信息化條件下短波通信抗干擾技術與應用＊

王 磊 李 鶴 周 音 郝 強

（1.海軍裝備研究院自動化所 北京 100036）（2.海軍通信總站 北京 100841）

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對信息依賴程度的增大，復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境對指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響也越來越大。海軍作為一個國際性軍種，其使命任務決定了通信特點，短波通信是其進行遠距離指揮協(xié)調的一種重要通信保障方式［1］。短波通信可實現(xiàn)在大約一百公里到數(shù)千公里范圍內的超視距通信。短波通信具有通信距離遠、技術成熟、頑存性強等特點，同時，短波通信發(fā)射功率小，建設速度快，機動靈活性高，也使其成為軍事指揮的重要手段之一［2～3］。目前，短波通信已經(jīng)發(fā)展到了第三代［4］，隨著信息化的不斷深化和軍事需求的不斷提高，未來短波通信將從自適應跳頻技術、自適應編碼調制技術、高速調制解調器和組網(wǎng)技術等方向進行更深層次的研究和開發(fā)。

無線電通信是戰(zhàn)場上保障作戰(zhàn)與指揮的重要手段，但無線電通信易遭受干擾，特別是短波通信不僅易遭到天電、工業(yè)等自然干擾，尤其在信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)場，復雜電磁環(huán)境的影響還會使短波通信受到人為的跟蹤、阻塞、多徑干擾等各種干擾的影響。因此，如何有效改善短波通信性能，提高其抗干擾能力，確保指揮信息系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就成為短波通信技術研究和發(fā)展的重要課題之一。另外，在短波通信抗干擾技術的研究領域，外軍投入了大量的人力、物力和財力，已占據(jù)了明顯的領先優(yōu)勢。因此，研究短波通信抗干擾技術，發(fā)展適用于我軍短波通信的抗干擾裝備，提高戰(zhàn)時通信對抗能力，保障我軍在信息化戰(zhàn)爭中指控信息安全準確地傳輸，已成為我軍短波通信抗干擾技術必須攻克的關鍵環(huán)節(jié)。

2 通信抗干擾基本理論

擴展頻譜通信體制（簡稱擴譜）是目前軍事通信廣泛采用的基本抗干擾技術體制［5］。擴譜通信的理論基礎是由信道容量表示的香農(nóng)公式［6］，即對于高斯白噪聲信道有：

式（1）中，C為信道容量，單位為bit／s；W 為傳輸信息所用的帶寬，單位為Hz；N0為噪聲平均功率，S為信號平均功率，S／N0為信號與噪聲的功率之比。式（1）表明：信道容量取決于傳輸帶寬W 和信噪比S／N0，與窄帶寬、低功率的信號相比，寬帶寬、高功率的信號具有更大的信道容量C。而信道容量又反映了在一定信道條件下通信系統(tǒng)無差錯傳輸信息的能力。更具體地說，其表明了當給定信號平均功率與噪聲平均功率時，在具有一定頻帶寬度的信道上，單位時間內可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限值。

如果能采取一定的措施，在信道條件一定的前提下，使信道容量增大，也就使通信能力增強；或者在保持通信容量一定的前提下，能容忍更大的噪聲功率，也就使抗干擾能力增強?？梢姡诺廊萘繉嶋H上表明了通信系統(tǒng)的通信能力，而保證一定誤碼率條件下通信容量的能力就表明了抗干擾的能力。所以，香農(nóng)公式表明了系統(tǒng)的通信能力和抗干擾能力與傳輸信息所用的帶寬以及信噪比之間的關系。

由于噪聲平均功率N0與系統(tǒng)帶寬W 有關，假設單邊噪聲功率譜密度為n0，則噪聲平均功率N0＝n0·W。因此，香農(nóng)公式的另一種表達形式為

由式（2）可知，在單邊噪聲功率譜密度n0一定的條件下，一個給定的信道容量可以通過增加帶寬而減小信號功率的辦法來實現(xiàn)，也可以通過增加信號功率而減小帶寬的辦法實現(xiàn)。也就是說，分別通過增加信號功率和帶寬都可以提高信道容量。在大信噪比條件下（S／N0?1），式（2）可近似為

