高頻無線電系統(tǒng)的組成

對電波傳播有了總的認識，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、接收機和天線三大部分組成。許多現(xiàn)代無線電設備將發(fā)射機和接收機合并為一個單元，叫做無線電收發(fā)機 [1] 。大型固定系統(tǒng)的發(fā)射臺和接收臺一般設在不同地點，通常是由另一個遠地臺控制。
1 發(fā)射機
　 　發(fā)射機的結構雖變化多端，但它們都是由激勵器和功放組成。 激勵器 中的載波的幅度、頻率或相位受來自信號源（例如麥克風）的較低頻率信號的調制。已調信號再變換為發(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的輸出功率提升到發(fā)射機所需的瓦特數(shù)。發(fā)射機可能還包含用于清理輸出信號的濾波器。使用帶通濾波器可除去噪聲、寄生信號和激勵器產(chǎn)生的諧波，或源于功放輸出的諧波。這樣可降低對鄰近信道的干擾。
2 接收機
　 　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，解調器，和本地振蕩頻率合成器組成。工作時，接收機選擇所需信號，將其放大到適當電平，經(jīng)過解調恢復原來信息（解調是從已調波恢復原始調制信號的過程）。在當代無線設備中，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，有時可在射頻輸入級加入一個可調預選器（一種帶通濾波器）。然后將經(jīng)過濾波的信號放大并經(jīng)頻率變換后再進一步處理。
　 　濾波處理還不止此。典型情況下，接收信號會在幾個不同的中頻經(jīng)過濾波和放大。中放級的放大倍數(shù)依接收信號的強弱而變。例如，為了輸出語音或數(shù)據(jù)，解調器輸出音頻（基帶）信號送到相應設備。同時，因為輸入信號的強度大小不等，解調器可產(chǎn)生一個正比于射頻輸入信號電平的電壓，將此電壓作為自動增益控制信號反送到射頻放大器和中頻放大器，以保證解調器的輸入大小適當。
3 天線
　 　天線是無線通信中至關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語是阻抗、增益、輻射模式、出射角 [2] 和偏振。
　 　每一個天線都有一個 輸入阻抗 ，它表征接到發(fā)射機上的負載。輸入阻抗值取決于許多因素，如天線設計、工作頻率以及天線相對于周邊物體的位置。
　 　無線電通信的基本要求是要在所需的地點和時間，尋找盡可能多的動力產(chǎn)生并發(fā)射信號。大多數(shù)發(fā)射機都是設計成能高效地向 50 歐姆（歐姆是電阻單位，其符號為 ）負載提供最大功率。有些天線，如 對數(shù)周期天線 可以在某個寬頻帶范圍內對發(fā)射機呈 50 歐姆負載，這類天線一般可直接連接到發(fā)射機。但其他天線，例如偶極子天線、鞭狀天線、長線天線等，其阻抗隨頻率和周圍環(huán)境的變化很大。在這些情況下，要使用天線調諧器（天線耦合器），將其置于發(fā)射機和天線之間，以改變天線對發(fā)射機呈現(xiàn)的負載特性，才能將發(fā)射機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（將輻射能量向某個特定方向聚焦）的計量單位。其大小是將該天線接收到的信號電平與一個全向天線（其輻射在各方向均等）接收到的信號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發(fā)射機功率的技術要求。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 100 瓦的發(fā)射機就可以產(chǎn)生和一臺 1 千瓦發(fā)射機和一個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 才能實現(xiàn)最佳信號傳輸。輻射方向圖與天線設計有關，天線相對于地面的位置對其影響很大，此外還可能會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）的關系。輻射方向圖與頻率有關，所以要全面描述一個天線的輻射方向圖，就要有一組不同頻率下的方向圖。
　 　在確定通信距離時， 出射角 是一個重要因素，它是發(fā)射天線水平面與天線方向圖的主瓣間的夾角。遠距離通信時常用小出射角，短距離通信時多用大出射角。
　 　天線相對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)送地波和遠距離天波。垂直天線的主要缺點是受地面的電導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，遠至 400 英里。通過調節(jié)天線的離地高度，有可能提高較小出射角時的天線增益，以實現(xiàn)較遠距離的天波傳播。
　 　極化方向
　 　對于地波傳播，發(fā)射天線和接收天線應采用相同的極化方向才能得到最佳效果。而對于天波傳播，卻無需計劃方向一致，這時由于電離層散射會改變信號的極化方向。
　 　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。加裝一個反射器，構成第二垂直鞭，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 ，其天線長度大約等于發(fā)射波長的一半。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
　 　當你在雷暴時聽收音機，一定注意到曾 [4] 出現(xiàn)過中斷。當你正在收聽你所喜愛的 FM 臺時，你可能也同時聽到過飛行員向塔臺急促地報告 [5] 飛行數(shù)據(jù)。這些都是影響接收機性能的干擾。當你想要收聽音樂時，這些干擾很是令人煩惱，高頻通信任務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。
　 　接收機噪聲和干擾源既有來自內部的，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內部噪聲。信號的品質以信噪比 SNR 表示，單位為分貝（ dB ）。信噪比越高，信號品質就越好。有些干擾是無意的，如飛行員對塔臺的呼叫。有些干擾是敵方為破壞我方通信而故意施放的。
　 　人們采用各種技術來抗擊噪聲和干擾。其中有： ⑴ 提高有效輻射功率，⑵ 設法優(yōu)化工作頻率，⑶ 選擇適當?shù)恼{制方案， ⑷ 選擇適當?shù)奶炀€系統(tǒng)，⑸ 設計能抗干擾的接收機。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，主要處于 1 到 5MHz 頻段。已有人測定了全球各地的大氣噪聲平均值與一天中不同時間和季節(jié)的關系，并將其用于預測高頻無線電系統(tǒng)的性能。另一個 天然噪聲 源是來自太空的 宇宙噪聲 。它對整個高頻頻段的影響是均勻的，但不影響 20MHz 以下接收機的性能。
人為噪聲
　 　電力線、計算機設備等都會產(chǎn)生人為噪聲，它們是經(jīng)輻射或通過電力電纜到達接收機的。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。人們常用無線電設備接地和屏蔽技術和對電源輸入線路濾波的方法來抑制 EMI 。
無意干擾
　 　任何時刻都有成千上萬的高頻發(fā)射機都在空間爭用本來就比較窄的頻段中的射頻頻譜，相互間必然會形成干擾。在夜晚以及在靠近 MUF 的頻率低端干擾最為嚴重。
　 　無意干擾 的一個主要來源是發(fā)射機、接收機和天線的布局。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，有人設計了許多 RF 通信系統(tǒng)，實現(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、采用對強無用信號不會過載的接收機、精心設計以便將互調降至最低程度的發(fā)射機等。
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。人為干擾可能直接針對某一個頻道，也可能是寬帶的?？赡苁沁B續(xù)不斷的干擾，也可能只在被干擾信號存在時才進行干擾?，F(xiàn)代軍用無線電系統(tǒng)采用某些技術來克服人為干擾，降低被檢測和被偵聽的機率。其中的 擴頻技術 是以比原始信息的頻率分量寬得多的頻帶發(fā)射已調信息的。我們將在第 7 章討論這些技術。
　 　信號從發(fā)射機經(jīng)由多條路徑到達接收機，形成衰落，這是由于這些信號會隨機地相互加減造成的。