国内外短波通信网现状与发展研究

国内外短波通信网现状与发展研究张营（空军大连通信士官学校无线电通信系学员八队无线电通信工程专业）摘要：我国近几年的短波通信的发展也较快，但是从目前生产的短波设备来看，和国外先进的设备还有很大的差距，急需在今后的研究开发中改进。众所周知，短波通信是靠电离层来传播的，受天气和气候影响较重，传输不定。此外，通信容量小，频率拥挤，噪声大，易被侧向和干扰等。近几年短波通信主要是通过这些弱点进行的。针对短波通信网的现状与发展，我做了如下的分析和研究。短波通信由于其天波传播特性，在通信领域有其他通信手段无法取代的地位。本文选择了两种先进的广播电台对短波通信的现状进行了介绍，分析了未来短波通讯的需求以及未来短波通讯的发展趋势。关键词：短波通信；自适应；高速调制调解；抗干扰；组网21世纪是一个信息时代。确实，信息就像周围的呼吸的空气一样不可或缺，尤其是高速发展的当代社会。作为新新人类，更是作为一名军人，我们更有责任，有义务去了解时时变化的信息动态。短波通信在五十年代达到了鼎盛时期，对人类的通信事业做出了巨大贡献，但与此同时其一些固有的缺点也不断的暴露出。六十年代末卫星技术的兴起，使某些重要的短波通信业务被卫星取代。不少人对短波通信的存在和发展提出了怀疑，认为短波通信成为过时的通信手段，使短波通信的开发和利用一度处于停滞状态。然而从今天的情况看，上述情况就大错特错了，88年短波通信设备的销售额达到了历史最高水平。这是因为随着技术的进步，特别是扩频技术、猝发传输技术、数字信号处理技术、扩频技术、超大规模集成电路技术和微处理器的出现和应用，使短波通信进入了一个崭新的发展阶段，同时短波通讯设备使用方便，组网灵活，价格低廉和抗腐性强等固有优点，仍然是支撑短波通信战略地位的重要因素。今年来，许多国家加速了对短波通信的研究和开发，尤其是工业发达的国家，短波通信的发展更为重视。美国从80年代以后，把短波通信列为第一线指挥控制通信手段，规定了短波通信过渡发展计划。85年又制定了长远计划。俄罗斯近几年来为了提高短波通信质量也进行了大量的研究和改进工作、其它，比如英法、西德比利时等国家也先后研制了新的性能优良的短波通信设备。短波通信又称高频(HF)通信，使用频率范围为3~30MHZ,只要利用天波经电离层发射后，无需建立中继站即可实现远距离通信，如图1中的A站到C站、D站的传播。同时由于电离层的不可摧毁特性，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一，但是要得到更广泛的应用，短波通信在以下几个方面还有待提高：1、通信的可靠性。短波通信的天波传播由于受电离层变化和多径传播的影响而极不稳定。信号传输多径现象严重，延迟大，多普勒频移大，衰落严重。同时短波信道是带宽受阻的信道，射频频谱非常拥挤，信道间相互干扰严重。（如图2所示），获得可靠的通信质量一直是短波通信追求的目标。2、数据传输率。传统短波通信难以崛起的一个重要原因就是数据传输率很低（不超过600bit/s）信息化战争中军事通信传播的信息，已从简单的传达命令发展到诸如雷达探测的数据、计算结果、高速图像传真等一些要求数据传输率较高的信息。3、抗干扰能力。由于短波通信是战争状态下唯一可靠的途径，随着干扰技术的发展以及一些新型大功率短波干扰装备的研制成功，短波通信的抗干扰方式必须多样化，智能化，具有在不同电磁环境中的生存能力。4、网络化。随着通信越来越想着网络化发展，未来的短波通信也应更多地考虑组网使用和网络管理。采用网络式通信，可以使短波通信的信息量和信息处理速度大大提高，还可在网内选择最佳链路，增加通信链路的抗毁性及顽存性。Ⅰ、短波通信的发展现状由于短波通信在军事通信上的不可替代性，20世纪80年代以来，短波通信又开始收到重视。由于多种新技术的应用，如信道自适应技术、差分调频技术、宽带直接序列扩频技术、信道编码技术、信道均衡技术、短波组网技术，短波通信方式存在的许多问题得到解决；并且随着微型计算机，移动通信和微电子技术的飞速发展，人们利用微处理器，数字信号处理，不断提高短波通信的质量和数据传输速率，短波通信和装备得到了很大发展。