复杂电磁环境下提高超短波通信质量策略分析

董良才,杨 豪,梁 芬

(1.中国船舶集团有限公司第七二二研究所,湖北 武汉 430000;2.上海五蕴信息科技有限公司武汉分公司,湖北 武汉 430205)

0 引言

复杂电磁环境会严重影响超短波通信质量,为了确保船舶能够实现正常通信,应当针对性地采取相应的抗干扰措施,以有效应对复杂电磁环境,提升超短波通信质量。

1 短波通信系统及超短波传播特性

1.1 短波通信系统

相对于其他的通信系统,短波通信系统整体呈现出更小的体积以及较强的机动性,其实际应用的过程并不会占用过大面积。 与此同时,其通信距离也较远,有着极为广泛的应用范围,能够极大地提升经济效益。除此以外,将短波通信系统与计算机充分结合可以在原有基础上提高数据信息传输效率及稳定性,为船舶行业的发展奠定坚实的基础。 从实际情况来看,短波通信系统目标较小,若产生不利因素,往往会影响短波通信系统台站的正常应用。 整体来看,短波通信系统有着极强的抗毁性,且短波通信系统的运维成本不高,资金投入需求相对较低,使得短波通信系统的未来优化动力充足,有利于提高其经济效益。 短波通信系统具有优质的抗干扰能力,能够依据外界实际变化情况,科学有效地调整系统的运行,确保短波通信系统具有较强的适应性,为其高效运行奠定坚实的基础。

近年来,各种新兴技术开始融入短波通信系统,包括差错控制技术、数字信号处理技术及自适应技术等。 这些技术的合理应用能够有效缓解系统固有的局限性。 短波通信系统能在系统优先级变化的基础上实现对短波资源的动态调整,能够切实保障系统的高效运行。 除此以外,短波通信系统的应用能基于时间采取科学有效的调整措施,确保其运行模式同步,充分体现短波通信系统的实际应用价值,因而具有一定的市场竞争力。

1.2 超短波传播特性

1.2.1 视距传播

视距传播指无线电波在可见距离范围内的传播,其传播路径不存在阻碍。 超短波受到自身较高频率的影响,能够有效穿透电离层。 因此,不能够使用电波方式进行传播。 超短波有着相对较短的波长,在沿着地表进行传播的过程中将会遇到较大的电流,呈现极快的衰减速度。 在此过程中,地形同样会在一定程度上影响地面反射波。 基于此,超短波难以在地点波的基础上达到远程传输的效果,超短波的应用基本上是依靠空间直射波进行通信,属于视距传播[1]。

1.2.2 散射传播

无线电波能够基于对流层散射,进而向更远的范围进行信号传输,自动传播方式本质上是散射传播,大气层始终处在运动的状态下,在空气中的空气折射指数呈现不均匀的特点。 与此同时,还会实时动态变化,使得无线电波产生折射现象。 在对流层散射的基础上满足通信要求,无线电波频段主要由两部分构成,分别是超短波和微波频段。 二者均不能够通过电离层反射,仅能够通过对流层散射,且只能作用在超短波和微波视距传播上,并不会对其他频段产生散射作用。

1.2.3 绕射传播

无线电波在进行传播时,若是遇到有着相对较大体积的障碍物,超短波能够自动绕过去并继续进行传播。 在传播超短波的过程中,如果遇到障碍物,障碍物将会吸收部分能量,还有部分能量则被反射,所以仅存在少部分超短波能够达到绕过障碍物的效果,构成一定的阴影区。 频率越高则代表超短波有着较差的绕射能力,能够跨越的障碍物便更小。 结合有关调查研究能够发现,当超短波在150 MHz 以上的情况下,大多仅能够沿着直线传播,未展现出更强的电波绕射水平。

1.2.4 传播分区

当处在视距范围内时,超短波能够在空间直射波形态下实现传播。 反射波的存在势必会在一定程度上对超短波的实际传播过程产生影响,进而出现干涉区。 一旦没有维持在视距范围之内,超短波便能够通过绕射传播方式的应用实现传输。 在此时,这一区域属于绕射区域,而超短波通过散射方式的应用可以达到远距离传输的效果,这一区域则属于是散射区。

