蘇天禹 湯旭東 宋大勇

（1.北京圣非凡電子系統(tǒng)技術開發(fā)有限公司 北京 102209）（2.東部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部信息保障處 寧波 315122）

1 引言

短波通信主要利用電離層反射來進行中遠距離通信，具有設備簡單、使用方便、機動靈活、成本低廉、受地形限制少、電路建立迅速、抗毀性強等諸多優(yōu)點［1～2］。

如何提高短波通信的可靠性和抗干擾性能，一直受到國內(nèi)外短波通信研究人員的重視。目前國內(nèi)外提高短波通信的可靠性主要通過采用特殊的調(diào)制解調(diào)體制、擴展頻譜技術等，但大部分以單點單頻進行短波通信，抗干擾能力弱，而短波信道本身是時變色散信道，通信的穩(wěn)定性和可靠性先天不足，當該工作頻點受到干擾或信道質(zhì)量低下時，通信可靠性無法得到保證。

本文采用新思路、新理念，結合岸海短波通信的特點，提出了一種基于信號特征識別的智能化信道分集接收技術，基于該技術構建一套岸海雙向短波通信系統(tǒng)，充分提高岸海短波通信的可靠性和實用性，并經(jīng)過實際信道驗證了系統(tǒng)的性能，具有一定的推廣應用價值。

2 影響短波通信的主要因素

短波通信主要是利用天波傳播，通信的可靠性主要受電離層變化、地理環(huán)境、多徑傳播等因素的影響［3］，影響短波通信的主要因素包括：

1）電離層變化對短波通信的影響

在短波通信中，天波的傳播取決于電離層的反射、折射和對無線電波能量的吸收情況，與電離層的高度和電子密度有關。電離層變化主要受日夜變化、季節(jié)變化、地理緯度和太陽周期的變化。由于日夜太陽的照射不同，故白天電子密度比夜間大，中午電子密度比早晚大；由于不同季節(jié)太陽照射的不同，通常夏季的電子密度大于冬季，但F2層例外，F(xiàn)2層冬天的電子密度比夏天大。

2）地理環(huán)境對短波通信的影響

由于地理位置的不同造成電離層的特性發(fā)生變化，不同地點的上空太陽的輻射不同，赤道附近太陽照射強，電離層變化劇烈，最突出的是赤道電離層在±200產(chǎn)生F2層電子濃度駝峰結構，即在電場漂移作用下，赤道處等離子體向上漂移，然后沿著磁力線向赤道兩側擴散，使得赤道附近低緯度地區(qū)電子濃度高于赤道上空的電子濃度，而形成雙“駝峰”結構，駝峰結構的存在對短波通信造成嚴重影響，極端情況下造成通信中斷。同時，由于不同的地理位置，本地的電磁環(huán)境復雜程度不同，進而影響到通信的可用頻率及通信的可靠性。

3）多徑傳播對短波通信的影響

短波信號傳輸是一種多徑傳播，因為其信號分散在很大區(qū)域范圍的電離層內(nèi)，導致反射時存在多種傳播路徑。多徑傳播主要帶來兩個問題：一是衰落，一是延時。接收天線檢測到的短波傳輸信號，相位相同時相加，相反時則相抵，造成多徑衰落，衰落對短波通信的可靠性、穩(wěn)定性影響很大，從而影響短波通信；短波信號傳遞過程中，各種不同的傳播路徑存在時間差異，同時由于不同跳躍次數(shù)及高、低角度的射線等形式產(chǎn)生的分離多徑，造成傳播時延，多徑時延會引起碼元畸變，增大誤碼率，影響通信。

3 提高短波通信可靠性的主要措施

目前提高短波通信可靠性的主要措施有分集接收技術、自適應均衡技術和變參信道差錯控制技術［4］等，本文主要針對分集接收技術進行研究和分析。

分集接收是有效地克服多徑效應的技術手段［5］，對于提高通信的可靠性效果明顯，常見的分集方法有空間分集、頻率分集和時間分集等，該技術可極大地減小在接收機輸出端的信號衰落深度，有效提高收到率和正確率。

