短波通信抗干擾技術(shù)研究

李林峰，趙勇

（西安烽火電子科技有限責(zé)任公司，陜西西安，710114）

0 引言

短波通信為其造價(jià)低、建設(shè)周期短且操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前所有遠(yuǎn)距離通訊手段中最常用的一種。一般情況借助電離層的反射來傳播數(shù)據(jù)[1,2]。但由于在傳播過程中干擾因素較多，數(shù)據(jù)傳播過程中不可避免地受到信道衰落的影響，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)性能的損失，甚至有可能直接影響到數(shù)據(jù)的安全和質(zhì)量[3]。因此，廣大研究者關(guān)注于提高短波通信的抗干擾性能以確保數(shù)據(jù)傳播穩(wěn)定性和可靠性。目前已明確短波通信過程中的干擾類型及信號衰落方式，抗干擾技術(shù)也層出不窮，跳頻、分集、差錯(cuò)以及擴(kuò)頻等抗干擾技術(shù)手段在我國短波通信領(lǐng)域已得到大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了良好的成效[4,5]。隨著信息化技術(shù)手段的進(jìn)步和干擾因素的增多，以往的抗干擾措施或多或少存在一定的缺陷。本文基于分集技術(shù)，研究了分集接收技術(shù)的抗干擾原理，并制定了其分集接收處理方案，對短波通信抗干擾技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步提供借鑒意義。

1 分集通信技術(shù)

短波通信的過程中，一般通過發(fā)射端發(fā)射數(shù)字信號，在接收端通過調(diào)制解調(diào)信號來獲得信息。在短波多載波分集通信過程中，一般在發(fā)射端會(huì)同時(shí)發(fā)射多組信息內(nèi)容相同信號樣本，在接收端利用分集合并技術(shù)來接收信號，用這種方法來降低信號信道衰落的概率，以此來達(dá)到短波通信抗干擾的效果，提高通信過程中的安全可靠性[6,7]。

采用合并技術(shù)來了解決信道衰落的問題，在上世紀(jì)九十年代已經(jīng)被廣大研究者所關(guān)注。不同合并技術(shù)采用的算法也有所差異，如最大比合并算法、等增益算法、門限切換算法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。但以上這種算法，由于技術(shù)手段的限制，在實(shí)現(xiàn)方面存在較大的困難，導(dǎo)致通信系統(tǒng)的性能改善效果并不是很好。有研究者認(rèn)為，可通過減少傳輸線路的支路數(shù)量，即在一定程度降低通信質(zhì)量的情況下來提高合并信號的穩(wěn)定性。因此可知，在短波多載波合并過程中的合并技術(shù)至關(guān)重要，一方面分集信號的強(qiáng)弱與合并技術(shù)息息相關(guān)，另一方面也直接決定了信道衰落數(shù)據(jù)合并后解調(diào)的難易程度，在分集合并技術(shù)中有著承上啟下的作用。

2 分集接收處理方案

相對于單載波信號處理，短波多載波信號處理的過程更加復(fù)雜，且信道情況的設(shè)定更加困難。在短波多載波分集接收處理技術(shù)中，應(yīng)考慮分集接收處理方案的穩(wěn)定性和有效性，可靠的方案能避免絕大多數(shù)的不必要的干擾，可以更有效的來接收信號處理后的短波數(shù)據(jù)。因此，本文依據(jù)分集接收處理的原理，確定其功能方案實(shí)現(xiàn)的步驟，以此確定其技術(shù)路線，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 分集接收處理方案技術(shù)路線

在分集合并接收技術(shù)中，一般可通過三個(gè)步驟來完成信號的處理。首先，單路解調(diào)。解調(diào)的含義是從信號發(fā)射源發(fā)出的多載波信號的多組數(shù)據(jù)中，通過在數(shù)據(jù)源中尋找并獲得有效信號，通過對其處理解調(diào)來獲得我們所需要可進(jìn)行合并的數(shù)據(jù)。第二步為多信號合并。在信號合并的過程中，是對同源同數(shù)據(jù)信息的信號來進(jìn)行合并，以達(dá)到增強(qiáng)信號的目的。第三步為合并信號重構(gòu)。顧名思義是對合并增強(qiáng)后的信號來進(jìn)行信號的重構(gòu)，是為了接收端的設(shè)備更方便快捷且有效的接收數(shù)據(jù)。

此三個(gè)步驟，可以從三個(gè)方面來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳播和增強(qiáng)，以防止信道衰落對信號傳遞的干擾。首先，由于多載波在傳播途徑中有多組同源信號同時(shí)傳播，需要對多組信號進(jìn)行分別解調(diào)，以獲取所需衰落后的數(shù)據(jù)，此步驟可以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。第二步，通過合并信號對各組衰老后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)信號的穩(wěn)定和可靠，在一定程度上可以提高信號的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的安全。第三步是為了信號的接收做準(zhǔn)備，通過合并信號的重構(gòu)以獲得可進(jìn)行對接的信息。

2.1 單路解調(diào)

