董良才,楊 豪,梁 芬

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所,湖北 武漢 430000;2.上海五蘊(yùn)信息科技有限公司武漢分公司,湖北 武漢 430205)

0 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境會嚴(yán)重影響超短波通信質(zhì)量,為了確保船舶能夠?qū)崿F(xiàn)正常通信,應(yīng)當(dāng)針對性地采取相應(yīng)的抗干擾措施,以有效應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境,提升超短波通信質(zhì)量。

1 短波通信系統(tǒng)及超短波傳播特性

1.1 短波通信系統(tǒng)

相對于其他的通信系統(tǒng),短波通信系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出更小的體積以及較強(qiáng)的機(jī)動性,其實(shí)際應(yīng)用的過程并不會占用過大面積。 與此同時(shí),其通信距離也較遠(yuǎn),有著極為廣泛的應(yīng)用范圍,能夠極大地提升經(jīng)濟(jì)效益。除此以外,將短波通信系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)充分結(jié)合可以在原有基礎(chǔ)上提高數(shù)據(jù)信息傳輸效率及穩(wěn)定性,為船舶行業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 從實(shí)際情況來看,短波通信系統(tǒng)目標(biāo)較小,若產(chǎn)生不利因素,往往會影響短波通信系統(tǒng)臺站的正常應(yīng)用。 整體來看,短波通信系統(tǒng)有著極強(qiáng)的抗毀性,且短波通信系統(tǒng)的運(yùn)維成本不高,資金投入需求相對較低,使得短波通信系統(tǒng)的未來優(yōu)化動力充足,有利于提高其經(jīng)濟(jì)效益。 短波通信系統(tǒng)具有優(yōu)質(zhì)的抗干擾能力,能夠依據(jù)外界實(shí)際變化情況,科學(xué)有效地調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行,確保短波通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,為其高效運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

近年來,各種新興技術(shù)開始融入短波通信系統(tǒng),包括差錯(cuò)控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及自適應(yīng)技術(shù)等。 這些技術(shù)的合理應(yīng)用能夠有效緩解系統(tǒng)固有的局限性。 短波通信系統(tǒng)能在系統(tǒng)優(yōu)先級變化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對短波資源的動態(tài)調(diào)整,能夠切實(shí)保障系統(tǒng)的高效運(yùn)行。 除此以外,短波通信系統(tǒng)的應(yīng)用能基于時(shí)間采取科學(xué)有效的調(diào)整措施,確保其運(yùn)行模式同步,充分體現(xiàn)短波通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,因而具有一定的市場競爭力。

1.2 超短波傳播特性

1.2.1 視距傳播

視距傳播指無線電波在可見距離范圍內(nèi)的傳播,其傳播路徑不存在阻礙。 超短波受到自身較高頻率的影響,能夠有效穿透電離層。 因此,不能夠使用電波方式進(jìn)行傳播。 超短波有著相對較短的波長,在沿著地表進(jìn)行傳播的過程中將會遇到較大的電流,呈現(xiàn)極快的衰減速度。 在此過程中,地形同樣會在一定程度上影響地面反射波。 基于此,超短波難以在地點(diǎn)波的基礎(chǔ)上達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸?shù)男Ч?超短波的應(yīng)用基本上是依靠空間直射波進(jìn)行通信,屬于視距傳播[1]。

1.2.2 散射傳播

無線電波能夠基于對流層散射,進(jìn)而向更遠(yuǎn)的范圍進(jìn)行信號傳輸,自動傳播方式本質(zhì)上是散射傳播,大氣層始終處在運(yùn)動的狀態(tài)下,在空氣中的空氣折射指數(shù)呈現(xiàn)不均勻的特點(diǎn)。 與此同時(shí),還會實(shí)時(shí)動態(tài)變化,使得無線電波產(chǎn)生折射現(xiàn)象。 在對流層散射的基礎(chǔ)上滿足通信要求,無線電波頻段主要由兩部分構(gòu)成,分別是超短波和微波頻段。 二者均不能夠通過電離層反射,僅能夠通過對流層散射,且只能作用在超短波和微波視距傳播上,并不會對其他頻段產(chǎn)生散射作用。

