参考文献《现代短波通信》 胡中豫

最简单的短波通信信道的数学表示 y ( t ) = k ( t ) x ( t ) + n ( t ) (1) y\left(t\right)=k\left(t\right)x\left(t\right)+n\left(t\right)\tag{1} y(t)=k(t)x(t)+n(t)(1) y ( t ) y\left(t\right) y(t)表示经过短波信道输出的信号 k ( t ) k\left(t\right) k(t)可称为乘性干扰，可分为有长期的变化(慢衰落)和有短期的变化(快衰落) x ( t ) x\left(t\right) x(t)表示输入短波信道的信号 n ( t ) n\left(t\right) n(t)可称为加性干扰

短波的传输方式有两种：一种是地波传输；另外一类是天波传输。 地波传输包括：直射波，地面反射波，地表面波。天波传输主要指经过高空电离层反射到达地面接收端的传输方式，传输距离可达到成百上千公里，也是短波通信常用的传输方式。

  当天线架设较低,且其最大辐射方向沿地面时,主要是地波传播.其特点是信号比较稳定,基本上不受气象条件的影响,但随着电波频率的增高,传输损耗迅速增大.因此这种方式特别适用于短波的低端频率.在讨论地面波传播问题时,电离层的影响不予考虑,而主要考虑地球表面对电波传播的影响。   地面条件的影响主要表现在两个方面;一是地面的不平坦性,二是地面的地质情况.前者对电波的影响视电波的波长而不同,对长波来说,除了高山都可将地面看成平坦的;而对于分米波、厘米波来说,即使是水面上的波浪或田野上丛生的植物,也应看成是地面有严重的不平度,对电波传播起着不同程度的障碍作用.而后者是从土壤的电气性质来研究对电波传播的影响.就地面波传播情况而言，与地面的电参数有着更密切的关系。

天波传输是短波传输的主要方式 优点：能以较小的功率实现较远距离的传输，设备简单，成本较低。 缺点：信道条件较差，传输过程存在较为严重的衰落现象，电台过多时信道比较拥挤干扰严重。

电离层是一种 随机、色散、各向异性的媒介，下图为电离层的基本简介。

D层：60～90km，夜间消失D层电子密度一般不足以反射短波信号，信号穿过D层时将产生衰减，频率越高衰减越小，而且在D层的衰减量远大于E层和F层，所以称为吸收层

E层：90～150km，夜间电子密度降低一个量级可反射频率高于 1.5MHz 的电磁波。在120km高度处，偶尔会出现一个持续、时间不长、具有很高电子密度的偶发 Es层。

F层：150～200km为F1层，夜间消失；200~1000km以上为F2层日落后F1与F2合并为一层，仍能保持一定电子密度，但能反射的电磁波频率远低于白天。为保持持续通信，工作频率必须昼夜更換。F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相关。F层的反射距离最远。

电离层的变化分为规则变化和不规则变化

规则变化 （1）日夜变化：白天的电子浓度要比夜间大；中午的电子浓度比早晚大。日出之后个层电子浓度开始增加，在正午达到最大值。 （2）季节变化：由于季节不同，太阳辐射不同，夏季的电子浓度较高，F2层例外，冬季的电子浓度要更高，夏季F2层的大气像高考膨胀，电子浓度反而下降。 （3）太阳周期性活动：太阳黑子增加时，辐射增强，各层的电子密度增加。长期观察发现太阳黑子变化存在周期性。 （4）地理位置变化：赤道附近的太阳辐射较强，南北极较弱，因此赤道附近的电子密度较大，南北极最小。

不规则变化（随机的，非周期的，急剧变化的） （1）突发E层   Es层是偶然出现的，形成后会持续一段时间。Es层对电波是半透明的，部分电波会被反射导致无法到达更高的电离层，形成“遮蔽”现象 （2）电离层暴   太阳黑子增多，太阳的电磁波和带电粒子增多，正常的电离状态发生变化，F2层的临界频率可能会大大降低，无法使用一些较高的频段。持续时间较长，几小时到几天。 （3）电离层突然的骚扰   太阳耀斑时，大量X射线以光速穿透高层大气进入D层，D层的电离浓度过高，短波信号受到较严重的吸收，导致通信中断，D层的高度有时也会有明显的下降，使长波信号的相位突然发送变化。

