復雜電磁環境下提高超短波通信質量策略分析

董良才,楊 豪,梁 芬

(1.中國船舶集團有限公司第七二二研究所,湖北 武漢 430000;2.上海五蘊信息科技有限公司武漢分公司,湖北 武漢 430205)

0 引言

復雜電磁環境會嚴重影響超短波通信質量,為了確保船舶能夠實現正常通信,應當針對性地采取相應的抗干擾措施,以有效應對復雜電磁環境,提升超短波通信質量。

1 短波通信系統及超短波傳播特性

1.1 短波通信系統

相對于其他的通信系統,短波通信系統整體呈現出更小的體積以及較強的機動性,其實際應用的過程并不會占用過大面積。 與此同時,其通信距離也較遠,有著極為廣泛的應用范圍,能夠極大地提升經濟效益。除此以外,將短波通信系統與計算機充分結合可以在原有基礎上提高數據信息傳輸效率及穩定性,為船舶行業的發展奠定堅實的基礎。 從實際情況來看,短波通信系統目標較小,若產生不利因素,往往會影響短波通信系統臺站的正常應用。 整體來看,短波通信系統有著極強的抗毀性,且短波通信系統的運維成本不高,資金投入需求相對較低,使得短波通信系統的未來優化動力充足,有利于提高其經濟效益。 短波通信系統具有優質的抗干擾能力,能夠依據外界實際變化情況,科學有效地調整系統的運行,確保短波通信系統具有較強的適應性,為其高效運行奠定堅實的基礎。

近年來,各種新興技術開始融入短波通信系統,包括差錯控制技術、數字信號處理技術及自適應技術等。 這些技術的合理應用能夠有效緩解系統固有的局限性。 短波通信系統能在系統優先級變化的基礎上實現對短波資源的動態調整,能夠切實保障系統的高效運行。 除此以外,短波通信系統的應用能基于時間采取科學有效的調整措施,確保其運行模式同步,充分體現短波通信系統的實際應用價值,因而具有一定的市場競爭力。

1.2 超短波傳播特性

1.2.1 視距傳播

視距傳播指無線電波在可見距離范圍內的傳播,其傳播路徑不存在阻礙。 超短波受到自身較高頻率的影響,能夠有效穿透電離層。 因此,不能夠使用電波方式進行傳播。 超短波有著相對較短的波長,在沿著地表進行傳播的過程中將會遇到較大的電流,呈現極快的衰減速度。 在此過程中,地形同樣會在一定程度上影響地面反射波。 基于此,超短波難以在地點波的基礎上達到遠程傳輸的效果,超短波的應用基本上是依靠空間直射波進行通信,屬于視距傳播[1]。

1.2.2 散射傳播

無線電波能夠基于對流層散射,進而向更遠的范圍進行信號傳輸,自動傳播方式本質上是散射傳播,大氣層始終處在運動的狀態下,在空氣中的空氣折射指數呈現不均勻的特點。 與此同時,還會實時動態變化,使得無線電波產生折射現象。 在對流層散射的基礎上滿足通信要求,無線電波頻段主要由兩部分構成,分別是超短波和微波頻段。 二者均不能夠通過電離層反射,僅能夠通過對流層散射,且只能作用在超短波和微波視距傳播上,并不會對其他頻段產生散射作用。

1.2.3 繞射傳播

無線電波在進行傳播時,若是遇到有著相對較大體積的障礙物,超短波能夠自動繞過去并繼續進行傳播。 在傳播超短波的過程中,如果遇到障礙物,障礙物將會吸收部分能量,還有部分能量則被反射,所以僅存在少部分超短波能夠達到繞過障礙物的效果,構成一定的陰影區。 頻率越高則代表超短波有著較差的繞射能力,能夠跨越的障礙物便更小。 結合有關調查研究能夠發現,當超短波在150 MHz 以上的情況下,大多僅能夠沿著直線傳播,未展現出更強的電波繞射水平。

