舰艇超短波跳频通信抗干扰能力增强技术探析

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　　摘  要：跳频通信技术在舰艇超短波电台中应用广泛，针对增强舰艇超短波跳频通信抗干扰能力问题，文章研究了跳频通信的主要抗干扰性能，分析了对跳频通信系统的主要干扰方法，给出了增强舰艇超短波跳通信抗干扰能力的技术途径和相关技术的基本实现方法。
　　关键词：超短波;跳频通信;抗干扰;同步
　　中图分类号：TN978         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0137-03
　　Abstract： FH（frequency hopping） communication technology has been widely used in ship's ultra-short wave radio. For improving the anti-jamming ability of ship's ultra-short FH communication， the paper researched the main anti-jamming performance of FH communication， analyzed the main interference methods of FH communication system， presented the methods on the enhancement of anti-jamming capability of the ship's ultra-short wave FH communication and the realizations of the basic way related technologies.
　　Keywords： ultra-short wave; frequency hopping communication; anti-interference; synchronous
　　跳频通信依靠其优异的隐蔽性能和抗干扰能力，作为一种抗干扰通信体制，在舰艇通信中得到了较为广泛的应用。但是在超短波频段所常常采用的这种跳频抗干扰方式却随着逐步发展的数字信号处理技术的高速化受到了不小的打击[1]。本文着重分析总结了跳频通信普遍的抗干扰性能和跳频通信的干扰方法，综合目前跳频技术的发展情况，给出了提升舰艇超短波跳频通信抗干扰性能的理论技术及实践方法。
　　1 跳频通信的抗干扰性能[2]
　　影响跳频通信系统抗干扰能力的因素较多，如跳频速度、跳频宽度、跳频频率数目、跳频码周期、同步时间等。跳频速度和跳频宽度则起着最重要的作用。
　　1.1 跳频速度
　　跳频技术实质上是一种躲避电子侦察干扰的策略，而非通过大能量覆盖竞争进行取胜。这种躲避侦察能力重点表现在抗干扰跳频的速率上。一定范围内跳频速率的增加可以增强躲避侦察的性能，但盲目提高跳频速率不仅仅会成倍提高抗干扰的成本，更会降低其他的相关性能，如语言的可理解度、频率污染程度、同步性能等。
　　（1）语言可懂度。抗干扰跳频速率的改变并非是在瞬间完成的。完整的跳频周期可以分为驻留时间以及频率转换时间，为了保护电路及物理结构，当处于频率转换阶段时电台不会向外辐射能量或功率，而该时长主要由频率合成器决定，因此跳频速率也受频率合成器本身物理结构限制。随着所要求的跳频速率的不断升高，为了保证频率的稳定性，频率转换时间就会增加，继而驻留时间减少，也就是说可以用来传输信息的时间减少，直接大幅度降低了实际的工作效率。
　　（2）频率污染。为了保护电路，跳频电台的发射机在发生频率转换的极短时间内，必须断开大功率、高电压的连接，当这种断开需要在瞬间完成时就会在临近的频率中产生寄生信号，进而影响所属信道的信息传输准确度。为了消除或者减少这种不利影响，就要求发射机在频率转换时间段内通过某种控制电路，输出较为光滑的频率曲线。随着跳频速率的提高，对这种控制电路的要求就会更上一层楼，相应的，产生寄生信号的比例就会更大，频率污染也会更多，更加难以滤除。
