短波跳頻通信自適應控制設計*

楊 敏，蔡勇華，周相成

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是一種依靠電離層反射的無中繼的通信方式，短波通信的優點是通信距離遠、不依靠基站等固定基礎設施，因此在黨政、應急、軍事等領域應用較廣。然而，短波信道時變色散、用戶眾多且容易受到干擾，以致通信不穩定、可通率不高[1]。近年來，隨著計算機、信號處理等技術的發展，人們對短波通信技術的研究取得了顯著的進步，其中短波跳頻技術便是一種對抗干擾的有效的電子防御技術[2-3]。

跳頻通信是指在通信期間載波頻率按照一定的跳頻圖案進行跳變，快速躲避敵方有意的跟蹤干擾，以提高傳輸的效率與可靠性[4]。自20 世紀80年代以來，國外相繼研制出各種不同性能的短波跳頻系統，最初英國Marconi 公司生產的Scimitar-H和Racal 公司生產的Jaguar-H，具有初步的抗干擾能力，但沒有自適應跳頻功能；后來以色列Tadiran公司生產的HF-2000 和美國Southcom 公司生產的SC-140 的跳頻速率分別為10 跳和20 跳，具有自適應跳頻功能；近年來法國Thomson-CSF 公司生產的TRC-350H 和美國Motorola 公司生產的Micom-2E，都具有較好的抗干擾能力及頻率自適應功能，并對跳頻信道進行了初步數字化[5]。在國內，具有代表性的是750 廠生產的TCR-154 短波跳頻電臺，該系統具有較好的頻率自適應能力，可以自動避開干擾信號的頻率，具備數據傳輸功能，最高傳輸速率為2.4 kbit/s，最高跳速可達10 Hops/s[6]。

目前常見的短波跳頻技術通常采用固定頻率個數的對稱跳頻頻率集，以及采取跳頻傳輸速率整體升降的策略，并且通信雙方采用相同的跳頻頻率，在通信過程中跳頻頻率個數不變化。這種方式較為簡單，但是沒有考慮節點在不同地理位置時具體的電磁環境差異，同時也面臨著在跳頻庫頻率大量不可用時的抗干擾性能下降的問題。針對這些問題，本文給出了一種基于實時探測的非對稱跳頻頻率產生及協商方法，并能根據實時頻率質量動態調整跳頻頻率個數。考慮到跳頻頻率質量的差異，本文還提出了針對不同頻率采取不同傳輸速率的思路。此外，針對當前數字信號處理平臺處理能力大幅提升的現狀，本文給出了擬提高速率自適應容錯能力的多速率接收方案。

本文第1 節給出了跳頻系統的組成及運行流程；第2 節給出了快速探測以及跳頻系統正常運行時所必需的跳頻同步方案；第3 節和第4 節提出了本文的核心內容，即跳頻頻率及速率自適應控制思路；最后第5 節給出了方案的試驗結果。

1 短波自適應跳頻系統模型

1.1 短波跳頻工作原理

短波跳頻系統基本工作原理如圖1 所示。

圖1 跳頻基本原理

短波跳頻系統工作的基本原理為，發送信息經過編碼調制后得到調制信號，偽隨機發生序列產生偽隨機序列碼，用來控制頻率合成單元在不同時隙產生不同的頻率跳變信號，將調制信號與頻率合成單元輸出的頻率跳變信號進行混頻，上變頻得到發送信號。接收端由天線接收到信號，通過下變頻至頻率較低的跳頻信號，本地接收端產生與發射端相同的偽隨機序列碼來控制頻率合成單元產生本地跳頻信號，將下變頻后的跳頻信號與本地跳頻信號進行混頻，再將中頻信號經信息碼解調得到信息碼[7-8]。

1.2 短波自適應跳頻工作流程

如圖2 所示，本方案的自適應跳頻系統的運行流程主要包括跳頻同步、頻率探測和協商、業務傳輸、頻率速率自適應4 個階段。

圖2 跳頻工作流程

跳頻工作的具體流程為，首先，收發節點根據歷史用頻情況，預設相同的跳頻頻率集，跳頻工作頻率從頻率集中產生；其次，跳頻同步過程完成兩節點的頻率與時鐘同步，以保證跳頻系統頻率同步切換；再次，頻率探測協商過程中通過雙方快速的頻率探測，選出適合本地接收的跳頻工作頻率并與對方進行交互；最后，在業務傳輸間隙，節點雙方對當前非工作頻率進行探測，同時進行跳頻工作頻率、工作頻率數目或傳輸速率調整。

2 跳頻同步

2.1 頻率控制

跳頻系統的同步[9-10]是跳頻通信建立的關鍵。跳頻系統能夠正常運行的基本前提是跳頻頻率相同、跳頻序列相同、跳頻時鐘相同（允許存在一定的誤差）。由于跳頻頻率表為事先預設，跳頻序列是按照相同的算法產生，而頻率與跳頻序列的跳變受本地時鐘控制；因此，跳頻同步主要是解決時間同步問題。

