短波跳频通信自适应控制设计*

杨 敏，蔡勇华，周相成

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是一种依靠电离层反射的无中继的通信方式，短波通信的优点是通信距离远、不依靠基站等固定基础设施，因此在党政、应急、军事等领域应用较广。然而，短波信道时变色散、用户众多且容易受到干扰，以致通信不稳定、可通率不高[1]。近年来，随着计算机、信号处理等技术的发展，人们对短波通信技术的研究取得了显著的进步，其中短波跳频技术便是一种对抗干扰的有效的电子防御技术[2-3]。

跳频通信是指在通信期间载波频率按照一定的跳频图案进行跳变，快速躲避敌方有意的跟踪干扰，以提高传输的效率与可靠性[4]。自20 世纪80年代以来，国外相继研制出各种不同性能的短波跳频系统，最初英国Marconi 公司生产的Scimitar-H和Racal 公司生产的Jaguar-H，具有初步的抗干扰能力，但没有自适应跳频功能；后来以色列Tadiran公司生产的HF-2000 和美国Southcom 公司生产的SC-140 的跳频速率分别为10 跳和20 跳，具有自适应跳频功能；近年来法国Thomson-CSF 公司生产的TRC-350H 和美国Motorola 公司生产的Micom-2E，都具有较好的抗干扰能力及频率自适应功能，并对跳频信道进行了初步数字化[5]。在国内，具有代表性的是750 厂生产的TCR-154 短波跳频电台，该系统具有较好的频率自适应能力，可以自动避开干扰信号的频率，具备数据传输功能，最高传输速率为2.4 kbit/s，最高跳速可达10 Hops/s[6]。

目前常见的短波跳频技术通常采用固定频率个数的对称跳频频率集，以及采取跳频传输速率整体升降的策略，并且通信双方采用相同的跳频频率，在通信过程中跳频频率个数不变化。这种方式较为简单，但是没有考虑节点在不同地理位置时具体的电磁环境差异，同时也面临着在跳频库频率大量不可用时的抗干扰性能下降的问题。针对这些问题，本文给出了一种基于实时探测的非对称跳频频率产生及协商方法，并能根据实时频率质量动态调整跳频频率个数。考虑到跳频频率质量的差异，本文还提出了针对不同频率采取不同传输速率的思路。此外，针对当前数字信号处理平台处理能力大幅提升的现状，本文给出了拟提高速率自适应容错能力的多速率接收方案。

本文第1 节给出了跳频系统的组成及运行流程；第2 节给出了快速探测以及跳频系统正常运行时所必需的跳频同步方案；第3 节和第4 节提出了本文的核心内容，即跳频频率及速率自适应控制思路；最后第5 节给出了方案的试验结果。

1 短波自适应跳频系统模型

1.1 短波跳频工作原理

短波跳频系统基本工作原理如图1 所示。

图1 跳频基本原理

短波跳频系统工作的基本原理为，发送信息经过编码调制后得到调制信号，伪随机发生序列产生伪随机序列码，用来控制频率合成单元在不同时隙产生不同的频率跳变信号，将调制信号与频率合成单元输出的频率跳变信号进行混频，上变频得到发送信号。接收端由天线接收到信号，通过下变频至频率较低的跳频信号，本地接收端产生与发射端相同的伪随机序列码来控制频率合成单元产生本地跳频信号，将下变频后的跳频信号与本地跳频信号进行混频，再将中频信号经信息码解调得到信息码[7-8]。

1.2 短波自适应跳频工作流程

如图2 所示，本方案的自适应跳频系统的运行流程主要包括跳频同步、频率探测和协商、业务传输、频率速率自适应4 个阶段。

图2 跳频工作流程

跳频工作的具体流程为，首先，收发节点根据历史用频情况，预设相同的跳频频率集，跳频工作频率从频率集中产生；其次，跳频同步过程完成两节点的频率与时钟同步，以保证跳频系统频率同步切换；再次，频率探测协商过程中通过双方快速的频率探测，选出适合本地接收的跳频工作频率并与对方进行交互；最后，在业务传输间隙，节点双方对当前非工作频率进行探测，同时进行跳频工作频率、工作频率数目或传输速率调整。

2 跳频同步

2.1 频率控制

跳频系统的同步[9-10]是跳频通信建立的关键。跳频系统能够正常运行的基本前提是跳频频率相同、跳频序列相同、跳频时钟相同（允许存在一定的误差）。由于跳频频率表为事先预设，跳频序列是按照相同的算法产生，而频率与跳频序列的跳变受本地时钟控制；因此，跳频同步主要是解决时间同步问题。

