书城科普读物探究式科普丛书-千里一线牵:通信
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第5章 时代脉搏——科技通信(2)

卫星通信的特点是:通信范围大;只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信;不易受陆地灾害的影响,可靠性高;只要设置地球站电路即可开通;同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信;电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。

卫星在空中起中继站的作用,它把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。地球站则是卫星系统形成的链路。由于静止卫星在赤道上空36000千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一样。三颗相距120°的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1~10G赫兹频段,即微波频段。为了满足越来越多的需求,已开始研究应用新的频段,如12G赫兹、14G赫兹、20G赫兹及30G赫兹。

在微波频带,整个通信卫星的工作频带约有500兆赫宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器,每个转发器的工作频带宽度为36兆赫。

目前的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,也就是采用不同的载波,它对于点对点大容量的通信比较合适。近年来,已逐渐采用时分多址技术,即每一地球站占用同一频带,但占用不同的时隙。这种方法比频分多址有很多优点,如不会产生互调干扰,不需用上下变频把各地球站信号分开。它比较适合数字通信这样做既可以根据业务量的变化按需分配,又可采用数字话音插空等新技术,使容量增加5倍。

另一种多址技术是码分多址。也就是说,在不同地球站占用同一频率和同一时间,但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强,有较好的保密通信能力,可灵活调度话路等优点。不过它的缺点是频谱利用率较低,比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。

近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。例如甚小口径天线地球站系统,中低轨道的移动卫星通信系统等都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。

它以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,1972年在我国首次应用,并迅速发展,与光纤通信、数字微波通信一起,成为我国当代远距离通信的支柱。

第四节永不消失的电波——无线电通信

无线电通信是利用无线电波传输信息的通信方式,它能传输声音、文字、数据和图像等。与有线电通信相比,不需要架设传输线路,不受通信距离限制,机动性好,建立迅速。它广泛用于地面、航空、航海、宇宙航行的通信,是战时的主要通信手段。但无线电通信传输质量不稳定,信号易受干扰或易被截获,保密性差。

无线电通信的方式有:双向通信,单向通信;单路通信,多路通信;直达通信,经过中间站转信。无线电广播、无线电通信、卫星、雷达等都是依靠无线电波的传播来实现。

无线电波一般指波长由10万米到0.75毫米的电磁波。根据电磁波传播的特性,无线电波又分为超长波、长波、中波、短波、超短波等若干波段,其中,超长波的波长为100000米~10000米,频率3千赫~30千赫;长波的波长为10000米~1000米,频率30千赫~300千赫;中波的波长为1000~100米,频率300千赫~1.6兆赫;短波的波长为100米~10米,频率为1.6兆赫~30兆赫;超短波的波长为10米~1毫米,频率为30兆赫~30万兆赫。

无线电波在各种媒介质以及它的分界面上传播的过程中,由于反射、折射、散射及绕射,其传播方向经历各种变化,由于扩散和媒介质的吸收,它的磁场强度不断减弱。为使接收点有足够的磁场强度,必须掌握电波传播的途径、特点和规律,才能达到良好的通信效果。

无线电通信常见的传播方式有:

(1)地波(地表面波)传播

沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波,简称地波。地波的传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中,由于能量逐渐被大地吸收,能量很快减弱(波长越短,减弱越快),因而传播距离不远。但地波不受气候影响,可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号,都是利用地波传播的;短波近距离通信也利用地波传播。

(2)直射波传播

直射波又称为空间波,是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中,它的强度衰减较慢,超短波和微波通信就是利用直射波传播的。

在地面进行直射波通信,它的接收点的磁场强度由两路组成:一路由发射天线直达接收天线;另一路由地面反射后到达接收天线。如果天线高度和方向架设不当,容易造成相互干扰(例如电视的重影)。

限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物,因此超短波和微波天线要求尽量高架。

(3)天波传播

天波是由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线电波。

电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用,因此天波传播主要用于短波远距离通信。

(4)散射传播

散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射,其中一部分到达接收点。散射传播距离远,但是效率低,不易操作,使用并不广泛。

在未来的发展趋势上,无线电通信还有很大的发展空间,主要表现在以下几个方面:开发新的频段,提高频谱的利用率,扩大信道容量;加强抗干扰能力;采用数字通信技术,提高通信的保密性和通信速率;采用微处理机技术,提高通信设备的自动化水平;采用微电子技术,缩小通信设备的体积和重量,提高机动能力;各种通信方式结合使用,组成综合的通信网。

第五节一波三折——短波通信

短波通信是无线电通信的一种,波长在50米~10米之间,频率范围6兆赫~30兆赫。短波通信发射的电波要经过电离层的反射才能到达接收设备,通信距离较远,是远程通信的主要手段。

由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响,所以短波通信的稳定性较差,噪声较大。目前,它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。

