短波頻率管理系統(tǒng)及在通信中的應(yīng)用

一、短波頻率管理的發(fā)展背景

　　短波通信有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)動(dòng)、靈活、成本低，可以進(jìn)行遠(yuǎn)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(wú)線通信中一直享有重要的地位。然而，在７０年代初衛(wèi)星通信異軍突起，由于衛(wèi)星通信性能穩(wěn)定可靠，因此在相當(dāng)大的程度上取代了高頻通信。但是隨著人們對(duì)衛(wèi)星通信的易損性、耗資巨大等局限性的認(rèn)識(shí)，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(jié)論：沒(méi)有一種單一的遠(yuǎn)距離通信手段可以滿(mǎn)足一切要求，因而在世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家的Ｃ４Ｉ系統(tǒng)中都部署了高頻系統(tǒng)，而且越來(lái)越發(fā)揮著重要的作用。例如在美陸軍２１世紀(jì)數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)中就安排了戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸系統(tǒng) ?ＢＩＴＳ? 的計(jì)劃，其中的寬頻段ＨＦ ?ＷＢＨＦ?項(xiàng)目就是研究高頻系統(tǒng)在數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)中的應(yīng)用，并且希望把戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大到ＨＦ頻段。這些都對(duì)短波選頻提出了新的要求。

　　短波通信選頻主要經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：

　　（１）長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)。根據(jù)太陽(yáng)黑子數(shù)及季月時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)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。

　?。ǎ玻?shí)時(shí)頻率預(yù)測(cè)。自六十年代以來(lái)，美、加等國(guó)先后發(fā)展了實(shí)時(shí)選頻技術(shù)，出現(xiàn)了ＣＵＲＴＳ、ＣＨＥＣ、Ｃｈｉｒｐ等專(zhuān)用實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)。實(shí)時(shí)選頻技術(shù)對(duì)于保障高質(zhì)量的短波干線通信起了很大作用。近年來(lái)Ｃｈｉｒｐ選頻系統(tǒng)得到很大發(fā)展。１９９４年ＩＴＵ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ７２０已推薦ＦＭ／ＣＷ“Ｃｈｉｒｐ”探測(cè)技術(shù)作為動(dòng)態(tài)頻率管理的標(biāo)準(zhǔn)。美、英等國(guó)對(duì)Ｃｈｉｒｐ系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地科學(xué)試驗(yàn)，并在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中取得很好的實(shí)戰(zhàn)效果。

　?。ǎ常┳赃m應(yīng)通信技術(shù)。這是八十年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它將選頻和通信融為一體，可以在最佳信道上自動(dòng)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(zhì)量低于專(zhuān)用實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)提供的頻率質(zhì)量。今后發(fā)展方向應(yīng)是將專(zhuān)用選頻系統(tǒng)和自適應(yīng)通信系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步提高短波通信質(zhì)量。目前美國(guó)提出的第三代自適應(yīng)高頻系統(tǒng)已體現(xiàn)了Ｃｈｉｒｐ選頻系統(tǒng)與短波通信系統(tǒng)的結(jié)合。

　　我國(guó)的短波通信、短波實(shí)時(shí)選頻的科研工作基本上可以跟蹤國(guó)際上的最新水平?！鞍宋濉逼陂g由電子部七所、７１３廠、二十二所合作完成的短波頻率管理預(yù)報(bào)系統(tǒng)標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域躍上了一個(gè)新臺(tái)階。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性。我國(guó)幅員廣闊的地域和海域必將對(duì)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(wù)。該任務(wù)完成后短波實(shí)時(shí)選頻將提高到一個(gè)新水平，并且將對(duì)３００ｋＨｚ－２０００ＭＨｚ的頻段進(jìn)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(yù)報(bào)系統(tǒng)”由探測(cè)發(fā)射機(jī)、探測(cè)接收機(jī)、頻譜監(jiān)測(cè)儀和頻率管理終端組成。每部探測(cè)接收機(jī)可接收三臺(tái)發(fā)射機(jī)的信號(hào)。

　　該系統(tǒng)可對(duì)電離層進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，積累探測(cè)資料，對(duì)短波頻率資源進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理；具有三發(fā)一收的組網(wǎng)功能；具有實(shí)時(shí)、短期、長(zhǎng)期頻率預(yù)報(bào)功能。實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是根據(jù)實(shí)時(shí)探測(cè)的信噪比、時(shí)延散布值對(duì)頻率進(jìn)行排序選優(yōu)，從而為短波干線通信提供最佳通信頻率。另外，對(duì)探測(cè)電路之外的短波通信也可提供高質(zhì)量的通信頻率。

