短波頻率管理系統(tǒng)及在通信中的應用

一、短波頻率管理的發(fā)展背景

　　短波通信有許多獨特的優(yōu)點，機動、靈活、成本低，可以進行遠距離通信。因此高頻通信一直是軍事通信中的一種重要手段，在無線通信中一直享有重要的地位。然而，在７０年代初衛(wèi)星通信異軍突起，由于衛(wèi)星通信性能穩(wěn)定可靠，因此在相當大的程度上取代了高頻通信。但是隨著人們對衛(wèi)星通信的易損性、耗資巨大等局限性的認識，高頻通信又再次受到重視。從軍事通信的角度可以得出這樣的結論：沒有一種單一的遠距離通信手段可以滿足一切要求，因而在世界上主要發(fā)達國家的Ｃ４Ｉ系統(tǒng)中都部署了高頻系統(tǒng)，而且越來越發(fā)揮著重要的作用。例如在美陸軍２１世紀數(shù)字化戰(zhàn)場中就安排了戰(zhàn)場信息傳輸系統(tǒng) ?ＢＩＴＳ? 的計劃，其中的寬頻段ＨＦ ?ＷＢＨＦ?項目就是研究高頻系統(tǒng)在數(shù)字化戰(zhàn)場中的應用，并且希望把戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)擴大到ＨＦ頻段。這些都對短波選頻提出了新的要求。

　　短波通信選頻主要經(jīng)歷了三個主要階段：

　　（１）長期頻率預測。根據(jù)太陽黑子數(shù)及季月時間來預測電路的最高可用頻率ＭＵＦ。這種方法是基于月中值的概念，所以工作頻率難以跟蹤電離層的變化，因而影響高頻通信效果。

　　（２）實時頻率預測。自六十年代以來，美、加等國先后發(fā)展了實時選頻技術，出現(xiàn)了ＣＵＲＴＳ、ＣＨＥＣ、Ｃｈｉｒｐ等專用實時選頻系統(tǒng)。實時選頻技術對于保障高質(zhì)量的短波干線通信起了很大作用。近年來Ｃｈｉｒｐ選頻系統(tǒng)得到很大發(fā)展。１９９４年ＩＴＵ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ７２０已推薦ＦＭ／ＣＷ“Ｃｈｉｒｐ”探測技術作為動態(tài)頻率管理的標準。美、英等國對Ｃｈｉｒｐ系統(tǒng)進行了實地科學試驗，并在海灣戰(zhàn)爭中取得很好的實戰(zhàn)效果。

　　（３）自適應通信技術。這是八十年代發(fā)展起來的一項新技術，它將選頻和通信融為一體，可以在最佳信道上自動溝通電路。由于選頻和通信合一，而且以通信為主，所以選頻質(zhì)量低于專用實時選頻系統(tǒng)提供的頻率質(zhì)量。今后發(fā)展方向應是將專用選頻系統(tǒng)和自適應通信系統(tǒng)結合起來，進一步提高短波通信質(zhì)量。目前美國提出的第三代自適應高頻系統(tǒng)已體現(xiàn)了Ｃｈｉｒｐ選頻系統(tǒng)與短波通信系統(tǒng)的結合。

　　我國的短波通信、短波實時選頻的科研工作基本上可以跟蹤國際上的最新水平。“八五”期間由電子部七所、７１３廠、二十二所合作完成的短波頻率管理預報系統(tǒng)標志著我國在該領域躍上了一個新臺階。該系統(tǒng)在實際應用中發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性。我國幅員廣闊的地域和海域必將對短波通信提出更多更高的需求。“九五”期間電子部七所又承接了“通信頻率管理”的任務。該任務完成后短波實時選頻將提高到一個新水平，并且將對３００ｋＨｚ－２０００ＭＨｚ的頻段進行寬域頻率管理。

二、短波頻率管理的基本原理

　　“Ｃｈｉｒｐ短波頻率管理預報系統(tǒng)”由探測發(fā)射機、探測接收機、頻譜監(jiān)測儀和頻率管理終端組成。每部探測接收機可接收三臺發(fā)射機的信號。

