短波頻率管理系統及在通信中的應用

2019-11-03 09:12:45

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中國電子科技集團公司第七研究所到楊世泰

一、短波頻率管理的發展背景

　　短波通信有許多獨特的優點，機動、靈活、成本低，可以進行遠距離通信。因此高頻通信一直是軍事通信中的一種重要手段，在無線通信中一直享有重要的地位。然而，在７０年代初衛星通信異軍突起，由于衛星通信性能穩定可靠，因此在相當大的程度上取代了高頻通信。但是隨著人們對衛星通信的易損性、耗資巨大等局限性的認識，高頻通信又再次受到重視。從軍事通信的角度可以得出這樣的結論：沒有一種單一的遠距離通信手段可以滿足一切要求，因而在世界上主要發達國家的Ｃ４Ｉ系統中都部署了高頻系統，而且越來越發揮著重要的作用。例如在美陸軍２１世紀數字化戰場中就安排了戰場信息傳輸系統 ＢＩＴＳ 的計劃，其中的寬頻段ＨＦ ＷＢＨＦ項目就是研究高頻系統在數字化戰場中的應用，并且希望把戰術互聯網擴大到ＨＦ頻段。這些都對短波選頻提出了新的要求。

　　短波通信選頻主要經歷了三個主要階段：

　　（１）長期頻率預測。根據太陽黑子數及季月時間來預測電路的最高可用頻率ＭＵＦ。這種方法是基于月中值的概念，所以工作頻率難以跟蹤電離層的變化，因而影響高頻通信效果。

　　（２）實時頻率預測。自六十年代以來，美、加等國先后發展了實時選頻技術，出現了ＣＵＲＴＳ、ＣＨＥＣ、Ｃｈｉｒｐ等專用實時選頻系統。實時選頻技術對于保障高質量的短波干線通信起了很大作用。近年來Ｃｈｉｒｐ選頻系統得到很大發展。１９９４年ＩＴＵＲｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ７２０已推薦ＦＭ／ＣＷ“Ｃｈｉｒｐ”探測技術作為動態頻率管理的標準。美、英等國對Ｃｈｉｒｐ系統進行了實地科學試驗，并在海灣戰爭中取得很好的實戰效果。

　　（３）自適應通信技術。這是八十年代發展起來的一項新技術，它將選頻和通信融為一體，可以在最佳信道上自動溝通電路。由于選頻和通信合一，而且以通信為主，所以選頻質量低于專用實時選頻系統提供的頻率質量。今后發展方向應是將專用選頻系統和自適應通信系統結合起來，進一步提高短波通信質量。目前美國提出的第三代自適應高頻系統已體現了Ｃｈｉｒｐ選頻系統與短波通信系統的結合。

　　我國的短波通信、短波實時選頻的科研工作基本上可以跟蹤國際上的最新水平。“八五”期間由電子部七所、７１３廠、二十二所合作完成的短波頻率管理預報系統標志著我國在該領域躍上了一個新臺階。該系統在實際應用中發揮了巨大的優越性。我國幅員廣闊的地域和海域必將對短波通信提出更多更高的需求。“九五”期間電子部七所又承接了“通信頻率管理”的任務。該任務完成后短波實時選頻將提高到一個新水平，并且將對３００ｋＨｚ－２０００ＭＨｚ的頻段進行寬域頻率管理。

二、短波頻率管理的基本原理

　　“Ｃｈｉｒｐ短波頻率管理預報系統”由探測發射機、探測接收機、頻譜監測儀和頻率管理終端組成。每部探測接收機可接收三臺發射機的信號。

　　該系統可對電離層進行實時探測，積累探測資料，對短波頻率資源進行實時動態管理；具有三發一收的組網功能；具有實時、短期、長期頻率預報功能。實時預報是根據實時探測的信噪比、時延散布值對頻率進行排序選優，從而為短波干線通信提供最佳通信頻率。另外，對探測電路之外的短波通信也可提供高質量的通信頻率。

　　“Ｃｈｉｒｐ短波頻率管理預報系統”的探測原理屬于啁啾探測系統ＣｈｉｒｐＳｏｕｎｄｉｎｇＳｙｓｔｅｍ ，探測信號采用調頻連續波ＦＭ／ＣＷ信號。

　　系統工作時，探測發射機和探測接收機都經過精確校時。發射機發射ＦＭ／ＣＷ探測信號時，接收機內部時鐘控制接收機同時產生一個與發射信號相同形式的內部參考信號，與發射機信號精確同步。任何能通過ＨＦ電路傳播的無線電能量表面波、一跳二跳Ｆ層傳播等都能被探測接收機接收到。探測信號從發射機到接收機所需的傳播時間使得該信號到達接收機的時刻滯后于接收機的調諧頻率點，因此當接收機收到探測信號并和機內參考信號混頻后，將得到差頻信號。接收機將差頻信號放大轉換成基帶音頻信號，０赫茲的音頻信號表示沒有時間延遲，音頻信號頻率的增加最大為５００Ｈｚ表示了電離層反射信號延遲的增加。實際上，接收機基帶音頻輸出是一個多音信號，該多音信號表示了從電離層的不同區域反射所引起的信號和各種延遲。信號延遲Ｄｔ與接收機音頻輸出Ｄｆ之間的關系為：Ｄｆ＝ ｄｆ／ｄｔ × Ｄｔ，其中ｄｆ／ｄｔ為掃頻信號斜率，可見接收機基帶的音頻信號頻率與時延成正比。用音頻頻譜分析儀分析這些多音信號，可以確定傳播模式的數量、各傳播模式的差分時延，最后得到所需要的電離圖。

