船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究

安少明

（中國人民解放軍四八〇五工廠軍械修理廠，上海 200439）

0 引言

在相對空曠的海洋航行中，由于缺少必要的有線通信手段，無線通信成為大多數(shù)船只普遍采用的技術(shù)之一，然而，無線通信技術(shù)是以電磁波的空間傳遞為支撐，而電磁信號的固有屬性導(dǎo)致其極易受到其他同類型電磁波的干擾，從而影響船舶通信質(zhì)量，甚至?xí){到船舶航行安全[1]。然而，船舶無線通信系統(tǒng)干擾的形成機(jī)制較為復(fù)雜，不同干擾的應(yīng)對策略存在一定的區(qū)別，針對船舶工況環(huán)境的特殊性，通過優(yōu)化無線通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、干擾源控制等多元化的抗干擾措施，以提高船舶無線通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 船舶無線通信技術(shù)概述

基于海洋環(huán)境的特殊性，船舶在遠(yuǎn)洋航行過程中無法依托有線方式進(jìn)行通信，因此，無線通信則成為船舶遠(yuǎn)洋航行中較為常見的通信技術(shù)手段。無線通信技術(shù)出現(xiàn)時間較晚，人類歷史上真正意義的第一次無線通信出現(xiàn)在19世紀(jì)70年代末，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信系統(tǒng)在能耗、通信距離、通信質(zhì)量等方面得到了顯著改善，船舶無線通信技術(shù)得到了普及，并實(shí)現(xiàn)了局域無線通信系統(tǒng)和廣域無線通信系統(tǒng)等多種無線通信機(jī)制，有效保證了船舶在對岸、對海通信的可靠性。

2 船舶無線通信系統(tǒng)構(gòu)成

在系統(tǒng)構(gòu)成方面，船舶無線通信系統(tǒng)在架構(gòu)方面的改動相對較少，并且，由于海洋環(huán)境中遮蔽問題相對較少，以及考慮到遠(yuǎn)距離通信的需要，船舶無線通信系統(tǒng)多采用短波技術(shù)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 船舶無線通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

船舶無線通信系統(tǒng)可分為“五大模塊”與“五大單元”，不同模塊和單元的功能情況如下。

首先，“五大模塊”。移動通信模塊主要協(xié)同信息輸出單元對語音、文字、圖像等進(jìn)行后端傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)記錄船舶無線通信系統(tǒng)所傳遞的相關(guān)信息；衛(wèi)星定位模塊用于定位傳船舶位置，并將位置信息以地址戳的形式伴隨發(fā)送[2]；平臺位姿模塊負(fù)責(zé)測量通信天線等發(fā)射平臺姿態(tài)，通過反饋調(diào)節(jié)，使其維持最佳的發(fā)射姿態(tài)；能源協(xié)同模塊能夠科學(xué)調(diào)配船電與備用電源的供電。

其次，“五大單元”。中央處理單元可實(shí)現(xiàn)信息高速處理，降低信息失效概率；信息錄入單元能夠完成語音、文字、圖像等類型信息的錄入；調(diào)制解調(diào)單元主要負(fù)責(zé)調(diào)制與解調(diào)兩個階段，調(diào)制主要是將各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號，而解調(diào)則是在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號；信息輸出單元將信息按照調(diào)制后的格式通過無線通信系統(tǒng)輸出；信息顯示單元將信息按照解調(diào)后的格式進(jìn)行輸出并顯示。

3 船舶無線通信系統(tǒng)常見干擾分析

無線通信技術(shù)原理相對較為復(fù)雜，基于船舶無線通信系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，以及無線通信系統(tǒng)在技術(shù)原理上的局限性，導(dǎo)致船舶無線通信系統(tǒng)存在以下幾種較為常見的干擾類型。

3.1 同頻干擾

根據(jù)無線通信技術(shù)原理，當(dāng)干擾信號與真實(shí)信號所采用了的載波頻率相同時，接收機(jī)將同時接收干擾信號和真實(shí)信號，相關(guān)信號進(jìn)入調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)后對通信質(zhì)量造成不同程度的影響，甚至?xí)⒄鎸?shí)信號淹沒掉。

