3.1.2 短波信道的主要特点
短波传播方式分为地波和天波两种。地波传播比较稳定，信号强度随传输距离而迅速衰减，主要用于近距离通信。而天波传播由于损耗小，可用较小的发信功率实现远距离通信，是短波通信的主要传播方式。天波传播信道极不稳定，信号在传播过程中受电离层变化、路径衰耗、多径效应等不利因素的影响。
1．传播模式
短波通信传播模式如图3-5所示。其中，地波的传播距离与大地传导性有关，在陆地一般为30～70km。在天波传播中，电波除了经电离层反射后直接到达通信对方的单跳模式，往往还存在着多跳模式，即电波经电离层和地面间多次反射。天波传播距离与入射角度及反射次数有关，一般一跳的最近距离为100km左右。
图3-5 短波通信传播模式
表3-1中列出了在不同通信距离时可能存在的传播模式。其中，数字表示跳数，字母表示由哪一层进行反射。例如，电波经过两次F层反射（两跳），称为2F模式。
表3-1 不同距离可能存在的传播模式
在短波传播中，存在着地波和天波均不能到达的区域，这个区域称为“盲区”，也称为“静区”。为了缩小“盲区”，可选用高仰角天线减小电波到达电离层的入射角，同时选用较低的工作频率，使得在入射角较小时电波不至于穿透电离层。
2．最佳工作频率
电离层对不同频率吸收效益不同，频率越低吸收越严重。若频率过低，则会被电离层完全吸收，无法反射回地面实现通信。若频率过高，则电波可能穿过电离层，也无法实现通信。因此，确定可用频率对于短波通信至关重要。
给定电离层条件下，在某特定路径上能实现短波通信的最高频率称为最高可用频率（MUF）。比MUF更高的频率将穿透电离层，只有比MUF低的频率才可能被电离层反射回地面。
随着频率的降低，D层对信号的吸收不断增加，直到降至某频率，信号完全被电离层吸收，这个频率称为最低可用频率（LUF）。比LUF低的频率将被电离层完全吸收，无法反射回地面。
如图3-6所示，可用频率介于LUF和MUF之间。MUF还和反射层的电离密度有关，所以凡影响电离密度的因素都会影响MUF值。当选用MUF作为工作频率时，只有一条传播路径，传输性能较好。但考虑到电离层随时间而变化，为了保证较为稳定的接收，降低电波穿透电离层的概率，一般低于MUF的最佳工作频率（FOT），其取值如下。
图3-6 可用频率范围示意图
选用最佳工作频率后，能保证线路的可通率达到90%，但由于工作频率较最高可用频率下降了15%，接收点的场强也会有所下降。
图3-7给出了某特定链路全天MUF和FOT随时间变化的曲线。一般情况下，白天选用一个较高的频率，夜间选择1～2个较低的频率。
图3-7 MUF和FOT随时间变化曲线
必须指出的是，按照MUF日变化曲线确定工作频率，实际上仍不能保证通信线路在优质状态下工作。这是因为通过计算得到的MUF日变化曲线实际上适用于电离层参数的月中值，显然这不能适应电离层参数的随机变化，更不能适应突然发生的电离层扰动、电离层暴等异常情况。
3．衰减
短波天波传播衰减包括自由空间传播损耗、电离层吸收损耗、多跳地面反射损耗和系统额外损耗等。自由空间传播损耗是由于能量在空间的扩散引起，短波天波一跳所产生的自由空间传播损耗与频率、电波仰角、一跳对应地面的大圆距离、电离层高度等很多因素有关。
电离层的吸收损耗通常指电离层D层和E层的吸收损耗，与频率、工作点的位置、太阳黑子数、电波仰角和吸收区的当地时间有关，其数值通常在6～25dB之间。地面反射损耗与电波的极化、频率、射线仰角和地质情况有关。系统额外损耗是指除了以上提及的损耗，还有一些尚未被人们所完全认识和难以准确计算的损耗，可取15～18dB。由于影响天波衰减的因素很多，因此要准确计算天波的路径损耗并非易事。
4．多径效应
短波天波传播模式存在多径传播。短波天波的多径传播由两个方面的因素造成：一是电离层具有分层结构，每一层都可能对电波造成反射，地面也能对电波进行反射，所以短波通过天波传播时，在发射点和接收点之间可能存在多种传播模式，即电波通过同一电离层或不同电离层和地面之间的多次反射到达接收点；二是在电波进入同一电离层时，当电波频率等于最高可用频率（MUF）时，只有一条反射路径，但当电波的频率低于最高可用频率时，将存在多条传播路径。
短波传播的多径情形主要有4种，如图3-8所示。其中，图3-8（a）由天波和地波构成；图3-8（b）由单跳和多跳构成；图3-8（c）因地球磁场影响造成电波分裂，由寻常波和非寻常波构成；图3-8（d）是由电离层的漫射构成的多径。
图3-8 短波多径传播示意图
多径传播主要带来两个问题，即延时和衰落。多径延时是指多径中最大的传输延时与最小的传输延时之差。多径延时与短波通信距离、工作频率和工作时刻有密切的关系。多径延时大小与通信距离的关系如图3-9所示。