2 超短波通信质量的影响因素分析

2.1 频段因素

超短波自身的通信质量不可避免地会受到多方面因素的影响。 其中超短波有着独有的使用范围,这也在一定程度上决定了若是采用规定通信的方式,则势必会提升其通信质量。 但若是移动通信所处的环境面临着电磁所造成的干扰,便会产生一定的多径衰落现象。 有诸多因素如电磁因素会对频段产生影响,具体包括电磁脉冲干扰以及环境电磁干扰等[2]。

2.2 距离限制

超短波不仅可以使用对地的方式进行通信,还能够在空中实现通信,距离的限制会影响超短波通信的质量,例如若是采用舰载或者是车载电台,那么其发送距离便能够达到十几km 或者是几十km,但如果所使用的为机载电台,那么其通信距离则能够高达100 km 左右。

2.3 战术协同通信

战术协同通信作为军事通信的重要组成部分,在实际实施的过程中经常会涉及超短波通信的应用,这一环境下有着更为严重的电磁干扰问题。 通常情况下,协同通信都是运动通信的状态,超短波会同时进行手法通信的工作,但这种通信会增加出现电磁波干扰的可能性。

3 复杂电磁环境对超短波通信装备效能的影响及适应性评估

3.1 影响

针对超短波通信装备而言,能影响其正常运作的复杂电磁环境很多,既包括频带内信号环境,还涉及频带外信号环境。 在复杂电磁环境中,互调干扰是其中比较关键的组成部分。 例如,在同一个接收机输入端中,若是存在两个或多个干扰信号的接入,而干扰信号面临着接收机非线性影响,那么便会产生混频的现象,进而滋生互调干扰信号。 但从实际情况来看,这种互调干扰信号的频率基本上同有用频率相近,会影响装备的正常通话,极大程度上增加设备损坏及信号失真的可能性。 镜像频率同样会造成电磁干扰,主要是受到前段滤波器的影响,若是其选择不足,便会影响镜频信号的抑制效果,进而形成中频干扰信号,严重制约后端解调成效。

如果接收机前段电路本身选择性相对较差,有可能会产生中频干扰的现象。 这主要是因为在这种情况下,中心频率干扰信号能在混频器中直接通过。 与此同时,信号不会进行变频,接收信号会面临着较大的影响。 若想切实展现出其对于中频干扰的抑制作用,多数情况下要保障其灵敏度处在80 dB。 邻道干扰主要指相邻以及邻近频道之间所产生的干扰。 邻道干扰常发生于超短波通信设备当中,邻道干扰的产生直接受到跳频信号频谱的影响。 边频分量会在一定程度上造成邻道干扰,而对于跳频信号而言,其中涉及诸多边频分量,这也说明了电磁干扰的严重程度。 同频干扰主要是指在频率相同无用信号所带来的电磁干扰问题,例如,多部通信终端有可能会使用同一个频率进行工作,相同频率的信号将会在同一时间进入接收机,这会在一定程度上加剧同频干扰对超短波通信设备正常运行的影响[3]。

3.2 适应性评估

3.2.1 评估流程

相关工作人员在对适应性评估指标进行选择的过程中,应当严格按照客观、可测、完备以及独立等原则,为后续评估工作顺利开展创造良好的条件。 在这一过程中,工作人员在选取完备性指标的过程中,应当最大限度地减少评估片面性现象的产生。 独立性则要求各个指标之间不会出现相互交叉的现象,可测性则更加侧重于确保指标能够达到良好的量化效果,同时呈现更加稳定性的特点,客观性代表则其指标的定义具有较强的规范性以及标准性。 为了能够更好地对其递阶结构进行确定,本文主要通过层次分析法的应用对目标层和指标层进行确定,工作人员需要先提取相应的评估指标,再结合实际情况选取指标权重标度模型,科学构建指标判断矩阵,完成指标权重的计算工作之后,便进入一致性检验的环节,针对相应的数据展开全方位的分析处理工作,最终获得具体的评估指标值以及评估目标值,对其进行评价工作。 在此过程中应注意确保其评价工作能够充分考虑不同类型的超短波通信装备。

