浅议短波通信实际应用中的频率选择

梁拥军

河北省人防（民防）指挥信息保障中心

在无线电通信中，无线电发射机的天线辐射载有信息的电磁波，到达接收点无线电接收机的天线，要经过一段自然路径。无线电波主要拥有视距传播、地波传播以及天波传播三种传输途径。短波无线电波的传播与其他频段的传播不同，有其独特的传播规律，需要对其进行充分的认识，才能充分发挥出短波无线电波的作用。

无线电波的传播路径

无线电波的传播路径分为视距传播、地波传播和天波传播三种。

视距传播是指电波的发射与接收天线处于可视范围内，电波在靠近地面的地空中以接近直线的路径进行传播。当发射功率保持固定时，视距传播的距离主要受收发双方天线高度的影响，该传播方式主要用于短波通信。视距传播基本不会受到天气因素的影响，具有传输质量稳定的优点。

地波传播方式是指电波沿着地球表面进行传播的一种方式，当电波以地波传播方式进行传播的过程中，在地表面会产生感应电荷，这些电荷会随着电波的前进而形成一定的地电流。由于大地存在一定的电阻，电流在流过大地时会消耗一定的能量，此时地面会吸收一定的电波。地电阻的大小与电波频率存在直接关系，当电波频率越高时，地电阻越大。因此，地波传播方式更适合中长波的传播。地波传播方式由于距离由于沿地表传播，基本不会受到天气因素的影响，具有较好的传输质量。

天波传播方式是指地面发出的电波经过电离层的折射返回到地面的一种传输方式。通过天波传播方式，小功率的短波无线电台可以独自实现长达数百公里甚至数千公里的传输路径。但是由于电离层会随着时间的推移不断发生变化，因此，天波传播的质量也会随着电离层的变化不断发生变化。

短波的地波传播

以地波方式进行短波通信，可以在一定的距离内建立稳定可靠的网络。该网络的具体有效距离主要受到短波电台的发射功率、天线的结构以及具体的传播路径的影响，同时还会受到载波频段的影响。当前三个条件固定的情况下，载波频率成为提高通信距离的唯一因素。由于频率越低，大地对电波的吸收越小，通常选择短波频率的低段（2～6MHz）作为地波通信频率。地波的传播距离越远，信号强度越低，当达到一定距离之后，短波通信的信噪比会降低到无法保证通信可靠进行的程度，而导致信号中断。短波通信过程中的噪声主要来自大气的天线以及天线周围的电器干扰。通常情况下，合理的载波频率选择，可以有效保证数十公里的可靠通信距离。

短波的天波传播

（1）电离层

由于天波传播方式主要依靠电离层的反射，因此，了解电离层在不同时段对不同频率短波电波的反射规律，对提高短波无线通信的质量具有重要作用。在电离层中，队短波通信影响较大的主要为D、E、F1、F2 层，各层的中部电子密度最大且各层之间不存在明显的界限。

D 层：高度 60～80km，中午电子密度最大，入夜后很快消失；

E 层：高度 100～120km，白天电子密度增加，晚上相应减少；

F1 层：高度 180km，中午电子密度最大，入夜后很快消失；

F2 层：高度 200～400km，电子密度在下午达到最大值，之后不断减少，黎明降到最小值。

（2）电离层对电波的折射和反射

电离层对电波的折射率主要与电离层电子密度以及电波频率有关。其中，电离层的电子密度越高，对电波的折射率越大；电波的频率越高，电离层对电波的折射率越小。随着电离层高度的增加，电子密度会逐渐上升，对电波的折射率也不断上升。当电波的频率一定时，电波的入射角越大，则越容易被电离层反射回地面，而当入射角度小于一定值时，电波则会穿过电离层进入太空中。当入射角固定时，电波的频率越高，电波需要进入更高的电离层空间，才能被反射会地面，而当电波频率达到一定程度时，因为折射角条件无法满足而穿过电离层进入太空中。

（3）电离层对电波的吸收

电波在通过电离层时，电离层中的自由电子在电波的作用下会不断运动，逐渐消耗电波的能量，这即是电离层对电波的吸收。具体的吸收程度主要与电离层的电子密度和电波的频率有关。当电子密度越高、电波频率越低时，电离层对电波的吸收越强。

