第二章 地面系统.docx
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第二章 地面系统.docx
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第二章地面系统
第二章地面通信系统原理与业务
第一节地面通信系统的基本知识
一、无线电波的产生
无线电波实质上是一种电磁波。
电荷周围有电场存在,电荷定向移动产生电流,在电流周围会产生磁场。
如果电流大小与方向随时间变化,此交变电流在其周围将产生交变的电磁场。
当交变频率足够高时,交变的电磁场将会摆脱电流的束缚辐射出去,这就是交变电磁场产生的基本原理。
无线电传播过程就是交变电磁场向前波动的过程。
当交变的电流通过天线向空间辐射后,在天线附近空间形成交变的电场和磁场,变化的电场能产生磁场,交变的磁场又生成电场,如此反复,电磁场以光的速度向外辐射和传播。
二、频率、周期、波长和速度的定义以及相互关系
电波在1秒的单位时间内幅值大小与方向周期性重复变化的次数称为频率。
符号:
f;单位:
赫兹(Hz)千赫兹(KHz)兆赫兹(MHz)G赫兹(GHz)
1000Hz=1KHz1000KHz=1MHz1000MHz=1GHz
电波幅值大小与方向变化一次所用的时间称为周期。
符号:
T;单位:
秒(s)毫秒(ms)微秒(s)
1秒(s)=1000毫秒(ms)1毫秒(ms)=1000微秒(s)
电波在一个周期内传播的距离称为波长。
符号:
λ;单位:
米(m)分米(dm)厘米(cm)毫米(mm)
1米(m)=10分米(dm)1分米(dm)=10厘米(cm)
1厘米(cm)=10毫米(mm)
单位时间内无线电波传播的距离称为速度。
符号:
v;单位:
米/秒(m/s),千米/秒(km/s)。
T=1/f;V=λ*f
角速度ω=2πf
在真空中无线电波是以光速传播的。
C=3X105km/s。
三、频率的划分
现在无线电通信被广泛地使用于许多领域,为了更好地使用频率资源,减少相互间的干扰,国际无线电咨询委员会(CCIR)为不同行业指定使用不同的频段。
无线电波一般按波段划分,划分后的波段名称、波长、频率范围详情下表2-2-1所示:
表2-2-1
波段名称
波长范围
波段名称
频率范围
极长波
105m以上
极低频(ELF)
3KHz以下
超长波
105m-104m
甚低频(VLF)
3-30KHz
长波
104m-1000m
低频(LF)
30-300KHz
中波
1000m-100m
中频(MF)
300-3000KHz
短波
100m-10m
高频(HF)
3-30MHz
米波(超短波)
10m-1m
甚高频(VHF)
30-300MHz
微波
分米波
10-1dm
特高频(UHF)
300-3000MHz
厘米波
10-1cm
超高频(SHF)
3-30GHz
毫米波
10-1mm
极高频(EHF)
30-300GHz
CCIR给海上地面移动通信业务专门指配了通信频段和通信频率为:
MF:
415—4000KHz。
其中,MFI:
415-530KHz
MFII:
2MHz
HF:
4000--27500KHz
VHF:
156-174MHz
在HF频率范围内,CCIR指定海上移动通信使用的频段为4、6、8、12、16、18、22、25MHz。
同时,CCIR还为无线电话(RT)、无线电传(TELEX)、数字选择性呼叫(DSC)、无线电报(WT)几种通信方式分别指配了工作信道。
每一工作信道对应一对工作频率,分别供船岸电台和船对船的电台通信使用。
CCIR按通信方式、波段,分别划分通信信道。
船岸通信信道的收/发频率通常是不同的;而指配用于船对船的通信信道其收/发频率是相同的。
指配用于遇险安全等一些重要的通信,收/发频率相同。
这些频率不仅用于船船间通信,而且用于船岸间的通信。
例如上海海岸电台无线电传业务使用828信道,这一信道对应的岸台的发射频率(即船台的接收频率)是8430.0KHz,接收频率(即船台发射频率)是8390.0KHz。
TELEXHFCH828
指8MHz频段的28信道
指TELEX的信道
TELEX的MF遇险安全通信收发频率都为2174.5KHz.
