20世纪80年代以来,计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展,促进了短波通信技术和装备的更新换代。特别是随着微处理器技术、数字信号处理(DSP)技术、自适应技术、扩频通信技术等现代信息技术的应用,大大提高了短波通信的质量和数据传输速率,提高了自适应与抗干扰能力,形成了现代短波通信新技术、新体制。这些新技术与新体制概括起来是:现代短波信道技术、现代短波通信终端技术、短波通信装备数字化与网络技术等。
1、现代短波信道技术
现代短波信道技术主要分为两大类:一类是针对短波变参信道的特点,为了克服短波空间信道的不稳定性对通信质量的影响,提高短波通信,特别是短波数据通信的可靠性和有效性而发展起来的称之为信道自适应技术。这一类技术以短波实时选频与频率自适应技术为主体。它使短波通信系统能实时地或近实时地选用最佳工作频率,以适应电离层的种种变化,同时起克服多径衰落影响和回避邻近电台干扰及其他干扰的作用。可以说,这方面技术对于提高短波通信的可靠性与有效性具有关键的意义。事实上,近些年来短波通信技术最重要、最显著的发展进步正是在这个方面。尽管自适应技术在短波通信中得到了多方面的应用,除频率自适应外,还有自适应均衡、自适应调制解调、传输速率自适应等等,但在很多场合所说的短波自适应通信或短波自适应技术,实际上就是指短波频率自适应通信或短波频率自适应技术。
另一类是针对短波通信存在的保密(或隐蔽)性不强、抗干扰能力差的弱点,以及电磁斗争的特点和规律,为了提高短波通信在电子战环境中的生存能力,以及抗测向、抗侦察、抗截获、抗干扰等防御能力而发展起来的,称之为短波通信电子防御技术。这一类技术以短波扩频通信技术为主体,包括短波跳频(FH,Frequency Hopping)和自适应跳频技术,以及短波直接序列扩频(DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum)技术等。它们的特点汇总在下表1中。
表1:短波跳频、自适应跳频和短波直接序列扩频技术的特点
例如,新一代短波宽带高速数字跳频通信系统,由于在高速跳频频率合成器、宽带天线、宽带功放,以及快速信道探测等关键技术上取得了突破,跳速可达2560跳/s,甚至5000 跳/s。如美国Lockheed Samders公司开发的CHESS系统,跳频带宽2.56MHz,跳速为5000跳/s。,其中200跳用于信道探测,4800跳用于传输数据,若每跳发送2bit数据,则可获得9.6kb/s数据传输速率。改变每跳发送比特数,可获得4.8kb/ s ~19.2kb/s标准系列数据率。
当然,无论是短波跳频通信技术,还是短波直接序列扩频通信技术,不仅对提高短波通信电子防御能力具有重要的作用,而且对于改善短波信道性能,提高通信特别是数据通信的可靠性和有效性也具有良好的作用,从一定意义上讲,短波扩频通信技术是实现短波高速数据传输的主要选择之一。除此之外,现代短波通信信道技术还包括短波自适应天线、高仰角天线,以及分集接收技术等。
2、现代短波通信终端技术
狭义地讲,在通信系统中,作为信息发送和接收的硬件设备称之为通信终端。传统的短波通信终端包括电传机、电键、电子键、送受话器等。广义地讲,通信终端作为人们享用通信业务的直接工具,承担着为用户提供良好的界面,完成所需业务功能和接入通信网络等多方面任务。例如,在数字通信系统中,要实现信源与信宿间的数据通信,除了必要的信源编译码设备和差错控制设备以外,为了适应不同信道的传输特性,还必须采用适当的传输技术对数据进行必要的变换,以达到最佳的传输性能。因此,调制解调器便成为数据通信业务中最为常用的终端设备之一。
现代短波通信终端技术,主要是针对短波通信存在着严重的电磁干扰的特点,为了满足人们对数据业务,特别是高速数据业务的需求,围绕着提高数据传输的可靠性和数据传输速率而发展起来的。它主要包括短波调制解调器技术,差错控制技术等。调制解调器是实现短波数据通信的关键部件,按调制方式分为多音并行和单音串行两种体制。所谓多音并行体制和单音串行体制。请参见下表2-1。调制技术主要包括格状编码调制(TCM)和多载波正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制,请参见下表2-2。
表2-1:音并行体制与单音串行体制
表2-2:TCM 与OFDM
差错控制技术:短波信道中,随机噪声会导致随机差错,衰落、脉冲干扰会导致突发差错,严重影响数据通信,通常字符差错率在10-2~10-3数量级。采用差错控制技术,可以改善2个~3个数量级,达到10-5~10-6。短波通信通常采用两种差错控制技术,一是自动请求重发(ARQ,Automatic Retransmission Request),即收端检错,通知发端重发错误,因而也称反馈纠错,对随机差错和突发差错都有良好的效果,但频繁重发,信号延时增大;二是前向纠错(FEC,Forward Error Correction),即利用纠错码,收端自动纠错,需要大量冗余码,占码元总数的25%~50%。采用交织码/扩散卷积码,可把突发差错分离成随机差错。FEC不需反馈信道,但造价较高。
3、短波通信装备数字化与网络技术
1)短波通信装备数字化
微电子技术的发展,促进大规模集成电路,微处理机在短波通信设备中的广泛应用,短波通信装备集成化、小型化、通用化程度大大加强,技术性能显著提高。其主要表现在于:高精度数字频率合成器;全固态大功率宽带放大器;先进的电子开关和快速算法;软件无线电设计等。这些技术的采用带来的好处详见下表3-1。
