海上舰艇短波通信系统应用展望及优化研究

刘锦超

【摘要】    短波通信是海上舰艇使用的重要通信手段，因短波自身特点通信不够稳定，很难满足通信需求。本文针对海上舰艇短波通信应用现状，结合短波通信领域出现的新技术，就如何改进短波通信可靠性、提升舰艇通信保障能力进行了分析研究，提出了解决方案。

【关键词】    短波通信    分集合并    自适应    人工智能

引言：

舰艇在海上航行过程中，受客观条件影响，主要依托无线通信同其它舰艇或岸基指挥所保持通联。在海面常用的无线通信方式中，根据波段划分，主要分为中波、短波、超短波、微波、卫星通信等，在20世纪，短波通信作为主要通信手段，是航海时代除导航仪器外最重要的现代化通导装备。

随着21世纪太空卫星资源的不断丰富和卫星通信技术的飞速发展，卫星通信已越来越成为海上通信的主要手段。但卫星通信的特点决定了在特殊情况下，其受摧毁或故障性中断的可能性较大，短波通信的特点决定了其抗毁性强，且可全球通信，因此近年来关于短波通信技术的跟踪研究又在不断成为热点。

一、当前短波通信存在的问题

海上短波通信是指舰舰、舰岸间利用3-30M频率进行无线长距离通信的总称。因短波通信属于超视距通信，该波段可通过地波或天波的方式进行传输，理论上可以实现全球通信。

但随着无线电频谱技术的发展和舰艇用频装备的不断增加，舰用短波电台通信质量和通信可靠率近年来成逐渐下降趋势。

以我国黄海北部海域使用情况统计，2001年，一部125w短波电台在采用定频通信时，在100-150海里范围内，可通率达到80%以上，话音质量保持在信号3以上;但在实践中对2020年全年舰艇通信质量进行测试，相同功率电台在相同工作模式下，在70海里内仍可保持通信，但可通时间及通信质量均出现了较大幅度下降，在70海里-150海里区间内，可通率仅能保持在20%左右。

此外，随着舰艇用频装备的增加，舰艇各装备间通信互扰现象变得异常突出，因舰艇自身面积狭小，且受隐身技术和舰艇动力、自持力需求持续增加，舰艇天线布设变得异常困难，一艘千吨左右舰艇已部署的各类型天线约20余幅，而短波天线因传输特性所限，往往需要占用较大的占地面积，受舰艇电磁兼容性设计约束，很难利用布设大型天线阵的方式来提升通信质量。

短波通信在海上航行期间主要用于话音和低速率数据通信，因舰艇在海上值勤期间，各种抢险救援、渔业执法等任务需要传递的是现场即时情况通报、多舰艇任务协同，紧急事态应答处置等信息，上述信息对时效性要求较高，话音作为传输即时信息的介质具有天然的优势。但短波通信作为一种变参信道，受地域、季节、气象、波浪等因素影响较大，话音质量普遍较差，在进行通联时更多依赖于电台值守人员经长期训练获得的经验，可以对系统的工作参数进行实时调整。

以前舰艇报务员工作经验都在数十年以上，但随着人员岗位调整和人才流动性加大，电台值守因经验缺乏也面临着越来越多的困难。

二、短波新技术应用研究

为提高短波通信质量，满足海上任务协同通信需求，近年来，国内外在相关领域开展了大量研究，其中短波分集合并技术、频率自适应技术和人工智能认知技术等成为了研究重点。

2.1 分集合并技术

所谓分集，就是将需要传递的信息以空间、频率或时间划分的方式分隔成若干个衰落基本不相关的信号。分集种类包括空间分集、频率分集、角分集、时间分集等。

信号分集后还需要进行信号合并，即在接收端接收到若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。根据位置不同，可分为检测前合并和检测后合并技术。

短波传输信道分为地波和天波两种，其中地波通信主要用于近距离通信，受多径效应影响较大。而天波通信系主要用于中远距离通信，其利用电离层反射实现超视距通信，属于变参信道，信号传输稳定性差。

主要原因是：

1.电离层的变化会使信号产生衰落，在衰落过程中信号幅度和频率会发生相应变化;

2.天波通信也存在著多径效应，会产生频率选择性衰落和多路径延时。

选择性衰落造成信号失真，多径延时使信号在时间维度发生变化，严重限制了短波链路数据传输的质量。

而分集接收可以有效抵消信号衰落、提高系统信噪比。短波分集接收就是利用多个路径或频率、不同到达时间、不同编码或调制等方式去接收含有同一信息的短波信号，并将采集来的多个信号按照某种方法合并后再提取信息。它能利用多路径接收信号的不相关性获取分集效果，有效提升短波台站接收信噪比，从而减小接收信号衰落造成的影响，进一步降低误码率。只要分集接收的几个信号之间是相对独立的，则经过适当合并后就能使通信性能大为改善。但分集设计方案不够优秀，也可能无法正常解调电平很高的信号，因空中信道传输带来的的信息错误也得不到有效抑制，通信质量没有保证。