　　該系統(tǒng)可對電離層進行實時探測，積累探測資料，對短波頻率資源進行實時動態(tài)管理；具有三發(fā)一收的組網(wǎng)功能；具有實時、短期、長期頻率預報功能。實時預報是根據(jù)實時探測的信噪比、時延散布值對頻率進行排序選優(yōu)，從而為短波干線通信提供最佳通信頻率。另外，對探測電路之外的短波通信也可提供高質(zhì)量的通信頻率。

　　“Ｃｈｉｒｐ短波頻率管理預報系統(tǒng)”的探測原理屬于啁啾探測系統(tǒng)?Ｃｈｉｒｐ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ? ，探測信號采用調(diào)頻連續(xù)波?ＦＭ／ＣＷ?信號。

　　系統(tǒng)工作時，探測發(fā)射機和探測接收機都經(jīng)過精確校時。發(fā)射機發(fā)射ＦＭ／ＣＷ探測信號時，接收機內(nèi)部時鐘控制接收機同時產(chǎn)生一個與發(fā)射信號相同形式的內(nèi)部參考信號，與發(fā)射機信號精確同步。任何能通過ＨＦ電路傳播的無線電能量?表面波、一跳二跳Ｆ層傳播等?都能被探測接收機接收到。探測信號從發(fā)射機到接收機所需的傳播時間使得該信號到達接收機的時刻滯后于接收機的調(diào)諧頻率點，因此當接收機收到探測信號并和機內(nèi)參考信號混頻后，將得到差頻信號。接收機將差頻信號放大轉換成基帶音頻信號，０赫茲的音頻信號表示沒有時間延遲，音頻信號頻率的增加?最大為５００Ｈｚ?表示了電離層反射信號延遲的增加。實際上，接收機基帶音頻輸出是一個多音信號，該多音信號表示了從電離層的不同區(qū)域反射所引起的信號和各種延遲。信號延遲Ｄｔ與接收機音頻輸出Ｄｆ之間的關系為：Ｄｆ ＝ ?ｄｆ／ｄｔ? × Ｄｔ，其中ｄｆ／ｄｔ為掃頻信號斜率，可見接收機基帶的音頻信號頻率與時延成正比。用音頻頻譜分析儀分析這些多音信號，可以確定傳播模式的數(shù)量、各傳播模式的差分時延，最后得到所需要的電離圖。

　　所謂電離圖就是指不同傳播模式的時延隨頻率的分布。不同傳播模式的信號，它們之間具有毫秒級的時間間隔。當頻率改變時，這些多徑信號的延遲時間也隨之改變。

　　從電離圖可以得到時延參量。當存在多種傳播模式時，到達接收端最早信號和最晚信號之間的時間差就是多徑時延。通過對Ｃｈｉｒｐ信號能量和本地干擾的測量可以得到信噪比。因此可以對每個頻點的通信質(zhì)量進行評定。

　　Ｃｈｉｒｐ探測設備能夠以１００千赫茲每秒的速率在有用頻段內(nèi)以相位連續(xù)的信號掃描。由于探測接收機工作在相當窄的接收帶寬內(nèi)，數(shù)量級為幾百赫茲，所以只需要相對低的發(fā)射功率即可完成遠距離的探測。經(jīng)過多次試驗表明，我國自行研制的短波頻率管理系統(tǒng)可用２０Ｗ的探測功率在全頻段完成２０００ｋｍ通信電路的頻率探測。

三、短波頻率管理系統(tǒng)如何應用于民用通信

　　在民用通信方面可通過短波頻率管理系統(tǒng)建立全國短波干線選頻網(wǎng)。短波頻率管理系統(tǒng)體制采用ＦＭ／ＣＷ制式。在全國范圍可設置三層結構。

　　以北京為中心，各大行政區(qū)首府為端點的一級選頻網(wǎng)，該網(wǎng)共六條探測電路。總部配置兩臺探測接收機，一臺或多臺干擾噪聲監(jiān)測儀，一臺頻率管理終端。頻率管理終端應與通信系統(tǒng)控制器和中心網(wǎng)絡管理設備相連。各大行政區(qū)首府設置相應探測發(fā)射機。一級選頻網(wǎng)負責北京和各大行政區(qū)間的短波頻率管理。

