（通信与信息系统专业论文）“短波自适应选频”的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 现代短波通信系统应该具有依靠不断自动改变工作频率，适应信道不同条件 变化的自适应能力，这种自适应能力可以实时估计信道传播条件，获得可用频率、 信道干扰等参数，并且从中获取最佳通信频率。 通过对短波信道实际采集数据的统计分析，验证了干扰信道条件下频率分布 具有“多孔性”和各频点干扰电平具有“瞬时”稳定性，提出基于干扰电平最小 的短波自适应实时选频算法。该算法根据信道的干扰情况自动调节选频门限，能 够更精确地反映短波信道干扰情况的实时特性，选频精确度更高，具有抗“突发 性”干扰能力。最后通过实验仿真证明此选频算法是正确的、可行的。 这种简单有效的实时信道估计方法和自适应选频算法，适合在短波通信系统 中使用自动快速匹配信道，通过这种短波自适应实时选频技术进行频率“瞬间” 预报和选择要比建立在统计学基础上的长期预测或短期预测要精确的多，由于通 信频点的选择和使用都具有随机性，通信时具有更强的抗干扰能力。 关键字：实时选频短波信道 自适应选频算法空闲信道选择( f c s ) 抗干扰通信 西北工业大学硕士学位论文 abs tr a c t a b s t r a c t t h ea d a p t i v eh fs y s t e m ss h o u l dh a v et h ec a p a b i l i t yo fa d a p t i n gt ot i m ev a r y i n g c h a n n e lc o n d i t i o n sb yc h a n g i n gt h eo p e r a t i n gf r e q u e n c y t h ee f f i c i e n to p e r a t i o no f s u c hs y s t e m sc o u l db er e a c h e db yp r o v i d i n gr e a l - t i m ee v a l u a t i o no fp r o p a g a t i o n c o n d i t i o n sa ta v a i l a b l ef r e q u e n c i e s ，c h a n n e lo c c u p a n c ym o n i t o r i n ga n da u t o m a t i c c h o i c eo f t b eb e s tf r e q u e n c y 。 t b e ”m u l t i g a p ”a n d t r a n s i e n t s t a b i l i t y ”f e a t u r eo fh fc h a n n e lh a db e e n v e r i f i e db ya n a l y z i n gd a t ac a p t u r e di nh fc h a n n e l t h e na na d a p t i v er e a l t i m e f r e q u e n c ys e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nm i n i m u mi n t e r f e r e n c ew a sp r e s e n t e d t h e a l g o r i t h mc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h et h r e s h o l do ft h ef r e q u e n c y - s e l e c t i o nd e p e n do n t h ec h a n n e li n t e r f e r e n c e , a n dc a nr e f l e c tt h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co f h fc h a n n e l s o t h ea l g o r i t h mh a sh i 【g h a c c u r a c y o ff r e q u e n c ys e l e c t i o na n ds t r o n g a b i l i t yo f a n t i - i n t e r f e r e n c e r e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o np r o v e dt h ea l g o r i t h mi s a c c u r a t ea n df c a s i b l e t h e t r a n s i e n t ”f r e q u e n c yp r e d i c t i o na n ds e l e c t i o nu s et h er e a l - t i m ef r e q u e n c y s e l e c t i o nt e c h n o l o g yi sm o r ea c c u r a