2.4　通信

射频通信能够在两个分离的实体之间进行信息交换。所以，射频通信在军事领域中扮演着重要角色。通过射频通信技术，可以在总部实时接收来自战场的信息，也可以将总部的命令发送给部署在战场上的部队/设施。

本节将介绍现有的现代通信技术，目的是对后续章节中描述的与拦截、识别和干扰敌方信号和接收机有关的电子战设备的要求有个基本了解。

军用通信系统可以是广播的，也可以是组网的。在广播通信中，信息在一个地方（源节点）生成，然后发送到多个接收机（汇聚节点）。在网络通信中，信息在网络各个节点之间进行交换：每个节点既可以是源节点，也可以是汇聚节点（见图2.78）。

在战术移动网络中，通常汇聚节点有一个叫作网络控制站（NCS）的节点。一般情况下，该节点由网络负责人负责，因此与其他节点相比，其通信量更多。通信截获设备则利用这一特征来识别网络控制站。

信息在无线电设备之间的传输是通过调制（即改变）载波信号而实现的。有两类调制方法：模拟调制和数字调制。无论哪种调制技术，其目的都是为了提高频谱效率，即在特定数量的带宽中传输大量信息，以便在部队专用带宽中给出尽可能多的信道。

目前有三种用于调制载波信号的基本模拟技术，每一种技术用于正弦信号的一个基本参数，即s（t）=A（t）cos（2πfct+φ（t））=A（t）cos（φ（t）），其中：

●幅度A（t）（幅度调制，AM）；

●频率fc（频率调制，FM）；

●瞬时相位φ（t）（相位调制，PM）。

因频率和相位均为余弦的变量，所以相关调制也称为角度调制。被调制改变的信号称为载波信号，而执行该修改的信息信号称为调制信号，以m（t）表示。

模拟幅度调制和频率调制通信技术的频谱效率均不是很高；但相位调制技术，特别是数字相位调制，则具有较高的频谱效率，因而被用于现代通信系统中。

在军事和民用领域，老旧的模拟技术正迅速地被数字调制技术取代。数字技术的频谱效率更高，因此可以用珍贵的甚高频/特高频频谱支持更多的通信信道。由于数字通信在较高的频率范围内运行且能够满足下面两个当前日益增长的需求，因而可以进一步满足以上要求。

① 数据量随数据率提高，占用的带宽增大；

② 保密通信需要采用现代加密技术。

现代军用通信系统采用数字调制技术。然而，在不对称冲突中，仍有可能遇到采用传统模拟调制技术的通信系统，因此本书中对传统模拟调制技术作一个简要介绍是有好处的。

在接收机处，需对已调制的载波信号进行解调，以提取通常以符号表示的信息内容。有两种解调方法：非相干解调（未使用载波相位）和相干解调（使用载波相位信息）。

在识别发射出来的数字信号形式的符号时，相干解调比非相干解调效率更高，但需要更复杂的硬件实现。

任何解调技术都需要恢复符号时钟。相干调相解调技术还需要明确参考载波相位的位置，以实现接收机与输入信号同步。

通信服务几乎遍布整个射频频谱，射频频谱的频段见表2.10。

在下一节和附录D（在该附录中对模拟信号调制技术作了描述）中，首先介绍将信号数字化与编码的主要方法，接着讨论采用扩频与跳频技术的保密通信系统，然后再简短地介绍军事信息分发系统（MIDS）。

2.4.1　接入方式

通信信道的使用受限于通信系统的接入方式。共有三种主要接入方式，每种方式均以通信波形的某个特征而命名。

（1）频分多址（FDMA）：多个用户分割可用的频率信道。通常每个用户保持分配给它的信道，直到它不需要发送消息了才把该信道让给后续用户。图2.79（a）为频分多址的实施方案。

（2）时分多址（TDMA）：多个用户在不同时间片使用同一个信道。用户之间的切换相当快，所以用户感觉不到是在与他人共用同一个信道。图2.79（b）为时分多址的实施方案。时分多址有多个实施方案，例如ALOHA、时隙ALOHA、CSMA和DAMA［14］。

