短波通信可以利用地波傳播，但主要是利用天波傳播。天波是無線電波經(jīng)電離層反射回地面的部分，傾斜投射的電磁波經(jīng)電離層反射后，可以傳到幾千千米外的地面。天波的傳播損耗比地波小得多，經(jīng)地面與電離層之間多次反射（多跳傳播）之后，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的地方，因此，利用天波可以進(jìn)行環(huán)球通信。天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的嚴(yán)重影響極不穩(wěn)定，其信道參數(shù)隨時間而急劇變化，因此稱為變參信道。

1、傳播模式

電波到達(dá)電離層，可能發(fā)生3種情況：被電離層完全吸收、折射回地球或穿過電離層進(jìn)入外層空間，這些情況的發(fā)生與頻率密切相關(guān)。低頻端的吸收程度較大，并且隨著電離層電離密度的增大而增大。

天波傳播的情形如圖1所示。電波進(jìn)入電離層的角度稱為入射角。入射角對通信距離有很大的影響。對于較遠(yuǎn)距離的通信，應(yīng)用較大的入射角，反之應(yīng)用較小的入射角。但是，如果入射角太小，電波會穿過電離層而不會折射回地面，如果入射角太大，電波在到達(dá)電離密度大的較高電離層前會被吸收。因此，入射角應(yīng)選擇在保證電波能返回地面而又不被吸收的范圍。入射角可由下式確定：

圖1：天波傳播示意圖

以上講的是單跳模式，即經(jīng)過一次電離層反射。在天波傳播中，往往存在著多跳模式，如圖1(b)所示。圖中，電波經(jīng)過兩次F層反射（兩跳），稱為2F模式。表1中列出了在不同通信距離時，可能存在的傳播模式。

表1：短波通信不同距離可能存在的天波傳播模式

在短波傳播中，存在著地面波和天波均不能到達(dá)的區(qū)域，這個區(qū)域通常稱為靜區(qū)。如圖1(b)所示。縮小靜區(qū)的辦法是，選用高仰角天線減小電波到達(dá)電離層的入射角，同時選用較低的工作頻率，以使得在入射角較小時電波不至于穿透電離層。

2、最高可用頻率（MUF）

最高可用頻率（MUF，Maximum usable frequency）是指給定通信距離下的最高可用頻率，是電波能返回地面和穿出電離層的臨界值，如果頻率高于此臨界值，則電波穿過電離層，不再返回地面。MUF還和反射層的電離密度有關(guān)，所以凡影響電離密度的諸因素，都將影響MUF的值。當(dāng)通信線路選用MUF作為工作頻率時，由于只有一條傳播路徑，所以一般情況下，有可能獲得最佳接收。考慮電離層的結(jié)構(gòu)變化和保證獲得長期穩(wěn)定的接收，在確定線路的工作頻率時，不是取預(yù)報的MUF值，而是取低于MUF的最佳工作頻率（OWF，Optimum working frequency），一般情況下：

OWF = 0.85MUF

選用OWF之后，能保證通信線路有90％的可通率。

3、多徑傳播

短波傳播的多徑情形主要有4種，如圖3-1所示。其中，圖3 -1(a)的多徑由天波和地波構(gòu)成；圖3-1（b）為單跳和多跳構(gòu)成，圖3-1（c）和（d）的情況是尋常波和非尋常波之間的干擾以及電離層的漫射構(gòu)成的多徑。多徑傳播主要帶來兩個問題，一是衰落，二是延時。這里要討論多徑延時。

圖3-1：短波多徑傳播示意圖

多徑延時是指多徑中最大的傳輸延時與最小的傳輸延時之差。多徑延時與通信距離、工作頻率和工作時刻有密切的關(guān)系。

多徑延時與通信距離的關(guān)系可用圖3-2表示。從圖中可見，在200km~300km的短波線路上，多徑延時最嚴(yán)重，可達(dá)8ms左右。這是由于在這樣的距離上，通常使用弱方向性的雙極天線，電波傳播的模式比較多，而且在接收點(diǎn)的信號分量中，各種傳播模式的貢獻(xiàn)相當(dāng)，造成嚴(yán)重的多徑延時。電離層與地面間多次反射時，在2000km~8000km的線路上，多徑延時在2ms~3ms之間。當(dāng)通信距離進(jìn)一步增大時，由于不再存在單跳模式，多徑延時又隨之增大，當(dāng)距離為20000km時，可達(dá)6ms。

圖3-2：短波通信多徑延時與通信距離的關(guān)系

多徑延時隨著工作頻率偏離MUF的增大而增大。工作頻率偏離MUF的程度可用多徑縮減因子（MRF，Multipath Reduce factor）表示。MRF的定義如下：

MRF = f / MUF

式中，f代表工作頻率。顯然，MRF越小，表示工作頻率偏離MUF越大。圖3-3是在同時考慮通信距離和工作頻率時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其曲線族的參數(shù)為多徑延時。當(dāng)給定通信距離和工作頻率時，可以從圖中查到典型的多徑延時。

圖3-3：多徑縮減因子與通信距離的關(guān)系

多徑延時還與工作時刻有關(guān)。比如，在日出和日落時刻，多徑延時現(xiàn)象最嚴(yán)重、最復(fù)雜，中午和子夜時刻多徑延時一般較小而且穩(wěn)定。多徑延時隨時間的變化，其原因是由于電離層的電子密度隨時間變化，從而使MUF隨時間變化。電子密度變化越急劇，多徑延時的變化也越嚴(yán)重。

