短波通信快100年了，為什么還不可替代？

2016-12-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

[導讀] 短波按照國際無線電咨詢委員會(CCIR,現在的ITU-R),的劃分是指波長在l00m~l0m,頻率為3MHz~30MHz的電磁波。利用短波進行的無線電通信稱為短波通信,又稱高頻(HF)通信。實際上,為了充分利用短波近距離通信的優點,短波通信實際使用的頻率范圍為1.5MHz~30MHz。

短波按照國際無線電咨詢委員會(CCIR,現在的ITU-R),的劃分是指波長在l00m~l0m,頻率為3MHz~30MHz的電磁波。利用短波進行的無線電通信稱為短波通信,又稱高頻(HF)通信。實際上,為了充分利用短波近距離通信的優點,短波通信實際使用的頻率范圍為1.5MHz~30MHz。

自從1921年發生在意大利羅馬的一次意外事故,短波被發現可實現遠距離通信以來,短波通信迅速發展,成為了世界各國中、遠程通信的主要手段,被廣泛地用于政府、軍事、外交、氣象、商業等部門,用以傳送電報、電話、傳真、低速數據和圖像、語音廣播等信息。在衛星通信出現以前,短波在國際通信、防汛救災、海難救援以及軍事通信等方面發揮了獨特的重要作用。

短波通信可以利用地波傳播,但主要是利用天波傳播。地波傳播的衰耗隨工作頻率的升高而遞增,在同樣的地面條件下,頻率越高,衰耗越大。利用地波只適用于近距離通信,其工作頻率一般選在5MHz以下。地波傳播受天氣影響小,比較穩定,信道參數基本不隨時間變化,故地波傳播信道可視為恒參信道。天波是無線電波經電離層反射回地面的部分,傾斜投射的電磁波經電離層反射后,可以傳到幾千千米外的地面。天波的傳播損耗比地波小得多,經地面與電離層之間多次反射(多跳傳播)之后,可以達到極遠的地方,因此,利用天波可以進行環球通信。天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的嚴重影響極不穩定,其信道參數隨時間而急劇變化,因此稱為變參信道。天波不僅可以用于遠距離通信,而且還可以用于近距離通信。在地形復雜,短波地波或視距微波受阻擋而無法到達的地區,利用高仰角投射的天波可以實現通信。

與衛星通信、地面微波、同軸電纜、光纜等通信手段相比,短波通信也有著許多顯著的優點:

1)短波通信不需要建立中繼站即可實現遠距離通信,因而建設和維護費用低,建設周期短;

2)設備簡單,可以根據使用要求固定設置,進行定點固定通信。也可以背負或裝入車輛、艦船、飛行器中進行移動通信;

3)電路調度容易,臨時組網方便、迅速,具有很大的使用靈活性;

4)對自然災害或戰爭的抗毀能力強。通信設備體積小,容易隱蔽,便于改變工作頻率以躲避敵人干擾和竊聽,破壞后容易恢復。

這些是短波通信被長期保留,至今仍然被廣泛使用的主要原因。短波通信也存在著一些明顯的缺點:

1)可供使用的頻段窄,通信容量小。按照國際規定,每個短波電臺占用3.7kHz的頻率寬度,而整個短波頻段可利用的頻率范圍只有28.5MHz。為了避免相互間的干擾,全球只能容納7700多個可通信道,通信空間十分擁擠。并且3kHz通信頻帶寬度,在很大程度上限制了通信的容量和數據傳輸的速率。

2)短波的天波信道是變參信道,信號傳輸穩定性差。短波無線電通信主要是依賴電離層進行遠距離信號傳輸的,電離層作為信號反射媒質的弱點是參量的可變性很大。它的特點是路徑損耗、延時散步、噪聲和干擾,都隨晝夜、頻率、地點而不斷變化著。一方面電離層的變化使信號產生衰落,衰落的幅度和頻次不斷變化。另一方面天波信道存在著嚴重的多徑效應,造成頻率選擇性衰落和多徑延時。選擇性衰落使信號失真,多徑延時使接收信號在時間上擴散,成為短波鏈路數據傳輸的主要限制。

3)大氣和工業無線電噪聲干擾嚴重。隨著工業電器化的發展,短波頻段工業電器輻射的無線電噪聲干擾平均強度很高,加上大氣無線電噪聲和無線電臺間干擾,在過去,幾瓦、十幾瓦發射功率就能實現的遠距離短波無線電通信,而在今天,10倍、幾十倍于這樣的功率也不一定能夠保證可靠的通信。大氣和工業無線電噪聲主要集中在無線電頻譜的低端,隨著頻率的升高,強度逐漸降低。雖然,在短波頻段這類噪聲干擾比中長波段低,但強度仍很高,影響著短波通信的可靠性,尤其是脈沖型突發噪聲,經常會使數據傳輸出現突發錯誤,嚴重影響通信質量。

這些問題的存在,不僅限制了短波通信的發展,而且也不能很好地適應人們日益增長的對數據通信,特別是對高速數據通信業務的需求。當20世紀60年代衛星通信興起時,由于衛星通信與短波通信相比具有信道穩定、可靠性高、通信質量好、通信容量大等優點,短波通信受到嚴重挑戰。許多原屬短波通信的一些重要業務,被衛星通信所取代;對短波通信的投入急劇減少,短波通信的地位大為降低。至70年代后期,有人甚至懷疑短波通信存在的價值。

然而,實踐證明衛星通信的初建費用高,靈活性有限。曾被設想為可能取代短波通信的衛星通信,并不能滿足所有情況下的用戶需要。事實上也不是所有用戶都需要寬帶線路。此外,在戰爭時期,衛星通信容易遭受敵方攻擊,信道不易抵御敵方的電磁干擾。與此相比,短波通信不僅成本低廉,容易實現,更重要的是具有天然的不易被“摧毀”的“中繼系統”--電離層。衛星中繼系統可能發生故障或被摧毀,而電離層這個中繼系統,除非高空原子彈爆炸才可能使它中斷,何況高空原子彈爆炸也僅僅是有限的電離層區域內短時間影響電離密度。1980年2月,美國國防部核武器局(Defense Nuclear Agency)在一份報告中提出:“一個國家,在遭受原子襲擊后,恢復通信聯絡最有希望的解決辦法是采用價格不高,能夠自動尋找信道的高頻通信系統”。事實上,從20世紀70年代末,80年代初開始,短波通信又重新受到重視。許多國家加速了對短波通信技術的研究與開發,陸續推出了一些性能優良的新型設備和系統。美軍在1979年修改的綜合戰術通信計劃中,又突出了短波通信的地位,把它列為第一線指揮控制通信手段之一;80年代初開始,美軍實施了遍及三軍的一系列短波通信改進計劃;在海灣戰爭中,美、法等國軍隊大量運用短波通信,取得了突出的效果。近年來,其他一些國家的軍隊,也把短波通信列為重要的通信手段之一。此外,在民用通信的某些領域,短波通信的應用也有發展的趨勢。特別是近十幾年來,由于多種新技術的應用,短波通信技術及裝備取得了很大進展,短波通信原有的缺點,已有不少得到了克服,短波通信鏈路的質量大大提高,無論是電話傳輸還是數據傳輸的質量可以與衛星通信相比。短波通信又重新煥發了青春。