　　（3）同步性能。要保证通信双方通信的有效性，在进行跳频通信时发信端需要同时传输同步信号以便于收信端进行同步解调。然而跳频速率的不断提高就会要求发信段传输更多的时间同步信号来保证通信，使简单的问题复杂化，大大提高了需要保证通信双方同步而发射的信号功率。
　　1.2 跳频宽度
　　跳频宽度，即跳频电台可以进行频率跳变的有效范围。随着跳频宽度持续增加，通信的抗干扰能力也会随之增强。如果超短波电台可以在30～88MHz内全频段跳变，按照信道间隔为25KHz，其连续跳频的宽度为58MHz，电台的抗干扰增益就可以达到34dB。实际上，跳频宽度根本做不到像假设的一样，因为它受下列因素的制约：
　　（1）天线调谐能力。信号的发射需要通过天线的辐射将信息传达到收信端，为了不损坏天线，达到最佳的频率利用率，不同的通信频率对应会有不同的天线阻抗。当跳频宽度较小时，使用窄带天线，通过相对应的天线调谐装置就会使得天线的阻抗较为准确地与需要发射的信号频率相匹配;若跳频宽度大幅增加，通信频率对天调的要求就会增加，就需要更宽的天线阻抗调节范围进行匹配，选择性降低，噪声就会更加难以消除。
　　（2）频率管理。关于跳频宽度的设计方法一般有两种：一是采用部分频段跳频;二是采用全频段跳频。在单网使用时采用全频段跳频，方便管理同时对通信技术要求也较低;但在多网工作时，继续采用全频段跳频则会使整个频段杂乱无章，各种频率污染直接增加了管理的难度，硬件的物理问题也会相继出现。为了解决这样的问题，应当对跳频通信网的通信频率采取适当的配置手段。一般来讲，跳频通信可以分为以下两种形式：正交式和非正交式跳频，非正交网跳频是指在同一通信网络内的两部收发信機通信，其必须进行严格的同步，而正交式跳频则不仅仅限制于同一抗干扰网，同样适用于不在同一个通信网络中的收发信双方。除了要保证在同一抗干扰网中的时间同步，还要保证在网与网之间的时间同步。正交式跳频对同步的要求很高，会增加通信双方通信同步的难度。但从另一角度讲，正交网络跳频使得整个网络的频谱利用率大大提高，使用也更为经济。各网同时工作时，每个网任何时刻都不会工作到其它网的频率上，网与网之间的工作在正常情况下将不会存在有严重影响的相互干扰。 　　2 对跳频通信的干扰
　　对跳频通信系统的干扰方法主要有对跳频通信同步系统和对跳频通信信号的干扰两大类[2]。
　　2.1 对跳频通信同步系统的干扰方法
　　同步是跳频通信的核心，但却也是跳频通信中最容易受到攻击的部分，所以当跳频通信的干扰作用于双方的同步信号时，将会得到最理想的效果。采用适当的方法找到同步信号的发射的频段、发送规律将会有助于破译出同步码。在同步信号的发送频段以相近的频率或改变相位进行干扰常会取得较为理想的结果。
　　2.2 对跳频通信信号的干扰
　　（1）阻塞式干扰。当我方无法明确掌握敌台当时实际使用的跳频通信图表时，为了达到干扰通信的效果，至少需要干扰其全部工作频段的一半。在不干扰我方正常通信的前提下，即我方通信频段不在敌方通信的某一半范围内时，就可对该段频率进行阻塞式干扰，在整个频段内进行大功率覆盖。但如果根据预先的探测得知敌台的跳频频点，则只需要采用梳状干扰对相关频点进行干扰。
　　（2）瞄准式干扰。瞄准式干扰可以按照实施的方式分为跟踪式、转发式和频率预测式。
　　跟踪式干扰主要针对中速以下的跳频电台，一般是通过对频率的侦察和探测进行实时跟踪，干扰敌台的跳频频段。但当跳频速率答复增加时其跳频图案就会变得复杂，难以跟踪。
　　转发式干扰的特点是无需预先对频率进行测频，也不需要频率引导，响应速度极快，一般情况下可达15？滋s左右，从原理上讲最高可干扰5000跳的跳频电台，该方法代表了跳频通信干扰的主要发展方向。
　　频率预测式干扰则是通过频谱分析技术，预先对侦测到的信号进行分析处理，并对下一步可能通信的频点进行占用，在此进行干扰，并根据干扰结果进行反馈，分析修正，不断提高对下一个跳频频点的预测精准度。在迅速发展的电子技术的支持下，跳变频点的预测准确度也会逐步攀升。
　　3 增强舰艇超短波跳频通信抗干扰能力的技术措施
　　针对上述对跳频通信的干扰方法，可从以下几个方面采取技术措施以提高舰艇超短波跳频通信抗干扰能力[3-5]。
　　3.1 同步掩盖