3.2.2 指标权重

在指标权重方面,本文主要基于1-9 标度法对指标间的重要性展开对比工作,进而同测试数据展开结合,获取各指标的权重标度情况,并针对指标权重展开一致性检验工作,公式如下:

式(1)中的n 和λmax分别代表的是矩阵秩、矩阵最大特征解,按照上述工序对第一层指标的上层指标展开计算能够得出如下公式:

基于第二层指标对其上层指标展开计算,得到公式如下:

基于此,可以通过式(8)计算相应的评估目标值:

在上述公式中,Ci为指标权重,C1为噪声调配信号,C4噪声调频信号,C5为AM 信号,C6为FM 信号。B1为互调信号干扰,B5为同频信号干扰。 W 为各评估指标所占权重。

3.2.3 通过超短波通信信号采样

结合采样定理能够明确,针对频道限制为(0,fn),模拟信号为(x,t)以及采样率是fs=2fH的应当实施等间距采样,采样所获得时间离散信号表达式如下:

以便于在采样值的基础上恢复原始信号。

从频域分析的角度出发对Nyquist 的采样定理进行分析,x(t)代表的为原始模拟信号,而x(w)所指的是频谱函数,单位冲击函数如下所示:

在式(11)公式中:

用式(13)表示上文频谱函数为:

根据式(13)能够得出,在xT(w)中涉及多个ωs原始信号。

4 复杂电磁环境下提高超短波通信质量的抗干扰措施及发展趋势

4.1 抗干扰措施

4.1.1 数字化中频

数字化中频技术的应用能够实现多种调制解调方式,还可以根据应用场景的变化达到可变中频带宽的效果,进而提高数据服务成效,并且还是自适应信号处理的重要举措。 在驻留时间范围内针对中频信号展开频谱分析工作,了解在特定位置上位置功率谱密度,获取相应的信干比。 非线性调制的信号干扰将会直接呈现在解调信号眼图上,工作人员可以对基带信号相位的模糊程度进行测量,进而获取所处频点的实际质量。 在得到最终检测结果之后需要实施动态地更新调频频率计,将那些质量相对较差的点去除,进而为通信链路质量提供全面的保障。 此外,还应当引入非对等时分双工机制,同时建立起相应的修正频率表。

4.1.2 Ad hoc 网络

Ad hoc 网络本质上是一种特殊对等网络,主要应用在无线通信领域。 在应用过程中可以在多跳转发的基础上建立相应的无线自组织网络架构。 当前,其已经在超短波通信领域实现了广泛应用,是近几年网络级抗干扰通信领域至关重要的成果之一。 Ad hoc网络在网络架构方面可以使用分级结构,可以充分同战术智慧通信架构的实际情况相适应。 在媒体访问控制方面,可以根据实际情况采用同步正交调频组网与MACA 协议相结合的手段。

4.1.3 混合技术

当工作人员实际应用无线通信抗干扰技术时,大多会对各种类型的技术进行混合应用,这样能确保突破单一应用的局限性,展现更加良好的抗干扰能力。例如,直接序列以及跳频技术等常见技术。 与其他技术相比,混合技术的抗干扰能力要更加优良。 这主要是因为,针对不同的抗干扰技术,其所具有的优劣势都各不相同,但若是能够将两种或者是多种抗干扰技术有效混合起来,便可以在充分展现其各自优势的基础上克服不足之处,以促进其抗干扰效果的整体提升。 在实际使用混合技术的过程中,不可避免地面临着多方面因素的负面影响,应当针对性地对其进行解决[5]。 除此以外,混合技术的应用将会增加抗干扰设备应用的复杂性。 笔者针对直接序列和跳频技术的混合展开了抗干扰实践。 最终实践结果表明,上述两种技术混合所呈现的信号增益大多是在固有技术基础上产生的简单加和,进而得到更宽的频谱。 该技术的应用使得固有的跳频技术应用成效得到了增加,但结合应用条件来看,往往涉及更大的成本投入。 因此,其在混合技术的应用范围有限,需要持续进行研究。