1.2.3 繞射傳播

無線電波在進(jìn)行傳播時(shí),若是遇到有著相對較大體積的障礙物,超短波能夠自動繞過去并繼續(xù)進(jìn)行傳播。 在傳播超短波的過程中,如果遇到障礙物,障礙物將會吸收部分能量,還有部分能量則被反射,所以僅存在少部分超短波能夠達(dá)到繞過障礙物的效果,構(gòu)成一定的陰影區(qū)。 頻率越高則代表超短波有著較差的繞射能力,能夠跨越的障礙物便更小。 結(jié)合有關(guān)調(diào)查研究能夠發(fā)現(xiàn),當(dāng)超短波在150 MHz 以上的情況下,大多僅能夠沿著直線傳播,未展現(xiàn)出更強(qiáng)的電波繞射水平。

1.2.4 傳播分區(qū)

當(dāng)處在視距范圍內(nèi)時(shí),超短波能夠在空間直射波形態(tài)下實(shí)現(xiàn)傳播。 反射波的存在勢必會在一定程度上對超短波的實(shí)際傳播過程產(chǎn)生影響,進(jìn)而出現(xiàn)干涉區(qū)。 一旦沒有維持在視距范圍之內(nèi),超短波便能夠通過繞射傳播方式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)傳輸。 在此時(shí),這一區(qū)域?qū)儆诶@射區(qū)域,而超短波通過散射方式的應(yīng)用可以達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男Ч?這一區(qū)域則屬于是散射區(qū)。

2 超短波通信質(zhì)量的影響因素分析

2.1 頻段因素

超短波自身的通信質(zhì)量不可避免地會受到多方面因素的影響。 其中超短波有著獨(dú)有的使用范圍,這也在一定程度上決定了若是采用規(guī)定通信的方式,則勢必會提升其通信質(zhì)量。 但若是移動通信所處的環(huán)境面臨著電磁所造成的干擾,便會產(chǎn)生一定的多徑衰落現(xiàn)象。 有諸多因素如電磁因素會對頻段產(chǎn)生影響,具體包括電磁脈沖干擾以及環(huán)境電磁干擾等[2]。

2.2 距離限制

超短波不僅可以使用對地的方式進(jìn)行通信,還能夠在空中實(shí)現(xiàn)通信,距離的限制會影響超短波通信的質(zhì)量,例如若是采用艦載或者是車載電臺,那么其發(fā)送距離便能夠達(dá)到十幾km 或者是幾十km,但如果所使用的為機(jī)載電臺,那么其通信距離則能夠高達(dá)100 km 左右。

2.3 戰(zhàn)術(shù)協(xié)同通信

戰(zhàn)術(shù)協(xié)同通信作為軍事通信的重要組成部分,在實(shí)際實(shí)施的過程中經(jīng)常會涉及超短波通信的應(yīng)用,這一環(huán)境下有著更為嚴(yán)重的電磁干擾問題。 通常情況下,協(xié)同通信都是運(yùn)動通信的狀態(tài),超短波會同時(shí)進(jìn)行手法通信的工作,但這種通信會增加出現(xiàn)電磁波干擾的可能性。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境對超短波通信裝備效能的影響及適應(yīng)性評估

3.1 影響

針對超短波通信裝備而言,能影響其正常運(yùn)作的復(fù)雜電磁環(huán)境很多,既包括頻帶內(nèi)信號環(huán)境,還涉及頻帶外信號環(huán)境。 在復(fù)雜電磁環(huán)境中,互調(diào)干擾是其中比較關(guān)鍵的組成部分。 例如,在同一個(gè)接收機(jī)輸入端中,若是存在兩個(gè)或多個(gè)干擾信號的接入,而干擾信號面臨著接收機(jī)非線性影響,那么便會產(chǎn)生混頻的現(xiàn)象,進(jìn)而滋生互調(diào)干擾信號。 但從實(shí)際情況來看,這種互調(diào)干擾信號的頻率基本上同有用頻率相近,會影響裝備的正常通話,極大程度上增加設(shè)備損壞及信號失真的可能性。 鏡像頻率同樣會造成電磁干擾,主要是受到前段濾波器的影響,若是其選擇不足,便會影響鏡頻信號的抑制效果,進(jìn)而形成中頻干擾信號,嚴(yán)重制約后端解調(diào)成效。