  电离层不仅有反射电波的作用，还有吸收电波能量的作用。电子密度N越大，电离层对电波能量的吸收就越大，即电波衰减也就越大。电波频率越低（波长越长），吸收越大。电离层对电波的吸收大小除了与上述两个因素有关外，还与电波在电离层中所走的路程有关，因为在电离层中传播的距离远，势必造成较大的吸收。

传播模式   电离层对电波的影响：被电离层完全吸收，反射电磁波或者穿过电离层。低频的吸收程度较大，并且随着电离层密度增大而增大。电波进入电离层的角度称为入射角。入射角对通信的距离有很大影响。入射角度可以用以下公式计算。 s i n θ 0 = 1 − 80.8 N f 2 (2) sinθ_0= \sqrt{1-80.8N\over f^2}\tag{2} sinθ0​=f21−80.8N​ ​(2) 1E表示信号E层一跳 、

最高可用频率 MUF    MUF是指给定通信距离下的最高可用频率。在实际通信中，能被电离层反射回地面的最高频率。对应于电离层各分层的电子密度，都存在一个相应的最高频率fv，也称为临界频率。在此频率时，该层对垂直入射的（入射角φ=00）电波将起到反射作用；而当频率高于fv时，垂直入射的电波将穿出该层，因此不能为收发用户提供短波通信链路。而是取低于MUF的 频率FOT称为最佳工作频率。一般情况下： O W F = 0.85 ∗ M U F OWF = 0.85*MUF OWF=0.85∗MUF保证链路有90%可通率。 寂静区    指在短波的高波段（10MHz以上的短波频率）通联中，无法在近距离实现通联的目的（只能实现较远距离通联）。即出现了一个地波传播到达不了，而天波的“一跳”又超过了这个通联距离的现象。

多径传播    由于传输环境的的反射折射等特性，信号会经过多条路径到达接收端，多径对信号的主要影响： 衰落和延时 （1）衰落：因为电离层的电特性随机变化，引起短波传播路径上的能量吸收随机变化，使得接收电平出现不规则变化。接收信号的强度忽大忽小随机起伏。    衰落分为快衰落和慢衰落。持续时间较短仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落，持续时间较长可能几小时甚至更长的衰落称为慢衰落。

  慢衰落主要是吸收型衰落。它是由电离层电子密度及高度的变化造成电离层吸收特性的变化而引起的，表现为信号电平的慢变化，其周期可从数分钟到数小时。日变化、季节变化及11年周期变化均属于慢衰落。吸收衰落对短波整个频段的影响程度是相同的。在不考虑磁暴和电离层骚扰时，衰落深度可能低于中值10dB。要克服慢衰落，应该增加发射机功率，以补偿传输损耗。根据测量得到的短波信道 小时中值传输损耗的典型概率分布，可以预计在一定的可通率要求下所需增加的发射功率。通常，要保证90%的可通率，应补偿的传输损耗约为-130dB；若要求95%的可通率，则应补偿可能出现的95%的传输损耗。

  快衰落是一种干涉型衰落，它是由随机多径传输引起的。由于电离层媒质的随机变化，各径相对延时亦随机变化，使得合成信号发生起伏，在接收端看来，这种现象是由于多个信号的干涉(信号叠加)所造成，因此称为干涉衰落。干涉衰落的衰落速率一般为10次/min~20次/min，故为快衰落。干涉衰落具有明显的频率选择性(某些频点衰落较为明显)。试验证明，两个频率差值大于400Hz后，它们的衰落特性的相关性就很小了。遭受干涉衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。大量的测量表明，干涉衰落的深度可达40dB，偶尔达80dB。

  （2）多径延时：最大传输延时和最小传输延时直接的延时之差。多径延时与通信距离、工作频率、工作时刻密切相关。    通信距离：下图为多径延时与传输距离的实验关系图。距离对延时的影响主要是看传播过程中是否存在多跳模式，200km~300km距离是短波通信传播的路径较多，且传播模式的贡献相当所以有验证的多径延时。    工作频率：随着工作频率便宜MUF程度较高延时也会也会增大。工作频率对MUF的偏离程度可以用多径缩减因子MRF表示。 M R F = f M U F (3) MRF={f \over MUF} \tag {3} MRF=MUFf​(3)其中 f f f为工作频率    工作时刻：不同时间的电离层的电子密度不一样，MUF会随时间发送变化。电子密度变化越距离，多径延时越严重。