楊 敏，蔡勇華，周相成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是一種依靠電離層反射的無(wú)中繼的通信方式，短波通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)、不依靠基站等固定基礎(chǔ)設(shè)施，因此在黨政、應(yīng)急、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。然而，短波信道時(shí)變色散、用戶眾多且容易受到干擾，以致通信不穩(wěn)定、可通率不高[1]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)短波通信技術(shù)的研究取得了顯著的進(jìn)步，其中短波跳頻技術(shù)便是一種對(duì)抗干擾的有效的電子防御技術(shù)[2-3]。

跳頻通信是指在通信期間載波頻率按照一定的跳頻圖案進(jìn)行跳變，快速躲避敵方有意的跟蹤干擾，以提高傳輸?shù)男逝c可靠性[4]。自20 世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外相繼研制出各種不同性能的短波跳頻系統(tǒng)，最初英國(guó)Marconi 公司生產(chǎn)的Scimitar-H和Racal 公司生產(chǎn)的Jaguar-H，具有初步的抗干擾能力，但沒(méi)有自適應(yīng)跳頻功能；后來(lái)以色列Tadiran公司生產(chǎn)的HF-2000 和美國(guó)Southcom 公司生產(chǎn)的SC-140 的跳頻速率分別為10 跳和20 跳，具有自適應(yīng)跳頻功能；近年來(lái)法國(guó)Thomson-CSF 公司生產(chǎn)的TRC-350H 和美國(guó)Motorola 公司生產(chǎn)的Micom-2E，都具有較好的抗干擾能力及頻率自適應(yīng)功能，并對(duì)跳頻信道進(jìn)行了初步數(shù)字化[5]。在國(guó)內(nèi)，具有代表性的是750 廠生產(chǎn)的TCR-154 短波跳頻電臺(tái)，該系統(tǒng)具有較好的頻率自適應(yīng)能力，可以自動(dòng)避開(kāi)干擾信號(hào)的頻率，具備數(shù)據(jù)傳輸功能，最高傳輸速率為2.4 kbit/s，最高跳速可達(dá)10 Hops/s[6]。

目前常見(jiàn)的短波跳頻技術(shù)通常采用固定頻率個(gè)數(shù)的對(duì)稱(chēng)跳頻頻率集，以及采取跳頻傳輸速率整體升降的策略，并且通信雙方采用相同的跳頻頻率，在通信過(guò)程中跳頻頻率個(gè)數(shù)不變化。這種方式較為簡(jiǎn)單，但是沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)在不同地理位置時(shí)具體的電磁環(huán)境差異，同時(shí)也面臨著在跳頻庫(kù)頻率大量不可用時(shí)的抗干擾性能下降的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文給出了一種基于實(shí)時(shí)探測(cè)的非對(duì)稱(chēng)跳頻頻率產(chǎn)生及協(xié)商方法，并能根據(jù)實(shí)時(shí)頻率質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整跳頻頻率個(gè)數(shù)?？紤]到跳頻頻率質(zhì)量的差異，本文還提出了針對(duì)不同頻率采取不同傳輸速率的思路。此外，針對(duì)當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)處理能力大幅提升的現(xiàn)狀，本文給出了擬提高速率自適應(yīng)容錯(cuò)能力的多速率接收方案。

本文第1 節(jié)給出了跳頻系統(tǒng)的組成及運(yùn)行流程；第2 節(jié)給出了快速探測(cè)以及跳頻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)所必需的跳頻同步方案；第3 節(jié)和第4 節(jié)提出了本文的核心內(nèi)容，即跳頻頻率及速率自適應(yīng)控制思路；最后第5 節(jié)給出了方案的試驗(yàn)結(jié)果。

