艦艇超短波跳頻通信抗干擾能力增強(qiáng)技術(shù)探析

李利　紀(jì)凱　張振媛　郭誼

摘? 要：跳頻通信技術(shù)在艦艇超短波電臺(tái)中應(yīng)用廣泛，針對增強(qiáng)艦艇超短波跳頻通信抗干擾能力問題，文章研究了跳頻通信的主要抗干擾性能，分析了對跳頻通信系統(tǒng)的主要干擾方法，給出了增強(qiáng)艦艇超短波跳通信抗干擾能力的技術(shù)途徑和相關(guān)技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：超短波;跳頻通信;抗干擾;同步

中圖分類號：TN978? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0137-03

Abstract： FH（frequency hopping） communication technology has been widely used in ship's ultra-short wave radio. For improving the anti-jamming ability of ship's ultra-short FH communication， the paper researched the main anti-jamming performance of FH communication， analyzed the main interference methods of FH communication system， presented the methods on the enhancement of anti-jamming capability of the ship's ultra-short wave FH communication and the realizations of the basic way related technologies.

Keywords： ultra-short wave; frequency hopping communication; anti-interference; synchronous

跳頻通信依靠其優(yōu)異的隱蔽性能和抗干擾能力，作為一種抗干擾通信體制，在艦艇通信中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是在超短波頻段所常常采用的這種跳頻抗干擾方式卻隨著逐步發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的高速化受到了不小的打擊[1]。本文著重分析總結(jié)了跳頻通信普遍的抗干擾性能和跳頻通信的干擾方法，綜合目前跳頻技術(shù)的發(fā)展情況，給出了提升艦艇超短波跳頻通信抗干擾性能的理論技術(shù)及實(shí)踐方法。

1 跳頻通信的抗干擾性能[2]

影響跳頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的因素較多，如跳頻速度、跳頻寬度、跳頻頻率數(shù)目、跳頻碼周期、同步時(shí)間等。跳頻速度和跳頻寬度則起著最重要的作用。

1.1 跳頻速度

跳頻技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種躲避電子偵察干擾的策略，而非通過大能量覆蓋競爭進(jìn)行取勝。這種躲避偵察能力重點(diǎn)表現(xiàn)在抗干擾跳頻的速率上。一定范圍內(nèi)跳頻速率的增加可以增強(qiáng)躲避偵察的性能，但盲目提高跳頻速率不僅僅會(huì)成倍提高抗干擾的成本，更會(huì)降低其他的相關(guān)性能，如語言的可理解度、頻率污染程度、同步性能等。

（1）語言可懂度。抗干擾跳頻速率的改變并非是在瞬間完成的。完整的跳頻周期可以分為駐留時(shí)間以及頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，為了保護(hù)電路及物理結(jié)構(gòu)，當(dāng)處于頻率轉(zhuǎn)換階段時(shí)電臺(tái)不會(huì)向外輻射能量或功率，而該時(shí)長主要由頻率合成器決定，因此跳頻速率也受頻率合成器本身物理結(jié)構(gòu)限制。隨著所要求的跳頻速率的不斷升高，為了保證頻率的穩(wěn)定性，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就會(huì)增加，繼而駐留時(shí)間減少，也就是說可以用來傳輸信息的時(shí)間減少，直接大幅度降低了實(shí)際的工作效率。

（2）頻率污染。為了保護(hù)電路，跳頻電臺(tái)的發(fā)射機(jī)在發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換的極短時(shí)間內(nèi)，必須斷開大功率、高電壓的連接，當(dāng)這種斷開需要在瞬間完成時(shí)就會(huì)在臨近的頻率中產(chǎn)生寄生信號，進(jìn)而影響所屬信道的信息傳輸準(zhǔn)確度。為了消除或者減少這種不利影響，就要求發(fā)射機(jī)在頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間段內(nèi)通過某種控制電路，輸出較為光滑的頻率曲線。隨著跳頻速率的提高，對這種控制電路的要求就會(huì)更上一層樓，相應(yīng)的，產(chǎn)生寄生信號的比例就會(huì)更大，頻率污染也會(huì)更多，更加難以濾除。

（3）同步性能。要保證通信雙方通信的有效性，在進(jìn)行跳頻通信時(shí)發(fā)信端需要同時(shí)傳輸同步信號以便于收信端進(jìn)行同步解調(diào)。然而跳頻速率的不斷提高就會(huì)要求發(fā)信段傳輸更多的時(shí)間同步信號來保證通信，使簡單的問題復(fù)雜化，大大提高了需要保證通信雙方同步而發(fā)射的信號功率。