t et h a nt h ef r e q u e n c yp r e d i c t i o no fs h o r t - t e r mo r l o n g - t e r mt h a tb a s i so fs t a t i s t i c s t h es e l e c t i o na n dr i s eo fw o r kf r e q u e n c yi sr a n d o m h a v es t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y k e yw o r d s r e a l - t i m ef r e q u e n c ys e l e c t i o n l - i fc h a n n e l a d a p t i v ef r e q u e n c ys e l e c t i o na l g o r i t h m f r e ec h a n n e ls e l e c t i o n ( f c s ) a n t i i n t e r f e r e n c ec o m m u n i c a t i o n 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 短波通信技术 第一章绪论 短波通信或高频( l f ) 通信是指在3 m - 3 0 m i - i z 频段( 波长1 0 0 0 m ) 范围 内，通过电离层反射来进行中、远距离通信或通过地波进行近距离传输的一种通 信手段。由于短波通信具有其他通信方式不可替代的独特优点，在卫星通信和移 动通信等先进通信方式出现之前，一直是近、中、远通信的主要手段之一，特别 是在军事通信中更为重要。 在现代的高科技战争中，传统的短波通信系统很难摆脱现代电子对抗技术的 威胁，因此在短波通信技术领域发展抗干扰、抗测向、抗窃听、抗截获等目标的 各种电子反对抗技术，显得尤为重要。计算机技术的发展使得短波信道的实时估 算和各种自适应技术得到了巨大的发展，使短波通信能够克服强干扰、衰落和多 径传播等信道的时变色散特性方面的困难，向数字化、低误码率、高速率和通信 自动化的方向发展成为可能。 随着短波自适应技术、扩频技术的发展，以及超大规模集成电路、微处理器 和数字信号处理等技术的发展，逐渐形成了具有高性能、高度自动化和自适应能 力的现代短波通信系统，推动了短波通信进入新阶段，使得短波通信进入了自动 化、智能化的自适应新时代。 1 1 。1 短波通信技术的潜力 自从无线电通信技术发明以来，短波通信一直是远距离无线电通信的主要手 段。虽然近年来随着各种短波电台的不断增加，使得3 3 0 m h z 的短波频段已经 非常拥挤，但只要使用合适的短波通信方式、合理的利用短波频带资源，短波通 信仍然有很大的潜力可挖【1 3 】。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 jl |vv f ，、 j1) j l l 醺桑 h 1 5 5 m j y 、 ， 、 9 5 m入 i 5 g江h 2 0 2 2 024 681 01 21 41 6 1 82 0 小时 m u f 实测值( a d - 2 8 8 1 0 2 ) 圈1 1 m u f 与时间的关系 图1 1 是典型的远距离2 4 小时电离层最高可用频率( m u f ) 的实测曲线， 由图中可知，下午的m u f 已达到3 0 3 8 m h z ，而m u f 最低时是在清晨也有7 m h z 左右，图中的直线为通信过程中实际选择的工作频率，即5 8 1 5 5 m h z ，一天内 转换四次( 通常只选日频、夜频) ，即使这样仍有大量的频率未能使用，尤其是 从1 1 点到1 9 点问在1 6 , 一3 8 m h z 频段内有许多的频率资源未能使用，造成了大量 短波频率资源的浪费。迄今为止短波通信仍然没有很好的利用靠近m u f 的较高 频段，而是拥挤在1 8 m i - - i z 以下的较低频段。究其原因【”i ，长期以来短波工作频 率的选择是靠预测的方法，首先要根据通信线路和预报计算出天2 4 小时的 m u f ，但m u f 的预报是按照月平均中值给出的，其通信失效概率为5 0 ，为使 通信的可靠性达到9 0 要将m u f 乘以0 8 5 定义为最佳工作频率( o w f ) ，而实 际应用中所使用的频率又远低于o w f ，这就成为短波通信的工作频率都拥挤在 较低的频段而造成较高频段资源没有得到充分利用的一个主要原因。另一方面， m 勰 劐 如 拍 勉 掩 h m 6 ： 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 短波通信的工作频率是收、发双方预先约定的，如果想保持通信双方总是工作在 靠近m u f 附近，收、发双方就要频繁的换频，造成无法正常通信的可能性就增 大，因此一般的电台为了尽量减少换频次数，选择的工作频率都偏低，这就进一 步造成短波信遒较高频段资源不能得到充分利用。 众所周知，高频信道十分拥挤，尤其在夜间，可利用的频带更窄，高频频段 除了民用广播长期占用某些频率外，其他商用、军用电台为了压制邻近电台干扰， 减少衰落影响，往往采用加大功率、强行占用的手段，把小电台赶走，加重了高 频拥挤程度。