高頻無線電系統(tǒng)的組成

對(duì)電波傳播有了總的認(rèn)識(shí)，再來看看電波是怎樣產(chǎn)生的。高頻無線電系統(tǒng)主要有發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線三大部分組成。許多現(xiàn)代無線電設(shè)備將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)合并為一個(gè)單元，叫做無線電收發(fā)機(jī) [1] 。大型固定系統(tǒng)的發(fā)射臺(tái)和接收臺(tái)一般設(shè)在不同地點(diǎn)，通常是由另一個(gè)遠(yuǎn)地臺(tái)控制。
1 發(fā)射機(jī)
　 　發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)雖變化多端，但它們都是由激勵(lì)器和功放組成。 激勵(lì)器 中的載波的幅度、頻率或相位受來自信號(hào)源（例如麥克風(fēng)）的較低頻率信號(hào)的調(diào)制。已調(diào)信號(hào)再變換為發(fā)送頻率。在經(jīng)電纜將其送往發(fā)射天線之前，功率放大器要將信號(hào)的輸出功率提升到發(fā)射機(jī)所需的瓦特?cái)?shù)。發(fā)射機(jī)可能還包含用于清理輸出信號(hào)的濾波器。使用帶通濾波器可除去噪聲、寄生信號(hào)和激勵(lì)器產(chǎn)生的諧波，或源于功放輸出的諧波。這樣可降低對(duì)鄰近信道的干擾。
2 接收機(jī)
　 　所有現(xiàn)代高頻接收系統(tǒng)都由射頻輸入濾波 / 放大器，一組頻率變換器以及中頻放大器，解調(diào)器，和本地振蕩頻率合成器組成。工作時(shí)，接收機(jī)選擇所需信號(hào)，將其放大到適當(dāng)電平，經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)原來信息（解調(diào)是從已調(diào)波恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)的過程）。在當(dāng)代無線設(shè)備中，這些功能中多數(shù)都是數(shù)字化的。
　 　為了濾除噪聲和無用信號(hào)，有時(shí)可在射頻輸入級(jí)加入一個(gè)可調(diào)預(yù)選器（一種帶通濾波器）。然后將經(jīng)過濾波的信號(hào)放大并經(jīng)頻率變換后再進(jìn)一步處理。
　 　濾波處理還不止此。典型情況下，接收信號(hào)會(huì)在幾個(gè)不同的中頻經(jīng)過濾波和放大。中放級(jí)的放大倍數(shù)依接收信號(hào)的強(qiáng)弱而變。例如，為了輸出語音或數(shù)據(jù)，解調(diào)器輸出音頻（基帶）信號(hào)送到相應(yīng)設(shè)備。同時(shí)，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的強(qiáng)度大小不等，解調(diào)器可產(chǎn)生一個(gè)正比于射頻輸入信號(hào)電平的電壓，將此電壓作為自動(dòng)增益控制信號(hào)反送到射頻放大器和中頻放大器，以保證解調(diào)器的輸入大小適當(dāng)。
3 天線
　 　天線是無線通信中至關(guān)重要的組成部分之一。
　 　特性和參數(shù)
　 　描述天線特性的最常用術(shù)語是阻抗、增益、輻射模式、出射角 [2] 和偏振。
　 　每一個(gè)天線都有一個(gè) 輸入阻抗 ，它表征接到發(fā)射機(jī)上的負(fù)載。輸入阻抗值取決于許多因素，如天線設(shè)計(jì)、工作頻率以及天線相對(duì)于周邊物體的位置。
