短波通信实时选频技术研究及其实现

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【摘要】短波通信实时选频技术是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术。文章针对短波通信数字接收系统，分析了系统的关键技术和总体结构设计，从选频算法的原理到与短波差分跳频系统的结合应用，详尽阐述了实时选频技术方案，该方案能使系统在通信前快速确定质量优良的通信频点。最后通过仿真实验来验证该方法的有效性。

【关键词】短波通信；频段；预选频；实时选频；数字信号处理器

1.引言

短波通信是指利用波长为100～10m（频率为3～30MHz）的电磁波通过电离层反射来传输信息的无线通信方式。短波实时选频技术（RTFS：Real Time Frequency Selection）是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术。短波频率自适应是指短波通信系统适应通信条件变化的能力。随着短波自适应技术、扩频技术的发展，以及超大规模集成电路、微处理器和数字信号处理等技术的发展，逐渐形成了具有高性能、高度自动化和自适应能力的现代短波通信系统，推动了短波通信的新发展。在通信过程中，实时选频系统不断根据短波信道的传输质量实时选择最佳工作频率，使短波通信链路始终工作在相对最佳状态。因此，实时选频技术在现代短波通信系统中具有至关重要的作用[1—4]。

2.短波通信系统的方案设计

2.2 实时选频技术方案

采样后的数字信号经FIFO送入DSP系统后完成信号的数字下变频、FFT变换、解调译码及实时选频。其原理框图所示。其中虚线框中部分即为实时选频系统的噪音信号流程图。

此处设计的实时选频系统的工作原理为：根据分析信道中噪音情况的结果，得到电离层相关传输特性，从而完成选频。噪音信号经FFT的输出结果为复数，通过取模得到信号频域信息的幅度，然后计算各个频点上的对应功率。接着送入预选频模块，对平均检测概率和平均虚警概率的影响进行数值分析（分析的信噪比范围设定在—10dB～10dB之间），得出相对应的门限值Td；然后系统根据频谱的能量与门限值Td比较去除大气背景噪音和邻台干扰噪音，剩下的噪音可以反映电离层传输情况；最后根据干扰矩心频率ICF（Interference Centric Frequency）与电离层F2层临界反射频率foF2的相关性来确定链路最大可用频率的方法进行选频[4，7]，得到频率优劣表，为短波电台通信初始链路建立确定较优传输频段[4—6]。

3.实时选频系统的实现

3.1 系统实现方案

为满足系统的实时性要求，短波差分跳频接收系统软件设计采用前后台系统，实时性的严格要求必须靠中断服务子程序来保证。实时选频系统的软件可分为两大部分，分别是噪音信号的产生和对噪音信号的处理。噪音信号的产生由Matlab仿真完成，生成的噪音信号数据包送至DSP在EVM板上实现系统实时选频的仿真[1，4]。本文只讨论对噪音信号的实时处理部分。

3.2 平均噪音功率采集与计算

由于系统的跳频带宽为2.56MHz，此处选取A/D转换器采样率fS为20.48MHz，频率间隔为5kHz。功率采集与计算的具体过程为每经过一个时间段T1，程序产生一个中断信号来调整本振，使系统接收下一个2.56MHz的噪音信号，同时FFT模块对噪音信号并行1024点复数FFT处理，经过2倍抽取后的采样率fS为10.24MHz。选取1024点复数FFT，刚好可以满足5kHz的频率识别精度。这样对应FFT变换的时域抽样周期为，对应FFT的记录长度为。TP=0.2ms即为A/D转换器读取2048个点的时间，而一次FFT的时间大约为0.3ms。因此TP主要由FFT时间决定，加上FFT复数结果取模时间，此处选取T1为0.4ms。这样，经过一个时间段T1后程序又产生中断信号调整本振，使系统接收下一个2.56MHz的噪音信号。依此类推完成系统本振在143.4～168.6MHz之间的切换，从而按顺序采集到FFT输出的短波2～30MHz十个频段上的噪音信号频域信息加以存储。这样经过大约10个T1的时间后，系统对所有频点扫描了1次。得到短波2～30MHz上5120个频点的频域信息，之后通过取模平方计算各个频点上的对应功率值供下面预选频模块使用[4，7]。

3.3 预选频模块

预选频模块将平均功率计算与采集模块得到的各个频点上的平均功率按照基于ICF的算法进行选频，得到频段优劣表。首先从采集模块获取5120个频点数据并存储在数组P（k）中，根据式（1）生成5120个频点的频率值F[k]；接着将十个频段上各个频点的噪音功率与门限值Td比较，大于Td的频点作为邻台干扰的频点，其所在的频段作为邻台干扰频段记录下来。然后利用去除邻台干扰频点的频隙及该频隙上的功率由式（2）计算出ICF，再由式（3）求出临界频率foF2。高于临界频率的频段不能通过电离层反射信号，将穿出电离层而不能到达目的地，为不可用频段，邻台干扰所在频段也为不可用频段[4]。最后，求出各个频段的均值，将其按照平均功率排序，均值最大的为最优，得到频段优劣表。

4.仿真实验结果分析

由于选频系统需要不断对信号质量进行监视，以及时调整系统的通信频率，选频工作需要在较短时间内完成。选频系统的各模块在DSP中运行所用的指令周期数及时间如表1所示，完成一个指令周期所需时间为0.005us。

完成一次选频的过程为：系统先经过TP读入2048点数据后，FFT模块开始工作的同时噪音采集模块开始计时。每经过一个时间段T1，程序产生一个中断信号来调整本振，使系统接收下一个2.56MHz的噪音信号，同时FFT模块对噪音信号经过1024点复数FFT。经过9个T1的时间后，第十个频段的数据已经A/D转换完毕。再经过一次FFT处理（时间记为Tf）并取模后得到整个短波2～30MHz上5120个频点上的平均功率，最后再经过一次预选频（时间记为Tc）处理，一次选频过程结束[4—7]。

由此可见，一次选频过程所需的时间T为ms级，符合实时选频的需要，在通信过程中，可以利用两次通信之间的间隙及时通过选频系统确定优良的通信频段，保证通信的顺利进行。

5.结论

短波信道传播环境比较复杂，本文对短波跳频电台数字接收系统的实时选频技术进行了深入研究，详尽阐述了实时选频方案。该实时选频方案完成了系统的实时频率选择，使系统能在通信前快速确定传输质量优良的通信频点，成功地建立了通信质量优良的通信链路。并在DSP平台上对这种算法进行了仿真实验，结果表明，一次选频过程所需的时间T为ms级，符合实时选频的需要。建议下一步的工作是对选频算法在DSP中的优化进行进一步的深入研究，并在硬件系统完善的基础上实地接收测量短波噪音信号。

参考文献

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[2]朱红琛，罗秋霞.短波组网及其相关技术[J].通信技术，2000（03）.

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[4]张光怡.基于DSP的差分跳频通信系统实时选频技术的研究与实现[D].天津大学，2003.

[5]沈建峰.短波频率自适应通信的发展及信号监测[J].中国无线电，2006（11）.

[6]董彬虹，李少谦.短波通信的现状及发展趋势[J].信息与电子工程，2007（01）.

作者简介：张春艳（1978—），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：智能控制与信号处理。