由于船舶航行過程中周圍電磁空間主要依托自身無線信號源所構(gòu)建，因此，同頻干擾問題的出現(xiàn)多與無線頻率管控與電磁兼容設(shè)計等有關(guān)。基于同頻干擾的這一特點(diǎn)，則為干擾源的查找提供了便利。

3.2 鄰頻干擾

相比較同頻干擾來說，鄰頻干擾則是指干擾信號的載波頻率與真實(shí)信號的載波頻率相鄰，由此導(dǎo)致干擾信號的載波功率部分落入接收機(jī)中，并對接收機(jī)中的真實(shí)信號產(chǎn)生一定的干擾。

從效果來看，相鄰干擾對通信質(zhì)量和可靠性的影響相對較小，但是，當(dāng)干擾信號邊緣功率與真實(shí)信號峰值功率的比值較大的情況下，干擾信號所造成的影響則不容忽視。由于鄰頻干擾的頻率范圍無法確定，這對尋找干擾源帶來了一定的困難。

3.3 交調(diào)干擾

在船舶無線通信系統(tǒng)中，同頻干擾和鄰頻干擾現(xiàn)象較為常見，并多為外部干擾源導(dǎo)致，在干擾源的排查方面也相對較為簡單[3]。然而，交調(diào)干擾則是在通信系統(tǒng)在對不同頻率信號進(jìn)行調(diào)制的過程中，最終形成的載波信號與該通信系統(tǒng)自身接收機(jī)的工作信道帶寬相似，信號頻率的功率對接收機(jī)產(chǎn)生感到。

交調(diào)干擾多發(fā)生在數(shù)模共站的情況下，交調(diào)干擾在效果上極易被誤認(rèn)為鄰頻干擾，且故障難以復(fù)現(xiàn)，從而導(dǎo)致相關(guān)干擾源無法在短時間內(nèi)進(jìn)行定位。交調(diào)干擾所造成的影響較為嚴(yán)重，由于占用了接收機(jī)的信道資源，無線通信系統(tǒng)的工作效能將明顯降低。

3.4 雜散干擾

由于船用無線通信系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計缺陷，在部分元器件的選用方面無法適應(yīng)多頻同時共用的，在此情況下，在無線通信系統(tǒng)工作過程中，由于無法實(shí)現(xiàn)對一次諧波、二次諧波等高次諧波進(jìn)行有效濾波等問題，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)同樣將以上諧波發(fā)射出去，從而在真實(shí)信號的基礎(chǔ)上，疊加了大量的雜散信號，對通信質(zhì)量造成了一定程度的影響。

從雜散干擾的形成機(jī)理上可以看出，一次諧波、二次諧波等在特征參數(shù)上與真實(shí)信號的相關(guān)要素的構(gòu)成極為復(fù)雜，在缺乏有效濾波的情況下，雜散干擾信號的功率也將隨之提升，由此降低了船舶無線通信系統(tǒng)的可靠性、

4 船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)分析

無線通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性將直接關(guān)系到船舶航行安全，尤其是對于較為繁忙的航線、港口等，有效的抗干擾技術(shù)能夠保證船舶航行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，從而為船舶航行調(diào)度提供參考。針對船舶無線通信系統(tǒng)常見干擾類型，以及結(jié)合無線通信干擾現(xiàn)象的形成機(jī)制，可采取以下幾種典型抗干擾技術(shù)進(jìn)行應(yīng)對。

4.1 擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)

針對同頻干擾的問題，是由于船舶通信系統(tǒng)在頻率資源管理方面集中使用某一頻段所導(dǎo)致，為能夠完成真實(shí)信號的高效傳輸，則需要通過擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)對發(fā)射端傳輸信息進(jìn)行擴(kuò)頻編碼調(diào)制，從而避免在單一信道內(nèi)發(fā)生同頻干擾現(xiàn)象，減少相同信道內(nèi)的頻率的重疊區(qū)域，弱化諧波功率的相互影響[4-5]。為配合擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，在接收端還需要采取同樣的擴(kuò)頻編碼機(jī)制進(jìn)行解調(diào)，從實(shí)際效果來看，擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)還能夠在一定程度上弱化鄰頻干擾現(xiàn)象。根據(jù)擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)路徑，其主要分為直序擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻兩種。

