分集處理的甚低頻通信抗干擾能力分析*

嚴(yán)　爍　任席闖

(1.91960部隊(duì)　汕頭　515000)(2.91469部隊(duì)　北京　100841)

?

分集處理的甚低頻通信抗干擾能力分析*

嚴(yán)爍1任席闖2

(1.91960部隊(duì)汕頭515000)(2.91469部隊(duì)北京100841)

摘要論文針對(duì)甚低頻通信抗雷電干擾需求，研究了將16FSK方式運(yùn)用到甚低頻通信中的抗干擾性能，并對(duì)甚低頻波段使用16FSK方式的具體要求進(jìn)行了詳細(xì)分析，為甚低頻通信的調(diào)制方式的選型提供了詳細(xì)、可靠的數(shù)理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞甚低頻； 通信； 場(chǎng)強(qiáng)

Class NumberTN219

1引言

潛艇發(fā)揮作用的關(guān)鍵是保持高度的隱蔽性和對(duì)其實(shí)施有效的指揮控制，目前世界海軍對(duì)水下潛艇指揮與信息支撐的有效手段主要是超低頻和甚低頻通信。超低頻通信信息速率極低，只適合向潛艇發(fā)送指令代碼，對(duì)水下潛艇實(shí)施精確指揮仍需依靠信息速率相對(duì)較高的甚低頻通信來完成。基于此種原因甚低頻仍是各國(guó)海軍指揮潛艇的最主要的通信手段，其通信的可靠性和抗干擾能力對(duì)于對(duì)潛通信尤為重要。甚低頻大氣噪聲電平很高，在部分海域雷電活動(dòng)頻繁，通信保障困難。要改善多雷暴海域的甚低頻通信，需要想辦法減小,甚至消除雷電干擾引起的誤碼率。

2甚低頻通信干擾因素

2.1人為干擾

甚低頻通信受到的人為干擾程度主要取決于收信區(qū)域的干擾信號(hào)強(qiáng)度，一般說來干擾信號(hào)越強(qiáng)，受到的干擾程度越強(qiáng)。干擾信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于干擾功率的大小、干擾天線在被干擾接收機(jī)方向上的增益、信號(hào)沿傳播路徑的損耗等。

2.2自然干擾

在甚低頻頻段，主要的自然干擾源是雷電活動(dòng)。雷電干擾的頻度和電平隨季節(jié)和地區(qū)而變化。在雷電活動(dòng)頻繁的季節(jié)和地區(qū)，通信將受嚴(yán)重影響。雷電活動(dòng)是云層中積累的電荷間的放電或云層中積累的電荷對(duì)地的放電。較為頻繁發(fā)生的是云中電荷間的放電，但其強(qiáng)度較弱，平均約為云對(duì)地放電強(qiáng)度的十分之一。整個(gè)雷電過程可以認(rèn)為由四個(gè)階段組成。第一階段是云層中電荷的分離過程，第二階段是預(yù)放電過程。隨著電荷的分離，帶電云的電位梯度不斷增大。當(dāng)電位梯度超過空氣擊穿電位時(shí)，空氣形成電離區(qū)，并向下延伸，直至延伸到地面。這一過程即為預(yù)放電過程，其持續(xù)時(shí)間大致在0.5ms～1ms左右[1～2]。第三階段是主擊穿。預(yù)放電過程延伸到地面后就產(chǎn)生主擊穿，此時(shí)負(fù)電荷向下運(yùn)動(dòng)，形成向上的電流，其值平均為20kA～30kA，產(chǎn)生很高的干擾電磁場(chǎng)。第四階段是多次擊穿。多數(shù)云對(duì)地放電包括若干次主擊穿(平均約3～4次)。每次擊穿持續(xù)時(shí)間約0.1ms，平均間隔時(shí)間約40ms。整個(gè)雷電過程的持續(xù)時(shí)間是:單次擊穿不超過100ms，多次擊穿平均約250ms。

3甚低頻通信抗干擾研究

從雷電活動(dòng)簡(jiǎn)單的描述知，一個(gè)雷電活動(dòng)大致持續(xù)時(shí)間幾百毫秒，很少超過1s的。利用雷電的這一特點(diǎn)，可以把信息隔一段時(shí)間(大致一個(gè)雷電活動(dòng)持續(xù)時(shí)間)重復(fù)發(fā)送一次，就可以降低信息被干擾的概率。例如可以把一個(gè)漢字作為重復(fù)發(fā)送的單元，連續(xù)重復(fù)發(fā)送三遍。上述內(nèi)容用下面的圖示更容易看清楚。設(shè)信息序列為A1A2A3A4A5 A6A7A8，則發(fā)送序列為A1A2A3A4A1A2A3A4A1A2A3A4A5A6A7A8A5A6A7A8A5A6A7A8。

