45短波自適應(yīng)跳頻控制器的研究與設(shè)計(jì)

李麗華

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

為了避免短波跳頻通信受電離層和電磁干擾的影響，可能會(huì)隨機(jī)地出現(xiàn)部分頻率通信鏈路無(wú)法建立的情況，1995年，J.Zander提出短波自適應(yīng)跳頻的概念[1]，將頻率自適應(yīng)通信技術(shù)與跳頻通信技術(shù)結(jié)合，對(duì)跳頻頻率表進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，從而避免盲跳頻，提高了通信的可通率。在短波自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，這里的自適應(yīng)控制器除了要具備定頻通信系統(tǒng)中鏈路質(zhì)量分析等功能外，還要能夠根據(jù)分析的信道質(zhì)量結(jié)果剔除壞頻點(diǎn)和調(diào)整發(fā)射機(jī)的功率大小，實(shí)現(xiàn)頻率和功率自適應(yīng)控制。本文對(duì)頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)進(jìn)行了研究，從硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了一種適合短波低速跳頻的自適應(yīng)控制器。

1 短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)與常規(guī)的跳頻通信系統(tǒng)的主要區(qū)別在于增加了一個(gè)實(shí)時(shí)鏈路質(zhì)量分析器。在發(fā)信方，跳頻序列產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制跳頻頻率表，使頻率合成器按照當(dāng)前頻率圖樣中的樣點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的頻率，定頻的已調(diào)短波射頻信號(hào)通過跳頻調(diào)制器就實(shí)現(xiàn)了在指定短波頻段的偽隨機(jī)跳變。在收信方，跳頻解調(diào)器通過相關(guān)算法完成解跳；實(shí)時(shí)鏈路質(zhì)量分析器根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的信號(hào)，采取實(shí)時(shí)信道質(zhì)量判決準(zhǔn)則，分析當(dāng)前的跳頻信道質(zhì)量，判斷該信道受到干擾的程度，為頻率自適應(yīng)控制和功率自適應(yīng)控制提供依據(jù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)短波時(shí)變信道的模擬通常采用 Gilbert Elliot（雙狀態(tài)信道）模型。在此雙狀態(tài)信道模型中，每一個(gè)信道都可以看作處于阻塞或暢通這兩個(gè)狀態(tài)之一。用P(B)表示某一信道處于阻塞狀態(tài)的概率，用P(G)表示處于通暢狀態(tài)的概率。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以用馬爾可夫鏈來(lái)描述，且假設(shè)任一信道兩種狀態(tài)間的假設(shè)是獨(dú)立的。兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率分別用r和s表示。

r =P(B|G),s=P(G|B)。另外，用Q表示任一信道干擾功率超過門限值的概率，Q =P(B) =r/(r+s)，它反映了發(fā)現(xiàn)信道處于阻塞狀態(tài)的概率。

設(shè) τ0為頻率處于擁塞狀態(tài)的平均時(shí)間，則

設(shè)iM表示第i跳中在所選的aq個(gè)好頻率中出現(xiàn)的壞頻率數(shù)量，則有

式中m表示在初始狀態(tài)M0下，qa個(gè)好頻率中處于擁塞狀態(tài)的頻率數(shù)。

令Pi(m)為第i跳時(shí)的誤碼率，PB為頻率處在擁塞狀態(tài)時(shí)的誤碼率，PG為頻率處在暢通狀態(tài)時(shí)的誤碼率。

假設(shè) PG＜＜PB,E[Mi/M0=m]＜＜qa,且把m和pi(m)分別用E[M0]和Pi代替，則在一幀中平均比特誤碼率為

假設(shè)完成一幀數(shù)據(jù)傳送后，通過鏈路質(zhì)量分析選擇的aq個(gè)新頻率中壞頻率的平均數(shù)為 [],E B則經(jīng)過了長(zhǎng)為fL的反向頻率傳輸時(shí)間后，得到開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的平均壞頻率數(shù)為

