船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾技術研究

安少明

（中國人民解放軍四八〇五工廠軍械修理廠，上海 200439）

0 引言

在相對空曠的海洋航行中，由于缺少必要的有線通信手段，無線通信成為大多數(shù)船只普遍采用的技術之一，然而，無線通信技術是以電磁波的空間傳遞為支撐，而電磁信號的固有屬性導致其極易受到其他同類型電磁波的干擾，從而影響船舶通信質量，甚至會威脅到船舶航行安全[1]。然而，船舶無線通信系統(tǒng)干擾的形成機制較為復雜，不同干擾的應對策略存在一定的區(qū)別，針對船舶工況環(huán)境的特殊性，通過優(yōu)化無線通信系統(tǒng)架構設計、干擾源控制等多元化的抗干擾措施，以提高船舶無線通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 船舶無線通信技術概述

基于海洋環(huán)境的特殊性，船舶在遠洋航行過程中無法依托有線方式進行通信，因此，無線通信則成為船舶遠洋航行中較為常見的通信技術手段。無線通信技術出現(xiàn)時間較晚，人類歷史上真正意義的第一次無線通信出現(xiàn)在19世紀70年代末，隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，無線通信系統(tǒng)在能耗、通信距離、通信質量等方面得到了顯著改善，船舶無線通信技術得到了普及，并實現(xiàn)了局域無線通信系統(tǒng)和廣域無線通信系統(tǒng)等多種無線通信機制，有效保證了船舶在對岸、對海通信的可靠性。

2 船舶無線通信系統(tǒng)構成

在系統(tǒng)構成方面，船舶無線通信系統(tǒng)在架構方面的改動相對較少，并且，由于海洋環(huán)境中遮蔽問題相對較少，以及考慮到遠距離通信的需要，船舶無線通信系統(tǒng)多采用短波技術，其系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 船舶無線通信系統(tǒng)架構示意圖

船舶無線通信系統(tǒng)可分為“五大模塊”與“五大單元”，不同模塊和單元的功能情況如下。

首先，“五大模塊”。移動通信模塊主要協(xié)同信息輸出單元對語音、文字、圖像等進行后端傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊負責記錄船舶無線通信系統(tǒng)所傳遞的相關信息；衛(wèi)星定位模塊用于定位傳船舶位置，并將位置信息以地址戳的形式伴隨發(fā)送[2]；平臺位姿模塊負責測量通信天線等發(fā)射平臺姿態(tài)，通過反饋調節(jié)，使其維持最佳的發(fā)射姿態(tài)；能源協(xié)同模塊能夠科學調配船電與備用電源的供電。

其次，“五大單元”。中央處理單元可實現(xiàn)信息高速處理，降低信息失效概率；信息錄入單元能夠完成語音、文字、圖像等類型信息的錄入；調制解調單元主要負責調制與解調兩個階段，調制主要是將各種數(shù)字基帶信號轉換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調制信號，而解調則是在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號；信息輸出單元將信息按照調制后的格式通過無線通信系統(tǒng)輸出；信息顯示單元將信息按照解調后的格式進行輸出并顯示。

3 船舶無線通信系統(tǒng)常見干擾分析

無線通信技術原理相對較為復雜，基于船舶無線通信系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，以及無線通信系統(tǒng)在技術原理上的局限性，導致船舶無線通信系統(tǒng)存在以下幾種較為常見的干擾類型。

3.1 同頻干擾

根據(jù)無線通信技術原理，當干擾信號與真實信號所采用了的載波頻率相同時，接收機將同時接收干擾信號和真實信號，相關信號進入調制解調環(huán)節(jié)后對通信質量造成不同程度的影響，甚至會將真實信號淹沒掉。

由于船舶航行過程中周圍電磁空間主要依托自身無線信號源所構建，因此，同頻干擾問題的出現(xiàn)多與無線頻率管控與電磁兼容設計等有關。基于同頻干擾的這一特點，則為干擾源的查找提供了便利。

3.2 鄰頻干擾

相比較同頻干擾來說，鄰頻干擾則是指干擾信號的載波頻率與真實信號的載波頻率相鄰，由此導致干擾信號的載波功率部分落入接收機中，并對接收機中的真實信號產生一定的干擾。

從效果來看，相鄰干擾對通信質量和可靠性的影響相對較小，但是，當干擾信號邊緣功率與真實信號峰值功率的比值較大的情況下，干擾信號所造成的影響則不容忽視。由于鄰頻干擾的頻率范圍無法確定，這對尋找干擾源帶來了一定的困難。

3.3 交調干擾

在船舶無線通信系統(tǒng)中，同頻干擾和鄰頻干擾現(xiàn)象較為常見，并多為外部干擾源導致，在干擾源的排查方面也相對較為簡單[3]。然而，交調干擾則是在通信系統(tǒng)在對不同頻率信號進行調制的過程中，最終形成的載波信號與該通信系統(tǒng)自身接收機的工作信道帶寬相似，信號頻率的功率對接收機產生感到。

交調干擾多發(fā)生在數(shù)模共站的情況下，交調干擾在效果上極易被誤認為鄰頻干擾，且故障難以復現(xiàn)，從而導致相關干擾源無法在短時間內進行定位。交調干擾所造成的影響較為嚴重，由于占用了接收機的信道資源，無線通信系統(tǒng)的工作效能將明顯降低。

3.4 雜散干擾

由于船用無線通信系統(tǒng)內部設計缺陷，在部分元器件的選用方面無法適應多頻同時共用的，在此情況下，在無線通信系統(tǒng)工作過程中，由于無法實現(xiàn)對一次諧波、二次諧波等高次諧波進行有效濾波等問題，導致發(fā)射機同樣將以上諧波發(fā)射出去，從而在真實信號的基礎上，疊加了大量的雜散信號，對通信質量造成了一定程度的影響。

