45短波自适应跳频控制器的研究与设计

李丽华

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

为了避免短波跳频通信受电离层和电磁干扰的影响，可能会随机地出现部分频率通信链路无法建立的情况，1995年，J.Zander提出短波自适应跳频的概念[1]，将频率自适应通信技术与跳频通信技术结合，对跳频频率表进行实时优化，从而避免盲跳频，提高了通信的可通率。在短波自适应跳频系统中，自适应控制器的设计是关键，这里的自适应控制器除了要具备定频通信系统中链路质量分析等功能外，还要能够根据分析的信道质量结果剔除坏频点和调整发射机的功率大小，实现频率和功率自适应控制。本文对频率自适应跳频控制技术进行了研究，从硬件和软件两个方面设计了一种适合短波低速跳频的自适应控制器。

1 短波自适应跳频通信系统

1.1 系统构成

短波自适应跳频通信系统与常规的跳频通信系统的主要区别在于增加了一个实时链路质量分析器。在发信方，跳频序列产生的伪随机序列控制跳频频率表，使频率合成器按照当前频率图样中的样点产生对应的频率，定频的已调短波射频信号通过跳频调制器就实现了在指定短波频段的伪随机跳变。在收信方，跳频解调器通过相关算法完成解跳；实时链路质量分析器根据实时接收到的信号，采取实时信道质量判决准则，分析当前的跳频信道质量，判断该信道受到干扰的程度，为频率自适应控制和功率自适应控制提供依据。

1.2 数学模型

对短波时变信道的模拟通常采用 Gilbert Elliot（双状态信道）模型。在此双状态信道模型中，每一个信道都可以看作处于阻塞或畅通这两个状态之一。用P(B)表示某一信道处于阻塞状态的概率，用P(G)表示处于通畅状态的概率。状态之间的转换可以用马尔可夫链来描述，且假设任一信道两种状态间的假设是独立的。两种状态之间的转移概率分别用r和s表示。

r =P(B|G),s=P(G|B)。另外，用Q表示任一信道干扰功率超过门限值的概率，Q =P(B) =r/(r+s)，它反映了发现信道处于阻塞状态的概率。

设 τ0为频率处于拥塞状态的平均时间，则

设iM表示第i跳中在所选的aq个好频率中出现的坏频率数量，则有

式中m表示在初始状态M0下，qa个好频率中处于拥塞状态的频率数。

令Pi(m)为第i跳时的误码率，PB为频率处在拥塞状态时的误码率，PG为频率处在畅通状态时的误码率。

假设 PG＜＜PB,E[Mi/M0=m]＜＜qa,且把m和pi(m)分别用E[M0]和Pi代替，则在一帧中平均比特误码率为

假设完成一帧数据传送后，通过链路质量分析选择的aq个新频率中坏频率的平均数为 [],E B则经过了长为fL的反向频率传输时间后，得到开始传输数据时的平均坏频率数为

得到最终的比特误码率为

可见比特误码率与Q有着密切的关系，而Q由链路质量分析挑选好频率的能力决定。所以，最终的误码率与链路质量分析有很大关系。链路质量分析挑选出的平均坏信道数越少，最终比特误码率就越小。

2 频率自适应跳频控制技术

自适应跳频控制技术包括频率自适应跳频控制技术和功率自适应跳频控制技术，这里主要讨论频率自适应跳频控制技术。基于实时链路质量分析的频率自适应控制技术主要解决自适应跳频频率集的配置和更新问题。文献[1]中的 AFH（ adaptive frequency hopping）算法根据实时链路质量分析的结果进行判断，如果当前信道属于双态中的坏信道，就从跳频频率集中直接删除。这种算法虽然保证了通信的可靠性，但降低了频率分集效果。尤其在短波信道中，电离层会实时地发生变化，而删除的信道在下一个时间段信道质量有可能会提高，因此这种传统的方法在实际的短波自适应跳频通信应用中有一定的局限性。目前国外提出的几种新的自适应跳频算法各具优缺点[4]，如表 1所示。根据分析短波信道时变的特点以及从频率分集效果、频率更新方式和软件实现的步骤三个方面对比这几种算法，这里自适应控制器的频率自适应实现选择了EAFH算法，虽然EAFH算法是基于无线个人局域网（WPANs）提出的，但是其算法中信道划分的思想在短波通信系统中尚可借鉴。

