淺析短波通信新技術(shù)

摘要：短波通信有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門，但也存在固有的缺點(diǎn)。本文介紹了短波自適應(yīng)頻率、DSP數(shù)字消噪、無盲區(qū)通信以及短波組網(wǎng)等新技術(shù)的一般原理、性能特點(diǎn)、產(chǎn)品及相關(guān)情況，分析了短波通信發(fā)展需求和趨勢，為同行提供參考、借鑒。

關(guān)鍵詞：短波；自適應(yīng)頻率；DSP數(shù)字消噪；無盲區(qū)通信

中圖分類號：TN014 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 10-0000-02

一、引言

短波通信又稱高頻（HF）通信是指在3M-30MHz頻段范圍內(nèi)，通過電離層反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或通過地波進(jìn)行近距離傳輸?shù)囊环N通信手段。短波通信與其它通信方式相比，有自身的優(yōu)點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)，在數(shù)千公里范圍內(nèi)短波不需要轉(zhuǎn)發(fā)器就可進(jìn)行超視距通信；抗毀性強(qiáng)，短波是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和有源中繼體制約的遠(yuǎn)程通信手段，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭或?yàn)?zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊，但電離層具有不可摧毀性；接收設(shè)備簡單，對于廣播業(yè)務(wù)，接收端只需要配置短波接收機(jī)即可。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，短波通信一直是世界各國中、遠(yuǎn)程通信的主要手段，廣泛應(yīng)用于政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門。

短波通信也存在固有的缺點(diǎn)：多徑衰落現(xiàn)象嚴(yán)重，短波在電離層反射的傳播過程中，信號振幅變化達(dá)幾十倍，甚至幾百倍；盲區(qū)內(nèi)通信困難，一般來說，短波通過地波傳播最遠(yuǎn)距離約為30公里，而天波從電離層第一次反射落地的最短距離約為100公里，因此30公里至100公里的區(qū)域，形成了短波通信的盲區(qū)；電離層暴變嚴(yán)重干擾短波通信，電離層參數(shù)受太陽等外界影響，F(xiàn)2層的電子濃度、有效高度以及電離層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不規(guī)則變化，使電離層的最高可用頻率降低，甚至完全破壞而使短波通信中斷。

近年來，隨著短波通信在航空導(dǎo)航、水上安全、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事通信等方面的廣泛應(yīng)用，其穩(wěn)定性和可靠性差的缺點(diǎn)日益突出，給短波通信研究帶來了很大的挑戰(zhàn)的同時(shí)，短波通信新技術(shù)發(fā)展也面臨著前所未有的機(jī)遇。

二、自適應(yīng)頻率

短波信道(電離層)是一種典型時(shí)變色散信道，其路徑損耗、時(shí)延散布、噪聲和干擾等都隨頻率、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的變化不斷變化，因此，短波通信中工作頻率是不能任意選擇的。統(tǒng)計(jì)表明，即使在夜間通信環(huán)境最壞的情況下，短波頻段也有4%左右的無噪聲信道，而中午約有27%的信道干擾很小或不存在干擾。所以，實(shí)時(shí)避開干擾，找出具有良好傳播條件的無噪聲信道是提高短波通信質(zhì)量最有效的途徑。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是采用短波自適應(yīng)頻率技術(shù)，目前自適應(yīng)頻率經(jīng)歷了短波頻率管理、2G-ALE兩個(gè)成熟階段，正向3G-ALE發(fā)展。

（一）頻率管理系統(tǒng)

短波頻率管理系統(tǒng)是在一定區(qū)域內(nèi)組成頻率管理網(wǎng)格，在短波范圍內(nèi)測量和分析各種信道參數(shù)和干擾分布，根據(jù)綜合分析和計(jì)算結(jié)果，得到通信質(zhì)量優(yōu)劣的頻率排序表，統(tǒng)一分配給區(qū)域內(nèi)各短波通信用戶，使用戶在最佳工作頻率上的建立通信鏈路。短波頻率管理實(shí)質(zhì)是對區(qū)域內(nèi)的用戶提供實(shí)時(shí)頻率預(yù)報(bào)，采用的技術(shù)稱為實(shí)時(shí)信道估值RTCE(Real Time Channel Evaluation)技術(shù)。頻率管理系統(tǒng)的特點(diǎn)是通信與探測分離，探測設(shè)備昂貴，這一發(fā)展過程也稱為短波自適應(yīng)技術(shù)的1G-ALE階段。