　　以大行政區(qū)首府為中心，省會為端點組成二級選頻網(wǎng)，該網(wǎng)一般由２－４條探測電路組成。在大行政區(qū)首府設置一臺探測接收機、一臺干擾頻譜監(jiān)測儀、一臺頻率管理終端。該頻率管理終端與大行政區(qū)的通信系統(tǒng)控制器和網(wǎng)管設備相連。在省會設置相應探測發(fā)射機。二級選頻網(wǎng)主要負責大行政轄區(qū)內(nèi)的頻率管理。

　　在各省會以下可以設置三級選頻網(wǎng)。

　　對于偏離探測電路的通信電路，可用外推法或偽太陽黑子數(shù)法?ＰＰＳＮ?來進行頻率修正。

四、短波頻率管理系統(tǒng)如何應用于軍事通信

　　在下一階段科研中，應將頻率管理系統(tǒng)與通信系統(tǒng)有機集成，進行２－２０００ＭＨｚ頻段管理，短波頻率管理系統(tǒng)只是通信頻管系統(tǒng)的一部分。頻率管理系統(tǒng)不僅能對通信信道進行實時探測，而且應能對頻率進行規(guī)劃。同時要了解用戶對頻率的需求，現(xiàn)場電磁頻譜的背景，及網(wǎng)絡拓撲的變化，從而對所用的頻率進行調(diào)整，實現(xiàn)動態(tài)頻率管理。通過通信系統(tǒng)集中控制器或網(wǎng)管設備進行頻率分發(fā)，并實現(xiàn)電臺的改頻操作。

　　在機動的戰(zhàn)場環(huán)境下，可采用移動選頻系統(tǒng)進行選頻。短波頻率管理系統(tǒng)可以裝車、裝艦。隨著戰(zhàn)場的流動，可以用車載和艦載選頻系統(tǒng)，進行前沿戰(zhàn)場頻率管理。這樣可以解決各種復雜情況下的短波通信問題。

　　當在無線電環(huán)境要求寂靜時，不允許進行探測發(fā)射，這時可以采用無源實時選頻技術來進行頻率管理。

五、短波頻率管理未來的發(fā)展趨勢

　　主要發(fā)展趨勢是應用于在第三代高頻通信系統(tǒng)中。

　　第一代高頻通信系統(tǒng)沒有自適應選頻功能；第二代高頻通信系統(tǒng)是建立在美軍標ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ａ的基礎上，具有自適應選頻功能，但由于是異步系統(tǒng)，所以電路鏈接過程較長；第三代高頻通信系統(tǒng)是建立在美軍標ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ｂ的基礎上，具有自適應選頻功能，由于是同步系統(tǒng)，所以能快速建立電路。

　　第三代高頻自適應通信系統(tǒng)基本概念是：在同步方式工作時，所有的搜索接收機同時改變頻率。但是，所有臺站在同一時間并非監(jiān)聽同一呼叫信道。在同一時間監(jiān)聽同一信道的一組臺站叫做一個駐留組。這樣對網(wǎng)絡成員發(fā)起的呼叫將在時間和頻率上分開，所以極大地減少了呼叫中的碰撞概率。當一個呼叫臺站想與被呼叫臺站鏈接時，呼臺將計算下一駐留周期被呼叫臺站的搜索頻率，并用該頻率進行呼叫，和第二代自適應通信系統(tǒng)相比，大大地縮短了呼叫時間。發(fā)臺呼叫周期和收臺在某個頻率上的搜索駐留時間相同。

　　在第三代自適應通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)本身通常不進行信道質(zhì)量分析?ＬＱＡ?，而是利用ｃｈｉｒｐ頻率管理系統(tǒng)來提供通信頻率，并使通信系統(tǒng)中的搜索頻率表達到最佳。所以說ｃｈｉｒｐ頻率管理系統(tǒng)是第三代自適應通信系統(tǒng)的基礎。