短波通信在边防部队的应用与发展

2014-10-20 10:02:54

来源:互联网

短波通信(Short-wave?Communication)是无线电通信的一种。波长在100米~10米之间,频率范围3兆赫~30兆赫。发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备,通信距离较远,是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响,所以短波通信的稳定性较差,噪声较大。目前,它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。尽管当前新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有被淘汰,还在快速发展。

近年来,短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。用现代化的短波设备改造和充实我国各个重要领域的无线通信网,使之更加先进和有效,满足新时代各项工作的需要,无疑是非常有意义的。

本文介绍了短波通信的特点,现状以及在军事方面的应用,并阐述了如何改善短波通信质量的一些途径方法和技术,使短波通信能够在边防部队日常工作和处突任务中发挥更有效的作用。最后简要介绍了现代短波通信的一些新技术及其应用。

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【关键词】短波通信;抗毁;跳频;频率自适应

1?引言

随着通信事业的飞速发展,在各级公安边防部队中使用移动电话的现象越来越普遍,这为官兵工作、生活带来一定便利,以至于在官兵中产生了“手机就是通信保障”的错误认识。然而公安边防部队作为一支担负着维护国家边境地区社会稳定、保护人民生命财产安全重要任务的战斗队伍,其执勤任务的复杂性、多样性、艰巨性、突发性、偶然性,给无线通信和有线通信保障都提出了很大的难题。越来越高的通信保障要求部队必须具有迅速、准确、保密和不间断的通信联络保障能力。无线电短波通信具有机动性强、方便、快捷等特性,是十分适合公安边防部队工作的通信保障手段。因此,不断加强公安边防部队无线电短波通信建设具有十分重要的意义。卫星通信和短波通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言,卫星在战争期间易被干扰或阻塞,甚至被摧毁而失去通信能力,因此,就通信的顽存性、机动性和灵活性而言,短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小,设备简单,通信方式灵活,抗毁性强,且以电离层为传输媒质(电离层基本具有不可摧毁性),其传输距离更可达数千公里而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥各项工作、战斗任务的重要工具!此外,在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系,而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高,这更有力地推动了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段,特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时,机载短波通信成为了唯一的通信渠道。

2?短波通信的发展历程

光纤通信、卫星通信、移动通信、视图通信、网络通信是人们谈论的热门话题,从事现代通信的工程人员可能认为,短波通信在目前不值得一谈。其实,别小看短波通信.它在通信史上曾有着光辉的一页,为信息的传递立下了汗马功劳。1899年,马可尼成功地进行了使无线电波越过45km宽的英吉利海峡进行传送的实验;1900年,海维赛和肯内利首次提出“在大气的上层空间存在一种反射无线电波的介质”。据此.可以认为海维赛和肯内利是短波通信之父。1901年马克尼又使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验,传送距离达3000km,开创了人类无线通信的新纪元;1919年,在研究无线电波在垂直辐射器中的传播时,英国物理学家、雷达专家沃森.瓦特,从理论上间接证明了大气层上空存在一个导电的气层;1925年开始,许多科学家便开始进行电离层的探测工作;1930年,英国物理学家沃森.瓦特正式把存在于高空大气层中的带电粒子层命名为“电离层”;1938年,前苏联建成了一个当时世界上功率最大短波无线电广播电台PB620年代问世的短波通信,改变了无线电通信发展的历史进程。

3?短波通信基本知识

1???无线电各个波段的波长及频率范围数据

波长名称

波段名称

波长范围

频率范围

极长波

?

105m以上

3KHz以下

超长波

?

