馬新立

（公安海警學(xué)院 電子技術(shù)系，浙江 寧波 315801）

艦艇超短波圖傳系統(tǒng)信號穩(wěn)定性研究

馬新立

（公安海警學(xué)院 電子技術(shù)系，浙江 寧波 315801）

超短波圖像傳輸系統(tǒng)將計算機(jī)技術(shù)、移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)融為一體，傳輸帶寬高且穩(wěn)定，安全性好，支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，適合海上管理部門指揮調(diào)度。該系統(tǒng)的部署和應(yīng)用解決了海上通信盲區(qū)問題，為海上維權(quán)執(zhí)法、緝私緝毒、反偷渡、海上搶險救災(zāi)、維護(hù)漁場安全穩(wěn)定以及維護(hù)國家海洋權(quán)益提供了可靠的可視化指揮手段，提升了執(zhí)勤執(zhí)法效能。本文分析了影響系統(tǒng)信號質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析測試，對系統(tǒng)做出了相應(yīng)的優(yōu)化部署，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

超短波；圖傳系統(tǒng)；VPN；傳輸路徑

目前，海上信息化建設(shè)水平不斷提高，大噸位執(zhí)法艦船裝載了動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但擔(dān)任海上維權(quán)執(zhí)法服務(wù)主力的小噸位巡邏艇，因船艇空間小未能安裝此套系統(tǒng)。為了提高海上巡邏執(zhí)法能力、重大突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力、應(yīng)急處理能力和總體控制能力，滿足海上應(yīng)急通信指揮的需求，部署一套完整的超短波圖傳系統(tǒng)，通過視頻信號的編解碼、無線數(shù)據(jù)傳輸、超短波寬帶網(wǎng)絡(luò)與公安信息網(wǎng)絡(luò)的安全對接等技術(shù)，可把船艇執(zhí)行任務(wù)的實(shí)時聲音和圖像傳輸?shù)桨渡系闹笓]中心，使指揮員可及時掌控現(xiàn)場情況，下達(dá)指揮命令，更好、更快地完成緝私、救助等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)可視化指揮，并進(jìn)一步解決海上通信盲區(qū)的問題。

系統(tǒng)信號的穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量，可以說是衡量系統(tǒng)建設(shè)成敗的關(guān)鍵指標(biāo)。為了確保高質(zhì)量的圖像和清晰的語音，有必要對傳輸鏈路的傳輸質(zhì)量進(jìn)行分析，找出鏈路全程存在各種可能的干擾因素，在設(shè)計、部署過程中力求避免，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信息傳輸。

1 系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量

1.1 系統(tǒng)傳輸路徑分析

超短波圖傳系統(tǒng)從指揮中心至艦載終端信號的全程傳輸過程中，涉及VPN電路和無線鏈路兩部分。如圖1所示，VPN的物理載體通常由通信運(yùn)營商提供，一般是承載在SDH傳送網(wǎng)上，所以VPN本身性能和SDH物理鏈路質(zhì)量都會對VPN電路質(zhì)量造成影響。

圖1 系統(tǒng)傳輸路徑示意圖

在通信運(yùn)營商的公眾網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建VPN，需要充分有效地利用有限的廣域網(wǎng)資源，為圖傳系統(tǒng)提供可靠的帶寬。但廣域網(wǎng)是以數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)，而不是獨(dú)占電路的方式，所以傳輸?shù)牧髁烤哂蟹逯堤匦?，高峰期?shù)據(jù)傳輸量較大，帶寬利用率較高，甚至?xí)霈F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞的現(xiàn)象；而流量低峰時，帶寬利用率偏低。所以，通過廣域網(wǎng)傳送實(shí)時數(shù)據(jù)，需要啟用VPN的QoS保證策略，使用流量預(yù)測與流量控制措施，按照優(yōu)先級分配帶寬資源，實(shí)現(xiàn)帶寬管理，預(yù)防阻塞的發(fā)生。