　　同步是跳频通信的核心，对于同步信号的干扰也是敌方实施干扰的重要渠道。在现阶段，为了保证整个跳频通信网络的网内同步，常常要求主台在任何情况下都要发射同步信号。同步掩盖要求时间同步信号不具有普遍的通用性，同步信号隐含在随机码流之中，使同步信号更加隐蔽，也更加难以用于整个网络的通信。为了能够在任何时刻（包括无线电静默）确保在同一通信网络中的任何一部电台同步系统保持毫秒以内的精度误差，应考虑跳频通信系统接受来自于系统外部的授时。
　　利用舰艇时统系统或北斗系统可有效实现外部授时。该技术的实现方法为：在通信设备中内置北斗接收装置或连接时间基准设备，获得初级时钟（秒级）。在每次通信中只需要在初级时钟的基础上备注少量的同步信号就可以完成通信，加快了同步过程。
　　3.2 变速跳频
　　提高跳频速率能够有效地增加跳频通信的抗干扰能力，但是一味地提高跳频速率，限于对发射频谱图光滑程度的要求，则会对频率的驻留时间造成影响。因此只是单纯的提高跳频速率会由于频谱资源的有限性对通信造成影响，降低了通信效率。从这一层面上讲，跳速过高并不会对通信双方产生积极的影响。
　　对于梳状干扰来讲，跳频速率并不能产生决定性的因素。梳状干扰的本质在于通过对跳频的频率上升沿进行规律探测，进一步结合已经掌握的信息对信号的跳频图案进行识别，对号入座。分辨出该信号所处的网络，所采用的基准同步时间，并对跳频信号进行干扰。变速跳频技术是跳频驻留时间伪随机时变的跳频技术，不但实现了伪随机变化的频率跳变规律，而且将网络的跳频图表和基准时间隐藏起来，对同一网络中的其他台站也有保护意义。
　　该技术的实现方法为：保持固定的换频开销，只改变通信的驻留时间，进而对跳频通信的周期进行改变。对于改变后的周期再生成新的跳速表，并非用来表示跳频图案而着重于跳频周期的改变。实际工作中，先生成伪随机序列，再根据伪随机序列形成跳速变化，以帧为单位，每帧内跳速变化不存在任何规律，也不会重复。
　　3.3 自适应跳频
　　为了防止敌方的有意干扰对我方产生影响，适宜利用自适应跳频技术。一方面，在驻留时间内对中频信号进行频谱分析，通过提取相应位置功率谱密度，得到信干比的值;另一方面，非线性调制方式的信号，通过测量基带信号相位的模糊程度，也可得出所处频点的质量。为此，需要引入非对等时分双工的机制，在以帧为单位的时间内，绝大部分时间用于下行通信，留出小部分时间作为上行汇报，使被叫用户能使主叫端获知频率质量，并建立对应链路的修正频率表。
　　针对敌方的无意干扰，可以不定时进行空闲信道扫描，分析并记录所截获的信号的频率，周期等信息，在后续的通信中对重复的波段进行陷波处理，以降敌台无意对我方干扰造成的危害。
　　3.4 跳频功率自适应
　　跳频功率自适应技术是在跳频通信已面临敌方跟踪式或阻塞式干扰等干扰的情况下，采用类似于定频通信提高功率抵抗瞄准干扰的方式，自动增大发射功率，对抗双方转而在功率域进行较量。
　　3.5 混合式抗干扰
　　跳频技术并不能有效对抗各种干扰，通过跳频技术与其它抗干扰技术的结合，可以更有效地提高超短波跳频战术电台的抗干扰性能。
　　（1）FH与MDS（多进制直接序列整合）。MDS具有窄带直扩功能，MDS与跳频相结合，通过多进制处理，使直扩保留抗干扰容限，同时占用窄带的频谱。在超短波内拥有更高的实用价值。
　　（2）FH与FCS（空闲信道扫描）。FCS方式能较好地对付局部阻塞干扰，将敌台的干扰信号排除在外。而跳频方式又能够较好地对抗跟踪干扰，二者结合各取所长，具有综合抗干扰能力。
　　3.6 网络级抗干扰
　　Adhoc网络是一种用于无线电通信的特殊对等网络，通过实现多跳转发而形成的无线自组织网络架构，属于网络级抗干扰通信的一种手段。网络结构上可采用分级结构，媒体访问控制上可考虑碰撞避免多路访问协议与同步正交跳频组网相结合的方法。
　　4 结束语
　　跳频通信系统由于抗干扰能力强、保密性强、通信频带利用率高、抗毁性好、入网快等优势，非常符合现代信息战条件下电子对抗的要求，因此在舰艇通信上得到了广泛应用，尤其是在跳频电台方面应用最广泛。
　　论文分析了影响跳频通信系统抗干扰性能的关键因素以及对跳频通信系统的干扰方法和手段，从抗干扰的角度，给出了增强舰艇超短波跳通信抗干扰能力的技术途径和相关技术的基本实现方法。但是为了更大范围地提高跳频通信的抗干扰能力，也为了通信能够更加安全、可靠，多种手段的结合才能够更为有效地提高综合抗干扰能力。
　　参考文献：
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