复杂电磁环境下的短波频谱感知技术

张福宝

（武警士官学校，浙江 杭州 310000）

0 引 言

随着科学用频、感知作战态势日益重视，短波通信系统亟待更好地适应复杂电磁环境、提高信息传输的稳定性和准确性。因此亟需提高短波信道的利用率，实现在复杂的信道环境下感知闲置的频谱信道资源，快速提升短波通信效能[1]。

1 复杂电磁环境下短波通信的基本特性

短波通信可用频段窄，信道较为拥挤，易受干扰信号的影响，同时在通信过程中，因电离层所处位置和浓度的变化，也会导致传输信号不稳定、通信质量不佳，然而在复杂电磁环境下短波通信的基本特性主要取决于短波通信的传播方式和传输影响。

1.1 短波传播方式

短波通信由于沿地表传播，受地面特性影响较大，衰减严重，主要依赖高空电离层反射实现远距离通联，按其传播路径划分，主要分为短波地波通信链路和短波天波通信链路，图1为短波通信链路示意图。

图1 短波通信链路示意

1.1.1 地波通信链路

电波传播信号频率与其能量损耗呈正相关，适用于相对较短距离的通信方式，地波传播信道相对较为稳定。

1.1.2 天波通信链路

天波是一种通过高空电离层反射传播的无线电波。电离层大致分为D、E、F三层，其中F层又分为F1和F2两层。白天夜间F层有所变化，导致昼夜使用的频点不同。天波传播无法使用过高或过低的频点，超过区间范围时，会导致信号被电离层吸收或者穿透电离层，因此天波传播信道会对信号产生影响，且不稳定。

1.2 短波传输影响

短波通信的传输影响主要包括多径效应、衰落、多普勒频移、相位波动和频谱扩展，对短波信号的传输有不同程度的影响。

1.2.1 多径效应

由于短波信号从发射机到接收机会经过不同路径和不同时间延迟来完成信号的传递，而这些信号利用不同途径传播至接收端会影响信号传输时间、相位等参数发生偏移或变化，导致信号传输不稳定。

1.2.2 衰落

在短波传播过程中，接收方接收到的信号强度具有随机性，由于呈现时间的不同，在复杂的电磁环境中，当电离层稳定时，短波通信因为衰落现象无法获得相对稳定的信号，主要依靠改变发射频率、提高发射功率来解决衰落现象所导致的问题。

1.2.3 多普勒频移

电离层是短波通信系统传播的重要信道，电离层的反复频繁变化也会影响短波信号的传输路径和相位变化，造成多普勒频移。

1.2.4 相位波动和频谱扩展

相位随时间的无序变化，造成短波相位波动和频率波动。一般情况下，短波频谱扩展在1 Hz左右，最大可达10 Hz。

短波通信应根据短波的基本特性，选择通信效果最好、干扰最小的频率点，亟需规避各种干扰引起的风险。

2 提升短波通信效能的关键技术

短波通信需要克服盲区及其基本特性的影响，还需要选择通信效果最好、干扰最小的频率来保证通信联络，亟需提升短波通信效能，提升短波通信效能的方法主要有3大类，分别是短波自动链路建立（Automic Link Establishment，ALE）技术、短波增大发射功率技术、短波认知无线电技术。

2.1 短波ALE技术

短波ALE技术是传统提升短波通信效能的关键技术之一，通过对信号的选频、评分、排序等变化来提高通信效能。经过几代人的发展，仍然对短波通信性能优化发挥着重要作用。然而，目前的ALE技术仍然存在多台站无法与相同频段、相同区域相互协调的问题。当可用信道数较多而电台数目较少时，多台之间的频率使用冲突和电台相互干扰不显著；当可用信道数较少而电台数量较多时，多个台站发起同时检测和呼叫时，会发生频率冲突，导致多个电台无法建链的情况发生。因此，短波ALE技术在同一频率上相互干扰的风险是不可避免的，也反映出短波频谱利用率低的问题。

2.2 短波增大发射功率技术

为了提升短波通信效能，在复杂的电磁环境下，通常采用增大发射功率的方法。但是，增加发射功率会对其他电台造成干扰，会使更多的站点及电台难以通信，甚至无法通信，甚至会影响和干扰其他的通信设备。

2.3 短波认知无线电技术

认知无线电能够实现短波通信的感知、重塑和接入，实现短波频谱的实时感知、频率管理和信道选择，实现快速链路建立和链路维护，与传统的抗干扰手段相比，它能更好地适应复杂的电磁环境[2]。

认知无线电作为软件无线电的延伸，对提升复杂电磁环境下的短波通信效能具有重要作用和意义[3]。其中，频谱感知技术能够快速、准确地检验目标频段是否处于空闲状态，从而确定是否可以利用该信道，为后期频谱管理和频谱共享做好对周围电磁环境感知、分析的准备工作。

经过对提升短波通信效能的关键技术的梳理，发现当前主流方法包括短波ALE技术、增加发射功率和认知无线电技术3种。其中前2种方法是传统的短波通信技术，以选择更好的频率信道，来提高通信频率的信噪比。最后一种方法能够实现对短波通信所使用的频率进行感知和获取，为当前短波通信转型发展问题研究提供了新引擎，对解决复杂电磁环境下短波通信效能低下问题提供了新思路。因此，研究频谱感知技术的短波通信中在运用是解决短波信号传输不稳定、通信质量不佳等问题的重要方向。