VPN鏈路由運(yùn)營商提供，需要關(guān)注能否滿足系統(tǒng)需要達(dá)到的性能指標(biāo)。VPN有最大新建連接速率、最大并發(fā)連接數(shù)、VPN吞吐量、最大并發(fā)用戶數(shù)、延時抖動等性能指標(biāo)。其中影響最大的是延時抖動指標(biāo)，對實(shí)時性較高的通信影響最大，通常對于電話質(zhì)量的語音，抖動不應(yīng)該超過400ms；對于視頻傳輸，應(yīng)不超過400ms；當(dāng)傳輸文字、圖形、圖像等靜態(tài)媒體時，實(shí)時性要求不高，此時延時抖動不具有多大意義。但這部分指標(biāo)主要是要求運(yùn)營商提供的電路達(dá)標(biāo)即可，不作為本文的分析重點(diǎn)，本文重點(diǎn)分析超短波傳輸路徑的信號質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)信號問題描述

系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計、初次安裝部署后，對無線圖傳系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)測試的基本情況為：

（1）在能見度較好情況下：系統(tǒng)傳輸?shù)挠行Ь嚯x可達(dá)20海里（37.04km），能滿足基本使用要求，但與傳輸距離40km的設(shè)計目標(biāo)還有差距。

（2）受島嶼阻擋環(huán)境下，系統(tǒng)設(shè)備的繞射傳輸能力表現(xiàn)一般，實(shí)測中信號偶爾出現(xiàn)時斷時續(xù)，但不影響數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)信號問題穩(wěn)定性分析

2.1 系統(tǒng)信號傳播特點(diǎn)

超短波（ultra-short wave），根據(jù)ITU（國際電信聯(lián)盟）的定義，它是指頻率范圍從30至300MHz的無線電波，相應(yīng)的波長范圍為1m至10m米。由于波長短、頻率高，具有可承載信息量大的優(yōu)勢，比較適用于移動通信。超短波常見的傳播方式是視距傳播，視距是發(fā)射和接收兩點(diǎn)之間處在可視的直線范圍，能互相“看見”的距離。所以，采取視距傳播時，意味著發(fā)射端天線和接收端天線之間是可視的，并不靠電離層反射和地面進(jìn)行傳播。視距傳播通常有空—空、地—空、地—地等應(yīng)用方式，而本文使用場景是地—地的方式。這種傳播方式的特點(diǎn)是，傳播距離受視距、高山和高大建筑物的影響，地面衰減大、無天波，信號基本上按視距直線傳播；由于頻率較高，發(fā)射的天波通常會穿透電離層射向太空，而不是被電離層反射回地面，所以主要依靠空間直射波傳播。正因?yàn)樗强恐鄙洳▊鞑?，傳輸路徑通常是直線，所以傳播距離受到視距的限制，如遇大型的障礙物則會受到影響，在海面上傳播則可能受海島影響，要克服實(shí)際使用環(huán)境中大型障礙物和地球表面本身的曲面特性，使電波傳播得更遠(yuǎn)，從理論上分析，就需要在收、發(fā)端之間加設(shè)中繼站，或者將收、發(fā)端天線架設(shè)得盡量高。而后者從工程實(shí)踐來說，不可能將天線無限延伸，但是當(dāng)空—地應(yīng)用時，比較符合這種延長傳播距離的思路，本文不涉及此種應(yīng)用，故不做進(jìn)一步探討。顯然，本系統(tǒng)的使用場景是類似于地面通信的海洋通信，但是海洋更為開闊，阻擋物更少，所以更適宜于超短波傳輸。

2.2 系統(tǒng)信號傳播分析

根據(jù)上述對超短波傳播方式的比較分析，采用視距傳播更適宜于無線圖傳系統(tǒng)，因此本文基于視距傳播進(jìn)行設(shè)計。由于地球表面是呈弧狀，超短波的視距傳輸自然就受到了地球曲率的限制，理想情況是，將發(fā)射端和接收端的天線無限升高，使兩者總能在視距范圍內(nèi)，但現(xiàn)實(shí)條件不允許，研究如何盡量提升收、發(fā)端的天線高度，才在系統(tǒng)設(shè)計和工程實(shí)施中具有現(xiàn)實(shí)意義。我們設(shè)視線所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離為距離d，設(shè)兩個天線距離海平面的垂直高度分別為h1和h2，考慮大氣層所引起的電波折射、電離層散射、地球表面反射、大氣波導(dǎo)等因素的影響，都不同程度地提升了超短波通信的通信距離，電波視線距離d的計算公式為：