1 短波自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)模型

1.1 短波跳頻工作原理

短波跳頻系統(tǒng)基本工作原理如圖1 所示。

圖1 跳頻基本原理

短波跳頻系統(tǒng)工作的基本原理為，發(fā)送信息經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后得到調(diào)制信號(hào)，偽隨機(jī)發(fā)生序列產(chǎn)生偽隨機(jī)序列碼，用來(lái)控制頻率合成單元在不同時(shí)隙產(chǎn)生不同的頻率跳變信號(hào)，將調(diào)制信號(hào)與頻率合成單元輸出的頻率跳變信號(hào)進(jìn)行混頻，上變頻得到發(fā)送信號(hào)。接收端由天線接收到信號(hào)，通過(guò)下變頻至頻率較低的跳頻信號(hào)，本地接收端產(chǎn)生與發(fā)射端相同的偽隨機(jī)序列碼來(lái)控制頻率合成單元產(chǎn)生本地跳頻信號(hào)，將下變頻后的跳頻信號(hào)與本地跳頻信號(hào)進(jìn)行混頻，再將中頻信號(hào)經(jīng)信息碼解調(diào)得到信息碼[7-8]。

1.2 短波自適應(yīng)跳頻工作流程

如圖2 所示，本方案的自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的運(yùn)行流程主要包括跳頻同步、頻率探測(cè)和協(xié)商、業(yè)務(wù)傳輸、頻率速率自適應(yīng)4 個(gè)階段。

圖2 跳頻工作流程

跳頻工作的具體流程為，首先，收發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)歷史用頻情況，預(yù)設(shè)相同的跳頻頻率集，跳頻工作頻率從頻率集中產(chǎn)生；其次，跳頻同步過(guò)程完成兩節(jié)點(diǎn)的頻率與時(shí)鐘同步，以保證跳頻系統(tǒng)頻率同步切換；再次，頻率探測(cè)協(xié)商過(guò)程中通過(guò)雙方快速的頻率探測(cè)，選出適合本地接收的跳頻工作頻率并與對(duì)方進(jìn)行交互；最后，在業(yè)務(wù)傳輸間隙，節(jié)點(diǎn)雙方對(duì)當(dāng)前非工作頻率進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)進(jìn)行跳頻工作頻率、工作頻率數(shù)目或傳輸速率調(diào)整。

2 跳頻同步

2.1 頻率控制

跳頻系統(tǒng)的同步[9-10]是跳頻通信建立的關(guān)鍵。跳頻系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基本前提是跳頻頻率相同、跳頻序列相同、跳頻時(shí)鐘相同（允許存在一定的誤差）。由于跳頻頻率表為事先預(yù)設(shè)，跳頻序列是按照相同的算法產(chǎn)生，而頻率與跳頻序列的跳變受本地時(shí)鐘控制；因此，跳頻同步主要是解決時(shí)間同步問(wèn)題。

在同步之前，節(jié)點(diǎn)的時(shí)間是隨機(jī)的，隨時(shí)間進(jìn)行切換的同步頻率也是隨機(jī)的，因此，頻率無(wú)法完全重合碰撞。為保證頻率碰撞，在同步信息交互時(shí)，收發(fā)兩端電臺(tái)采取快發(fā)慢收的頻率切換機(jī)制，保證接收端在一個(gè)頻率駐留周期內(nèi)能夠完成一次同步信息的接收。

設(shè)同步頻率個(gè)數(shù)為n，1 個(gè)同步信息發(fā)送時(shí)間為T(mén)s，則接收端每個(gè)同步頻率駐留的時(shí)間為(n+1)Ts。同步過(guò)程頻率切換具體如圖3 所示。

圖3 同步過(guò)程頻率切換

如圖3 所示，f0、f1、f2、f3 分別按照5Ts時(shí)長(zhǎng)輪流發(fā)送同步信息，接收端設(shè)備按照5Ts的時(shí)間周期分別在f0、f1、f2、f3 上駐留接收，每個(gè)頻率在接收周期內(nèi)必然與對(duì)應(yīng)的發(fā)送頻率重合，完成一次同步信息的接收。