　 　無線電通信的基本要求是要在所需的地點(diǎn)和時(shí)間，尋找盡可能多的動(dòng)力產(chǎn)生并發(fā)射信號(hào)。大多數(shù)發(fā)射機(jī)都是設(shè)計(jì)成能高效地向 50 歐姆（歐姆是電阻單位，其符號(hào)為 ）負(fù)載提供最大功率。有些天線，如 對(duì)數(shù)周期天線 可以在某個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)發(fā)射機(jī)呈 50 歐姆負(fù)載，這類天線一般可直接連接到發(fā)射機(jī)。但其他天線，例如偶極子天線、鞭狀天線、長(zhǎng)線天線等，其阻抗隨頻率和周圍環(huán)境的變化很大。在這些情況下，要使用天線調(diào)諧器（天線耦合器），將其置于發(fā)射機(jī)和天線之間，以改變天線對(duì)發(fā)射機(jī)呈現(xiàn)的負(fù)載特性，才能將發(fā)射機(jī)的輸出功率盡可能多的傳送給天線。
　 　天線 增益 是天線方向性（將輻射能量向某個(gè)特定方向聚焦）的計(jì)量單位。其大小是將該天線接收到的信號(hào)電平與一個(gè)全向天線（其輻射在各方向均等）接收到的信號(hào)電平相比較而確定的。增益用 表示，增益越大，天線的方向性就越好。發(fā)射天線增益還直接影響到對(duì)發(fā)射機(jī)功率的技術(shù)要求。例如，若用一付增益為 10 的定向天線取代一付全向天線，用一臺(tái) 100 瓦的發(fā)射機(jī)就可以產(chǎn)生和一臺(tái) 1 千瓦發(fā)射機(jī)和一個(gè)全向天線同樣的有效輻射功率。
　 　除增益外，用戶還必須懂得天線的 輻射方向圖 才能實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)傳輸。輻射方向圖與天線設(shè)計(jì)有關(guān)，天線相對(duì)于地面的位置對(duì)其影響很大，此外還可能會(huì)受附近建筑物和樹木等物體的影響。大多數(shù)天線的方向圖都不是均勻的，這種不均勻性可以用波瓣 lobe s （輻射最強(qiáng)區(qū)域）和 null s （輻射最弱區(qū)域）來表征。通常，以垂直面和水平面的兩個(gè)方向圖來表示（圖 3.5 ），以展現(xiàn)天線增益與仰角（垂直方向圖）方位角（水平圖）的關(guān)系。輻射方向圖與頻率有關(guān)，所以要全面描述一個(gè)天線的輻射方向圖，就要有一組不同頻率下的方向圖。
　 　在確定通信距離時(shí)， 出射角 是一個(gè)重要因素，它是發(fā)射天線水平面與天線方向圖的主瓣間的夾角。遠(yuǎn)距離通信時(shí)常用小出射角，短距離通信時(shí)多用大出射角。
　 　天線相對(duì)于地面的取向決定其 極化 方向。大多數(shù)高頻天線要么采用垂直極化，要么采用水平極化。垂直極化天線的出射角小，適用于發(fā)送地波和遠(yuǎn)距離天波。垂直天線的主要缺點(diǎn)是受地面的電導(dǎo)率和本地噪聲影響大。為獲得最佳效果，需采用地面屏蔽。
　 　水平極化天線的出射角較大，適用于短距離通信，遠(yuǎn)至 400 英里。通過調(diào)節(jié)天線的離地高度，有可能提高較小出射角時(shí)的天線增益，以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的天波傳播。
　 　極化方向
　 　對(duì)于地波傳播，發(fā)射天線和接收天線應(yīng)采用相同的極化方向才能得到最佳效果。而對(duì)于天波傳播，卻無需計(jì)劃方向一致，這時(shí)由于電離層散射會(huì)改變信號(hào)的極化方向。
　 　類型
　 　高頻通信中使用的天線種類繁多，在此我們僅介紹幾種最常用的類型。
　 　垂直鞭狀天線 是全向天線，出射角小，垂直極化，多適用于發(fā)送地面波。圖 3.6 是垂直鞭狀天線的典型輻射方向圖。加裝一個(gè)反射器，構(gòu)成第二垂直鞭，可以為其方向圖添加方向性。
　 　最通用的高頻天線之一是 半波偶極振子 ，其天線長(zhǎng)度大約等于發(fā)射波長(zhǎng)的一半。改變偶極子的取向即可使其水平極化或垂直（中心饋電）極化。圖 3.7 是一個(gè)中心饋電的水平偶極子天線。其輻射方向圖隨離地高度變化很大。 垂直偶極天線常用于艦船和地面交通工具上。
4 噪聲和干擾