105104m

330KHz

长波

低?频

104103m

30300KHz

中波

中?频

103102m

3003000KHz

短波

高?频

10210m

330MHz

超短波(米波)

甚高频

101m

30300MHz

微波(分米)

超高频

101dm

3003000MHz

微波(厘米)

特高频

101cm

330GHz

微波(毫米)

极高频

101mm

30300GHz

微波(亚毫米)

超极高频

10.1mm

3003000GHz

1介绍了无线电各个波段的各项数据。通过数据我们可以知道短波是指波长在100m以下,10m以上的电磁波,其频率为330MHz,在这个频段,电波可以通过高层大气的电离层进行折射或反射而回到地面达到远距离通信,当电波被地面再次反射而由天空二次返回时,传送距离更远,多次反射的电波可以实现全球通信。短波通信长期以来被广泛应用于国家各部门,进行语言、文字、图像、数据等信息的传递。尤其是在我国公安边防部队,它始终是保证军事通信的指挥畅通的重要手段之一。短波通信尽管通信容量较小,通信质量受电离层等多种因素的影响,但短波这一古老而传统的通信方式仍具有自己的特点:

1)电离层这个天然的“中继系统”不易遭人为破坏,更不易长期破坏;电离层这个的“中继系统”因自然条件、人为条件造成的“中断”时间也是短暂的;

2)短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段,一但发生战争或灾害,各种通信网络都可能受到破坏,卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式,其抗毁能力和自主通信能力与短波通信都是无可比拟的;

3)在山区、戈壁、海洋等地区,超短波覆盖不到,主要依靠短波进行通信。

4?短波通信在公安边防部队中的应用

公安边防部队担负着维护国家主权和领土的完整和安全,保护我国边疆地区和沿海一线地区人民生命财产安全的重大历史使命。特别是在执行处突和海上执法任务时,及时通信显得尤为重要!船艇作为一种海上交通工具的同时也是边防部队的作战平台,其活动范围从几十平方公里到几百平方公里甚至更广阔;艇队中保持艇与艇之间不间断的通信联络是至关重要的,因此必须采取多种技术手段来保证通信的畅通。短波计算机通信是目前应用比较广泛的一种高科技现代化通信手段。

4.1?短波计算机通信?4.1.1硬件构成


一个最基本的短波数据通信站由电台系统(包括电台、天线地线、电源以及自适应等选配设备)和计算机系统(包括计算机、各种外设、软件)构成,两大系统由调制解调器相连。主发站和接收站的构成是相同的。这一数据系统与有线数传的基本原理相同,只是利用电台搭建了一条无线数据通道,而不是通过有线线路。其原理如图1所示:

通过原理图我们可以了很清楚地知道调制解调器的作用是把计算机的数据信号变换成适应短波传输的信号格式,而后送入电台去调制载频,并发送到对方数据通信站。对方站按相反的顺序解调出原发数据文件。

4.1.2?数据传输软件的重要性

数传软件非常重要。它的主要作用是:

1)提供人机对话操作界面;

2)自动管理和控制双方台站的数传过程;

3)处理被传送的数据文件;

4)执行对被传送文件的纠错,保证收到的文件准确无误。

4.1.3?可传送文件类型

对于比较好的短波数传系统来说,二进制文件和文本文件都可传送。来自数码相机、扫描仪、摄像机的图像或图形、文字,只要能转换为计算机文件,也能够传送,只是受短波传输带宽和速率所限,动态画面则很难传送的。

4.1.4?数传速率

短波数传因受到空间传播条件等方面的限制,传输速率不可能做得很高。现在超短波数传速率可以达到9600?bps,微波和光缆的传输速率就更高了。而目前短波并行体制的标称传输速率最高只达到2400?bps

4.2?短波通信在海上通信和陆地高原山区环绕地带的价值

短波通信由于传播距离远,所需发射功率小,设备成本较低,迄今为止仍然是执行海上任务的重要通信手段,通过将短波电台与GPS全球定位系统的连接即可对对海上渔船、空中飞行目标、地面移动目标或固定目标的导航定位、集中监控及通信联络和指挥管理:

1)用于海上渔船的监控。通过其可靠通信及GPS定位功能,即可实现对渔船在诸如禁渔期内的24小时海事活动的实时监控任务等;