　　“Ｃｈｉｒｐ短波頻率管理預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的探測(cè)原理屬于啁啾探測(cè)系統(tǒng)?Ｃｈｉｒｐ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ? ，探測(cè)信號(hào)采用調(diào)頻連續(xù)波?ＦＭ／ＣＷ?信號(hào)。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，探測(cè)發(fā)射機(jī)和探測(cè)接收機(jī)都經(jīng)過(guò)精確校時(shí)。發(fā)射機(jī)發(fā)射ＦＭ／ＣＷ探測(cè)信號(hào)時(shí)，接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘控制接收機(jī)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射信號(hào)相同形式的內(nèi)部參考信號(hào)，與發(fā)射機(jī)信號(hào)精確同步。任何能通過(guò)ＨＦ電路傳播的無(wú)線電能量?表面波、一跳二跳Ｆ層傳播等?都能被探測(cè)接收機(jī)接收到。探測(cè)信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)所需的傳播時(shí)間使得該信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻滯后于接收機(jī)的調(diào)諧頻率點(diǎn)，因此當(dāng)接收機(jī)收到探測(cè)信號(hào)并和機(jī)內(nèi)參考信號(hào)混頻后，將得到差頻信號(hào)。接收機(jī)將差頻信號(hào)放大轉(zhuǎn)換成基帶音頻信號(hào)，０赫茲的音頻信號(hào)表示沒(méi)有時(shí)間延遲，音頻信號(hào)頻率的增加?最大為５００Ｈｚ?表示了電離層反射信號(hào)延遲的增加。實(shí)際上，接收機(jī)基帶音頻輸出是一個(gè)多音信號(hào)，該多音信號(hào)表示了從電離層的不同區(qū)域反射所引起的信號(hào)和各種延遲。信號(hào)延遲Ｄｔ與接收機(jī)音頻輸出Ｄｆ之間的關(guān)系為：Ｄｆ ＝ ?ｄｆ／ｄｔ? × Ｄｔ，其中ｄｆ／ｄｔ為掃頻信號(hào)斜率，可見(jiàn)接收機(jī)基帶的音頻信號(hào)頻率與時(shí)延成正比。用音頻頻譜分析儀分析這些多音信號(hào)，可以確定傳播模式的數(shù)量、各傳播模式的差分時(shí)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(shí)延隨頻率的分布。不同傳播模式的信號(hào)，它們之間具有毫秒級(jí)的時(shí)間間隔。當(dāng)頻率改變時(shí)，這些多徑信號(hào)的延遲時(shí)間也隨之改變。

　　從電離圖可以得到時(shí)延參量。當(dāng)存在多種傳播模式時(shí)，到達(dá)接收端最早信號(hào)和最晚信號(hào)之間的時(shí)間差就是多徑時(shí)延。通過(guò)對(duì)Ｃｈｉｒｐ信號(hào)能量和本地干擾的測(cè)量可以得到信噪比。因此可以對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)的通信質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

　?。茫瑁椋颍鹛綔y(cè)設(shè)備能夠以１００千赫茲每秒的速率在有用頻段內(nèi)以相位連續(xù)的信號(hào)掃描。由于探測(cè)接收機(jī)工作在相當(dāng)窄的接收帶寬內(nèi)，數(shù)量級(jí)為幾百赫茲，所以只需要相對(duì)低的發(fā)射功率即可完成遠(yuǎn)距離的探測(cè)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)表明，我國(guó)自行研制的短波頻率管理系統(tǒng)可用２０Ｗ的探測(cè)功率在全頻段完成２０００ｋｍ通信電路的頻率探測(cè)。

三、短波頻率管理系統(tǒng)如何應(yīng)用于民用通信

　　在民用通信方面可通過(guò)短波頻率管理系統(tǒng)建立全國(guó)短波干線選頻網(wǎng)。短波頻率管理系統(tǒng)體制采用ＦＭ／ＣＷ制式。在全國(guó)范圍可設(shè)置三層結(jié)構(gòu)。

　　以北京為中心，各大行政區(qū)首府為端點(diǎn)的一級(jí)選頻網(wǎng)，該網(wǎng)共六條探測(cè)電路。總部配置兩臺(tái)探測(cè)接收機(jī)，一臺(tái)或多臺(tái)干擾噪聲監(jiān)測(cè)儀，一臺(tái)頻率管理終端。頻率管理終端應(yīng)與通信系統(tǒng)控制器和中心網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備相連。各大行政區(qū)首府設(shè)置相應(yīng)探測(cè)發(fā)射機(jī)。一級(jí)選頻網(wǎng)負(fù)責(zé)北京和各大行政區(qū)間的短波頻率管理。