3 复杂电磁环境下频谱感知技术的运用

频谱感知技术的主要原理是依靠算法快速检测各个频率点的干扰，感知该段频段内的短波信号是否被利用，然后选择相对适宜的频点进行通信，是一种避免干扰较为可靠的方法。频谱感知技术的运用在于“感知”，主要通过对收发过程中电台信号进行数据采集、分析、处理，判断信道中是否有其他电台占用该频段，图2为短波频谱感知系统原理示意图。其中，较为常用的感知方法主要包括匹配滤波、能量检测、循环特征检测、波形感知，均适用于发射端感知。

图2 短波频谱感知系统原理示意

3.1 匹配滤波法

匹配滤波法对短波台站的已知经验要求比较高，需提前存储干扰信号相关的先验知识，并且设置相对应的接收检测端。匹配滤波器法利用干扰信号的调制方法、脉冲形状、封装格式等知识来获知最佳的信号,根据不同的接收信号来设计不同的过滤器，实现匹配滤波检测。

3.2 波形感知法

波形感知方法根据已知信息产生局部信号，一旦本地信号出现错误会导致波形检测的失误，具有一定的局限性，较为依赖于已知信息。

3.3 能量检测法

能量检测法是通过数据采集时功率大小来对短波信号进行感知，较为简单实用，具有普遍性，能够适用于复杂的电磁环境，无需提前知道先验知识，能够实现信号的快速感知。缺点是对硬件设施要求较高。

3.4 循环谱特征检测

循环谱特征检测方法利用循环平稳特性感知复杂的电磁环境下的短波信号。具体实现如下：建链之后，利用循环特征检测持续对通信链路进行检测，一旦检测到出现干扰信号，就利用可重构性，在不中断通信的情况下，调节发射机的工作参数，从而避免干扰因素对通信的影响。

4 复杂电磁环境下频谱感知技术的适用性分析

在实际应用中，短波终端设备复杂度高、干扰因素较多、工作方式繁杂，这种情况下就需要对复杂电磁环境下频谱感知技术进行适用性分析。

4.1 适用特点分析

在复杂的短波电磁环境中，干扰信号的模式复杂多样，难以提前知悉干扰信号的参数，而设计一个包含所有干扰信号的接收模块的复杂性太高，依赖于先验知识的匹配滤波法和波形感知法难以普遍适用，不需要依赖干扰信号先验信息的能量检测和循环谱特征检测，具有良好的通用性，可应用于任何频段的感知。

4.2 传输信号分析

一个短波电台规定占用3.7 kHz带宽，因此可以采用3 kHz基本短波频宽信号进行感知。具体感知过程为：将短波干扰信号调制之后进行发射，通过接收端感知到经过电离层反射传送来的信号，对其分析和特征提取，选取相对适宜的频段通过管理模块对信道进行划分，同时衡量信道的通信效果，以此来检测空闲通信信道，动态调整接入策略，最终完成短波通信的主动选频。

4.3 综合对比分析

循环特征检测法具有噪声影响小、信噪比低的特点，在复杂环境下仍能够感知到信号的存在、分辨信号的特性，充分利用循环特征检测可分辨信号的优点，克服耗时长的缺点。这种方法能够在未知状态下解决衰落和能量检测在复杂环境下检测效能低的问题，感知能力较好，缺点是需要大量数据才能实现准确感知，计算量也比较大。

综合考虑，能量检测法可应用于短波信号感知。与能量检测相比，循环特性检测需要采样较大的数据量，复杂度较高，综合对比分析结果见表1。循环特性检测不需要干扰信号的先验知识，能在一定程度上解决衰落或低信噪比环境下能量检测的问题，有效分辨出噪声信号与干扰信号，从而提高短波通信效能。

表1 综合对比分析

5 复杂电磁环境下频谱感知研究展望

5.1 目前研究中存在的矛盾与不足

短波通信中干扰信号复杂多样，抗干扰方式无法满足对抗所有的干扰的需要，不同类别的干扰方式也在不断发展，虽然有扩展频谱技术和非扩频类技术的发展，但是仍无法全面克服干扰因素。目前传统的能量检测法在短波信号检测中性能较差，利用空间分集技术对传统能量检测进行改进，空间分集增益可有效地对抗短波信道的快衰落，改善传统能量检测的性能，缩短感知时间。然而，空间分集增加设备成本高，对天线长度以及相互之间的距离有较高要求，算法的复杂度也进一步增大。

5.2 未来发展方向

动态频谱抗干扰是提高信道频谱利用率，增强抗干扰性能的重要手段，是未来发展的重要方向[4]。基于人工智能的频谱管控也是电磁频谱领域的重要研究方向，对解决具有挑战性的基础理论问题和关键技术难题有帮助[5]。认知电子战具备较强的电磁环境感知能力、自主学习推理能力、自适应干扰决策能力和干扰效能在线评估能力，在未来战争或将发挥更大作用。