　　所謂電離圖就是指不同傳播模式的時延隨頻率的分布。不同傳播模式的信號，它們之間具有毫秒級的時間間隔。當頻率改變時，這些多徑信號的延遲時間也隨之改變。

　　從電離圖可以得到時延參量。當存在多種傳播模式時，到達接收端最早信號和最晚信號之間的時間差就是多徑時延。通過對Ｃｈｉｒｐ信號能量和本地干擾的測量可以得到信噪比。因此可以對每個頻點的通信質量進行評定。

　　Ｃｈｉｒｐ探測設備能夠以１００千赫茲每秒的速率在有用頻段內以相位連續的信號掃描。由于探測接收機工作在相當窄的接收帶寬內，數量級為幾百赫茲，所以只需要相對低的發射功率即可完成遠距離的探測。經過多次試驗表明，我國自行研制的短波頻率管理系統可用２０Ｗ的探測功率在全頻段完成２０００ｋｍ通信電路的頻率探測。

三、短波頻率管理系統如何應用于民用通信

　　在民用通信方面可通過短波頻率管理系統建立全國短波干線選頻網。短波頻率管理系統體制采用ＦＭ／ＣＷ制式。在全國范圍可設置三層結構。

　　以北京為中心，各大行政區首府為端點的一級選頻網，該網共六條探測電路。總部配置兩臺探測接收機，一臺或多臺干擾噪聲監測儀，一臺頻率管理終端。頻率管理終端應與通信系統控制器和中心網絡管理設備相連。各大行政區首府設置相應探測發射機。一級選頻網負責北京和各大行政區間的短波頻率管理。

　　以大行政區首府為中心，省會為端點組成二級選頻網，該網一般由２－４條探測電路組成。在大行政區首府設置一臺探測接收機、一臺干擾頻譜監測儀、一臺頻率管理終端。該頻率管理終端與大行政區的通信系統控制器和網管設備相連。在省會設置相應探測發射機。二級選頻網主要負責大行政轄區內的頻率管理。

　　在各省會以下可以設置三級選頻網。

　　對于偏離探測電路的通信電路，可用外推法或偽太陽黑子數法ＰＰＳＮ來進行頻率修正。

四、短波頻率管理系統如何應用于軍事通信

　　在下一階段科研中，應將頻率管理系統與通信系統有機集成，進行２－２０００ＭＨｚ頻段管理，短波頻率管理系統只是通信頻管系統的一部分。頻率管理系統不僅能對通信信道進行實時探測，而且應能對頻率進行規劃。同時要了解用戶對頻率的需求，現場電磁頻譜的背景，及網絡拓撲的變化，從而對所用的頻率進行調整，實現動態頻率管理。通過通信系統集中控制器或網管設備進行頻率分發，并實現電臺的改頻操作。

　　在機動的戰場環境下，可采用移動選頻系統進行選頻。短波頻率管理系統可以裝車、裝艦。隨著戰場的流動，可以用車載和艦載選頻系統，進行前沿戰場頻率管理。這樣可以解決各種復雜情況下的短波通信問題。

　　當在無線電環境要求寂靜時，不允許進行探測發射，這時可以采用無源實時選頻技術來進行頻率管理。

五、短波頻率管理未來的發展趨勢

　　主要發展趨勢是應用于在第三代高頻通信系統中。

　　第一代高頻通信系統沒有自適應選頻功能；第二代高頻通信系統是建立在美軍標ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ａ的基礎上，具有自適應選頻功能，但由于是異步系統，所以電路鏈接過程較長；第三代高頻通信系統是建立在美軍標ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ｂ的基礎上，具有自適應選頻功能，由于是同步系統，所以能快速建立電路。

　　第三代高頻自適應通信系統基本概念是：在同步方式工作時，所有的搜索接收機同時改變頻率。但是，所有臺站在同一時間并非監聽同一呼叫信道。在同一時間監聽同一信道的一組臺站叫做一個駐留組。這樣對網絡成員發起的呼叫將在時間和頻率上分開，所以極大地減少了呼叫中的碰撞概率。當一個呼叫臺站想與被呼叫臺站鏈接時，呼臺將計算下一駐留周期被呼叫臺站的搜索頻率，并用該頻率進行呼叫，和第二代自適應通信系統相比，大大地縮短了呼叫時間。發臺呼叫周期和收臺在某個頻率上的搜索駐留時間相同。

　　在第三代自適應通信系統中，通信系統本身通常不進行信道質量分析ＬＱＡ，而是利用ｃｈｉｒｐ頻率管理系統來提供通信頻率，并使通信系統中的搜索頻率表達到最佳。所以說ｃｈｉｒｐ頻率管理系統是第三代自適應通信系統的基礎。

----《通信世界報》