淺析短波廣播電離層傳輸及預測軟件

寧曉衛

摘 要：起源于二戰時期的短波廣播至今已經經過了70多年，短波廣播主要以天波傳播為主。短波廣播信號通過天線向空中發射，電磁波到達電離層后會被反射回地面，因為電離層距離地面60千米以上，被反射后的電磁信號就會被幾百公里外的人收到，有時信號甚至能傳輸至上千公里之外，基于短波信號的這種特性，其主要被用于國際廣播。本文將對短波廣播的原理以及短波廣播的電離層傳輸和軟件的分析進行介紹。

關鍵詞：短波廣播；電離層；軟件分析

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A

短波廣播（SW）是指載波頻率在2.3—26.1兆赫茲頻段（HF）的廣播。短波廣播是一種遠程收聽遠距離的廣播，可以直接聽到世界各地的廣播訊息。經過多年的發展，世界各地的短波廣播層出不窮，下文將對短波廣播的原理和電離層傳輸很軟件分析進行介紹。

一、 短波廣播簡介

短波廣播是利用短波波段播送的廣播。由于穿透力強，不易干擾，因而國際廣播通常都位于短波波段。具有高度戰略價值，至今仍被專家們普遍認為是大規模全球傳送的唯一最有效途徑，且安全、便宜、快捷。短波廣播的應用，起源于第二次世界大戰期間，由美國小羅斯福總統任內創辦的美國之音，在冷戰期間促使蘇聯解體。當短波電臺發射時，既有向天上發射的天波，也有沿地平面傳播的地波。由于地波沿地平面傳播時易受地面障礙的影響，因此強度衰減很快，通常地波只能傳送到離發射臺較近的區域。

二、短波通過電離層進行傳播

1 短波傳播可使用的頻率范圍

短波通過電離層進行傳輸是指依靠電離層對電波的反射，但是并不是不全部的短波都能被反射，不同頻率的短波需要不同電子密度分布的電離層進行反射，我們將某一特定電子密度分布的電離層所能反射的電磁波的最大頻率稱為最高可用頻率，最高可用頻率不是固定不變的，其會根據收發間距離的減小而變低。我們通常將在同一地點進行收、發作業時，短波能夠被反射回來的最低頻率稱為電離層臨界頻率。當短波的收、發間距離一定時，使用較低的頻率發射短波時，在接收點會收到有一定時延差的高、低角波；這一高低角波時延會隨著電磁波頻率的升高逐漸減小到零，高低角波重合；當頻率再升高，則接收點落入跳距以內，完全收不到發射信號。我們在選用電磁波的頻率時應當引起足夠的注意，確定好可用電磁波的最大最小頻率范圍。電磁波在被電離層反射的過程中并不是無損反射的，其能量還是具有一定的損耗的，吸收大小通常與頻率平方成反比。當電磁波的頻率較低，則信號電平因吸收增大而降低。

2傳輸模式

短波的傳輸可以分為地面波、天波和直接波三種傳播方式，其中通過天波傳是指經過地面上空40～800km高度含有大量自由電子、離子的電離層的反射或折射后返回地面的電波傳輸方式。天波可以使用多種途徑完成從發射機到接收機的傳輸。短波天波是利用電離層能夠反射電磁波信號特性進行傳播的，但是電離層并不是之某一固定的層級，其是分布在距地面50 公里到2 000 公里這一廣泛的距離，我們根據電離層中所含有的電子濃度不同。將電離層劃分為3層，分別是D層、E層和F層，其中D層在最底層，F層是最外層。在白天電子較為活躍時又可以將F層細分為F1層和F2層。短波通信主要是通過F2層來起作用的。在整個電離層中我們主要利用E層及F2層的反射完成短波的傳遞。當短波通信的發射和接收機的位置確定后，選用不同的層進行反射的最少跳數可以計算出來。當需要建立起一條短波通信時，需要認真選擇通信頻率，在給定距離和方向的路徑上，根據時間、地點的不同在一定的時間里只有一個有限的頻帶能夠使用，我們通常在使用短波通信時，需要提前準備好幾種頻率以便可以在需要時進行切換來供長時間通信時的頻帶切換，這些頻率都是在考慮了影響天波傳播的主要因素太陽黑子后確定下來的。

3短波廣播的頻率、覆蓋范圍和天線仰角三者之間的的關系

短波廣播的頻率、覆蓋范圍和天線仰角三者之間是相互關聯的：

（1）在我們將天線仰角固定時，增大電磁波的頻率，短波在電離層進行反射的距離不斷升高，可接受的范圍不斷的增大，當達到臨界值時，其覆蓋面積達到最大值，當超過最大頻率時，短波就會超出電離層，無法進行反射。

（2）當頻率向MUF 升高，電磁波可能會使用F層來進行反射，在這種情況下需要將天線的仰角抬高從而使短波能夠完成一定路徑的傳播。

（3） 當對短波的傳輸頻率進行固定時，天線的仰角越低，短波所能傳輸的距離就越遠，與之相反的是，天線發射的仰角越高，短波傳輸的路徑越短，反射短波的電離層位置也越高。