3.1 分集方式

目前短波通信常用的分集方式主要有空間、頻率和時間分集三種方式［6］。

1）空間分集

空間分集接收基本結構為發(fā)端使用一副天線發(fā)送，收端使用多副天線接收。當接收端天線相距間隔達到一定程度時，不同接收地點收到信號的衰落具有獨立性，也就是說，當某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線的輸出不一定在同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應的合并處理算法來得到分集增益，獲得幾乎不受快衰落影響的接收信號，最終輸出最佳的信號。

2）頻率分集

頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的頻率同時發(fā)送和接收同一信息，然后進行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計上的不相關特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計特性上的差異，來實現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。

3）時間分集

實踐證明，快衰落除了具有空間和頻率的獨立性，還具有時間的獨立性，即同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要兩次重發(fā)間隔足夠大，那么各次發(fā)送的信號通過信道后，出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的。

3.2 分集重數(shù)的選擇

理論上，兩重空間分集的信噪比增益有3dB，四重有6dB，八重有近9dB增益，圖1為采用不同的合并處理準則時，分集重數(shù)與平均信噪比改善（dB）的關系圖。從圖中可以看出，分集重數(shù)的增加與其獲得的平均信噪比改善并不是線性增加的，當分集重數(shù)達到一定（如8重以上的分集）時，性能的增長趨于平坦。而且對于空間分集而言，分集重數(shù)越多，所需的接收天線、收信機等設備也越多，對于頻率分集而言，分集重數(shù)越多，所需要的發(fā)射天線、發(fā)射機等設備也越多，同時帶來的分集合并處理技術難度也越大，數(shù)字信號處理器間交換的信息量和存儲量都呈指數(shù)型的增長，但信噪比增益的性能卻不呈指數(shù)增長。結合分集性能以及資源需求綜合考慮，本文選擇8重空間分集合并處理。

4 基于信號特征識別的分集合并處理技術

4.1 分集合并處理技術

分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸?shù)目煽啃?，它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術?！胺帧迸c“集”是一對矛盾［7］，在接收端取得若干條相互獨立的支路信號以后，可通過合并技術來得到分集增益。合并時采用的準則與方式主要分為三種：最大比值合并、等增益合并和選擇式合并［8］。

1）最大比值合并

在接收端由多個分集支路經(jīng)過相位調(diào)整后，按照適當?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加，再送入檢測器進行檢測。在接收端各個不相關的分集支路經(jīng)過相位校正，并按適當?shù)目勺冊鲆婕訖嘣傧嗉雍笏腿霗z測器進行相干檢測。最大比合并方案在收端只需對接收信號作線形處理，然后利用最大似然檢測即可還原出發(fā)端的原始信息，其譯碼過程簡單、易實現(xiàn)。

2）等增益合并

等增益合并也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進行校正。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式，只有假設每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上它才是最佳的，它輸出的結果是各路信號幅值的疊加。

3）選擇合并

采用選擇合并技術時，N個接收機的輸出信號線送入選擇邏輯，選擇邏輯從N個接收信號中選擇具有最高信噪比的信號作為輸出。每增加一條分集支路對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。

4.2 基于信號特征識別的智能化分集合并技術

在實際的場合應用中，對于已知信號特征的條件下，可在中頻段直接基于信號特征進行處理。本文研究了一種在中頻段直接采用信號特征識別的智能化分集合并處理技術，應用信道分集和解調(diào)分集綜合選擇的技術思路，最大限度地獲取每個信道攜帶的有用信號，通過選擇合并、等增益合并和最大比值合并等最優(yōu)化組合選擇多路最優(yōu)信道完成組合分集接收功能，使最后合并效果達到最佳選擇的水平。

由于該分集接收方式是在中頻段對收到的原始信息進行分集處理，因此可以從接收信息中獲得最多的有效信息，故分集性能有很大的提高。圖2所示為仿真2～8重信道分集后的誤碼性能結果。

從圖2結果可以看出，當8路信號的基礎誤碼率均為0.35時，經(jīng)過8重分集接收也能達到優(yōu)于10-3，而基礎誤碼率在0.1時，采用8重分集接收算法處理后，通信誤碼率在10-6以下，對短波數(shù)字通信而言，通信可靠性非常高。采用信號特征識別的中頻智能化分集合并處理技術，分集效果明顯；隨著分集重數(shù)的增加，分集后的誤碼率與單路信道接收的誤碼率相比有顯著的降低。