（二）2G-ALE通信系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代中期，出現(xiàn)了在通信系統(tǒng)中直接采用RTCE技術(shù)，對短波信道進(jìn)行探測、評估和通信一并完成的短波自適應(yīng)電臺。這種電臺能夠?qū)崟r(shí)選擇出最佳的短波通信信道，使得短波工作頻率隨信道條件變化而改變，確保了通信始終在質(zhì)量最佳的信道上進(jìn)行。2G-ALE通信系統(tǒng)具備如下功能：

（三）鏈路質(zhì)量分析LQA (Link Quality Analysis)：在2G-ALE通信系統(tǒng)中，RTCE功能稱為鏈路質(zhì)量分析LQA。一般LQA都是在通信前或間隙中進(jìn)行的，并且只在有限短波信道上進(jìn)行，所獲得的數(shù)據(jù)存儲在LQA矩陣中。實(shí)際通信時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)LQA矩陣中各信道的排列次序，擇優(yōu)選取工作頻率。

（四）自動掃描接收：為了接收選擇呼叫和進(jìn)行LQA試驗(yàn)，網(wǎng)中所有電臺都具有自動掃描接收功能，可在預(yù)先規(guī)定的若干信道上循環(huán)掃描，等候呼叫信號或者LQA探測信號。

（五）自動鏈路建立ALE (Automatic Link Establishment)：根據(jù)LQA矩陣，系統(tǒng)全自動建立通信鏈路，這一功能稱為自動鏈路建立ALE的功能。它是基于接受自動掃描、選擇呼叫和LQA綜合運(yùn)用的結(jié)果，也是2G-ALE與1G-ALE系統(tǒng)的最大區(qū)別。

（六）信道自動切換：在通信過程中，遇到電波傳播條件變壞或嚴(yán)重干擾，短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)可以切換信道，使通信頻率自動調(diào)到LQA矩陣中次佳頻率上。

3G-ALE通信系統(tǒng)

在2G-ALE通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，3G-ALE通信系統(tǒng)進(jìn)行了許多改進(jìn)：

1.駐留組劃分

引人了駐留組(Dwell Group)的概念，將網(wǎng)絡(luò)中的所有電臺劃分成多個(gè)駐留組。同一時(shí)間、同一組內(nèi)的電臺工作在同一信道上，而不同的組工作在不同的信道上，降低系統(tǒng)的阻塞。

2.地址結(jié)構(gòu)

網(wǎng)內(nèi)的每一個(gè)臺站分配一個(gè)單獨(dú)的11比特地址，低5位為駐留組號，高6位為組內(nèi)成員號。網(wǎng)內(nèi)最多有32個(gè)駐留組，每組最多有60個(gè)臺站，網(wǎng)內(nèi)最多可容納32×60 =1920個(gè)臺站。

3.信道分離技術(shù)

采用呼叫信道和數(shù)據(jù)流信道分離，并保持呼叫信道與數(shù)據(jù)流信道相鄰，以使它們在傳輸特性上保持一致，有利于對傳輸信道的監(jiān)聽，保證信息傳送的高效率和鏈路建立的快速性。

4.時(shí)隙結(jié)構(gòu)

電臺在每個(gè)信道上的駐留時(shí)間為5.4s，共分為6個(gè)時(shí)隙。其中第1時(shí)隙用于調(diào)諧和監(jiān)聽，第2～5時(shí)隙用于呼叫和應(yīng)答，第6時(shí)隙保留作為握手、通知等。劃分時(shí)隙技術(shù)減少信道擁擠。

ALE通信系統(tǒng)很好地解決了短波通信的頻率選擇問題，但是也不可避免地帶來探測呼叫大量占用網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間、選擇和適應(yīng)頻率的局限性、建立通信鏈路慢等問題。最近，澳大利亞柯頓公司最新研制的NG下自優(yōu)化電臺，基于過去用過的信道(頻率)、收發(fā)鏈路(雙方的聯(lián)絡(luò)信息)和登陸時(shí)間等信建立的CALM智能化鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，較好地解決這些問題。

三、DSP數(shù)字消噪

背景噪聲信號混雜在一起，是短波通信最令人頭痛的問題，消除起來非常困難，多年來很多廠家和研究機(jī)構(gòu)一直致力于消噪技術(shù)的研究，DSP數(shù)字消噪是提高短波通信質(zhì)量的有效解決方法。