2)用于远距离油、气管道输送无人执守监测站数据的可靠、实时无线传输。如我国的“西气东输”工程、俄中石油管道输送等;

3)用于野外分散目标或空中、地面移动目标的可靠通信及GPS定位与远程监控,等等。

在边远山区地带由于短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段,因此短波通信又是不可缺少的重要手段。

4.3?对新型短波电台研究使用的必然性

为适应信息时代数据信息量飞速增长、电磁环境进一步恶化,短波通信必须提高数传速率和抗干扰能力,有效利用短波频率资源,提高频带利用率,加强网络建设。因此针对我们公安边防部队职能的特殊性和重要性,搞好部队通信网络建设是非常必要的,这使我们的任务变得更加艰巨,因此紧跟时代和科技的步伐,加大力度对新型短波电台进行研究和使用,用科技用现代化知识来武装通信系统是边防部队必然要走的道路。

5短波通信的新技术

微型计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展,促进了短波通信技术的更新,八十年代以来,人们利用微处理器、数字信号处理(DSP)、自适应技术、跳频技术,正交频分复用(OFDM)技术等新技术不断提高短波通信的质量和数据传输速率,增强自动化、新业务功能,提高自适应与抗干扰能力,使现代短波通信焕发一新。各国竞相推出和装备各种短波自适应和跳频电台,我国也研制出了短波自适应通信系统、频率管理预报系统、跳频系列电台等。下面介绍几种较为常见的新技术:

5.1跳频技术?

5.1.1跳频技术的原理


跳频通信主要用于保密和抗干扰。所谓跳频,就是指网内所有电台按事先编制的指令和顺序不断地自动更换频率,并且变换频率并不是按信道顺序,而是随机跳跃式变换。它可以实现对抗多径干扰、邻道干扰、人为瞄准式干扰,提高通信的保护性和可靠性。传统的短波慢跳频眺速101O0HS。其跳频原理如图2所示:

跳频是指载波频率在很宽的频带内按跳频图案(跳频序列)进行跳变,信息数据经信息调制变成带宽为B1的信号D后,进入载波调制。载波频率受跳频序列发生器控制,在带宽为B2的频带内随机跳变,实现信号带宽B1扩展到发射信号使用的带宽B2。可变频率合成器受跳频序列控制,使载波频率随跳频的序列值而改变。跳频信号经射频滤波器至天线发射后,被接收机接收。接收机首先从发射来的跳频信号中提取跳频同步信号,使本机跳频序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号同步,得到被同步的本地载波,使载波解调获得携带有信息的信号D,从而得到发射机送来的信息。跳频通信的原理并不复杂。它是在普通无线电短波通信基础上增加一个“码控跳频器”。它的主要作用是使跳频通信发射的载波按一定规则的随机跳变序列发生变化。实现跳频通信的关键是,收发双方受伪随机码控制的、用来改变载频频率的本振频率必须严格同步。跳频伪随机码的改变可用微型计算机控制;改变计算机的程序,就可改变跳频的规律。跳频变化的方案不止一套,可以经常更换,所以要识破它就好比大海捞针,十分困难。

5.1.2跳频技术的优点

1)具有很强的抗干扰、抗衰落能力。它对干扰信号的处理是随机躲避式的,即采用快速逃脱来排除干扰,这对电子对抗的频率跟踪式干扰非常有用。它所传递信号的频谱已被扩展,频谱密度很小,例如在传输中有小部分频谱衰落,信号也不会造成严重畸变。

2)信息传输可数模兼容。它所传递的信息可以是模拟信号,也可以是数字信号。

3)具有任意选址功能。它所传递信息的载频是随机跳变的,在一个公共射频信道中可同时传输许多信号,各信号载频跳变的规律不同,因此可实现多址,且任意选择地址,频带利用率高。