4.1.4 智能天线技术

当处在通信环境不良的状态下,通过在接收设备上对智能天线设备进行安装,以对特定频段信息进行收发的技术是智能天线技术。 该技术不仅有着较强的抗干扰效果,还可以在一定程度上缓解电磁波所造成的污染问题,而智能天线技术最主要的机制和优势在于其对于不同方向的信号干扰有良好的抑制效果。智能天线在实际应用的过程中会面临来自多种不利因素的影响,进而导致应用效果存在不足。 智能天线的应用数量较多或者较广会增加各个天线之间相互影响的可能性,进而产生电磁耦合干扰的问题。 因此,若想真正促进智能天线抗干扰能力的提升,需要及时有效地采取有关措施对现有的天线波段进行收窄,以形成良好的波段定向传播,这样会使得智能天线的高质量应用面临阻碍。 从目前来看,相关研究人员未来在智能天线技术方面,应当进一步加深对于干扰模型以及计算模型的研究和优化。 部分研究人员针对当前智能天线技术应用的不利因素展开了针对性的研发工作,在此基础上开发了新型的MIMO 智能天线技术。 该技术的应用可以支撑多收多发,但在应用阶段始终面临诸多局限性,因此,需要不断加大对于这一部分研究的投入,以切实提升其技术水平,推动超短波通信质量的不断提升[6]。

4.2 发展趋势

超短波通信需求正在持续推动通信技术的发展,这迫使超短波通信设备开始持续朝着微型化、智能化以及模块化的方向发展。

4.2.1 微型化

近些年来,微带技术、片状元件以及表面安装技术开始兴起,微带线本身有着匹配度高、成本低、频带宽以及体积小等诸多优势,而片状元件不存在引线,并且质量更轻。 表面安装技术则可以在短时间范围内自动化开展对于片状元件的安装工作,以一种自动化流水线的方式完成。 上述新技术的应用可以极大程度降低成本投入,在实际应用的过程中也有着较快的安装速度,能够为辅助设计和制造等工作的开展提供方便。 此外,在微电子技术不断更新升级的过程中,微处理器开始广泛应用在通信设备中,通过植入病毒程序达到应对通信干扰的效果,病毒程序能够间接进入指挥中心内部。 目前,以美国为首的发达国家正在大力研发潜伏式自发进攻程序装备。 超短波电台可以使用零位天线调整器起到辅助天线对抗的作用,并通过多副接收天线的应用实现对于传输信号以及干扰信号的自动识别,对于超短波通信抗电磁干扰性能的提高有着重要意义。

4.2.2 智能化

智能化超短波电台的应用主要是将微控制器看成是主控电源,可以在原有的基础上起到简化电路的作用,并进一步提高其可靠性,赋予智能化的功能,满足自适应通信、自动匹配天线参数以及自动切换工作方式等各种需求。

4.2.3 模块化

超短波电台上有着诸多型号,这使得在电磁频谱管理以及电磁兼容等层面存在较大的复杂性,所以在发展超短波通信的过程中需要事先完成顶层规划设计。 当前,最主要的手段便是功率合成技术,能够根据功率等级,对各种功率发达器分别设计,以积木式模块的形式存在,在实施通信的过程中也可以根据需求实际组成各种电台,更好地应用在不同距离的无线电通信联络中。

5 结语

综上所述,强化使用多种抗干扰技术能够有效提升超短波通信质量,为船舶的安全高质量通信创造良好的条件。 因此,相关研究人员应当加强重视,进而在实践中对其进行优化改进,以推动行业整体的长效发展。