基于非線性掃頻的短波實時選頻方法研究*

田曉銘，張海勇，歐剛強，徐 池

（1.海軍大連艦艇學院 信息系統系，遼寧 大連 116018；2.91917部隊，北京 102401）

0 引 言

短波通信依靠其機動性、頑存性等特點，在軍事指揮和戰術通信方面具有重要意義。然而，受太陽活動、地磁變化、地震形成等多方面自然因素的影響[1-2]，短波信道中普遍存在多普勒頻移、多徑效應等影響通信質量的傳播干擾[3]，導致通信過程的不穩定、不可靠。差錯控制技術、擴跳頻技術等現代技術手段能在一定程度上提高通信效果，但終究難以克服惡劣信道的致命弱點。因此，頻率選擇和優選技術成為限制短波通信質量提升的瓶頸[4]。

現代短波通信中頻率優選的方式方法主要依靠中長期頻率預測和實時選頻技術。相較于中長期的預報手段，實時選頻技術在時效性和準確性上具有明顯優勢[5]。現有的海軍頻率管理系統中，實時選頻設備的掃頻模式固化，控制參數單一，頻點分布均勻，掃頻效率受到制約。若頻點分布密集，精確度高但耗時長，加大了目標被敵方捕獲的風險；若單純控制掃頻時間，則無法達到選頻的實際作用和應用效果。為在應用中兼顧選頻精度和選頻效率，本文提出基于非線性掃頻的短波實時選頻方法，并利用REC533模型進行仿真驗證，研究非線性掃頻的控制參數和輸出掃頻間隔對實時選頻效果的影響，給出了具體的方法構建和應用過程。

1 實時選頻及非線性掃頻

1.1 實時選頻技術

基于短波信道缺陷發展起來的實時選頻技術，通過評價信道質量選擇最佳工作頻率，是短波自適應通信系統的關鍵技術之一。早期實時選頻系統的探測設備與通信設備分離，利用獨立的探測系統對短波頻段進行掃頻探測，根據質量排序結果，將信道統一分配給區域用戶，也被稱為頻率管理系統[6]。隨著現代技術的發展和人們對通信質量要求的提升，通信與探測合一的自適應實時選頻技術應運而生。由自適應實時選頻、自適應編碼、自適應調制解調等技術組建的高頻自適應系統，能夠適應并跟蹤電離層變化，實時探測信道質量，自動搭建通信鏈路，提高了短波通信的有效性和可靠性[7]。

1.2 非線性掃頻模式

現有的短波實時選頻設備在3～30 MHz的范圍內利用定頻或掃頻方式獲取信道通信質量。定頻僅對數個預設頻點進行探測，為保證短波通信的可靠性，在條件允許的情況下，多采用基于起始頻率、固定步進間隔和終止頻率的線性掃頻方式進行實時選頻。當掃頻間隔設置為0.2 MHz時，一個完整的選頻周期則需進行100次以上的掃頻探測[8]。多次探測不僅造成通信信道的占用和時間的過度消耗，還增加了暴露發射站、接收站位置的風險。因此，在保證選頻精度的同時，縮減探測過程，提高探測效率尤為重要。

常規線性掃頻模型為：

其中，f0是起始頻率，B是起始頻率與終止頻率間的頻帶寬度，N為探測區間數，n表示第n個區間 (n=0,1,2,…N)。

以2018年3月3日世界時間8時和20時北京某地--海南某地的通信為例，基于REC533模型可得掃頻間隔為1 MHz時頻率-信噪比的分布情況，如圖1所示。8時電離層特性較好，大部分頻段處于通信質量良好狀態。在進行的總計28次探測掃頻過程中，信噪比低于85 dB的采樣點次數為8次，達到總采樣點的28.57%。20時電磁環境較差，僅8個采樣點的信噪比超過85 dB，低質量采樣點高達71.43%?？梢钥闯?，常規掃頻模式在通信環境較好時應用性較好，但并不能適應復雜的通信環境變化。同時，掃頻間隔越小，探測次數越多，更易加重探測信道與通信信道沖突情況，暴露收發站目標。

圖1 2018年3月3日北京—海南實時選頻

基于上述分析，引入非線性掃頻方法。提高優質頻段的選頻精度，在劣質頻段犧牲一定準確性以提升選頻速率。非線性掃頻存在多種函數形式，常見的如指數函數、冪函數和對數函數等。本文選用一種較為簡單的探測區間指數型的非線性掃頻模型：

其中，α＞0為指數參數，決定了掃頻間隔的變化情況。當指數α取值不同時，掃頻頻點的稀疏程度如圖2所示。

圖2 參數α對掃頻點稀疏度的影響

圖2 （a）描述了α取0.5～1.5時實時選頻中的探測頻率變化曲線。為方便觀察，圖2（b）展現了特殊指數參數值下的掃頻點分布情況。可以看出，當α=1時，探測頻率以穩定間隔增長，頻點均勻分布即為線性等間隔掃頻；當0＜α＜1時，步進間隔減小，且下降速率不斷減緩，頻點分布逐漸密集；當α＞1時，步進間隔逐漸增大，頻率呈快速上升趨勢。因此，可通過調整α取值，動態調節掃頻間隔，改變探測頻率分布。

1.3 非線性掃頻模式優化

探測過程中，無法提前預設通信質量良好的頻段帶寬。因此，在進行非線性掃頻時，以動態間隔為調節尺度更為適合，具體表達形式為：

其中Δfd表示動態掃頻間隔，Δfg表示固定掃頻間隔，M是采樣區間數、m為第m個采樣區間。當Δfg=1 MHz，M=5時，不同指數參數α條件下的Δfd變化如表1所示。

