淺析短波廣播電離層傳輸及預(yù)測(cè)軟件

寧曉衛(wèi)

摘 要：起源于二戰(zhàn)時(shí)期的短波廣播至今已經(jīng)經(jīng)過(guò)了70多年，短波廣播主要以天波傳播為主。短波廣播信號(hào)通過(guò)天線向空中發(fā)射，電磁波到達(dá)電離層后會(huì)被反射回地面，因?yàn)殡婋x層距離地面60千米以上，被反射后的電磁信號(hào)就會(huì)被幾百公里外的人收到，有時(shí)信號(hào)甚至能傳輸至上千公里之外，基于短波信號(hào)的這種特性，其主要被用于國(guó)際廣播。本文將對(duì)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(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：短波廣播；電離層；軟件分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yuǎn)程收聽(tīng)遠(yuǎn)距離的廣播，可以直接聽(tīng)到世界各地的廣播訊息。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，世界各地的短波廣播層出不窮，下文將對(duì)短波廣播的原理和電離層傳輸很軟件分析進(jìn)行介紹。

一、 短波廣播簡(jiǎn)介

短波廣播是利用短波波段播送的廣播。由于穿透力強(qiáng)，不易干擾，因而國(guó)際廣播通常都位于短波波段。具有高度戰(zhàn)略價(jià)值，至今仍被專(zhuān)家們普遍認(rèn)為是大規(guī)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(yīng)用，起源于第二次世界大戰(zhàn)期間，由美國(guó)小羅斯福總統(tǒng)任內(nèi)創(chuàng)辦的美國(guó)之音，在冷戰(zhàn)期間促使蘇聯(lián)解體。當(dāng)短波電臺(tái)發(fā)射時(shí)，既有向天上發(fā)射的天波，也有沿地平面?zhèn)鞑サ牡夭āＳ捎诘夭ㄑ氐仄矫鎮(zhèn)鞑r(shí)易受地面障礙的影響，因此強(qiáng)度衰減很快，通常地波只能傳送到離發(fā)射臺(tái)較近的區(qū)域。

二、短波通過(guò)電離層進(jìn)行傳播

1 短波傳播可使用的頻率范圍

短波通過(guò)電離層進(jìn)行傳輸是指依靠電離層對(duì)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(jìn)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(chēng)為最高可用頻率，最高可用頻率不是固定不變的，其會(huì)根據(jù)收發(fā)間距離的減小而變低。我們通常將在同一地點(diǎn)進(jìn)行收、發(fā)作業(yè)時(shí)，短波能夠被反射回來(lái)的最低頻率稱(chēng)為電離層臨界頻率。當(dāng)短波的收、發(fā)間距離一定時(shí)，使用較低的頻率發(fā)射短波時(shí)，在接收點(diǎn)會(huì)收到有一定時(shí)延差的高、低角波；這一高低角波時(shí)延會(huì)隨著電磁波頻率的升高逐漸減小到零，高低角波重合；當(dāng)頻率再升高，則接收點(diǎn)落入跳距以內(nèi)，完全收不到發(fā)射信號(hào)。我們?cè)谶x用電磁波的頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)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(guò)程中并不是無(wú)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(dāng)電磁波的頻率較低，則信號(hào)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(guò)天波傳是指經(jīng)過(guò)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(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳輸。短波天波是利用電離層能夠反射電磁波信號(hào)特性進(jìn)行傳播的，但是電離層并不是之某一固定的層級(jí)，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(jù)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(xiàn)層是最外層。在白天電子較為活躍時(shí)又可以將F層細(xì)分為F1層和F2層。短波通信主要是通過(guò)F2層來(lái)起作用的。在整個(gè)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(dāng)短波通信的發(fā)射和接收機(jī)的位置確定后，選用不同的層進(jìn)行反射的最少跳數(shù)可以計(jì)算出來(lái)。當(dāng)需要建立起一條短波通信時(shí)，需要認(rèn)真選擇通信頻率，在給定距離和方向的路徑上，根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)的不同在一定的時(shí)間里只有一個(gè)有限的頻帶能夠使用，我們通常在使用短波通信時(shí)，需要提前準(zhǔn)備好幾種頻率以便可以在需要時(shí)進(jìn)行切換來(lái)供長(zhǎng)時(shí)間通信時(shí)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(yáng)黑子后確定下來(lái)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(guān)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(guān)聯(lián)的：