但是仔细分析高频信道的状况，除了上面所述高频频率资源没很好 利用外，即使在拥挤的低端( 般在2 0 m h z 以下) ，也还是有许多频率资源可以 利用。 图1 2 无噪声干扰信道随时间的变化 图1 2 是对1 0 0 个3 k h z 信道以每秒4 个频道的速率进行了7 天统计平均【h 1 ， 纵轴表示无噪声信道( 这里的无噪声信道指的是输入电平小于接收灵敏度1 y 的 信道) 小于1 a v 的频道数百分比，横轴表示一天中的各个时段，监测频段从 2 2 5 1 3 m h z ，问隔为1 0 0 k i - l z 。 西北t = 业大学硕士学位论文 第一章绪论 测量周期( 分钟) 图1 3 干扰电平扶l i 变为1 0p v 频道数与测量周期钓关系 图1 3 是变化小于2 0 d b 的频道数与测量周期的关系，测量时间为一天中的 最坏时间o 石点，横轴表示测量时间，纵轴为干扰电平从1 l a v 变为1 0t a v ( 2 0 d b ) 频道数。 从图i 2 中可以看出，在最拥挤的1 3 m h z 以下仍有3 8 5 极夜间) 至2 8 州白 天) 的信道干扰电平小于l l a v ；而从图1 3 中的干扰电平从l p v 变为1 0 “v 频道 数的时间分布看，有9 0 的信道超过2 分钟，8 0 的信道超过5 分钟。这说明即 使在最拥挤的频率低端还是“有隙可乘”的，不但频率上有缝隙，而且时问上也有 缝隙( 以分钟为单位) ，这就是高频信道频率和时间的“多孔性”。这就说明在高频 信道上想找一个2 4 小时空闲的安静信道是很困难的，但要找一个较短时阉( 数分 钟) 的空闲频率还是可能的，第一个条件就是要选频，第二是频率的即选即用， 整个通信过程在短时间内完成，如瞬间通信脚( b u r s tc o m m u n i c a t i o n ) ，瞬间通信 也称猝发通信或快速通信。通常指在零点几秒的时间内发送一份电文或数据的通 信方式。由于瞬间通信极少先验概率，电波在空中瞬间即逝，是利用高频“多孔 性”的有力工具，它不容易被干扰。瞬间通信在发射较长报文时可利用分组技术， 并采用跳频方式，这将给侦察和干扰带来很大的难度。 1 1 2 现代短波通信系统的关键技术 现代短波通信技术主要是围绕着短波通信的自适应和自动化展丌的。所谓自 - 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 适应，就是实时或频繁地利用各种探测技术，自动地根据探测结果来调整设备软、 硬件参量，以适应时变的传输媒介传播特性参量的变化，从而达最佳的通信效果； 所谓自动化，就是根据自适应技术，自动地调整设备软硬、件参量，使得高质量 的通信过程能够自动而适时地进行【3 j 。 计算机技术和数字信号处理的发展，使许多新技术应用到现代短波通信中， 如实时信道估值( r t c e ) 技术、自适应技术、分集接收技术、差错控制技术以及 扩频技术等，尤其是自适应技术的应用使高质量的短波通信能够得以实现。 现代短波通信系统中的关键技术主要包括自适应技术、窄带高性能调制解 调、宽带抗干扰调制解调、差错控制技术、通信设备数字化、瞬间通信技术、组 建短波通信网络等1 6 1 。 波通信系统中的自适应技术主要包括频率自适应、功率自适应、速率自适应、 分集自适应、自适应均衡和自适应调零天线等。其中频率自适应主要是完成实时 选频和换频，这是改善通信质量和提高可通率的关键【5 j 窄带调制解调技术中，采用格状编码调制( t c m ) 技术的并行或串行调制 解调器，在性能上明显优于纠错编码与调制各自独立的并行串行解调器，t c m 技术是一种不牺牲带宽有效性，而提高功率有效性，并与信道编码相结合的调制 技术。 宽带抗干扰调制解调技术主要包括扩频、跳频、以及多载波正交频分复用 ( o f d m ) 调制等 短波通信中常用的差错控制技术有自动请求重发( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 。 a r q 是接收端检错，通知发送端重发错误信息，对随机差错和突发差错都有良 好的效果，但频繁重发，信号时延会增大：f e c 是利用纠错码，接收端自动纠错， 需要大量冗余码。 通信设备数字化是基于软件无线电的设计思想，进行短波电台进行数字化、 软件化、模块化。尽可能在靠近天线对信号进行数字化，通过软件编程实现信息 处理，动态配置系统功能。以a d c d a c 、d s p 和c p u 为硬件基础，使用统一 的硬件平台，在短波电台的中频部分对信号数字化处理、用软件编程灵活地实现 宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上下变频、调制解调、差错编码、信 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 道均衡、信令控制、信源编码、加密解密等。 瞬间通信是将数据信息分组后在极短的时间内发出，每次发送信息时间短， 频率更换频繁，具有随机性和短暂性，因此基本没有先验概率，很难被跟踪、干 扰。 短波通信网实质上是一种无线分组交换网络，网络本身应该具有自动路由选 择与自动链路选择、自动信息交换与信息存储转发、接续跟踪、接续交换、间接 呼叫、路由查询和中继管理等功能，同时支持必要的相关网络协议。 