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成倍提高抗干擾的成本，更會降低其他的相關(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?？垢蓴_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間以及頻率轉(zhuǎn)換時間，為了保護(hù)電路及物理結(jié)構(gòu)，當(dāng)處于頻率轉(zhuǎn)換階段時電臺不會向外輻射能量或功率，而該時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)換時間就會增加，繼而駐留時間減少，也就是說可以用來傳輸信息的時間減少，直接大幅度降低了實際的工作效率。

（2）頻率污染。為了保護(hù)電路，跳頻電臺的發(fā)射機(jī)在發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換的極短時間內(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就會在臨近的頻率中產(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更上一層樓，相應(yīng)的，產(chǎn)生寄生信號的比例就會更大，頻率污染也會更多，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)行跳頻通信時發(fā)信端需要同時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要求發(fā)信段傳輸更多的時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隨之增強(qiáng)。如果超短波電臺可以在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，電臺的抗干擾增益就可以達(dá)到34dB。實際上，跳頻寬度根本做不到像假設(shè)的一樣，因為它受下列因素的制約：

（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)會有不同的天線阻抗。當(dāng)跳頻寬度較小時，使用窄帶天線，通過相對應(yīng)的天線調(diào)諧裝置就會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，噪聲就會更加難以消除。

（2）頻率管理。關(guān)于跳頻寬度的設(shè)計方法一般有兩種：一是采用部分頻段跳頻;二是采用全頻段跳頻。在單網(wǎng)使用時采用全頻段跳頻，方便管理同時對通信技術(shù)要求也較低;但在多網(wǎng)工作時，繼續(xù)采用全頻段跳頻則會使整個頻段雜亂無章，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)中的時間同步，還要保證在網(wǎng)與網(wǎng)之間的時間同步。正交式跳頻對同步的要求很高，會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)同時工作時，每個網(wǎng)任何時刻都不會工作到其它網(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，將會得到最理想的效果。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當(dāng)時實際使用的跳頻通信圖表時，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，就可對該段頻率進(jìn)行阻塞式干擾，在整個頻段內(nèi)進(jìn)行大功率覆蓋。但如果根據(jù)預(yù)先的探測得知敵臺的跳頻頻點，則只需要采用梳狀干擾對相關(guān)頻點進(jìn)行干擾。

（2）瞄準(zhǔn)式干擾。瞄準(zhǔn)式干擾可以按照實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，一般是通過對頻率的偵察和探測進(jìn)行實時跟蹤，干擾敵臺的跳頻頻段。但當(dāng)跳頻速率答復(fù)增加時其跳頻圖案就會變得復(fù)雜，難以跟蹤。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的特點是無需預(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，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，不斷提高對下一個跳頻頻點的預(yù)測精準(zhǔn)度。在迅速發(fā)展的電子技術(shù)的支持下，跳變頻點的預(yù)測準(zhǔn)確度也會逐步攀升。

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施干擾的重要渠道。在現(xiàn)階段，為了保證整個跳頻通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)同步，常常要求主臺在任何情況下都要發(fā)射同步信號。同步掩蓋要求時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網(wǎng)絡(luò)的通信。為了能夠在任何時刻（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。

利用艦艇時統(tǒng)系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)可有效實現(xiàn)外部授時。該技術(shù)的實現(xiàn)方法為：在通信設(shè)備中內(nèi)置北斗接收裝置或連接時間基準(zhǔn)設(shè)備，獲得初級時鐘（秒級）。在每次通信中只需要在初級時鐘的基礎(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，則會對頻率的駐留時間造成影響。因此只是單純的提高跳頻速率會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)是跳頻駐留時間偽隨機(jī)時變的跳頻技術(shù)，不但實現(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)時間隱藏起來，對同一網(wǎng)絡(luò)中的其他臺站也有保護(hù)意義。

該技術(shù)的實現(xiàn)方法為：保持固定的換頻開銷，只改變通信的駐留時間，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，也可得出所處頻點的質(zhì)量。為此，需要引入非對等時分雙工的機(jī)制，在以幀為單位的時間內(nèi)，絕大部分時間用于下行通信，留出小部分時間作為上行匯報，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，同時占用窄帶的頻譜。在超短波內(nèi)擁有更高的實用價值。

（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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