（1）在我們將天線仰角固定時(shí)，增大電磁波的頻率，短波在電離層進(jìn)行反射的距離不斷升高，可接受的范圍不斷的增大，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，其覆蓋面積達(dá)到最大值，當(dāng)超過(guò)最大頻率時(shí)，短波就會(huì)超出電離層，無(wú)法進(jìn)行反射。

（2）當(dāng)頻率向MUF 升高，電磁波可能會(huì)使用F層來(lái)進(jìn)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(dāng)對(duì)短波的傳輸頻率進(jìn)行固定時(shí)，天線的仰角越低，短波所能傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)，與之相反的是，天線發(fā)射的仰角越高，短波傳輸?shù)穆窂皆蕉蹋瓷涠滩ǖ碾婋x層位置也越高。

4短波信號(hào)的衰減

會(huì)引起衰減的因素眾多，例如發(fā)射天線的信號(hào)集中度不夠，信號(hào)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(guò)程中，有多條信號(hào)相互干擾，將會(huì)對(duì)接收質(zhì)量造成很大的影響。當(dāng)短波傳輸時(shí)處于不同的時(shí)間段時(shí)，會(huì)由于電離層的不同而造成MUF 發(fā)生上下波動(dòng)。

5 短波信號(hào)的噪聲

噪聲根據(jù)噪聲源的不同分為系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)外部，內(nèi)部噪聲由于產(chǎn)生的影響不大，一般都將其忽略，外部的噪聲多來(lái)自于自然界（大氣層和銀河系）或者是人類(lèi)發(fā)出的信號(hào)造成的干擾，而雷暴由于會(huì)產(chǎn)生很高的電壓和導(dǎo)致電離層不穩(wěn)定從而對(duì)短波的影響很大。而來(lái)自于太空中的離子風(fēng)暴對(duì)短波的影響也很大，離子風(fēng)暴的沖擊對(duì)電離層的影響對(duì)短波傳輸造成影響。人類(lèi)發(fā)明的電氣產(chǎn)品也在不斷的向外輻射著電磁信號(hào)，這些信號(hào)也和對(duì)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(lái)降低人為噪聲對(duì)天線傳輸?shù)挠绊憽?/p>

三、太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波傳輸?shù)挠绊?/p>

大型太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)產(chǎn)生大量的射線，這些射線會(huì)造成電離層的D層電離增強(qiáng)，D層對(duì)短波的吸收加大，這樣就會(huì)對(duì)電離層的反射造成影響，嚴(yán)重的甚至可以阻塞整個(gè)短波頻段。在發(fā)生太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)電離層的影響時(shí)一般只在白天對(duì)電路造成影響，持續(xù)時(shí)間一般從幾分鐘到幾小時(shí)不等，這些時(shí)間是可以根據(jù)爆發(fā)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行估算的，衰落的量級(jí)與太陽(yáng)爆發(fā)的強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)與太陽(yáng)位置相對(duì)于電波穿越D 層的位置也有關(guān)系。當(dāng)發(fā)生以上這種情況時(shí)，高頻受到的影響要遠(yuǎn)低于低頻電磁波。endprint

1極帽吸收

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，一般會(huì)輻射處大量的高能射線，這種高能射線中的高能質(zhì)子會(huì)被地球自身的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)導(dǎo)向兩極，在兩極會(huì)導(dǎo)致電離層的D層發(fā)生電離加強(qiáng)，從而會(huì)對(duì)短波造成很強(qiáng)的吸收，在太陽(yáng)爆發(fā)后約10 分鐘，極帽吸收就可能發(fā)生，時(shí)間長(zhǎng)的可持續(xù)10 天。