VHF:
156-174MHz海上移动业务使用01-28、60-88信道。
CH70用于DSC呼叫,其它信道用于无线电话业务。
船舶自动识别系统(AIS)工作在这一波段的88B信道和87B信道。
以上这些信道和频率划分详情,登载在英版《无线电信号书》第一卷的附录中。
岸台开放业务以及使用的信道详情,也可在英版《无线电信号书》第一卷中查到。
四、无线电波的传播途径和特点
了解无线电波的传播途径和特点,将有助于正确的选择使用频率,迅速建立通信链路。
1、无线电波的传播途径
无线电波从发射点到接收点,不同频率的无线电波有不同的传播途径,按照离开地面高度,传播途径可划分为地波传播、空间传播、电离层波传播三种。
地波传播:
地波传播是指电波沿地球表面传播,见图2-1-1。
空间波传播:
是指电波在空间传播,由入射波、地面反射波和直射波组成。
超短波通信就是靠空间波传播的,接收点的场强是由地面反射波,空间直射波合成,见图2-1-2(a/b/c)。
电离层波传播:
电离层波又称天波,电波由发射天线出发经电离层反射到达接收天线,我们称这种传播方式为电离层传播,见图2-1-3。
图2-1-1地波传播
图2-1-2(a)空间波传播
图2-1-2(b)空间波传播
图2-1-2(c)空间波传播
图2-1-3电离层分布与电波传播
2、各波段电波传播特点
(1)电离层:
大气层由于太阳紫外线的辐射,气体分子被电离,形成正负离子和自由电子组成的电离层。
距地面高度为50到300km。
随高度不同电离层电离程度不同,形成不同的浓度。
根据电离层浓度可将电离层大致分为D、E、F1、F2层。
高度越高,电子浓度越大,分布如图1-3-3所示,电波在穿越电离层时,会受到吸收和衰减。
吸收和衰减大小与频率和电离层的浓度有关。
D层和E层变化最有规律中午浓度最强,上下午次之,晚上D层消逝。
F层在白天分为两层,F1和F2。
F2为较高层。
F1层在晚上消逝。
晚上只剩E层和F2层。
电离层极不稳定,受多种因素的影响,对电波传输影响较大。
(2)长波和超长波传播特点
超长波波长为100km-10km,频率为3-30kHz,长波波长为10km-1km,频率为30-300kHz。
由于波长很长,地面的凹凸及地质参数的变化对传播影响很小。
在300Km以内传播基本上是地波传播。
对于较远距离的通信可用电离层传播。
由于长波和超长波频率低,电子浓度很小时就可能满足反射条件,因此穿入电离层很浅,电离层对其吸收也很小。
白天,电波由D层反射,夜间由E层反射。
电波传播是在地面与电离层之间来回反射进行的,好象电波在波导中传播一样。
因此称地面与电离层之间形成的传播途径为地球波导。
由于D、E层变化较有规律,而且地波场强也较稳定,因此长波和超长波传播比较稳定,这是它的优点。
但它有三个主要缺点:
①由于地波衰减慢,发射台发出地波对其它收信台干扰大;
②天电干扰对长波接收影响严重,尤其是在多雷雨的夏季;
③收发设备笨重,需要庞大的天线;
海上通信不工作在此波段。
(3)中波传播特点
中波波长为1km-100m,频率为300-3000kHz。
中波可经地波和天波传播,但中波的地波传播和天波传播与长波相比具有许多不同之处。
波长越短,沿地面绕射的能力越差。
中波波长比长波波长短得多,因而它沿地面传播的能力比长波差得多。
在山区,电波传播要受到地形的影响。
长波和超长波的波长一般都比山峰的高度大得多,它们能绕过山峰如平地一样传播。
中波波长较短,许多山峰的高度都接近甚至大于中波波长,因而对于沿地面传播的衰减增大,场强减小,传播距离相应减小。
中波在电离层内传播时,由于其频率高于长波,故进入电离层较深。
白天中波穿过D层时,受到强烈的吸收,天波信号微弱,甚至不能由电离层反射,接收信号几乎完全靠地波。
