认知无线电技术在短波通信中的应用研究

孙明亮，钟卫国，王君荣

(1.驻海南地区军代室，海南海口570206；2.海南宝通实业公司，海南海口570311)

认知无线电技术在短波通信中的应用研究

孙明亮1，钟卫国1，王君荣2

(1.驻海南地区军代室，海南海口570206；2.海南宝通实业公司，海南海口570311)

针对我军短波通信中存在的“选频难”、“用频难”和“换频难”问题，重点研究了宽带射频前端、频谱感知等认知无线电关键技术在短波电台中的应用，着重分析了将认知无线电和实时信道探测技术有机结合，并应用到短波通信设备中实现短波自主选频通信的技术路线，为解决短波通信“选频难”、“用频难”和“换频难”问题提供了技术支撑。

认知无线电；宽带射频前端；频谱感知；实时信道探测；自主选频

短波通信选频困难，可通率低。短波远距离通信主要依靠电离层反射，其特性随时间、空间、环境等变化频繁，可通频段难以把握，随着社会工业化进程，环境噪声、各类干扰愈发严重，可用频率越来越少，电台选频极为困难。现役短波电台通信频率需通过预先设置，部队当前应用的模式是根据频率管理系统长期预报和人工根据经验选择通信频率，该模式需要操作人员具备丰富的工作经验和较高的专业素质，制约了短波通信的广泛应用。实际通信过程中往往会出现固定频率集很难选出可用频率，话音成功率始终在60%～70%之间徘徊，造成了短波通信长期以来“离不了”也“通不好”的不利局面。因此，我们成立课题组，对此进行深入研究，综合运用认知无线电、快速频率探测等技术，实现了短波自主选频，提高了通信链路的可靠性。

1 认知无线电技术

短波频谱资源紧张并且短波通信环境日趋恶劣，但通过研究和试验表明，短波频段仍存在大量的可用频率，该可用频率分布于可通频段的频谱空隙中。将认知无线电技术应用到短波设备中，使设备具备频谱感知能力，实时监控设备周边电磁环境，实现在全频段范围内快速捕获探测信号和频谱空隙。

1.1 认知无线电

认知无线电又称智能无线电，其概念是Joseph Mitola博士于1999年提出的，美国FCC在FCC-03322中建议认知无线电系统具有自适应频谱意识，具备与环境交互并动态改变发射机参数的能力，具备环境频谱感知和通信参数自我修改的能力。认知无线电的显著特征是灵活、智能和可重配置，通过感知外界环境和智能技术从环境中学习，实时改变操作参数，使其状态适应无线信号的统计变化，从而实现随时随地的可靠通信以及对网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想是通过频谱感知和智能学习，实现动态频谱分配和频谱共享。

1.2 认知无线电关键技术

将认知无线电技术应用于短波通信需要的关键技术包括：宽带射频前端技术和频谱感知技术。

1)宽带射频前端技术

认知无线电系统具备宽带频谱感知能力，所以系统的射频前端必须能包含整个工作频带，传统的超外差式结构，接收信号通过滤波、放大、混频和模数转换后进行分析和处理，该系统结构的A/D离天线较远，不适于在短波频段范围内进行宽频带分析。

针对认知无线电对短波的应用，采用零中频接收方案，接收信号通过射频滤波器、带增益控制的低噪放大器后直接进行模数转换，其通用框图如图1所示。其中射频滤波器为2-30MHz带通滤波器；低噪放大器收AGC控制具备不同等级的增益放大，A/D变换器的采样速率超过100MHz，并且采样分辨率为16位。

图1 零中频宽带射频前端原理框图

2)频谱感知技术

频谱感知技术是认知无线电应用的基础和前提，其分类如图2所示，主要分为单节点感知和协同感知，单节点感知只是单个节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性感知；协同感知则是通过数据融合，将多个节点的感知结果进行综合判决。

图2 频谱感知技术分类

单节点感知算法包括能量检测算法、匹配滤波器算法和周期特性检测3种，其优缺点如表1所示：

表1 单节点频谱感知技术的比较

从表1的比较中可以看出各检测算法的优缺点。匹配滤波算法需要节点知道用户信号的信息，检测时间短，但需要先验知识；能量检测无需用户信号信息和先验知识，实现简单，但容易受噪声不确定性影响；循环谱特征检测，节点用户信号具有周期自相关性，可以区别噪声和信号类型，计算复杂度高。应用认知无线电的短波通信节点要求频谱感知能够准确的检测出信噪比大于某一个门限值的用户信号，通常这个门限值较低，应用一种频谱感知算法很难该种信噪比要求。

