復雜電磁環(huán)境下的短波頻譜感知技術

張福寶

（武警士官學校，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著科學用頻、感知作戰(zhàn)態(tài)勢日益重視，短波通信系統(tǒng)亟待更好地適應復雜電磁環(huán)境、提高信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性。因此亟需提高短波信道的利用率，實現(xiàn)在復雜的信道環(huán)境下感知閑置的頻譜信道資源，快速提升短波通信效能[1]。

1 復雜電磁環(huán)境下短波通信的基本特性

短波通信可用頻段窄，信道較為擁擠，易受干擾信號的影響，同時在通信過程中，因電離層所處位置和濃度的變化，也會導致傳輸信號不穩(wěn)定、通信質(zhì)量不佳，然而在復雜電磁環(huán)境下短波通信的基本特性主要取決于短波通信的傳播方式和傳輸影響。

1.1 短波傳播方式

短波通信由于沿地表傳播，受地面特性影響較大，衰減嚴重，主要依賴高空電離層反射實現(xiàn)遠距離通聯(lián)，按其傳播路徑劃分，主要分為短波地波通信鏈路和短波天波通信鏈路，圖1為短波通信鏈路示意圖。

圖1 短波通信鏈路示意

1.1.1 地波通信鏈路

電波傳播信號頻率與其能量損耗呈正相關，適用于相對較短距離的通信方式，地波傳播信道相對較為穩(wěn)定。

1.1.2 天波通信鏈路

天波是一種通過高空電離層反射傳播的無線電波。電離層大致分為D、E、F三層，其中F層又分為F1和F2兩層。白天夜間F層有所變化，導致晝夜使用的頻點不同。天波傳播無法使用過高或過低的頻點，超過區(qū)間范圍時，會導致信號被電離層吸收或者穿透電離層，因此天波傳播信道會對信號產(chǎn)生影響，且不穩(wěn)定。

1.2 短波傳輸影響

短波通信的傳輸影響主要包括多徑效應、衰落、多普勒頻移、相位波動和頻譜擴展，對短波信號的傳輸有不同程度的影響。

1.2.1 多徑效應

由于短波信號從發(fā)射機到接收機會經(jīng)過不同路徑和不同時間延遲來完成信號的傳遞，而這些信號利用不同途徑傳播至接收端會影響信號傳輸時間、相位等參數(shù)發(fā)生偏移或變化，導致信號傳輸不穩(wěn)定。

1.2.2 衰落

在短波傳播過程中，接收方接收到的信號強度具有隨機性，由于呈現(xiàn)時間的不同，在復雜的電磁環(huán)境中，當電離層穩(wěn)定時，短波通信因為衰落現(xiàn)象無法獲得相對穩(wěn)定的信號，主要依靠改變發(fā)射頻率、提高發(fā)射功率來解決衰落現(xiàn)象所導致的問題。

1.2.3 多普勒頻移

電離層是短波通信系統(tǒng)傳播的重要信道，電離層的反復頻繁變化也會影響短波信號的傳輸路徑和相位變化，造成多普勒頻移。

1.2.4 相位波動和頻譜擴展

相位隨時間的無序變化，造成短波相位波動和頻率波動。一般情況下，短波頻譜擴展在1 Hz左右，最大可達10 Hz。

短波通信應根據(jù)短波的基本特性，選擇通信效果最好、干擾最小的頻率點，亟需規(guī)避各種干擾引起的風險。

2 提升短波通信效能的關鍵技術

短波通信需要克服盲區(qū)及其基本特性的影響，還需要選擇通信效果最好、干擾最小的頻率來保證通信聯(lián)絡，亟需提升短波通信效能，提升短波通信效能的方法主要有3大類，分別是短波自動鏈路建立（Automic Link Establishment，ALE）技術、短波增大發(fā)射功率技術、短波認知無線電技術。