從使用類型來看，DSP數(shù)字消噪分為兩種：一種是對端消噪技術(shù)，就是收發(fā)雙方電臺互相配合進(jìn)行的消噪。發(fā)方電臺對信號和噪聲進(jìn)行大倍率的平等壓縮，收方電臺對信號和噪聲進(jìn)行不平等的解壓，強(qiáng)化了信號，而弱化了噪聲，實(shí)際消噪效果比較明顯的。但是對端消噪技術(shù)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，制約其使用推廣：一是消噪器要單獨(dú)適配電臺，互換性差；二是不配消噪器的電臺無法參加通信。另一種單端消噪技術(shù)，就是只處理本機(jī)收到的信號，無須對方電臺配合。單端消噪技術(shù)是根據(jù)有用信號的聲譜對話音進(jìn)行數(shù)字化處理，從而濾除噪聲分量。單端消噪技術(shù)完全克服了對端消噪技術(shù)的弊端，成為消噪技術(shù)的發(fā)展主流。目前單端消噪有單獨(dú)的消噪器產(chǎn)品，還有像柯頓NGT電臺，已經(jīng)把消噪器作為電臺的基本功能，消噪效果比較理想，使短波電臺噪聲基本消除，話音清晰保真，達(dá)到或接近超短波的水平。

四、近垂直入射天線

長期以來，近距離通信盲區(qū)一直困擾著短波通信，世界各國都紛紛致力于無盲區(qū)短波通信的研究。解決短波盲區(qū)通信常用的有效方法就是選用近垂直入射天線，也稱“高射天線”或“噴泉天線”。這種天線輻射圖形的水平面為全向，垂直面為高仰角。仰角越高，電波第一跳落地的距離越短，盲區(qū)越少，當(dāng)仰角接近90°時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)短波通信。

近垂直入射天線產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于短波基站、車載短波電臺和便攜式短波電臺：基站無盲區(qū)天線如FD-230系列三線式寬帶短波天線，該天線不用接天調(diào)，增益高，架設(shè)方便，通信效果好；車載無盲區(qū)天線如ML-90車載電磁環(huán)天線，該采用單電磁環(huán)振子配合新式自動天調(diào)，信號以噴泉方式向空中輻射，大大縮短了天波傳播的最短距離，使天波傳播與地波傳播的通信距離相銜接，從而完全解決了近距離通信盲區(qū)；便攜式無盲區(qū)天線如7006寬帶軟天線，該天線結(jié)構(gòu)輕巧，便于攜帶，能快速架設(shè)和收集，并且在2～30MHZ范圍內(nèi)不需天調(diào)均能良好調(diào)諧，全向通信半徑可達(dá)1000公里，在600公里范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)可靠通信。

五、短波組網(wǎng)

組網(wǎng)能力是現(xiàn)代通信的基本要求之一，正同其它通信一樣，人們也希望短波網(wǎng)絡(luò)支持更多的應(yīng)用，成為Internet的一部分，實(shí)現(xiàn)聊天、發(fā)送Email等。第三代短波通信網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)展，其實(shí)質(zhì)上是一種無線分組交換網(wǎng)絡(luò)，在ALE、信道效率、網(wǎng)絡(luò)管理、路由協(xié)議及與Internet互連等方面的性能都有很大進(jìn)展。

但是，由于短波信道的特殊性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓⒐?jié)點(diǎn)間鏈路不確定性、網(wǎng)絡(luò)帶寬較窄、頻率復(fù)用和實(shí)時(shí)選頻等問題都有待進(jìn)一步解決，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如站點(diǎn)登陸/退出網(wǎng)絡(luò)、呼叫發(fā)起、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間交換、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理、連接質(zhì)量跟蹤了解、路由表的產(chǎn)生和使用、網(wǎng)絡(luò)信息的中繼、各種業(yè)務(wù)的接入等的接口協(xié)議優(yōu)化擬定等需要進(jìn)一步研究解決。

六、結(jié)論

短波通信因其通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)重新受到國內(nèi)外廠家和研究機(jī)構(gòu)越來越多的重視。自適應(yīng)頻率、DSP數(shù)字消噪、近垂直入射天線以及短波組網(wǎng)等各種新技術(shù)正不斷被應(yīng)用到短波通信領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)獲得了長足進(jìn)步。隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們研究的深入，短波通信必將以嶄新的面貌引領(lǐng)信息時(shí)代的通信領(lǐng)域。

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