從雜散干擾的形成機理上可以看出，一次諧波、二次諧波等在特征參數(shù)上與真實信號的相關要素的構成極為復雜，在缺乏有效濾波的情況下，雜散干擾信號的功率也將隨之提升，由此降低了船舶無線通信系統(tǒng)的可靠性、

4 船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾技術分析

無線通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性將直接關系到船舶航行安全，尤其是對于較為繁忙的航線、港口等，有效的抗干擾技術能夠保證船舶航行數(shù)據(jù)的準確傳輸，從而為船舶航行調度提供參考。針對船舶無線通信系統(tǒng)常見干擾類型，以及結合無線通信干擾現(xiàn)象的形成機制，可采取以下幾種典型抗干擾技術進行應對。

4.1 擴頻抗干擾技術

針對同頻干擾的問題，是由于船舶通信系統(tǒng)在頻率資源管理方面集中使用某一頻段所導致，為能夠完成真實信號的高效傳輸，則需要通過擴頻抗干擾技術對發(fā)射端傳輸信息進行擴頻編碼調制，從而避免在單一信道內發(fā)生同頻干擾現(xiàn)象，減少相同信道內的頻率的重疊區(qū)域，弱化諧波功率的相互影響[4-5]。為配合擴頻抗干擾技術的應用，在接收端還需要采取同樣的擴頻編碼機制進行解調，從實際效果來看，擴頻抗干擾技術還能夠在一定程度上弱化鄰頻干擾現(xiàn)象。根據(jù)擴頻抗干擾技術的具體實現(xiàn)路徑，其主要分為直序擴頻、跳頻擴頻兩種。

4.1.1 直序擴頻

擴頻抗干擾技術能夠有效實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)增容，將真實信號以外的信號通過噪聲生成器進行處理，處理后的信號序列與通信系統(tǒng)基帶脈沖數(shù)據(jù)相乘，如此，則形成了新的信號序列。

圖2 直序擴頻原理框圖

由于直序擴頻技術能夠將真實信號的功率譜密度進行離散化處理，利用信號序列的重新生成規(guī)避相同頻率信號之間的干擾。然而，直序擴頻依托PN碼生成器進行信號序列的二次處理，所以秩序擴頻技術是在設計端對無線通信系統(tǒng)進行調整，并科學設計發(fā)射端與接收端的信號調制、解調模塊。

4.1.2 跳頻擴頻

相比較直序擴頻，跳頻擴頻在對真實信號功率譜密度進行離散化的同時，按照一定編碼規(guī)律在功率譜上進行跳動，而這一過程就被稱為跳頻擴頻。真實信號在經過PN碼生成器處理后，發(fā)射頻率的功率譜也將隨著頻率的變化而變化，從而能夠應對包括同頻干擾、鄰頻干擾等大多數(shù)系統(tǒng)外部干擾現(xiàn)象。針對跳頻發(fā)生的速率差異可以將其分為快跳擴頻和慢跳擴頻，而跳頻擴頻中頻率發(fā)生速率則取決于FN碼生成器對頻率的最小分辨力、信息類型、處理器性能等，甚至干擾源的距離也會對跳頻速率產生影響。

綜上所述，船用無線通信系統(tǒng)的擴頻抗干擾技術在效果上能夠應對大多數(shù)無線干擾，但實現(xiàn)方面則存在一定的難度，所以，擴頻抗干擾技術在船舶通信系統(tǒng)中多用于應對外部電磁空間的通信干擾，如同頻干擾、鄰頻干擾、交調干擾等。

4.2 電磁空間分割技術

無線通信系統(tǒng)內部干擾現(xiàn)象較為普遍，且缺乏一定的規(guī)律，這為電磁干擾源的排查帶來了巨大困難，同時，這也突出了無線通信系統(tǒng)內部干擾現(xiàn)象的特征。為應對此類干擾，多采取電磁空間分割技術，如電磁屏蔽技術、智能電磁兼容管理技術等，以保證船舶無線通信系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4.2.1 電磁屏蔽技術

所謂電磁屏蔽技術，是指在無線通信系統(tǒng)設計過程中的電磁屏蔽工藝的應用，從而使無線干擾源所產生的電磁波能夠控制在一定范圍內，使無線通信系統(tǒng)內部空間電磁環(huán)境更加純凈。電磁屏蔽技術主要針對雜散干擾有著明顯效果。例如，交流電機在工作過程中所形成的電磁空間可通過電磁屏蔽技術進行約束，從而避免此類信號多次諧波對無線通信系統(tǒng)的干擾。

4.2.2 智能電磁兼容管理技術

智能電磁兼容管理技術是在傳統(tǒng)電磁兼容技術的基礎上，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)頻段的全域智能管理。該技術能夠就無線通信系統(tǒng)發(fā)射頻率、功率譜的具體情況，對存在相互干擾的局域、廣域無線通信系統(tǒng)工作狀態(tài)進行干預，從而在保證船用無線系統(tǒng)最大工作效率的基礎上，減少因同頻干擾、鄰頻干擾對通信質量造成的影響。

5 結語

船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾的形成機制具有多元化、復雜化的特點，在處理過程中的難度有著一定差異，針對性的抗干擾技術研究能夠實現(xiàn)特定干擾源的控制。除以上幾種常見抗干擾技術外，組合集成抗干擾技術、自適應抗干擾技術等是在傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)抗干擾技術的基礎上，融合人工智能等技術提高無線通信系統(tǒng)的容錯能力，強化船舶無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證船舶航行安全。