2.1 短波ALE技術

短波ALE技術是傳統(tǒng)提升短波通信效能的關鍵技術之一，通過對信號的選頻、評分、排序等變化來提高通信效能。經(jīng)過幾代人的發(fā)展，仍然對短波通信性能優(yōu)化發(fā)揮著重要作用。然而，目前的ALE技術仍然存在多臺站無法與相同頻段、相同區(qū)域相互協(xié)調(diào)的問題。當可用信道數(shù)較多而電臺數(shù)目較少時，多臺之間的頻率使用沖突和電臺相互干擾不顯著；當可用信道數(shù)較少而電臺數(shù)量較多時，多個臺站發(fā)起同時檢測和呼叫時，會發(fā)生頻率沖突，導致多個電臺無法建鏈的情況發(fā)生。因此，短波ALE技術在同一頻率上相互干擾的風險是不可避免的，也反映出短波頻譜利用率低的問題。

2.2 短波增大發(fā)射功率技術

為了提升短波通信效能，在復雜的電磁環(huán)境下，通常采用增大發(fā)射功率的方法。但是，增加發(fā)射功率會對其他電臺造成干擾，會使更多的站點及電臺難以通信，甚至無法通信，甚至會影響和干擾其他的通信設備。

2.3 短波認知無線電技術

認知無線電能夠?qū)崿F(xiàn)短波通信的感知、重塑和接入，實現(xiàn)短波頻譜的實時感知、頻率管理和信道選擇，實現(xiàn)快速鏈路建立和鏈路維護，與傳統(tǒng)的抗干擾手段相比，它能更好地適應復雜的電磁環(huán)境[2]。

認知無線電作為軟件無線電的延伸，對提升復雜電磁環(huán)境下的短波通信效能具有重要作用和意義[3]。其中，頻譜感知技術能夠快速、準確地檢驗目標頻段是否處于空閑狀態(tài)，從而確定是否可以利用該信道，為后期頻譜管理和頻譜共享做好對周圍電磁環(huán)境感知、分析的準備工作。

經(jīng)過對提升短波通信效能的關鍵技術的梳理，發(fā)現(xiàn)當前主流方法包括短波ALE技術、增加發(fā)射功率和認知無線電技術3種。其中前2種方法是傳統(tǒng)的短波通信技術，以選擇更好的頻率信道，來提高通信頻率的信噪比。最后一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對短波通信所使用的頻率進行感知和獲取，為當前短波通信轉(zhuǎn)型發(fā)展問題研究提供了新引擎，對解決復雜電磁環(huán)境下短波通信效能低下問題提供了新思路。因此，研究頻譜感知技術的短波通信中在運用是解決短波信號傳輸不穩(wěn)定、通信質(zhì)量不佳等問題的重要方向。

3 復雜電磁環(huán)境下頻譜感知技術的運用

頻譜感知技術的主要原理是依靠算法快速檢測各個頻率點的干擾，感知該段頻段內(nèi)的短波信號是否被利用，然后選擇相對適宜的頻點進行通信，是一種避免干擾較為可靠的方法。頻譜感知技術的運用在于“感知”，主要通過對收發(fā)過程中電臺信號進行數(shù)據(jù)采集、分析、處理，判斷信道中是否有其他電臺占用該頻段，圖2為短波頻譜感知系統(tǒng)原理示意圖。其中，較為常用的感知方法主要包括匹配濾波、能量檢測、循環(huán)特征檢測、波形感知，均適用于發(fā)射端感知。

圖2 短波頻譜感知系統(tǒng)原理示意

3.1 匹配濾波法

匹配濾波法對短波臺站的已知經(jīng)驗要求比較高，需提前存儲干擾信號相關的先驗知識，并且設置相對應的接收檢測端。匹配濾波器法利用干擾信號的調(diào)制方法、脈沖形狀、封裝格式等知識來獲知最佳的信號,根據(jù)不同的接收信號來設計不同的過濾器，實現(xiàn)匹配濾波檢測。

3.2 波形感知法

波形感知方法根據(jù)已知信息產(chǎn)生局部信號，一旦本地信號出現(xiàn)錯誤會導致波形檢測的失誤，具有一定的局限性，較為依賴于已知信息。

3.3 能量檢測法

能量檢測法是通過數(shù)據(jù)采集時功率大小來對短波信號進行感知，較為簡單實用，具有普遍性，能夠適用于復雜的電磁環(huán)境，無需提前知道先驗知識，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的快速感知。缺點是對硬件設施要求較高。

