短波频率管理系统及在通信中的应用

短波频率管理系统及在通信中的应用

一、短波频率管理的发展背景

　　短波通信有许多独特的优点，机动、灵活、成本低，可以进行远距离通信。因此高频通信一直是军事通信中的一种重要手段，在无线通信中一直享有重要的地位。然而，在７０年代初卫星通信异军突起，由于卫星通信性能稳定可靠，因此在相当大的程度上取代了高频通信。但是随着人们对卫星通信的易损性、耗资巨大等局限性的认识，高频通信又再次受到重视。从军事通信的角度可以得出这样的结论：没有一种单一的远距离通信手段可以满足一切要求，因而在世界上主要发达国家的Ｃ４Ｉ系统中都部署了高频系统，而且越来越发挥着重要的作用。例如在美陆军２１世纪数字化战场中就安排了战场信息传输系统 ?ＢＩＴＳ? 的计划，其中的宽频段ＨＦ ?ＷＢＨＦ?项目就是研究高频系统在数字化战场中的应用，并且希望把战术互联网扩大到ＨＦ频段。这些都对短波选频提出了新的要求。

　　短波通信选频主要经历了三个主要阶段：

　　（１）长期频率预测。根据太阳黑子数及季月时间来预测电路的最高可用频率ＭＵＦ。这种方法是基于月中值的概念，所以工作频率难以跟踪电离层的变化，因而影响高频通信效果。

　　（２）实时频率预测。自六十年代以来，美、加等国先后发展了实时选频技术，出现了ＣＵＲＴＳ、ＣＨＥＣ、Ｃｈｉｒｐ等专用实时选频系统。实时选频技术对于保障高质量的短波干线通信起了很大作用。近年来Ｃｈｉｒｐ选频系统得到很大发展。１９９４年ＩＴＵ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ７２０已推荐ＦＭ／ＣＷ“Ｃｈｉｒｐ”探测技术作为动态频率管理的标准。美、英等国对Ｃｈｉｒｐ系统进行了实地科学试验，并在海湾战争中取得很好的实战效果。

　　（３）自适应通信技术。这是八十年代发展起来的一项新技术，它将选频和通信融为一体，可以在最佳信道上自动沟通电路。由于选频和通信合一，而且以通信为主，所以选频质量低于专用实时选频系统提供的频率质量。今后发展方向应是将专用选频系统和自适应通信系统结合起来，进一步提高短波通信质量。目前美国提出的第三代自适应高频系统已体现了Ｃｈｉｒｐ选频系统与短波通信系统的结合。

　　我国的短波通信、短波实时选频的科研工作基本上可以跟踪国际上的最新水平。“八五”期间由电子部七所、７１３厂、二十二所合作完成的短波频率管理预报系统标志着我国在该领域跃上了一个新台阶。该系统在实际应用中发挥了巨大的优越性。我国幅员广阔的地域和海域必将对短波通信提出更多更高的需求。“九五”期间电子部七所又承接了“通信频率管理”的任务。该任务完成后短波实时选频将提高到一个新水平，并且将对３００ｋＨｚ－２０００ＭＨｚ的频段进行宽域频率管理。

二、短波频率管理的基本原理

　　“Ｃｈｉｒｐ短波频率管理预报系统”由探测发射机、探测接收机、频谱监测仪和频率管理终端组成。每部探测接收机可接收三台发射机的信号。

　　该系统可对电离层进行实时探测，积累探测资料，对短波频率资源进行实时动态管理；具有三发一收的组网功能；具有实时、短期、长期频率预报功能。实时预报是根据实时探测的信噪比、时延散布值对频率进行排序选优，从而为短波干线通信提供最佳通信频率。另外，对探测电路之外的短波通信也可提供高质量的通信频率。

　　“Ｃｈｉｒｐ短波频率管理预报系统”的探测原理属于啁啾探测系统?Ｃｈｉｒｐ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ? ，探测信号采用调频连续波?ＦＭ／ＣＷ?信号。

　　系统工作时，探测发射机和探测接收机都经过精确校时。发射机发射ＦＭ／ＣＷ探测信号时，接收机内部时钟控制接收机同时产生一个与发射信号相同形式的内部参考信号，与发射机信号精确同步。任何能通过ＨＦ电路传播的无线电能量?表面波、一跳二跳Ｆ层传播等?都能被探测接收机接收到。探测信号从发射机到接收机所需的传播时间使得该信号到达接收机的时刻滞后于接收机的调谐频率点，因此当接收机收到探测信号并和机内参考信号混频后，将得到差频信号。接收机将差频信号放大转换成基带音频信号，０赫兹的音频信号表示没有时间延迟，音频信号频率的增加?最大为５００Ｈｚ?表示了电离层反射信号延迟的增加。实际上，接收机基带音频输出是一个多音信号，该多音信号表示了从电离层的不同区域反射所引起的信号和各种延迟。信号延迟Ｄｔ与接收机音频输出Ｄｆ之间的关系为：Ｄｆ ＝ ?ｄｆ／ｄｔ? × Ｄｔ，其中ｄｆ／ｄｔ为扫频信号斜率，可见接收机基带的音频信号频率与时延成正比。用音频频谱分析仪分析这些多音信号，可以确定传播模式的数量、各传播模式的差分时延，最后得到所需要的电离图。

