基于现有短波Chirp双向探测的高效能方案研究

谭正辉，张秀强，张春雷

（1.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310；2.海军频管中心，北京 100841；3.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

基于现有短波Chirp双向探测的高效能方案研究

谭正辉1，张秀强2，张春雷3

（1.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310；2.海军频管中心，北京 100841；3.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

为了解决短波Chirp双向探测的串行处理机制中耗时长的问题，采用了比较类推法，通过分析短波双向探测原理和数据，研究了探测发射算法和处理机制，提出了探测发射及时响应算法和并行处理机制的解决方案。经过仿真实验证明，探测发射及时响应算法和并行处理机制将双向探测的效能提高了三倍，且具有很强的扩展性。

短波 双向探测 串行处理 并行处理

1 引言

短波无线电远程通信主要依靠电离层反射来进行传播，其特点是路径损耗、时延散布、噪声和干扰等都随频率、地点、季节、昼夜的变化而变化，由此可见短波通信中的工作频率是不能任意选择的[1]。虽然现有的短波Chirp双向探测可以很好地解决这些因素带来的影响，但是由于其串行处理机制在双向探测周期上耗时长以及对时间要求苛刻的原因，导致其无法满足时效性和灵活性要求高的通信业务需求。因此，需要进行改良优化，缩短周期、提高时间利用率，从而快速有效地完成短波通信选频。本文根据现有的短波Chirp双向探测串行处理机制，提出了并行处理机制方案，通过及时响应探测发射和充分利用探测信号资源的方法来提高效能。

2 双向探测原理

通信站点主要设备由短波Chirp探测接收机、发射机和业务终端组成，主要功能分别为探测信号的接收、发射和业务处理[2-3]。在通信过程中一方的最佳接收频率也就是另一方的最佳发射频率，通信双方各自将本地最佳接收频率集信息加载到探测信号中，当一方接收到探测信号时对数据进行分析处理[4-5]，解析出对方的最佳接收频率集，再结合本地最佳接收频率组成一组最佳收、发异频的通信频率集，如图1所示。

探测接收站点在接收探测信号时除了必须与探测发射站点的时间保持同步外，两者的工作参数也必须保持一致，包括扫频范围、扫频速率、扫频模式和时延[6]。现有的短波Chirp探测发射机从2MHz—30MHz以100kHz/s的速度进行扫描，需要280s（即四分钟四十秒）扫完一轮，单个探测周期设定为一个整五分钟（如：00:00至04:59为一个五分钟），而空闲出来的20s为时延值的设置范围，用于区分各发射站点的探测信息[7]。

3 双向探测处理机制

3.1 串行处理机制

目前的双向探测是串行处理机制，其是由一方先触发双向探测事件，另一方被动回应的机制，其流程如图2所示。站点A在第一个五分钟内接收站点B的探测信号，并计算出一组最佳接收频率集F1={fm}（其中1≤m≤10）；在第二个五分钟内站点A将此组频率集作为短信息加载到探测信号中，站点B在收到站点A发射的双向探测信号之前一直处于等待状态，只有当接收到探测信号并解析出站点A的最佳接收频率集F1后才会计算出一组最佳接收频率集F2={fn}（其中1≤n≤10）；在第三个五分钟内站点B将自身的最佳接收频率集加载到探测信号中，站点A再次接收到站点B发射的探测信号后解析出其中的F2得到一组最佳的收、发异频的频率集。由此可见，串行处理机制完成双向探测耗时约为十五分钟。

双向探测串行处理机制必须在一个五分钟前启动探测扫频事件才能发射探测信号，否则就要等到下一个五分钟，不能做到及时启动发射。一般情况下，发射探测信号时并没有加载短信息，探测信号资源没有完全利用起来，这种探测机制在时间上要求十分苛刻，利用效率也不高。

3.2 并行处理机制

图1 短波Chirp双向探测原理图

图2 双向探测串行处理机制示意图

在优化双向探测处理机制前先对探测发射算法进行改良，将每个整五分钟的起始频率设置为f0，时延设置为t0，扫频速率设置为v，在这五分钟内的任一时刻t对应的频率值f，可以通过公式(1)计算出来，以此解决当超过五分钟时本周期内就无法启动探测扫频的问题。

并行处理机制的原理是每个通信站点在接收探测信号时计算出一组最佳接收频率集Fi={fx}（其中1≤x≤10），在自身启动探测发射时将此组频率集携带收、发站点身份信息加载到短信息中。此过程不需要特殊事件触发，并作为一种常态化的探测发射机制进行保持，其流程如图3所示。通过这种充分利用探测信号和时间资源的处理机制能让对方及时了解自身的最佳接收频率，将一个双向探测周期压缩在一个五分钟内完成。

图3 双向探测并行处理机制示意图

3.3 双向探测耗时数学模型

由于串行处理和并行处理在机制上有很大的区别，因此，相对应地在完成双向探测耗时上也有明显的差别，根据图2和图3中的处理机制分别建立双向探测耗时数学模型。

假设有两个探测站点A和B，扫频速率为v，站点A扫频的起始频率和终止频率分别为fs1和fe1，且fs1＜fe1，时延为Δt1。站点B扫频的起始频率和终止频率分别为fs2和fe2，且fs2＜fe2，时延为Δt2，且Δt1≠Δt2。一个单向探测周期为五分钟，设为T0，站点A和B各自完成一次探测发射的耗时分别为t1和t2，探测站点在接收探测数据后的解析耗时为毫秒级，可忽略不计。

