中波广播信号传播特性与调制技术研究

【摘要】中波广播作为传统广播技术的重要组成部分，在现代传媒格局中仍然发挥着不可替代的作用，深入研究中波广播信号的传播特性和调制技术对于提升广播服务质量、拓展广播应用场景具有重要意义。本文系统分析了中波广播信号的电离层反射和地波传播机理，探讨了信号衰减和干扰的影响因素。并在此基础上，本文重点研究了中波广播信号的调制技术，包括传统调幅技术的优化策略、数字化调制方案的设计与仿真验证、智能化自适应调制算法的应用等，为中波广播的技术创新和可持续发展提供了理论支撑和实践指导。

【关键词】中波广播信号；传播特性；调制技术

中图分类号：G212" " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.20.041

中波广播是指利用中波频段（300kHz～3MHz）进行无线电广播的传输技术，其通过调制载波信号传送音频节目，实现远距离覆盖，作为当前最为成熟的广播技术之一，中波广播凭借其独特的传播优势，在广大农村地区和边远地区发挥着重要的信息传播作用，成为维系公共服务和应急广播的重要手段。然而，随着无线电频谱资源的日益紧张、信息技术的不断进步，传统的中波广播技术面临着频谱效率低、音质欠佳等诸多挑战，为了推动中波广播的创新发展，迫切需要从信号传播和调制技术等方面进行深入研究，优化系统性能，提升服务质量，更好地满足新时代受众的多样化需求。本文从中波广播信号传播特性和调制技术两个方面进行了分析，希望可以对目前的中波广播信号应用有所帮助。

1. 中波广播信号传播特性分析

1.1 电离层反射与地波传播机理

在中波广播信号传播过程中，电离层反射和地波传播这两种机制的作用非常重要，共同决定了中波信号的传播特性，包括传播距离、衰减规律、覆盖范围等，深入理解电离层反射与地波传播的机理，对于优化设计中波广播系统、提高传输质量具有重要的意义。

电离层反射是中波信号能够实现远距离传播的关键机制，中波频段的电磁波在传播的过程中会被电离层中的带电粒子反射，从而使信号能够到达较远的距离，而影响电离层反射强度和有效性的因素包括太阳辐射强度、电离层电子密度的分布情况、电磁波的入射角度等，这些因素的变化会导致电离层反射对中波信号传播距离和质量产生影响，为了预测和优化中波广播的覆盖范围和传输性能，需要深入研究电离层反射的机理，建立起能够准确描述电离层状态的模型[1]。

地波传播则是中波信号传播的另一种重要方式，沿着地表传播的中波信号，其传播距离和衰减特性会受到地面电导率、介电常数等地面参数的影响，不同地形和地貌条件下，中波地波传播的特性存在明显差异，例如，在导电性能好的海洋环境中，中波地波可以传播相对较远的距离，而在山区等复杂地形条件下，地波传播则会遭受显著的衰减和散射损耗。为了优化中波广播网络的布局，提高覆盖质量，需要深入研究地波传播的机理，构建基于地形和地貌影响的地波传播模型。

在中波信号的传播过程中，电离层反射和地波传播是相互耦合的，对传播特性的影响需要进行综合考虑。在实际的中波广播应用中，可以通过优化天线设计、合理选择发射功率和频率等系统参数，综合考虑电离层反射和地波传播的影响，从而达到最佳的传播效果。

1.2 信号衰减与干扰因素影响

中波广播信号在传播的过程中会受到多种因素的影响，导致信号强度衰减和传播质量下降，这些影响因素包括传播距离、地形条件、电离层状态、天气条件、干扰源等，深入分析这些因素对信号衰减和干扰的影响机理，对于提高中波广播的传输质量和覆盖范围具有重要意义。

传播距离是影响中波广播信号衰减的最基本因素，随着传播距离的增加，信号强度会逐渐衰减，这是由于在传播过程中电磁波能量不可避免地向周围环境耗散导致的。中波信号的衰减规律通常遵循传播距离的平方反比关系，即距离每增加一倍，信号强度就会衰减6dB，为了克服距离衰减对传输质量的影响，需要合理选择发射功率和天线增益，确保在目标覆盖区域内有足够的信号强度[2]。

地形条件对中波广播信号的衰减和干扰也有显著影响，不同的地形和地貌，如山地、丘陵、平原、海洋等，对中波信号的传播特性有不同的影响。山区地形会对信号造成阴影效应和绕射损耗，导致信号衰减加剧；海洋环境则因其良好的导电性能而对中波信号的传播相对有利；城市环境中，建筑物密集、地面粗糙度大，会引起信号的散射和吸收损耗。为了克服地形条件的影响，工作人员需要在选址规划时充分考虑地形因素，优化发射天线的高度和方向，必要时可采用中继转发等方式改善盲区覆盖。