單路解調(diào)技術(shù)是在短波多載波分集合并通信技術(shù)中的第一步驟且至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)合并接收信號穩(wěn)定的基礎(chǔ)。如果對同源不同組的相同信號進(jìn)行單路解調(diào)以獲得可進(jìn)行合并處理的信號，通過對每條支路的信號進(jìn)行單路解調(diào)可獲得完整的且準(zhǔn)確的調(diào)整數(shù)據(jù)，可作為合并的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后續(xù)信號合并提供可靠的數(shù)據(jù)。單路解調(diào)技術(shù)在分解、合并、抗干擾技術(shù)中，是相對比較復(fù)雜的一部，主要包括六個(gè)步驟。步驟流程圖如圖2所示。

圖2 單路解調(diào)流程

2.2 多路合并技術(shù)

在分集接收技術(shù)的第二個(gè)階段是多路合并。多路合并的概念就是將第一階段單路解調(diào)處理的每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并以增強(qiáng)其信號強(qiáng)度，以達(dá)到抗衰落的效果。多路合并的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、容易實(shí)現(xiàn)且信號增強(qiáng)效果明顯、處理速率高等，但是依然具有一些需要處理的步驟，其步驟操作流程圖如圖3所示。

圖3 多路合并操作流程

第一步，時(shí)間戳計(jì)算。由于在信道衰弱的過程中，分散在各支路中的信號會(huì)被不同程度的噪音所覆蓋。通常情況下，

第一步，預(yù)處理。通過對各路信號數(shù)據(jù)段的預(yù)處理，以獲得各路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第二步，目標(biāo)信號的檢測。多路數(shù)據(jù)在傳播過程中受到信道衰弱的影響，靜默期數(shù)據(jù)的存在對目標(biāo)信號的處理有著一定的影響，或者同頻率的信號被接收也會(huì)對目標(biāo)信號的接收造成干擾，此類數(shù)據(jù)不會(huì)影響目標(biāo)信號合并后的強(qiáng)弱，但會(huì)對接收識別造成干擾，影響信號處理的效率。

第三步，將捕捉到的同類型目標(biāo)信號進(jìn)行同步處理。確定目標(biāo)信號頻率，并將信號頻率偏差降到最低，對下一步的合并工作奠定基礎(chǔ)。

第四步，幀處理。幀處理是為了后續(xù)的合并、重構(gòu)做準(zhǔn)備。通過這一步驟，可以確定最真實(shí)有用的解調(diào)數(shù)據(jù)信息。

第五步，信號軟解調(diào)。在以往的解調(diào)工作中，一般采用硬解調(diào)的方案，但硬解調(diào)的缺點(diǎn)明顯，即信號數(shù)據(jù)在信道中的實(shí)際情況無法被準(zhǔn)確還原，容易對信號的處理解調(diào)造成困難。軟件調(diào)的優(yōu)點(diǎn)在于可以將數(shù)據(jù)真實(shí)有效的還原，降低誤碼率。

第六步，失步搜尋。失步搜尋是通過與信號同步概念一樣的失步來為信息數(shù)據(jù)無誤提取做準(zhǔn)備。采用相對突發(fā)編號來進(jìn)行統(tǒng)一合并，但具有較大的偏差。本方法通過對時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算，采用絕對時(shí)間戳來統(tǒng)一合并以降低偏差。

第二步，分集選取。在上一步驟利用絕對時(shí)間戳來進(jìn)行統(tǒng)一合并可達(dá)到更高精度的信號同步對齊，降低了對不同突發(fā)幀對齊而造成的誤差風(fēng)險(xiǎn)，從而造成信號傳輸錯(cuò)誤。

第三步，分集合并。因?yàn)椴煌吩趥鬟f衰落信號時(shí)，信號強(qiáng)度、信號質(zhì)量均存在一定的偏差。選取質(zhì)量好的信號合并，可以更好地完成信號的傳輸。因此，通過分集合并確定加權(quán)指標(biāo)，通過對信號質(zhì)量分配權(quán)值相加，以達(dá)到信號合并增強(qiáng)的效果

在分集合并結(jié)束之后，衰落信號基本已達(dá)成了增強(qiáng)的效果，但是由于在接收端接收處理需要與其他設(shè)備接收，因此需要對增強(qiáng)后的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，故需要第三個(gè)階段來進(jìn)行合并信號后的重構(gòu)調(diào)制。

2.3 合并信號重構(gòu)

對合并后的信號進(jìn)行重構(gòu)，一般分為兩個(gè)步驟，第一步為前導(dǎo)重構(gòu)，第二部為非前導(dǎo)重構(gòu)。通過上一階段多路合并后的信號信噪比得到了極大的提高，因此，對噪聲降低和還原提出了更高的要求。在信號合并和數(shù)據(jù)提取的過程中，可以得到每一個(gè)信道的調(diào)制符號，但噪聲分量無法較好恢復(fù)的問題依然很嚴(yán)峻。所以在本節(jié)中對噪聲重構(gòu)是重中之重，合并信號重構(gòu)的基本路線如圖4所示。

