基于分集接收技术的岸海短波通信系统研究∗

2018-03-23苏天禹汤旭东宋大勇

舰船电子工程 2018年2期

苏天禹汤旭东宋大勇

（1.北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京 102209）（2.东部战区海军参谋部信息保障处宁波 315122）

1 引言

短波通信主要利用电离层反射来进行中远距离通信，具有设备简单、使用方便、机动灵活、成本低廉、受地形限制少、电路建立迅速、抗毁性强等诸多优点［1～2］。

如何提高短波通信的可靠性和抗干扰性能，一直受到国内外短波通信研究人员的重视。目前国内外提高短波通信的可靠性主要通过采用特殊的调制解调体制、扩展频谱技术等，但大部分以单点单频进行短波通信，抗干扰能力弱，而短波信道本身是时变色散信道，通信的稳定性和可靠性先天不足，当该工作频点受到干扰或信道质量低下时，通信可靠性无法得到保证。

本文采用新思路、新理念，结合岸海短波通信的特点，提出了一种基于信号特征识别的智能化信道分集接收技术，基于该技术构建一套岸海双向短波通信系统，充分提高岸海短波通信的可靠性和实用性，并经过实际信道验证了系统的性能，具有一定的推广应用价值。

2 影响短波通信的主要因素

短波通信主要是利用天波传播，通信的可靠性主要受电离层变化、地理环境、多径传播等因素的影响［3］，影响短波通信的主要因素包括：

1）电离层变化对短波通信的影响

在短波通信中，天波的传播取决于电离层的反射、折射和对无线电波能量的吸收情况，与电离层的高度和电子密度有关。电离层变化主要受日夜变化、季节变化、地理纬度和太阳周期的变化。由于日夜太阳的照射不同，故白天电子密度比夜间大，中午电子密度比早晚大；由于不同季节太阳照射的不同，通常夏季的电子密度大于冬季，但F2层例外，F2层冬天的电子密度比夏天大。

2）地理环境对短波通信的影响

由于地理位置的不同造成电离层的特性发生变化，不同地点的上空太阳的辐射不同，赤道附近太阳照射强，电离层变化剧烈，最突出的是赤道电离层在±200产生F2层电子浓度驼峰结构，即在电场漂移作用下，赤道处等离子体向上漂移，然后沿着磁力线向赤道两侧扩散，使得赤道附近低纬度地区电子浓度高于赤道上空的电子浓度，而形成双“驼峰”结构，驼峰结构的存在对短波通信造成严重影响，极端情况下造成通信中断。同时，由于不同的地理位置，本地的电磁环境复杂程度不同，进而影响到通信的可用频率及通信的可靠性。

3）多径传播对短波通信的影响

短波信号传输是一种多径传播，因为其信号分散在很大区域范围的电离层内，导致反射时存在多种传播路径。多径传播主要带来两个问题：一是衰落，一是延时。接收天线检测到的短波传输信号，相位相同时相加，相反时则相抵，造成多径衰落，衰落对短波通信的可靠性、稳定性影响很大，从而影响短波通信；短波信号传递过程中，各种不同的传播路径存在时间差异，同时由于不同跳跃次数及高、低角度的射线等形式产生的分离多径，造成传播时延，多径时延会引起码元畸变，增大误码率，影响通信。

3 提高短波通信可靠性的主要措施

目前提高短波通信可靠性的主要措施有分集接收技术、自适应均衡技术和变参信道差错控制技术［4］等，本文主要针对分集接收技术进行研究和分析。

分集接收是有效地克服多径效应的技术手段［5］，对于提高通信的可靠性效果明显，常见的分集方法有空间分集、频率分集和时间分集等，该技术可极大地减小在接收机输出端的信号衰落深度，有效提高收到率和正确率。

3.1 分集方式

目前短波通信常用的分集方式主要有空间、频率和时间分集三种方式［6］。

1）空间分集

空间分集接收基本结构为发端使用一副天线发送，收端使用多副天线接收。当接收端天线相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出不一定在同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并处理算法来得到分集增益，获得几乎不受快衰落影响的接收信号，最终输出最佳的信号。

2）频率分集

频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。

3）时间分集

实践证明，快衰落除了具有空间和频率的独立性，还具有时间的独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要两次重发间隔足够大，那么各次发送的信号通过信道后，出现的衰落将是彼此独立的。

3.2 分集重数的选择

理论上，两重空间分集的信噪比增益有3dB，四重有6dB，八重有近9dB增益，图1为采用不同的合并处理准则时，分集重数与平均信噪比改善（dB）的关系图。从图中可以看出，分集重数的增加与其获得的平均信噪比改善并不是线性增加的，当分集重数达到一定（如8重以上的分集）时，性能的增长趋于平坦。而且对于空间分集而言，分集重数越多，所需的接收天线、收信机等设备也越多，对于频率分集而言，分集重数越多，所需要的发射天线、发射机等设备也越多，同时带来的分集合并处理技术难度也越大，数字信号处理器间交换的信息量和存储量都呈指数型的增长，但信噪比增益的性能却不呈指数增长。结合分集性能以及资源需求综合考虑，本文选择8重空间分集合并处理。