　　所谓电离图就是指不同传播模式的时延随频率的分布。不同传播模式的信号，它们之间具有毫秒级的时间间隔。当频率改变时，这些多径信号的延迟时间也随之改变。

　　从电离图可以得到时延参量。当存在多种传播模式时，到达接收端最早信号和最晚信号之间的时间差就是多径时延。通过对Ｃｈｉｒｐ信号能量和本地干扰的测量可以得到信噪比。因此可以对每个频点的通信质量进行评定。

　　Ｃｈｉｒｐ探测设备能够以１００千赫兹每秒的速率在有用频段内以相位连续的信号扫描。由于探测接收机工作在相当窄的接收带宽内，数量级为几百赫兹，所以只需要相对低的发射功率即可完成远距离的探测。经过多次试验表明，我国自行研制的短波频率管理系统可用２０Ｗ的探测功率在全频段完成２０００ｋｍ通信电路的频率探测。

三、短波频率管理系统如何应用于民用通信

　　在民用通信方面可通过短波频率管理系统建立全国短波干线选频网。短波频率管理系统体制采用ＦＭ／ＣＷ制式。在全国范围可设置三层结构。

　　以北京为中心，各大行政区首府为端点的一级选频网，该网共六条探测电路。总部配置两台探测接收机，一台或多台干扰噪声监测仪，一台频率管理终端。频率管理终端应与通信系统控制器和中心网络管理设备相连。各大行政区首府设置相应探测发射机。一级选频网负责北京和各大行政区间的短波频率管理。

　　以大行政区首府为中心，省会为端点组成二级选频网，该网一般由２－４条探测电路组成。在大行政区首府设置一台探测接收机、一台干扰频谱监测仪、一台频率管理终端。该频率管理终端与大行政区的通信系统控制器和网管设备相连。在省会设置相应探测发射机。二级选频网主要负责大行政辖区内的频率管理。

　　在各省会以下可以设置三级选频网。

　　对于偏离探测电路的通信电路，可用外推法或伪太阳黑子数法?ＰＰＳＮ?来进行频率修正。

四、短波频率管理系统如何应用于军事通信

　　在下一阶段科研中，应将频率管理系统与通信系统有机集成，进行２－２０００ＭＨｚ频段管理，短波频率管理系统只是通信频管系统的一部分。频率管理系统不仅能对通信信道进行实时探测，而且应能对频率进行规划。同时要了解用户对频率的需求，现场电磁频谱的背景，及网络拓扑的变化，从而对所用的频率进行调整，实现动态频率管理。通过通信系统集中控制器或网管设备进行频率分发，并实现电台的改频操作。

　　在机动的战场环境下，可采用移动选频系统进行选频。短波频率管理系统可以装车、装舰。随着战场的流动，可以用车载和舰载选频系统，进行前沿战场频率管理。这样可以解决各种复杂情况下的短波通信问题。

　　当在无线电环境要求寂静时，不允许进行探测发射，这时可以采用无源实时选频技术来进行频率管理。

五、短波频率管理未来的发展趋势

　　主要发展趋势是应用于在第三代高频通信系统中。

　　第一代高频通信系统没有自适应选频功能；第二代高频通信系统是建立在美军标ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ａ的基础上，具有自适应选频功能，但由于是异步系统，所以电路链接过程较长；第三代高频通信系统是建立在美军标ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１４１Ｂ的基础上，具有自适应选频功能，由于是同步系统，所以能快速建立电路。

　　第三代高频自适应通信系统基本概念是：在同步方式工作时，所有的搜索接收机同时改变频率。但是，所有台站在同一时间并非监听同一呼叫信道。在同一时间监听同一信道的一组台站叫做一个驻留组。这样对网络成员发起的呼叫将在时间和频率上分开，所以极大地减少了呼叫中的碰撞概率。当一个呼叫台站想与被呼叫台站链接时，呼台将计算下一驻留周期被呼叫台站的搜索频率，并用该频率进行呼叫，和第二代自适应通信系统相比，大大地缩短了呼叫时间。发台呼叫周期和收台在某个频率上的搜索驻留时间相同。

　　在第三代自适应通信系统中，通信系统本身通常不进行信道质量分析?ＬＱＡ?，而是利用ｃｈｉｒｐ频率管理系统来提供通信频率，并使通信系统中的搜索频率表达到最佳。所以说ｃｈｉｒｐ频率管理系统是第三代自适应通信系统的基础。