ＶｏＩ．３６ Ｎｏ．５ ７４ 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 总第２６３期 ２０１６年第５期 分集处理的甚低频通信抗干扰能力分析 严（１．９１９６０汕头烁 任席闯 ５１５０００）（２．９１４６９北京１００８４１） 摘要论文针对甚低频通信抗雷电干扰需求，研究了将１６ＦＳＫ方式运用到甚低频通信中的抗干扰性能，并对甚低频 甚低频；通信；场强 ＴＮ２１９ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９７３０．２０１６．０５．０１９ 波段使用１６ＦＳＫ方式的具体要求进行了详细分析，为甚低频通信的调制方式的选型提供了详细、可靠的数理基础。 关键词中图分类号Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＬＦ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｖｅｒａｇｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＩＳ ＹＡＮ Ｓｈｕｏ ＲＥＮ Ｘｉｃｈｕａｎｇ。 （１．Ｎｏ．９１９６０ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ ＰＬＡ，Ｓｈａｎｔｏｕ ５１５ＯＯＯ）（２．Ｎｏ．９１４６９ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ ＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８４１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ＶＬＦ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｉｄｅａ ａｂｏｕｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ １６ＦＳＫ ｏｎ ＶＩ Ｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｎｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｗａｙ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｂｏｕｔ ＶＬＦ ｗａｖｅ ｂａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ １ ６ＦＳＫ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｍａｔｈｅ— ｍａｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｏｎ ＶＩ Ｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ＳＬＦ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＮ２］９ ｌ 引言 潜艇发挥作用的关键是保持高度的隐蔽性和 收信区域的干扰信号强度，一般说来干扰信号越 强，受到的干扰程度越强。干扰信号的强度主要取 决于干扰功率的大小、干扰天线在被干扰接收机方 对其实施有效的指挥控制，目前世界海军对水下潜 向上的增益、信号沿传播路径的损耗等。 艇指挥与信息支撑的有效手段主要是超低频和甚 ２．２ 自然干扰 低频通信。超低频通信信息速率极低，只适合向潜 艇发送指令代码，对水下潜艇实施精确指挥仍需依 靠信息速率相对较高的甚低频通信来完成。基于 在甚低频频段，主要的自然干扰源是雷电活 动。雷电干扰的频度和电平随季节和地区而变化。 在雷电活动频繁的季节和地区，通信将受严重影 响。雷电活动是云层中积累的电荷间的放电或云 层中积累的电荷对地的放电。较为频繁发生的是 此种原因甚低频仍是各国海军指挥潜艇的最主要 的通信手段，其通信的可靠性和抗干扰能力对于对 潜通信尤为重要。甚低频大气噪声电平很高，在部 分海域雷电活动频繁，通信保障困难。要改善多雷 暴海域的甚低频通信，需要想办法减小，甚至消除 云中电荷间的放电，但其强度较弱，平均约为云对 地放电强度的十分之一。