一個(gè)漢字由4個(gè)16進(jìn)制字符組成，如果采用的字符持續(xù)時(shí)間像上面討論過的200ms～300ms，則一個(gè)漢字占用1s左右時(shí)間，三重發(fā)送中同一字符間的時(shí)間間隔等于一個(gè)漢字的占用時(shí)間，所以三重發(fā)送中一般只有一重發(fā)送中的1～2個(gè)字符被干擾。

根據(jù)雷電干擾是寬帶強(qiáng)信號(hào)、而有用信號(hào)是窄帶弱信號(hào)的特點(diǎn)[3～4]，可以選出未受干擾(或受干擾最小)的信號(hào)進(jìn)行判決。在三次發(fā)送中只要有一次未受雷擊，就可能做出正確判決。設(shè)一次發(fā)送遇到雷擊的概率為P，由于各次雷擊是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以三次發(fā)送都遭雷擊的概率為P3。如果P=0.1，則P3=0.001。已經(jīng)使用的低頻16FSK終端機(jī)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，其抗雷電脈沖干擾能力比人工報(bào)優(yōu)20dB。一次大雷雨中的實(shí)際通信試驗(yàn)，800組人工報(bào)錯(cuò)109組，1800組16FSK，僅錯(cuò)2組。可見三重時(shí)間分集對(duì)抗雷電干擾是很有效的。

3.1三重頻率分集抗人為的單頻干擾

三重頻率分集是在三重時(shí)間分集中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，其方法是在各重發(fā)送中同一個(gè)字符用不同頻率代替，如表1所示。

表1　各重頻率分集的頻率與字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系

按表1，得與上面時(shí)間分集信息發(fā)送相應(yīng)的頻率發(fā)送序列為:F1F0F10F7F6F5F15F12F11F10F4F1F14F3F5F4…。

單頻干擾是指持續(xù)一定時(shí)間的單一頻率干擾。此干擾若正好落在16FSK的某一頻點(diǎn)上，且幅度大于信號(hào)頻率的幅度或與信號(hào)頻率的幅度接近，則與此頻率相應(yīng)的相關(guān)器的輸出將以極大的概率大于其它各個(gè)相關(guān)器(無(wú)論有信號(hào)輸入或沒有信號(hào)輸入)的輸出，在無(wú)分集的情況下，將引起嚴(yán)重誤碼。

采用三重分集可以提高抗單頻干擾能力。在三重分集條件下，把一個(gè)字符的三重分集輸出相加，其碼元能量增加了2倍(是不分集的3倍)。如果干擾幅度是信號(hào)幅度的倍，則同樣會(huì)引起嚴(yán)重誤碼。這表明采用三重分集可以帶來4.77dB的好處。

可以采用如下辦法進(jìn)一步削弱單頻干擾的影響。把各個(gè)相關(guān)器的三重輸出相加。與干擾頻率相應(yīng)的相關(guān)器，三重均有輸出，相加后數(shù)值較大。其它相關(guān)器，只在某一重有信號(hào)，其它兩重只存在噪聲，三重輸出相加后數(shù)值較小。把各個(gè)相關(guān)器輸出按大小排序，并對(duì)最大值和次大值進(jìn)行比較，如最大值與次大值的比大于2，則認(rèn)為與此最大值相應(yīng)的頻率是單頻干擾，把它排除在判決之外。這樣可以進(jìn)一步降低單頻干擾引起的誤碼。

3.2三重分集的抗白噪聲性能

(1)

其它各個(gè)相關(guān)器輸入沒有信號(hào)，只有噪聲，它們的概率密度函數(shù)為

(2)

如果第一個(gè)相關(guān)器的輸出r1大于其它M-1個(gè)相關(guān)器的輸出n2,n3,…,nM，那么判決f1是正確的。這個(gè)正確判決概率可以表示為

(3)

此處P(n2

P(nm

(4)

各個(gè)相關(guān)器的正確判決概率是相等的，因此M-1個(gè)相關(guān)器判決都正確的概率是式(4)概率的M-1次方。這樣，碼元符號(hào)正確判決的概率[6～8]:

(5)

而碼元符號(hào)的錯(cuò)誤概率:

PM=1-Pc

(6)

(7)

碼元錯(cuò)誤概率可以表示為

(8)

當(dāng)另外M-1個(gè)符號(hào)中其它任意一個(gè)符號(hào)發(fā)送時(shí)，得到的誤碼率表達(dá)式是相同的[9]。因此式(8)是符號(hào)(碼元)的平均錯(cuò)誤率。這個(gè)誤碼率是誤數(shù)字率。

這兩個(gè)公式是沒有分集情況下的抗白噪聲性能。一個(gè)碼元在三次接收中都錯(cuò)誤的概率顯然是一次接收的誤碼率的三次方。這樣，16FSK三重分集相干檢測(cè)的誤碼率為

(9)

16FSK三重分集非相干檢測(cè)的誤碼率為

(10)

由此可見，三重分集可以大大提高通信可靠性，使白噪聲干擾的誤碼率大大降低。三重分集相當(dāng)于信號(hào)功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距離增加1000km～2000km。在甚低頻頻段，單頻干擾一般是敵方的人為干擾。用不同頻率重復(fù)發(fā)信，就是時(shí)間分集與頻率分集的結(jié)合，就能既有效地降低雷電干擾、又能對(duì)抗敵方的人為干擾。三重分集可以有效地抗雷電干擾和人為干擾，可提高接收靈敏度，降低誤碼率。

圖1　幾種解調(diào)方式誤碼率性能比較

4結(jié)語(yǔ)

論文分析了甚低頻通信的16FSK誤碼性能，計(jì)算了加三重時(shí)間分集條件下16FSK得誤碼率改進(jìn)情況，計(jì)算表明在三重分集相當(dāng)于信號(hào)功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距離增加1000km～2000km，使白噪聲干擾的誤碼率大大降低。時(shí)間分集與頻率分集相結(jié)合，可以降低誤碼率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 潘威炎.長(zhǎng)波超長(zhǎng)波極長(zhǎng)波傳播[M].北京:電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2] W. H. Tranter, K. S. Shanmugan, T. S. Rappaport,et al. Principle of Communication Systems Simulationwith Wireless Applications[M]. New York: PearsonEducation,2004.

[3] 施意，張爽，張昕等.大氣噪聲對(duì)甚低頻通信系統(tǒng)干擾仿真分析[J].通信技術(shù)，2013,46(9):32-34.

[4] 韓恩權(quán)，劉翠海，溫東等.VFL/LF 大氣噪聲模擬[J].情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2004，26(06):70-71.

[5] 李光明,宋裕農(nóng),蔡廣友,等.甚低頻通信信道建模與仿真[J].通信技術(shù),2010,43(6):41-46.

[6] 陸建勛.極低頻與超低頻無(wú)線電技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2013.

[7] 張文娟,王永斌.甚低頻/低頻通信中大氣噪聲仿真研究[J].2006,26(6):123-126.

[8] 付貞,溫東,姜波,等.甚低頻大氣噪聲中的MSK通信系統(tǒng)仿真[J].艦船電子工程,2010,30(1):98.

[9] 任席闖,左麗芬,李樹明等.基于GIS的超低頻通信服務(wù)區(qū)的預(yù)測(cè)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,30(1):98.

[10] Ranjan K. Mallkand. Anup K. Gogoi. An OptimumDetector for Coherent M-ary Signaling in the Presenceof Impulsive Noise[J].IEEE Trans.Commun,2000.

Prediction of SLF Communication Coverage Based on GIS

YAN Shuo1REN Xichuang2

(1. No. 91960 Troops of PLA, Shantou515000)(2. No. 91469 Troops of PLA, Beijing100841)

AbstractFirstly, aiming at VLF communications about lightning anti-interfere requirement, the idea about using the method of 16FSK on VLF communication to improve anti-interference capability in a creative way is put forward. And the specific requirement about VLF wave band using the method of 16FSK detailed is analyzed. The detailed and reliable mathematical basis on VLF communications selection of modulation mode are provided.

Key WordsSLF, communication, intensity

* 收稿日期：2015年11月9日,修回日期：2015年12月24日

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)爍，女，碩士，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。任席闖，男，博士，工程師，研究方向：無(wú)線通信系統(tǒng)。

中圖分類號(hào)TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.019