　　以大行政區(qū)首府為中心，省會(huì)為端點(diǎn)組成二級(jí)選頻網(wǎng)，該網(wǎng)一般由２－４條探測(cè)電路組成。在大行政區(qū)首府設(shè)置一臺(tái)探測(cè)接收機(jī)、一臺(tái)干擾頻譜監(jiān)測(cè)儀、一臺(tái)頻率管理終端。該頻率管理終端與大行政區(qū)的通信系統(tǒng)控制器和網(wǎng)管設(shè)備相連。在省會(huì)設(shè)置相應(yīng)探測(cè)發(fā)射機(jī)。二級(jí)選頻網(wǎng)主要負(fù)責(zé)大行政轄區(qū)內(nèi)的頻率管理。

　　在各省會(huì)以下可以設(shè)置三級(jí)選頻網(wǎng)。

　　對(duì)于偏離探測(cè)電路的通信電路，可用外推法或偽太陽(yáng)黑子數(shù)法?ＰＰＳＮ?來(lái)進(jìn)行頻率修正。

四、短波頻率管理系統(tǒng)如何應(yīng)用于軍事通信

　　在下一階段科研中，應(yīng)將頻率管理系統(tǒng)與通信系統(tǒng)有機(jī)集成，進(jìn)行２－２０００ＭＨｚ頻段管理，短波頻率管理系統(tǒng)只是通信頻管系統(tǒng)的一部分。頻率管理系統(tǒng)不僅能對(duì)通信信道進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，而且應(yīng)能對(duì)頻率進(jìn)行規(guī)劃。同時(shí)要了解用戶(hù)對(duì)頻率的需求，現(xiàn)場(chǎng)電磁頻譜的背景，及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，從而?duì)所用的頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻率管理。通過(guò)通信系統(tǒng)集中控制器或網(wǎng)管設(shè)備進(jìn)行頻率分發(fā)，并實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的改頻操作。

　　在機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，可采用移動(dòng)選頻系統(tǒng)進(jìn)行選頻。短波頻率管理系統(tǒng)可以裝車(chē)、裝艦。隨著戰(zhàn)場(chǎng)的流動(dòng)，可以用車(chē)載和艦載選頻系統(tǒng)，進(jìn)行前沿戰(zhàn)場(chǎng)頻率管理。這樣可以解決各種復(fù)雜情況下的短波通信問(wèn)題。

　　當(dāng)在無(wú)線電環(huán)境要求寂靜時(shí)，不允許進(jìn)行探測(cè)發(fā)射，這時(shí)可以采用無(wú)源實(shí)時(shí)選頻技術(shù)來(lái)進(jìn)行頻率管理。

五、短波頻率管理未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

　　主要發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用于在第三代高頻通信系統(tǒng)中。

　　第一代高頻通信系統(tǒng)沒(méi)有自適應(yīng)選頻功能；第二代高頻通信系統(tǒng)是建立在美軍標(biāo)ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ａ的基礎(chǔ)上，具有自適應(yīng)選頻功能，但由于是異步系統(tǒng)，所以電路鏈接過(guò)程較長(zhǎng)；第三代高頻通信系統(tǒng)是建立在美軍標(biāo)ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ｂ的基礎(chǔ)上，具有自適應(yīng)選頻功能，由于是同步系統(tǒng)，所以能快速建立電路。

　　第三代高頻自適應(yīng)通信系統(tǒng)基本概念是：在同步方式工作時(shí)，所有的搜索接收機(jī)同時(shí)改變頻率。但是，所有臺(tái)站在同一時(shí)間并非監(jiān)聽(tīng)同一呼叫信道。在同一時(shí)間監(jiān)聽(tīng)同一信道的一組臺(tái)站叫做一個(gè)駐留組。這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)成員發(fā)起的呼叫將在時(shí)間和頻率上分開(kāi)，所以極大地減少了呼叫中的碰撞概率。當(dāng)一個(gè)呼叫臺(tái)站想與被呼叫臺(tái)站鏈接時(shí)，呼臺(tái)將計(jì)算下一駐留周期被呼叫臺(tái)站的搜索頻率，并用該頻率進(jìn)行呼叫，和第二代自適應(yīng)通信系統(tǒng)相比，大大地縮短了呼叫時(shí)間。發(fā)臺(tái)呼叫周期和收臺(tái)在某個(gè)頻率上的搜索駐留時(shí)間相同。

　　在第三代自適應(yīng)通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)本身通常不進(jìn)行信道質(zhì)量分析?ＬＱＡ?，而是利用ｃｈｉｒｐ頻率管理系統(tǒng)來(lái)提供通信頻率，并使通信系統(tǒng)中的搜索頻率表達(dá)到最佳。所以說(shuō)ｃｈｉｒｐ頻率管理系統(tǒng)是第三代自適應(yīng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。