表3-1:先进技术带来的装备的改善
在短波电台中频(甚至射频)部分对信号进行数字化处理,用软件编程灵活地实现宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上/下变频、调制/解调、纠错编码、信道均衡、信令控制、信源编码、加密/解密等。软件无线电台的高度可编程性,对于引入新业务、新技术非常方便,通过更换软件版本或个别硬件模块,电台容易升级换代,并大大缩短研制周期,降低产品开发成本。
2)短波通信网络技术
现代短波通信网络技术主要包括短波跳频电台组网技术和短波数据通信网络技术等。短波跳频电台组网有其特殊性,跳频网络是一个复杂的随机时序系统,实现跳频互通,技术体制和系统所有参数要完全相同,还要进行管理和授权。短波跳频电台有同步组网和异步组网两种方式。一般短波跳频跳速慢,同步保持时间长,大多采用同步保持法组网,由一部电台发出同步信号完成初始同步,在通信过程中随机地补发一些同步校正信号,以消除各台之间时钟误差。理论上组网数等于跳频频率数,经优化设计实际可达到频率数的80%~85%,同步网一定是正交的,适用于电台密集的场合、异步网组网容易,使用方便,各网建立时间不分先后,但组网效率低,频率碰撞概率与组网数按指数规律增加。组网效率为30%时,频率碰撞概率亦为30%左右,一般实际组网效率小于30%。
全自动短波数据通信网实质上是一种无线分组交换网,采用OSI的7层结构模型。网络的主要设备是高频网络控制器(HFNC,High Frequency Network Controller),其主要功能有自动路由选择与自动链路选择、自动信息交换与信息存储转发、接续跟踪、接续交换、间接呼叫、路由查询和中继管理等。网内所有设备都接受网络管理设备(嵌入式计算机)的管理和控制,这些设备包括电台、自动链路建立(ALE,Automatic Link Establishment)控制器与ALE调制解调器、数据控制器与数据Modem、HFNC等。可实现快速链路建立,能处理上百个电台和更大的信息量,支持IP及其应用等。
上述短波通信新技术、新体制,都是针对解决短波通信存在的问题而产生和发展起来的。其中有的已经在短波通信中发挥积极作用,有的即将进入实用阶段。它们会进一步发掘短波通信潜力,使短波通信在信息社会和信息战中发挥出更大的作用。
4、短波通信发展趋势
随着人类社会向信息化的不断演进,通信数字化、通信系统网络化、通信业务综合化成为通信装备发展的必然趋势,系统兼容、网络互通,以及高可靠性、有效性,强抗毁性,成为通信系统建设的基本要求。短波通信作为现代信息系统主要技术手段,会有两个方面的发展,如表4-1所示
表4-1:短波通信的两大发展方向
第三代短波通信的主要技术特征是数字化、网络化,其主体或关键技术包括:第三代自动链路建立技术(3G-ALE)、新型高速短波跳频技术,以及短波组网通信技术等。3G-ALE技术的特点如下表4-2所示。3G-ALE以第三代短波通信标准(如MIL-STD-188-141B)为基础,在技术上与2G-ALE的显著区别是系统可工作在同步方式。由于采用了呼叫信道同步搜索,驻留组结构,载波监听访问协议,以及8PSK突发波形传输等先进技术,在改善自动链路沟通性能方面取得了重大进展。3G-ALE可有效地支持由数以百计的台站组成的大型通信网络中的突发信息传输(最多可容纳1920个站点),从而大大提高电路沟通速度,改善高频网络的自动连接、网络容量,以及数据流通量等性能,增强系统的自适应能力。
表4-2:3G-ALE技术的特点
组网通信技术、自适应技术是现代短波通信系统的重要特征之一。随着对短波通信网的网络容量、传输速度、抗干扰能力要求的不断提高,世界各国进入了第三代数字化短波通信系统网的研究阶段。目前,国外正在向HF全自适应网络的实用化努力。建立在第三代短波通信基础上的HF网是一种远程综合业务数据网,它能作为各级指挥系统的重要手段,可将军用TCP/IP网络和军用程控电话网拓展到战场的纵深地,使各移动平台上的综合业务通过短波信道安全无缝地接入军用数据网、军用电话网和军用TCP/IP网络。新一代短波组网通信技术以3G-ALE技术为基础,包括HF网络管理、自适应网络控制,以及HF网络接入技术等。
扩频通信技术是无线电通信电子防御的主要手段。跳频通信技术是短波抗干扰技术的主要选择。为了提高短波通信抗干扰性能,以及抗多径效应,抗衰落的能力,提高跳频速率是一种有效途经。此外,宽带跳频可有效地增加通信信号的隐蔽性和抗干扰性。而实时频率自适应跳频,由于采用频谱分析处理技术与跳频信号处理技术相结合的方法,通过实时频率自适应算法,在跳频通信过程中自动探测和删除干扰频率点,使其在无干扰或弱干扰频率点上跳频,从而有效地对付阻塞干扰和点频干扰,改善通信质量,是未来短波电台通信抗干扰的优选体制。其中,快速跳频同步技术、快速信道测量技术、快速响应信道机技术、快速频率合成技术,以及宽带天线、宽带功放、宽带调谐技术等,是实现短波宽带高速跳频通信的关键技术。
短波通信数字化主要包括两个方面的内容:一是语音数字化通信;二是数据通信业务,特别是高速数据业务。因此,在短波信道条件下的高速率的可靠数字信号传输,低码率的语音编码,以及数字信号处理等技术,是实现短波数字化的关键技术。为了有效地利用短波频率资源,提高HF频谱利用率,欧美等国采用MIL-STD-110B标准(数据调制解调器互通性和性能标准),在3kHz带宽的信道上,实现9.6kb/S数传速率;在6kHz带宽的信道上,实现19.2kb/s数传速率;在两个3kHz的独立边带的信道上,通过信道捆绑技术,支持在56kb/s范围内数据吞吐量。