整个雷电过程可以认为 由四个阶段组成。第一阶段是云层中电荷的分离 雷电干扰引起的误码率。 过程，第二阶段是预放电过程。随着电荷的分离， 带电云的电位梯度不断增大。当电位梯度超过空 气击穿电位时，空气形成电离区，并向下延伸，直至 延伸到地面。这一过程即为预放电过程，其持续时 间大致在０．５ｍｓ～１ｍｓ左右［卜 。第三阶段是主击 ２甚低频通信干扰因素 ２．１ 人为干扰 甚低频通信受到的人为干扰程度主要取决于 收稿日期：２０１５年１１月９日，修回日期：２０１５年１２月２４日 作者简介：严烁，女，硕士，工程师，研究方向：计算机图形学。任席闯，男，博士，工程师，研究方向：无线通信系统。 ２０１６年第５期 舰船电子工程 穿。预放电过程延伸到地面后就产生主击穿，此时 字符持续时间像上面讨论过的２００ｍｓ￣３０Ｏｍｓ，则一 个汉字占用ｌｓ左右时间，三重发送中同一字符问的 时间问隔等于一个汉字的占用时间，所以三重发送 中一般只有一重发送中的１～２个字符被干扰。 负电荷向下运动，形成向上的电流，其值平均为 ２０ｋＡ￣３０ｋＡ，产生很高的干扰电磁场。第四阶段是 多次击穿。多数云对地放电包括若干次主击穿（平 均约３～４次）。每次击穿持续时间约０．１ｍｓ，平均问 根据雷电干扰是宽带强信号、而有用信号是窄 带弱信号的特点ｌ３ ］，可以选出未受干扰（或受干 扰最／ｂ）的信号进行判决。在三次发送中只要有一 次未受雷击，就可能做出正确判决。设一次发送遇 隔时间约４０ｍｓ。整个雷电过程的持续时问是：单次 击穿不超过１００ｍｓ，多次击穿平均约２５０ｍｓ。 ３甚低频通信抗干扰研究 从雷电活动简单的描述知，一个雷电活动大致 持续时间几百毫秒，很少超过１ｓ的。利用雷电的 到雷击的概率为Ｐ，由于各次雷击是统计的， 所以三次发送都遭雷击的概率为 。如果Ｐ＝０．１， 则Ｐ３—０．００１。已经使用的低频１６ＦＳＫ终端机， 这一特点，可以把信息隔一段时间（大致一个雷电 活动持续时间）重复发送一次，就可以降低信息被 干扰的概率。例如可以把一个汉字作为重复发送 的单元，连续重复发送三遍。上述内容用下面的图 示更容易看清楚。设信息序列为ＡｌＡ２Ａ３Ａ４Ａ５ Ａ６Ａ７Ａ８，则发送序列为Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４ Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８。 一实验室试验表明，其抗雷电脉冲干扰能力比人工报 优２０ｄＢ。一次大雷雨中的实际通信试验，８００组人 工报错１０９组，１８００组１６ＦＳＫ，仅错２组。可见三 重时间分集对抗雷电干扰是很有效的。 ３．１三重频率分集抗人为的单频干扰 三重频率分集是在三重时间分集中同时实现 的，其方法是在各重发送中同一个字符用不同频率 个汉字由４个１６进制字符组成，如果采用的 字符 ｏ １ ２ ３ ４ ’５ ６ 代替，如表１所示。 ７ ８ ９ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ 表１各重频率分集的频率与字符的对应关系 ３ Ｆ．４ Ｆｌ５ 第一重频率Ｆｏ Ｆ１ Ｆ２ Ｆ３ Ｆ４ Ｆ５ Ｆ６ Ｆ７ Ｆ８ Ｆ９ Ｆｌ０ Ｆ１１ Ｆ１２ Ｆ１第二重频率 Ｆ７ Ｆ９ Ｆｌｏ Ｆｌｌ Ｆ１２ Ｆ１３ Ｆ１４ Ｆ１５ ＦＩ Ｆ７ Ｆ｜ Ｆ９ 第三重频率Ｆ１。 Ｆ１１ Ｆ１２ Ｆ１３ Ｆｌ４ Ｆ１５ Ｆｏ Ｆ１ Ｆ２ Ｆ３ Ｆ４ Ｆ５ Ｆ６ 按表１，得与上面时间分集信息发送相应的频 率发送序列为：Ｆ１ Ｆｏ Ｆ１ｏ Ｆ７ Ｆ６ Ｆ５ Ｆ１５ Ｆ１２ Ｆ１１ Ｆ１０ Ｆ４ Ｆ１ Ｆ１４ Ｆ３ Ｆ５ Ｆ４…。 应的频率是单频干扰，把它排除在判决之外。这样 可以进一步降低单频干扰引起的误码。 ３．２三重分集的抗白噪声性能 单频干扰是指持续一定时间的单一频率干扰。 此干扰若正好落在１６ＦＳＫ的某一频点上，且幅度 大于信号频率的幅度或与信号频率的幅度接近，则 与此频率相应的相关器的输出将以极大的概率大 于其它各个相关器（无论有信号输入或没有信号输 入）的输出，在无分集的情况下，将引起严重误码。 采用三重分集可以提高抗单频干扰能力。在三 根据文献［２～４］可以得到ＭＦＳＫ相干检测和 非相干检测的误码率公式，以相干检测为例，假定 发送的信号是＿厂ｌ，则相关器输出（ｎ一 Ｅ Ｅ＋ ））的概率密度函数为 １ ｆｒ （ｚ１）一 。 