（3）码分多址（CDMA）：利用直序扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）技术，实现多个用户共享通信系统频带的所有频率。每个用户分配一个不同的扩频码。

码分多址的举例将在2.4节末尾部分讨论典型军用系统时给出。

2.4.2　数字信号传输

近年来，数字信号传输因比模拟信号传输具有更高的频谱效率而成为了首选的信号调制通信技术。由通信系统传输的含有信息的模拟信号被按照某个速率采样，然后用模拟数字转换器将采样信号的幅度变换为数字形式。信号的数字表示称为脉冲编码或脉冲字。脉冲编码调制（PCM）是将各个脉冲编码调制到载波上，其实现方式多种多样，其中最常用的是差分脉冲编码调制（DPCM）和自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）。

脉冲编码调制给模拟信号的每个数字化了的样本的幅度分配一定量的数字。如果两个样本间的信号变化速度不够快，样本的数字化幅度就会出现冗余位。为避免这类冗余，差分脉冲编码调制仅仅对两个样本之间的幅差进行编码。两个样本之间一般只存在1位的差别：如果下一个样本的幅度比当前样本幅度大，则为“+1”；如果下一个样本的幅度比当前样本幅度小，则为“-1”。

若出现两个样本间的信号幅度突然变化的情况，自适应差分脉冲编码调制可以通过数量有限的连续采样感知这种变化，并作出反应：增加大量的位，以补偿或追赶信号幅度，直至恢复两个样本之间的幅差（即完成幅度跟踪，使得普通差分脉码调制适用）。

最常用的数字调制为：

（1）幅移键控（ASK）：信号幅度在两个（或多个）幅度之间变化（见图2.80（a））。

（2）频移键控（FSK）：载波信号在两个（或多个）频率之间变化（见图2.80（b））。

（3）相移键控（PSK）：有多种方法，其中包括：

●二进制相移键控（BPSK）：使用分别对应符号1和-1（或0）的两种相态（0和π rad）；调制的实现就像载波乘以+1（载波相位未发生变化）和-1（相位位移π rad）一样简单（见图2.80（c））；

●正交相移键控（QPSK）：两个数据位相结合而形成一个符号，如四种相态的相关星座图所示（见图2.80（d））；

●偏移正交相移键控（OQPSK）：采用四种相态的星座图，但与正交相移键控相比较，这四种相态均偏移了π/4 rad。

注意：如图2.80（c）和（d）所示，二进制相移键控和正交相移键控调制（相位不连续）中存在幅度变化，最大幅度变化发生在π rad相位位移位置。这个特点对于放大器处于饱和状态（如卫星和手机通信）工作的实现，并不适用，因为输入幅度变化会产生互调信号。采用其允许使用π/4和3π/4相移的π/4偏移正交相移键控克服了这个缺陷，避免了在I轴上的信号的状态，而那是信号幅度越过0的地方。

一旦符号转移，星座图将逆时针偏移π/4 rad（故在此调制前面加了前缀“偏移”）。所以，符号在时钟周期iTc时为π/4 rad，可能对应数据位00；在时钟周期（i+1）Tc时为π/2 rad，仍然对应数据位00。偏移正交相位键控调制一般应用于某些第二代蜂窝电话系统，如欧洲泛欧集群无线电（European Tetra）。

最小频移键控（MSK）是频移键控调制的一种，其实现要求频移（f2-f1）=1/（2Tc）（即调制信号比特率的一半）。该频移是保持相位连续性的最小频移。最小频移键控技术采用高斯滤波器（高斯传递函数类型为H（F）=exp（-μf 2），应用于调制信号，因而这一技术又称为高斯最小频移键控（GMSK）。目前，最小频移键控技术被应用于欧洲第二代蜂窝电话系统，即全球移动通信系统（GSM）。

其他相移键控技术，即所谓的2nPSK，是结合了n比特而构成的高级传输星座图。目前可用的技术最高达到n=8。

正交幅度调制（QAM）是一项允许每个符号传输n比特的调制技术。这种技术除相位调制外，还可以调制I和Q幅度。I和Q值作为两个同步数据传输，利用上文所示的正交调制实施方案连续发射。图2.81为正交幅度调制（3位）的星座图（23=8个符号）。正交幅度调制的带宽效率较高（即单位带宽的数据率更高），广泛应用于地面无线链路。但正交幅度调制技术使用的幅度级较多，要求在传输时线性放大，而这一点并不适合卫星通信。