得到最終的比特誤碼率為

可見比特誤碼率與Q有著密切的關(guān)系，而Q由鏈路質(zhì)量分析挑選好頻率的能力決定。所以，最終的誤碼率與鏈路質(zhì)量分析有很大關(guān)系。鏈路質(zhì)量分析挑選出的平均壞信道數(shù)越少，最終比特誤碼率就越小。

2 頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)

自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)包括頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)和功率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)，這里主要討論頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)。基于實(shí)時(shí)鏈路質(zhì)量分析的頻率自適應(yīng)控制技術(shù)主要解決自適應(yīng)跳頻頻率集的配置和更新問題。文獻(xiàn)[1]中的 AFH（ adaptive frequency hopping）算法根據(jù)實(shí)時(shí)鏈路質(zhì)量分析的結(jié)果進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前信道屬于雙態(tài)中的壞信道，就從跳頻頻率集中直接刪除。這種算法雖然保證了通信的可靠性，但降低了頻率分集效果。尤其在短波信道中，電離層會(huì)實(shí)時(shí)地發(fā)生變化，而刪除的信道在下一個(gè)時(shí)間段信道質(zhì)量有可能會(huì)提高，因此這種傳統(tǒng)的方法在實(shí)際的短波自適應(yīng)跳頻通信應(yīng)用中有一定的局限性。目前國(guó)外提出的幾種新的自適應(yīng)跳頻算法各具優(yōu)缺點(diǎn)[4]，如表 1所示。根據(jù)分析短波信道時(shí)變的特點(diǎn)以及從頻率分集效果、頻率更新方式和軟件實(shí)現(xiàn)的步驟三個(gè)方面對(duì)比這幾種算法，這里自適應(yīng)控制器的頻率自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)選擇了EAFH算法，雖然EAFH算法是基于無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPANs）提出的，但是其算法中信道劃分的思想在短波通信系統(tǒng)中尚可借鑒。

3 自適應(yīng)控制器硬件設(shè)計(jì)

本文給出了一種自適應(yīng)跳頻控制器的設(shè)計(jì)，它主要由信道交換控制器，偽隨機(jī)序列發(fā)生器，信息處理和調(diào)制解調(diào)器等部分組成。

3.1 音頻接口

音頻接口實(shí)現(xiàn)信道設(shè)備和自適應(yīng)控制器間音頻信號(hào)和控制信號(hào)的交換，主要對(duì)各路音頻信號(hào)進(jìn)行處理，包括自適應(yīng)呼叫時(shí)自適應(yīng)音頻的調(diào)整、放大，遠(yuǎn)程遙控發(fā)信機(jī)時(shí)PTT音頻的產(chǎn)生、調(diào)整、放大，獨(dú)立邊帶音頻輸入經(jīng)過調(diào)整、放大后送到遙控線路，以及話音的壓擴(kuò)、調(diào)整、放大。

3.2 信息處理器

信息處理器主要完成自適應(yīng)自動(dòng)線路建立(ALE)和鏈路質(zhì)量分析（LQA）的功能，它主要由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器完成線路信號(hào)質(zhì)量分析的過程，完成存貯調(diào)用 LQA信息，并對(duì)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行編碼，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解碼，軟件設(shè)計(jì)完全依據(jù)短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動(dòng)線路建立規(guī)程和自適應(yīng)跳頻算法。

3.3 調(diào)制解調(diào)器

調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遙控?cái)?shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)，主要由電平轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、看門狗電路、輸入輸出音頻處理和二/四線轉(zhuǎn)換等電路組成。

3.4 信道交換控制器

信道交換控制器根據(jù)信息處理器和干擾識(shí)別器的輸出結(jié)果來(lái)選擇工作信道。

3.5 偽隨機(jī)序列發(fā)生器

偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列使頻率合成器產(chǎn)生有效的信號(hào)。

3.6 電源

電源采用交直流轉(zhuǎn)換電源模塊，具有穩(wěn)定、可靠、效率高的特點(diǎn)，共有+5V，+12V，-12V三組電源，提供給自適應(yīng)控制器各部分電路。