在同步之前，節點的時間是隨機的，隨時間進行切換的同步頻率也是隨機的，因此，頻率無法完全重合碰撞。為保證頻率碰撞，在同步信息交互時，收發兩端電臺采取快發慢收的頻率切換機制，保證接收端在一個頻率駐留周期內能夠完成一次同步信息的接收。

設同步頻率個數為n，1 個同步信息發送時間為Ts，則接收端每個同步頻率駐留的時間為(n+1)Ts。同步過程頻率切換具體如圖3 所示。

圖3 同步過程頻率切換

如圖3 所示，f0、f1、f2、f3 分別按照5Ts時長輪流發送同步信息，接收端設備按照5Ts的時間周期分別在f0、f1、f2、f3 上駐留接收，每個頻率在接收周期內必然與對應的發送頻率重合，完成一次同步信息的接收。

2.2 時間同步方案

時間同步采用業務呼叫節點向被叫節點時間對齊的方式。主叫節點與被叫節點之間交換同步消息（Time Synchronization Message，TSM）時，由于TSM 包含了時間戳信息，因此利用兩個節點之間雙向的TSM 交互過程，計算兩個節點之間的空中信號傳播延遲，并通過補償傳播延遲誤差提高同步精度。

如圖4 所示，時間同步算法的具體流程為，先假設節點A 需要以節點B 為參考時鐘進行同步，節點A 向節點B 發送TSM1，請求執行同步操作；然后，節點B 在收到TSM1 后給予響應，返回TSM2。圖4 中T1，T2，T3和T4分別代表了交互過程中的4 個時間戳值，其中T2和T3時間戳值需要節點B 將其攜帶在TSM2 中傳輸給節點A，T1和T4則由節點A在本地記錄。

圖4 時間同步算法

假設各節點的時鐘都是穩定的，并且以同樣的速度運行，則T1，T2，T3和T4之間有如下計算關系：

式中：tpAB為在節點A 和B 之間的傳播延遲及發送處理與接收處理時延；OffsetAB為在特定時刻這兩個節點之間的時鐘偏差。這樣，可以計算兩個節點之間的傳播延遲和時鐘偏差為：

節點A 在收到TSM2 后，調整自身時鐘為Tnew=T3+tpAB或者Tnew=T4+OffsetAB，實現與節點B 時鐘的同步。

3 跳頻自適應

3.1 頻率協商

同步完成后，系統時鐘調整為一致，頻率同步切換。此時通信雙方在頻率集上進行逐一探測，根據探測結果雙方選定跳頻工作頻率，并將選出的結果通知對方，對方將此頻率作為發送工作頻率。節點雙方完成收發工作頻率選擇。頻率探測和協商過程如圖5 所示。

圖5 頻率探測和協商

主叫節點在同步完成后，依次在跳頻頻率集f0～fn上發起探測，被叫方在f0～f1 上統計接收情況，并對頻率質量進行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為跳頻工作頻率。

被叫方接收完探測后，依次在f0～fn上發起探測，在探測信息中攜帶選用的跳頻工作頻率信息，主叫方接收探測信息，對頻率質量進行記錄并排序，選出排序靠前的若干頻率作為本地跳頻工作頻率。

主叫節點統計完成后，在被叫方選出的最好的若干個頻率fm、fk上，發送本地選出的跳頻工作頻率。通過上述2 次探測與交互，主被叫節點均已確定跳頻工作頻率。隨后，主叫節點在工作頻率發起建鏈申請，申請中指定后續業務的類型等信息，被叫方接收后對業務申請進行確認，隨后收發雙方進行跳頻業務傳輸。

3.2 頻率自適應

工作頻率通過探測進行了協商，但在業務傳輸過程中由于信道條件的變化，業務頻率可能變壞，可用頻率的位置和數量可能隨之發生變化，此時需及時對工作頻率進行調整，也就是在業務傳輸的同時，采取對跳頻頻率集中的非工作頻率進行定時探測的策略，及時更新頻率質量表，并用優質的非工作頻率替代變壞的工作頻率。

定時探測時，將全庫的頻率分成若干個子集，每個子集能夠覆蓋整個頻段。定時探測按照子集輪換進行。為保證業務傳輸效率，定時探測的開銷需進行嚴格的控制。

在跳頻模式下，由于信道的變化，滿足通信要求的頻點個數也在變，為進一步提高系統抗干擾能力，采取工作頻率數目自適應的策略：工作頻率變壞且無好的備用頻率時，減少工作頻率個數；找到質量好的備用頻率時，對工作頻率進行擴充。頻率個數自適應的過程如圖6 所示。