如果接收機(jī)前段電路本身選擇性相對較差,有可能會產(chǎn)生中頻干擾的現(xiàn)象。 這主要是因?yàn)樵谶@種情況下,中心頻率干擾信號能在混頻器中直接通過。 與此同時(shí),信號不會進(jìn)行變頻,接收信號會面臨著較大的影響。 若想切實(shí)展現(xiàn)出其對于中頻干擾的抑制作用,多數(shù)情況下要保障其靈敏度處在80 dB。 鄰道干擾主要指相鄰以及鄰近頻道之間所產(chǎn)生的干擾。 鄰道干擾常發(fā)生于超短波通信設(shè)備當(dāng)中,鄰道干擾的產(chǎn)生直接受到跳頻信號頻譜的影響。 邊頻分量會在一定程度上造成鄰道干擾,而對于跳頻信號而言,其中涉及諸多邊頻分量,這也說明了電磁干擾的嚴(yán)重程度。 同頻干擾主要是指在頻率相同無用信號所帶來的電磁干擾問題,例如,多部通信終端有可能會使用同一個(gè)頻率進(jìn)行工作,相同頻率的信號將會在同一時(shí)間進(jìn)入接收機(jī),這會在一定程度上加劇同頻干擾對超短波通信設(shè)備正常運(yùn)行的影響[3]。

3.2 適應(yīng)性評估

3.2.1 評估流程

相關(guān)工作人員在對適應(yīng)性評估指標(biāo)進(jìn)行選擇的過程中,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照客觀、可測、完備以及獨(dú)立等原則,為后續(xù)評估工作順利開展創(chuàng)造良好的條件。 在這一過程中,工作人員在選取完備性指標(biāo)的過程中,應(yīng)當(dāng)最大限度地減少評估片面性現(xiàn)象的產(chǎn)生。 獨(dú)立性則要求各個(gè)指標(biāo)之間不會出現(xiàn)相互交叉的現(xiàn)象,可測性則更加側(cè)重于確保指標(biāo)能夠達(dá)到良好的量化效果,同時(shí)呈現(xiàn)更加穩(wěn)定性的特點(diǎn),客觀性代表則其指標(biāo)的定義具有較強(qiáng)的規(guī)范性以及標(biāo)準(zhǔn)性。 為了能夠更好地對其遞階結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定,本文主要通過層次分析法的應(yīng)用對目標(biāo)層和指標(biāo)層進(jìn)行確定,工作人員需要先提取相應(yīng)的評估指標(biāo),再結(jié)合實(shí)際情況選取指標(biāo)權(quán)重標(biāo)度模型,科學(xué)構(gòu)建指標(biāo)判斷矩陣,完成指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算工作之后,便進(jìn)入一致性檢驗(yàn)的環(huán)節(jié),針對相應(yīng)的數(shù)據(jù)展開全方位的分析處理工作,最終獲得具體的評估指標(biāo)值以及評估目標(biāo)值,對其進(jìn)行評價(jià)工作。 在此過程中應(yīng)注意確保其評價(jià)工作能夠充分考慮不同類型的超短波通信裝備。

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重

在指標(biāo)權(quán)重方面,本文主要基于1-9 標(biāo)度法對指標(biāo)間的重要性展開對比工作,進(jìn)而同測試數(shù)據(jù)展開結(jié)合,獲取各指標(biāo)的權(quán)重標(biāo)度情況,并針對指標(biāo)權(quán)重展開一致性檢驗(yàn)工作,公式如下:

式(1)中的n 和λmax分別代表的是矩陣秩、矩陣最大特征解,按照上述工序?qū)Φ谝粚又笜?biāo)的上層指標(biāo)展開計(jì)算能夠得出如下公式:

基于第二層指標(biāo)對其上層指標(biāo)展開計(jì)算,得到公式如下:

基于此,可以通過式(8)計(jì)算相應(yīng)的評估目標(biāo)值:

在上述公式中,Ci為指標(biāo)權(quán)重,C1為噪聲調(diào)配信號,C4噪聲調(diào)頻信號,C5為AM 信號,C6為FM 信號。B1為互調(diào)信號干擾,B5為同頻信號干擾。 W 為各評估指標(biāo)所占權(quán)重。

3.2.3 通過超短波通信信號采樣

結(jié)合采樣定理能夠明確,針對頻道限制為(0,fn),模擬信號為(x,t)以及采樣率是fs=2fH的應(yīng)當(dāng)實(shí)施等間距采樣,采樣所獲得時(shí)間離散信號表達(dá)式如下:

以便于在采樣值的基礎(chǔ)上恢復(fù)原始信號。

從頻域分析的角度出發(fā)對Nyquist 的采樣定理進(jìn)行分析,x(t)代表的為原始模擬信號,而x(w)所指的是頻譜函數(shù),單位沖擊函數(shù)如下所示:

在式(11)公式中:

用式(13)表示上文頻譜函數(shù)為:

根據(jù)式(13)能夠得出,在xT(w)中涉及多個(gè)ωs原始信號。

4 復(fù)雜電磁環(huán)境下提高超短波通信質(zhì)量的抗干擾措施及發(fā)展趨勢

4.1 抗干擾措施

4.1.1 數(shù)字化中頻

數(shù)字化中頻技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)多種調(diào)制解調(diào)方式,還可以根據(jù)應(yīng)用場景的變化達(dá)到可變中頻帶寬的效果,進(jìn)而提高數(shù)據(jù)服務(wù)成效,并且還是自適應(yīng)信號處理的重要舉措。 在駐留時(shí)間范圍內(nèi)針對中頻信號展開頻譜分析工作,了解在特定位置上位置功率譜密度,獲取相應(yīng)的信干比。 非線性調(diào)制的信號干擾將會直接呈現(xiàn)在解調(diào)信號眼圖上,工作人員可以對基帶信號相位的模糊程度進(jìn)行測量,進(jìn)而獲取所處頻點(diǎn)的實(shí)際質(zhì)量。 在得到最終檢測結(jié)果之后需要實(shí)施動態(tài)地更新調(diào)頻頻率計(jì),將那些質(zhì)量相對較差的點(diǎn)去除,進(jìn)而為通信鏈路質(zhì)量提供全面的保障。 此外,還應(yīng)當(dāng)引入非對等時(shí)分雙工機(jī)制,同時(shí)建立起相應(yīng)的修正頻率表。

4.1.2 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)

Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種特殊對等網(wǎng)絡(luò),主要應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域。 在應(yīng)用過程中可以在多跳轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 當(dāng)前,其已經(jīng)在超短波通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用,是近幾年網(wǎng)絡(luò)級抗干擾通信領(lǐng)域至關(guān)重要的成果之一。 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面可以使用分級結(jié)構(gòu),可以充分同戰(zhàn)術(shù)智慧通信架構(gòu)的實(shí)際情況相適應(yīng)。 在媒體訪問控制方面,可以根據(jù)實(shí)際情況采用同步正交調(diào)頻組網(wǎng)與MACA 協(xié)議相結(jié)合的手段。

4.1.3 混合技術(shù)

當(dāng)工作人員實(shí)際應(yīng)用無線通信抗干擾技術(shù)時(shí),大多會對各種類型的技術(shù)進(jìn)行混合應(yīng)用,這樣能確保突破單一應(yīng)用的局限性,展現(xiàn)更加良好的抗干擾能力。例如,直接序列以及跳頻技術(shù)等常見技術(shù)。 與其他技術(shù)相比,混合技術(shù)的抗干擾能力要更加優(yōu)良。 這主要是因?yàn)?針對不同的抗干擾技術(shù),其所具有的優(yōu)劣勢都各不相同,但若是能夠?qū)煞N或者是多種抗干擾技術(shù)有效混合起來,便可以在充分展現(xiàn)其各自優(yōu)勢的基礎(chǔ)上克服不足之處,以促進(jìn)其抗干擾效果的整體提升。 在實(shí)際使用混合技術(shù)的過程中,不可避免地面臨著多方面因素的負(fù)面影響,應(yīng)當(dāng)針對性地對其進(jìn)行解決[5]。 除此以外,混合技術(shù)的應(yīng)用將會增加抗干擾設(shè)備應(yīng)用的復(fù)雜性。 筆者針對直接序列和跳頻技術(shù)的混合展開了抗干擾實(shí)踐。 最終實(shí)踐結(jié)果表明,上述兩種技術(shù)混合所呈現(xiàn)的信號增益大多是在固有技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的簡單加和,進(jìn)而得到更寬的頻譜。 該技術(shù)的應(yīng)用使得固有的跳頻技術(shù)應(yīng)用成效得到了增加,但結(jié)合應(yīng)用條件來看,往往涉及更大的成本投入。 因此,其在混合技術(shù)的應(yīng)用范圍有限,需要持續(xù)進(jìn)行研究。

4.1.4 智能天線技術(shù)