夜间D层消失,由E层反射回来的天波强度大(因为晚间E层电离度减小,且E层位置也较白天高,气体分子比较稀薄,所以损耗较小)。
传播信号有天波也有地波。
总之,中波传播的特点是白天靠地波传播,而晚上则既靠地波又靠天波传播。
在离开电台较远的地方,白天由于仅靠地波传播,地波场强不够,故收不到信号,但到晚上由于可经天波传播,因而可收到远处的中波信号。
白天传播距离近,主要靠地波传播,大约200海里左右;夜间传播距离远,靠地波和天波传播,能传播数百海里。
这是中波传播的最大特点。
中波传播与长波传播的另一个显著的特点是,中波传播存在衰落现象。
所谓衰落现象是指接收点信号强度无规则变化,忽大忽小。
产生衰落的原因是由于信号的多径传播。
夜间,在天波和地波同时存在的区域,由于天波的波程随电离层电子浓度或电离层高度变化而时刻变化,接收点天波的相位也随之变化;地波场强较稳定,接收点地波相位也较稳定。
因此,天波和地波的合成场强将不断地变化,当天地波同相时,合成场强最大,反相时,合成场强最小。
如此便产生了信号忽大忽小的衰落现象。
图2-1-4表示了一个接收信号的衰落情况(衰落现象)。
克服衰落有二种方法,一种是在接收机中加自动增益控制电路,另一种方法是采用抗衰落天线,即设法使天线的辐射能量集中在地面上,尽量减小天波的辐射。
v
t
图2-1-4表示一个接收信号的衰落情况(衰落现象)
(4)短波传播特点
短波波长为100-10m,频率为3-30MHz。
和中波一样,短波也靠地波和天波来传播。
但短波的地波传播,由于波长较短,沿地面绕射传播的能力差,且地面吸收强烈,衰减很快,在陆地的传播距离一般不超过100Km;在海洋,最多也只有150Km。
天波传播时,由于频率较中波频率高,因而在电离层中的损耗相应地减小,可借助于电离层进行一次或多次反射,实现远距离通信。
一般情况下,E层的电子浓度不足以将短波反射回来,而主要靠F层反射回地面。
电波的损耗主要发生在E层。
电波在电离层内衰减与频率有关,频率越高,衰减越小,当频率取得太高时,电波将会穿透电离层,辐射到外层空间,不再折回地面。
短波传播具有以下几个特点:
①地波传播衰减很快,传播距离不远。
②天波传播距离远,但信号不稳定。
比起中波来,由于短波的频率高,它在电离层内传播时的衰减很小,能够容易实现远距离通信。
但由于短波是比较深入电离层的,它所受电离层变化的影响较大,不同时间有不同的最佳工作频率。
实际工作中,白天电子浓度大使用较高的频率;夜间电子浓度小,使用较低频率。
一般地讲,在高频的各频段中,较低的频率通信距离近,较高的频率通信距离远。
③有衰落现象。
短波通常经F层进行反射,,F层不象反射中波的E层那样稳定,所以短波通信中的衰落现象比较严重。
但与中波衰落不同,短波衰落不是由于天地波的叠加而引起的,而是由于电离层里不同路线的电波传输,到达接收天线时,电波相位差的不同所引起的衰落。
④存在寂静区。
在海上通信时,常常遇到这样一种情况,即收听某一海岸电台的频率,在距离短波电台较近和较远地区都能收到信号,但在二者之间却有一个环形区收不到信号,我们通常称存在这一现象的地区为寂静区,又叫哑区,天波与地波之间的寂静区,见图2-1-5所示。
对于地波来说,寂静区内因距发射台太远信号衰减而消失,不能收到。
对于天波来说,由于存在跃距,而且跃距大于地波传播的最大距离,形成了一个天地波均不能复盖的区域。
地波传播的最远距离r1为寂静区的内边界,天波传播的最近距离r2为寂静区的外边界。
r1
r2
图2-1-5短波的寂静区
(5)超短波和微波的传播特点
超短波波长为10-1m,频率为30-300MHz。