4)能够安全通信。它所传输的信号具有随机噪声的统计特性,使窃听设备无法检测或识别,属于低概率检测系统。在接收端只有具备与发送端相同的频率合成器及跳频序列,才有可能收到跳频信息。

5.1.3跳频技术的军事价值

跳频通信技术是短波抗干扰技术的主要选择。在军事方面的用途显而易见。直到目前为止,在对抗敌方的窃听和电子压制方面,跳频是最有效的,并且是无可替代的手段。对于边防部队来说,在执行任务时对保密系统也有很严的要求。利用跳频可以防止通话被窃听,并能自动躲避短波信道的各种干扰,对执行任务是非常有利的。

5.2实时选频与自适应技术?5.2.1实时选频

实时选频采用实时信道评估技术,?探测电离层传输和噪声干扰情况,即实时发射探测信号,根据收端对收到的探测信号处理结果进行信道评估,实现自动选择最佳工作频率。实时选频系统目前有两类:

1)自适应频率管理系统在短时间内,对全频段快速扫描和探测,不断预报各频率可能出现的情况。

2)频率自适应系统与短波通信融为一体,采用收发双方可靠呼应技术、线路质量分析(LQA)技术和自动线路建立(ALE)技术,使短波通信频率随信道条件变化而自适应地改变,确保通信始终在质量最佳信道上进行自适应选频能充分利用频率资源、降低传输损耗、减少多径影响,避开强噪声与电台干扰,提高通信链路的可靠性。短波模拟通信已普遍采用自适应实时选频。

5.2.2自适应技术

自适应技术指实时或频繁地利用各种探测技术。它是一种将频率、天线、气候、时间、干扰、探测等通过逻辑处理建立起来的实时处理技术,其目的是为了克服短波通信随时间、空间和工作频率变化而随机变化的缺点。根据探测结果自动调整设备参数,达到最佳通信效果短波自适应通信的核心是自动选择最佳的工作频率。自动选用无线电信道和自适应数据传输运用自适应选频、收发、调制、?解调、编码、均衡以及天线等多种自适应技术,在严重干扰条件下,短波通信自动改变工作频率、数传速率、调制方式、编码和纠错编码方式最大限度地降低误码率。

5.3实时选频和自适应技术结合

自适应技术与跳频技术相结合,实现自适应跳频,能在质量良好的信道上进行跳频,跳额信道驻留时间可随意变动。短波跳频有两种自适应方式:

1)频率自适应跳频:基于对信道参数的探测,并适应信道质量的变化,自动在最佳频率上进行。

2)干扰自适应跳频:基于对信道中干扰信号参数的估计,采用干扰自适应抑制和自动躲避干扰的跳频。完整的自适应跳频通信系统,包括频率自适应和功率自适应控制,自适应跳频控制器完成跳频序列产生、被干扰频点的检测与自动更换、跳频同步及跟踪、信令协议及执行;自适应功率控制跟据信道误码测量结果,自动调整输出功率,实现以最小的发射功率获得正常通信效果。

5.4短波跳频电台组网

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%,同步频率数越多,组网效率越高,但同步时间和组网时间加长,同步组网一定是正交的,适用于电台密集的场合。异步组网容易,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。随着科技的日益更新,各项通信设备技术也越来越先进了,在我们边防部队执行任务中使用短波跳频电台不但能够增加任务的保密性,更能得到更加良好的通信质量。

5.5正交频分复用(OFDM)技术

OFDMOrthogonal?Frequency?Division?Multiplexing)是一种特殊的多载波传输方式,由于各子载波之间存在正交性,允许子信道的频谱互相重叠,与常规的频分复用系统相比,OFDM可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串行转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,降低了子信道的信息速率,将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道,从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力,适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在OFDM中通过引入循环前缀,克服了OFDM相邻块之间的干扰(IBI),保持了载波间的正交性,同时循环前缀长度大于信道扩展长度,有效地抑制了符号干扰(ISI)。目前OFDM技术已在IEEE8.2.11aETSI?BRAN?HIPERLAN/2、本地多点业务分配系统(LMDS)、数字用户线路(ADSL/VDSL)、数据音频广播(DAB)、数据视频广播(DVB)、Digital?Radio?Mondial(DRM)中得到广泛应用。