2.2 時(shí)間同步方案

時(shí)間同步采用業(yè)務(wù)呼叫節(jié)點(diǎn)向被叫節(jié)點(diǎn)時(shí)間對(duì)齊的方式。主叫節(jié)點(diǎn)與被叫節(jié)點(diǎn)之間交換同步消息（Time Synchronization Message，TSM）時(shí)，由于TSM 包含了時(shí)間戳信息，因此利用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間雙向的TSM 交互過(guò)程，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的空中信號(hào)傳播延遲，并通過(guò)補(bǔ)償傳播延遲誤差提高同步精度。

如圖4 所示，時(shí)間同步算法的具體流程為，先假設(shè)節(jié)點(diǎn)A 需要以節(jié)點(diǎn)B 為參考時(shí)鐘進(jìn)行同步，節(jié)點(diǎn)A 向節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送TSM1，請(qǐng)求執(zhí)行同步操作；然后，節(jié)點(diǎn)B 在收到TSM1 后給予響應(yīng)，返回TSM2。圖4 中T1，T2，T3和T4分別代表了交互過(guò)程中的4 個(gè)時(shí)間戳值，其中T2和T3時(shí)間戳值需要節(jié)點(diǎn)B 將其攜帶在TSM2 中傳輸給節(jié)點(diǎn)A，T1和T4則由節(jié)點(diǎn)A在本地記錄。

圖4 時(shí)間同步算法

假設(shè)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都是穩(wěn)定的，并且以同樣的速度運(yùn)行，則T1，T2，T3和T4之間有如下計(jì)算關(guān)系：

式中：tpAB為在節(jié)點(diǎn)A 和B 之間的傳播延遲及發(fā)送處理與接收處理時(shí)延；OffsetAB為在特定時(shí)刻這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏差。這樣，可以計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳播延遲和時(shí)鐘偏差為：

節(jié)點(diǎn)A 在收到TSM2 后，調(diào)整自身時(shí)鐘為T(mén)new=T3+tpAB或者Tnew=T4+OffsetAB，實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)B 時(shí)鐘的同步。

3 跳頻自適應(yīng)

3.1 頻率協(xié)商

同步完成后，系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整為一致，頻率同步切換。此時(shí)通信雙方在頻率集上進(jìn)行逐一探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果雙方選定跳頻工作頻率，并將選出的結(jié)果通知對(duì)方，對(duì)方將此頻率作為發(fā)送工作頻率。節(jié)點(diǎn)雙方完成收發(fā)工作頻率選擇。頻率探測(cè)和協(xié)商過(guò)程如圖5 所示。

圖5 頻率探測(cè)和協(xié)商

主叫節(jié)點(diǎn)在同步完成后，依次在跳頻頻率集f0～fn上發(fā)起探測(cè)，被叫方在f0～f1 上統(tǒng)計(jì)接收情況，并對(duì)頻率質(zhì)量進(jìn)行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為跳頻工作頻率。

被叫方接收完探測(cè)后，依次在f0～fn上發(fā)起探測(cè)，在探測(cè)信息中攜帶選用的跳頻工作頻率信息，主叫方接收探測(cè)信息，對(duì)頻率質(zhì)量進(jìn)行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為本地跳頻工作頻率。

主叫節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)完成后，在被叫方選出的最好的若干個(gè)頻率fm、fk上，發(fā)送本地選出的跳頻工作頻率。通過(guò)上述2 次探測(cè)與交互，主被叫節(jié)點(diǎn)均已確定跳頻工作頻率。隨后，主叫節(jié)點(diǎn)在工作頻率發(fā)起建鏈申請(qǐng)，申請(qǐng)中指定后續(xù)業(yè)務(wù)的類(lèi)型等信息，被叫方接收后對(duì)業(yè)務(wù)申請(qǐng)進(jìn)行確認(rèn)，隨后收發(fā)雙方進(jìn)行跳頻業(yè)務(wù)傳輸。

3.2 頻率自適應(yīng)

工作頻率通過(guò)探測(cè)進(jìn)行了協(xié)商，但在業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中由于信道條件的變化，業(yè)務(wù)頻率可能變壞，可用頻率的位置和數(shù)量可能隨之發(fā)生變化，此時(shí)需及時(shí)對(duì)工作頻率進(jìn)行調(diào)整，也就是在業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，采取對(duì)跳頻頻率集中的非工作頻率進(jìn)行定時(shí)探測(cè)的策略，及時(shí)更新頻率質(zhì)量表，并用優(yōu)質(zhì)的非工作頻率替代變壞的工作頻率。