此時若信號功率不變，信道容量與帶寬近似成線性關系，上升速度快；若帶寬不變，信道容量與信號功率近似成對數(shù)關系，上升速度較緩慢。理論上還可以證明［7］，在具有極限信息傳輸速率的理想系統(tǒng)中，輸出信噪比隨著帶寬的增加按指數(shù)規(guī)律增加。也就是說，增加帶寬可以明顯地改善輸出信噪比。根據(jù)這一原理，應該盡可能地寬展信號的傳輸帶寬，以提高系統(tǒng)的輸出信噪比，這就是擴展頻譜通信。

可見，擴譜是提高通信系統(tǒng)抗干擾能力和通信能力的一個重要途徑，并且信號的帶寬越寬，越能接近系統(tǒng)的性能極限，如果能將原信號的頻譜擴成無限寬，并且系統(tǒng)又具有無限寬的傳輸帶寬，即可達到理想通信的目的。

3 短波通信抗干擾

3.1 短波通信的干擾方式

在短波通信過程中，會受到不同形式的干擾，這些干擾主要包括大氣噪聲、工業(yè)干擾、電臺干擾和人為干擾等。其中，人為干擾往往處于主導地位。

1）大氣噪聲

在短波通信頻段，大氣噪聲主要是天電干擾，是由大氣放電產(chǎn)生且具有方向性。對于緯度較高的區(qū)域，天電干擾是由遠方傳播而來，方向的改變是按晝夜和季節(jié)的變化而變動的。

2）工業(yè)干擾

工業(yè)干擾是由各種電氣設備、電力網(wǎng)和點火裝置產(chǎn)生的。這種干擾的幅度除了和本地噪聲源有密切關系外，同時也取決于供電系統(tǒng)。這類干擾短期變化很大，與位置密切相關。

3）電臺干擾

電臺干擾是指工作頻率相近的其它無線電臺的干擾。由于短波波段的頻帶較窄，但用戶較多，因此電臺干擾已成為影響短波通信的主要干擾源。

4）人為干擾

人為干擾主要是指來自敵方的通信干擾，這類干擾是戰(zhàn)時通信的最主要干擾，主要包括：相關干擾、全頻段／部分頻段干擾、單頻／多頻干擾、頻率瞄準跟蹤式干擾和轉發(fā)式干擾等。

3.2 短波通信抗干擾方法及應用

短波通信抗干擾可以從時域、頻域、功率域、空間域、速度域等多個方面出發(fā)，實現(xiàn)多維空間的抗干擾。由于擴展頻譜技術具有信號頻譜寬、波形復雜、參數(shù)多變、安全隱蔽等顯著特點，已成為當代通信抗干擾技術的重要體制。常用的有直接序列擴頻技術、跳頻技術、跳時技術、混合擴頻技術等。還有非擴展頻譜類的抗干擾技術，如自適應天線技術、猝發(fā)通信技術、糾錯編碼與交織編碼技術、分集技術等。如法國湯姆遜公司的350H高頻通信設備系列，采用了自適應跳頻方案，應用了自動頻率分析和跳頻信號處理相結合的技術，具有很強的抗干擾能力；美國HARRIS公司的RF－5000系列高頻數(shù)字無線電系統(tǒng)，采用先進的數(shù)字信號處理技術，具有抗電子干擾、話音加密、高速數(shù)據(jù)傳輸、自適應頻率管理和猝發(fā)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1）擴展頻譜抗干擾技術

