20世紀80年代以來,計算機、移動通信和微電子技術的迅猛發展,促進了短波通信技術和裝備的更新換代。特別是隨著微處理器技術、數字信號處理(DSP)技術、自適應技術、擴頻通信技術等現代信息技術的應用,大大提高了短波通信的質量和數據傳輸速率,提高了自適應與抗干擾能力,形成了現代短波通信新技術、新體制。這些新技術與新體制概括起來是:現代短波信道技術、現代短波通信終端技術、短波通信裝備數字化與網絡技術等。
1、現代短波信道技術
現代短波信道技術主要分為兩大類:一類是針對短波變參信道的特點,為了克服短波空間信道的不穩定性對通信質量的影響,提高短波通信,特別是短波數據通信的可靠性和有效性而發展起來的稱之為信道自適應技術。這一類技術以短波實時選頻與頻率自適應技術為主體。它使短波通信系統能實時地或近實時地選用最佳工作頻率,以適應電離層的種種變化,同時起克服多徑衰落影響和回避鄰近電臺干擾及其他干擾的作用。可以說,這方面技術對于提高短波通信的可靠性與有效性具有關鍵的意義。事實上,近些年來短波通信技術最重要、最顯著的發展進步正是在這個方面。盡管自適應技術在短波通信中得到了多方面的應用,除頻率自適應外,還有自適應均衡、自適應調制解調、傳輸速率自適應等等,但在很多場合所說的短波自適應通信或短波自適應技術,實際上就是指短波頻率自適應通信或短波頻率自適應技術。
另一類是針對短波通信存在的保密(或隱蔽)性不強、抗干擾能力差的弱點,以及電磁斗爭的特點和規律,為了提高短波通信在電子戰環境中的生存能力,以及抗測向、抗偵察、抗截獲、抗干擾等防御能力而發展起來的,稱之為短波通信電子防御技術。這一類技術以短波擴頻通信技術為主體,包括短波跳頻(FH,Frequency Hopping)和自適應跳頻技術,以及短波直接序列擴頻(DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum)技術等。它們的特點匯總在下表1中。
表1:短波跳頻、自適應跳頻和短波直接序列擴頻技術的特點
例如,新一代短波寬帶高速數字跳頻通信系統,由于在高速跳頻頻率合成器、寬帶天線、寬帶功放,以及快速信道探測等關鍵技術上取得了突破,跳速可達2560跳/s,甚至5000 跳/s。如美國Lockheed Samders公司開發的CHESS系統,跳頻帶寬2.56MHz,跳速為5000跳/s。,其中200跳用于信道探測,4800跳用于傳輸數據,若每跳發送2bit數據,則可獲得9.6kb/s數據傳輸速率。改變每跳發送比特數,可獲得4.8kb/ s ~19.2kb/s標準系列數據率。
當然,無論是短波跳頻通信技術,還是短波直接序列擴頻通信技術,不僅對提高短波通信電子防御能力具有重要的作用,而且對于改善短波信道性能,提高通信特別是數據通信的可靠性和有效性也具有良好的作用,從一定意義上講,短波擴頻通信技術是實現短波高速數據傳輸的主要選擇之一。除此之外,現代短波通信信道技術還包括短波自適應天線、高仰角天線,以及分集接收技術等。
2、現代短波通信終端技術
狹義地講,在通信系統中,作為信息發送和接收的硬件設備稱之為通信終端。傳統的短波通信終端包括電傳機、電鍵、電子鍵、送受話器等。廣義地講,通信終端作為人們享用通信業務的直接工具,承擔著為用戶提供良好的界面,完成所需業務功能和接入通信網絡等多方面任務。例如,在數字通信系統中,要實現信源與信宿間的數據通信,除了必要的信源編譯碼設備和差錯控制設備以外,為了適應不同信道的傳輸特性,還必須采用適當的傳輸技術對數據進行必要的變換,以達到最佳的傳輸性能。因此,調制解調器便成為數據通信業務中最為常用的終端設備之一。
