海上艦艇短波通信系統應用展望及優化研究

劉錦超

【摘要】? ? 短波通信是海上艦艇使用的重要通信手段，因短波自身特點通信不夠穩定，很難滿足通信需求。本文針對海上艦艇短波通信應用現狀，結合短波通信領域出現的新技術，就如何改進短波通信可靠性、提升艦艇通信保障能力進行了分析研究，提出了解決方案。

【關鍵詞】? ? 短波通信? ? 分集合并? ? 自適應? ? 人工智能

引言：

艦艇在海上航行過程中，受客觀條件影響，主要依托無線通信同其它艦艇或岸基指揮所保持通聯。在海面常用的無線通信方式中，根據波段劃分，主要分為中波、短波、超短波、微波、衛星通信等，在20世紀，短波通信作為主要通信手段，是航海時代除導航儀器外最重要的現代化通導裝備。

隨著21世紀太空衛星資源的不斷豐富和衛星通信技術的飛速發展，衛星通信已越來越成為海上通信的主要手段。但衛星通信的特點決定了在特殊情況下，其受摧毀或故障性中斷的可能性較大，短波通信的特點決定了其抗毀性強，且可全球通信，因此近年來關于短波通信技術的跟蹤研究又在不斷成為熱點。

一、當前短波通信存在的問題

海上短波通信是指艦艦、艦岸間利用3-30M頻率進行無線長距離通信的總稱。因短波通信屬于超視距通信，該波段可通過地波或天波的方式進行傳輸，理論上可以實現全球通信。

但隨著無線電頻譜技術的發展和艦艇用頻裝備的不斷增加，艦用短波電臺通信質量和通信可靠率近年來成逐漸下降趨勢。

以我國黃海北部海域使用情況統計，2001年，一部125w短波電臺在采用定頻通信時，在100-150海里范圍內，可通率達到80%以上，話音質量保持在信號3以上;但在實踐中對2020年全年艦艇通信質量進行測試，相同功率電臺在相同工作模式下，在70海里內仍可保持通信，但可通時間及通信質量均出現了較大幅度下降，在70海里-150海里區間內，可通率僅能保持在20%左右。

此外，隨著艦艇用頻裝備的增加，艦艇各裝備間通信互擾現象變得異常突出，因艦艇自身面積狹小，且受隱身技術和艦艇動力、自持力需求持續增加，艦艇天線布設變得異常困難，一艘千噸左右艦艇已部署的各類型天線約20余幅，而短波天線因傳輸特性所限，往往需要占用較大的占地面積，受艦艇電磁兼容性設計約束，很難利用布設大型天線陣的方式來提升通信質量。

短波通信在海上航行期間主要用于話音和低速率數據通信，因艦艇在海上值勤期間，各種搶險救援、漁業執法等任務需要傳遞的是現場即時情況通報、多艦艇任務協同，緊急事態應答處置等信息，上述信息對時效性要求較高，話音作為傳輸即時信息的介質具有天然的優勢。但短波通信作為一種變參信道，受地域、季節、氣象、波浪等因素影響較大，話音質量普遍較差，在進行通聯時更多依賴于電臺值守人員經長期訓練獲得的經驗，可以對系統的工作參數進行實時調整。

以前艦艇報務員工作經驗都在數十年以上，但隨著人員崗位調整和人才流動性加大，電臺值守因經驗缺乏也面臨著越來越多的困難。

二、短波新技術應用研究

為提高短波通信質量，滿足海上任務協同通信需求，近年來，國內外在相關領域開展了大量研究，其中短波分集合并技術、頻率自適應技術和人工智能認知技術等成為了研究重點。

2.1 分集合并技術

所謂分集，就是將需要傳遞的信息以空間、頻率或時間劃分的方式分隔成若干個衰落基本不相關的信號。分集種類包括空間分集、頻率分集、角分集、時間分集等。

信號分集后還需要進行信號合并，即在接收端接收到若干條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術來得到分集增益。根據位置不同，可分為檢測前合并和檢測后合并技術。

短波傳輸信道分為地波和天波兩種，其中地波通信主要用于近距離通信，受多徑效應影響較大。而天波通信系主要用于中遠距離通信，其利用電離層反射實現超視距通信，屬于變參信道，信號傳輸穩定性差。

主要原因是：

1.電離層的變化會使信號產生衰落，在衰落過程中信號幅度和頻率會發生相應變化;

2.天波通信也存在著多徑效應，會產生頻率選擇性衰落和多路徑延時。

選擇性衰落造成信號失真，多徑延時使信號在時間維度發生變化，嚴重限制了短波鏈路數據傳輸的質量。

而分集接收可以有效抵消信號衰落、提高系統信噪比。短波分集接收就是利用多個路徑或頻率、不同到達時間、不同編碼或調制等方式去接收含有同一信息的短波信號，并將采集來的多個信號按照某種方法合并后再提取信息。它能利用多路徑接收信號的不相關性獲取分集效果，有效提升短波臺站接收信噪比，從而減小接收信號衰落造成的影響，進一步降低誤碼率。只要分集接收的幾個信號之間是相對獨立的，則經過適當合并后就能使通信性能大為改善。但分集設計方案不夠優秀，也可能無法正常解調電平很高的信號，因空中信道傳輸帶來的的信息錯誤也得不到有效抑制，通信質量沒有保證。