串行处理机制中假设由站点A先发射双向探测数据，完成一轮双向探的测耗时T1为：

并行处理机制中站点A和B均在一个单向探测周期内发射双向探测数据，完成一轮双向探测耗时T2为：

通过公式(2)和(3)可以推断出T1明显大于T2，并利用Matlab仿真软件对扫频速率为100kHz/s，频率范围为2MHz～30MHz，时延范围为0s～20s的双向探测进行了1000次参数随机测试，得出了串行处理和并行处理的耗时情况，如图4和图5所示，可以看出并行处理机制在双向探测中的耗时要远小于串行处理机制。

图4 串行处理机制双向探测数学模型耗时情况

图5 并行处理机制双向探测数学模型耗时情况

4 并行处理机制的验证分析

根据双向探测原理，扫频范围最大单轮发射所需时间最长，在这种极端的条件下，利用时延参数穷举法对并行处理机制双向探测耗时结果进行统计分析[8-9]，验证其数学模型（如公式(3)）的可行性和优越性。

在实验环境中，设定两个通信站点分别为站点A和站点B，由于在第一轮发射探测信号时还没有收到对方实时探测信号，站点A、站点B各自在第一轮中加载的自身最佳优选频率集是根据长期预报计算所得[10]，实验中将两个站点的扫频范围设为2MHz～30MHz，扫频速率为100kHz/s，在扫频速率一定的情况下，扫完一轮所需时间与扫频宽度成正比，测试在扫描最大频段时完成双向探测的耗时情况。

将时延集设置为ΔT={0, 1, 2, 3, …, 19, 20}，站点A的时延为Δt1∈ΔT，站点B的时延为Δt2∈ΔT，且Δt1≠Δt2。先测试Δt1=0时Δt2依次递增的情况，测试完后Δt1再依次递增，按照上一次的测试步骤重新测试，有21组每组20次共计420次验证测试。

穷举Δt1和Δt2的值：

当终止频率fe为30MHz，起始频率fs为2MHz，扫描速率v为100kHz/s时，发射一轮探测数据所需时间设为λ0：

完成一次并行处理机制双向探测耗时T为（单位：分钟）：

依据公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)对并行处理机制双向探测的耗时情况进行统计，其结果如图6所示，在扫频频段最大、时延间隔最大的情况下，完成双向探测才需要五分钟，其他条件下的耗时均小于五分钟，满足在一个五分钟内完成双向探测选频，实验结果充分证明了并行处理机制的可行性和优越性。

5 结束语

图6 双向探测并行处理机制耗时统计结果图

本文以短波Chirp双向探测原理为基础，对当前串行处理机制和探测发射机制进行分析，提出了并行处理机制和探测发射及时响应算法，由试验结果来看，新引入的机制和算法能在一个五分钟周期内完成双向探测，其在效能上提高了三倍。随着短波通信业务的不断发展和需求不断增多，对选频的效能要求也越来越高，短波Chirp双向探测并行处理机制是短波通信链路快速有效建立和维护的重要选频支撑和保障手段，必将在短波通信质量保障中发挥越来越重要的作用。

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Research on High-Eff i ciency Solution Based on Existing HF Chirp Bidirectional Detection

TAN Zhenghui1, ZHANG Xiuqiang2, ZHANG Chunlei3
(1. C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n No.7Re s e a r c h I n s t i t u t e, G u a n g z h o u 510310, C h i n a) (2. T h e F r e q u e n c y Ma n a g e m e n t C e n t e r o f t h e Na v y, B e i j i n g 100841, C h i n a) (3. T h e 722n d Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y C o r p o r a t i o n, Wu h a n 430079, C h i n a)

In order to deal with the long time of the serial processing in HF Chirp bidirectional detection, a comparative analogy was used to investigate the detection transmission algorithm and processing mechanism based on the principle and data of HF bidirectional detection. A solution combined detection transmission timely response algorithm with parallel processing mechanism was proposed. Simulation results show that the proposed solution enhances the ef fi ciency of three times in the bidirectional detection with strong expansibility.

HF bidirectional detection serial processing parallel processing

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.010

T N929.12

A

1006-1010(2017)12-0049-05

谭正辉,张秀强,张春雷. 基于现有短波C h i r p双向探测的高效能方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(12): 49-53.

2017-02-21

责任编辑：刘妙 l i u m i a o@m b c o m.c n

谭正辉：工程师，学士毕业于湖南南华大学计算机科学与应用专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事短波通信频谱管理系统分析与设计工作。

张秀强：工程师，硕士研究生毕业于北京航空航天大学信号与信息处理专业，现任职于海军频管中心，主要从事无线电管理的相关工作。

张春雷：工程师，学士毕业于武汉大学计算机网络专业，现任职于中国船舶重工集团公司第七二二研究所，主要从事舰船通信总体技术设计工作。