当前,尽管新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有被淘汰,还在快速发展。

这主要因为:

(1)短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段,一旦发生战争或灾害,各种通信网络都可能受到破坏,卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式,它的抗毁能力和自主通信能力都无法与短波相比。

(2)在山区、戈壁、海洋等地区,超短波覆盖不到,主要依靠短波。

(3)与卫星通信相比,短波通信不用支付话费,运行成本低。

短波在通信过程中,电离层起着主要作用。

电离层是指从距地面大约60千米~2000千米处于电离状态的高空大气层。上疏下密的高空大气层,在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下,大气气体分子或原子中的电子分裂出来,形成离子和自由电子,这个过程叫电离。产生电离的大气层称为电离层。电离层分为D、E、F1、F2四层。

D层高度60千米~90千米,白天可反射2千米~9兆赫兹的频率。

E层高度85~150千米,这一层对短波的反射作用较小。F层对短波的反射作用最大,分为F1和F2两层。F1层高度150千米~200千米,只在日间起作用;F2层高度大于200千米,是F层的主体,日间夜间都支持短波传播。

电离层的浓度对工作频率的影响很大,浓度高时反射的频率高,浓度低时反射的频率低。电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化,这决定了短波通信的频率也必须随之改变。

电离层最高可反射40兆赫的频率,最低可反射1.5兆赫的频率。

根据这一特性,短波工作频段被确定为1.6兆赫~30兆赫。

短波的基本传播途径有两个:一个是地波,一个是天波。

地波沿地球表面传播,它的传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利,短波地波信号可以沿海面传播1000千米左右;陆地表面介质电导特性差,对电波衰耗大,而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样(潮湿土壤地面衰耗小,干燥沙石地面衰耗大)。短波信号沿地面最多只能传播几十千米。地波传播不需要经常改变工作频率,但要考虑障碍物的阻挡,这与天波传播是不同的。

短波的主要传播途径是天波。短波信号由天线发出后,经电离层反射回地面,又由地面反射回电离层,可以反射多次,因而传播距离很远(几百至上万千米),而且不受地面障碍物阻挡,但天波是很不稳定的。在天波传播过程中,路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰减等因素,都会造成信号的弱化和畸变,影响短波通信的效果。

第六节超级波段——微波通信

微波是指波长在1米以下的超短波。

而微波通信,是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。

利用微波进行通信容量大、质量好,并可传至很远的距离,因此是国家通信网的一种重要通信手段,也普遍适用于各种专用通信网。

由于微波的频率极高,波长又很短,它在空中的传播特性与光波相近,也就是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断,因此微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发。

一般说来,由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗,每隔50千米左右,就需要设置中继站,将电波放大转发而延伸。这种通信方式,也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。

微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。

为了把电波聚集起来成为波束,送到远方,一般都采用抛物面天线,它的聚焦作用可大大增加传送距离。多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰,现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作,也可以八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。

多路复用设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信,可用于不同容量等级的微波电路;数字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群,进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并经过数字调制器调制于发射机上,在接收端经数字解调器还原成多路电话。最新的微波通信设备,它的数字系列标准与光纤通信的同步数字系列完全一致,称为“SDH微波”。这种新的微波设备在一条电路上,八个束波可以同时传送三万多路数字电话电路。

微波通信由于频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害,它一般都不受影响。但微波经空中传送,易受干扰,在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向。此外,由于微波直线传播的特性,在电波波束方向上,不能有高楼阻挡,以免影响正常通信的顺利进行。

第七节明日黄花——无线寻呼通信

无线寻呼是无线电通信的一种特殊方式,它是由无线寻呼台(中心站)、若干移动寻呼接收机(也就是BP机,俗称“电蛐蛐”)以及电话网构成,寻呼台与电话网相连通。

无线寻呼是一种非语言的单向广播式无线选择呼叫系统,是移动通信方式之一,它主要用于主叫用户寻呼被叫(在移动中或在其他场所)用户。

寻呼台和寻呼机(用户机)是实现无线电寻呼最基本的两个要素。寻呼台中装有寻呼终端和寻呼电波发射机,并与公共电话网中有中继线路联通。当主呼用户通过公用电话网拨叫寻呼台的电话号码后,寻呼台根据主呼用户送出的寻呼信息和被呼用户的电话号码,将它转变成一定码型和格式的数字信号,经调制到指定频率由天线发射出去,对被呼用户进行搜索。在这个寻呼台覆盖范围内的所有BP机都可以收到它所发射的信号,但只有与所叫号码相同的那个BP机才会产生响应,发出某种设计好的响声,同时显示出主叫号码,从而建立通信联系。

无线寻呼提供人们在移动过程中建立通信联系的能力,给人们带来方便,因而受到欢迎。作为这种技术的改进,后又兴起了移动通信与个人通信的技术系统与业务。