严　烁　任席闯

(1.91960部队　汕头　515000)(2.91469部队　北京　100841)



分集处理的甚低频通信抗干扰能力分析*

严烁1任席闯2

(1.91960部队汕头515000)(2.91469部队北京100841)

摘要论文针对甚低频通信抗雷电干扰需求，研究了将16FSK方式运用到甚低频通信中的抗干扰性能，并对甚低频波段使用16FSK方式的具体要求进行了详细分析，为甚低频通信的调制方式的选型提供了详细、可靠的数理基础。

关键词甚低频； 通信； 场强

Class NumberTN219

1引言

潜艇发挥作用的关键是保持高度的隐蔽性和对其实施有效的指挥控制，目前世界海军对水下潜艇指挥与信息支撑的有效手段主要是超低频和甚低频通信。超低频通信信息速率极低，只适合向潜艇发送指令代码，对水下潜艇实施精确指挥仍需依靠信息速率相对较高的甚低频通信来完成。基于此种原因甚低频仍是各国海军指挥潜艇的最主要的通信手段，其通信的可靠性和抗干扰能力对于对潜通信尤为重要。甚低频大气噪声电平很高，在部分海域雷电活动频繁，通信保障困难。要改善多雷暴海域的甚低频通信，需要想办法减小,甚至消除雷电干扰引起的误码率。

2甚低频通信干扰因素

2.1人为干扰

甚低频通信受到的人为干扰程度主要取决于收信区域的干扰信号强度，一般说来干扰信号越强，受到的干扰程度越强。干扰信号的强度主要取决于干扰功率的大小、干扰天线在被干扰接收机方向上的增益、信号沿传播路径的损耗等。

2.2自然干扰

在甚低频频段，主要的自然干扰源是雷电活动。雷电干扰的频度和电平随季节和地区而变化。在雷电活动频繁的季节和地区，通信将受严重影响。雷电活动是云层中积累的电荷间的放电或云层中积累的电荷对地的放电。较为频繁发生的是云中电荷间的放电，但其强度较弱，平均约为云对地放电强度的十分之一。整个雷电过程可以认为由四个阶段组成。第一阶段是云层中电荷的分离过程，第二阶段是预放电过程。随着电荷的分离，带电云的电位梯度不断增大。当电位梯度超过空气击穿电位时，空气形成电离区，并向下延伸，直至延伸到地面。这一过程即为预放电过程，其持续时间大致在0.5ms～1ms左右[1～2]。第三阶段是主击穿。预放电过程延伸到地面后就产生主击穿，此时负电荷向下运动，形成向上的电流，其值平均为20kA～30kA，产生很高的干扰电磁场。第四阶段是多次击穿。多数云对地放电包括若干次主击穿(平均约3～4次)。每次击穿持续时间约0.1ms，平均间隔时间约40ms。整个雷电过程的持续时间是:单次击穿不超过100ms，多次击穿平均约250ms。

3甚低频通信抗干扰研究

从雷电活动简单的描述知，一个雷电活动大致持续时间几百毫秒，很少超过1s的。利用雷电的这一特点，可以把信息隔一段时间(大致一个雷电活动持续时间)重复发送一次，就可以降低信息被干扰的概率。例如可以把一个汉字作为重复发送的单元，连续重复发送三遍。上述内容用下面的图示更容易看清楚。设信息序列为A1A2A3A4A5 A6A7A8，则发送序列为A1A2A3A4A1A2A3A4A1A2A3A4A5A6A7A8A5A6A7A8A5A6A7A8。

一个汉字由4个16进制字符组成，如果采用的字符持续时间像上面讨论过的200ms～300ms，则一个汉字占用1s左右时间，三重发送中同一字符间的时间间隔等于一个汉字的占用时间，所以三重发送中一般只有一重发送中的1～2个字符被干扰。