正交频分复用技术（OFDM），又称为离数多音调制技术（DMT），是一种高速调制技术（每秒几兆比特），用于减轻移动通信信道中常见的负面影响，如多路径、干扰、冲击噪声等。在这种频分复用技术中，相邻信道相互正交，但相邻信道上重叠的边带不会影响各信道的有效信号。因此，虽然各个信道的比特率都可能相对较低，但如果将信道聚在一起，则可能实现较高的比特率。

对于任何通信，无论是外部还是内部引起的信号噪声都可能导致接收到的符号出现错误。数字信号的误码率（BER）是检波后或解调信噪比的一个函数。为确保误码率低于10-2，大多数常用数字调制要求的信噪比为8 dB（二进制相移键控）～12 dB（频移键控）［14］。

2.4.3　保密通信

保密通信必须能够防止无意或故意的通信干扰，防止被敌方侦测，被未授权者从发射波形窃取信息。扩谱技术可用于实施保密通信。

扩谱技术有两种基本方法：跳频（FH）和直接序列（DSSS）扩频。对于前者而言，信号的发射载频会定期发生变化，或以高速率产生“频率跳动”，但由于只有关联的接收机才知道会跳到什么频率上去，从而转换信号。但相对窄带的信号，其能量在一个较大的带宽范围内分布，所在以信号所占用的窄频谱的能量就非常之小（一般低于所存在的热噪声电平），从而无法检测到信号。不仅如此，只有相关的接收机才知道恢复窄带信号所需的解扩密钥。

扩频（SS）技术的原理和应用方式也可用于现代LPI雷达，我们在前面的章节中已对相关内容进行了论述，这里不再赘述。在下面的章节中，我们主要讨论SS通信系统的一些具体实例，即第2.5节所述的DSSS通信系统（全球导航卫星系统）和第2.4.5节所述的FHSS通信系统（联合战术信息系统）。

2.4.4　通信信号编码

编码被用于剔除源数据中的冗余信息（如语音或图片），或提高通信的可靠性（即接收到正确消息的概率），前者称为数据压缩技术，后者称为误差控制技术。

数据压缩技术用于将任何信息内容压缩至要发送的最低总比特数。举个例子，在文本或语音应用中，霍夫曼编码技术用于分配表示符号的比特数，因为它分配给较常用的符号较少数量的比特。此外，对于经常重复出现的短语，采用指针指向先前已发送的短语。因为所发送的消息没有任何信息丢失，这类方法也称为无损技术，一般能达到10∶1的压缩比［14］。

在图片传输和存储技术中，还能实现更高的压缩比，它们广泛应用于民用和军用领域。视频信号中的冗余来自单张图片中的空间冗余和两张图片之间的时间冗余。联合图像专家组（JPEG）的标准阐述了静止图像中的空间冗余，此项标准不仅适用于转换64像素图像片段（每像素一般用10位字表示）的离散余弦变换法（DCT），也适用于各种片段的霍夫曼编码技术，用以减少表示图像的比特数。结果是对单张图片非常有效的编码（称为帧内编码）。

根据运动图像的速率，相邻图片中的物体一般不会移动太多，所以会产生时间冗余。根据运动图像专家组（MPEG）的标准，帧间编码技术用于处理时间冗余，称为MPEG1、MPEG2和MPEG4。更多相关详细信息请参阅文献［14］。

图片传输代码的数据速率（MPEG4标准除外）所需的带宽（通常只有在很高的载频上才能提供）大于战场上军用战术无线电所用的带宽。但是，可采用更高频的设备用频分满足或直接超过图像通信所需要的带宽。

2.4.4.1　信道编码

因为电子系统不会不受系统内部或外部产生的噪声影响，不可避免地会出现噪声误码，因此一般会在通信和数据存储系统中进行信道编码以控制误差。诸如数字语音等类的通信，在让语言变得无法理解之前，能容许大量的误码；但对于其他类型的通信，如计算机对计算机交换通信，则必须在几乎零误码的情况下实施通信。在某些情况下，为了删除含误码信息的数据并请求重新发送该数据，只要能够检测出有误码就可以了；但在其他情况下，数据的编码一定要能在接收端校正最多到某个程度的误码。