4 基于信号特征识别的分集合并处理技术

4.1 分集合并处理技术

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾［7］，在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可通过合并技术来得到分集增益。合并时采用的准则与方式主要分为三种：最大比值合并、等增益合并和选择式合并［8］。

1）最大比值合并

在接收端由多个分集支路经过相位调整后，按照适当的增益系数同相相加，再送入检测器进行检测。在接收端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。最大比合并方案在收端只需对接收信号作线形处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息，其译码过程简单、易实现。

2）等增益合并

等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上它才是最佳的，它输出的结果是各路信号幅值的叠加。

3）选择合并

采用选择合并技术时，N个接收机的输出信号线送入选择逻辑，选择逻辑从N个接收信号中选择具有最高信噪比的信号作为输出。每增加一条分集支路对选择式分集输出信噪比的贡献仅为分集支路数的倒数倍。

4.2 基于信号特征识别的智能化分集合并技术

在实际的场合应用中，对于已知信号特征的条件下，可在中频段直接基于信号特征进行处理。本文研究了一种在中频段直接采用信号特征识别的智能化分集合并处理技术，应用信道分集和解调分集综合选择的技术思路，最大限度地获取每个信道携带的有用信号，通过选择合并、等增益合并和最大比值合并等最优化组合选择多路最优信道完成组合分集接收功能，使最后合并效果达到最佳选择的水平。

由于该分集接收方式是在中频段对收到的原始信息进行分集处理，因此可以从接收信息中获得最多的有效信息，故分集性能有很大的提高。图2所示为仿真2～8重信道分集后的误码性能结果。

从图2结果可以看出，当8路信号的基础误码率均为0.35时，经过8重分集接收也能达到优于10-3，而基础误码率在0.1时，采用8重分集接收算法处理后，通信误码率在10-6以下，对短波数字通信而言，通信可靠性非常高。采用信号特征识别的中频智能化分集合并处理技术，分集效果明显；随着分集重数的增加，分集后的误码率与单路信道接收的误码率相比有显著的降低。

5 构建岸海短波通信系统

本文提出的基于信号特征识别的智能化分集接收技术，综合考虑岸海短波通信使用环境以及提高短波通信可靠性的措施，本文构建了一套岸海短波通信系统，岸对海短波通信采用八重频率分集接收技术，海对岸短波通信采用八重空间分集接收技术，提高岸对海通信的可靠性。由于综合运用频率分集、空间分集等手段并结合先进的分集合并处理技术，可有效提高抗干扰性能，增强岸海短波通信的可靠性。

5.1 岸对海短波通信系统

岸台地域广阔，可充分利用多副发信天线的优势，通过岸台多副天线以八个频率同时发送信号；而海上舰船有效利用空间较小，无法安装多个收信天线，也无法达到应用空间分集接收技术的距离要求，因此采用频率分集接收技术，利用一副天线，同时接收多个频率的信号，对多路信号进行合并处理，获得分集增益，以提高岸对海通信的可靠性。系统业务示意图如图3所示。

5.1.1 岸基节点

岸基节点可以选择一个岸基节点多个频率发送，也可以选择多个岸基节点多频发送，各岸基节点之间通过岸基有线通信网连接。实际使用时，可根据使用需求灵活选择发送频率个数，通过综合控制中心统一下发报文给各岸基节点，各岸基节点统一控制发信机，以多个频率发送同一信号。

5.1.2 舰船节点

舰船单采用单节点接收的方式，通过一副收信天线进行接收信号，对于多路不同频率的信号混频以后通过中频输出，多路中频信号进行数字化处理以后统一进行处理，通过采用基于信号特征识别的智能化分集合并处理技术，进行多路信道分集，并同时进行解调和解码处理，最终输出一路高置信度的报文。

5.2 海对岸短波通信系统

海对岸短波通信系统采用海上一点发信，一个岸基节点多副天线或多个岸基节点多副天线接收的方式，每个岸基节点进行八重空间分集接收，分集合并后的报文既可以直接输出，也可以通过岸海有线通信网络汇集到综合控制中心进行二次分集合并处理，最终完成海对岸短波信息的接收，提高通信的可靠性。系统业务示意图如图4所示。

5.2.1 舰船节点

舰船节点以单个频率发送信号，舰船业务终端将数据发送给信道设备完成调制和信号放大，通过一副天线发出。

5.2.2 岸基节点

岸基可以选择一个节点多个天线接收，也可以选择多个节点多副天线同时接收，为了满足覆盖距离和执行任务的综合需求，各收信节点在配备天线时可尽量配置定向天线等方向性强的高增益天线，使用多幅定向天线可有效覆盖我国大部分海域，且可以获得比全向天线更高的增益。使用时，单个节点通过8副高增益天线同时接收信号，利用空间分集接收处理机对8路信号进行合并处理，合并处理以后的报文可以直接输出也可通过岸基有线通信网络上传给综合控制中心，进行二次分集合并处理，合成最后的信息输出，以提高收到率和正确率。