短波電臺(tái)通信性能改善的若干方法分析

張 倩

(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引言

短波電臺(tái)是一種以無線電作為通信傳播方式的通信設(shè)備，波長區(qū)間為100～10 m，頻率區(qū)間為3～30 MHz。短波電臺(tái)的核心作用為進(jìn)行話音傳送，以及實(shí)施移頻報(bào)與等幅報(bào)操作。該類電臺(tái)通常分為固定、便攜和車載3種制式，總體而言質(zhì)量較輕，規(guī)模較小，優(yōu)點(diǎn)明顯，但并非完美無缺，其通信性能存在薄弱之處，經(jīng)過改善，可實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)，發(fā)揮更大效能。

1 對短波電臺(tái)進(jìn)行通信性能優(yōu)化的必要性

短波通信具有高頻特點(diǎn)，一般依靠天波或地波進(jìn)行通信傳輸，其中天波主要支持長距離通信，而地波主要支持短距離通信。天波方式的長距離信號傳輸是以電離層反射的路徑進(jìn)行，對中繼站沒有要求，又因電離層抗毀特性強(qiáng)大，幾乎不存在人工摧毀可能性，故而短波通信被用于支持軍事指揮。短波電臺(tái)的載波為無線電波，可支持?jǐn)?shù)據(jù)和信息傳輸。但短波電臺(tái)通信并非毫無缺陷，其在天線接收、差錯(cuò)控制和信號調(diào)整等方面仍有不足，只有對其進(jìn)行技術(shù)性干預(yù)，方可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，從而為軍事領(lǐng)域應(yīng)用等提供更安全可靠的通信支持。

2 短波電臺(tái)的核心通信特征

2.1 短波通信的優(yōu)勢

短波電臺(tái)通信與其他電臺(tái)通信方式相比，存在諸多優(yōu)勢。短波電臺(tái)是以短波進(jìn)行通信傳播的電臺(tái)，而短波與其他波段相比最直接的優(yōu)勢表現(xiàn)，是短波通常不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)樞紐制約，有源中繼體一般也無法對其產(chǎn)生影響，且支持遠(yuǎn)程通信。在特殊的環(huán)境中，如自然災(zāi)害造成基礎(chǔ)通信設(shè)施破壞，或戰(zhàn)爭導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施損毀時(shí)，其他通信網(wǎng)絡(luò)無法正常使用，短波電臺(tái)仍可在此種環(huán)境中繼續(xù)發(fā)揮作用，也不會(huì)因衛(wèi)星控制手段而受到通信干擾。和其他通信手段相比，短波通信抗毀能力強(qiáng)，通信過程中自主能力優(yōu)越。部分極端環(huán)境，如海洋、沙漠等不利于鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的地帶，或者如山區(qū)等信號較差地帶，超短波無法實(shí)現(xiàn)通信覆蓋，短波通信即可成為重要的通信手段。

相較于現(xiàn)代化的衛(wèi)星通信，短波通信還具有運(yùn)營成本相對低廉的優(yōu)勢。短波電臺(tái)通常不要求煩瑣復(fù)雜的設(shè)備支持，其制式支持固定裝置，即確定使用位置后定點(diǎn)安裝和通信，也支持移動(dòng)化應(yīng)用，即可采取車載、艦載或者安裝在飛行設(shè)備中進(jìn)行使用，或者依靠人工背負(fù)隨時(shí)使用。此外，短波電臺(tái)還具有組網(wǎng)快捷、便于隱藏的優(yōu)點(diǎn)。此種電臺(tái)設(shè)備并不復(fù)雜，且體積有限，當(dāng)需要對設(shè)備進(jìn)行隱藏時(shí)可執(zhí)行性強(qiáng)，還支持隨時(shí)變化電臺(tái)頻率，不僅具有抗干擾能力，而且可防止通信被竊聽。

2.2 短波通信的缺陷

短波電臺(tái)在應(yīng)用中也具有固有缺陷，例如短波電臺(tái)在應(yīng)用中，可選擇的帶寬較為有限，可支持的通信容量不高。依據(jù)國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一架短波電臺(tái)帶寬占用限度為3.7 kHz，在短波頻段中，僅有28.5 MHz可供使用，當(dāng)前國際處于可應(yīng)用狀態(tài)的短波信道<7 800個(gè)，其根本原因在于保證通信質(zhì)量，防止信道彼此干擾。因?yàn)槭艿綆捪拗?，所以通信擴(kuò)容難以推行，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室埠茈y得到提升[1]。不僅如此，短波電臺(tái)當(dāng)前的信道條件并不完善，仍有待改善。電離層雖具有抗毀性，但其中的介質(zhì)處于空間粒子與太陽輻射等外界因素的干擾下，導(dǎo)致介質(zhì)傳輸特性處于波動(dòng)中，且不具有規(guī)律性，在季節(jié)和晝夜更替影響下，呈現(xiàn)時(shí)變色散特點(diǎn)?；谝陨显颍滩ㄐ诺罆?huì)具有衰落表現(xiàn)，還會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移效應(yīng)，以及多徑效應(yīng)。短波電臺(tái)的缺陷還在于其頻段中因工業(yè)電器輻射而發(fā)生的無線電噪聲通常具有較高的干擾性，危害通信質(zhì)量，當(dāng)突發(fā)噪聲為脈沖型時(shí)，極易造成數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)。