误码检测方法有以下几种：

（1）增加奇偶校验位。在数据字中增加1位，以使字中的“1”的数目为偶数（或奇数）。接收机的奇偶检验将立即检查一个数据字是否含有1比特的误码。当数据字组成一个矩阵时，元素由一个字的一位组成，增加位数的方法同样适用。在此情况下，则在矩阵的每一行和每一列增加奇偶检验位，所以如果出现单一误差时，该误差中的位不仅能被立即检测（因为误差中的每一行和每一列都能在其交点识别单一误差），还能被校正。

（2）循环冗余校验。误码检测的循环冗余校验（CRC）编码技术广泛应用于自动重发请求（ARQ）机制，因为此编码技术易于在硬件中实现（事实上有计算CRC的集成电路）。这种技术基于一个概念：二进制数据流可以被看成是一个二进多项式，其中有序的数据位ci是多项式d（x）的系数，也称为帧：

针对每一帧d（x），发送时增加帧校对序列（FCS）。FCS等于多项式余数r（x）和特定多项式g（x）之积，r（x）为帧多项式d（x）除以特定多项式g（x）得出的余数：

也就是说，发送的数据字为：

接收的时候T（x）被g（x）除，如果传输过程中没有出现任何误差，则余数为0。

此编码能够有效地检测误码，若使用17位的多项式，则不可检测1位误码的概率估算为10-14［14］。

（3）和校验。和校验这个办法是计算一组数据字（每个数据字对应的值＜2n，n为该数据字中的位数）的总和，不考虑数据是否溢出，从而得出和校验（模2n的结果）。把和校验随附于数据，成为数据集的一部分。当在接收数据时计算一组发送数据的总和时，结果应为0（模2n），否则就是出现了误差。

这个方法给出了很好的检测误码的概率。事实上，在计算一组16位数据字的总和时，有误码而通过校验没有发现误码的概率估计为（1/64）×10-3≤2-16。

误码校正有两种方法：ARQ和前向纠错（FEC）。

（1）如前对CRC误码检测法的陈述，ARQ法的原理是对发送的数据增加额外的比特，因此在接收端检查时可检测到数据流中的误差。若发现误差，则会发出重新发送数据请求（NACK=未收到数据）。如果所接收数据的SNR值很低，该检测方法会非常低效；一旦发送NACK应答消息，则很有可能会收到含有误差的数据流，很快信道就会被阻塞，不断重发接收有误的信息。

（2）FEC法的原理是：为了校正接收机的误差，在数据字转换为发送符号之前就向每个数据字加入几比特。比特位的增加降低了带宽效率，从而实现以预期的数据速率发送数据，带宽需要有所增加。反过来，此方法则意味着噪声功率谱密度增加，SNR值降低，从而增加BER值。因此，FEC法设计的目是在待加入的位数和发送编码字所需的带宽之间获得一个最佳平衡。

FEC主要有三种类型。

（1）分组码：即在一定时间内对一大块数据块进行编码，编码仅由当前的数据分组确定。

（2）卷积码：它也是用于对数据块进行编码，但是编码不仅由当前数据块而定，还取决于先前的数据块。

（3）循环码：其中所有编码字均是一个原码字的排列组合，BCH码（Bose、Chaudhuri、Hocquenghem）和RS码（Reed-Solomon）就是其中的两例。对上述几种编码的性能讨论超出了本书的范畴。建议有兴趣的读者参阅参考文献［14，15］，获取更多相关的信息。

图2.82（引自文献［14］）给出了不同编码方法下的BER与SNR关系，并且给出了未编码数据流在较低的SNR值时，也可能具有非常好的性能。

2.4.5　典型的军事通信系统

在分配的频段中工作的军事通信系统有三种类型［19］：

（1）作战网无线电台，提供近程和中程语音通信（数字调制），工作频段为甚高频（28～88 MHz）。

（2）战术数据链，用于将C2系统中的数据由一个节点传递至另一个节点。此等数据链的工作频段不尽相同，或为特高频（225～400 MHz）或为D频段（以前是雷达的L频段，960～1215 MHz，中间有一些断点）。

