分集處理的甚低頻通信抗干擾能力分析*

嚴　爍　任席闖

(1.91960部隊　汕頭　515000)(2.91469部隊　北京　100841)

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分集處理的甚低頻通信抗干擾能力分析*

嚴爍1任席闖2

(1.91960部隊汕頭515000)(2.91469部隊北京100841)

摘要論文針對甚低頻通信抗雷電干擾需求，研究了將16FSK方式運用到甚低頻通信中的抗干擾性能，并對甚低頻波段使用16FSK方式的具體要求進行了詳細分析，為甚低頻通信的調制方式的選型提供了詳細、可靠的數(shù)理基礎。

關鍵詞甚低頻； 通信； 場強

Class NumberTN219

1引言

潛艇發(fā)揮作用的關鍵是保持高度的隱蔽性和對其實施有效的指揮控制，目前世界海軍對水下潛艇指揮與信息支撐的有效手段主要是超低頻和甚低頻通信。超低頻通信信息速率極低，只適合向潛艇發(fā)送指令代碼，對水下潛艇實施精確指揮仍需依靠信息速率相對較高的甚低頻通信來完成。基于此種原因甚低頻仍是各國海軍指揮潛艇的最主要的通信手段，其通信的可靠性和抗干擾能力對于對潛通信尤為重要。甚低頻大氣噪聲電平很高，在部分海域雷電活動頻繁，通信保障困難。要改善多雷暴海域的甚低頻通信，需要想辦法減小,甚至消除雷電干擾引起的誤碼率。

2甚低頻通信干擾因素

2.1人為干擾

甚低頻通信受到的人為干擾程度主要取決于收信區(qū)域的干擾信號強度，一般說來干擾信號越強，受到的干擾程度越強。干擾信號的強度主要取決于干擾功率的大小、干擾天線在被干擾接收機方向上的增益、信號沿傳播路徑的損耗等。

2.2自然干擾

在甚低頻頻段，主要的自然干擾源是雷電活動。雷電干擾的頻度和電平隨季節(jié)和地區(qū)而變化。在雷電活動頻繁的季節(jié)和地區(qū)，通信將受嚴重影響。雷電活動是云層中積累的電荷間的放電或云層中積累的電荷對地的放電。較為頻繁發(fā)生的是云中電荷間的放電，但其強度較弱，平均約為云對地放電強度的十分之一。整個雷電過程可以認為由四個階段組成。第一階段是云層中電荷的分離過程，第二階段是預放電過程。隨著電荷的分離，帶電云的電位梯度不斷增大。當電位梯度超過空氣擊穿電位時，空氣形成電離區(qū)，并向下延伸，直至延伸到地面。這一過程即為預放電過程，其持續(xù)時間大致在0.5ms～1ms左右[1～2]。第三階段是主擊穿。預放電過程延伸到地面后就產生主擊穿，此時負電荷向下運動，形成向上的電流，其值平均為20kA～30kA，產生很高的干擾電磁場。第四階段是多次擊穿。多數(shù)云對地放電包括若干次主擊穿(平均約3～4次)。每次擊穿持續(xù)時間約0.1ms，平均間隔時間約40ms。整個雷電過程的持續(xù)時間是:單次擊穿不超過100ms，多次擊穿平均約250ms。

3甚低頻通信抗干擾研究

從雷電活動簡單的描述知，一個雷電活動大致持續(xù)時間幾百毫秒，很少超過1s的。利用雷電的這一特點，可以把信息隔一段時間(大致一個雷電活動持續(xù)時間)重復發(fā)送一次，就可以降低信息被干擾的概率。例如可以把一個漢字作為重復發(fā)送的單元，連續(xù)重復發(fā)送三遍。上述內容用下面的圖示更容易看清楚。設信息序列為A1A2A3A4A5 A6A7A8，則發(fā)送序列為A1A2A3A4A1A2A3A4A1A2A3A4A5A6A7A8A5A6A7A8A5A6A7A8。

一個漢字由4個16進制字符組成，如果采用的字符持續(xù)時間像上面討論過的200ms～300ms，則一個漢字占用1s左右時間，三重發(fā)送中同一字符間的時間間隔等于一個漢字的占用時間，所以三重發(fā)送中一般只有一重發(fā)送中的1～2個字符被干擾。

根據(jù)雷電干擾是寬帶強信號、而有用信號是窄帶弱信號的特點[3～4]，可以選出未受干擾(或受干擾最小)的信號進行判決。在三次發(fā)送中只要有一次未受雷擊，就可能做出正確判決。設一次發(fā)送遇到雷擊的概率為P，由于各次雷擊是統(tǒng)計獨立的，所以三次發(fā)送都遭雷擊的概率為P3。如果P=0.1，則P3=0.001。已經(jīng)使用的低頻16FSK終端機，實驗室試驗表明，其抗雷電脈沖干擾能力比人工報優(yōu)20dB。一次大雷雨中的實際通信試驗，800組人工報錯109組，1800組16FSK，僅錯2組?？梢娙貢r間分集對抗雷電干擾是很有效的。

