短波数字通信.doc

短波数据通信原理 短波通信，又称为HF（High Frequency）通信，具有悠久的发展历史，是人类最早发现的通信手段之一，亦是成本最低的远距离无线电通信的一种有效方式，在通信技术的发展过程中曾起到过非常重要的作用然而，八十年代初随着人们对信息通信的广泛需求，对传播质量提出了越来越高的原则新的无线电频段的开发和运用，超短波、微波、以及卫星通信技术的应用，使无线电远距离通信的手段多样化，信道质量不断提高，传播信息的容量和工作的可靠性均有着跨跃式的发展，而老式短波通信的弱点就显得越来越突出，使其在通信系统中的地位受到了淡漠近年来，短波通信又重新受到人们的关注，由于短波信号的传播特点，信道具有很强的抗毁性，使其在某些特殊场合具有极其重要的作用，特别是在军事通信领域，短波通信始终是中远距离军事指挥的有效通信手段之一随着微电子技术、载人航天技术及大功率激光技术的迅猛发展，卫星通信的生存能力，特别是在非常时期的生存能力已受到严重威胁，这使短波通信更加引人关注运用个人计算机作为短波电台的数据终端，可以便地完毕对数据文献的编辑、存储、打印和管理，与音响电报和电传机相比，具有通信速率高、传播差错小和信道运用率高等长处，并且操作简朴，一般人员就能胜任这项工作。

计算机数据终端运用短波电台的音频信道传播数据文献，其形式已超过了可打印字符的文本文献，不仅可以直接传播中文，还可以传播图形、图像和应用程序文献应用计算机的数据解决技术，还可以对所传播的数据进行压缩和加密解决，使数据通信更加完善，在电子对抗和信息战的场合具有重要的意义短波通信新技术的发展，计算机技术与通信技术的有机结合，短波通信的自适应技术的采用，使老式的短波通信的弱点得以弥补虽然，短波信道的传播速率并不很高，但在军事指挥的实际应用中，所传播的信息量并不很大，而更重要的则是信道的可通性，有时几种代码的成功传递，足以体现上级首长的指挥意图0.2 国内外研究概况及发展趋势如何在极不稳定的短波信道上实现高速可靠的数据传播，成为通信领域中一种热门的研究课题，世界上的各大公司竞相大力投资，新技术、新产品不仅涌现可以说，HF数字通信状况可以反映一种国家的无线电通信技术的发展水平一般状况下，短波数字通信系统的框图如图0-1所示 图0-1 短波数字通信系统的框图 从图0-1可知，来自计算机、数字式机等终端的数据通过数字保密机加密后，送入调制解调器（MODEM）进行调制，再送入短波电台的发信机；由短波电台的收信机接受的信号，经调制解调器进行解调，获得的数据再送入保密机解密后，最后送给相应的数据终端。

可见调制解调器是联接顾客终端和收发信设备的核心部件在短波高速调制解调器研究和应用中，多音并行传播体制是目前的一种比较成熟的技术，其设计思想是把高速串行信道分裂成许多低速的并行信道例如某并行系统一方面把话音通道划提成16个并行的子信道，高速数据经串/并变换后分裂成16路低速数据，对16个低频实现4DPSK调制，所有调制器的输出是16个单音的4DPSK信号，最后经单边带发射机完毕频率搬移和功率放大后由天线发射出去由此可见，在短波信道上已不再是高速数据传播，而是分裂成16路同步并发的低速数据传播，若每路传播的码元速率为75波特，总的信息传播速率为2400b/s因此，并行体制也称为频分多路并发体制在接受端，单边带接受机输出的多路数据信号经分路滤波器分路后对4DPSK信号解调，获得16路低速数据信号，再经并/串变换后恢复成高速数据流多音并行传播体制由于多频同步发射而导致发射功率分散、信号平均功率和峰值功率比低等缺陷，但由于技术成熟、成本低，具有较高的性能价格比，至今仍然被广泛地用于HF调制解调器近年来，采用并行制的新型FH调制解调器，例如美国Harris公司生产的高频高速调制解调器RF-3466，在实现多路并发和分路方面有了很大的发展。