自适应技术及其它各种新技术在高频通信上的应用大幅度地提高了通信的 可靠性，改善了通信质量。频率自适应技术，高速数字自适应调解技术、电子 反干扰反截获技术以及其它各种自适应技术等使得现代高频通信系统表现出良 好的性能和广阔的发展前景。 1 2 现代短波通信中的自适应技术 短波自适应通信是指短波通信系统具有自动适应通信条件变化的能力。通信 条件的变化包括传播条件、大气噪声、人为干扰以及被传输信息形式等的变化。 由此产生了各种自适应技术。包括频率自适应技术、自适应编码技术、自适应调 制解调技术、自适应归零天线技术、自适应均衡技术、自适应功率控制技术、数 据速率自适应技术以及自适应调频技术等。这些自适应技术的应用，使得短波通 信的质量得到明显的改善。 1 2 。1 短波自适应通信技术的发展 短波通信是依靠电离层反射来实现远距离通信的，由于电离层参数的不稳 定、信号传输中的衰落、多径传输引起的时间色散、多普勒效应引起的频率色教 以及其它噪声和人为干扰等各种因素的影响，严重影响了短波通信质量。改善信 道条件、提高通信质量和速率、降低误码率，一直是短波数字通信所要解决的主 要问题和难题。 以往短波通信工作频率的选择，主要依据各级通信管理部门凭经验，或根据 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 短波频率中、长期预报软件，制定各短波通信网络工作频率。这种方法很繁琐， 而且带有很大的盲目性和局限性，影响了通信的质量，甚至会导致通信中断。 现代短波通信中的短波自适应技术就是为解决上述短波通信中的问题而发 展起来的，短波自适应通信是指短波通信系统具有自动适应通信条件变化的能 力，能够实时自动调节各种系统参数，以实现最佳通信。 1 , 2 2 短波自适应通信技术的作用 白适应技术是现代短波通信技术中的关键技术，短波自适应技术实现的基本 方法是利用r t c e 技术测量和分析各种环境参数，利用综合分析和测量的结果， 建立一条能够工作在最佳频率上的通信线路。 短波自适应通信技术有效地改善了短波通信中的衰落现象、解决了“静区” 问题、提高了短波通信的抗干扰、抗测向及抗跟踪的能力、缩小了接收信号质量 因时间不同( 如白天和夜间) 而导致的差别、拓展了短波通信的功能。实践证明， 采用各种自适应技术的短波通信系统，可以为用户提供高质量、高可通率和价格 低廉的通信线路，使短波通信具有自动化，智能化。 短波自适应技术的发展虽取得了巨大的进步，但对各种自适应技术的研究和 探索仍有着广泛的发展空间。比如进一步提高自适应均衡技术、新的调制解调技 术的应用、完善自适应算法以适应信道的快速变化等，一旦这些关键技术有了新 的突破必将很快应用到短波通信设备中，同时也会出现自适应能力更强的短波抗 干扰通信系统，未来的短波通信仍会是远程通信中的重要手段。 1 3 论文研究内容 自适应通信技术是当代通信领域的新技术之一，它在时变信道上有特别重要 的应用。各种形式的自适应技术与通信融为一体，使短波通信技术发生了重大的 变革，其中自适应实时选频和实时信道估计( r t c e ) 技术是短波自适应通信技 术的核心。 本论文主要是针对实时选频和实时信道估计的相关问题丽进行的，围绕为什 么选频、是否有可用频率可选、如何选频( 即选频算法) 以及选频效果等问题进 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 行了研究，并完成了预期的目的。 1 3 1 课暖研究背景 短波频段通信的可靠性主要取决于两方面的因素，一是通信工作频率的选 择，另一个是通信信道的干扰。这两个问题最终又可以归结为一个问题，就是如 何在短波信道内选取干扰最小的可用频点。避免干扰的最可靠方法是在进行通信 之前通过某种方式快速估算各频点的干扰电平，然后从中选取干扰电平较小的频 点进行通信，这就是短波自适应选频的目的。 短波频率自适应通信技术是现代短波通信的基础，许多短波通信新技术都与 频率自适应有关，随着短波通信的不断发展，短波自适应通信技术将会出现更大 的飞跃。 1 3 2 课题研究内容 短波实时选频是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术。在通信 过程中，实时选频系统不断根据短波信道的传输质量实时选择最佳工作频率，使短 波通信链路始终相对工作在最佳状态，本文首先是通过实验的手段在一段时间内 实时监测并记录短波信道内各个频点( 1 k h z 为一个频点) 在各个时刻的干扰情 况，然后对实验数据结果进行相关数据的统计分析，根据选频方案确定自适应选 频算法( 即将f c s f r e ec h a n n e ls e l e c t i o n 技术用于短波通信的具体技术措 施) ，最后应用自适应选频算法从短波各个频段的自动选取出若干个“安静信箱” 进行分析以确定算法的合理性、可行性。这里的安静信箱是指无干扰或者干扰较 小的5 k h z ( 或3 k h z ) 窄带数传信道。 自适应实时选频的基本思想是利用干扰信道条件下频率时间的“多孔性” 分布特征，实时寻找未受干扰或干扰较小的“安静信箱”，然后使用这些被选出 的安静信箱作为下一时刻的通信频率，实验中是以1 2 秒为一个时间单位，前1 2 秒内完成选频、后12 秒使用前1 2 秒选出的安静信箱作为通信中的可用频率。