5 構建岸海短波通信系統(tǒng)

本文提出的基于信號特征識別的智能化分集接收技術，綜合考慮岸海短波通信使用環(huán)境以及提高短波通信可靠性的措施，本文構建了一套岸海短波通信系統(tǒng)，岸對海短波通信采用八重頻率分集接收技術，海對岸短波通信采用八重空間分集接收技術，提高岸對海通信的可靠性。由于綜合運用頻率分集、空間分集等手段并結合先進的分集合并處理技術，可有效提高抗干擾性能，增強岸海短波通信的可靠性。

5.1 岸對海短波通信系統(tǒng)

岸臺地域廣闊，可充分利用多副發(fā)信天線的優(yōu)勢，通過岸臺多副天線以八個頻率同時發(fā)送信號；而海上艦船有效利用空間較小，無法安裝多個收信天線，也無法達到應用空間分集接收技術的距離要求，因此采用頻率分集接收技術，利用一副天線，同時接收多個頻率的信號，對多路信號進行合并處理，獲得分集增益，以提高岸對海通信的可靠性。系統(tǒng)業(yè)務示意圖如圖3所示。

5.1.1 岸基節(jié)點

岸基節(jié)點可以選擇一個岸基節(jié)點多個頻率發(fā)送，也可以選擇多個岸基節(jié)點多頻發(fā)送，各岸基節(jié)點之間通過岸基有線通信網(wǎng)連接。實際使用時，可根據(jù)使用需求靈活選擇發(fā)送頻率個數(shù)，通過綜合控制中心統(tǒng)一下發(fā)報文給各岸基節(jié)點，各岸基節(jié)點統(tǒng)一控制發(fā)信機，以多個頻率發(fā)送同一信號。

5.1.2 艦船節(jié)點

艦船單采用單節(jié)點接收的方式，通過一副收信天線進行接收信號，對于多路不同頻率的信號混頻以后通過中頻輸出，多路中頻信號進行數(shù)字化處理以后統(tǒng)一進行處理，通過采用基于信號特征識別的智能化分集合并處理技術，進行多路信道分集，并同時進行解調(diào)和解碼處理，最終輸出一路高置信度的報文。

5.2 海對岸短波通信系統(tǒng)

海對岸短波通信系統(tǒng)采用海上一點發(fā)信，一個岸基節(jié)點多副天線或多個岸基節(jié)點多副天線接收的方式，每個岸基節(jié)點進行八重空間分集接收，分集合并后的報文既可以直接輸出，也可以通過岸海有線通信網(wǎng)絡匯集到綜合控制中心進行二次分集合并處理，最終完成海對岸短波信息的接收，提高通信的可靠性。系統(tǒng)業(yè)務示意圖如圖4所示。

5.2.1 艦船節(jié)點

艦船節(jié)點以單個頻率發(fā)送信號，艦船業(yè)務終端將數(shù)據(jù)發(fā)送給信道設備完成調(diào)制和信號放大，通過一副天線發(fā)出。

5.2.2 岸基節(jié)點

岸基可以選擇一個節(jié)點多個天線接收，也可以選擇多個節(jié)點多副天線同時接收，為了滿足覆蓋距離和執(zhí)行任務的綜合需求，各收信節(jié)點在配備天線時可盡量配置定向天線等方向性強的高增益天線，使用多幅定向天線可有效覆蓋我國大部分海域，且可以獲得比全向天線更高的增益。使用時，單個節(jié)點通過8副高增益天線同時接收信號，利用空間分集接收處理機對8路信號進行合并處理，合并處理以后的報文可以直接輸出也可通過岸基有線通信網(wǎng)絡上傳給綜合控制中心，進行二次分集合并處理，合成最后的信息輸出，以提高收到率和正確率。

6 結語

本文為驗證系統(tǒng)的通信性能，對單臺站和單個艦船節(jié)點進行了對通試驗和統(tǒng)計性能，由于綜合運用信道空間分集和頻率分集，并采用先進的智能合并處理技術，大大提高了信息的可通率和正確率，有效降低了誤碼率，驗證了岸海短波通信系統(tǒng)的可靠性和實用性，本文提出的基于分集接收技術的岸海短波通信系統(tǒng)具有一定的應用推廣價值。

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