船舶无线通信系统抗干扰技术研究

安少明

（中国人民解放军四八〇五工厂军械修理厂，上海 200439）

0 引言

在相对空旷的海洋航行中，由于缺少必要的有线通信手段，无线通信成为大多数船只普遍采用的技术之一，然而，无线通信技术是以电磁波的空间传递为支撑，而电磁信号的固有属性导致其极易受到其他同类型电磁波的干扰，从而影响船舶通信质量，甚至会威胁到船舶航行安全[1]。然而，船舶无线通信系统干扰的形成机制较为复杂，不同干扰的应对策略存在一定的区别，针对船舶工况环境的特殊性，通过优化无线通信系统架构设计、干扰源控制等多元化的抗干扰措施，以提高船舶无线通信系统的可靠性和稳定性。

1 船舶无线通信技术概述

基于海洋环境的特殊性，船舶在远洋航行过程中无法依托有线方式进行通信，因此，无线通信则成为船舶远洋航行中较为常见的通信技术手段。无线通信技术出现时间较晚，人类历史上真正意义的第一次无线通信出现在19世纪70年代末，随着无线通信技术的不断发展，无线通信系统在能耗、通信距离、通信质量等方面得到了显著改善，船舶无线通信技术得到了普及，并实现了局域无线通信系统和广域无线通信系统等多种无线通信机制，有效保证了船舶在对岸、对海通信的可靠性。

2 船舶无线通信系统构成

在系统构成方面，船舶无线通信系统在架构方面的改动相对较少，并且，由于海洋环境中遮蔽问题相对较少，以及考虑到远距离通信的需要，船舶无线通信系统多采用短波技术，其系统构成如图1所示。

图1 船舶无线通信系统架构示意图

船舶无线通信系统可分为“五大模块”与“五大单元”，不同模块和单元的功能情况如下。

首先，“五大模块”。移动通信模块主要协同信息输出单元对语音、文字、图像等进行后端传输；数据存储模块负责记录船舶无线通信系统所传递的相关信息；卫星定位模块用于定位传船舶位置，并将位置信息以地址戳的形式伴随发送[2]；平台位姿模块负责测量通信天线等发射平台姿态，通过反馈调节，使其维持最佳的发射姿态；能源协同模块能够科学调配船电与备用电源的供电。

其次，“五大单元”。中央处理单元可实现信息高速处理，降低信息失效概率；信息录入单元能够完成语音、文字、图像等类型信息的录入；调制解调单元主要负责调制与解调两个阶段，调制主要是将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号，而解调则是在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号；信息输出单元将信息按照调制后的格式通过无线通信系统输出；信息显示单元将信息按照解调后的格式进行输出并显示。

3 船舶无线通信系统常见干扰分析

无线通信技术原理相对较为复杂，基于船舶无线通信系统工作环境的特殊性，以及无线通信系统在技术原理上的局限性，导致船舶无线通信系统存在以下几种较为常见的干扰类型。

3.1 同频干扰

根据无线通信技术原理，当干扰信号与真实信号所采用了的载波频率相同时，接收机将同时接收干扰信号和真实信号，相关信号进入调制解调环节后对通信质量造成不同程度的影响，甚至会将真实信号淹没掉。

由于船舶航行过程中周围电磁空间主要依托自身无线信号源所构建，因此，同频干扰问题的出现多与无线频率管控与电磁兼容设计等有关。基于同频干扰的这一特点，则为干扰源的查找提供了便利。

3.2 邻频干扰

相比较同频干扰来说，邻频干扰则是指干扰信号的载波频率与真实信号的载波频率相邻，由此导致干扰信号的载波功率部分落入接收机中，并对接收机中的真实信号产生一定的干扰。

从效果来看，相邻干扰对通信质量和可靠性的影响相对较小，但是，当干扰信号边缘功率与真实信号峰值功率的比值较大的情况下，干扰信号所造成的影响则不容忽视。由于邻频干扰的频率范围无法确定，这对寻找干扰源带来了一定的困难。

3.3 交调干扰

在船舶无线通信系统中，同频干扰和邻频干扰现象较为常见，并多为外部干扰源导致，在干扰源的排查方面也相对较为简单[3]。然而，交调干扰则是在通信系统在对不同频率信号进行调制的过程中，最终形成的载波信号与该通信系统自身接收机的工作信道带宽相似，信号频率的功率对接收机产生感到。

交调干扰多发生在数模共站的情况下，交调干扰在效果上极易被误认为邻频干扰，且故障难以复现，从而导致相关干扰源无法在短时间内进行定位。交调干扰所造成的影响较为严重，由于占用了接收机的信道资源，无线通信系统的工作效能将明显降低。

3.4 杂散干扰

由于船用无线通信系统内部设计缺陷，在部分元器件的选用方面无法适应多频同时共用的，在此情况下，在无线通信系统工作过程中，由于无法实现对一次谐波、二次谐波等高次谐波进行有效滤波等问题，导致发射机同样将以上谐波发射出去，从而在真实信号的基础上，叠加了大量的杂散信号，对通信质量造成了一定程度的影响。