3 自适应控制器硬件设计

本文给出了一种自适应跳频控制器的设计，它主要由信道交换控制器，伪随机序列发生器，信息处理和调制解调器等部分组成。

3.1 音频接口

音频接口实现信道设备和自适应控制器间音频信号和控制信号的交换，主要对各路音频信号进行处理，包括自适应呼叫时自适应音频的调整、放大，远程遥控发信机时PTT音频的产生、调整、放大，独立边带音频输入经过调整、放大后送到遥控线路，以及话音的压扩、调整、放大。

3.2 信息处理器

信息处理器主要完成自适应自动线路建立(ALE)和链路质量分析（LQA）的功能，它主要由一个数字信号处理器完成线路信号质量分析的过程，完成存贮调用 LQA信息，并对发送的信号进行编码，对接收的信号进行解码，软件设计完全依据短波自适应通信系统自动线路建立规程和自适应跳频算法。

3.3 调制解调器

调制解调器实现遥控数据的调制与解调，主要由电平转换、数据处理、数据调制解调、看门狗电路、输入输出音频处理和二/四线转换等电路组成。

3.4 信道交换控制器

信道交换控制器根据信息处理器和干扰识别器的输出结果来选择工作信道。

3.5 伪随机序列发生器

伪随机序列发生器产生的随机序列使频率合成器产生有效的信号。

3.6 电源

电源采用交直流转换电源模块，具有稳定、可靠、效率高的特点，共有+5V，+12V，-12V三组电源，提供给自适应控制器各部分电路。

4 自适应控制器软件设计

该控制器的软件设计除了要满足短波自适应通信系统自动线路建立规程外，还要能实现自适应跳频。因此这里主要针对自适应跳频和自适应线路建立过程实现了程序设计。软件开发平台使用linux操作系统和C语言。

4.1 自适应跳频程序设计

首先初始化，然后计算数据传输信道上的PER，当计算的值P1大于平均PER时，进一步判断是不是由于信道中存在严重的干扰造成，即判断P1是否大于0.5，如果是，暂时将该信道从跳频频率集中删除一段时间，指定该信道是属于删除信道中的一个子信道类，否则与数据删除信道中的PER低的信道交换。

4.2 自动线路建立程序设计

在线路建立过程中采用异步模式，无需人工干预，在自适应控制器控制下，短波通信系统自动完成ALE、选择最佳链路和路由等接续任务以及信令与业务数据的传输交换、业务管理等信息传输任务。实现步骤如下：

步骤1：开机后直接进入扫描状态；

步骤 2：当发送建链申请后，等待回应；当检测到收到建链申请发送呼叫应答；

步骤3：当发送建链申请后，等到呼叫业务回应后ALE建链，没有等到如果链路信道结束就回到步骤1，如果链路信道未结束就回到步骤2；当检测到收到建链申请后ALE建链；

步骤4：ALE建链后如果发送业务建链申请，就开始等待业务回应；ALE建链后等待是否受到业务建链申请；

步骤5：如果等到业务回应就实现步骤6，

如果没有等到判断是否超时，超时回到步骤1，没有超时重复步骤5；如果收到业务建链申请， 就发送业务确定，并实现步骤6，如果没有收到判断是否超时，超时回到步骤1，没有超时重复步骤4；

步骤6：业务链路建立。

5 结束语

本文研究了短波自适应跳频通信系统中自适应控制器的频率自适应算法，并从硬件和软件两个方面对自适应控制器进行了设计，为进一步的实现提供了方法和思路。

[1]J.Zander, G.Malmgren. Adaptive frequency hopping in HF communications[J]. IEE Proc.commun, 1995,142(2):99-105.

[2]梅文华，王淑波，邱永红，杜兴民. 跳频通信[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[3]卢斌. 自适应跳频系统的相关技术研究[D]. 西安：西安电子科技大学硕士学位论文, 2010.

[4]梁小虎. 自适应跳频系统中频率自适应技术研究通[J]. 通信技术, 2013，04：65-67.

[5]LEE S H,LEE Y H. Adaptive frequency hopping for bluetooth robust to WLAN interference[J]. IEEE Communications Letters, 2009, 13(09):628-630.

[6]STABELLINI L,SHI L,RIFAI A A. A new probabilistic approach for adaptive frequency hopping[C]. IEEE GLOBECOM Proceedings,USA:IEEE, 2009:2147-2151.

[7]PARK K J, PARK T R, SCHMITZ C D. Design of robust adaptive frequency hopping for wireless medical telemetry systems[J]. IET Commun., 2010,4(02):178-191.