这种调制解调器运用数字信号解决技术，采用迅速富氏变换在时域内解决信号，取代了老式的调制解调器中应用的并行模拟解决它把数据信号采用39个单音TDPSK低频信号调制输出，数据传播速率可达2400b/s在国内，也已有许多厂家仿制生产同类设备，并掌握了这种技术串行体制的调制解调器是在一种话路带宽内串行发送高速数据信号，也就是说，发送端采用单载波发送高速数据信号，提高了发射机的功率运用率，克服了并行体制功率分散的缺陷单音串行体制采用高效的自适应均衡、序列检测和信道估值等综合技术，基本克服了由于多径传播和信道畸变引起的码间串扰串行体制的理论和并行体制相比尚不够成熟，但随着大规模集成电路和数字解决技术的发展，串行体制的研究工作不断发展，目前国外已研制出试用阶段的串行体制调制解调器在接受电平相似的条件下，串行制性能优于并行制的因素是，对频率选择性衰落和窄带共信道干扰不敏感，单边带发射机的互调失真导致的非线性串扰影响不大，此外串行制的长处是提高数据传播速率的潜力大，消除了发射功率的分散，信号具有较高的平均功率和峰值功率比因此从发展的观点上看，若串行制在性能价格比上能逐渐提高，此后串行制HF调制解调器也许替代并行制。

0.3 本论文有关短波调制解调器的研究本论文所研究的短波调制解调器是采用时频调制技术，以应急机动通信为使用背景，在报文内容较短的状况下，把提高信道的可通率作为重要的技术指标该调制解调器采用50~600波特的传播速率，着重研究在电子对抗的环境中，运用短波信道进行计算机数据通信的抗干扰问题为便于课题的实验和改善，调制解调器采用通用的微解决器作为工作平台，结合软件编程来完毕信号解决和模数转换，通过对比实验、分析采用时频调制技术所能达到的最佳传播效果通过大量的信道实验证明，该调制解调器在短波信道条件较差的状况下，可通率仍可达到90%，结合使用差错控制技术，误码率可不不小于10-61 短波数据通信1.1 短波信道的特点短波通信是运用波长为100m～10m(频率3MHz～30MHz)的电磁波进行的无线电通信为了充足运用频率资源，把中波的高频段(1.5MHz～3.0MHz)也归到短波波段中去，这样短波通信实际使用的频率范畴为1.5MHz～30MHz由于它通信距离远、设备简朴、成本低廉，并且建立通信迅速，机动灵活，因此，长期以来，被广泛应用于政府、军事、外交、气象和科学考察等各个部门，用以传送话音和电报等，特别是在军事部门，它始终是远距离军事指挥的重要通信手段。

在军事国防通信领域，短波通信是使用历史最长的远距离通信手段之一例如，在使用卫星通信之前，陆上测控中心对海上远洋测量船之间的通信指挥和数据传播重要靠短波通信系统来完毕至今，短波通信仍是不可缺少的辅助通信手段随着通信技术和计算机技术的发展，通信信道已逐渐由数字信道取代模拟信道，数据通信业务在整个通信系统中的比例越来越大，随着光缆、卫星和移动蜂窝网络的开通使用，为承载多种通信业务提供了高效可靠的传播信道，而短波通信的某些缺陷就显得十分突出众所周知，短波通信之因此可以吸引顾客，用它传递信息，最基本的因素是它具有不易“摧毁”的免费使用的“中继系统”——电离层固然自然条件也可以使这种“中继系统”中断，但不是常常浮现的，并且中断的时间也非常短除极区外，这种中断一般是在太阳发射耀斑后来，中断时间一般在半个小时左右，一年内也仅发生几次由于这一珍贵的长处，使得世界各国近年来加快了对短波通信的研究，浮现了多种新型的短波通信系统实践证明，采用现代技术的短波通信，能为顾客提供高质量、高可通率和便宜的通信信道1.2 短波信道的传播特性1.2.1 短波传播的基本形式短波通信重要是运用电离层的反射进行远距离传播，也可以靠地波进行近距离传播。