ｅ ｌ ／ （１） ＂Ｋｎ０ 其它各个相关器输入没有信号，只有噪声，它们的 概率密度函数为 １ 重分集条件下，把一个字符的三重分集输出相加，其 码元能量增加了２倍（是不分集的３倍）。如果干扰 幅度是信号幅度的倍，则同样会引起严重误码。这 表明采用三重分集可以带来４．７７ｄＢ的好处。 可以采用如下办法进一步削弱单频干扰的影 （ｚ ）一 ｅ一 ｏ， 一２，３，…，Ｍ（２） ￣／７ｒ 。 如果第一个相关器的输出ｒ 大于其它Ｍ一１ 个相关器的输出 ， 一， Ｍ，那么判决 是正确 响。把各个相关器的三重输出相加。与干扰频率 相应的相关器，三重均有输出，相加后数值较大。 其它相关器，只在某一重有信号，其它两重只存在 噪声，三重输出相加后数值较小。把各个相关器输 的。这个正确判决概率可以表示为 ｒ Ｐｃ—Ｊ Ｐ（ｎ２＜Ｅｌ，拖＜ｎ，…， Ｍ＜ｒ１ Ｉ Ｙ＇Ｉ）－厂１（ｒ１）ｄｒ１ Ｊ （３） 出按大小排序，并对最大值和次大值进行比较，如 此处Ｐ（ｎ２＜ｒ１， ３＜ｎ，…，ｎＭ＜ｒ１ Ｊ，．１）表示 ２，”３， …最大值与次大值的比大于２，则认为与此最大值相 ，ｎＭ都小于ｒ （对于任意给定的ｒ ）的联合概率。 严烁等：分集处理的甚低频通信抗干扰能力分析 总第２６３期 正确概率Ｐ 等于这个联合概率针对所有ｒ 值的平 均。因为｛ ｝是统计的，所以联合概率可以分 解为Ｍ一１个概率的乘积。这些相乘概率有如下 形式［ ， ］： ｒ地降低雷电干扰、又能对抗敌方的人为干扰。三重 分集可以有效地抗雷电干扰和人为干扰，可提高接 收灵敏度，降低误码率。 ｒ１ Ｐ（ ＜ｒ１ ｌ１＂１）一Ｉ （ ） ，ｍ＝２，３，…，Ｍ 一去』ｅ。 ｄｘ一 一Ｑ ｎｏ）／ （４） 各个相关器的正确判决概率是相等的，因此Ｍ一１ 个相关器判决都正确的概率是式（４）概率的Ｍ一１ 次方。这样，码元符号正确判决的概率＿６ ］： 一 ［ 一Ｑ ） ㈤ 错：Ｐ Ｍ一１一 Ｐ （）（６） 令ｚ—ｚ ２Ｖ￣ｇｏ，贝０有 ｆｒ （ｒ１） ｒ一— ／－９６７Ｐ 。 。 ）２／２ｄｚ （７） ＿码元错误概率可以表示为 ＰＭ＝＝＝— Ｉ｛１一［１一Ｑ（１ｚ）Ｍ－ ）ｅ一‘一 ）ｚ／２ｄｘ （８） 当另外Ｍ一１个符号中其它任意一个符号发送 时，得到的误码率表达式是相同的＿９］。因此式（８）是符 号（码元）的平均错误率。这个误码率是误数字率。 这两个公式是没有分集情况下的抗白噪声性 能。一个码元在三次接收中都错误的概率显然是 一次接收的误码率的三次方。这样，１６ＦＳＫ三重 分集相干检测的误码率为 ｛１－－［１－－Ｑ（ｘ）］ ｝。 （９） １ ６ＦＳＫ三重分集非相干检测的误码率为 Ｐａｙ一｛ ｃ （ ） 唧卜（ｎＴｆ）ｎｏ］￣。 （１０） 由此可见，三重分集可以大大提高通信可靠 性，使白噪声干扰的误码率大大降低。三重分集相 当于信号功率提高２倍（是不分集的３倍），使通信 距离增加１０００ｋｍ￣２０００ｋｍ。在甚低频频段，单频 干扰一般是敌方的人为干扰。用不同频率重复发 信，就是时间分集与频率分集的结合，就能既有效 图１几种解调方式误码率·陛能比较 ４结语 一。一 论文分析了甚低频通信的１６ＦＳＫ误码性能， 计算了加三重时间分集条件下１６ＦＳＫ得误码率改 进情况，计算表明在三重分集相当于信号功率提高 ２倍（是不分集的３倍），使通信距离增加１０００ｋｍ ￣２０００ｋｍ，使白噪声干扰的误码率大大降低。时 间分集与频率分集相结合，可以降低误码率。 参考文献 ［１］潘威炎．长波超长波极长波传播ＦＭ］．北京：电子科技 大学出版社，２００４． １ ２ ｌ Ｗ．Ｈ．Ｔｒａｎｔｅｒ，Ｋ．Ｓ．Ｓｈａｎｍｕｇａｎ，Ｔ．Ｓ．Ｒａｐｐａｐｏｒｔ， ｅｔ ａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ— ｗｉｔｈ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｐｅａｒｓｏｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２００４． ［３］施意，张爽，张昕等．大气噪声对甚低频通信系统干扰 仿真分析ＥＪ］．通信技术，２０１３，４６（９）：３２ ３４． ［４］韩恩权，刘翠海，温东等．ＶＦＩ ／ｉ 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