信息化条件下短波通信抗干扰技术与应用＊

2012-10-16王磊李鹤周音郝强

舰船电子工程 2012年2期

王磊李鹤周音郝强

（1.海军装备研究院自动化所北京 100036）（2.海军通信总站北京 100841）

1 引言

随着现代战争对信息依赖程度的增大，复杂战场电磁环境对指挥信息系统作战效能的影响也越来越大。海军作为一个国际性军种，其使命任务决定了通信特点，短波通信是其进行远距离指挥协调的一种重要通信保障方式［1］。短波通信可实现在大约一百公里到数千公里范围内的超视距通信。短波通信具有通信距离远、技术成熟、顽存性强等特点，同时，短波通信发射功率小，建设速度快，机动灵活性高，也使其成为军事指挥的重要手段之一［2～3］。目前，短波通信已经发展到了第三代［4］，随着信息化的不断深化和军事需求的不断提高，未来短波通信将从自适应跳频技术、自适应编码调制技术、高速调制解调器和组网技术等方向进行更深层次的研究和开发。

无线电通信是战场上保障作战与指挥的重要手段，但无线电通信易遭受干扰，特别是短波通信不仅易遭到天电、工业等自然干扰，尤其在信息化条件下的现代战场，复杂电磁环境的影响还会使短波通信受到人为的跟踪、阻塞、多径干扰等各种干扰的影响。因此，如何有效改善短波通信性能，提高其抗干扰能力，确保指挥信息系统稳定运行，就成为短波通信技术研究和发展的重要课题之一。另外，在短波通信抗干扰技术的研究领域，外军投入了大量的人力、物力和财力，已占据了明显的领先优势。因此，研究短波通信抗干扰技术，发展适用于我军短波通信的抗干扰装备，提高战时通信对抗能力，保障我军在信息化战争中指控信息安全准确地传输，已成为我军短波通信抗干扰技术必须攻克的关键环节。

2 通信抗干扰基本理论

扩展频谱通信体制（简称扩谱）是目前军事通信广泛采用的基本抗干扰技术体制［5］。扩谱通信的理论基础是由信道容量表示的香农公式［6］，即对于高斯白噪声信道有：

式（1）中，C为信道容量，单位为bit／s；W 为传输信息所用的带宽，单位为Hz；N0为噪声平均功率，S为信号平均功率，S／N0为信号与噪声的功率之比。式（1）表明：信道容量取决于传输带宽W 和信噪比S／N0，与窄带宽、低功率的信号相比，宽带宽、高功率的信号具有更大的信道容量C。而信道容量又反映了在一定信道条件下通信系统无差错传输信息的能力。更具体地说，其表明了当给定信号平均功率与噪声平均功率时，在具有一定频带宽度的信道上，单位时间内可能传输的信息量的极限值。

如果能采取一定的措施，在信道条件一定的前提下，使信道容量增大，也就使通信能力增强；或者在保持通信容量一定的前提下，能容忍更大的噪声功率，也就使抗干扰能力增强。可见，信道容量实际上表明了通信系统的通信能力，而保证一定误码率条件下通信容量的能力就表明了抗干扰的能力。所以，香农公式表明了系统的通信能力和抗干扰能力与传输信息所用的带宽以及信噪比之间的关系。

由于噪声平均功率N0与系统带宽W 有关，假设单边噪声功率谱密度为n0，则噪声平均功率N0＝n0·W。因此，香农公式的另一种表达形式为

由式（2）可知，在单边噪声功率谱密度n0一定的条件下，一个给定的信道容量可以通过增加带宽而减小信号功率的办法来实现，也可以通过增加信号功率而减小带宽的办法实现。也就是说，分别通过增加信号功率和带宽都可以提高信道容量。在大信噪比条件下（S／N0≫1），式（2）可近似为

此时若信号功率不变，信道容量与带宽近似成线性关系，上升速度快；若带宽不变，信道容量与信号功率近似成对数关系，上升速度较缓慢。理论上还可以证明［7］，在具有极限信息传输速率的理想系统中，输出信噪比随着带宽的增加按指数规律增加。也就是说，增加带宽可以明显地改善输出信噪比。根据这一原理，应该尽可能地宽展信号的传输带宽，以提高系统的输出信噪比，这就是扩展频谱通信。

可见，扩谱是提高通信系统抗干扰能力和通信能力的一个重要途径，并且信号的带宽越宽，越能接近系统的性能极限，如果能将原信号的频谱扩成无限宽，并且系统又具有无限宽的传输带宽，即可达到理想通信的目的。