定時(shí)探測(cè)時(shí)，將全庫(kù)的頻率分成若干個(gè)子集，每個(gè)子集能夠覆蓋整個(gè)頻段。定時(shí)探測(cè)按照子集輪換進(jìn)行。為保證業(yè)務(wù)傳輸效率，定時(shí)探測(cè)的開(kāi)銷(xiāo)需進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

在跳頻模式下，由于信道的變化，滿足通信要求的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)也在變，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，采取工作頻率數(shù)目自適應(yīng)的策略：工作頻率變壞且無(wú)好的備用頻率時(shí)，減少工作頻率個(gè)數(shù)；找到質(zhì)量好的備用頻率時(shí)，對(duì)工作頻率進(jìn)行擴(kuò)充。頻率個(gè)數(shù)自適應(yīng)的過(guò)程如圖6 所示。

圖6 頻率個(gè)數(shù)自適應(yīng)的過(guò)程

自適應(yīng)的具體過(guò)程如下：

（1）節(jié)點(diǎn)找出質(zhì)量最好的頻率，根據(jù)其信道質(zhì)量與誤碼的關(guān)系，確定其位于哪一誤碼區(qū)間，將位于該區(qū)間的頻率按序選用，但不超過(guò)設(shè)計(jì)的跳頻個(gè)數(shù)。

（2）在選取的區(qū)間內(nèi)，如果有頻率質(zhì)量變差，跌出該區(qū)間，則將該頻率剔除；若有其他頻率進(jìn)入該區(qū)間，則將其選用。

（3）在選取的區(qū)間內(nèi)，如果有頻率質(zhì)量變好，則逐漸剔除質(zhì)量較差的頻點(diǎn)；若選用的頻率全部跌出該區(qū)間，則選用誤碼性能位于下一個(gè)區(qū)間的頻率。

4 快速速率自適應(yīng)

為充分利用信道資源，信道傳輸速率要盡可能地與信道質(zhì)量相匹配。在其他的跳頻系統(tǒng)中，由于信道條件相似，可以在各頻率上使用相同的傳輸速率。但是由于短波信道時(shí)變和頻率選擇性衰落明顯，隨著時(shí)間的變化，各工作頻率的質(zhì)量差異會(huì)變得很明顯，在此情況下，如果在各頻率上使用相同的速率，將會(huì)導(dǎo)致頻率使用效率降低，各頻點(diǎn)不能各盡其用。

本系統(tǒng)采用了針對(duì)單個(gè)跳頻頻率的快速速率自適應(yīng)策略，即根據(jù)頻點(diǎn)的實(shí)時(shí)質(zhì)量，在該頻點(diǎn)上選擇對(duì)應(yīng)最合適的速率進(jìn)行傳輸。因此，系統(tǒng)可能出現(xiàn)在發(fā)送過(guò)程中快速切換多種速率的情況，最快時(shí)每跳更換一次速率。速率自適應(yīng)的過(guò)程及策略如下：

（1）節(jié)點(diǎn)在接收業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)每個(gè)頻率的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，根據(jù)質(zhì)量與速率的映射關(guān)系確定其匹配的最佳速率；

（2）節(jié)點(diǎn)接收方在備用頻率探測(cè)及自適應(yīng)信息交互時(shí)，發(fā)送本地各頻率的最佳接收質(zhì)量及速率至對(duì)方；

（3）對(duì)方接收自適應(yīng)信息后，在該頻率上使用建議的速率發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

如上文所述，速率自適應(yīng)信息依靠接收端通知對(duì)端，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)工作的可靠性，節(jié)點(diǎn)在速率更換的下一業(yè)務(wù)周期采取多速率接收的策略。業(yè)務(wù)接收端在發(fā)送完某頻率的變速信息后，隨即在變速后的速率與變速前的速率上同時(shí)接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)解調(diào)信息判斷哪一路是有效信息，從而確定發(fā)送端是否已經(jīng)變速。如果確定發(fā)端發(fā)送速率后，后續(xù)在該頻率上將無(wú)須進(jìn)行多速率接收。多速率接收流程如圖7 所示。