圖6 頻率個數自適應的過程

自適應的具體過程如下：

（1）節點找出質量最好的頻率，根據其信道質量與誤碼的關系，確定其位于哪一誤碼區間，將位于該區間的頻率按序選用，但不超過設計的跳頻個數。

（2）在選取的區間內，如果有頻率質量變差，跌出該區間，則將該頻率剔除；若有其他頻率進入該區間，則將其選用。

（3）在選取的區間內，如果有頻率質量變好，則逐漸剔除質量較差的頻點；若選用的頻率全部跌出該區間，則選用誤碼性能位于下一個區間的頻率。

4 快速速率自適應

為充分利用信道資源，信道傳輸速率要盡可能地與信道質量相匹配。在其他的跳頻系統中，由于信道條件相似，可以在各頻率上使用相同的傳輸速率。但是由于短波信道時變和頻率選擇性衰落明顯，隨著時間的變化，各工作頻率的質量差異會變得很明顯，在此情況下，如果在各頻率上使用相同的速率，將會導致頻率使用效率降低，各頻點不能各盡其用。

本系統采用了針對單個跳頻頻率的快速速率自適應策略，即根據頻點的實時質量，在該頻點上選擇對應最合適的速率進行傳輸。因此，系統可能出現在發送過程中快速切換多種速率的情況，最快時每跳更換一次速率。速率自適應的過程及策略如下：

（1）節點在接收業務時，對每個頻率的質量進行實時評估，根據質量與速率的映射關系確定其匹配的最佳速率；

（2）節點接收方在備用頻率探測及自適應信息交互時，發送本地各頻率的最佳接收質量及速率至對方；

（3）對方接收自適應信息后，在該頻率上使用建議的速率發送業務數據。

如上文所述，速率自適應信息依靠接收端通知對端，為進一步提高系統工作的可靠性，節點在速率更換的下一業務周期采取多速率接收的策略。業務接收端在發送完某頻率的變速信息后，隨即在變速后的速率與變速前的速率上同時接收業務數據，然后根據解調信息判斷哪一路是有效信息，從而確定發送端是否已經變速。如果確定發端發送速率后，后續在該頻率上將無須進行多速率接收。多速率接收流程如圖7 所示。

圖7 多速率接收流程

如圖7 所示，被叫方在業務傳輸過程中發現f2的質量變好，速率可以上升至9 600 bit/s，被叫方隨后發送變速信息至主叫方，通知主叫方變速。主叫方未能正確接收該變速信息，后續在f2 上繼續使用4 800 bit/s 發送。被叫方由于不能確定主叫是否變速成功，同時在4 800 bit/s 和9 600 bit/s 上進行接收，隨后確定主叫方未變速成功，后續繼續發送變速信息。

5 試驗結果

為驗證本文跳頻自適應控制的可行性，根據上述思路，在電臺樣機上實現了跳頻同步、非對稱跳頻頻率協商、頻率個數自適應、速率自適應功能，并進行了試驗驗證。其中調制解調器主要參照美軍短波調制解調器標準110B[11]，波形速率分別為2 400 bit/s，4 800 bit/s，9 600 bit/s，19 200 bit/s，28 800 bit/s。

5.1 試驗一：換頻功能及性能測試

試驗條件：地波通信，通信距離約10 km，跳頻頻率數16 個，固定傳輸速率。一次正向傳輸時間10 s，一次反向自適應應答1 s，跳數20 跳。選定某工作頻點，在本地通過陪試電臺施加單音干擾。

試驗內容：在關閉頻率自適應的模式下進行誤碼率測試，連續測試10 min；開啟頻率自適應功能，進行誤碼率測試，連續測試10 min。記錄各種速率下的誤碼率及頻率更換時間。測試結果如表1、表2 所示。

表1 誤碼率測試結果

表2 自適應換頻時間

5.2 試驗二：自適應模式下傳輸性能測試

試驗條件：海面波通信，通信距離約125 km，跳頻頻率數16 個，開啟頻率、速率自適應。一次正向傳輸時間20 s，一次反向自適應應答2 s，跳數20 跳。

試驗內容：在開啟自適應的模式下進行數據包ARQ 傳輸測試，連續測試10 min。記錄10 min 的平均傳輸通過率。

試驗數據：最高通過率為14 900 bit/s，最低通過率為11 211 bit/s，平均通過率12 434 bit/s。在測試過程中，有明顯的頻率替換與速率升降過程。

上述試驗表明，該自適應策略能夠選出質量較好的跳頻工作頻率集，對信道變化反應較為迅速，通信的誤碼率改善明顯，并且該機制與寬帶傳輸波形相結合能獲得較高的數據傳輸通過率。

6 結語

本文給出了一種短波跳頻系統的自適應控制解決方案，能夠快速選擇跳頻工作頻率及速率，能夠針對信道的變化做出頻率或者速率的調整，使通信維持良好的狀態，但本文所提方案僅適用于點對點通信場景。未來戰場信息指揮體系將實現網絡化、一體化、實時化，通信系統中數據傳輸流量更大，流量密度和節點密度大幅提高，電磁環境更加復雜，因此面對網絡場景的短波寬帶自適應技術將是未來研究的熱點。