根据雷电干扰是宽带强信号、而有用信号是窄带弱信号的特点[3～4]，可以选出未受干扰(或受干扰最小)的信号进行判决。在三次发送中只要有一次未受雷击，就可能做出正确判决。设一次发送遇到雷击的概率为P，由于各次雷击是统计独立的，所以三次发送都遭雷击的概率为P3。如果P=0.1，则P3=0.001。已经使用的低频16FSK终端机，实验室试验表明，其抗雷电脉冲干扰能力比人工报优20dB。一次大雷雨中的实际通信试验，800组人工报错109组，1800组16FSK，仅错2组。可见三重时间分集对抗雷电干扰是很有效的。

3.1三重频率分集抗人为的单频干扰

三重频率分集是在三重时间分集中同时实现的，其方法是在各重发送中同一个字符用不同频率代替，如表1所示。

表1　各重频率分集的频率与字符的对应关系

按表1，得与上面时间分集信息发送相应的频率发送序列为:F1F0F10F7F6F5F15F12F11F10F4F1F14F3F5F4…。

单频干扰是指持续一定时间的单一频率干扰。此干扰若正好落在16FSK的某一频点上，且幅度大于信号频率的幅度或与信号频率的幅度接近，则与此频率相应的相关器的输出将以极大的概率大于其它各个相关器(无论有信号输入或没有信号输入)的输出，在无分集的情况下，将引起严重误码。

采用三重分集可以提高抗单频干扰能力。在三重分集条件下，把一个字符的三重分集输出相加，其码元能量增加了2倍(是不分集的3倍)。如果干扰幅度是信号幅度的倍，则同样会引起严重误码。这表明采用三重分集可以带来4.77dB的好处。

可以采用如下办法进一步削弱单频干扰的影响。把各个相关器的三重输出相加。与干扰频率相应的相关器，三重均有输出，相加后数值较大。其它相关器，只在某一重有信号，其它两重只存在噪声，三重输出相加后数值较小。把各个相关器输出按大小排序，并对最大值和次大值进行比较，如最大值与次大值的比大于2，则认为与此最大值相应的频率是单频干扰，把它排除在判决之外。这样可以进一步降低单频干扰引起的误码。

3.2三重分集的抗白噪声性能

(1)

其它各个相关器输入没有信号，只有噪声，它们的概率密度函数为

(2)

如果第一个相关器的输出r1大于其它M-1个相关器的输出n2,n3,…,nM，那么判决f1是正确的。这个正确判决概率可以表示为

(3)

此处P(n2

P(nm

(4)

各个相关器的正确判决概率是相等的，因此M-1个相关器判决都正确的概率是式(4)概率的M-1次方。这样，码元符号正确判决的概率[6～8]:

(5)

而码元符号的错误概率:

PM=1-Pc

(6)

(7)

码元错误概率可以表示为

(8)

当另外M-1个符号中其它任意一个符号发送时，得到的误码率表达式是相同的[9]。因此式(8)是符号(码元)的平均错误率。这个误码率是误数字率。

这两个公式是没有分集情况下的抗白噪声性能。一个码元在三次接收中都错误的概率显然是一次接收的误码率的三次方。这样，16FSK三重分集相干检测的误码率为

(9)

16FSK三重分集非相干检测的误码率为

(10)

由此可见，三重分集可以大大提高通信可靠性，使白噪声干扰的误码率大大降低。三重分集相当于信号功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距离增加1000km～2000km。在甚低频频段，单频干扰一般是敌方的人为干扰。用不同频率重复发信，就是时间分集与频率分集的结合，就能既有效地降低雷电干扰、又能对抗敌方的人为干扰。三重分集可以有效地抗雷电干扰和人为干扰，可提高接收灵敏度，降低误码率。

图1　几种解调方式误码率性能比较

4结语

论文分析了甚低频通信的16FSK误码性能，计算了加三重时间分集条件下16FSK得误码率改进情况，计算表明在三重分集相当于信号功率提高2倍(是不分集的3倍)，使通信距离增加1000km～2000km，使白噪声干扰的误码率大大降低。时间分集与频率分集相结合，可以降低误码率。

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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

作者简介：严烁，女，硕士，工程师，研究方向：计算机图形学。任席闯，男，博士，工程师，研究方向：无线通信系统。

中图分类号TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.019