许多公司陆续推出了一些性能优良的设备和系统，比较著名的有：美国的短波通信电台的现代化(1)、澳大利亚的HF-90H(2)瑞典的KV90(3)、美国的CHESS（4）等。HF-90H超小型跳频广播电台HF-90H由澳大利亚Q-MAC公司推出，如图3所示，最突出的特点是采用了智能边带跳频技术。目前世界各个电台生产厂提供的都是数字话音。数字话音跳频的缺点是：调频频谱不够隐蔽，容易被识别、破译和跟踪，如图4所示。而HF-90H采用的智能边带跳频模式是利用SSB(SingleSidebandSignal)调制方式传送话音信号，瞬间频谱很像噪声，调频频谱中由于调频码隐含在起伏中，无法确定跳频频率的设置短波信号道常掺杂着强烈的噪声和干扰信号，例如被广播电台或固定电台的强信号阻塞或杂波串扰，再加上衰落和多径效应造成的不稳定，使短波环境非常恶劣，如图6所示，HF-90H采用智能跳频技术可以克服这些困难。智能跳频则是一种具有极强的频带适应性的技术，能够周期性的自动测评调频段内每个信号道的信号强度，并指令网内成员自动弃用嘈杂信道，通过不断的“过滤”频率，使通信背景明显净化，提高通信质量。如图7所示。Ⅱ、短波通讯的发展趋势短波通讯技术近年来发展非常迅速，以取得了一系列的突破和进展，未来在以下几个方面仍需进一步研究。Ⅰ、短波自适应数字通信技术短波信道受多径时延、幅度衰落、天气变化等因素的影响变化莫测，要保证通信的可靠性，需要系统根据短波信道的变化适应改变系统结构和参数。现在的短波自适应技术，主要是指频率自适应技术，而未来的短波自适应通信技术应该是全方位的，包括：自适应选频与信道自适应频道均衡技术、传输速率自适应技术、自适应信道均衡技术、自适应天线技术等。Ⅰ、自适应选频与信道建立技术。现在的只是应选频与信道建立技术都是与通结合在一起，这样选频质量会低于专用实时选频系统提供的频率质量。今后发展方向应该是将专用选频系统和自适应通信系统结合起来，进一步提高短波通信质量。Ⅱ、传输速率自适应技术。短波通信在选定工作频率后，要在随时间变化的速率上得到最大的数据吞吐量，就必须采用传输速率自适应技术。通常在允许的误码率条件下应选择尽可能高的数据传输率，这需要系统所采用的编码和调制方法与信道条件相互关联，当信道传播特性良好时用较高传输速率发送信息，而当传播速率变差时则降低传输频率，使误码率始终能满足通信质量的要求。Ⅲ、自适应信道均衡技术。在短波时变信道中传输信号时，为了消除多径效应、多普勒频移等带来的严重马间干扰，必须采用自适应信道均衡技术。判决反馈均衡器（DecisionFeedbackEqualizars,DFE）是目前短波通信系统普遍采用的一种均衡技术。近几年提出了一种新的均衡技术—Turbo均衡技术，它结合信道编解码技术，充分利用了信道信息，经比较在短波通信系统中应用Turbo均衡技术较之DFE又提高了2~3dB.Ⅳ、自适应天线技术。自适应天线技术的原理是通过对接收到的信号进行实时处理，控制和调节天线振元的相位来改变天线方向图特性，完成自适应波束形成，使天线波束的零位对准干扰方向。信号方向的增益达到最大，从而有效的提高系统抗多径衰落和抗干扰能力。Ⅱ、高效调制解调技术目前广泛应用的窄带短波电台的调制解调器有串行和并行两种体制，串行体制使用单载波调制发送信息，目前最高速率为9.6kb/s，对均衡的要求很高；并行体制是将发送的数据并行分配到多个子载波上传送，传送的并行体制中各个子载波在频谱上互相不重叠，在接收端用滤波器组来分离各个子信道，各个子信道之间要留有保护频带，频带利用率低，而且多个滤波器的实现也有难度，目前最高频率仅为2.4kb/s。正交频分复用（OrthogonalFrequencyDecisionMultiplexing，OFDM）调制方式以其传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等优点越来越受到人们的重视，也开始逐步被应用于短波通信领域。相对于单载波和非正交频分复用方式OFDM,应用于短波通信具有以下优点：Ⅰ、抗频率选择性衰落。