3 性能優(yōu)化實(shí)施手段

3.1 信道傳輸

當(dāng)短波電臺(tái)工作所處信道環(huán)境為衰落信道時(shí)，只有輸出更高功率才能使其通信性能維持在橫參信道通信的狀態(tài)。若想以原來的功率發(fā)射通信信號，天線增益也維持常態(tài)，則需要進(jìn)行調(diào)制干預(yù)，并且對通信信號進(jìn)行分集接收，從而使短波電臺(tái)的通信信道可以保持良好的性能狀態(tài)。以頻移、時(shí)移鍵控聯(lián)合調(diào)制的時(shí)頻調(diào)制技術(shù)，工作原理為在特定的持續(xù)時(shí)間環(huán)境中(通常為單個(gè)二進(jìn)制符號或一組該類符號)，借助不定數(shù)的窄高頻脈沖以組合形式進(jìn)行原二進(jìn)制性質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸。這些高頻脈沖頻率具有波動(dòng)性，因時(shí)隙差異而表現(xiàn)出頻率差異。該類信號的特點(diǎn)為信號中存在多樣化的時(shí)隙和頻率，被命名為時(shí)頻調(diào)制信號。

時(shí)頻調(diào)制中復(fù)雜性最低的波形為二時(shí)二頻制波形，該波形是由同一二進(jìn)制碼元經(jīng)過劃分，變成兩個(gè)時(shí)隙，發(fā)送載頻f1或發(fā)送載頻f2至兩個(gè)時(shí)隙a、b中。以1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將f1、f2分別發(fā)送至a、b兩個(gè)時(shí)隙，描述方式為1-(f1f2)。以0為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將f2發(fā)送至?xí)r隙a，將f1發(fā)送至?xí)r隙b，描述方式為0-(f1f2)。此種前提下，則二時(shí)二頻制特點(diǎn)的信號所表現(xiàn)出的頻率組合形式為：1-(f1f2)/0-(f1f2)/1-(f1f2)/1-(f1f2)/0-(f1f2)[2]。

時(shí)頻調(diào)制又叫時(shí)頻編碼調(diào)制，這是因?yàn)槠鋫鬏斝畔⒌氖侄螢榫幋a。該種調(diào)制技術(shù)可抗瑞利衰落，此為其核心優(yōu)點(diǎn)。時(shí)頻調(diào)制單個(gè)二進(jìn)制符號僅支持將差異化的兩個(gè)高頻脈沖向外傳輸，當(dāng)其所選頻率f1與f2差頻≥500 Hz，則二者衰落特性基本可視為不相關(guān)，以此為基礎(chǔ)，頻率可實(shí)現(xiàn)分集。當(dāng)編碼手段科學(xué)性較高時(shí)，時(shí)頻調(diào)制技術(shù)可通過分集接收的形式實(shí)現(xiàn)抗衰落，同時(shí)對編碼之間的串?dāng)_發(fā)生抗干擾影響。

因?yàn)槎滩娕_(tái)通信時(shí)會(huì)發(fā)生多徑干涉，快衰落由此出現(xiàn)，衰落深度常規(guī)值約為40 dB，峰值期約為80 dB，為了實(shí)現(xiàn)抗衰落目的，分集技術(shù)得到了更多應(yīng)用。極化分集是一種可操作性較強(qiáng)的接收技術(shù)，其缺陷在于，若在水面艦艇中安裝電臺(tái)接收端，對安裝范圍限制性較強(qiáng)。

當(dāng)通信信號在短波信道中傳輸時(shí)，因?yàn)槭艿絺鞑ッ劫|(zhì)的影響，發(fā)射電波將由原本的單一極化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷檎魂P(guān)系的兩個(gè)極化波。為了保證良好的接收效果，可設(shè)置極化平面不同、位置相近的兩個(gè)天線，分別進(jìn)行信號接收。例如，在進(jìn)行極化分集時(shí)，可選擇籠型天線，同時(shí)架設(shè)兩副，分別為垂直與水平兩個(gè)方向的籠型天線。其中垂直天線使用750同軸電纜與Ⅰ級接收機(jī)相連，水平天線使用四線饋線和變阻器(75～220O)與Ⅱ級接收機(jī)相連[3]。