3.1三重頻率分集抗人為的單頻干擾

三重頻率分集是在三重時間分集中同時實現(xiàn)的，其方法是在各重發(fā)送中同一個字符用不同頻率代替，如表1所示。

表1　各重頻率分集的頻率與字符的對應關系

按表1，得與上面時間分集信息發(fā)送相應的頻率發(fā)送序列為:F1F0F10F7F6F5F15F12F11F10F4F1F14F3F5F4…。

單頻干擾是指持續(xù)一定時間的單一頻率干擾。此干擾若正好落在16FSK的某一頻點上，且幅度大于信號頻率的幅度或與信號頻率的幅度接近，則與此頻率相應的相關器的輸出將以極大的概率大于其它各個相關器(無論有信號輸入或沒有信號輸入)的輸出，在無分集的情況下，將引起嚴重誤碼。

采用三重分集可以提高抗單頻干擾能力。在三重分集條件下，把一個字符的三重分集輸出相加，其碼元能量增加了2倍(是不分集的3倍)。如果干擾幅度是信號幅度的倍，則同樣會引起嚴重誤碼。這表明采用三重分集可以帶來4.77dB的好處。

可以采用如下辦法進一步削弱單頻干擾的影響。把各個相關器的三重輸出相加。與干擾頻率相應的相關器，三重均有輸出，相加后數(shù)值較大。其它相關器，只在某一重有信號，其它兩重只存在噪聲，三重輸出相加后數(shù)值較小。把各個相關器輸出按大小排序，并對最大值和次大值進行比較，如最大值與次大值的比大于2，則認為與此最大值相應的頻率是單頻干擾，把它排除在判決之外。這樣可以進一步降低單頻干擾引起的誤碼。

3.2三重分集的抗白噪聲性能

(1)

其它各個相關器輸入沒有信號，只有噪聲，它們的概率密度函數(shù)為

(2)

如果第一個相關器的輸出r1大于其它M-1個相關器的輸出n2,n3,…,nM，那么判決f1是正確的。這個正確判決概率可以表示為

(3)

此處P(n2

P(nm

(4)

各個相關器的正確判決概率是相等的，因此M-1個相關器判決都正確的概率是式(4)概率的M-1次方。這樣，碼元符號正確判決的概率[6～8]:

(5)

而碼元符號的錯誤概率:

PM=1-Pc

(6)

(7)

碼元錯誤概率可以表示為

(8)

當另外M-1個符號中其它任意一個符號發(fā)送時，得到的誤碼率表達式是相同的[9]。因此式(8)是符號(碼元)的平均錯誤率。這個誤碼率是誤數(shù)字率。

這兩個公式是沒有分集情況下的抗白噪聲性能。一個碼元在三次接收中都錯誤的概率顯然是一次接收的誤碼率的三次方。這樣，16FSK三重分集相干檢測的誤碼率為

(9)

16FSK三重分集非相干檢測的誤碼率為

(10)

由此可見，三重分集可以大大提高通信可靠性，使白噪聲干擾的誤碼率大大降低。三重分集相當于信號功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距離增加1000km～2000km。在甚低頻頻段，單頻干擾一般是敵方的人為干擾。用不同頻率重復發(fā)信，就是時間分集與頻率分集的結合，就能既有效地降低雷電干擾、又能對抗敵方的人為干擾。三重分集可以有效地抗雷電干擾和人為干擾，可提高接收靈敏度，降低誤碼率。

圖1　幾種解調方式誤碼率性能比較

4結語

論文分析了甚低頻通信的16FSK誤碼性能，計算了加三重時間分集條件下16FSK得誤碼率改進情況，計算表明在三重分集相當于信號功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距離增加1000km～2000km，使白噪聲干擾的誤碼率大大降低。時間分集與頻率分集相結合，可以降低誤碼率。

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Prediction of SLF Communication Coverage Based on GIS

YAN Shuo1REN Xichuang2

(1. No. 91960 Troops of PLA, Shantou515000)(2. No. 91469 Troops of PLA, Beijing100841)

AbstractFirstly, aiming at VLF communications about lightning anti-interfere requirement, the idea about using the method of 16FSK on VLF communication to improve anti-interference capability in a creative way is put forward. And the specific requirement about VLF wave band using the method of 16FSK detailed is analyzed. The detailed and reliable mathematical basis on VLF communications selection of modulation mode are provided.

Key WordsSLF, communication, intensity

* 收稿日期：2015年11月9日,修回日期：2015年12月24日

作者簡介：嚴爍，女，碩士，工程師，研究方向：計算機圖形學。任席闖，男，博士，工程師，研究方向：無線通信系統(tǒng)。

中圖分類號TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.019