4短波信號的衰減

會引起衰減的因素眾多，例如發射天線的信號集中度不夠，信號有很大一部分散射掉了，從而使很多相位幅度都不同的傳輸模式。如果在接收的過程中，有多條信號相互干擾，將會對接收質量造成很大的影響。當短波傳輸時處于不同的時間段時，會由于電離層的不同而造成MUF 發生上下波動。

5 短波信號的噪聲

噪聲根據噪聲源的不同分為系統內部和系統外部，內部噪聲由于產生的影響不大，一般都將其忽略，外部的噪聲多來自于自然界（大氣層和銀河系）或者是人類發出的信號造成的干擾，而雷暴由于會產生很高的電壓和導致電離層不穩定從而對短波的影響很大。而來自于太空中的離子風暴對短波的影響也很大，離子風暴的沖擊對電離層的影響對短波傳輸造成影響。人類發明的電氣產品也在不斷的向外輻射著電磁信號，這些信號也和對短波的傳輸造成影響，這些噪聲往往是垂直極化的，因此我們可以使用選擇水平極化的天線來降低人為噪聲對天線傳輸的影響。

三、太陽風暴對短波傳輸的影響

大型太陽風暴會產生大量的射線，這些射線會造成電離層的D層電離增強，D層對短波的吸收加大，這樣就會對電離層的反射造成影響，嚴重的甚至可以阻塞整個短波頻段。在發生太陽風暴對電離層的影響時一般只在白天對電路造成影響，持續時間一般從幾分鐘到幾小時不等，這些時間是可以根據爆發的時間來進行估算的，衰落的量級與太陽爆發的強度有關，同時與太陽位置相對于電波穿越D 層的位置也有關系。當發生以上這種情況時，高頻受到的影響要遠低于低頻電磁波。endprint

1極帽吸收

當太陽風暴發生時，一般會輻射處大量的高能射線，這種高能射線中的高能質子會被地球自身的磁場偏轉導向兩極，在兩極會導致電離層的D層發生電離加強，從而會對短波造成很強的吸收，在太陽爆發后約10 分鐘，極帽吸收就可能發生，時間長的可持續10 天。

2電離層騷擾

太陽的劇烈活動會對地球的磁場造成一定的影響，因為電離層和地球磁場是相互關聯的，一方受到影響必然會影響到另一方，這種被稱為電離層的騷擾，當發生電離層騷擾時，有時會導致電子密度的增加，從而會導致能夠傳輸相較于平時更高頻率的短波，而有時又會產生相反的影響，只適合于低頻率短波的傳輸，這種電離層騷擾將會影響幾天，在不同的維度所收到的影響不一，通常來說在高緯度地區所受到的騷擾較大，與太陽風暴引起的現象相反的是，低頻信號較高頻信號能夠更好的在電離層騷擾時進行傳輸信號。

3對短波傳輸有很大影響的幾個數據

短波傳輸發展至今，人們已經發現并總結出了一些公式，能夠計算出短波傳輸中的數據，但是這些公式的應用需要依賴于一些重要的參數，下面將就這些數據進行列舉：

（1）太陽黑子數

太陽活動引起的電磁信號的輻射將直接影響到電離層的結構，太陽活動主要是通過使用太陽黑子進行評估和說明的，太陽黑子數目是指太陽表面可見黑子和黑子組的數目。通過測量來自太陽在10.7cm（2800MHz）的射線來計算太陽黑子的數目。

（2）長路徑與短路徑

短波電路預測一般有兩種電路類型：短路徑和長路徑。

（3）大圓圖與大圓距離

大圓圖是以發射點為坐標原點，正北方為0°，大圓距離為徑長繪制出的極坐標形式的地圖，圓距離就是地圖中發射點到達接收點的直線距離。

（4）天線方向

天線的方向必須對應用正確的方位。

四、短波電路預測

當知道以上數據以后就可以通過軟件來計算短波傳輸路徑的預測，通過軟件的計算可以得出點對點電路計算可以對覆蓋區域內的接收點提供詳細的計算值，而點對面模式一般可繪出基本電路可靠度、場強和功率等數據的等值曲線圖，可以供用戶綜合考慮。所算出的數值通常是用于估算在某一月份和時間短波的頻率性能和短波所能覆蓋的區域，這個數值是一個估算值，無法精確到某一天，但是也有一些軟件能夠對確定的日期進行精確地預估，這一軟件中通常對影響電離層的數據進行了全盤考慮。

軟件預測值是否準確不但取決于軟件的算法同時還要依靠

（1）對于系統模擬發射系統的參數的使用情況；

（2）電離層和地磁條件的實際狀況是否與所估算的值相符；

（3）使用的天線場型圖是否符合實際；

（4）信噪比是否達標等。如果軟件算法合理，系統模擬發射系統的參數準確、電離層等條件達標的情況下，計算軟件能夠很好的完成對于短波傳輸的計算。

結語

本文通過對短波傳輸的原理以及影響短波傳輸的因素進行了介紹，并指出了通過一些軟件可以精確預測短波傳輸的路徑等。

參考文獻

[1]樊熙熙，黃同，樊延虎.短波SSB數字傳輸終端管理軟件設計[J].延安大學學報.2006.

[2]沈良.超短波抗干擾數據傳輸系統[J].解放軍理工大學通信工程學院.2009.

[3].薛智軍，朱曉明.短波低速率數據傳輸研究[D].西安電子科技大學國家重點實驗室，2013.endprint