微波波长为1m-1mm频率为300MHz-300GHz。
超短波和微波在传播特点上虽有些差别,但基本上是相同的。
它们的频率比短波高得多,一般不能被电离层反射回来,而是穿透电离层奔向无边无际的太空,因而不能依靠电离层的反射实现远距离的传播。
同时,由于它们的波长很短,地波衰减极大,也不能象长波、中波那样沿地面传播,主要靠空间波传播。
由于受到地球曲率的影响,传播距离不会很远,在天线绝对高度(距海平面的高度)为几十米时,一般仅有几十海里。
海上VHF波段,工作于超短波,通信距离一般在20海里左右。
3、在主要航线上不同海区和国内主要海岸电台通信使用的频段
船舶在下述海区与上海台白天和夜间的通信所使用的最佳频段(信息仅供参考):
所在海区
白天最佳频段
夜间最佳频段
在印度洋
16MHz、22MHz
8MHz、12MHz
红海
16MHz、22MHz
8MHz、12MHz
地中海西部
16MHz(1530LT左右)
12MHz(1630LT左右)
8MHz、12MHz
大西洋东部
12MHz(1630LT左右)
8MHz、12MHz
在上述海区与国内通信时,应根据当时的情况确定。
一般方法是先收听一下预通信海岸电台几个频段的信号,根据信号质量、强度和忙闲,选择一最佳频率。
通常情况下,当你在某一海区收听某海岸电台工作信道信号质量好时,你在该信道岸台的接收频率上发射,该岸台也能较好地接收到你的信号。
另外,还要注意到海岸电台使用定向天线等情况,例如上海海岸电台根据业务情况,将某些频率的发射天线向某海区定向。
总之,与其它海岸电台通信时,要注意不断积累经验。
五、调制与解调
1、为什么通信中要使用调制
人耳能听到的声音的频率范围大约在300Hz-3000Hz间,通常把这一频率范围叫作音频。
声波在空气中传播很慢,约为340m/s,且衰减很快,不会传播很远。
如何才能把声音传远,常用的方法有有线与无线传输两种方式。
把声音变成电信号,这一任务通常由话筒完成,然后经过放大、导线播送出去,再经喇叭还原成声音,这是有线传输。
不用导线将声音传播出去为无线传输。
我们知道,交变的电磁场可以利用天线向天空辐射。
但要做到有效的辐射,天线的尺寸应和电磁波的波长相比拟。
音频的波长在106~105m,要制造尺寸相当的天线显然是不可能的。
因此不能直接将音频信号辐射到空中。
将音频信号“装载”到更高的频率上,然后由天线辐射出去,是一个可以实现的设想。
因为高频的波长在10m到100m间,天线尺寸可以做得比较小。
同时,不同的电台可以使用不同的频率,这样就可以容纳很多电台工作。
在船上需要辐射出去的信号除了音频信号外,还有电传、数字等各种信号。
这些信号必须要装载到高频上才便于传送。
这些要借助于高频传输出去的原始信号,称为控制信号或者调制信号。
用调制信号控制高频信号的过程叫做调制。
被调制的高频信号称为载波。
经过调制后的高频信号称为已调信号。
而在接收端从已调信号中检取出原始信号的过程称为解调或者检波。
调制的方法是多种多样的,对连续波的调制方法有:
调幅、调频、调相、边带调制等;对于数字信号的调制有移频键控等。
天线
语音信号
TELEX信号
DSC信号F1F2
图2-1-6无线通信系统发射端
图2-1-6所示的是无线通信发射系统的基本组成,高频信号一般由频率合成器产生。
在调制器产生调制信号,产生的调制信号还不足以达到发射频率的要求,通常需要经过一次或者多次搬频,再经过功率放大,经天线调谐单元送到发射天线把信号向空间辐射。
接收天线
中频放大
扬声器
F1FC
TELEX/DSC终端
图2-1-7无线通信系统的接收端
图2-1-7所示的是无线通信接收系统的基本组成。