如艦艇編隊在同一海域共同執行任務時，指揮艦需與岸基指揮所進行通信聯絡，在不改變現有短波臺站部署前提下，可通過編隊內多部電臺聯網方式，同時發射、接收同一信號，采取分集合并技術進一步提升短波通信質量;岸基臺站則可采取多臺站組網方式提高分集接收能力。

2.2? 頻率自適應技術

短波通信頻率使用范圍有限（約27Mhz），為滿足全球各行業通信需求，信道擁擠狀況突出。受天氣、地域、潮汐、電離層變化、海浪等多種因素影響，短波通信使用的頻率對通信影響非常大，甚至白天與夜晚的用頻也呈現完全不一樣的特點。

通過使用實踐來看，選擇合適的短波通信頻率能大大提升通信質量。但受限于操作人員技術水平，很難保證在海上航行期間動態選擇理想的通信頻率，通常預置的都是在艦艇離港前進行測試后固定使用的頻率。

頻率自適應技術是指通信過程中，自動尋求最佳的通信頻率，這些頻率不僅要考慮傳播可靠度，即信號強度，還要考慮噪聲和干擾等其他一些因素，而且選定后就用此頻率進行通信。

海上可利用頻率自適應技術提高短波通信保障能力，通信雙方準備開始短波建鏈時，短波電臺先選擇在某一預置的頻點同時正常工作，同時周期性掃描其它多個預設頻點的信道衰落特征，經過一定規則的比較選擇，選擇當前時刻傳輸損耗最低的頻點作為下一時刻的工作頻點，同時利用已建鏈路實時通知對端，兩方在預定的換頻時刻均同時跳轉到新的發射或接收頻點，從而使通信信道始終工作在損耗最小的最佳頻點上，確保通信鏈路始終處于最大信噪比裕量儲備中。

2.3人工智能認知技術

人工智能作為近年來最流行的學科，正在快速應用發展中，在通信領域將傳統的通信技術輔助人工智能認知學習，將能為短波應用帶來極大的性能提升。

人類認知信息的感知原理是認知系統最神秘和最特殊之處。智能認知技術即通過模擬人工神經網絡進行深層次的機器學習，使機器自操控能力達到與人工操作同樣的目的。

傳統短波電臺中傳感器的測量范圍與測量精度是固定的。人類感知環境的能力與傳感器不同，能夠根據感知的目標和關注點實時調整感知范圍和感知精度，即變換感知精度，以提高感知能力。

通過對人類心理、大腦在聽覺尺度影響研究發現，人耳對不同強度、不同頻率聲音的聽覺范圍稱為聲域。在正常聲域范圍內，聽覺的主觀感受主要有音色、音高、響度等特征和掩蔽效應、高頻定位等特性。其中音色、音高、響度可以描述成傳統電臺可以實現的相位、頻率和振幅三個物理量，而在多種音源的場合（如艙室中嘈雜的機器聲音），人耳掩蔽效應等特性更重要。人腦可以做到選擇性關注，利用雙耳接收的相關性交叉信號，在嘈雜環境中對需辨別聲音的感知能力會得到顯著增強，在國外的實驗模型模擬中，能得到5db左右的增益提升。

在新型短波電臺設計研制中，可增加自主學習模塊，利用人工智能認知技術改進語音識別能力，依靠系統自身的短波信道實時認知技術和短波通信波形的多維域自適應傳輸技術，提高電臺工作效率。

利用分集技術接收的多路語音信號，模擬雙耳效果，通過深度學習強化特征提取和聲音規整能力，不斷提高話音質量。建立短波工作參數業務數據庫，通過對海上航行期間短波通信數據的不斷積累，實時動態調整工作頻率、傳輸速率、發射功率、調制/編碼類型等工作參數，實現短波自適應無損傷切換。通過智能優選，可達到提升通信帶寬、減小發射功率需求、顯著提高鏈路可靠性的目的。

2.4 其它新技術應用

隨著信息技術的不斷進步，短波通信在天線、材料、電臺復用等方面也出現了諸多新技術。如在天線層面，短波天線由獨立使用、只具備窄帶通信能力向向實現天線孔徑共用、天線集成、天線與上層建筑共形設計和集成發展。

在天線材料的選擇方面，考慮到海上高鹽、高溫、高濕環境，可通過選擇強度高、質量小、性能優異的材料降低傳輸損耗，提高傳輸能力，如左手材料、碳纖維材料、超磁性材料的應用，在電臺元器件的選擇方面，可考慮氮化鎵等新型半導體材料的應用，以提高設備的狀態穩定性和抗干擾能力。

在電臺復用方面，基于軟件無線電技術和網絡技術應用，短波電臺也將由單一頻段、單一功能專用射頻設備向多頻段、綜合功能射頻設備轉變，向射頻資源實現共用和統一調度發展。

三、結束語

艦艇在海上面臨著與陸地完全不同的通信條件，只能依托無線通信來實現。為強化艦艇在復雜電磁環境下的通信保障能力，在衛星通信尚不能完全滿足通信需求的基礎上，亟需利用最新技術改進優化短波通信能力，讓艦艇在大海中不再迷航，讓短波通信真正成為可靠的保底通信手段。

參? 考? 文? 獻

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