所謂擴展頻譜是指將信息帶寬進行擴展傳輸?shù)耐ㄐ趴垢蓴_技術體制，下面詳細介紹各類擴頻抗干擾技術。

（1）直接序列擴頻技術

直接序列擴頻的基本原理是在通信的發(fā)信端用高速偽噪聲碼對要發(fā)送的信息碼流進行擴譜調制，然后進行射頻調制，使得傳輸中的信號帶寬主要決定于偽碼帶寬，且遠大于原信息帶寬；在接收端先用本地載波對接收的射頻信號進行混頻，然后在中頻用與發(fā)送端相同的偽碼序列進行相關解擴，將有用寬帶信號還原成原窄帶信號，經(jīng)過解調再生單元恢復信息數(shù)據(jù)。通信可在信道噪聲和熱噪聲的背景下，用很低的信號功率譜進行通信，使信號淹沒在噪聲中，從而使信號不易被敵方發(fā)現(xiàn)。該技術的特點是信號隱蔽性好，截獲概率低，并能抗多徑干擾，而且容易實現(xiàn)碼分多址體制。典型的產(chǎn)品有美國SICOM公司的寬帶短波收發(fā)信機，德國TST公司的TST－2007天線保密電臺，以及為美軍陸軍師及師以下指揮所提供戰(zhàn)場數(shù)據(jù)傳輸手段的“近期數(shù)字電臺（NTDR）”等。

（2）跳頻技術

常規(guī)的跳頻通信是指通信雙方或多方在相同同步算法和偽隨機跳頻圖案算法的控制下，射頻在約定的頻率表內以離散頻率增量偽隨機且同步地跳變，射頻在跳變過程中所能覆蓋的帶寬遠遠大于原信息帶寬，因而擴展了頻譜［8］。這種技術具有較強的抗干擾能力，已在戰(zhàn)術通信中得到廣泛的應用。如美國Litlon公司的多速率7680抗干擾通信設備，法國 Thomson－CSF公司的海軍電臺 ERM－9000，PR4G系列電臺之一TRC9600機載跳頻電臺等。隨著研究的不斷深入，跳頻速率和數(shù)據(jù)速率也越來越高，現(xiàn)在美國Sanders公司的CHESS［9］高速短波跳頻電臺已經(jīng)實現(xiàn)了5000跳／秒的跳頻速率，最高數(shù)據(jù)數(shù)率可達到19.2kbps。此外，隨著更大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊?，帶內多通道被采用，其最高通信速率可達64kbps。

（3）跳時技術

跳時是通信抗干擾技術在時間域的應用。跳時是發(fā)射信號在時間軸上跳變，時間軸可分為許多時片，在一幀內哪個時片發(fā)射信號，由擴頻碼序列去控制。由于簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用。目前，此類技術的相應裝備較少。

（4）混合擴頻技術

直擴和跳頻技術的抗干擾機理不同，各有特點同時也存在不足。在抗強定頻干擾方面，直擴抗干擾是通過相關解擴取得處理增益來達到抗干擾目的，但超過了干擾容限的定頻干擾將會導致直擴系統(tǒng)的通信中斷或性能急劇惡化；而跳頻系統(tǒng)是采用躲避的方法抗干擾，強定頻干擾只能干擾跳頻系統(tǒng)的一個或幾個頻率，對系統(tǒng)性能的影響不很嚴重。在抗多徑干擾方面，對直擴系統(tǒng)不能形成干擾，直擴系統(tǒng)甚至可以利用這些干擾能量來提高系統(tǒng)性能；而跳頻系統(tǒng)要抵抗多徑干擾，則要求每一跳的駐留時間很短，在多徑信號沒有到來之前接收機已開始接收下一跳信號，嚴重依賴于器件的限制，且存在極限跳速問題。另外，“俘獲效應”對直擴系統(tǒng)的影響很大，而對跳頻系統(tǒng)的影響就小得多。直擴技術和跳頻技術在優(yōu)點與局限性方面具有互補性，促進了混合擴頻技術的研究和應用。

直接序列與跳頻混合式擴頻系統(tǒng)是在直接序列擴展頻譜系統(tǒng)的基礎上增加載波頻率跳變的功能，其基本工作方式是直接序列擴頻，系統(tǒng)的同步也是以直接序列的同步為基礎。當電磁環(huán)境異常惡劣時，或要求通信系統(tǒng)的抗干擾指標非常高，單獨一種擴展頻譜系統(tǒng)難以滿足要求，而采用混合式擴展頻譜系統(tǒng)既能滿足指標要求，又易于實現(xiàn)。因此，混合式擴展頻譜系統(tǒng)非常適用于嚴重干擾環(huán)境。如法國新研制的戰(zhàn)術地域通信系統(tǒng)Alcatel101，其收發(fā)信機單元中就采用了快速跳頻與直接序列瞬時擴頻相結合的電子反干擾技術；我國自行研制的V／UHF頻段機載跳擴頻抗干擾通信電臺等。