在同步之前，节点的时间是随机的，随时间进行切换的同步频率也是随机的，因此，频率无法完全重合碰撞。为保证频率碰撞，在同步信息交互时，收发两端电台采取快发慢收的频率切换机制，保证接收端在一个频率驻留周期内能够完成一次同步信息的接收。

设同步频率个数为n，1 个同步信息发送时间为Ts，则接收端每个同步频率驻留的时间为(n+1)Ts。同步过程频率切换具体如图3 所示。

图3 同步过程频率切换

如图3 所示，f0、f1、f2、f3 分别按照5Ts时长轮流发送同步信息，接收端设备按照5Ts的时间周期分别在f0、f1、f2、f3 上驻留接收，每个频率在接收周期内必然与对应的发送频率重合，完成一次同步信息的接收。

2.2 时间同步方案

时间同步采用业务呼叫节点向被叫节点时间对齐的方式。主叫节点与被叫节点之间交换同步消息（Time Synchronization Message，TSM）时，由于TSM 包含了时间戳信息，因此利用两个节点之间双向的TSM 交互过程，计算两个节点之间的空中信号传播延迟，并通过补偿传播延迟误差提高同步精度。

如图4 所示，时间同步算法的具体流程为，先假设节点A 需要以节点B 为参考时钟进行同步，节点A 向节点B 发送TSM1，请求执行同步操作；然后，节点B 在收到TSM1 后给予响应，返回TSM2。图4 中T1，T2，T3和T4分别代表了交互过程中的4 个时间戳值，其中T2和T3时间戳值需要节点B 将其携带在TSM2 中传输给节点A，T1和T4则由节点A在本地记录。

图4 时间同步算法

假设各节点的时钟都是稳定的，并且以同样的速度运行，则T1，T2，T3和T4之间有如下计算关系：

式中：tpAB为在节点A 和B 之间的传播延迟及发送处理与接收处理时延；OffsetAB为在特定时刻这两个节点之间的时钟偏差。这样，可以计算两个节点之间的传播延迟和时钟偏差为：

节点A 在收到TSM2 后，调整自身时钟为Tnew=T3+tpAB或者Tnew=T4+OffsetAB，实现与节点B 时钟的同步。

3 跳频自适应

3.1 频率协商

同步完成后，系统时钟调整为一致，频率同步切换。此时通信双方在频率集上进行逐一探测，根据探测结果双方选定跳频工作频率，并将选出的结果通知对方，对方将此频率作为发送工作频率。节点双方完成收发工作频率选择。频率探测和协商过程如图5 所示。

图5 频率探测和协商

主叫节点在同步完成后，依次在跳频频率集f0～fn上发起探测，被叫方在f0～f1 上统计接收情况，并对频率质量进行记录并排序，选出排序靠前的若干频率作为跳频工作频率。

被叫方接收完探测后，依次在f0～fn上发起探测，在探测信息中携带选用的跳频工作频率信息，主叫方接收探测信息，对频率质量进行记录并排序，选出排序靠前的若干频率作为本地跳频工作频率。

主叫节点统计完成后，在被叫方选出的最好的若干个频率fm、fk上，发送本地选出的跳频工作频率。通过上述2 次探测与交互，主被叫节点均已确定跳频工作频率。随后，主叫节点在工作频率发起建链申请，申请中指定后续业务的类型等信息，被叫方接收后对业务申请进行确认，随后收发双方进行跳频业务传输。

3.2 频率自适应

工作频率通过探测进行了协商，但在业务传输过程中由于信道条件的变化，业务频率可能变坏，可用频率的位置和数量可能随之发生变化，此时需及时对工作频率进行调整，也就是在业务传输的同时，采取对跳频频率集中的非工作频率进行定时探测的策略，及时更新频率质量表，并用优质的非工作频率替代变坏的工作频率。

定时探测时，将全库的频率分成若干个子集，每个子集能够覆盖整个频段。定时探测按照子集轮换进行。为保证业务传输效率，定时探测的开销需进行严格的控制。

在跳频模式下，由于信道的变化，满足通信要求的频点个数也在变，为进一步提高系统抗干扰能力，采取工作频率数目自适应的策略：工作频率变坏且无好的备用频率时，减少工作频率个数；找到质量好的备用频率时，对工作频率进行扩充。频率个数自适应的过程如图6 所示。