标准不同的情况下各个传输速率就有所不同,因此提高通信速率是短波通信领域研究的一个主要方向。HIL-STD-188-110B2400bps以上传输速率中,提供从3200480064008000960012800bps(无编码)的传输服务,STANG5066也支持高速HF数据通信业务。在并行和串行两种调制方式中寻找新的发送波形和新的编码方式是提高HF通信速率的关键。由于OFDM技术具有较强的抗多径干扰的能力,能够有效地抑制符号干扰(ISI)和子载波干扰(ICI),已被成功应用于数据视频广播(DRM)中。

6?如何更好的利用和改善通信效果

随着信息时代数据信息量飞速增长、电磁环境进一步恶化,改善现代短波通信必然要在选择通信频率和改进通信效果上下一凡功夫。因此我建议从以下三个方面进行改善:

6.1改善通信设备工作环境的措施

通信设备工作环境包括自然环境和人工环境。自然环境主要指山川、岛屿、电离层等,自然环境我们难以改变,我们能做的只是加强对电离层的变动、太阳黑子的活动等主要影响因素的监控和预测,针对不同的环境制定不同的、合理适用的通信方案。人工环境主要是指通信设备所在地。建立一个好的通信工作环境是一项复杂的系统工程,任何设备产生的无线电干扰都要消除。

1)尽量使用不产生或产生无线电干扰较小的元件和部件代替产生或可能产生无线电干扰的元件和部件。

2)将电气设备的绕组对称地接入产生干扰元件(即产生接点火花)的电路中去;对各种电缆线路进行屏蔽,将电缆屏蔽层及设备壳体接地。

3)对整个无线电工作环境进行系统评估。最优的系统应保证所需效益,技术上容易实现,维护方便和低成本。

6.2科学选择通信频率

无线电波频率是宝贵而有限的自然资源,是实现无线电通信的基础和保证,要根据各段频率传播特点和部队实际技术水平、业务种类等综合考虑,选择好通信频率。短波频率受到电离层变化、通信距离和方向、海拔高度、天线类型等多种因素的影响和限制。用同一套电台和天线,选用不同频率,通信效果可能差异很大。对于有经验的短波通信研究工作者来说,选频并不困难,其中有明显的规律性可循。

一般来说:短波主要靠电离层反射(天波)来传播,也可通过地波进行近距离传播,每种传播形式都具有各自的频率范围和传播距离。地波的频率范围大约是1.5-5MHz,地波的衰减随频率的升高而增大,即便使用很大功率的发射机,在陆上的传播距离也仅有100km左右,但沿海面传播的距离可远远超过陆上。天波能够进行远距离传播,可以跨越高山峻岭传播几千公里。天波传播主要是靠电离层EF层的反射,它的特点是路径损耗、时延散布、噪声和干扰等都是随着频率、地点、季节、昼夜而不断变化的,因此在短波天波通信中,工作频率是不能任意选择的。当天波传播时如选择的工作频率高于最高可用频率时,电波就会穿过电离层,不能反射到达预定的接收地点;频率低于最低可用频率时,电波能量就会被电离层吸收,反射到接收点的信号强度就不能保证最小信噪比,导致通信质量变坏,甚至中断。在东西方向进行远距离通信时,因为受地球自转影响,最好采用异频收发才能取得良好通信效果。如果所用的工作频率不能顺畅通信时,可按照以下经验变换频率:

1)接近日出时,若夜频通信效果不好,可改用较高的频率;

2)接近日落时,若日频通信效果不好,可改用较低的频率;