　 　當(dāng)你在雷暴時(shí)聽收音機(jī)，一定注意到曾 [4] 出現(xiàn)過中斷。當(dāng)你正在收聽你所喜愛的 FM 臺(tái)時(shí)，你可能也同時(shí)聽到過飛行員向塔臺(tái)急促地報(bào)告 [5] 飛行數(shù)據(jù)。這些都是影響接收機(jī)性能的干擾。當(dāng)你想要收聽音樂時(shí)，這些干擾很是令人煩惱，高頻通信任務(wù)的成敗取決于是否聽到并懂得所傳送的信息，所以噪聲和干擾十分有害。
　 　接收機(jī)噪聲和干擾源既有來自內(nèi)部的，也來自外部的。在高頻的大部分頻段，外部噪聲電平大大超過接收機(jī)內(nèi)部噪聲。信號(hào)的品質(zhì)以信噪比 SNR 表示，單位為分貝（ dB ）。信噪比越高，信號(hào)品質(zhì)就越好。有些干擾是無意的，如飛行員對(duì)塔臺(tái)的呼叫。有些干擾是敵方為破壞我方通信而故意施放的。
　 　人們采用各種技術(shù)來抗擊噪聲和干擾。其中有： ⑴ 提高有效輻射功率，⑵ 設(shè)法優(yōu)化工作頻率，⑶ 選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案， ⑷ 選擇適當(dāng)?shù)奶炀€系統(tǒng)，⑸ 設(shè)計(jì)能抗干擾的接收機(jī)。下面我們先看看一些常見的噪聲源和干擾源。
天然噪聲源
　 　閃電是主要的大氣（天然）噪聲源。 大氣噪聲 在夏天最為頻繁，晚上最強(qiáng)，主要處于 1 到 5MHz 頻段。已有人測(cè)定了全球各地的大氣噪聲平均值與一天中不同時(shí)間和季節(jié)的關(guān)系，并將其用于預(yù)測(cè)高頻無線電系統(tǒng)的性能。另一個(gè) 天然噪聲 源是來自太空的 宇宙噪聲 。它對(duì)整個(gè)高頻頻段的影響是均勻的，但不影響 20MHz 以下接收機(jī)的性能。
人為噪聲
　 　電力線、計(jì)算機(jī)設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生人為噪聲，它們是經(jīng)輻射或通過電力電纜到達(dá)接收機(jī)的。人們將這類人為干擾稱為 電磁干擾 EMI [9] ，電磁干擾在城市區(qū)域最強(qiáng)。人們常用無線電設(shè)備接地和屏蔽技術(shù)和對(duì)電源輸入線路濾波的方法來抑制 EMI 。
無意干擾
　 　任何時(shí)刻都有成千上萬的高頻發(fā)射機(jī)都在空間爭(zhēng)用本來就比較窄的頻段中的射頻頻譜，相互間必然會(huì)形成干擾。在夜晚以及在靠近 MUF 的頻率低端干擾最為嚴(yán)重。
　 　無意干擾 的一個(gè)主要來源是發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線的布局。例如，船艦上地方狹窄，不得不將若干無線電系統(tǒng)放在一起。 30 余年來，有人設(shè)計(jì)了許多 RF 通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了克服布局問題的高性能集成艦載通信系統(tǒng)。減小布局干擾的方法有：使天線精確定向、采用對(duì)強(qiáng)無用信號(hào)不會(huì)過載的接收機(jī)、精心設(shè)計(jì)以便將互調(diào)降至最低程度的發(fā)射機(jī)等。
故意干擾
　 　故意干擾，或叫 人為干擾 ，是有意破壞通信、在工作頻率上發(fā)送的干擾信號(hào)。人為干擾可能直接針對(duì)某一個(gè)頻道，也可能是寬帶的。可能是連續(xù)不斷的干擾，也可能只在被干擾信號(hào)存在時(shí)才進(jìn)行干擾?，F(xiàn)代軍用無線電系統(tǒng)采用某些技術(shù)來克服人為干擾，降低被檢測(cè)和被偵聽的機(jī)率。其中的 擴(kuò)頻技術(shù) 是以比原始信息的頻率分量寬得多的頻帶發(fā)射已調(diào)信息的。我們將在第 7 章討論這些技術(shù)。
　 　信號(hào)從發(fā)射機(jī)經(jīng)由多條路徑到達(dá)接收機(jī)，形成衰落，這是由于這些信號(hào)會(huì)隨機(jī)地相互加減造成的。