短波电台通信频率的选择

由于电离层的高度及电子的密度不断变化，因此对短波电台通信频率的选择是保证通信质量的关键，如果选择的频率过低，则可能导致电离层对电波的吸收过强，无法保证短波信号的信噪比；而如果选择的频率过高，则可能导致电波直接穿过电离层进入太空。对此，需要考虑以下原则。

（1）当通信距离固定时，短波电波的频率不能超过能够被电离层反射回来的最高频率。否则，电波将穿过电离层进入太空。

（2）当短波电波的通信频率越低时，电离层对电波的吸收程度越强，当短波电波的频率降低到一定程度之后，会导致短波的信噪比下降，影响通信质量。通常，短波的最低通信频率为3～4MHz。

（3）根据时间的变化对短波的频率进行合理调整。通常在白天和夜晚分别选择不同的频率，通常在电离层电子密度变化剧烈的黎明和黄昏时刻对电波频率进行调整。

短波通信的“盲区”

盲区是短波无线电通信过程中的常见问题之一。通常该盲区存在于地波最大传输距离与天波的最近反射距离之间。在一方天线高架的情况下，盲区通常在距离短波发射天线数十公里到150km 左右的范围内。从理论上讲，在盲区内无法收到任何信号。但是，可以通过当前一些新的天线技术来解决盲区问题，通过在忙去内进行低频传输，降低大地对电波的吸收，同时使仰角较大的电波反射回地面，可以改善信噪比。

关于“频率自适应技术”

（1）传统短波通信选频方式的固有缺陷：合理选频对中远程短波通信至关重要，这一点已有说明。传统的中远程短波通信的选频模式是：通信指挥人员根据长期频率预测和短期频率预测以及电离层随季节、昼夜变化规律和通信距离指定“时间-频率表”，各台站之间以定时、定频的方式进行通信联络。但是要想对电离层的传输频率进行准确预测，并始终保证通信质量难度较大。其主要原因是：短波信道（电离层）是一种典型的随机变参数信道，它的信道特性随时间、空间和工作频率而随机变化。而预测所得到的频率是在既往资料的基础上，运用统计学方法得到的，可能与当时当地的实际电离层传输频率有较大的偏差，并且无法考虑到诸如多径效应、多普勒频移和各种干扰等因素，是一种比较粗糙的办法。以这种方法预测的工作频率有时只能作为参考。

（2）问题的解决办法：为使现有的装备能充分发挥其应有的作用，应尽可能减少通信系统对人员条件的依赖，采取技术措施使设备操作（关键是频点选择）自动化、“傻瓜”化。当前，中远程短波通信自动选择可用工作频点的相关技术和产品已经成熟，并得到了广泛应用。短波自适应通信方式是现代短波通信的象征，使短波通信系统具有自动适应通信条件变化的能力。它采用微处理机控制技术，使短波通信机实现自动频率选择、自动信道存储、自动天线调谐，能实时选择出当时当地最佳的短波通信信道，克服短波信道的时变性，能非常有效地改善通信效果，简化了人工选频的复杂操作，非专业人员也能使用。

（3）频率自适应系统的工作过程为：在链路建立前，主叫方先在一组预置频率上发送测试码，被叫方接收并测量信号质量，对各信道的通信质量评分，按优劣排序。然后，向主叫方发出应答信号，反馈各可用信道评分排序信息。主叫方收到应答信号后，向被叫方发出确认信号，双方建立频率库，进入自适应扫描状态。此时，通信各方发射机处于寂静状态，接收机对已存入频率库的各频点循环扫描。当需要进行通话时，主叫台在频率库中选取最佳信道发出呼叫信号，被叫目标台收到呼叫信号后发送应答信号，主叫台收到应答信号后发出确认信号。至此，链路建立完成，可以进行通信。如果主叫台在最佳信道上呼叫不通，链路未能建立，则自动转入排序第二位的信道上执行呼叫，依此下去，直到链路建立。

频率自适应技术使短波通信的质量产生了质的飞跃，将人的因素对通信系统的影响降低到最低限度，赋予短波通信以新的生命（在此前，短波通信因其前述的固有缺陷而趋于没落），得以充分发挥其他通信手段所不具备的独特优势。