3)在日落时,信号先逐渐增强,而后突然中断,可改用较低频率;

4)工作中如信号逐渐衰弱,以致消失,可提高工作频率;

5)遇到磁暴时,可选用比平常低一些的频率。

6.3?提高短波通信设备的性能及其抗干扰能力

主要是从实际需要出发,根据具体情况选择通信器材,制定合适的通信方案,做到有的放矢,发挥装备的最大效率。短波无线通信设备包括:电源,收、发信机(电台),馈线和天线。在我们边防部队常用的设备有ICOM710ICOM710TYTRC-80等型号短波电台,同轴电缆式馈线,以及鞭状、倒L、双极宽带等型号天线。???

1)电源是无线通信设备的能量供应装置,其作用不言而喻。电源应具有足够大的功率,能提供稳定的电压,在这点上通信用电源和其它用途的直流稳压源并无差别,须注意的是必须保证电源有良好的接地,接地线应该用汇流铜排代替单芯线以减少接地电阻和对通信设备的高频干扰。

2)安装电台时,我们必须保证电台有良好的接地。无线电设备的接地分为高频接地和保护接地两种,高频接地不好(地线太细、接触电阻太大等)会给调谐带来困难,因此高频接地对无线通信效果有重要作用。从防干扰的观点看,设备在安装脚上接地是最理想的,这时的接触电阻最小。如果必须跨线接地,那么地线便对高频电流具有感性,并且与接地线的长度有关,所以在可能的情况下都应使接地跨线尽可能的短,且最好用独立的接地汇流铜排代替单芯线。

3)天线把馈线传来的高频电流能量转化成电磁波能量并使它向预定方向辐射,或在接收点将预定方向传来的电磁波能量接收下来转换成高频电流能量并通过馈线送到接收机去。在其它条件不变的情况下,天线的效率越高通信距离就越远。为提高天线的工作效率应选用良导体制作天线,拉牵天线的绝缘子应该用高频损耗小的材料。短波天线按其传播方式,可分为天波天线、地波天线和复合波天线三种类型。常用的天波天线有双极天线、笼型天线,地波天线有鞭状天线,复合波天线有倒L型天线、斜天线。

对于边防部队来说,无线电通信是否畅通,联络是否及时准确,直接关系到各项任务能否顺利完成。特别是在海上执行处处突任务时,艇与艇之间,艇与基地之间能否不间断的取得联络是至关重要的,因此,正确使用各种无线通信设备,充分发挥它们的使用效率,是加强部队建设,提高部队战斗力的重要组成部分。

7?结束语

尽管当前新型无线通信系统不断涌现,但是短波通信这一最古老而传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视,在卫星通信和移动通信快速发展的今天,短波通信凭借其距离远、抗毁能力和自主通信能力强、运行成本低,而且保密性能好等各种优越性受宠于各个国家,各个领域之间。尤其是在军事领域中应用更为广泛。随着微处理技术及大规模集成电路的发展,短波通信的优越性得到了充分体现,计算机短波数传系统可兼容电传、电报、传真等通信方式,其数传网络应用越来越广。如在远海区执勤,在无超短波中继的情况下,卫星定位数据信号就要通过短波信道发送至指挥中心。21世纪是网络战的世纪,现代通信电子战不是设备与设备之间的对抗,而是网络与网络之间的对抗。各军、兵种联合作战协同通信,战场横向信息迅速增加,用高科技武装短波通信设备及组网技术是短波通信的必由之路。加强短波通信网建设与应用,不仅是更好地适应我们边防部队处置各类突发事件工作新形势的需要,也是履行“千里眼、顺风耳”工作职责的需要,而且从根本上提高了部队通信保障能力,提升了部队战斗力,为部队顺利完成各项执勤任务打下坚实基础,更能对维护边疆地区,沿海一线地区安全稳定、经济发展、社会进步、民族团结作出更大贡献。

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