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 课题研究目的及意义 对于短波通信，通信信道比较复杂，选取合适的通信频率至关重要。改善短 波通信质量、提高可通率的最有效的途径是实时地选频和换频，使通信线路始终 工作在传播条件良好的信道上。因此，频率自适应技术，也称为实时选频技术是 最为有效和最重要的短波自适应技术之一。课题研究的目的就是在不考虑电离层 的结构和具体变化的情况下实时监测指定频段各个频点的干扰情况、通过合适的 算法在短时间内选出若干个干扰较小的频点作为通信频率，即选即用，同时保证 选择的通信频率位置具有随机性。通过这种短波自适应实时选频技术进行频率 “瞬间”预报和选择要此建立在统计学基础上的长期预测或短期预测要精确的 多，由于通信频点的选择和使用都具有随机性，通信时具有更强的抗干扰能力。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 第二章电离层和短波信道特性 2 1 电离层传播预测 所谓的电离层传播预测，指的是根据电离层特性参量的时空变化规律和通信 质量与电离层信道参数的关系，在电离层探测历史资料或实测资料的基础上，对 短波通信电路的未来最佳工作条件和工作质量所作出的一种预先推断。它是电离 层电波传播理论、最佳信道匹配理论和计算机数据处理三者相结合的一种实用技 术。一般可分为四种类型：常务预测，长期预测，短期预测和实时预测。其中常 务预测对长期频率划分十分有用，它预测出参数在一个太阳黑子周期中的平均情 况，并且需要有提前一个太阳活动周期的基本数据最为预测的基础。 长期预测是依据电离层特性参数的时空变化规律和太阳活动性指数的预报 值，即依据臼地关系和以往的观察资料，对正常状态电离层的传播参数月中值所 做出的一种预先推断。它可以提前一个月、三个月或更长时间预报出短波的传播 模式、接收点信号场强和短波通信电路最高可用频率等参数的月中值。运用这些 参数和噪声预报数据，根据电路的通信质量要求，可以对包括所需的发射功率、 天线增益等参数在内的电路的系统能力进行估算。当系统能力确定时，可以算出 电路的最低可用频率，并结合电路的最高可用频率来确定电路的可用频率，按照 前面的定义，如果将最高可用频率的o 8 5 倍称作最佳可用频率，那么，对特定 的电路来说，具有最佳工作频率的电波一般均能够保证在指定月份的9 0 天数内 不会穿过电离层。于是用长期预测法算出的最佳工作频率就常常当作特定电路能 成功通信的选频上限。 2 1 1 最大可用频率、最低可用频率和和最佳工作频率 当收、发问的距离一定时，能够使接收点落入跳距以外的可用频率的上限称 为收、发信机之间路径上的最高可用频率( m u f ) 。由于电离层对电磁波的吸收 与频率的平方成反比，当信号电平降低到刚能满足最低接收信噪比的要求时所使 用的频率称为电路的最低可用频率( l u f ) 。最佳工作频率( o w f ) 一般选择在 最大可用频率的8 5 ( 0 8 5 m u f ) 左右，当采用最佳工作时，一方面电磁波不会 - 1 0 两北工业大学硕士学位论文第二章电离层和短波信道特性 因为电离层的微小变化而穿透电离层，另一方面可使电离层的吸收降低到较小的 程度。 确定最大可用频率的另一种理论方法是借助于光学中的折射定律( 斯涅尔定 律) 。 。龟射线 电离层 哆 人射线0 器 大气层 ，、 黼线y | 6 l 图2 1 电磁波从大气层入射到电离层后的传播路径 图2 1 是电磁波从大气层入射到电离层后的传播路径的一种简化表示法，它 说明一个高频信号以入射角岛射向电离层时，此入射信号将被分成两个部分，一 部分是以反射角醵反射回地面，另部分是以折射角岛穿过电离层而无法返回 地面。根据斯涅尔定律： 啊s i n 只= 疗ls i n 靠= 以2s i n 岛，( 2 1 ) 式中啊，行：分别为大气层和电离层的折射指数，研，以，岛分别为入射角、 反射角和折射角。在实际应用中大气折射指数啊等于l ，因为在光学上电离层是 稀薄的介质，故拧： 研，b = 锦。 对于入射线和折射线，其角度和折射指数的关系如下： 西北工业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 s i l l 岛：n _ l s i n b ：上幽岛( 2 2 ) 拧，拧 当s i n 岛= l s i n o ，的数值大于1 时发生全反射，此时的透射线完全消失，发生 n 全反射的极限条件就是s i n 品= 1 。 若把电离层看作一个均匀等离子体，则电离层折射指数 疗；。1 一妥( 2 3 ) 式中的，是工作频率，工是等离子体频率，正的近似值为撕面丽a 9 4 - ；， 为电离层中的电子密度。在极限条件下，入射线被全部反射的入射频率就变 成了最大可用频率矗一，因此有：s i n 2b = l 一号卜2 ，可得： ， j f k = 1 - s l i n 2 0 1 - = 鲁z 舞= 眦岛厕 4 ， 窑 1 囊 嚣 搔 x1 0 7 j | _ l 7 7 0 _ _ i 入射角e = ( r a c l ) 图2 2 最大可用频率与入射角之间的关系( n ：1 0 n 个m ，) - 1 2 西北1 ：业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 从图2 2 可知，当电离层的电子密度不变的情况下，最高可用频率丘，随着 入射角0 1 的增大两增大。