Server 来实现对短波收发信机的状态进行控制 完成数据传输的功能;同样 电话局域 网中的任何一个终端经过特定的拨号系统 经过收信机内部的语音压缩编码后 送至发信机 发射 完成语音信号传输功能 在单独使用收发信机时利用 ALE NGT 系统的优势采用时分 复用多址的方式进行通信。 5.4 短波自组网 短波通信和自组网技术的结合产生了短波自组网， 即以短波信道为物理介质的自组织网 络。显著优点是能够提高通信设施的抗毁性和应变能力，具有重要的军事价值。 短波自组网可以满足不同网络规模和不同网络拓扑结构的需求。 短波自组网的网络拓扑 结构随节点入网、退网、故障而动态变化，在运行过程中周期性或不定期地重新组网。在网 络重组期间，各节点不断更新所存储的拓扑信息，以使网络适时调整拓扑结构，保证通信的 连续性。重组期的长短取决于网络结构变化的快慢，重组越频繁，越能适应网络结构的快速 变化，然而开销也越大。 一个大规模的短波通信网通常覆盖数千千米的范围， 由于节点发射功率的限制， 可以在 多个地方设立地面基站。事实上，澳大利亚的“长鱼” (Longfish)高频网络就是这样做的。 在这种网络中，各基站组成一个骨干网络。由于基站位置固定，所以骨干网络中使用静态路 由，而通信子网内部则视情况使用静态路由或动态路由。此外，还可以把这些基站配置成负 责连通短波网络和因特网的网关。 各军事强国都致力于短波自组网的研究。 美国、 澳大利亚和一些北约国家已经把短波自 组网用于战略和战术通信。 上世纪 80 年代，美军为了向海军特遣舰队提供超视距话音和数据通信，设计了一种高 抗毁性的短波自组网——“高频特遣部队内部系统” (HF-ITF) 。HF-ITF 网络支持 100 个移 动节点，通信范围为 50,500 千米，链路数据率 10 千字节/秒。工作频段 3,30 兆赫，采用 地波传播模式，信道接入采用自适应时分多址方式。该网络采用分簇结构，簇头作为簇中所 有节点的控制中心，网关节点作为簇间通信的中继站，簇头、网关以及他们之间的网络链路 构成骨干网，是整个网络连为一体。这种网络具有很高的抗毁性和灵活性，受到美军的广泛 重视。 迄今，美国军方的短波自组网已经走过了第一代和第二代，正在 MIL-STD-188-141B 军 用标准的指导下，建设性能更优良的第三代全自动短波网络。第三代网络在自动链路建立、 信道效率、 网络管理、 路由协议以及与因特网互联等方面的性能都较第二代网络有很大进展， 可以满足不同规模和不同拓扑结构的网络需求。 北约也大力发展包括短波网络在内的无线通信系统， 如应用在预警机系统上的加密通信 终端、 超视距的短波互联网网关、 海上网关和 STANAG-5066 等短波研究项目。 STANAG-5066 项目中提出了短波网络与电子邮件、文件传输等协议的接口，强调了互操作性。 另外， 国外一些商业机构也开展了短波自适应组网技术的研究。 如美国全球无线公司的 海上数据网络(MDN)在全球设置了多个 短波中继站，为全球的舰船提供新闻、气象等 24 小时广播服务，同时提供舰岸之间的电子邮件和文件传输服务。罗克威尔?柯林斯公司开发 了一种名为“高频信使” (HF Messenger)的数据通信产品，它使用短波电台和调制解调器 传动各种数据，并能通过短波链路连接到因特网上。 二、 超短波通信 超短波也称“米波”。 指波长从 1 米到 10 米(相应的频率从 300 兆赫到 30 兆赫)的无线电 波段，整个超短波的频带宽度有 270 兆赫，是短波频带宽度的 10 倍。因而被广泛应用于送 电视、调频广播、雷达、导航、移动通信等业务。 超短波在传输特性上与短波有很大差别。由于频率较高，超短波对电离层的穿透力强， 主要以直线方式传播。陆地通信时，考虑地球的曲率的影响，其直线传播距离等于视距，视 距约为 50 km。地面对超短波的吸收系数较大，在天线高度受限的条件下，地面吸收较强， 以接力方式传输时，中继距离受限。超短波具有相当强的绕射能力，加之大气的折射系数通 常呈随高度递减梯度，使电波向下弯曲，可形成“超视距”通信。超短波也适用于对流层中大 气湍流气团的散射通信，通信距离可达数百公里。超短波适于使用高增益的线天线，而不适 于使用面天线。 超短波的波长较短，因而收发天线尺寸可以较小，减小通信设备体积，且具有较宽的频 谱，可提供比短波更大的通信容量，可广泛应用于固定通信和移动通信。超短波固定通信系 统的应用有:接力通信系统、一点多址通信系统、散射通信系统和电视广播等。其中，接力 通信系统利用超短波传播，采用中继转发(接力)的方法，可提供 4 路、12 路、24 路的话 路容量，通信距离为数百公里，多作为军用或辅助通信手段。 超短波电台 严格地说，凡在此超短波波段内工作的接力机、散射机和流星余迹通信设备等，也属于 超短波电台。但通常指的是以地波或空间波视距传输的步谈机、便携式、车载(或机载、舰 载)式电台。它主要由收发信机、天线和电源等部分组成。超短波电台可采用调幅、调频、 单边带等调制，通常以调频制为主，其抗干扰性能优于调幅制和单边带制。 陆军超短波电台主要用于战术分队进行近距离通信。 根据电台的发射功率、 天线形式和 地形的不同，通信距离一般为数公里至数十公里。便携式超短波电台主要采用鞭形天线，发 信机功率一般为数十毫瓦至二十瓦。车(含坦克)载移动通信时，通常需配数十瓦至上百瓦 的功率放大器,才能达到原来的通信距离。固定使用时,可采用定向天线来增大通信距离。海 军超短波电台主要用于水面舰艇编队近距离通信和舰空通信， 工作频率为数十兆赫， 采用调 频制,发射功率一般为数瓦至数十瓦,水面通信距离为数公里至数十公里。空军超短波电台主 要用于地空指挥和空中编队通信,工作频率在 100 兆赫以上，采用调幅制，机载电台的发射 功率一般为数瓦，地面电台为数瓦至数百瓦。地空通信距离随飞机的飞行高度而异，通常可 达 120,350 公里。超短波电台与短波电台相比，具有通信频带宽、容量大、信号稳定等优 点，是近距离无线电通信广泛使用的主要装备。 军用超短波电台的发展趋势是:采用低功耗宽频段的频率合成技术，进一步展宽频段， 增加波道数;采用集成化、模块化器件，以达到体积小、重量轻、耗电省、便于维修和提高 可靠性;采用微处理机技术，提高调谐、检测、遥控等功能的自动化程度;采用扩频技术， 提高抗干扰能力。 除短波自组网之外， 也有超短波自组网， 如美国的 SINCGARS 分组无线网和挪威的 “战 术数字通信” (TADKOM)系统。但是超短波频段频率资源紧张，并且传输距离短，一般只 用于近距离战术通信。