图3-9 多径延时大小与通信距离的关系
从图3-9中可以看出，在200～300km的短波线路上，多径延时最严重，可达8ms左右。这是因为在这样的距离上，通常使用弱方向性的双极天线，电波传播的模式较多，而且在接收点的信号分量中，各种传播模式的贡献相当，造成严重的多径延时。在2000～8000km的线路上，电离层与地面多次反射时，多径延时在2～3ms之间。当通信距离进一步增大时，由于不再存在单跳模式，多径延时又随之增大，当距离为20000km时，可达6ms。
短波信道的多径延时随着工作频率偏离MUF的增大而增大。工作频率偏离MUF的程度可用多径缩减因子（MRF）表示。MRF的定义如下。
式中，f表示工作频率。显然，MRF越小，表示工作频率偏移MUF越大。同时考虑通信距离和工作频率的实验结果，如图3-10所示，其不同曲线表示不同的多径延时参数值。
图3-10 多径缩减因子与通信距离的关系
多径延时还与工作时刻有关，这是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。在日出和日落时刻，电子密度变化越急剧，多经延时越严重、越复杂，变化也非常剧烈，中午和子夜时刻多径延时一般较小且稳定。
5．衰落
在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也很难获得稳定的信号。在接收端，信号振幅总是呈现出忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰落”。衰落是指接收信号电平随频率、时间、地点的不同而呈现忽大忽小随机变化的现象。短波天波传播信道，按衰落产生原因的不同，可以分为吸收衰落、干涉衰落、极化衰落。
（1）吸收衰落
吸收衰落是由电离层D层吸收衰减特性变化造成的，其变化周期较长（如1h），因此吸收衰落属于慢衰落。吸收衰落跟随电离层吸收特性变化而变化，包括日变化、季节变化等。
吸收衰落对信号幅度的影响比较缓慢，其周期从几分钟到几小时，对短波整个频段的影响程度是相同的。若不考虑磁暴和电离层扰动，衰落深度一般低于10dB。要克服慢衰落，应该增加发射机功率，以补偿传输损耗。
通常，可以将电离层突然扰动引起的通信中断，归到吸收衰落中。电离层突然扰动会造成电离层的电离增强，D层的电子密度可能比正常值大10倍以上，可以把短波信号大部分甚至全部吸收，以致通信中断，通常这种扰动的持续时间可能从几分钟到数小时。
（2）干涉衰落
短波天波传播存在多径效应，沿不同路径到达接收端的信号，因遭受的衰减和所需传输时间不同，它们的幅度和相位也不同，而且由于电离层的状态是随机变化的，因此电波的传播路径和相应的衰减、延时、频移也是随机变化的，造成合成的信号幅度发生随机起伏，这种衰落称为干涉衰落。因为干涉衰落是由于到达接收端若干信号的干涉所造成的，所以干涉衰落也称为多径衰落。
大量的测量值表明，干涉衰落属于快衰落，其电场强度振幅以瑞利分布为主，衰落速度（指单位时间内信号电平以正斜率通过中值电平的次数）一般为几次到几十次/分，衰落深度一般为20dB，较大时达40dB，偶尔可达80dB，衰落持续时间通常为4～20ms，与吸收衰落有明显的差别。可以用持续时间的长短来判别是吸收衰落还是干涉衰落。
干涉衰落具有明显的频率选择性，即对于不同频率（频率间隔大到一定数值时）的信号，由多径干涉引起的随机起伏现象不同。
增加发射功率也可以补偿多径衰落，但单纯通过增加功率来补偿快衰落是不经济的。通常除了为补偿多径衰落留有一定的功率余量，主要采用抗衰落技术。
（3）极化衰落
电波被电离层反射后，其极化方向发生变化。发射到电离层的线极化波（其电场矢量E的端点随时间变化的轨迹在一条直线上），经电离层反射后，由于地磁场的作用，到达接收点就成了椭圆极化波（其电场矢量E的端点随时间变化的轨迹为一椭圆），椭圆长轴的大小和方向随着传播路径上电子密度的随机变化而变化。若用垂直天线接收信号，当长轴方向接近垂线时，信号的强度会变得很大；反之，当长轴方向接近水平时，信号的强度会变得很小。这种信号强度的变化称为极化衰落。极化衰落也是一种快衰落，但其发生概率远小于干涉衰落，一般占全部衰落的10%～15%。为避免极化衰落，可采用不同极化的天线进行极化分集接收。
总之，短波天波信道是一种时变色散信道，其时变性表现在受电离层不断变化的影响，其传输特性包括路径损耗、衰落、时延散布、频移散布、噪声和干扰分布随地点、季节、昼夜而不断地变化，其色散性表现在短波天波信道是严重的频率选择性信道，其传输特性和频率的选择密切相关。因此，为了保证短波通信的质量，短波通信的频率必须根据电离层的传播条件自适应地选择，即短波通信的频率要具有适应信道变化的能力。