1.2.4 傳播分區

當處在視距范圍內時,超短波能夠在空間直射波形態下實現傳播。 反射波的存在勢必會在一定程度上對超短波的實際傳播過程產生影響,進而出現干涉區。 一旦沒有維持在視距范圍之內,超短波便能夠通過繞射傳播方式的應用實現傳輸。 在此時,這一區域屬于繞射區域,而超短波通過散射方式的應用可以達到遠距離傳輸的效果,這一區域則屬于是散射區。

2 超短波通信質量的影響因素分析

2.1 頻段因素

超短波自身的通信質量不可避免地會受到多方面因素的影響。 其中超短波有著獨有的使用范圍,這也在一定程度上決定了若是采用規定通信的方式,則勢必會提升其通信質量。 但若是移動通信所處的環境面臨著電磁所造成的干擾,便會產生一定的多徑衰落現象。 有諸多因素如電磁因素會對頻段產生影響,具體包括電磁脈沖干擾以及環境電磁干擾等[2]。

2.2 距離限制

超短波不僅可以使用對地的方式進行通信,還能夠在空中實現通信,距離的限制會影響超短波通信的質量,例如若是采用艦載或者是車載電臺,那么其發送距離便能夠達到十幾km 或者是幾十km,但如果所使用的為機載電臺,那么其通信距離則能夠高達100 km 左右。

2.3 戰術協同通信

戰術協同通信作為軍事通信的重要組成部分,在實際實施的過程中經常會涉及超短波通信的應用,這一環境下有著更為嚴重的電磁干擾問題。 通常情況下,協同通信都是運動通信的狀態,超短波會同時進行手法通信的工作,但這種通信會增加出現電磁波干擾的可能性。

3 復雜電磁環境對超短波通信裝備效能的影響及適應性評估

3.1 影響

針對超短波通信裝備而言,能影響其正常運作的復雜電磁環境很多,既包括頻帶內信號環境,還涉及頻帶外信號環境。 在復雜電磁環境中,互調干擾是其中比較關鍵的組成部分。 例如,在同一個接收機輸入端中,若是存在兩個或多個干擾信號的接入,而干擾信號面臨著接收機非線性影響,那么便會產生混頻的現象,進而滋生互調干擾信號。 但從實際情況來看,這種互調干擾信號的頻率基本上同有用頻率相近,會影響裝備的正常通話,極大程度上增加設備損壞及信號失真的可能性。 鏡像頻率同樣會造成電磁干擾,主要是受到前段濾波器的影響,若是其選擇不足,便會影響鏡頻信號的抑制效果,進而形成中頻干擾信號,嚴重制約后端解調成效。

如果接收機前段電路本身選擇性相對較差,有可能會產生中頻干擾的現象。 這主要是因為在這種情況下,中心頻率干擾信號能在混頻器中直接通過。 與此同時,信號不會進行變頻,接收信號會面臨著較大的影響。 若想切實展現出其對于中頻干擾的抑制作用,多數情況下要保障其靈敏度處在80 dB。 鄰道干擾主要指相鄰以及鄰近頻道之間所產生的干擾。 鄰道干擾常發生于超短波通信設備當中,鄰道干擾的產生直接受到跳頻信號頻譜的影響。 邊頻分量會在一定程度上造成鄰道干擾,而對于跳頻信號而言,其中涉及諸多邊頻分量,這也說明了電磁干擾的嚴重程度。 同頻干擾主要是指在頻率相同無用信號所帶來的電磁干擾問題,例如,多部通信終端有可能會使用同一個頻率進行工作,相同頻率的信號將會在同一時間進入接收機,這會在一定程度上加劇同頻干擾對超短波通信設備正常運行的影響[3]。

3.2 適應性評估

3.2.1 評估流程

相關工作人員在對適應性評估指標進行選擇的過程中,應當嚴格按照客觀、可測、完備以及獨立等原則,為后續評估工作順利開展創造良好的條件。 在這一過程中,工作人員在選取完備性指標的過程中,應當最大限度地減少評估片面性現象的產生。 獨立性則要求各個指標之間不會出現相互交叉的現象,可測性則更加側重于確保指標能夠達到良好的量化效果,同時呈現更加穩定性的特點,客觀性代表則其指標的定義具有較強的規范性以及標準性。 為了能夠更好地對其遞階結構進行確定,本文主要通過層次分析法的應用對目標層和指標層進行確定,工作人員需要先提取相應的評估指標,再結合實際情況選取指標權重標度模型,科學構建指標判斷矩陣,完成指標權重的計算工作之后,便進入一致性檢驗的環節,針對相應的數據展開全方位的分析處理工作,最終獲得具體的評估指標值以及評估目標值,對其進行評價工作。 在此過程中應注意確保其評價工作能夠充分考慮不同類型的超短波通信裝備。