1.2 跳頻寬度

跳頻寬度，即跳頻電臺(tái)可以進(jìn)行頻率跳變的有效范圍。隨著跳頻寬度持續(xù)增加，通信的抗干擾能力也會(huì)隨之增強(qiáng)。如果超短波電臺(tái)可以在30～88MHz內(nèi)全頻段跳變，按照信道間隔為25KHz，其連續(xù)跳頻的寬度為58MHz，電臺(tái)的抗干擾增益就可以達(dá)到34dB。實(shí)際上，跳頻寬度根本做不到像假設(shè)的一樣，因?yàn)樗芟铝幸蛩氐闹萍s：

（1）天線調(diào)諧能力。信號的發(fā)射需要通過天線的輻射將信息傳達(dá)到收信端，為了不損壞天線，達(dá)到最佳的頻率利用率，不同的通信頻率對應(yīng)會(huì)有不同的天線阻抗。當(dāng)跳頻寬度較小時(shí)，使用窄帶天線，通過相對應(yīng)的天線調(diào)諧裝置就會(huì)使得天線的阻抗較為準(zhǔn)確地與需要發(fā)射的信號頻率相匹配;若跳頻寬度大幅增加，通信頻率對天調(diào)的要求就會(huì)增加，就需要更寬的天線阻抗調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行匹配，選擇性降低，噪聲就會(huì)更加難以消除。

（2）頻率管理。關(guān)于跳頻寬度的設(shè)計(jì)方法一般有兩種：一是采用部分頻段跳頻;二是采用全頻段跳頻。在單網(wǎng)使用時(shí)采用全頻段跳頻，方便管理同時(shí)對通信技術(shù)要求也較低;但在多網(wǎng)工作時(shí)，繼續(xù)采用全頻段跳頻則會(huì)使整個(gè)頻段雜亂無章，各種頻率污染直接增加了管理的難度，硬件的物理問題也會(huì)相繼出現(xiàn)。為了解決這樣的問題，應(yīng)當(dāng)對跳頻通信網(wǎng)的通信頻率采取適當(dāng)?shù)呐渲檬侄?。一般來講，跳頻通信可以分為以下兩種形式：正交式和非正交式跳頻，非正交網(wǎng)跳頻是指在同一通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的兩部收發(fā)信機(jī)通信，其必須進(jìn)行嚴(yán)格的同步，而正交式跳頻則不僅僅限制于同一抗干擾網(wǎng)，同樣適用于不在同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的收發(fā)信雙方。除了要保證在同一抗干擾網(wǎng)中的時(shí)間同步，還要保證在網(wǎng)與網(wǎng)之間的時(shí)間同步。正交式跳頻對同步的要求很高，會(huì)增加通信雙方通信同步的難度。但從另一角度講，正交網(wǎng)絡(luò)跳頻使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率大大提高，使用也更為經(jīng)濟(jì)。各網(wǎng)同時(shí)工作時(shí)，每個(gè)網(wǎng)任何時(shí)刻都不會(huì)工作到其它網(wǎng)的頻率上，網(wǎng)與網(wǎng)之間的工作在正常情況下將不會(huì)存在有嚴(yán)重影響的相互干擾。

2 對跳頻通信的干擾

對跳頻通信系統(tǒng)的干擾方法主要有對跳頻通信同步系統(tǒng)和對跳頻通信信號的干擾兩大類[2]。

2.1 對跳頻通信同步系統(tǒng)的干擾方法

同步是跳頻通信的核心，但卻也是跳頻通信中最容易受到攻擊的部分，所以當(dāng)跳頻通信的干擾作用于雙方的同步信號時(shí)，將會(huì)得到最理想的效果。采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ业酵叫盘柕陌l(fā)射的頻段、發(fā)送規(guī)律將會(huì)有助于破譯出同步碼。在同步信號的發(fā)送頻段以相近的頻率或改變相位進(jìn)行干擾常會(huì)取得較為理想的結(jié)果。