現代短波通信終端技術,主要是針對短波通信存在著嚴重的電磁干擾的特點,為了滿足人們對數據業務,特別是高速數據業務的需求,圍繞著提高數據傳輸的可靠性和數據傳輸速率而發展起來的。它主要包括短波調制解調器技術,差錯控制技術等。調制解調器是實現短波數據通信的關鍵部件,按調制方式分為多音并行和單音串行兩種體制。所謂多音并行體制和單音串行體制。請參見下表2-1。調制技術主要包括格狀編碼調制(TCM)和多載波正交頻分復用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)調制,請參見下表2-2。
表2-1:音并行體制與單音串行體制
表2-2:TCM 與OFDM
差錯控制技術:短波信道中,隨機噪聲會導致隨機差錯,衰落、脈沖干擾會導致突發差錯,嚴重影響數據通信,通常字符差錯率在10-2~10-3數量級。采用差錯控制技術,可以改善2個~3個數量級,達到10-5~10-6。短波通信通常采用兩種差錯控制技術,一是自動請求重發(ARQ,Automatic Retransmission Request),即收端檢錯,通知發端重發錯誤,因而也稱反饋糾錯,對隨機差錯和突發差錯都有良好的效果,但頻繁重發,信號延時增大;二是前向糾錯(FEC,Forward Error Correction),即利用糾錯碼,收端自動糾錯,需要大量冗余碼,占碼元總數的25%~50%。采用交織碼/擴散卷積碼,可把突發差錯分離成隨機差錯。FEC不需反饋信道,但造價較高。
3、短波通信裝備數字化與網絡技術
1)短波通信裝備數字化
微電子技術的發展,促進大規模集成電路,微處理機在短波通信設備中的廣泛應用,短波通信裝備集成化、小型化、通用化程度大大加強,技術性能顯著提高。其主要表現在于:高精度數字頻率合成器;全固態大功率寬帶放大器;先進的電子開關和快速算法;軟件無線電設計等。這些技術的采用帶來的好處詳見下表3-1。
表3-1:先進技術帶來的裝備的改善
在短波電臺中頻(甚至射頻)部分對信號進行數字化處理,用軟件編程靈活地實現寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字上/下變頻、調制/解調、糾錯編碼、信道均衡、信令控制、信源編碼、加密/解密等。軟件無線電臺的高度可編程性,對于引入新業務、新技術非常方便,通過更換軟件版本或個別硬件模塊,電臺容易升級換代,并大大縮短研制周期,降低產品開發成本。
2)短波通信網絡技術
現代短波通信網絡技術主要包括短波跳頻電臺組網技術和短波數據通信網絡技術等。短波跳頻電臺組網有其特殊性,跳頻網絡是一個復雜的隨機時序系統,實現跳頻互通,技術體制和系統所有參數要完全相同,還要進行管理和授權。短波跳頻電臺有同步組網和異步組網兩種方式。一般短波跳頻跳速慢,同步保持時間長,大多采用同步保持法組網,由一部電臺發出同步信號完成初始同步,在通信過程中隨機地補發一些同步校正信號,以消除各臺之間時鐘誤差。理論上組網數等于跳頻頻率數,經優化設計實際可達到頻率數的80%~85%,同步網一定是正交的,適用于電臺密集的場合、異步網組網容易,使用方便,各網建立時間不分先后,但組網效率低,頻率碰撞概率與組網數按指數規律增加。組網效率為30%時,頻率碰撞概率亦為30%左右,一般實際組網效率小于30%。
全自動短波數據通信網實質上是一種無線分組交換網,采用OSI的7層結構模型。網絡的主要設備是高頻網絡控制器(HFNC,High Frequency Network Controller),其主要功能有自動路由選擇與自動鏈路選擇、自動信息交換與信息存儲轉發、接續跟蹤、接續交換、間接呼叫、路由查詢和中繼管理等。網內所有設備都接受網絡管理設備(嵌入式計算機)的管理和控制,這些設備包括電臺、自動鏈路建立(ALE,Automatic Link Establishment)控制器與ALE調制解調器、數據控制器與數據Modem、HFNC等。可實現快速鏈路建立,能處理上百個電臺和更大的信息量,支持IP及其應用等。