地波衰减与工作频率的高下有关，频率越高，衰减越大因此，运用地波传播形式的频率范畴大概在1.5～5MHz为了适应地波传播，一般采用多种形式的辐射垂直极化波的垂直天线地波的传播距离与传播途径上媒介的电参数密切有关地波在导电性能良好的海面传播时，衰减很小，通信距离最远可达1000km，而在干燥的沙地上或地形起伏很大的山区传播时，衰减较大，通信距离一般只有几十公里由于这些特点，海上舰船之间和船岸之间的较短距离通信以及陆地上的短距离通信一般采用短波传播形式短波通信的天波传播形式可以在很远的距离上，较广泛的地区中建立无线电通信联系电离层是由环绕地球的处在不同高度的4个导电层构成，按照各层的不同特性分别称为D层、E层、F1层和F2层，这些导电层对短波传播具有重要影响D层是最低层，位于地球上空60km～90km的高度处，最大电子密度发生在80km处D层出目前太阳升起时，而消失在太阳降落后，在夜间不再对短波通信产生影响D层的电子密度局限性以反射短波，所有短波将穿过D层但是，在穿过D层时，电波将受到严重的衰减，其衰减远不小于E层和F层频率越低，衰减越大，所有也称D层为吸取层E层位于地球上空100km～120km的高度处，最大电子密度发生在110km处，在白天基本不变。

在电波通信线路设计和计算时，一般以110km作为E层高度和D层同样，E层出目前太阳升起时，在中午电离达到最大值，而后逐渐减小，在太阳降落后，E层事实上对短波传播已不起作用E层可以反射高于1.5MHz频率的电波对于短波传播，F层是最重要的在一般状况下，远距离短波通信都选用F层作反射层，这是由于和其她导电层相比，它具有最高的高度，因而可以容许传播到最远的距离，所有习惯上称F层为反射层在白天F层有两层：F1 层位于地球上空170km～220km的高度处，F2层位于地球上空225km～450km的高度处它们的高度在不同的季节和一天内不同的时刻是不相似的对F2层来讲，其高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高F2层和其他层不同，在日落后来并没有完全消失，仍保持有剩余的电离虽然夜间F2层的电子密度较白天减少了一种数量级，但仍足以反射短波某一频段的电波因此，若要保持昼夜短波通信，则其工作频率必须更换由于高的频率能穿过低电子密度的电离层，一般状况下夜间工作频率远低于白天的工作频率1.2.2 最高可用频率由于各电离层的特性是随时间、空间的变化而变化，它们对短波无线电信号的吸取、穿透和反射的特性也随之变化，并且不同的电离层之间的关系又会对短波信号产生不同的影响，这使短波通信的信道参数十分复杂。

对短波通信能使用的无线电信号的频率以及通信的距离都会导致影响这些变化既具有一定的规律性，又具有很强的随机性对于每一台收信机和发信机位置拟定的短波线路，在某一时刻合用的工作频率一般限于一种较窄的范畴，其上限为最高可用频率MUF(Maximum usable frequency)，其下限为最低可用频率LUF(Lowest useful frequency)MUF指在实际通信中能被电离层反射回地球的电波的最高频率，若选用的工作频率超过它，则电波穿出电离层，不返回地面因此，拟定通信线路的MUF是线路设计要拟定的重要参数之一，并且是计算其他参数的基本MUF不仅和通信距离有关，并且还和反射层的电离密度有关，因此但凡影响电离密度的诸因素，都将影响MUF的数值考虑到电离层的构造随时间的变化和为了保证获得长期稳定的接受，在拟定线路的工作频率时，不是使用MUF值，而是取低于MUF的一种频率值作为最佳工作频率FOT(frequency of optimum)一般状况下，FOT等于0.85MUF1.2.3 传播模式短波传播模式是指电波经电离层反射的传播途径为了获得比较小的传播衰减，或者为了避免仰角太小，以致既有的短波天线无法满足设计规定等因素时，都需要精心选择传播模式。

当电波从地球表面沿切线方向（天线仰角θ为00）传播时，可以得到一跳最长的通信距离从E层和F2层反射的短波一跳的最远距离分别为km和4000km。