其实电离层的电子密度是不均匀的，每一层中电子密 度都是随高度变化的。可把它看成由许多具有不同电子密度的薄层组成，每一 薄层中电子密度可认为是均匀的，如下图所示： 玎o = 1 图2 3 电磁波在电离层中的折射过程 设由下而上依次为n i ，n 2 ，n m ，如图所示，r 0 n i n 2 n m 。 可得，第i 层对频率为，的电磁波的折射率为： = 1 腰- f 2 = 孵( 2 s ) 因此m 珂2 一。，根据折射定律有 弗os i n o o = 拧l s i n e , = 玎2s i n 0 2 = - = 以。s i n 以- - ( 2 6 ) ( 大气中n o = 1 ) ，从而有b 岛 厶且到了j _ = f u ，即传输几率只有1 0 时的频率叫做最高可能频率 j ( h p f ) 。 当厂 厶时： q = i 玉砸8 0 3 。或q = 。，二者取较大的( 2 - l 。) 1 0 0 7 0 兰5 0 a 4 0 3 0 2 0 1 0 o 、 j ? j 一。一。一h i 霉i i j ；i 三 一_ ： ：_ j 卜； d1 52 l = u 图2 4 工作频率( ，厶) 与传输几率( q ) 的关系曲线 2 5 ( 伽) 由上图可以看出：随着工作频率的升高，传输几率将减小，因此从传输几 率方面考虑，工作频率不宣太高。 ( 3 ) 衰落： 由于衰落，可使信号的电平变化达到几十倍甚至几百倍，对通信的可靠性造 成了严重的影响。衰落通常分为两大类：慢衰落和快衰落。 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 快衰落主要是由于多径传输的各信号分量间的随机干扰所引起的，因此快衰 落也可以划入多径效应的范畴。 慢衰落主要随电离层对电波吸收的变化而变化，吸收的大小近似与工作频率 的平方成正比，因此，为减少电离层的吸收损耗，工作频率尽可能高一些。 ( 4 ) 多径效应 由多径传输的各信号分量闯的随机干扰所引起的快衰落，随着数据传输速度 的不同而有所不同。随着传输速率的提高，可能分别出现时间选择性衰落、平坦 衰落和频率选择性衰落以及由于时间扩展特性造成的波形展宽。在进行数传通信 尤其是中等速率以上的数传通信时，影响比较大的主要是频率选择性衰落和时间 扩展造成的波形展宽，导致了误码率增大、限制了数据的传输速率。 多经效应的危害程度通常是以“多径延时”来衡量。多径延时的大小不仅和 收发信机的大圆距离、通信时间有关，而且还和所使用的工作频率有关。这是因 为多径延时与电波的传播模式有关，而传播模式又取决于工作频率( w f ) 与通 信电路的最高可用频率( m u f ) 之间的关系。当工作频率( w f ) 等于或接近于 m u f 时，由于收到的是单一模式，而且还有一部分电波穿透电离层而不返回地 面，故不存在多径延时。当工作频率低于m u f 时，则可能出现多种传播模式， 此时的多径延时比较严重。 为了说明多径延时与工作频率的关系，定义了“多径衰减因子( m r f ) ”，它 的意义是，在特定电路、给定时间内具有所需要多径保护等级的最低频率值和最 高可用频率之比，b p m r f = m l u f ，表示工作频率，m r f 是衡量数传通信电 路受多径延时影响程度的量。m r f 越小，表示工作频率偏离m u f 越大。 下图是根据不同地理范围的许多电路试验数据统计出的m r f 曲线， 西北工业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 l 怠： 滩 、世m s 一一_ _ _ l 苌专 i m s， 一：i乡 r l 和j 一，一 最t 值 ，一 一一一 圈2 5 多经衰减因子与通信距离的关系 以一条长度2 5 0 0 公里的电路为例，从上国中可以看出，当工作频率是m u f 的o 8 5 1 0 倍时，多径延时小于0 5 毫秒；当工作频率等于o 6 5 , - 0 8 5 m u f 时， 多径延时小于1 毫秒；当工作频率为0 4 3 - - 0 6 5 倍m u f 时，多径延时约1 2 毫 秒，最大时为3 毫秒，因此，为了消除多径效应的危害，希望尽量选用比较高的 频率。 ( 4 ) 信道干扰 由于干扰的影响，传输信道不但使信号波形产生畸变，而且还直接影响到保 障正常接收所需的信噪比。这样的结果使得接收点所需的最小信号电平，主要决 定于各种自然的或人为的干扰噪声电平。这些干扰中大部分是人为干扰，大多数 人为干扰又是由邻台干扰所引起的，因此邻台干扰对通信可靠性的影响最大。 由于各种干扰的存在，使得我们所需要的有用信号极易处于较强的干扰之 中，对通信的可靠性产生严重影响。然而，在短波频道中并不是任何时间、任何 信道都存在很强的干扰噪声。在全天2 4 小时内，在某些时间( 频道) 内的干扰 较大，也有某些时间( 频道) 干扰较小。我们把接收点的干扰噪声电平低于允许 值的频道称为无噪声信道。 图1 1 是把不同日期所探测到的无噪声频道进行平均，得到一天2 4 小时内 1 9 咐 瞄 ” 吣 眦 叭 。 