上述短波通信新技術、新體制,都是針對解決短波通信存在的問題而產生和發展起來的。其中有的已經在短波通信中發揮積極作用,有的即將進入實用階段。它們會進一步發掘短波通信潛力,使短波通信在信息社會和信息戰中發揮出更大的作用。
4、短波通信發展趨勢
隨著人類社會向信息化的不斷演進,通信數字化、通信系統網絡化、通信業務綜合化成為通信裝備發展的必然趨勢,系統兼容、網絡互通,以及高可靠性、有效性,強抗毀性,成為通信系統建設的基本要求。短波通信作為現代信息系統主要技術手段,會有兩個方面的發展,如表4-1所示
表4-1:短波通信的兩大發展方向
第三代短波通信的主要技術特征是數字化、網絡化,其主體或關鍵技術包括:第三代自動鏈路建立技術(3G-ALE)、新型高速短波跳頻技術,以及短波組網通信技術等。3G-ALE技術的特點如下表4-2所示。3G-ALE以第三代短波通信標準(如MIL-STD-188-141B)為基礎,在技術上與2G-ALE的顯著區別是系統可工作在同步方式。由于采用了呼叫信道同步搜索,駐留組結構,載波監聽訪問協議,以及8PSK突發波形傳輸等先進技術,在改善自動鏈路溝通性能方面取得了重大進展。3G-ALE可有效地支持由數以百計的臺站組成的大型通信網絡中的突發信息傳輸(最多可容納1920個站點),從而大大提高電路溝通速度,改善高頻網絡的自動連接、網絡容量,以及數據流通量等性能,增強系統的自適應能力。
表4-2:3G-ALE技術的特點
組網通信技術、自適應技術是現代短波通信系統的重要特征之一。隨著對短波通信網的網絡容量、傳輸速度、抗干擾能力要求的不斷提高,世界各國進入了第三代數字化短波通信系統網的研究階段。目前,國外正在向HF全自適應網絡的實用化努力。建立在第三代短波通信基礎上的HF網是一種遠程綜合業務數據網,它能作為各級指揮系統的重要手段,可將軍用TCP/IP網絡和軍用程控電話網拓展到戰場的縱深地,使各移動平臺上的綜合業務通過短波信道安全無縫地接入軍用數據網、軍用電話網和軍用TCP/IP網絡。新一代短波組網通信技術以3G-ALE技術為基礎,包括HF網絡管理、自適應網絡控制,以及HF網絡接入技術等。
擴頻通信技術是無線電通信電子防御的主要手段。跳頻通信技術是短波抗干擾技術的主要選擇。為了提高短波通信抗干擾性能,以及抗多徑效應,抗衰落的能力,提高跳頻速率是一種有效途經。此外,寬帶跳頻可有效地增加通信信號的隱蔽性和抗干擾性。而實時頻率自適應跳頻,由于采用頻譜分析處理技術與跳頻信號處理技術相結合的方法,通過實時頻率自適應算法,在跳頻通信過程中自動探測和刪除干擾頻率點,使其在無干擾或弱干擾頻率點上跳頻,從而有效地對付阻塞干擾和點頻干擾,改善通信質量,是未來短波電臺通信抗干擾的優選體制。其中,快速跳頻同步技術、快速信道測量技術、快速響應信道機技術、快速頻率合成技術,以及寬帶天線、寬帶功放、寬帶調諧技術等,是實現短波寬帶高速跳頻通信的關鍵技術。
短波通信數字化主要包括兩個方面的內容:一是語音數字化通信;二是數據通信業務,特別是高速數據業務。因此,在短波信道條件下的高速率的可靠數字信號傳輸,低碼率的語音編碼,以及數字信號處理等技術,是實現短波數字化的關鍵技術。為了有效地利用短波頻率資源,提高HF頻譜利用率,歐美等國采用MIL-STD-110B標準(數據調制解調器互通性和性能標準),在3kHz帶寬的信道上,實現9.6kb/S數傳速率;在6kHz帶寬的信道上,實現19.2kb/s數傳速率;在兩個3kHz的獨立邊帶的信道上,通過信道捆綁技術,支持在56kb/s范圍內數據吞吐量。