短波通信系统要求频谱感知具有实时性和精确性，所以在本系统采用能量检测和循环特征谱检测相结合的方法，能量检测的优点是实现简单、计算复杂度低，可以快速实现干扰用户的检测，不足是在低信噪比条件下，信号淹没在噪声里，无法实现信号检测;而循环谱特征检测能有效克服衰落或较低信噪比环境下能量检测的不足，检测精度高，但需要大量数据，计算复杂度高。根据短波信道衰落大、变化快的特点，单独运用任何一种感知方法，都很难满足短波通信系统实时性和精确性的要求。考虑到能量检测和循环谱特征检测的优缺点，把能量检测和循环谱特征检测的频谱感知方法结合起来运用。先通过能量检测的方法快速扫描整个短波频段实现初步感知，获得频段内的能量分布，然后再通过循环谱特征检测的方法进行精细感知，捕获探测信号，这样在一定程度上既照顾到了频谱感知速度，又兼顾到了频谱感知的精确度，便于将频谱感知技术运用到短波通信系统中去。频谱感知模块系统框图如图3所示：

图3 频谱感知系统框图

2 实时信道探测技术

短波信道的时变性要求在进行业务传输前对业务信道进行探测，获取信道质量信息。现有的短波自适应电台依靠联络文件在预先规划的频率组内优选频率，完成自动链路建立。当预先规划的工作组频率不可用时，则无法完成自动链路建立，导致通信联络不畅。基于全频段快速信号分析的实时信道探测技术，采用宽带短波信道机实现对短波频段的宽带信号处理，在此基础上，以高速DSP和大规模FPGA芯片为支撑，通过高性能的数字信号处理算法对接收的宽带短波信号进行信道化和信号分析，大幅度提高信道探测速度，使得信道实时探测系统与短波通信系统的紧密结合成为可能。

实时信道探测中，被叫台不断的对接收到的宽带信号进行快速扫描，若正确接收到探测信号，则向主叫发送探测应答波形，成功建链后即可开始数据传输。实时快速信号分析技术是实现全频段信道探测的关键，对通信信号的快速侦听能力直接影响通信效率，其基本要求是快速地对观测带宽范围内的信道进行探测和评估。为此，根据业务传输性能设计快速探测波形，优化具体实现算法，增强运算效率，提高信号分析能力。

图4 实时快速信号分析处理框图

图4为短波通信系统中实现快速信号分析处理框图，给出了FPGA内部与快速信号分析相关的各组成模块及信号流程图，其中数字频率合成器、乘法器、积分梳妆滤波器及FIR滤波器均由开发软件自带的IP核完成，I、Q两路信号分别进行滑动相关后，逐点进行平方和，并将结果传递给相关处理及门限判决模块，判断是否存在探测波形信号。选择控制模块根据门限判决选择对应的缓存数据，并将其对应的中心频率、频偏及本地扰码提供给DSP。

将认知无线电技术应用到短波通信系统中结合实时信道探测技术实现自主选频短波通信系统。该系统的通信双方无需约定频率，无需其他勤务信道，实现真正意义的自主选频，主呼方选取频率后，无需通知被呼方，即可在新频率上实现通信，被呼方进行全频段信号分析，若正确接收到探测信号，则向主叫发送探测应答波形。该技术具有灵活多样的选频方式，既可以在有先验知识的好频率上实现快速自动选频，也可以在预先规划的频率上实现自动链路建立，特别是在无先验知识及无预先规划的情况下，可通过智能优选频率实现自主选频。

3 试验验证

针对此项研究的关键技术，先后进行了大量的试验，验证了自主选频短波通信系统的实现。其主要试验有：2014年4月进行了南京到海口远距离点对点、群组通信汇报及演示试验。2014年6月，进行了抗干扰试验，面对5千瓦干扰机的强干扰，电台在受到干扰时能自动躲避并寻找到新的可用频率进行通信，体现出了较强的抗干扰能力。2014年8月至9月，进行了执行登岛和驻守等专项任务时的信息通联系统互联试验，该系统主要保障从联指直至单体的各级指挥信息系统的互联。2014年10月，演习电子对抗通信试验，进一步检验了电台在实战对抗过程中良好的抗干扰能力。2014年10月，举行联动信息系统全要素全系统综合演练活动，某短波自主选频电台应邀参与演示，并顺利地完成了执行导演要求的各种通信任务。2015年5月，进行了20W背负对20W背负时进行话音、短信和态势传输业务等演示和试验；同时还进行了通信车与通信车、通信车与20W背负台的语音、数据、行动态势监控通信试验测试。

4 结论

经过大量的试验证明将认知无线电关键技术结合实时信道探测技术应用到短波通信设备中能实现短波自主选频通信的技术路线，较好地解决了短波通信“选频难”、“用频难”和“换频难”问题。目前，某企业研发的两型自主选频短波电台已通过鉴定并得到了应用。

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TP393

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1009-3044(2017)21-0019-02

2017-06-22