（3）卫星通信，使用户得以在极远程距离内交换数据。

这些系统的工作频段不尽相同，有超高频（225～400 MHz）、特高频（7～8 GHz）以及极高频（20～44 GHz），它们的上行和下行链路的频率也并非一致。

大部分作战网无线电台（CNR）采用跳频技术，该技术有两种类型：慢跳频和快跳频，根据每频跳传输的比特数来划分。慢跳频技术的特点为同一频跳内传输一个或多个比特，而快跳频技术是在传输一个比特时包含一个或多个频跳。两种技术都覆盖了分配给整个带宽的多个带宽为Bch的信道，每个信道在甚高频频段和超高频频段的频率分别为25 kHz和50 kHz。

跳频系统在发射和接收站中均使用了一系列稳定的频率合成器或或直接数字合成器。传输的频率序列基于双方用户均知晓的PN码生成。在接收机完成对传输码的捕获和相位同步后，传输消息的解调工作才能完成。

当前的SINCGARS-V、Jaguar-V及后继Panther 2000 V等作战网无线电台系统均采用慢跳频模式，跳频变化范围为每秒100跳到每秒1000多跳。

北约联盟的主要战术数据链为军事信息分发系统，在美国也称为联合战术信息分发系统或Link 16。这种系统开发于20世纪80年代末，为在整个联盟军事网络范围内用作安全并可互操作的数字通信系统。多功能信息分发系统的工作带宽为960～1215 MHz，其间有若干空洞留给其他设施（如敌我识别系统和GPS）。该带宽范围内的可用跳频数为51，跳频间距为3 MHz。跳频的选择根据PN码进行，且相邻的跳频间距应至少为30 MHz。

战术数据链使用时分多址方法工作，因此每位用户分配到一个或多个相邻时隙以便其向网络传输信息。时分多址的时统是周期性的。一个周期称为一个时元，持续时间为12.8 min。每个时元可划分为64个时帧，每个时帧持续12 s。一个时帧又由1536个时隙构成，每个时隙持续7.8125 ms。因此一个时元含有98304个时隙。

每个时隙的组成为：

●抖动，它是用于阻碍截获的可变静默时间。

●附加在识别频段后的同步码，接收机可根据它确定是否对信息的内容感兴趣。附加的同步码的持续时间为0.936 ms。

●分布在109个信息包内的消息。每个信息包含有5比特。根据2-CPFSK数字调制，它对应32个码片上（因此可在内部对消息采用DSS法）。每个码片的持续时间为200 ns，总持续时间为6.4 μs。在各个信息包传输之后，会出现6.6 μs的静默时间。因此每个消息的持续时间为13 μs，占用的瞬时带宽为10 MHz。总传输时间为109×13=1.417 ms。

●传播保护时间（根据选择的正常的（300海里）或延伸的（700海里）网络范围，该时间的范围为2ms或4 ms量级）。

多功能信息分发系统时统如图2.83所示。

使用总保护时间在另一个“叠层网”上发送，多功能信息分发系统可能达到的跳频速率为每秒109×1/（1.417×10-3） ≈77000跳。图2.83为报导的实际跳频速率。

军事卫星通信的工作频段有：超高频（250～400 MHz）、特高频（7～8 GHz）以及极高频（20～44 GHz）。过去，军事卫星通信需要使用到一系列通信卫星的星座，然而当今更流行的是采用低地球轨道的商用卫星，用特殊的时隙或服务专门作军用（如使用国际海事卫星组织商用卫星提供的语音通信）。

近来出现的军事卫星系统“军事星”使用地球同步轨道卫星，上行链路在极高频（44 GHz）和超高频（300 MHz）、下行链路在特高频（20 GHz）和超高频（250 MHz）。卫星间的交叉链路在60 GHz处提供。这些卫星实际在低截获概率模式下工作，原因为在极高频其波束宽度狭窄，且使用了FFH SS技术。