2）非擴頻類的通信抗干擾技術

擴頻通信抗干擾技術主要是在頻率域上通過擴展通信占用帶寬，降低信號射頻發(fā)送功率的方式來增強通信系統(tǒng)的抗干擾能力。而非擴頻通信技術則主要在空間域、時間域和編碼空間探索常規(guī)通信體制的抗干擾技術。

（1）自適應天線技術

對于來自空間不同方向的各種干擾，自適應天線可以通過調整其各單元上的振幅和相位分布，使波瓣在這些干擾方向上形成零點，從而減小或避免干擾信號的影響，如果干擾源在空間不斷運動，自適應天線則可以相應改變波瓣零點的位置，繼續(xù)對干擾信號進行抑制。如果干擾信號是寬帶的，自適應天線還可以在對應的方向處，形成較寬角度的凹口，以對抗寬頻帶干擾，自適應天線對干擾信號實現(xiàn)了“空間濾波”功能。

（2）猝發(fā)通信技術

所謂猝發(fā)通信技術是先將信息存儲起來，在某一瞬間以正常時間10～100倍或更高速率猝發(fā)。一方面可使用較大的脈沖功率來抵御有意干擾，另一方面由于發(fā)射時間的隨機性和短暫性使偵收概率大大降低。國外一些數(shù)據(jù)通信設備如美國Racal公司的6288型數(shù)據(jù)終端，英國Rocal公司的VRQ319／BCC39HF電臺和南非的TRI78型短波單邊帶自適應跳頻電臺都具有信息猝發(fā)能力。

（3）糾錯編碼和交織編碼

采用數(shù)字技術和糾錯編碼技術在一定程度上可提高抗干擾性。糾錯編碼能糾正因受干擾而產(chǎn)生的隨機錯誤，交織編碼能糾正抗衰落和干擾引起的突發(fā)錯誤。因此許多設備都有糾錯編碼功能，如法國的PR4G系列電臺，TRC－930VHF電臺等。

（4）分集技術

分集技術包括兩方面的內容：分離技術和合并技術。通過分離與合并，提高接收端的信噪比，從而獲得分集增益。分集技術在對抗多徑傳輸引起的包絡衰落和時延方面，其作用十分明顯。美、俄等國的散射通信設備中都采用了分集技術。

（5）軟件無線電技術

軟件無線電就是利用現(xiàn)場可編程器件和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，在同一硬件平臺上實現(xiàn)多種編／解碼、調制／解調方式，使其能夠根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇恰當?shù)耐ㄐ朋w制，為通信提供有效的保障，特別是隨著微電子技術的發(fā)展，可控微波、短波器件的出現(xiàn)，為軟件無線電技術的廣泛應用提供了廣闊的前景，同時也為通信抗干擾技術創(chuàng)造了新的天地。

3.3 短波通信抗干擾技術的發(fā)展趨勢

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)和信息技術的發(fā)展，通信抗干擾的覆蓋范圍大大擴展，抗干擾技術的要求也大大提高。在現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下，現(xiàn)有許多短波通信體制已不適用，短波通信系統(tǒng)必須進行重大的改進才能適應［11］。如何適應信息化戰(zhàn)爭下的通信抗干擾，已成為未來戰(zhàn)爭中通信保障的重要課題。近年來短波通信的發(fā)展非常迅猛，短波通信抗干擾技術也取得了一系列的突破和進展。外軍相繼推出了多種新型短波通信抗干擾裝備以及有關新研裝備代表了當今短波通信抗干擾技術的發(fā)展趨勢［4］，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）綜合抗干擾體制及新技術的應用。通過采用綜合抗干擾體制即綜合應用跳頻、直擴和跳時等基本抗干擾體制，同時采用頻率自適應、跳頻濾波器、交織糾錯、猝發(fā)傳輸、變速跳頻和變帶寬直擴等增效措施來達到抑制干擾的目的。