接收到的高频信号比较微弱,一般先进行高频放大,再经混频器把信号频率降低,经过一级或者多级中频放大,在解调器中解调出原始信号,经低频放大器放大后,送到喇叭、或者TELEX终端、或者DSC终端。
2、调幅制原理
单一音频信号调制的调幅波。
设高频振荡信号[载波]为正弦波,用下式表示:
uc(t)=UCcos(ct+c)(2-1-1)
其中:
uc(t)是瞬时值,UC是振幅,c是角频率,c是初相位。
又设单一频率的音频信号也是一个正弦波,为研究方便起见,设其初相位为零。
用下式来表示:
u(t)=Ucost(2-1-2)
用该音频信号去调制载波信号的幅度,当音频信号的瞬时值u为零时,载波的振幅UC应不变。
当u增大时,载波振幅应增大;当u减小时,载波振幅应减小。
调幅波的瞬时值表达式为:
u(t)=[UC+u(t)]×cos(ct+c)
=UC(1+mcost)×cos(ct+c)(2-1-3)
式中:
m为小于1的常数,
m=U/UC,叫做调幅系数。
它应和音频信号的U成正比,调幅波才不失真。
调幅波的振幅应为:
UC(1+mcost)(2-1-4)
将式(2-1-3)展开可得:
u(t)=UCcos(ct+c)+(m/2)UCcos[(c+)t+c]+(m/2)UCcos[(c-)t+c](2-1-5)
由式(2-1-5)可以看出,一个单音频调制的调幅信号已不是原来的音频信号,也不是单纯的载波信号,而是由三个不同频率的等幅振荡合成的,其振荡角频率分别是:
载频c,上边频(c+),下边频(c-)。
两个边频分量的振幅相等,都是m/2UC;当m<1时,其振幅等于音频U振幅的一半;当m=1时,其振幅等于载频振幅的一半。
载波、调制信号和已调信号的波形图如图2-1-8(a)(b)所示。
音频u音频u
t
载频uc载频uc
tc
图2-1-8(a)载波、调制信号的波形与频谱图
(注:
用频率F或角频率作横坐标,用组成信号的各正弦分量的幅度做纵坐标而表示的图形,称为频谱图)。
调幅波调幅波
c
t
c-c+
图2-1-8(b)已调信号的波形与频谱图
由图2-1-8(b)可见,单一频率调制的调幅波的频带宽度BAM等于调制信号角频率的两倍,即:
BAM=2。
并且幅度大的载频中不包含任何信息,载频本身和调制信号无关,所要传递的声音信号只包含在两个边带之中,而且两个边带中包含着完全同样的信息。
在调幅波的功率中,真正有用的是边带功率。
由计算可知,当M=1时,两上边带的功率之和仅是载频功率的一半。
实际的调制信号,不是单一的频率信号,如音频信号是由很多频率分量叠加而成的。
从分析可知,调幅制通信是一种低质量的通信方式,它的功率和设备的利用率不高,占有的频带宽,这是调幅制通信最大的缺点。
同时,从电波传播的角度来看,调幅制通信中还存在着选择性衰落现象,电波会产生严重的失真。
由于在调幅波的每一个边带中都含有所需传递的全部信息,所以理想的调制方式是抑制载频或只有一个边带调制。
3、单边带(SSB)信号
采用只传送一个边带,而抑制另一个边带和载频(或部分抑制载频)的通信称为单边带通信。
为简单起见,我们以单音频调制为例分析单边带信号的表达式、波形图、频谱图等特点:
由单音调制的调幅波中(见表达式2-1-5),取出一个边频分量,就得到单音调制的单边带信号。
例如取上边频分量,其表达式如下:
uSSB(t)=(m/2)UCcos[(c+)t+c]=(1/2)Ucos[(c+)t+c]
(2-1-6)
由上式看出,这是一个等幅的高频振荡,其振幅为调制信号振幅的一半,其角频率为c+,初相位是c,它们都与调制信号有关,其波形和频谱见图2-1-9和图2-1-10。
音频u
minmax
调幅波U
C-maxCC+max
图2-1-9音频调制的调幅波的频谱
U/2uSSB(t)
