| 标题 | 浅析短波广播电离层传输及预测软件 |
| 范文 | 宁晓卫 摘 要：起源于二战时期的短波广播至今已经经过了70多年，短波广播主要以天波传播为主。短波广播信号通过天线向空中发射，电磁波到达电离层后会被反射回地面，因为电离层距离地面60千米以上，被反射后的电磁信号就会被几百公里外的人收到，有时信号甚至能传输至上千公里之外，基于短波信号的这种特性，其主要被用于国际广播。本文将对短波广播的原理以及短波广播的电离层传输和软件的分析进行介绍。 关键词：短波广播；电离层；软件分析 中图分类号：TN91 文献标识码：A 短波广播（SW）是指载波频率在2.3—26.1兆赫兹频段（HF）的广播。短波广播是一种远程收听远距离的广播，可以直接听到世界各地的广播讯息。经过多年的发展，世界各地的短波广播层出不穷，下文将对短波广播的原理和电离层传输很软件分析进行介绍。 一、 短波广播简介 短波广播是利用短波波段播送的广播。由于穿透力强，不易干扰，因而国际广播通常都位于短波波段。具有高度战略价值，至今仍被专家们普遍认为是大规模全球传送的唯一最有效途径，且安全、便宜、快捷。短波广播的应用，起源于第二次世界大战期间，由美国小罗斯福总统任内创办的美国之音，在冷战期间促使苏联解体。当短波电台发射时，既有向天上发射的天波，也有沿地平面传播的地波。由于地波沿地平面传播时易受地面障碍的影响，因此强度衰减很快，通常地波只能传送到离发射台较近的区域。 二、短波通过电离层进行传播 1 短波传播可使用的频率范围 短波通过电离层进行传输是指依靠电离层对电波的反射，但是并不是不全部的短波都能被反射，不同频率的短波需要不同电子密度分布的电离层进行反射，我们将某一特定电子密度分布的电离层所能反射的电磁波的最大频率称为最高可用频率，最高可用频率不是固定不变的，其会根据收发间距离的减小而变低。我们通常将在同一地点进行收、发作业时，短波能够被反射回来的最低频率称为电离层临界频率。当短波的收、发间距离一定时，使用较低的频率发射短波时，在接收点会收到有一定时延差的高、低角波；这一高低角波时延会随着电磁波频率的升高逐渐减小到零，高低角波重合；当频率再升高，则接收点落入跳距以内，完全收不到发射信号。我们在选用电磁波的频率时应当引起足够的注意，确定好可用电磁波的最大最小频率范围。电磁波在被电离层反射的过程中并不是无损反射的，其能量还是具有一定的损耗的，吸收大小通常与频率平方成反比。当电磁波的频率较低，则信号电平因吸收增大而降低。 2传输模式 短波的传输可以分为地面波、天波和直接波三种传播方式，其中通过天波传是指经过地面上空40～800km高度含有大量自由电子、离子的电离层的反射或折射后返回地面的电波传输方式。天波可以使用多种途径完成从发射机到接收机的传输。短波天波是利用电离层能够反射电磁波信号特性进行传播的，但是电离层并不是之某一固定的层级，其是分布在距地面50 公里到2 000 公里这一广泛的距离，我们根据电离层中所含有的电子浓度不同。将电离层划分为3层，分别是D层、E层和F层，其中D层在最底层，F层是最外层。在白天电子较为活跃时又可以将F层细分为F1层和F2层。短波通信主要是通过F2层来起作用的。在整个电离层中我们主要利用E层及F2层的反射完成短波的传递。当短波通信的发射和接收机的位置确定后，选用不同的层进行反射的最少跳数可以计算出来。当需要建立起一条短波通信时，需要认真选择通信频率，在给定距离和方向的路径上，根据时间、地点的不同在一定的时间里只有一个有限的频带能够使用，我们通常在使用短波通信时，需要提前准备好几种频率以便可以在需要时进行切换来供长时间通信时的频带切换，这些频率都是在考虑了影响天波传播的主要因素太阳黑子后确定下来的。 3短波广播的频率、覆盖范围和天线仰角三者之间的的关系 短波广播的频率、覆盖范围和天线仰角三者之间是相互关联的： （1）在我们将天线仰角固定时，增大电磁波的频率，短波在电离层进行反射的距离不断升高，可接受的范围不断的增大，当达到临界值时，其覆盖面积达到最大值，当超过最大频率时，短波就会超出电离层，无法进行反射。 （2）当频率向MUF 升高，电磁波可能会使用F层来进行反射，在这种情况下需要将天线的仰角抬高从而使短波能够完成一定路径的传播。 （3） 当对短波的传输频率进行固定时，天线的仰角越低，短波所能传输的距离就越远，与之相反的是，天线发射的仰角越高，短波传输的路径越短，反射短波的电离层位置也越高。 4短波信号的衰减 会引起衰减的因素众多，例如发射天线的信号集中度不够，信号有很大一部分散射掉了，从而使很多相位幅度都不同的传输模式。