电离层状态的变化也会对中波广播信号产生显著影响，电离层对中波信号传播的影响体现在反射和吸收两个方面，电离层的反射作用可以使中波信号实现远距离传播，但反射信号与直达信号之间的相位差会导致信号时延，并产生多普勒频移；电离层的吸收作用则会使信号能量损耗加大，尤其是在日出日落时段，电离层状态剧烈变化，会引起信号衰减的急剧起伏。为了应对电离层变化的影响，需要建立电离层监测和预报系统，优化频率管理和信号调制方案，动态调整发射参数以适应电离层状态的变化。

此外，干扰源也是影响中波广播信号质量的重要因素，中波频段承载着大量的广播业务，不同台站之间的同频干扰和邻频干扰问题突出，其他无线电业务，如短波通信、业余无线电等，也可能对中波广播产生干扰，大气噪声、工业噪声等环境噪声也会影响接收质量。为了减少干扰问题，需要合理规划频率资源，协调各台站的频率使用，优化节目编排和信号制式，提高抗干扰能力。

2. 中波广播信号调制技术与提升路径分析

2.1 传统调幅技术优化与性能提升策略

传统的调幅（Amplitude Modulation，AM）技术是中波广播普遍采用的信号调制方式，尽管AM调制简单可靠，但其频谱利用率和抗噪声干扰能力有限，为了提升中波广播的传输质量和频谱效率，对传统AM技术进行优化和改进具有重要意义。

首先，优化AM调制的重要方向之一是提高调制深度。调制深度反映了调制信号对载波幅度的控制程度，调制深度越大，有用信号的功率就越高，信噪比也就越好，然而，过高的调制深度也可能引起信号失真和互调干扰。为了在提高调制深度的同时控制失真，可以采用自适应调制深度控制技术，该技术根据音频信号的瞬时特性和信道状况，动态调整调制深度，在保证失真水平的前提下，最大化调制效率。在应用的过程中，技术人员可以通过前馈或反馈方式实现，使AM调制系统能够适应不同的输入信号和传输环境[3]。其次，抑制AM信号中的残留载波也是优化传统AM技术的重要手段。理想的AM信号只包含上下边带，不包含残留载波成分，然而，实际的AM调制过程中，由于调制器的非线性和不平衡，会产生残留载波，残留载波会占用额外的频谱资源，降低频谱利用率，还可能引起相邻信道干扰，技术人员可以采用平衡调制、载波抑制等技术抑制残留载波，显著降低残留载波电平，提高AM信号的频谱纯度。

引入高效的音频压缩编码技术，也可以提升传统AM广播的传输性能。传统的AM广播通常采用模拟音频传输，频带宽度和动态范围有限，采用先进的音频编码技术，如MPEG-4 AAC、apt-X等，可以在保持高音质的同时，大幅压缩音频数据率，压缩后的音频信号占用更少的频带资源，可以容纳更多的节目内容，数字化的音频信号也更容易实现错误校正和防护，提高其抗噪声和干扰能力。为了在现有的AM广播系统中引入数字音频编码，可以采用混合调制方案，在保留原有AM调制的同时，在特定的频带内传输数字音频信号，实现数模混合传输，从而充分利用现有的AM广播基础设施，平滑过渡到全数字化广播。

2.2 数字化调制方案设计与系统仿真验证

数字化调制方案的设计需要综合考虑传输环境、频谱资源、覆盖要求等多方面因素，因为中波广播所面临的传输环境复杂多变，存在多径衰落、噪声干扰等挑战，数字化调制方案要能够适应这些复杂的传输条件，提供可靠的覆盖性能。常用的数字化调制技术包括正交相移键控（Quadrature Phase-Shift Keying，QPSK）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，QPSK调制具有良好的频谱利用率和抗噪声性能，适用于中等数据率的传输，OFDM调制则通过并行传输多个正交子载波，可以有效抵抗多径衰落和频率选择性衰落，实现高速、高质量的数据传输。数字化调制方案的设计需要权衡各种调制技术的优缺点，选择最适合中波广播应用场景的方案。

数字化调制方案的设计还需要考虑与现有的模拟AM广播系统的兼容性。为了实现平稳过渡，数字化调制信号要能够与模拟AM信号共存，避免相互干扰，一种可行的方案是采用混合调制技术，在现有的AM广播频段内，同时传输模拟AM信号和数字调制信号，通过精心的频谱规划和功率分配，可以确保模拟和数字信号之间的兼容性；另一种方案是采用独立的数字广播频段，与现有的AM频段分离，这种方案可以最大限度地发挥数字化调制的优势，但需要重新分配频谱资源，并进行很大范围的接收机更新。数字化调试方案需要在兼容性、性能和成本等方面进行综合权衡，选择最优的过渡策略。