根據(jù)公式4.1，從理論上分析，提高接收端和發(fā)射端的天線高度，能夠延伸電波的視線距離，擴(kuò)大圖傳系統(tǒng)艦載終端的延伸半徑。從本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來分析，將h1視作岸基基站天線的高度，h2視作艦載終端天線的高度，那么，在選址時將岸基基站盡量建設(shè)在地勢相對海平面高一些島嶼或海岸上，將艦載終端天線適度提高，這些手段可有效提升超短波的最大視距。

當(dāng)然，除了天線高度這樣一個影響傳輸距離的主要因素外，根據(jù)電波傳播的衰減特性，Okumura模式、Egli模式以及其它場強(qiáng)預(yù)測模式，給出了載頻頻率是路徑損耗的因子。根據(jù)路徑損耗以及發(fā)射端天線的發(fā)射功率，接收電臺收到信號的功率為：

其中：Pr為接收機(jī)接收到的中值信號功率；Ps為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；Lb為發(fā)射端的饋線損耗；LM（dB）為中值路徑的損耗；GS、Gr，分別為發(fā)送和接收天線增益。

根據(jù)公式4.2分析，增大發(fā)射功率、提升發(fā)射端和接收端的天線增益能夠增強(qiáng)接收端收到的信號功率，這對于提升信號穩(wěn)定性具有幫助；盡量減少發(fā)射端饋線損耗和路徑損耗，也可以提升信號的穩(wěn)定性。同時，因?yàn)檩d頻頻率是路徑損耗的因子，所以載頻頻率通過影響路徑損耗實(shí)施了對信號穩(wěn)定性。

由上述對接收信號功率的分析，由于接收端接收信號功率的不同，解調(diào)輸出信號的信噪比亦會不同，從而造成誤碼。如果接收信號功率太小，造成誤碼太大，這就對信號質(zhì)量形成影響，所以接收信號功率也是決定信號傳輸距離與質(zhì)量的重要因素。

上述的分析說明，系統(tǒng)天線高度、接收端接收信號功率是影響超短波信號傳輸?shù)闹匾蛩亍Ｔ趯?shí)際使用環(huán)境中，由于各類干擾的存在，成為影響傳輸距離和信號穩(wěn)定的因子，其中潛在的干擾源有同頻干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾等。

2.3 系統(tǒng)信號穩(wěn)定性分析

根據(jù)對超短波的特性分析，要提高其傳輸信號的穩(wěn)定性，可以從以下兩個方面入手：

（1）盡量保證在視距范圍內(nèi)傳輸，在不能視距傳輸?shù)臅r候，增加中繼站轉(zhuǎn)發(fā)信號。

（2）分析和測驗(yàn)應(yīng)用環(huán)境中存在和可能存在的信號干擾源，盡量消除信號干擾。

對于如何提高超短波的視距傳輸距離，通過綜合分析，主要有以下途徑改善：

（1）根據(jù)公式4.1，在工程條件允許的情況下，提升發(fā)射和接收端的天線高度，以得到最大可能的傳輸距離。

（2）根據(jù)公式4.2分析，提高發(fā)射功率和收、發(fā)天線增益，降低饋線損耗和路徑損耗，都是確實(shí)可行的方法。提高發(fā)射功率及收、發(fā)天線增益主要在設(shè)計制造中考慮，而減少饋線損耗除了制造工藝的影響外，還要注意施工質(zhì)量對插損的影響。

為了提高超短波信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，重要的是從超短波通信設(shè)備設(shè)計和制造工藝上完善，在超短波抗干擾方面，目前流行的技術(shù)有高速率跳頻技術(shù)、跳頻/直擴(kuò)混合體制擴(kuò)頻技術(shù)、空閑信道掃描與跳頻共用技術(shù)、無線電軟件技術(shù)。