皇 西北工业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 的不同时刻所具有的无噪声频道曲线。其结论是：在中午平均有2 7 2 8 的频道 ( 干扰很小或不存在干扰) 属于无噪声频道。即使在情况最坏的夜间，也有 3 9 5 3 的频道属于无噪声信道。这就为我们指出了一条在较强干扰情况下如何 进行正常通信、保障通信可靠性的重要途径：避开干扰，找出符合要求的无噪声 信道。为了达到这个目的，就必须对干扰电平进行实时探测，找出无噪声频道后 及时地选用或更改工作频率，以便建立或保持可靠通信。 2 , 2 2 实时选频技术一短波频率自适应 2 2 3 自适应实时选频 实时信道估计是相对于长期预测和短期预测两言的，它的特点是不用考虑电 离层的结构和具体变化，从特定的通信模型出发，实时处理到达接收端的不同频 率的特定信号，并根据接收到的信号的能量、信噪比、多径展宽、多普勒展宽等 信道参量的情况来选择可用于正常通信的频段和频率。这种在短波通信电路上进 行的频率实时预报和选择，要比建立在统计学基础上的长期预测或短期预测要精 确的多，通过r t c e 技术实时得到最佳通信频率来进行通信，这就是频率自适应 的概念。它的突出优点是，可以提供高质量的通信线路，提高传输信息的准确度； 采用实时频率分配和调用，可以扩大用户数量，可以使高质量的通信干线的利用 率得到提高；在有干扰的情况下，仍可以为用户提供可利用的频率资源。 短波选频的目的是为了在当前十分拥挤的短波干扰信道中寻找出能可靠通 信的频率，即“安静信箱”，这就用到了实时信道监测与分析技术。 实时信道监测与分析主要解决的问题是利用干扰信道条件下频率和时间的 “多孔性”分布特征，实时寻找未受干扰的“安静信箱”。然后使用这些被选出 的安静信箱进行数据通信。 频率自适应根据功能的不同可以分为两类：通信与探测分离的独立系统和探 测与通信为一体的频率自适应系统。融探测与通信为一体的短波自适应通信系统 是近年来微处理器技术和数字信号处理技术不断发展的产物。该系统对短波信道 的探测、评估和通信一起完成，能实时选择出最佳的短波通信信道，减少短波信 2 0 西j l ：e 业大学硕士学位论文 第二章电离层和短波信道特性 道的时变性、多径性和噪声干扰对通信的影响，使短波通信的频率随信道变化自 适应地变化，确保通信始终在质量最佳的信道上进行。 频率自适应系统根据是否发射探测信号可分为主动选频系统和被动选频系 统，主动选频系统需要发射探测信号来完成自适应选频；被动选频系统不需要发 射探测信号而是通过某种方法计算出信道中的可用频段，进而在该可用频段内再 通过某种算法测量出若干个安静频率作为通信频率。由于被动选频不需要发射装 置，接收简单、成本低。 通过自适应实时选频能够在短波信道中实时地寻找出真正的最佳工作频率， 真正的最佳工作频率应该是既能够保证所要求的传输几率，又能使衰落、多径的 影响小、处于无噪声频道的频率：实时选频能够提高短波通信的可靠性，可以对 频率资源进行动态分配；短波频率不固定使用，而是进行动态分配，可以使同一 频段能容纳更多的用户，而且各个用户都能根据地理位置、通信时间的不同而得 到质量较好的频率来进行通信，在满足相同误码率要求的条件下，可以提高数据 的传输速率。 2 2 4 高频自适应摭干扰通信 通常在选择出可用频率( 安静信箱) 后所采用的通信方式是一种瞬间通信方 式【i j ，这种通信方式是把自适应选频技术、高速调制解调技术和分组报文及分组 跳频技术相结合的一种高频自适应抗干扰通信系统。当发送信息时，将数据信息 分组后在瞬间突然发出，每次发送的信息时间短，频率更换频繁，而且每个频率 点在短时间内不会重复使用，又因为可用频率( 安静信箱) 的选择具有随机性， 因而通信过程具有随机性和短暂性，不容易被干扰、跟踪，从而达到抗干扰的目 的。 各种自适应技术结合瞬间通信及分组技术和数字信号处理技术就可以组成 抗干扰能力很强的短波自适应抗干扰通信系统，自适应抗干扰通信克服了以往依 靠频率预测的方法而造成的频率资源浪费，由于短波自适应抗干扰通信的工作频 率是实时选取得，通信时间又极短，适合在各种变参信道中进行通信。 西北工业大学硕士学位论文第三章短波信道数据采集和处理 第三章短波信道数据采集和处理 3 1 数据采集 在确定短波自适应实时选频算法之前，首先要对短波信道的干扰的情况进行 实时监测、分析、评估，在这里我们采用的是使用短波接收机实时监测短波的干 扰信道，并实时采集监测的数据进行存储，劳根据接收到的数据对信道干扰情况 进行分析、评估，以确定实时选频方法的可行性。 在进行实时信道估算之前。首先对一天中每个小时时段内的信道干扰情况进 行了分析，从中估测是否存在满足一定要求的“安静信箱”。根据分析结果在能 够证实在每个时间段内确实存在干扰较小的频点后，再对信道迸行实时估算，分 析可否实时选出可用的“安静信箱”以及判断可用“安静信箱”的质量( 干扰情 况) ，并根据具体的选频和通信要求找出合适的选频算法。 3 1 1 实验设备装置及短波接收机： a 使用6 米长的鞭天线，经过同轴电缆连接到计算机上的短波接收机，通过计 算机控到短波接枫以一定的工作方式进行短波信道的数据采集。采集后的数据以 文件的形式存储到计算机以备后续处理，数据采集接收装置如图3 1 所示。 