2）抗跟蹤干擾由定頻通信抗自動瞄準式干擾向跳頻抗跟蹤干擾發(fā)展。提高跳頻通信抗跟蹤干擾能力的技術動態(tài)主要有三個方面：（1）適當提高跳速；（2）采用變速跳頻；（3）采用跳頻參數(shù)管控。

3）擴頻碼序列隨機性更優(yōu)。由于擴頻通信中常用的偽隨機碼是m序列及其變形Gold序列與Walsh序列等少數(shù)幾種序列，這造成目前擴頻通信的某些缺陷可能被偵破。所以尋找新的更好的擴頻碼序列是通信抗干擾技術發(fā)展的一個重要方面，是提高擴頻通信抗干擾能力的重要研究方向。

4）短波抗干擾技術體制由窄帶低速向寬帶高速發(fā)展。為提高抗干擾能力，通常需要采取糾錯、交織、加密等措施，這些措施會使信息的有效傳輸速率降低，因此，在提高跳頻速率的同時，還需要增加信號帶寬，從而達到抑制干擾和提高傳輸速率的雙重目的。

5）由單一鏈路向網(wǎng)系應用發(fā)展。在未來信息化戰(zhàn)爭中，同一作戰(zhàn)地域內會有成千上萬的不同類型的通信裝備組成高密度的網(wǎng)絡和網(wǎng)系，甚至與我方電子進攻和其他電子裝備以及敵方攻防電子裝備的無線信號共同存在于同一地域空間、同一電磁頻譜空間。在這樣復雜的電磁環(huán)境中，要發(fā)揮短波通信的優(yōu)勢，合理配置短波通信資源，建立復合制式的多層次、多頻率、多信道、多路由、多鏈路的短波通信網(wǎng)系，通過抗干擾裝備的組網(wǎng)，綜合利用網(wǎng)系內的各類資源，高效利用網(wǎng)系獲取的信息，對抗干擾手段進行規(guī)劃和配置，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結語

在信息化條件下，軍事通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用日益提升，同時對通信干擾和抗干擾提出了新的挑戰(zhàn)。而短波通信在戰(zhàn)時通信中具有更為重要的作用，因此，有效地實現(xiàn)通信抗干擾，提升戰(zhàn)時短波通信質量，保證指揮信息安全、無誤地傳輸，已成為未來信息化戰(zhàn)爭奪取戰(zhàn)場主動權和制信息權的重要保障。

［1］吳傳富，郝威，江磊.軍事短波通信中的干擾問題［J］.四川兵工學報，2010，31（11）：99－101.

［2］中國人民解放軍總裝備部.短波通信技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002，2.

［3］ITU.HF Ionospheric Channel Simulators.Report 549－2，Recommendations and Reports of the CCIR，Vol.III，pp，59－67，Geneva.

［4］徐淑正，張暉，楊華中，等.信息時代的短波通信［J］.電子技術應用，2005（3）：1－3.

［5］姚富強.通信抗干擾工程與實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008，12.

［6］Donj.Torrieri，Principles of Military Communication Systems，Artech House，Inc.，1981.

［7］樊昌信，張甫翊.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［8］LASTER J D，REED JH.Interference rejection in digital wireless communications［J］.IEEE Trans on Signal Processing，1997（5）：37－62.

［9］Herrick D L，Lee P K.CHESS A New Reliable High Speed HF Radio［J］.Proceedings of IEEE MILCOM 96，McLean Virginia，USA November，1996：684－690.

［10］常傳文，楊悅.一種提高短波數(shù)據(jù)通信性能的方法［J］.計算機與數(shù)字工程，2011，39（8）.

［11］陸建勛.信息戰(zhàn)條件下高頻通信系統(tǒng)的發(fā)展方向［J］.軍事通信技術，2000，21（4）：1－4.