4.1.1 直序擴(kuò)頻

擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)增容，將真實(shí)信號以外的信號通過噪聲生成器進(jìn)行處理，處理后的信號序列與通信系統(tǒng)基帶脈沖數(shù)據(jù)相乘，如此，則形成了新的信號序列。

圖2 直序擴(kuò)頻原理框圖

由于直序擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)⒄鎸?shí)信號的功率譜密度進(jìn)行離散化處理，利用信號序列的重新生成規(guī)避相同頻率信號之間的干擾。然而，直序擴(kuò)頻依托PN碼生成器進(jìn)行信號序列的二次處理，所以秩序擴(kuò)頻技術(shù)是在設(shè)計端對無線通信系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，并科學(xué)設(shè)計發(fā)射端與接收端的信號調(diào)制、解調(diào)模塊。

4.1.2 跳頻擴(kuò)頻

相比較直序擴(kuò)頻，跳頻擴(kuò)頻在對真實(shí)信號功率譜密度進(jìn)行離散化的同時，按照一定編碼規(guī)律在功率譜上進(jìn)行跳動，而這一過程就被稱為跳頻擴(kuò)頻。真實(shí)信號在經(jīng)過PN碼生成器處理后，發(fā)射頻率的功率譜也將隨著頻率的變化而變化，從而能夠應(yīng)對包括同頻干擾、鄰頻干擾等大多數(shù)系統(tǒng)外部干擾現(xiàn)象。針對跳頻發(fā)生的速率差異可以將其分為快跳擴(kuò)頻和慢跳擴(kuò)頻，而跳頻擴(kuò)頻中頻率發(fā)生速率則取決于FN碼生成器對頻率的最小分辨力、信息類型、處理器性能等，甚至干擾源的距離也會對跳頻速率產(chǎn)生影響。

綜上所述，船用無線通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)在效果上能夠應(yīng)對大多數(shù)無線干擾，但實(shí)現(xiàn)方面則存在一定的難度，所以，擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)中多用于應(yīng)對外部電磁空間的通信干擾，如同頻干擾、鄰頻干擾、交調(diào)干擾等。

4.2 電磁空間分割技術(shù)

無線通信系統(tǒng)內(nèi)部干擾現(xiàn)象較為普遍，且缺乏一定的規(guī)律，這為電磁干擾源的排查帶來了巨大困難，同時，這也突出了無線通信系統(tǒng)內(nèi)部干擾現(xiàn)象的特征。為應(yīng)對此類干擾，多采取電磁空間分割技術(shù)，如電磁屏蔽技術(shù)、智能電磁兼容管理技術(shù)等，以保證船舶無線通信系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4.2.1 電磁屏蔽技術(shù)

所謂電磁屏蔽技術(shù)，是指在無線通信系統(tǒng)設(shè)計過程中的電磁屏蔽工藝的應(yīng)用，從而使無線干擾源所產(chǎn)生的電磁波能夠控制在一定范圍內(nèi)，使無線通信系統(tǒng)內(nèi)部空間電磁環(huán)境更加純凈。電磁屏蔽技術(shù)主要針對雜散干擾有著明顯效果。例如，交流電機(jī)在工作過程中所形成的電磁空間可通過電磁屏蔽技術(shù)進(jìn)行約束，從而避免此類信號多次諧波對無線通信系統(tǒng)的干擾。

4.2.2 智能電磁兼容管理技術(shù)

智能電磁兼容管理技術(shù)是在傳統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)頻段的全域智能管理。該技術(shù)能夠就無線通信系統(tǒng)發(fā)射頻率、功率譜的具體情況，對存在相互干擾的局域、廣域無線通信系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，從而在保證船用無線系統(tǒng)最大工作效率的基礎(chǔ)上，減少因同頻干擾、鄰頻干擾對通信質(zhì)量造成的影響。

5 結(jié)語

船舶無線通信系統(tǒng)抗干擾的形成機(jī)制具有多元化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，在處理過程中的難度有著一定差異，針對性的抗干擾技術(shù)研究能夠?qū)崿F(xiàn)特定干擾源的控制。除以上幾種常見抗干擾技術(shù)外，組合集成抗干擾技術(shù)、自適應(yīng)抗干擾技術(shù)等是在傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合人工智能等技術(shù)提高無線通信系統(tǒng)的容錯能力，強(qiáng)化船舶無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證船舶航行安全。