圈3 1 短波选频试验接牧装置 短波接收机可以内置到计算机内，p c i 插槽，通过计算机进行控制完成数据 采集任务，接收机及具有a m 、u s b 、l s b 、i s b u 、 s b l 、f m 、f m n 等工作 模式，显示和操作界面如图3 2 所示。 - 2 2 燃 缝一 黼e 两一丫撵 西北工业大学硕士学位论文 第三章短波信道数据采集和处理 圈3 2 接收机操作及显示界面； 接收机采用了自动增益控制( a g c ：0 f s l o w m e d ，f a s t ) ，短波接收机 中输入信号的动态范围很大，一般为1 2 0 d b 左右，这就要求接收机的增益也能 动态的随之变化，因此采用了数字a g c 控制方案如果检测的信号能量低于额 定值，则将增益电压加大；高于额定值时，贝l j 将增益电压减小。 接收机可以设置a t t e n u a t i o n m o d e ( 衰减2 0 d b ) ，r f g a i n ( 射频增益) ，s q u e l c h ( 噪声门限) ，i f b w ( 中频带宽) ，b f o ( 拍频) ，n o t c h ( 陷波) 等参数。 接收机还可以设置自动扫描功能( s c a n n i n g ) ，扫描过程中可以设置( s e t u p ) 扫描时间、起始时间、起始信道、终止信道以及扫描步长等参数。 3 1 2 接收机工作原理 丫岖耐 白酒趣_ 严癣枉 自堪匝一鄙 图3 4 短波接收机原理框图 西北工业大学硕士学位论文 第三章短波信道数据采集和处理 高频信号经接收机混频后变为中频信号，中心频率为6 3 0 7 8 m h z ，中频带宽 为6 k h z ，经过1 6 3 8 4 m h z 的中频带通采样。再经过降速，变为速率为3 2 k h z 的 数字信号，分为同相i 和正交q 两路，最后通过复数域数字变频信号变至零频。 由于中频采样后的信号速率将为3 2 k h z ，相当于最终的中频采样速率为 3 2 k h z ，中频信号处理过程中的原理和频谱变化如图3 5 和3 6 所示。 图3 5 信号处理简化原理图 o 6 3 0 7 8 ( k h z ) 采样前频谱，中频带宽i f b = 1 2 k h z 6 3 0 7 8 + 6 - 6 4 - 3 203 26 46 3 0 7 8 6 ( k n z ) 采样后频谱，采样频率f s = 3 2 k h z n 经过复数域的移频、滤波后频谱 图3 6 短波信号频谱在中频带通采样过程中的频谱变化 - 2 4 西北工业大学硕士学位论文第三章短波信道数据采集和处理 整个信号韵处理过程就是把高额信号经过变频、滤波后搬移到基频以备后续 处理。 当短波接收机开启以后接收机就会自动向计算机的缓存中写入数据，有音频 数据和中频两种数据，每种数据分i ( 同相) 、q 正交) 两路，i 、o 数据交替存 入缓存区中，缓冲区的数据存储格式如表( 3 1 ) 所示 表( 3 1 ) 短波接收机向计算机发送的i ，q 两路音频冲频的数据格式 d l = 1 1 + i q id z = 1 2 + i q 2d 2 5 6 = h s e + i q 确 i l q i 1 2q 21 2 5 6q ：5 6 1 6 b i t1 6 b i t1 6 b i t1 6 b i t1 6 b i t1 6 b i t 采样频率z = 3 2 k 比，采样周期z = z 1 = 瓦1 ( m s ) ，频率分辨率： ，= = 嘉= 案例， tw n 、。 t 为采样时间，n 为采样点数，t s 为采样周期，扫描频段范围： 厶一五s 2 5 6 k h z ，厶、五分别为所要采集频率段上、下限。 由于短波接收机的中频带宽只有6 k h z ，只能通过快速扫摇的方式完成对 2 5 6 k h z ( 1 m h z 内只选2 5 6 k h z 为代表进行采集) 带宽内信号的采样，设要完成 2 5 6 k h z 的采样所需要的采样次数为m ，又因为2 5 6 6 = 4 2 6 6 ，所以取m 为4 3 ， 所以扫描频率的真正范围为6 k h z x 4 3 = 2 5 8 k h z ，然后取其前2 5 6 k h z 作为有效 数据进行统计。 每个频段( 1 m h z ) 内的扫描方式如图3 7 ： 图3 7 接收机在每m h z 内的扫描方式示意图 西北工业大学硕士学位论文 第三章短波信道数据采集和处理 最大换频时间to = 3 m s ，接收机从当前6 k h z 转换到下个6 k h z 所用的最短 时间称为最大换频时间，是由接收机本身的处理速度所决定。在6 k h z 工作带宽 内，接收机的采样时间t = n t s ，完成一次2 5 6 k h z 的采样所需的时间 = ( t - i - t o ) m ，1 2 s 内完成对2 5 6 k h z 带宽的扫描次数k ( m s ) ： 肚萤卜 ( n 3 2 “+ 3 ) m - ( 3 2 ) 表( 3 2 ) 为采样点数( n ) 与1 2 s 内完成对2 5 6 k h z 扫描次数( k ) 的关系 对照表( 理论值) 表( 3 2 ) 采样点数频率分辨f采样时间tt m 1 2 s * 1 0 3 t 扫描次数 n ( 个)0 f f i z )( m