如舰艇编队在同一海域共同执行任务时，指挥舰需与岸基指挥所进行通信联络，在不改变现有短波台站部署前提下，可通过编队内多部电台联网方式，同时发射、接收同一信号，采取分集合并技术进一步提升短波通信质量;岸基台站则可采取多台站组网方式提高分集接收能力。

2.2  频率自适应技术

短波通信频率使用范围有限（约27Mhz），为满足全球各行业通信需求，信道拥挤状况突出。受天气、地域、潮汐、电离层变化、海浪等多种因素影响，短波通信使用的频率对通信影响非常大，甚至白天与夜晚的用频也呈现完全不一样的特点。

通过使用实践来看，选择合适的短波通信频率能大大提升通信质量。但受限于操作人员技术水平，很难保证在海上航行期间动态选择理想的通信频率，通常预置的都是在舰艇离港前进行测试后固定使用的频率。

频率自适应技术是指通信过程中，自动寻求最佳的通信频率，这些频率不仅要考虑传播可靠度，即信号强度，还要考虑噪声和干扰等其他一些因素，而且选定后就用此频率进行通信。

海上可利用频率自适应技术提高短波通信保障能力，通信双方准备开始短波建链时，短波电台先选择在某一预置的频点同时正常工作，同时周期性扫描其它多个预设频点的信道衰落特征，经过一定规则的比较选择，选择当前时刻传输损耗最低的频点作为下一时刻的工作频点，同时利用已建链路实时通知对端，两方在预定的换频时刻均同时跳转到新的发射或接收频点，从而使通信信道始终工作在损耗最小的最佳频点上，确保通信链路始终处于最大信噪比裕量储备中。

2.3人工智能认知技术

人工智能作为近年来最流行的学科，正在快速应用发展中，在通信领域将传统的通信技术辅助人工智能认知学习，将能为短波应用带来极大的性能提升。

人类认知信息的感知原理是认知系统最神秘和最特殊之处。智能认知技术即通过模拟人工神经网络进行深层次的机器学习，使机器自操控能力达到与人工操作同样的目的。

传统短波电台中传感器的测量范围与测量精度是固定的。人类感知环境的能力与传感器不同，能够根据感知的目标和关注点实时调整感知范围和感知精度，即变换感知精度，以提高感知能力。

通过对人类心理、大脑在听觉尺度影响研究发现，人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。在正常声域范围内，听觉的主观感受主要有音色、音高、响度等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。其中音色、音高、响度可以描述成传统电台可以实现的相位、频率和振幅三个物理量，而在多种音源的场合（如舱室中嘈杂的机器声音），人耳掩蔽效应等特性更重要。人脑可以做到选择性关注，利用双耳接收的相关性交叉信号，在嘈杂环境中对需辨别声音的感知能力会得到显著增强，在国外的实验模型模拟中，能得到5db左右的增益提升。

在新型短波电台设计研制中，可增加自主学习模块，利用人工智能认知技术改进语音识别能力，依靠系统自身的短波信道实时认知技术和短波通信波形的多维域自适应传输技术，提高电台工作效率。

利用分集技术接收的多路语音信号，模擬双耳效果，通过深度学习强化特征提取和声音规整能力，不断提高话音质量。建立短波工作参数业务数据库，通过对海上航行期间短波通信数据的不断积累，实时动态调整工作频率、传输速率、发射功率、调制/编码类型等工作参数，实现短波自适应无损伤切换。通过智能优选，可达到提升通信带宽、减小发射功率需求、显著提高链路可靠性的目的。

2.4 其它新技术应用

随着信息技术的不断进步，短波通信在天线、材料、电台复用等方面也出现了诸多新技术。如在天线层面，短波天线由独立使用、只具备窄带通信能力向向实现天线孔径共用、天线集成、天线与上层建筑共形设计和集成发展。

在天线材料的选择方面，考虑到海上高盐、高温、高湿环境，可通过选择强度高、质量小、性能优异的材料降低传输损耗，提高传输能力，如左手材料、碳纤维材料、超磁性材料的应用，在电台元器件的选择方面，可考虑氮化镓等新型半导体材料的应用，以提高设备的状态稳定性和抗干扰能力。

在电台复用方面，基于软件无线电技术和网络技术应用，短波电台也将由单一频段、单一功能专用射频设备向多频段、综合功能射频设备转变，向射频资源实现共用和统一调度发展。

三、结束语

舰艇在海上面临着与陆地完全不同的通信条件，只能依托无线通信来实现。为强化舰艇在复杂电磁环境下的通信保障能力，在卫星通信尚不能完全满足通信需求的基础上，亟需利用最新技术改进优化短波通信能力，让舰艇在大海中不再迷航，让短波通信真正成为可靠的保底通信手段。

参  考  文  献

[1]张涛，刘莹，孙柏昶.对流层散射通信及其应用[M]. 北京：电子工业出版社，2020.

[2]任顺平，陈涛，王乾. 认知信息系统原理——人工智能基础理论[M]. 陕西：陕西科学技术出版社，2019.

[3]马云龙.基于复杂电磁环境学习的自组织无线通信建链与智能抗干扰技术及其系统实现[D]. 南京邮电大学，2020.