如果在接收的过程中，有多条信号相互干扰，将会对接收质量造成很大的影响。当短波传输时处于不同的时间段时，会由于电离层的不同而造成MUF 发生上下波动。 5 短波信号的噪声 噪声根据噪声源的不同分为系统内部和系统外部，内部噪声由于产生的影响不大，一般都将其忽略，外部的噪声多来自于自然界（大气层和银河系）或者是人类发出的信号造成的干扰，而雷暴由于会产生很高的电压和导致电离层不稳定从而对短波的影响很大。而来自于太空中的离子风暴对短波的影响也很大，离子风暴的冲击对电离层的影响对短波传输造成影响。人类发明的电气产品也在不断的向外辐射着电磁信号，这些信号也和对短波的传输造成影响，这些噪声往往是垂直极化的，因此我们可以使用选择水平极化的天线来降低人为噪声对天线传输的影响。 三、太阳风暴对短波传输的影响 大型太阳风暴会产生大量的射线，这些射线会造成电离层的D层电离增强，D层对短波的吸收加大，这样就会对电离层的反射造成影响，严重的甚至可以阻塞整个短波频段。在发生太阳风暴对电离层的影响时一般只在白天对电路造成影响，持续时间一般从几分钟到几小时不等，这些时间是可以根据爆发的时间来进行估算的，衰落的量级与太阳爆发的强度有关，同时与太阳位置相对于电波穿越D 层的位置也有关系。当发生以上这种情况时，高频受到的影响要远低于低频电磁波。 1极帽吸收 当太阳风暴发生时，一般会辐射处大量的高能射线，这种高能射线中的高能质子会被地球自身的磁场偏转导向两极，在两极会导致电离层的D层发生电离加强，从而会对短波造成很强的吸收，在太阳爆发后约10 分钟，极帽吸收就可能发生，时间长的可持续10 天。 2电离层骚扰 太阳的剧烈活动会对地球的磁场造成一定的影响，因为电离层和地球磁场是相互关联的，一方受到影响必然会影响到另一方，这种被称为电离层的骚扰，当发生电离层骚扰时，有时会导致电子密度的增加，从而会导致能够传输相较于平时更高频率的短波，而有时又会产生相反的影响，只适合于低频率短波的传输，这种电离层骚扰将会影响几天，在不同的维度所收到的影响不一，通常来说在高纬度地区所受到的骚扰较大，与太阳风暴引起的现象相反的是，低频信号较高频信号能够更好的在电离层骚扰时进行传输信号。 3对短波传输有很大影响的几个数据 短波传输发展至今，人们已经发现并总结出了一些公式，能够计算出短波传输中的数据，但是这些公式的应用需要依赖于一些重要的参数，下面将就这些数据进行列举： （1）太阳黑子数 太阳活动引起的电磁信号的辐射将直接影响到电离层的结构，太阳活动主要是通过使用太阳黑子进行评估和说明的，太阳黑子数目是指太阳表面可见黑子和黑子组的数目。通过测量来自太阳在10.7cm（2800MHz）的射线来计算太阳黑子的数目。 （2）长路径与短路径 短波电路预测一般有两种电路类型：短路径和长路径。 （3）大圆图与大圆距离 大圆图是以发射点为坐标原点，正北方为0°，大圆距离为径长绘制出的极坐标形式的地图，圆距离就是地图中发射点到达接收点的直线距离。 （4）天线方向 天线的方向必须对应用正确的方位。 四、短波电路预测 当知道以上数据以后就可以通过软件来计算短波传输路径的预测，通过软件的计算可以得出点对点电路计算可以对覆盖区域内的接收点提供详细的计算值，而点对面模式一般可绘出基本电路可靠度、场强和功率等数据的等值曲线图，可以供用户综合考虑。所算出的数值通常是用于估算在某一月份和时间短波的频率性能和短波所能覆盖的区域，这个数值是一个估算值，无法精确到某一天，但是也有一些软件能够对确定的日期进行精确地预估，这一软件中通常对影响电离层的数据进行了全盘考虑。 软件预测值是否准确不但取决于软件的算法同时还要依靠 （1）对于系统模拟发射系统的参数的使用情况； （2）电离层和地磁条件的实际状况是否与所估算的值相符； （3）使用的天线场型图是否符合实际； （4）信噪比是否达标等。如果软件算法合理，系统模拟发射系统的参数准确、电离层等条件达标的情况下，计算软件能够很好的完成对于短波传输的计算。 结语 本文通过对短波传输的原理以及影响短波传输的因素进行了介绍，并指出了通过一些软件可以精确预测短波传输的路径等。 参考文献 [1]樊熙熙，黄同，樊延虎.短波SSB数字传输终端管理软件设计[J].延安大学学报.2006. [2]沈良.超短波抗干扰数据传输系统[J].解放军理工大学通信工程学院.2009. [3].薛智军，朱晓明.短波低速率数据传输研究[D].西安电子科技大学国家重点实验室，2013. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。