3 短波通信抗干扰

3.1 短波通信的干扰方式

在短波通信过程中，会受到不同形式的干扰，这些干扰主要包括大气噪声、工业干扰、电台干扰和人为干扰等。其中，人为干扰往往处于主导地位。

1）大气噪声

在短波通信频段，大气噪声主要是天电干扰，是由大气放电产生且具有方向性。对于纬度较高的区域，天电干扰是由远方传播而来，方向的改变是按昼夜和季节的变化而变动的。

2）工业干扰

工业干扰是由各种电气设备、电力网和点火装置产生的。这种干扰的幅度除了和本地噪声源有密切关系外，同时也取决于供电系统。这类干扰短期变化很大，与位置密切相关。

3）电台干扰

电台干扰是指工作频率相近的其它无线电台的干扰。由于短波波段的频带较窄，但用户较多，因此电台干扰已成为影响短波通信的主要干扰源。

4）人为干扰

人为干扰主要是指来自敌方的通信干扰，这类干扰是战时通信的最主要干扰，主要包括：相关干扰、全频段／部分频段干扰、单频／多频干扰、频率瞄准跟踪式干扰和转发式干扰等。

3.2 短波通信抗干扰方法及应用

短波通信抗干扰可以从时域、频域、功率域、空间域、速度域等多个方面出发，实现多维空间的抗干扰。由于扩展频谱技术具有信号频谱宽、波形复杂、参数多变、安全隐蔽等显著特点，已成为当代通信抗干扰技术的重要体制。常用的有直接序列扩频技术、跳频技术、跳时技术、混合扩频技术等。还有非扩展频谱类的抗干扰技术，如自适应天线技术、猝发通信技术、纠错编码与交织编码技术、分集技术等。如法国汤姆逊公司的350H高频通信设备系列，采用了自适应跳频方案，应用了自动频率分析和跳频信号处理相结合的技术，具有很强的抗干扰能力；美国HARRIS公司的RF－5000系列高频数字无线电系统，采用先进的数字信号处理技术，具有抗电子干扰、话音加密、高速数据传输、自适应频率管理和猝发传输等功能。

1）扩展频谱抗干扰技术

所谓扩展频谱是指将信息带宽进行扩展传输的通信抗干扰技术体制，下面详细介绍各类扩频抗干扰技术。

（1）直接序列扩频技术

直接序列扩频的基本原理是在通信的发信端用高速伪噪声码对要发送的信息码流进行扩谱调制，然后进行射频调制，使得传输中的信号带宽主要决定于伪码带宽，且远大于原信息带宽；在接收端先用本地载波对接收的射频信号进行混频，然后在中频用与发送端相同的伪码序列进行相关解扩，将有用宽带信号还原成原窄带信号，经过解调再生单元恢复信息数据。通信可在信道噪声和热噪声的背景下，用很低的信号功率谱进行通信，使信号淹没在噪声中，从而使信号不易被敌方发现。该技术的特点是信号隐蔽性好，截获概率低，并能抗多径干扰，而且容易实现码分多址体制。典型的产品有美国SICOM公司的宽带短波收发信机，德国TST公司的TST－2007天线保密电台，以及为美军陆军师及师以下指挥所提供战场数据传输手段的“近期数字电台（NTDR）”等。

（2）跳频技术

常规的跳频通信是指通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频图案算法的控制下，射频在约定的频率表内以离散频率增量伪随机且同步地跳变，射频在跳变过程中所能覆盖的带宽远远大于原信息带宽，因而扩展了频谱［8］。这种技术具有较强的抗干扰能力，已在战术通信中得到广泛的应用。如美国Litlon公司的多速率7680抗干扰通信设备，法国 Thomson－CSF公司的海军电台 ERM－9000，PR4G系列电台之一TRC9600机载跳频电台等。随着研究的不断深入，跳频速率和数据速率也越来越高，现在美国Sanders公司的CHESS［9］高速短波跳频电台已经实现了5000跳／秒的跳频速率，最高数据数率可达到19.2kbps。此外，随着更大数据量传输的要求，带内多通道被采用，其最高通信速率可达64kbps。

（3）跳时技术

跳时是通信抗干扰技术在时间域的应用。跳时是发射信号在时间轴上跳变，时间轴可分为许多时片，在一帧内哪个时片发射信号，由扩频码序列去控制。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。目前，此类技术的相应装备较少。

（4）混合扩频技术

直扩和跳频技术的抗干扰机理不同，各有特点同时也存在不足。在抗强定频干扰方面，直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化；而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰，强定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率，对系统性能的影响不很严重。在抗多径干扰方面，对直扩系统不能形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统性能；而跳频系统要抵抗多径干扰，则要求每一跳的驻留时间很短，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号，严重依赖于器件的限制，且存在极限跳速问题。另外，“俘获效应”对直扩系统的影响很大，而对跳频系统的影响就小得多。直扩技术和跳频技术在优点与局限性方面具有互补性，促进了混合扩频技术的研究和应用。

直接序列与跳频混合式扩频系统是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能，其基本工作方式是直接序列扩频，系统的同步也是以直接序列的同步为基础。当电磁环境异常恶劣时，或要求通信系统的抗干扰指标非常高，单独一种扩展频谱系统难以满足要求，而采用混合式扩展频谱系统既能满足指标要求，又易于实现。因此，混合式扩展频谱系统非常适用于严重干扰环境。如法国新研制的战术地域通信系统Alcatel101，其收发信机单元中就采用了快速跳频与直接序列瞬时扩频相结合的电子反干扰技术；我国自行研制的V／UHF频段机载跳扩频抗干扰通信电台等。