图6 频率个数自适应的过程

自适应的具体过程如下：

（1）节点找出质量最好的频率，根据其信道质量与误码的关系，确定其位于哪一误码区间，将位于该区间的频率按序选用，但不超过设计的跳频个数。

（2）在选取的区间内，如果有频率质量变差，跌出该区间，则将该频率剔除；若有其他频率进入该区间，则将其选用。

（3）在选取的区间内，如果有频率质量变好，则逐渐剔除质量较差的频点；若选用的频率全部跌出该区间，则选用误码性能位于下一个区间的频率。

4 快速速率自适应

为充分利用信道资源，信道传输速率要尽可能地与信道质量相匹配。在其他的跳频系统中，由于信道条件相似，可以在各频率上使用相同的传输速率。但是由于短波信道时变和频率选择性衰落明显，随着时间的变化，各工作频率的质量差异会变得很明显，在此情况下，如果在各频率上使用相同的速率，将会导致频率使用效率降低，各频点不能各尽其用。

本系统采用了针对单个跳频频率的快速速率自适应策略，即根据频点的实时质量，在该频点上选择对应最合适的速率进行传输。因此，系统可能出现在发送过程中快速切换多种速率的情况，最快时每跳更换一次速率。速率自适应的过程及策略如下：

（1）节点在接收业务时，对每个频率的质量进行实时评估，根据质量与速率的映射关系确定其匹配的最佳速率；

（2）节点接收方在备用频率探测及自适应信息交互时，发送本地各频率的最佳接收质量及速率至对方；

（3）对方接收自适应信息后，在该频率上使用建议的速率发送业务数据。

如上文所述，速率自适应信息依靠接收端通知对端，为进一步提高系统工作的可靠性，节点在速率更换的下一业务周期采取多速率接收的策略。业务接收端在发送完某频率的变速信息后，随即在变速后的速率与变速前的速率上同时接收业务数据，然后根据解调信息判断哪一路是有效信息，从而确定发送端是否已经变速。如果确定发端发送速率后，后续在该频率上将无须进行多速率接收。多速率接收流程如图7 所示。

图7 多速率接收流程

如图7 所示，被叫方在业务传输过程中发现f2的质量变好，速率可以上升至9 600 bit/s，被叫方随后发送变速信息至主叫方，通知主叫方变速。主叫方未能正确接收该变速信息，后续在f2 上继续使用4 800 bit/s 发送。被叫方由于不能确定主叫是否变速成功，同时在4 800 bit/s 和9 600 bit/s 上进行接收，随后确定主叫方未变速成功，后续继续发送变速信息。

5 试验结果

为验证本文跳频自适应控制的可行性，根据上述思路，在电台样机上实现了跳频同步、非对称跳频频率协商、频率个数自适应、速率自适应功能，并进行了试验验证。其中调制解调器主要参照美军短波调制解调器标准110B[11]，波形速率分别为2 400 bit/s，4 800 bit/s，9 600 bit/s，19 200 bit/s，28 800 bit/s。

5.1 试验一：换频功能及性能测试

试验条件：地波通信，通信距离约10 km，跳频频率数16 个，固定传输速率。一次正向传输时间10 s，一次反向自适应应答1 s，跳数20 跳。选定某工作频点，在本地通过陪试电台施加单音干扰。

试验内容：在关闭频率自适应的模式下进行误码率测试，连续测试10 min；开启频率自适应功能，进行误码率测试，连续测试10 min。记录各种速率下的误码率及频率更换时间。测试结果如表1、表2 所示。

表1 误码率测试结果

表2 自适应换频时间

5.2 试验二：自适应模式下传输性能测试

试验条件：海面波通信，通信距离约125 km，跳频频率数16 个，开启频率、速率自适应。一次正向传输时间20 s，一次反向自适应应答2 s，跳数20 跳。

试验内容：在开启自适应的模式下进行数据包ARQ 传输测试，连续测试10 min。记录10 min 的平均传输通过率。

试验数据：最高通过率为14 900 bit/s，最低通过率为11 211 bit/s，平均通过率12 434 bit/s。在测试过程中，有明显的频率替换与速率升降过程。

上述试验表明，该自适应策略能够选出质量较好的跳频工作频率集，对信道变化反应较为迅速，通信的误码率改善明显，并且该机制与宽带传输波形相结合能获得较高的数据传输通过率。

6 结语

本文给出了一种短波跳频系统的自适应控制解决方案，能够快速选择跳频工作频率及速率，能够针对信道的变化做出频率或者速率的调整，使通信维持良好的状态，但本文所提方案仅适用于点对点通信场景。未来战场信息指挥体系将实现网络化、一体化、实时化，通信系统中数据传输流量更大，流量密度和节点密度大幅提高，电磁环境更加复杂，因此面对网络场景的短波宽带自适应技术将是未来研究的热点。