从杂散干扰的形成机理上可以看出，一次谐波、二次谐波等在特征参数上与真实信号的相关要素的构成极为复杂，在缺乏有效滤波的情况下，杂散干扰信号的功率也将随之提升，由此降低了船舶无线通信系统的可靠性、

4 船舶无线通信系统抗干扰技术分析

无线通信系统的可靠性和稳定性将直接关系到船舶航行安全，尤其是对于较为繁忙的航线、港口等，有效的抗干扰技术能够保证船舶航行数据的准确传输，从而为船舶航行调度提供参考。针对船舶无线通信系统常见干扰类型，以及结合无线通信干扰现象的形成机制，可采取以下几种典型抗干扰技术进行应对。

4.1 扩频抗干扰技术

针对同频干扰的问题，是由于船舶通信系统在频率资源管理方面集中使用某一频段所导致，为能够完成真实信号的高效传输，则需要通过扩频抗干扰技术对发射端传输信息进行扩频编码调制，从而避免在单一信道内发生同频干扰现象，减少相同信道内的频率的重叠区域，弱化谐波功率的相互影响[4-5]。为配合扩频抗干扰技术的应用，在接收端还需要采取同样的扩频编码机制进行解调，从实际效果来看，扩频抗干扰技术还能够在一定程度上弱化邻频干扰现象。根据扩频抗干扰技术的具体实现路径，其主要分为直序扩频、跳频扩频两种。

4.1.1 直序扩频

扩频抗干扰技术能够有效实现基带数据增容，将真实信号以外的信号通过噪声生成器进行处理，处理后的信号序列与通信系统基带脉冲数据相乘，如此，则形成了新的信号序列。

图2 直序扩频原理框图

由于直序扩频技术能够将真实信号的功率谱密度进行离散化处理，利用信号序列的重新生成规避相同频率信号之间的干扰。然而，直序扩频依托PN码生成器进行信号序列的二次处理，所以秩序扩频技术是在设计端对无线通信系统进行调整，并科学设计发射端与接收端的信号调制、解调模块。

4.1.2 跳频扩频

相比较直序扩频，跳频扩频在对真实信号功率谱密度进行离散化的同时，按照一定编码规律在功率谱上进行跳动，而这一过程就被称为跳频扩频。真实信号在经过PN码生成器处理后，发射频率的功率谱也将随着频率的变化而变化，从而能够应对包括同频干扰、邻频干扰等大多数系统外部干扰现象。针对跳频发生的速率差异可以将其分为快跳扩频和慢跳扩频，而跳频扩频中频率发生速率则取决于FN码生成器对频率的最小分辨力、信息类型、处理器性能等，甚至干扰源的距离也会对跳频速率产生影响。

综上所述，船用无线通信系统的扩频抗干扰技术在效果上能够应对大多数无线干扰，但实现方面则存在一定的难度，所以，扩频抗干扰技术在船舶通信系统中多用于应对外部电磁空间的通信干扰，如同频干扰、邻频干扰、交调干扰等。

4.2 电磁空间分割技术

无线通信系统内部干扰现象较为普遍，且缺乏一定的规律，这为电磁干扰源的排查带来了巨大困难，同时，这也突出了无线通信系统内部干扰现象的特征。为应对此类干扰，多采取电磁空间分割技术，如电磁屏蔽技术、智能电磁兼容管理技术等，以保证船舶无线通信系统工作状态。

4.2.1 电磁屏蔽技术

所谓电磁屏蔽技术，是指在无线通信系统设计过程中的电磁屏蔽工艺的应用，从而使无线干扰源所产生的电磁波能够控制在一定范围内，使无线通信系统内部空间电磁环境更加纯净。电磁屏蔽技术主要针对杂散干扰有着明显效果。例如，交流电机在工作过程中所形成的电磁空间可通过电磁屏蔽技术进行约束，从而避免此类信号多次谐波对无线通信系统的干扰。

4.2.2 智能电磁兼容管理技术

智能电磁兼容管理技术是在传统电磁兼容技术的基础上，实现无线通信系统频段的全域智能管理。该技术能够就无线通信系统发射频率、功率谱的具体情况，对存在相互干扰的局域、广域无线通信系统工作状态进行干预，从而在保证船用无线系统最大工作效率的基础上，减少因同频干扰、邻频干扰对通信质量造成的影响。

5 结语

船舶无线通信系统抗干扰的形成机制具有多元化、复杂化的特点，在处理过程中的难度有着一定差异，针对性的抗干扰技术研究能够实现特定干扰源的控制。除以上几种常见抗干扰技术外，组合集成抗干扰技术、自适应抗干扰技术等是在传统无线通信系统抗干扰技术的基础上，融合人工智能等技术提高无线通信系统的容错能力，强化船舶无线通信系统的抗干扰能力，以保证船舶航行安全。