4、衰落

在電離層內(nèi)短波傳播過程中，由于電離層電特性的隨機(jī)變化，引起傳播路徑和能量吸收的隨機(jī)變化，使得接收電平呈現(xiàn)不規(guī)則變化。短波通信中，即使在電離層的平靜時期，也不可能獲得穩(wěn)定的信號。接收端信號振幅總是呈現(xiàn)忽大忽小的隨機(jī)變化，這種現(xiàn)象稱為“衰落”。連續(xù)出現(xiàn)持續(xù)時間僅幾分之一秒的信號起伏稱為快衰落。持續(xù)時間比較長的衰落（可能達(dá)一小時或者更長）稱為慢衰落。

1）慢衰落主要是吸收型衰落。它是由電離層電子密度及高度的變化造成電離層吸收特性的變化而引起的，表現(xiàn)為信號電平的慢變化，其周期可從數(shù)分鐘到數(shù)小時。日變化、季節(jié)變化及11年周期變化均屬于慢衰落。吸收衰落對短波整個頻段的影響程度是相同的。在不考慮磁暴和電離層騷擾時，衰落深度可能低于中值l0dB。

要克服慢衰落，應(yīng)該增加發(fā)射機(jī)功率，以補(bǔ)償傳輸損耗。根據(jù)測量得到的短波信道小時中值傳輸損耗的典型概率分布，可以預(yù)計(jì)在一定的可通率要求下所需增加的發(fā)射功率。通常，要保證90%的可通率，應(yīng)補(bǔ)償?shù)膫鬏敁p耗約為-130dB；若要求95%的可通率，則應(yīng)補(bǔ)償可能出現(xiàn)的95%的傳輸損耗。

值得注意的是，太陽黑子區(qū)域常常發(fā)生耀斑爆發(fā)，此時，有極強(qiáng)的X射線和紫外線輻射，使得白晝時電離層的電離增強(qiáng)，會把短波大部分甚至全部吸收，以致通信中斷。通常這種騷擾的持續(xù)時間為幾分鐘到1小時。

2）快衰落是一種干涉型衰落，它是由隨機(jī)多徑傳輸引起的（見圖3-1）。由于電離層媒質(zhì)的隨機(jī)變化，各徑相對延時亦隨機(jī)變化，使得合成信號發(fā)生起伏，在接收端看來，這種現(xiàn)象是由于多個信號的干涉所造成，因此稱為干涉衰落。干涉衰落的衰落速率一般為10次/min~20次/min，故為快衰落。干涉衰落具有明顯的頻率選擇性。試驗(yàn)證明，兩個頻率差值大于400Hz后，它們的衰落特性的相關(guān)性就很小了。遭受干涉衰落的電場強(qiáng)度振幅服從瑞利分布。大量的測量表明，干涉衰落的深度可達(dá)40dB，偶爾達(dá)80dB。

增加發(fā)射功率也可以補(bǔ)償快衰落。但是，單純通過增加功率來補(bǔ)償快衰落是不經(jīng)濟(jì)的。例如，表4-2給出了可通率與發(fā)射功率間的大約關(guān)系。所以，通常除了為補(bǔ)償快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技術(shù)，例如分集接收、時頻調(diào)制和差錯控制等。

表4-2：可通率與發(fā)射功率間的關(guān)系

此外，短波信道還會發(fā)生極化衰落。由于地磁場的影響，發(fā)射到電離層的平面極化波，經(jīng)電離層后，一般分裂為兩個橢圓極化波，當(dāng)電離層的電子密度隨機(jī)起伏時，每個橢圓極化波的橢圓主軸方向也隨之相應(yīng)的改變，因而在接收天線上的感應(yīng)電勢有相應(yīng)的隨機(jī)起伏。可見，極化衰落也是一種快衰落。不過，極化衰落的發(fā)生概率遠(yuǎn)比干涉衰落的小，一般占全部衰落的10%~15%左右。為了避免極化衰落，可采用不同極化的天線進(jìn)行極化分集接收。

5、相位起伏（多普勒頻移）

信號相位起伏是指相位隨時間的不規(guī)則變化。引起信號相位起伏的主要原因是多徑傳播。此外，電離層折射率的隨機(jī)變化及電離層不均勻體的快速運(yùn)動，都會使信號的傳輸路徑長度不斷變化而出現(xiàn)相位的隨機(jī)起伏。根據(jù)實(shí)測結(jié)果得出：信號衰落率愈高，信噪比愈低，相位起伏愈大。

當(dāng)信號的相位隨時間變化時，必然產(chǎn)生附加的頻移。無線信道中的頻率偏移主要是由于收發(fā)雙方的相對運(yùn)動而引起的。由傳播中多普勒（Doppler）效應(yīng)所造成的發(fā)射信號頻率的漂移稱為多普勒頻移。必須指出，就是只存在一根射線，也就是單一模式傳播的條件下，由于電離層經(jīng)常性的快速運(yùn)動，以及反射層高度的快速變化，使傳播路徑的長度不斷的變化，信號的相位也會隨之產(chǎn)生起伏不定的變化。若從時間域的角度觀察這一現(xiàn)象，這將意味著短波傳播中存在著時間選擇性衰落。多普勒頻移在日出和日落期間較嚴(yán)重，在電離層平靜時期的夜間，不存在多普勒效應(yīng)，而在其他時間，多普勒頻移大約在1Hz~2Hz的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生磁暴時，頻移最高可達(dá)6Hz。以上給出的2Hz~6Hz的多普勒頻移，是指單跳模式而言的。若電波按多跳模式傳播，則總頻移值按下式計(jì)算，式中n為跳數(shù)；Δf為單跳多普勒頻移；Δf tot為總頻移值。

Δf tot ＝ n Δf

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