2電離層騷擾

太陽(yáng)的劇烈活動(dòng)會(huì)對(duì)地球的磁場(chǎng)造成一定的影響，因?yàn)殡婋x層和地球磁場(chǎng)是相互關(guān)聯(lián)的，一方受到影響必然會(huì)影響到另一方，這種被稱(chēng)為電離層的騷擾，當(dāng)發(fā)生電離層騷擾時(shí)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電子密度的增加，從而會(huì)導(dǎo)致能夠傳輸相較于平時(shí)更高頻率的短波，而有時(shí)又會(huì)產(chǎn)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(huì)影響幾天，在不同的維度所收到的影響不一，通常來(lái)說(shuō)在高緯度地區(qū)所受到的騷擾較大，與太陽(yáng)風(fēng)暴引起的現(xiàn)象相反的是，低頻信號(hào)較高頻信號(hào)能夠更好的在電離層騷擾時(shí)進(jìn)行傳輸信號(hào)。

3對(duì)短波傳輸有很大影響的幾個(gè)數(shù)據(jù)

短波傳輸發(fā)展至今，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出了一些公式，能夠計(jì)算出短波傳輸中的數(shù)據(jù)，但是這些公式的應(yīng)用需要依賴(lài)于一些重要的參數(shù)，下面將就這些數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉：

（1）太陽(yáng)黑子數(shù)

太陽(yáng)活動(dòng)引起的電磁信號(hào)的輻射將直接影響到電離層的結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)活動(dòng)主要是通過(guò)使用太陽(yáng)黑子進(jìn)行評(píng)估和說(shuō)明的，太陽(yáng)黑子數(shù)目是指太陽(yáng)表面可見(jiàn)黑子和黑子組的數(shù)目。通過(guò)測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)在10.7cm（2800MHz）的射線來(lái)計(jì)算太陽(yáng)黑子的數(shù)目。

（2）長(zhǎng)路徑與短路徑

短波電路預(yù)測(cè)一般有兩種電路類(lèi)型：短路徑和長(zhǎng)路徑。

（3）大圓圖與大圓距離

大圓圖是以發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，正北方為0°，大圓距離為徑長(zhǎng)繪制出的極坐標(biāo)形式的地圖，圓距離就是地圖中發(fā)射點(diǎn)到達(dá)接收點(diǎn)的直線距離。

（4）天線方向

天線的方向必須對(duì)應(yīng)用正確的方位。

四、短波電路預(yù)測(cè)

當(dāng)知道以上數(shù)據(jù)以后就可以通過(guò)軟件來(lái)計(jì)算短波傳輸路徑的預(yù)測(cè)，通過(guò)軟件的計(jì)算可以得出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電路計(jì)算可以對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收點(diǎn)提供詳細(xì)的計(jì)算值，而點(diǎn)對(duì)面模式一般可繪出基本電路可靠度、場(chǎng)強(qiáng)和功率等數(shù)據(jù)的等值曲線圖，可以供用戶綜合考慮。所算出的數(shù)值通常是用于估算在某一月份和時(shí)間短波的頻率性能和短波所能覆蓋的區(qū)域，這個(gè)數(shù)值是一個(gè)估算值，無(wú)法精確到某一天，但是也有一些軟件能夠?qū)Υ_定的日期進(jìn)行精確地預(yù)估，這一軟件中通常對(duì)影響電離層的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全盤(pán)考慮。

軟件預(yù)測(cè)值是否準(zhǔn)確不但取決于軟件的算法同時(shí)還要依靠

（1）對(duì)于系統(tǒng)模擬發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)的使用情況；

（2）電離層和地磁條件的實(shí)際狀況是否與所估算的值相符；

（3）使用的天線場(chǎng)型圖是否符合實(shí)際；

（4）信噪比是否達(dá)標(biāo)等。如果軟件算法合理，系統(tǒng)模擬發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)準(zhǔn)確、電離層等條件達(dá)標(biāo)的情況下，計(jì)算軟件能夠很好的完成對(duì)于短波傳輸?shù)挠?jì)算。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)短波傳輸?shù)脑硪约坝绊懚滩▊鬏數(shù)囊蛩剡M(jìn)行了介紹，并指出了通過(guò)一些軟件可以精確預(yù)測(cè)短波傳輸?shù)穆窂降取?/p>

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