4 自適應(yīng)控制器軟件設(shè)計(jì)

該控制器的軟件設(shè)計(jì)除了要滿足短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動(dòng)線路建立規(guī)程外，還要能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跳頻。因此這里主要針對(duì)自適應(yīng)跳頻和自適應(yīng)線路建立過程實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)。軟件開發(fā)平臺(tái)使用linux操作系統(tǒng)和C語(yǔ)言。

4.1 自適應(yīng)跳頻程序設(shè)計(jì)

首先初始化，然后計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸信道上的PER，當(dāng)計(jì)算的值P1大于平均PER時(shí)，進(jìn)一步判斷是不是由于信道中存在嚴(yán)重的干擾造成，即判斷P1是否大于0.5，如果是，暫時(shí)將該信道從跳頻頻率集中刪除一段時(shí)間，指定該信道是屬于刪除信道中的一個(gè)子信道類，否則與數(shù)據(jù)刪除信道中的PER低的信道交換。

4.2 自動(dòng)線路建立程序設(shè)計(jì)

在線路建立過程中采用異步模式，無(wú)需人工干預(yù)，在自適應(yīng)控制器控制下，短波通信系統(tǒng)自動(dòng)完成ALE、選擇最佳鏈路和路由等接續(xù)任務(wù)以及信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸交換、業(yè)務(wù)管理等信息傳輸任務(wù)。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：開機(jī)后直接進(jìn)入掃描狀態(tài)；

步驟 2：當(dāng)發(fā)送建鏈申請(qǐng)后，等待回應(yīng)；當(dāng)檢測(cè)到收到建鏈申請(qǐng)發(fā)送呼叫應(yīng)答；

步驟3：當(dāng)發(fā)送建鏈申請(qǐng)后，等到呼叫業(yè)務(wù)回應(yīng)后ALE建鏈，沒有等到如果鏈路信道結(jié)束就回到步驟1，如果鏈路信道未結(jié)束就回到步驟2；當(dāng)檢測(cè)到收到建鏈申請(qǐng)后ALE建鏈；

步驟4：ALE建鏈后如果發(fā)送業(yè)務(wù)建鏈申請(qǐng)，就開始等待業(yè)務(wù)回應(yīng)；ALE建鏈后等待是否受到業(yè)務(wù)建鏈申請(qǐng)；

步驟5：如果等到業(yè)務(wù)回應(yīng)就實(shí)現(xiàn)步驟6，

如果沒有等到判斷是否超時(shí)，超時(shí)回到步驟1，沒有超時(shí)重復(fù)步驟5；如果收到業(yè)務(wù)建鏈申請(qǐng)， 就發(fā)送業(yè)務(wù)確定，并實(shí)現(xiàn)步驟6，如果沒有收到判斷是否超時(shí)，超時(shí)回到步驟1，沒有超時(shí)重復(fù)步驟4；

步驟6：業(yè)務(wù)鏈路建立。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)中自適應(yīng)控制器的頻率自適應(yīng)算法，并從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)自適應(yīng)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)提供了方法和思路。

[1]J.Zander, G.Malmgren. Adaptive frequency hopping in HF communications[J]. IEE Proc.commun, 1995,142(2):99-105.

[2]梅文華，王淑波，邱永紅，杜興民. 跳頻通信[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[3]盧斌. 自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2010.

[4]梁小虎. 自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中頻率自適應(yīng)技術(shù)研究通[J]. 通信技術(shù), 2013，04：65-67.

[5]LEE S H,LEE Y H. Adaptive frequency hopping for bluetooth robust to WLAN interference[J]. IEEE Communications Letters, 2009, 13(09):628-630.

[6]STABELLINI L,SHI L,RIFAI A A. A new probabilistic approach for adaptive frequency hopping[C]. IEEE GLOBECOM Proceedings,USA:IEEE, 2009:2147-2151.

[7]PARK K J, PARK T R, SCHMITZ C D. Design of robust adaptive frequency hopping for wireless medical telemetry systems[J]. IET Commun., 2010,4(02):178-191.