2）非扩频类的通信抗干扰技术

扩频通信抗干扰技术主要是在频率域上通过扩展通信占用带宽，降低信号射频发送功率的方式来增强通信系统的抗干扰能力。而非扩频通信技术则主要在空间域、时间域和编码空间探索常规通信体制的抗干扰技术。

（1）自适应天线技术

对于来自空间不同方向的各种干扰，自适应天线可以通过调整其各单元上的振幅和相位分布，使波瓣在这些干扰方向上形成零点，从而减小或避免干扰信号的影响，如果干扰源在空间不断运动，自适应天线则可以相应改变波瓣零点的位置，继续对干扰信号进行抑制。如果干扰信号是宽带的，自适应天线还可以在对应的方向处，形成较宽角度的凹口，以对抗宽频带干扰，自适应天线对干扰信号实现了“空间滤波”功能。

（2）猝发通信技术

所谓猝发通信技术是先将信息存储起来，在某一瞬间以正常时间10～100倍或更高速率猝发。一方面可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概率大大降低。国外一些数据通信设备如美国Racal公司的6288型数据终端，英国Rocal公司的VRQ319／BCC39HF电台和南非的TRI78型短波单边带自适应跳频电台都具有信息猝发能力。

（3）纠错编码和交织编码

采用数字技术和纠错编码技术在一定程度上可提高抗干扰性。纠错编码能纠正因受干扰而产生的随机错误，交织编码能纠正抗衰落和干扰引起的突发错误。因此许多设备都有纠错编码功能，如法国的PR4G系列电台，TRC－930VHF电台等。

（4）分集技术

分集技术包括两方面的内容：分离技术和合并技术。通过分离与合并，提高接收端的信噪比，从而获得分集增益。分集技术在对抗多径传输引起的包络衰落和时延方面，其作用十分明显。美、俄等国的散射通信设备中都采用了分集技术。

（5）软件无线电技术

软件无线电就是利用现场可编程器件和现代数字信号处理技术，在同一硬件平台上实现多种编／解码、调制／解调方式，使其能够根据现场环境选择恰当的通信体制，为通信提供有效的保障，特别是随着微电子技术的发展，可控微波、短波器件的出现，为软件无线电技术的广泛应用提供了广阔的前景，同时也为通信抗干扰技术创造了新的天地。

3.3 短波通信抗干扰技术的发展趋势

随着战争形态和信息技术的发展，通信抗干扰的覆盖范围大大扩展，抗干扰技术的要求也大大提高。在现代信息战条件下，现有许多短波通信体制已不适用，短波通信系统必须进行重大的改进才能适应［11］。如何适应信息化战争下的通信抗干扰，已成为未来战争中通信保障的重要课题。近年来短波通信的发展非常迅猛，短波通信抗干扰技术也取得了一系列的突破和进展。外军相继推出了多种新型短波通信抗干扰装备以及有关新研装备代表了当今短波通信抗干扰技术的发展趋势［4］，主要体现在以下几个方面：

1）综合抗干扰体制及新技术的应用。通过采用综合抗干扰体制即综合应用跳频、直扩和跳时等基本抗干扰体制，同时采用频率自适应、跳频滤波器、交织纠错、猝发传输、变速跳频和变带宽直扩等增效措施来达到抑制干扰的目的。

2）抗跟踪干扰由定频通信抗自动瞄准式干扰向跳频抗跟踪干扰发展。提高跳频通信抗跟踪干扰能力的技术动态主要有三个方面：（1）适当提高跳速；（2）采用变速跳频；（3）采用跳频参数管控。

3）扩频码序列随机性更优。由于扩频通信中常用的伪随机码是m序列及其变形Gold序列与Walsh序列等少数几种序列，这造成目前扩频通信的某些缺陷可能被侦破。所以寻找新的更好的扩频码序列是通信抗干扰技术发展的一个重要方面，是提高扩频通信抗干扰能力的重要研究方向。

4）短波抗干扰技术体制由窄带低速向宽带高速发展。为提高抗干扰能力，通常需要采取纠错、交织、加密等措施，这些措施会使信息的有效传输速率降低，因此，在提高跳频速率的同时，还需要增加信号带宽，从而达到抑制干扰和提高传输速率的双重目的。

5）由单一链路向网系应用发展。在未来信息化战争中，同一作战地域内会有成千上万的不同类型的通信装备组成高密度的网络和网系，甚至与我方电子进攻和其他电子装备以及敌方攻防电子装备的无线信号共同存在于同一地域空间、同一电磁频谱空间。在这样复杂的电磁环境中，要发挥短波通信的优势，合理配置短波通信资源，建立复合制式的多层次、多频率、多信道、多路由、多链路的短波通信网系，通过抗干扰装备的组网，综合利用网系内的各类资源，高效利用网系获取的信息，对抗干扰手段进行规划和配置，有效提高系统的抗干扰能力。