當(dāng)處在通信環(huán)境不良的狀態(tài)下,通過在接收設(shè)備上對智能天線設(shè)備進(jìn)行安裝,以對特定頻段信息進(jìn)行收發(fā)的技術(shù)是智能天線技術(shù)。 該技術(shù)不僅有著較強(qiáng)的抗干擾效果,還可以在一定程度上緩解電磁波所造成的污染問題,而智能天線技術(shù)最主要的機(jī)制和優(yōu)勢在于其對于不同方向的信號干擾有良好的抑制效果。智能天線在實(shí)際應(yīng)用的過程中會面臨來自多種不利因素的影響,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)用效果存在不足。 智能天線的應(yīng)用數(shù)量較多或者較廣會增加各個(gè)天線之間相互影響的可能性,進(jìn)而產(chǎn)生電磁耦合干擾的問題。 因此,若想真正促進(jìn)智能天線抗干擾能力的提升,需要及時(shí)有效地采取有關(guān)措施對現(xiàn)有的天線波段進(jìn)行收窄,以形成良好的波段定向傳播,這樣會使得智能天線的高質(zhì)量應(yīng)用面臨阻礙。 從目前來看,相關(guān)研究人員未來在智能天線技術(shù)方面,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加深對于干擾模型以及計(jì)算模型的研究和優(yōu)化。 部分研究人員針對當(dāng)前智能天線技術(shù)應(yīng)用的不利因素展開了針對性的研發(fā)工作,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新型的MIMO 智能天線技術(shù)。 該技術(shù)的應(yīng)用可以支撐多收多發(fā),但在應(yīng)用階段始終面臨諸多局限性,因此,需要不斷加大對于這一部分研究的投入,以切實(shí)提升其技術(shù)水平,推動超短波通信質(zhì)量的不斷提升[6]。

4.2 發(fā)展趨勢

超短波通信需求正在持續(xù)推動通信技術(shù)的發(fā)展,這迫使超短波通信設(shè)備開始持續(xù)朝著微型化、智能化以及模塊化的方向發(fā)展。

4.2.1 微型化

近些年來,微帶技術(shù)、片狀元件以及表面安裝技術(shù)開始興起,微帶線本身有著匹配度高、成本低、頻帶寬以及體積小等諸多優(yōu)勢,而片狀元件不存在引線,并且質(zhì)量更輕。 表面安裝技術(shù)則可以在短時(shí)間范圍內(nèi)自動化開展對于片狀元件的安裝工作,以一種自動化流水線的方式完成。 上述新技術(shù)的應(yīng)用可以極大程度降低成本投入,在實(shí)際應(yīng)用的過程中也有著較快的安裝速度,能夠?yàn)檩o助設(shè)計(jì)和制造等工作的開展提供方便。 此外,在微電子技術(shù)不斷更新升級的過程中,微處理器開始廣泛應(yīng)用在通信設(shè)備中,通過植入病毒程序達(dá)到應(yīng)對通信干擾的效果,病毒程序能夠間接進(jìn)入指揮中心內(nèi)部。 目前,以美國為首的發(fā)達(dá)國家正在大力研發(fā)潛伏式自發(fā)進(jìn)攻程序裝備。 超短波電臺可以使用零位天線調(diào)整器起到輔助天線對抗的作用,并通過多副接收天線的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對于傳輸信號以及干擾信號的自動識別,對于超短波通信抗電磁干擾性能的提高有著重要意義。

4.2.2 智能化

智能化超短波電臺的應(yīng)用主要是將微控制器看成是主控電源,可以在原有的基礎(chǔ)上起到簡化電路的作用,并進(jìn)一步提高其可靠性,賦予智能化的功能,滿足自適應(yīng)通信、自動匹配天線參數(shù)以及自動切換工作方式等各種需求。

4.2.3 模塊化

超短波電臺上有著諸多型號,這使得在電磁頻譜管理以及電磁兼容等層面存在較大的復(fù)雜性,所以在發(fā)展超短波通信的過程中需要事先完成頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)。 當(dāng)前,最主要的手段便是功率合成技術(shù),能夠根據(jù)功率等級,對各種功率發(fā)達(dá)器分別設(shè)計(jì),以積木式模塊的形式存在,在實(shí)施通信的過程中也可以根據(jù)需求實(shí)際組成各種電臺,更好地應(yīng)用在不同距離的無線電通信聯(lián)絡(luò)中。

5 結(jié)語

綜上所述,強(qiáng)化使用多種抗干擾技術(shù)能夠有效提升超短波通信質(zhì)量,為船舶的安全高質(zhì)量通信創(chuàng)造良好的條件。 因此,相關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)重視,進(jìn)而在實(shí)踐中對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以推動行業(yè)整體的長效發(fā)展。