为了验证数字化调制方案的可行性和性能，技术人员需要开展系统的仿真验证工作。通过建立精确的信道模型和系统模型，可以在计算机上模拟数字化调制系统的传输过程，评估其性能指标，如误码率、信噪比、覆盖范围等，可以帮助优化调制参数、纠错编码方案、均衡算法等关键设计要素，提高系统的鲁棒性和可靠性，还可以评估数字化调制系统在不同传输场景下的适应性，如城市、郊区、农村等，为实际部署提供重要参考。通过反复地仿真验证和优化，可以确保数字化调制方案的设计满足中波广播的实际需求，能够提供优异的传输性能。

数字化调制方案的设计和仿真验证工作需要多学科、多领域的专业知识和技术手段。信号处理、通信理论、电磁场理论、软件工程等学科都在数字化调制系统的设计中发挥着重要作用，先进的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）工具、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）平台、软件无线电（Software Defined Radio，SDR）技术等，为数字化调制系统的设计和仿真验证提供了强大的支撑，因此数字化调制方案的设计需要汇聚多学科的专业人才，携手攻关，方能取得突破性进展。同时，还需要与广播运营商、设备制造商、芯片厂商等产业界密切合作，确保数字化调制方案能够满足产业发展的实际需求，推动中波广播的数字化转型进程。

2.3 智能化自适应调制算法研究与应用

智能化自适应调制算法是中波广播信号调制技术发展的重要方向，通过引入智能算法和自适应机制，智能化自适应调制可以根据实时变化的信道条件和业务需求，动态优化调制参数和传输策略，从而显著提高中波广播的频谱效率、传输质量和覆盖性能。

智能化自适应调制算法的核心是利用智能算法实现调制参数的动态优化。传统的固定调制方案难以适应中波广播所面临的复杂多变的传输环境，智能化自适应调制算法通过机器学习、人工智能等技术，实时学习和预测信道的变化规律，动态调整调制参数，如调制方式、符号速率、发射功率等，以匹配瞬时的信道状态。例如，在信道条件良好时，智能算法可以选择高阶调制方式和高码率，提高传输速率和频谱效率，而在信道条件恶化时，算法则可以切换到低阶调制方式和低码率，保证传输的可靠性。

智能化自适应调制算法还可以根据业务需求和优先级，动态分配传输资源。中波广播需要承载多种业务，如音频、数据、紧急警报等，不同业务对传输质量和时延的要求各不相同，智能化自适应调制算法可以通过业务感知和优先级划分，动态调度传输资源，优先保障关键业务的质量需求[5]。例如，在紧急情况下，算法可以优先分配资源给紧急警报业务，保证警报信息能够及时传输，而在正常情况下，算法则可以根据业务的重要性和实时性，合理分配传输资源，提高整体的业务质量和用户体验。

智能化自适应调制算法的应用需要与先进的信道估计和反馈技术相结合。精确的信道状态信息是智能化自适应调制的基础，中波广播系统需要采用先进的信道估计技术，如导频辅助估计、盲估计等，实时获取信道的衰落、多普勒频移等关键参数，还需要建立高效的反馈机制，将信道状态信息及时反馈给发射端，提供智能算法进行调制参数的调整。

此外，智能化自适应调制算法在中波广播中的应用还需要考虑实际的工程实现和部署问题。智能算法的运行需要较强的计算能力和存储资源，对硬件平台提出了更高的要求，中波广播系统需要采用高性能的处理器和专用芯片，如DSP、FPGA等，来支撑智能算法的实时运行。同时，智能化自适应调制的引入还需要对现有的广播系统进行升级改造，包括发射机、天线、监控系统等，来适应新的调制方式和传输协议，这需要广播运营商、设备制造商和技术提供商的通力合作，共同推动智能化自适应调制技术在中波广播中的应用和普及。

3. 结束语

中波广播技术经过近百年的发展，已经成为最为成熟和可靠的无线电广播手段之一，在弥合信息鸿沟、维护公共安全等方面发挥着不可替代的作用。本文围绕中波广播信号传播特性和调制技术这一核心主题，深入剖析了中波信号的电离层反射与地波传播机理、衰减与干扰影响因素，重点探讨了调幅技术优化、数字化调制设计与仿真、智能化自适应调制算法等关键技术问题，为中波广播系统的优化设计和技术创新提供了重要启示。展望未来，随着信息通信技术的飞速发展，中波广播亟需与新一代信息技术深度融合，不断强化核心技术研发，推动智慧广播、融合媒体等新业态、新模式创新，持续提升服务能力和影响力，为经济社会发展注入强大动力。

参考文献：

[1]江涛.中波广播发射机故障的处理探析[J].通讯世界，2022，29（12）：121-123.

[2]周嘉镇.DCM10kW中波广播发射机输出网络原理与调整[J].电视技术，2023，47（9）：112-114.

[3]邵正.PDM1kW中波广播发射机射频链路常见故障分析[J].电视技术，2023，47（1）：134-136.

[4]何红霞.中波广播发射机的工作原理与故障处理措施研究[J].电视技术，2024，48（07）：40-43.

[5]党振宇.中波广播发射台的防雷保护技术分析[J].电子通信与计算机科学，2022，4（2）：10-11.