USSBc
t
c-c+
(a)单音频调制的上边频信号的波形图(b)单音频调制的上边频信号的频谱图
USSB
C-maxCC+max
(c)音频调制的上边带信号的频谱图
图2-1-10单边带调制与边带信号的频谱图
由上图(a)可见,单边频信号的包络是一直线,单边频信号的频谱是调制信号的频谱()在频域上的线性搬移(c+)。
需要指出的是,单音调制的单边频信号与载频都是等幅波,但两者有本质的不同。
载频的幅度是常量,而单边频信号的幅度与调制信号的幅度U有关,无U时也就没有单边频信号输出。
其次载频频率也是常量,而单边频信号的频率也与调制信号频率有关。
经过对单边带信号的波形及频谱的分析,得到单边带信号的特点是:
(1)单边带信号的高频振幅与调制信号的振幅成正比。
调制信号的幅度大,单边带信号的幅度也大;没有调制信号时,单边带信号的输出为零。
(2)单边带信号的填充角频率随调制信号角频率的变化而变化。
(3)单边带信号具有频率的线性搬移的性质。
单边带信号产生的实质是调制信号的频谱在频率轴上的线性搬移,搬移后的位置取决于载频的大小,而搬移后的频谱结构与调制信号的频谱结构保持着线性的关系。
单边带信号既有调幅的性质,又有调频的性质,在波形上有调幅和调频的特点,在频谱结构上有线性搬移的特点。
4、单边带通信的优缺点
(1)单边带通信的优点
①节约频谱。
单边带通信相对于调幅制来讲,只发送了一个边带,节约了另一边带。
则在同一段频率范围内,无线电台的数量或通信的路数就可以增加一倍。
一般单边带信号占有带宽为3KHz,调幅信号占有带宽为6KHz。
②节省功率。
在调幅制通信中,不论是否发射信息,调幅机总在发射载频,即有大量无功消耗存在。
而单边带通信不发射载频,只发射一个边带。
而且无信息时,单边带发射机也不发射任何信息,因此可以节省功率。
可以证明,单边带信号的峰包功率和调幅波(m=1时)中的边带总功率相等时,可得到相同的通信效果。
即在相同的通信效果条件下,单边带机的发射机的峰包功率仅是调幅机峰包功率的1/8,折合成分贝数为9dB。
若从其它方面进行比较,例如总平均功率,总耗电功率等,单边带比调幅制发送的功率都要节省得多。
③抗选择性衰落。
在收听中短波信号时,信号忽强忽弱,时有时无的现象,称为选择性衰落。
造成选择性衰落现象的原因主要是电波在电离层中传播,由于电离层的变化和多路径传播等原因,使信号中不同的频率分量遭到了不同的衰落。
这会破坏信号频谱中各分量间的大小及相位关系。
对调幅信号来说,它会使两个边带及载波之间的幅度与相位关系遭到破坏,从而使通信质量下降。
尤其是对载波,衰落的影响就更大。
而在单边带通信中,既没有载波,频带又窄,各个频率分量之间,并无直接幅度和相位的依从关系,所以影响较小。
而且,通信的距离越远,越显示出单边带通信的优越性。
上述优点说明单边带通信与调幅波相比是一种高效率的通信方式。
(2)单边带通信的缺点
单边带通信也有一些缺点,主要是:
①对载频的频率稳定度的要求高。
在单边带通信中,收端的本地载频和发端的载频必须严格同步,且高度稳定。
在单边带通话时,收发两端的工作频率偏差不能超过80Hz。
GMDSS要求无论岸台或船台,其频率误差容限都不得超过10Hz。
②对边带滤波器的技术指标要求高。
在单边带通信中,要求对发射端载频的衰减达到40dB以上,对无用边带的衰减要达到60dB。
而平衡调制器对载频的衰减只能达到20-30dB,这样对残留载频和另一边带的抑制任务就要由边带滤波器来承担。
③对放大器的线性要求高。
单边带信号是在低频率、低电平处形成的,必
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