3.2 差錯(cuò)控制

短波電臺(tái)在通信信號傳輸時(shí)為保證通信質(zhì)量，通常采用重發(fā)糾錯(cuò)、前向糾錯(cuò)以及混合糾錯(cuò)三種形式實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。重發(fā)糾錯(cuò)是一種反饋糾錯(cuò)手段，按照線路接收端的指令，對信號進(jìn)行自動(dòng)重發(fā)，以此方式完成檢錯(cuò)，其核心步驟為由信號發(fā)射端向信號接收端發(fā)送檢錯(cuò)碼，接收端收到檢錯(cuò)碼信號后，將判決信號反饋到發(fā)送端，在此過程中實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)?；旌霞m錯(cuò)是基于前向糾錯(cuò)和檢錯(cuò)重發(fā)而出現(xiàn)的差錯(cuò)控制手段，其核心步驟為由信號發(fā)送端將檢錯(cuò)和糾錯(cuò)碼向信號接收端發(fā)送，信號接收端收到相應(yīng)信號之后，將判決信號反饋到接收端，在此過程中完成糾錯(cuò)。

3.3 自適應(yīng)選頻

干擾短波信道的因素眾多，無論是多徑時(shí)延還是幅度衰落都會(huì)造成信道通暢性和穩(wěn)定性降低，氣候環(huán)境波動(dòng)也會(huì)對其產(chǎn)生影響。為確保短波電臺(tái)具有良好的通信狀態(tài)，該系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)自身短波信道波動(dòng)，通過此種方式完成參數(shù)變化和結(jié)構(gòu)調(diào)整，這種技術(shù)即為短波自適應(yīng)。此種技術(shù)是為彌補(bǔ)短波信道固有的不足，通過調(diào)節(jié)頻率而進(jìn)行缺陷補(bǔ)償。其自適應(yīng)方式為進(jìn)行短波信號傳輸時(shí)，對其傳輸質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性測試，并從中選取適用性最強(qiáng)的頻率，通過此種方式，維持短波通信鏈路的良好傳輸狀態(tài)。當(dāng)前所使用的實(shí)時(shí)信道估值，以自適應(yīng)為技術(shù)理念的信號控制，以及具有自適應(yīng)特征的信號處理技術(shù)等，都屬于該類選頻技術(shù)。

3.4 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

利用短波電臺(tái)進(jìn)行通信時(shí)，在多徑效應(yīng)影響下，時(shí)域會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，為保證碼元速率，必須進(jìn)行時(shí)域平衡性調(diào)節(jié)，應(yīng)用針對性的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可將碼元速率從200 B升級到2 400 b/s。短波信號傳輸分為串行體制與并行體制。串行體制的速率≤9.6 kb/s，在信息傳輸時(shí)以單載波為調(diào)制手段，該體制對信道估值、自適應(yīng)均衡以及序列檢測技術(shù)進(jìn)行綜合性應(yīng)用，所以可對信道畸變以及多徑傳播導(dǎo)致的碼間串?dāng)_問題進(jìn)行高質(zhì)量應(yīng)對。而傳統(tǒng)的并行體制的傳輸形式為以并行手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分配，通過多個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)信號傳輸，在過去，這些子載波以互相獨(dú)立的方式存在于頻譜中，通過濾波器即可實(shí)現(xiàn)接收端的子信道分離，并設(shè)置保護(hù)頻帶隔離子信道，致使頻帶未能得到高效利用，也無法支持多個(gè)濾波器同時(shí)工作，速率≤2.4 kb/s。

3.5 信號抗干擾

決定短波電臺(tái)信號傳輸水平的核心因素之一為電磁環(huán)境，電磁環(huán)境越復(fù)雜，越要求電臺(tái)具有良好的抗干擾能力。短波電臺(tái)為了提升此項(xiàng)能力，對傳播媒質(zhì)進(jìn)行自適應(yīng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合多維度抗干擾手段，通過技術(shù)干預(yù)，對抗信道中的通信干擾。靶場電臺(tái)干擾在多無線電臺(tái)之中是核心干擾方式，通過實(shí)時(shí)選頻和提升頻率穩(wěn)定性可實(shí)現(xiàn)抑制干擾的目的，除此之外，還可安裝定向天線和具有自適應(yīng)特征的調(diào)零天線，以此來對抗干擾。

4 結(jié)語

在電臺(tái)通信設(shè)備中，短波電臺(tái)有其獨(dú)特的存在價(jià)值，但其本身也存在性能缺陷，如易受電磁干擾等，通過信道傳輸干預(yù)，加強(qiáng)差錯(cuò)控制，實(shí)行自適應(yīng)選頻，充分運(yùn)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，并增強(qiáng)短波電臺(tái)的抗干擾能力，可有效促進(jìn)短波電臺(tái)的性能優(yōu)化，使其具有更加良好的通信應(yīng)用表現(xiàn)，提升通信質(zhì)量與安全性，促使短波電臺(tái)發(fā)揮更大價(jià)值。