根據(jù)上述思路及描述的現(xiàn)象，經(jīng)過對比測試分析，認(rèn)為主要是表1所列幾個方面的因素導(dǎo)致了傳輸距離及繞射性能的弱化。

表1 超短波信號分析表

從上表的分析情況可見，專項(xiàng)對比測試時，由于天線規(guī)格、天線安裝高度、信道帶寬、發(fā)射功率等差異將導(dǎo)致6～9dB左右的性能差異，因此表現(xiàn)出繞射性能的劣勢。當(dāng)然，這也體現(xiàn)出系統(tǒng)需要更進(jìn)一步適應(yīng)海面島嶼交錯的應(yīng)用環(huán)境，在部署改進(jìn)中需要在前述方面進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)以上分析，后續(xù)還需要可采取多項(xiàng)改進(jìn)措施，比如：在艦載端采用4.7m高增益天線、在極限環(huán)境下將系統(tǒng)工作帶寬降低為2MHz、將發(fā)射功率配置為20W、改善天線安裝環(huán)境等，以明顯提升系統(tǒng)在島嶼阻擋環(huán)境下的繞射傳輸效果，同時不影響系統(tǒng)的配套設(shè)施、不影響系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、壽命等，并且充分發(fā)揮本文所設(shè)計系統(tǒng)的功能性能優(yōu)勢、特色。

同時，考慮到圖傳類設(shè)備在海上實(shí)際覆蓋，由于島嶼遮擋造成的盲區(qū)，根據(jù)實(shí)際需求，還需增加1～2個中繼設(shè)備，使覆蓋范圍得到有效擴(kuò)大，確保主要通信區(qū)域的無盲區(qū)覆蓋。

2.4 系統(tǒng)信號改進(jìn)測試

根據(jù)上述分析，從可能改善的傳輸條件入手進(jìn)行更新改造。要得到較高的終端接收場強(qiáng)，就需要提高發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、發(fā)射機(jī)端的天線增益、接收機(jī)端的天線增益3個可控指標(biāo)，所以，在測試過程中，調(diào)整了天線規(guī)格、天線安裝高度、發(fā)射功率3項(xiàng)，得到的表2所列結(jié)果。

表2 超短波信號改進(jìn)測試效果表

與改進(jìn)前的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，接收增益整體提升5.9dB以上，實(shí)際傳輸效果和信號穩(wěn)定性得到有效提升，達(dá)到實(shí)際任務(wù)需求的效果。

3 結(jié)語

經(jīng)過測試及使用驗(yàn)證，超短波圖傳系統(tǒng)采用的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用了OFDM抗衰落調(diào)制、LDPC信道糾錯編碼、H.264視頻編碼等超短波無線圖像傳輸系統(tǒng)的核心技術(shù)，支持多中心覆蓋，簡化了組網(wǎng)應(yīng)用時頻率分配及系統(tǒng)部署的復(fù)雜度，在海上復(fù)雜環(huán)境快速部署、機(jī)動應(yīng)用中，雖然海域島嶼眾多，但單基站直接覆蓋區(qū)域最遠(yuǎn)可超過22海里，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。艦載終端可在多個基站之間自動漫游，切換迅速，使用方便。視頻、語音清晰流暢，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。視頻質(zhì)量達(dá)到D1分辨率，支持雙向語音通信，可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮調(diào)度。

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[5]楊芳.超短波通信系統(tǒng)抗干擾問題研究[J].科技信息：2012（21）.

Stability Study of Ultrashort Wave Image Transmission System Signals

MA Xinli
（China Maritime Police Acadeny，Ningbo 315801，China）

Ultrashort wave image transmission system is a combination of computer technology, mobile data communication technology,data network technology and remote control technology.It has severalfunctions,such ashigh transmission bandwidth with stability,unconditionalsecurity and supporting IP data services,which is suitable for marine management department.The deployment and application of this system has eliminated the communication blind area offshore,providing reliable visual command means for the enforcement of maritime rights,anti-smuggling,maritime rescue,fishery security and stability and to safeguard the national marine rights and interests,as well as enhancing the performance of duty law enforcement.In this paper,we analyze the key indicators which affect the quality of the system signal,testing the stability of the system.Then some appropriate deployment of this system is made,and finally we verify the rationality of the system design.

ultrashort wave;image transmission system;VPN;transmission route

TN925

：A

：2095-2384（2016）02-0001-04

（責(zé)任編輯 儲 歡）

2016-05-05

馬新立（1966-），男，河北宣化人，教授，主要從事通信技術(shù)和指揮的教學(xué)與研究。