表1 不同指數參數α條件下Δfd變化情況

2 非線性掃頻方法研究及仿真分析

2.1 非線性掃頻方法設計

由探測電離圖反演映射出的信噪比、傳輸時延、多普勒展寬和衰落噪聲等信道信息，可經鏈路質量分析（LQA）得到直觀體現。根據實際應用情況，將LQA作為掃頻速率的控制標準?；诜答仚C制，當通信質量較差時，輸出穩定的掃頻間隔即固定間隔；當通信質量較好且呈現上升趨勢時，控制掃頻間隔逐漸減小，探測頻率分布密集度增加；當通信質量較好且呈現下降趨勢時，控制掃頻間隔逐漸增大，探測頻點逐漸稀疏。具體的非線性掃頻模式的流程如圖3所示。

圖3 非線性掃頻模式流程

對應的步驟為：

（1）輸入實時選頻初始頻率，以固定間隔進行掃頻探測；

（2）基于信噪比S/N判斷電離層特性的變化趨勢。探測信道通信質量較差時，繼續以固定間隔進行掃頻探測；當信道質量較好時，采用動態間隔的掃頻方法；

（3）重復上述過程（1）和（2），直至探測到終止頻率。

2.2 仿真驗證

REC533模型具有良好的人機交互頁面，實現了ITU-R P.533模型和短波天波傳播特性計算的程序化，避免了以往頻率預測過程中的大量運算和人為誤差。用戶僅通過輸入收發站坐標信息、時間及太陽黑子數等基本信息，即可獲得24 h的通信質量分析圖，能夠幫助用戶鎖定最低、最高可用頻率范圍，有利于方便快捷地獲取短波通信的最佳工作頻率?；赗CE533模型自身優勢，利用信噪比作為電離層參數特性的評價標準，對基于非線性掃頻方法的短波實時選頻技術進行仿真驗證。

選取2018年3月3日世界時間8時和20時北京--海南的通信情況，具體的REC533參數設置如表2所示。分別采用基于0.2 MHz等間隔掃頻和基于非線性掃頻的實時選頻技術，結果如圖4、圖5所示。受限于通信設備精度，當動態間隔小于或等于0.2 MHz時，取0.2 MHz。

表2 REC533模型參數設置

圖4 北京—海南世界時8時實時選頻

圖5 北京—海南世界時20時實時選頻

為直觀比較兩種掃頻方法特性，驗證基于非線性掃頻的實時選頻技術的可靠性，分別計算了世界時間8時、20時信噪比的絕對誤差值，如圖6所示。

圖6 北京—海南短波通信的信噪比絕對誤差

2.3 結果分析

通過以上仿真驗證可以得到如下結論：

（1）非線性掃頻可以大幅縮減實時選頻周期，提高選頻效率。通過對比等間隔掃頻和非線性掃頻效果可以看出，基于非線性掃頻的實時選頻周期更短，節約了選頻成本，且越是惡劣的通信環境，非線性掃頻的適用性越強。觀察圖4（a）可以發現，當采用非線性掃頻方法時，信噪比低于85 dB的探測過程由39個頻點減少至8個，不足原掃頻周期的1/4。在3～15.4 MHz，新掃頻方法用17次探測選頻代替了原方法63次的探測選頻。短波全頻段掃頻周期縮減了33.82%。在通信環境較差的條件下，非線性掃頻的優勢更為明顯。世界時間20時北京—海南通信中，信噪比低于85 dB的探測次數由96次降至21次，降低了78.35%。短波全頻段掃頻周期由136個頻點削減為46個頻點，節約了66.18%的選頻時間，減少了信道占用情況，降低了收發雙方目標暴露的風險。

（2）基于非線性掃頻的實時選頻結果更可靠

由圖4、圖5兩組仿真效果圖對比可以看出，非線性掃頻法在提高選頻速率的同時準確性良好，信道質量變化時各頻點分布清晰，通信質量變化趨勢明顯，與原等間隔掃頻的通信質量分析圖差異甚小，具有良好的可靠性。世界時間8時，北京—海南通信質量較好，信噪比絕對誤差在頻率4.8 MHz時達到峰值-1.18 dB，相對誤差為1.98%。在通信環境較差的20時，信噪比絕對誤差在15.8 MHz、16.8 MHz和25.6 MHz分別達到-0.3 dB、0.33 dB和0.32 dB。此時，全頻段最大相對誤差0.52%出現在25.6 MHz。基于以上數值分析可以看出，非線性掃頻法在節約實時選頻周期的同時，能夠保證掃頻結果的準確性，未探測頻段的通信效果可由探測分析圖進行推導。

3 結 語

本文結合電離層傳輸特性，分析了基于等間隔掃頻的實時選頻技術的不足，提出了一種基于非線性掃頻的實時選頻技術，并驗證了該方法的有效性和可靠性。在通信環境較好時，提高掃頻次數以致盡可能多地尋找優質通信信道；在劣質通信環境下，可犧牲精度提高掃頻速率，達到同時兼顧實時選頻效率和精度的目的。實際應用中，面對自然干擾、人為干擾等復雜環境變化，需選擇合適的動態間隔，以保證選頻的準確性。因此，可進一步研究動態間隔尺度問題，用于完善基于非線性掃頻的實時選頻技術。