OFDM系统把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效的减少无线信道的时间弥散所带来的ISI（InterSymbolInterference）,这样就减少了接受机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入前缀的方法消除ISI的不利影响。Ⅱ、频谱利用率高。OFDM系统由于各个子载波间存在正交性，允许子信道的频谱相互重复，因此与常规的频分复系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。Ⅲ、实现简单。采用IDFT(InverseDiscreteFourierTransform)/”DFT(DiscreteFourierTransform)实现OFDM。即使子载波个数很多的系统，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展都是很容易实现的。有利于MIMO（Multiple-InputMultiple-output）技术的应用。MIMO技术利用了多个天线实现多发多收在不需要增加频谱资源和天线发送功率的条件下，可以成倍的提高信道容量，充分开发了空间资源。而OFDM系统中由于各个子载波内的信道可以看作是平坦衰落信道，MIMO系统带来的额外复杂度可以控制在较低水平。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量乘积的幕成正比，不利于MIMO技术的应用。Ⅲ、抗干扰技术短波通信是战时状态下指挥唯一可靠的途径，随着干扰手段向着宽领域、多样式、多层次的方向发展，抗干扰措施也会趋于综合化、智能化、以及多体制并存，具体的发展方向为Ⅰ、信号处理。如自适应跳频，其原理如图１０所示。自适应跳频系统在常规通信的基础上加上了链路质量分析，通过可靠的通信链路质量分析（ＬｉｎｋＱｕａｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓ，ＬＱＡ），确定被干扰的频点，给出可以使用的跳频频率集，并把该频率集通过反馈信道传送给对方，使双方自动适应信道变化情况，同时删除被干扰的全部频率，然后再无干扰或者干扰很小的频点进行可靠通信。。Ⅱ、空间处理。如使用自适应天线调零技术，当接收端受到干扰时，使其天线方向图零点自动指向干扰方向，以提高通信接收机的信干比。Ⅲ、时间处理。如猝发传输技术和先进的纠错编码技术，先将信息储存起来，然后在某一瞬间以正常时１０～１００倍或更高速率猝发。一方面可以使用较大的脉冲功率来抵御有意干扰，另一方面由于发射时间的随机性和短暂性使侦收几率大大降低；采用接近香浓极限的Ｔｕｒｂｏ结合交织技术、迭代技术、以及抗干扰技术在一定程度上可提高系统的抗干扰性能。Ⅳ、组网技术传统的短波通信业务（话、报、点对点数据）已不能适应数字化的需求，当前的短波网络需要支持多的应用，并希望发展成为Internet的一部分，短波通信正同其它通信一样以稳定步入网络通信化时代。第三代短波通信网络开始发展，它是建立在美军标MIL-STD-188-141B的基础上，在自动链路建立（AutolinkestablishmentALE）、信道效率、网络管理、路由协议、及于Internet互连等方面的性能都较第二代网络有很大发展。但是由于短波通信的信道特殊性，全网电台如何实施选频以及频率复用等问题都有待进一步解决。结论:由于短波通信在军事通信领域占有的特殊性，即便是移动通信和互联网如此发达的今天，世界发达国家始终都没有停止对短波通信技术的研究，在短波通信技术领域仍不断取得重大突破，推动短波通信技术的发展。如今短波通信已经伴随着我们进入了信息时代，随着技术的进步和人们研究的深入，曾一度被认为落后的短波通信会以崭新的面貌跨进国际先进通信领域的行列。参考文献：[1]CookSCFCommunicationsIntheInformationAge[A].Proc.HFRadioSystemsandTechniques’97[C].York,UK,July1997[2]Q-MACElectronics.HF-90SecureModes[EB/OL].h