3.2.2 指標權重

在指標權重方面,本文主要基于1-9 標度法對指標間的重要性展開對比工作,進而同測試數據展開結合,獲取各指標的權重標度情況,并針對指標權重展開一致性檢驗工作,公式如下:

式(1)中的n 和λmax分別代表的是矩陣秩、矩陣最大特征解,按照上述工序對第一層指標的上層指標展開計算能夠得出如下公式:

基于第二層指標對其上層指標展開計算,得到公式如下:

基于此,可以通過式(8)計算相應的評估目標值:

在上述公式中,Ci為指標權重,C1為噪聲調配信號,C4噪聲調頻信號,C5為AM 信號,C6為FM 信號。B1為互調信號干擾,B5為同頻信號干擾。 W 為各評估指標所占權重。

3.2.3 通過超短波通信信號采樣

結合采樣定理能夠明確,針對頻道限制為(0,fn),模擬信號為(x,t)以及采樣率是fs=2fH的應當實施等間距采樣,采樣所獲得時間離散信號表達式如下:

以便于在采樣值的基礎上恢復原始信號。

從頻域分析的角度出發對Nyquist 的采樣定理進行分析,x(t)代表的為原始模擬信號,而x(w)所指的是頻譜函數,單位沖擊函數如下所示:

在式(11)公式中:

用式(13)表示上文頻譜函數為:

根據式(13)能夠得出,在xT(w)中涉及多個ωs原始信號。

4 復雜電磁環境下提高超短波通信質量的抗干擾措施及發展趨勢

4.1 抗干擾措施

4.1.1 數字化中頻

數字化中頻技術的應用能夠實現多種調制解調方式,還可以根據應用場景的變化達到可變中頻帶寬的效果,進而提高數據服務成效,并且還是自適應信號處理的重要舉措。 在駐留時間范圍內針對中頻信號展開頻譜分析工作,了解在特定位置上位置功率譜密度,獲取相應的信干比。 非線性調制的信號干擾將會直接呈現在解調信號眼圖上,工作人員可以對基帶信號相位的模糊程度進行測量,進而獲取所處頻點的實際質量。 在得到最終檢測結果之后需要實施動態地更新調頻頻率計,將那些質量相對較差的點去除,進而為通信鏈路質量提供全面的保障。 此外,還應當引入非對等時分雙工機制,同時建立起相應的修正頻率表。

4.1.2 Ad hoc 網絡

Ad hoc 網絡本質上是一種特殊對等網絡,主要應用在無線通信領域。 在應用過程中可以在多跳轉發的基礎上建立相應的無線自組織網絡架構。 當前,其已經在超短波通信領域實現了廣泛應用,是近幾年網絡級抗干擾通信領域至關重要的成果之一。 Ad hoc網絡在網絡架構方面可以使用分級結構,可以充分同戰術智慧通信架構的實際情況相適應。 在媒體訪問控制方面,可以根據實際情況采用同步正交調頻組網與MACA 協議相結合的手段。

4.1.3 混合技術

當工作人員實際應用無線通信抗干擾技術時,大多會對各種類型的技術進行混合應用,這樣能確保突破單一應用的局限性,展現更加良好的抗干擾能力。例如,直接序列以及跳頻技術等常見技術。 與其他技術相比,混合技術的抗干擾能力要更加優良。 這主要是因為,針對不同的抗干擾技術,其所具有的優劣勢都各不相同,但若是能夠將兩種或者是多種抗干擾技術有效混合起來,便可以在充分展現其各自優勢的基礎上克服不足之處,以促進其抗干擾效果的整體提升。 在實際使用混合技術的過程中,不可避免地面臨著多方面因素的負面影響,應當針對性地對其進行解決[5]。 除此以外,混合技術的應用將會增加抗干擾設備應用的復雜性。 筆者針對直接序列和跳頻技術的混合展開了抗干擾實踐。 最終實踐結果表明,上述兩種技術混合所呈現的信號增益大多是在固有技術基礎上產生的簡單加和,進而得到更寬的頻譜。 該技術的應用使得固有的跳頻技術應用成效得到了增加,但結合應用條件來看,往往涉及更大的成本投入。 因此,其在混合技術的應用范圍有限,需要持續進行研究。