3.4 循環(huán)譜特征檢測

循環(huán)譜特征檢測方法利用循環(huán)平穩(wěn)特性感知復雜的電磁環(huán)境下的短波信號。具體實現(xiàn)如下：建鏈之后，利用循環(huán)特征檢測持續(xù)對通信鏈路進行檢測，一旦檢測到出現(xiàn)干擾信號，就利用可重構性，在不中斷通信的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)射機的工作參數(shù)，從而避免干擾因素對通信的影響。

4 復雜電磁環(huán)境下頻譜感知技術的適用性分析

在實際應用中，短波終端設備復雜度高、干擾因素較多、工作方式繁雜，這種情況下就需要對復雜電磁環(huán)境下頻譜感知技術進行適用性分析。

4.1 適用特點分析

在復雜的短波電磁環(huán)境中，干擾信號的模式復雜多樣，難以提前知悉干擾信號的參數(shù)，而設計一個包含所有干擾信號的接收模塊的復雜性太高，依賴于先驗知識的匹配濾波法和波形感知法難以普遍適用，不需要依賴干擾信號先驗信息的能量檢測和循環(huán)譜特征檢測，具有良好的通用性，可應用于任何頻段的感知。

4.2 傳輸信號分析

一個短波電臺規(guī)定占用3.7 kHz帶寬，因此可以采用3 kHz基本短波頻寬信號進行感知。具體感知過程為：將短波干擾信號調(diào)制之后進行發(fā)射，通過接收端感知到經(jīng)過電離層反射傳送來的信號，對其分析和特征提取，選取相對適宜的頻段通過管理模塊對信道進行劃分，同時衡量信道的通信效果，以此來檢測空閑通信信道，動態(tài)調(diào)整接入策略，最終完成短波通信的主動選頻。

4.3 綜合對比分析

循環(huán)特征檢測法具有噪聲影響小、信噪比低的特點，在復雜環(huán)境下仍能夠感知到信號的存在、分辨信號的特性，充分利用循環(huán)特征檢測可分辨信號的優(yōu)點，克服耗時長的缺點。這種方法能夠在未知狀態(tài)下解決衰落和能量檢測在復雜環(huán)境下檢測效能低的問題，感知能力較好，缺點是需要大量數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)準確感知，計算量也比較大。

綜合考慮，能量檢測法可應用于短波信號感知。與能量檢測相比，循環(huán)特性檢測需要采樣較大的數(shù)據(jù)量，復雜度較高，綜合對比分析結果見表1。循環(huán)特性檢測不需要干擾信號的先驗知識，能在一定程度上解決衰落或低信噪比環(huán)境下能量檢測的問題，有效分辨出噪聲信號與干擾信號，從而提高短波通信效能。

表1 綜合對比分析

5 復雜電磁環(huán)境下頻譜感知研究展望

5.1 目前研究中存在的矛盾與不足

短波通信中干擾信號復雜多樣，抗干擾方式無法滿足對抗所有的干擾的需要，不同類別的干擾方式也在不斷發(fā)展，雖然有擴展頻譜技術和非擴頻類技術的發(fā)展，但是仍無法全面克服干擾因素。目前傳統(tǒng)的能量檢測法在短波信號檢測中性能較差，利用空間分集技術對傳統(tǒng)能量檢測進行改進，空間分集增益可有效地對抗短波信道的快衰落，改善傳統(tǒng)能量檢測的性能，縮短感知時間。然而，空間分集增加設備成本高，對天線長度以及相互之間的距離有較高要求，算法的復雜度也進一步增大。

5.2 未來發(fā)展方向

動態(tài)頻譜抗干擾是提高信道頻譜利用率，增強抗干擾性能的重要手段，是未來發(fā)展的重要方向[4]?；谌斯ぶ悄艿念l譜管控也是電磁頻譜領域的重要研究方向，對解決具有挑戰(zhàn)性的基礎理論問題和關鍵技術難題有幫助[5]。認知電子戰(zhàn)具備較強的電磁環(huán)境感知能力、自主學習推理能力、自適應干擾決策能力和干擾效能在線評估能力，在未來戰(zhàn)爭或?qū)l(fā)揮更大作用。