2.2 對跳頻通信信號的干擾

（1）阻塞式干擾。當(dāng)我方無法明確掌握敵臺(tái)當(dāng)時(shí)實(shí)際使用的跳頻通信圖表時(shí)，為了達(dá)到干擾通信的效果，至少需要干擾其全部工作頻段的一半。在不干擾我方正常通信的前提下，即我方通信頻段不在敵方通信的某一半范圍內(nèi)時(shí)，就可對該段頻率進(jìn)行阻塞式干擾，在整個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行大功率覆蓋。但如果根據(jù)預(yù)先的探測得知敵臺(tái)的跳頻頻點(diǎn)，則只需要采用梳狀干擾對相關(guān)頻點(diǎn)進(jìn)行干擾。

（2）瞄準(zhǔn)式干擾。瞄準(zhǔn)式干擾可以按照實(shí)施的方式分為跟蹤式、轉(zhuǎn)發(fā)式和頻率預(yù)測式。

跟蹤式干擾主要針對中速以下的跳頻電臺(tái)，一般是通過對頻率的偵察和探測進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，干擾敵臺(tái)的跳頻頻段。但當(dāng)跳頻速率答復(fù)增加時(shí)其跳頻圖案就會(huì)變得復(fù)雜，難以跟蹤。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的特點(diǎn)是無需預(yù)先對頻率進(jìn)行測頻，也不需要頻率引導(dǎo)，響應(yīng)速度極快，一般情況下可達(dá)15？滋s左右，從原理上講最高可干擾5000跳的跳頻電臺(tái)，該方法代表了跳頻通信干擾的主要發(fā)展方向。

頻率預(yù)測式干擾則是通過頻譜分析技術(shù)，預(yù)先對偵測到的信號進(jìn)行分析處理，并對下一步可能通信的頻點(diǎn)進(jìn)行占用，在此進(jìn)行干擾，并根據(jù)干擾結(jié)果進(jìn)行反饋，分析修正，不斷提高對下一個(gè)跳頻頻點(diǎn)的預(yù)測精準(zhǔn)度。在迅速發(fā)展的電子技術(shù)的支持下，跳變頻點(diǎn)的預(yù)測準(zhǔn)確度也會(huì)逐步攀升。

3 增強(qiáng)艦艇超短波跳頻通信抗干擾能力的技術(shù)措施

針對上述對跳頻通信的干擾方法，可從以下幾個(gè)方面采取技術(shù)措施以提高艦艇超短波跳頻通信抗干擾能力[3-5]。

3.1 同步掩蓋

同步是跳頻通信的核心，對于同步信號的干擾也是敵方實(shí)施干擾的重要渠道。在現(xiàn)階段，為了保證整個(gè)跳頻通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)同步，常常要求主臺(tái)在任何情況下都要發(fā)射同步信號。同步掩蓋要求時(shí)間同步信號不具有普遍的通用性，同步信號隱含在隨機(jī)碼流之中，使同步信號更加隱蔽，也更加難以用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。為了能夠在任何時(shí)刻（包括無線電靜默）確保在同一通信網(wǎng)絡(luò)中的任何一部電臺(tái)同步系統(tǒng)保持毫秒以內(nèi)的精度誤差，應(yīng)考慮跳頻通信系統(tǒng)接受來自于系統(tǒng)外部的授時(shí)。

利用艦艇時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)外部授時(shí)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法為：在通信設(shè)備中內(nèi)置北斗接收裝置或連接時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備，獲得初級時(shí)鐘（秒級）。在每次通信中只需要在初級時(shí)鐘的基礎(chǔ)上備注少量的同步信號就可以完成通信，加快了同步過程。

3.2 變速跳頻

提高跳頻速率能夠有效地增加跳頻通信的抗干擾能力，但是一味地提高跳頻速率，限于對發(fā)射頻譜圖光滑程度的要求，則會(huì)對頻率的駐留時(shí)間造成影響。因此只是單純的提高跳頻速率會(huì)由于頻譜資源的有限性對通信造成影響，降低了通信效率。從這一層面上講，跳速過高并不會(huì)對通信雙方產(chǎn)生積極的影響。

對于梳狀干擾來講，跳頻速率并不能產(chǎn)生決定性的因素。梳狀干擾的本質(zhì)在于通過對跳頻的頻率上升沿進(jìn)行規(guī)律探測，進(jìn)一步結(jié)合已經(jīng)掌握的信息對信號的跳頻圖案進(jìn)行識(shí)別，對號入座。分辨出該信號所處的網(wǎng)絡(luò)，所采用的基準(zhǔn)同步時(shí)間，并對跳頻信號進(jìn)行干擾。變速跳頻技術(shù)是跳頻駐留時(shí)間偽隨機(jī)時(shí)變的跳頻技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)變化的頻率跳變規(guī)律，而且將網(wǎng)絡(luò)的跳頻圖表和基準(zhǔn)時(shí)間隱藏起來，對同一網(wǎng)絡(luò)中的其他臺(tái)站也有保護(hù)意義。