圖7 多速率接收流程

如圖7 所示，被叫方在業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)f2的質(zhì)量變好，速率可以上升至9 600 bit/s，被叫方隨后發(fā)送變速信息至主叫方，通知主叫方變速。主叫方未能正確接收該變速信息，后續(xù)在f2 上繼續(xù)使用4 800 bit/s 發(fā)送。被叫方由于不能確定主叫是否變速成功，同時(shí)在4 800 bit/s 和9 600 bit/s 上進(jìn)行接收，隨后確定主叫方未變速成功，后續(xù)繼續(xù)發(fā)送變速信息。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文跳頻自適應(yīng)控制的可行性，根據(jù)上述思路，在電臺(tái)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了跳頻同步、非對(duì)稱(chēng)跳頻頻率協(xié)商、頻率個(gè)數(shù)自適應(yīng)、速率自適應(yīng)功能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。其中調(diào)制解調(diào)器主要參照美軍短波調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)110B[11]，波形速率分別為2 400 bit/s，4 800 bit/s，9 600 bit/s，19 200 bit/s，28 800 bit/s。

5.1 試驗(yàn)一：換頻功能及性能測(cè)試

試驗(yàn)條件：地波通信，通信距離約10 km，跳頻頻率數(shù)16 個(gè)，固定傳輸速率。一次正向傳輸時(shí)間10 s，一次反向自適應(yīng)應(yīng)答1 s，跳數(shù)20 跳。選定某工作頻點(diǎn)，在本地通過(guò)陪試電臺(tái)施加單音干擾。

試驗(yàn)內(nèi)容：在關(guān)閉頻率自適應(yīng)的模式下進(jìn)行誤碼率測(cè)試，連續(xù)測(cè)試10 min；開(kāi)啟頻率自適應(yīng)功能，進(jìn)行誤碼率測(cè)試，連續(xù)測(cè)試10 min。記錄各種速率下的誤碼率及頻率更換時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 誤碼率測(cè)試結(jié)果

表2 自適應(yīng)換頻時(shí)間

5.2 試驗(yàn)二：自適應(yīng)模式下傳輸性能測(cè)試

試驗(yàn)條件：海面波通信，通信距離約125 km，跳頻頻率數(shù)16 個(gè)，開(kāi)啟頻率、速率自適應(yīng)。一次正向傳輸時(shí)間20 s，一次反向自適應(yīng)應(yīng)答2 s，跳數(shù)20 跳。

試驗(yàn)內(nèi)容：在開(kāi)啟自適應(yīng)的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)包ARQ 傳輸測(cè)試，連續(xù)測(cè)試10 min。記錄10 min 的平均傳輸通過(guò)率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：最高通過(guò)率為14 900 bit/s，最低通過(guò)率為11 211 bit/s，平均通過(guò)率12 434 bit/s。在測(cè)試過(guò)程中，有明顯的頻率替換與速率升降過(guò)程。

上述試驗(yàn)表明，該自適應(yīng)策略能夠選出質(zhì)量較好的跳頻工作頻率集，對(duì)信道變化反應(yīng)較為迅速，通信的誤碼率改善明顯，并且該機(jī)制與寬帶傳輸波形相結(jié)合能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)率。

6 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種短波跳頻系統(tǒng)的自適應(yīng)控制解決方案，能夠快速選擇跳頻工作頻率及速率，能夠針對(duì)信道的變化做出頻率或者速率的調(diào)整，使通信維持良好的狀態(tài)，但本文所提方案僅適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)信息指揮體系將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、一體化、實(shí)時(shí)化，通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸流量更大，流量密度和節(jié)點(diǎn)密度大幅提高，電磁環(huán)境更加復(fù)雜，因此面對(duì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的短波寬帶自適應(yīng)技術(shù)將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。