4.1.4 智能天線技術

當處在通信環境不良的狀態下,通過在接收設備上對智能天線設備進行安裝,以對特定頻段信息進行收發的技術是智能天線技術。 該技術不僅有著較強的抗干擾效果,還可以在一定程度上緩解電磁波所造成的污染問題,而智能天線技術最主要的機制和優勢在于其對于不同方向的信號干擾有良好的抑制效果。智能天線在實際應用的過程中會面臨來自多種不利因素的影響,進而導致應用效果存在不足。 智能天線的應用數量較多或者較廣會增加各個天線之間相互影響的可能性,進而產生電磁耦合干擾的問題。 因此,若想真正促進智能天線抗干擾能力的提升,需要及時有效地采取有關措施對現有的天線波段進行收窄,以形成良好的波段定向傳播,這樣會使得智能天線的高質量應用面臨阻礙。 從目前來看,相關研究人員未來在智能天線技術方面,應當進一步加深對于干擾模型以及計算模型的研究和優化。 部分研究人員針對當前智能天線技術應用的不利因素展開了針對性的研發工作,在此基礎上開發了新型的MIMO 智能天線技術。 該技術的應用可以支撐多收多發,但在應用階段始終面臨諸多局限性,因此,需要不斷加大對于這一部分研究的投入,以切實提升其技術水平,推動超短波通信質量的不斷提升[6]。

4.2 發展趨勢

超短波通信需求正在持續推動通信技術的發展,這迫使超短波通信設備開始持續朝著微型化、智能化以及模塊化的方向發展。

4.2.1 微型化

近些年來,微帶技術、片狀元件以及表面安裝技術開始興起,微帶線本身有著匹配度高、成本低、頻帶寬以及體積小等諸多優勢,而片狀元件不存在引線,并且質量更輕。 表面安裝技術則可以在短時間范圍內自動化開展對于片狀元件的安裝工作,以一種自動化流水線的方式完成。 上述新技術的應用可以極大程度降低成本投入,在實際應用的過程中也有著較快的安裝速度,能夠為輔助設計和制造等工作的開展提供方便。 此外,在微電子技術不斷更新升級的過程中,微處理器開始廣泛應用在通信設備中,通過植入病毒程序達到應對通信干擾的效果,病毒程序能夠間接進入指揮中心內部。 目前,以美國為首的發達國家正在大力研發潛伏式自發進攻程序裝備。 超短波電臺可以使用零位天線調整器起到輔助天線對抗的作用,并通過多副接收天線的應用實現對于傳輸信號以及干擾信號的自動識別,對于超短波通信抗電磁干擾性能的提高有著重要意義。

4.2.2 智能化

智能化超短波電臺的應用主要是將微控制器看成是主控電源,可以在原有的基礎上起到簡化電路的作用,并進一步提高其可靠性,賦予智能化的功能,滿足自適應通信、自動匹配天線參數以及自動切換工作方式等各種需求。

4.2.3 模塊化

超短波電臺上有著諸多型號,這使得在電磁頻譜管理以及電磁兼容等層面存在較大的復雜性,所以在發展超短波通信的過程中需要事先完成頂層規劃設計。 當前,最主要的手段便是功率合成技術,能夠根據功率等級,對各種功率發達器分別設計,以積木式模塊的形式存在,在實施通信的過程中也可以根據需求實際組成各種電臺,更好地應用在不同距離的無線電通信聯絡中。

5 結語

綜上所述,強化使用多種抗干擾技術能夠有效提升超短波通信質量,為船舶的安全高質量通信創造良好的條件。 因此,相關研究人員應當加強重視,進而在實踐中對其進行優化改進,以推動行業整體的長效發展。