圖4 信號重構(gòu)流程

第一步，前導(dǎo)重構(gòu)。在信號合并的過程中，對前導(dǎo)導(dǎo)頻序列也進(jìn)行了多路合并，差分還原可以有效的對前導(dǎo)序列進(jìn)行重構(gòu)，獲得有用的調(diào)制數(shù)據(jù)。

第二步，數(shù)據(jù)重構(gòu)。因?yàn)榍皩?dǎo)導(dǎo)頻的調(diào)制方案和非前導(dǎo)信號數(shù)據(jù)的合并方式并不相同，因此，對于非前導(dǎo)的信號數(shù)據(jù)應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行重構(gòu)以提高數(shù)據(jù)有效性。

第三步，噪聲重構(gòu)。噪聲重構(gòu)是信號重構(gòu)的極為重要的步驟，應(yīng)對多載波上的各子載波信號分別進(jìn)行重構(gòu)，通過對噪聲的重構(gòu)，可以獲得更真實(shí)有效且可靠的數(shù)據(jù)信號。

第四步，突發(fā)還原。通過對各突發(fā)幀的數(shù)據(jù)重構(gòu)之后，依據(jù)絕對時(shí)間戳進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，以獲得最原始的數(shù)據(jù)信號，更有利于接收設(shè)備的處理。

3 合并技術(shù)研究

3.1 等增益合并技術(shù)

等增益合并技術(shù)中的各分集支路在加權(quán)計(jì)算中的系數(shù)均選擇為1。同時(shí)，在信號接收過程中需要對信號進(jìn)行矯正，以保證信號在進(jìn)行等增益合并時(shí)可同相位相加。等增益合并技術(shù)在信號合并過程中，僅是對各條信道支路的信號進(jìn)行幅度疊加，以達(dá)到提高信噪比的效果。在合并的過程中，并沒有對信號的幅度信息進(jìn)行區(qū)分，因此在通常情況下，等增益合并技術(shù)的合并效果并不理想。但如果僅考慮接收信號的信噪比時(shí)，等增益合并可達(dá)到信噪比最大的效果。其最大優(yōu)點(diǎn)在于合并過程對設(shè)備的要求較低，同時(shí)在算法方面也比較簡單，更容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 最大合并技術(shù)

最大比合并技術(shù)，在信號合并的過程中，通常會(huì)對各信道的信號幅度進(jìn)行檢測。通過對每條支路的信號檢測結(jié)果分配加權(quán)系數(shù)，系數(shù)的選擇依據(jù)各支路信號信噪比，因此在合并后的信號信噪比可以達(dá)到最大化。最大比合并技術(shù)主要的技術(shù)難點(diǎn)在于對各條線路的信號進(jìn)行線性分析，通過對各條支路信號進(jìn)行信息還原，以信噪比為權(quán)值分配依據(jù)，以此來計(jì)算出效果最好的合并信號，其編碼過程相對復(fù)雜，且對接收設(shè)備有一定的要求。

3.3 混合合并技術(shù)

混合和平技術(shù)是對以上述合并技術(shù)的一個(gè)總結(jié)，是集合上述兩者的優(yōu)點(diǎn)從而形成的混合合并技術(shù)。以上兩種合并技術(shù)在合并的過程中或多或少存在一定的缺點(diǎn)，導(dǎo)致合并出的信號效果并不理想。等增益和平技術(shù)，由于對信道的信號數(shù)據(jù)并不作處理，導(dǎo)致對信號幅度的利用率較低，雖然技術(shù)比較簡單，但是效果較差。最大比合并技術(shù)雖然利用了信道信號的強(qiáng)度分別加權(quán)系數(shù)來達(dá)到提高信噪比的效果，雖然可以得到較好的性能，但是由于技術(shù)復(fù)雜度較高，導(dǎo)致合并的效率相對較低?；旌虾喜⒓夹g(shù)則是在所有的信道中選擇一部分信號強(qiáng)度較好的支路進(jìn)行合并，忽略部分信號較弱的支路。這些支路會(huì)極大的降低合并效率，且對整體合并效果影響不大。排除掉這些貢獻(xiàn)小的支路后，可極大地降低合并過程的復(fù)雜度，同時(shí)對合并后地信號效果幾乎不會(huì)造成影響。因此可以說混合合并方式在目前合并技術(shù)中效果最好，且復(fù)雜度較低。

4 結(jié)論

通過對分集接收技術(shù)原理的研究。確定了分集接收技術(shù)在短波多載波通信過程的優(yōu)越性。提出了三個(gè)步驟來進(jìn)行分集合并接收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，借助單路解調(diào)來獲取各支路準(zhǔn)確的信號，通過分集合并技術(shù)來增強(qiáng)解調(diào)后的信號，最后進(jìn)行信號重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)合并信號的接收?？勺畲蟪潭鹊慕档托诺浪ト鯇Χ滩ǘ噍d波的影響，提高信噪比，提升短波多載波通信可靠性。最后提出混合合并技術(shù)，此技術(shù)合并效率較高且容易實(shí)現(xiàn)，為多載波短波合并指明了技術(shù)方案。