該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法為：保持固定的換頻開銷，只改變通信的駐留時(shí)間，進(jìn)而對跳頻通信的周期進(jìn)行改變。對于改變后的周期再生成新的跳速表，并非用來表示跳頻圖案而著重于跳頻周期的改變。實(shí)際工作中，先生成偽隨機(jī)序列，再根據(jù)偽隨機(jī)序列形成跳速變化，以幀為單位，每幀內(nèi)跳速變化不存在任何規(guī)律，也不會(huì)重復(fù)。

3.3 自適應(yīng)跳頻

為了防止敵方的有意干擾對我方產(chǎn)生影響，適宜利用自適應(yīng)跳頻技術(shù)。一方面，在駐留時(shí)間內(nèi)對中頻信號進(jìn)行頻譜分析，通過提取相應(yīng)位置功率譜密度，得到信干比的值;另一方面，非線性調(diào)制方式的信號，通過測量基帶信號相位的模糊程度，也可得出所處頻點(diǎn)的質(zhì)量。為此，需要引入非對等時(shí)分雙工的機(jī)制，在以幀為單位的時(shí)間內(nèi)，絕大部分時(shí)間用于下行通信，留出小部分時(shí)間作為上行匯報(bào)，使被叫用戶能使主叫端獲知頻率質(zhì)量，并建立對應(yīng)鏈路的修正頻率表。

針對敵方的無意干擾，可以不定時(shí)進(jìn)行空閑信道掃描，分析并記錄所截獲的信號的頻率，周期等信息，在后續(xù)的通信中對重復(fù)的波段進(jìn)行陷波處理，以降敵臺(tái)無意對我方干擾造成的危害。

3.4 跳頻功率自適應(yīng)

跳頻功率自適應(yīng)技術(shù)是在跳頻通信已面臨敵方跟蹤式或阻塞式干擾等干擾的情況下，采用類似于定頻通信提高功率抵抗瞄準(zhǔn)干擾的方式，自動(dòng)增大發(fā)射功率，對抗雙方轉(zhuǎn)而在功率域進(jìn)行較量。

3.5 混合式抗干擾

跳頻技術(shù)并不能有效對抗各種干擾，通過跳頻技術(shù)與其它抗干擾技術(shù)的結(jié)合，可以更有效地提高超短波跳頻戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的抗干擾性能。

（1）FH與MDS（多進(jìn)制直接序列整合）。MDS具有窄帶直擴(kuò)功能，MDS與跳頻相結(jié)合，通過多進(jìn)制處理，使直擴(kuò)保留抗干擾容限，同時(shí)占用窄帶的頻譜。在超短波內(nèi)擁有更高的實(shí)用價(jià)值。

（2）FH與FCS（空閑信道掃描）。FCS方式能較好地對付局部阻塞干擾，將敵臺(tái)的干擾信號排除在外。而跳頻方式又能夠較好地對抗跟蹤干擾，二者結(jié)合各取所長，具有綜合抗干擾能力。

3.6 網(wǎng)絡(luò)級抗干擾

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種用于無線電通信的特殊對等網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)現(xiàn)多跳轉(zhuǎn)發(fā)而形成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，屬于網(wǎng)絡(luò)級抗干擾通信的一種手段。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可采用分級結(jié)構(gòu)，媒體訪問控制上可考慮碰撞避免多路訪問協(xié)議與同步正交跳頻組網(wǎng)相結(jié)合的方法。

4 結(jié)束語

跳頻通信系統(tǒng)由于抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)、通信頻帶利用率高、抗毀性好、入網(wǎng)快等優(yōu)勢，非常符合現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下電子對抗的要求，因此在艦艇通信上得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在跳頻電臺(tái)方面應(yīng)用最廣泛。

論文分析了影響跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能的關(guān)鍵因素以及對跳頻通信系統(tǒng)的干擾方法和手段，從抗干擾的角度，給出了增強(qiáng)艦艇超短波跳通信抗干擾能力的技術(shù)途徑和相關(guān)技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方法。但是為了更大范圍地提高跳頻通信的抗干擾能力，也為了通信能夠更加安全、可靠，多種手段的結(jié)合才能夠更為有效地提高綜合抗干擾能力。

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