煤炭工業(yè)局通信信息中心 吳榮光
隨著現(xiàn)代化武器摧毀能力的迅速增強(qiáng)，近年來外軍對國防通信系統(tǒng)的抗毀問題越來越重視。為了提高通信系統(tǒng)的抗毀能力，除了通常所采用的多手段、多途徑的辦法之外，許多國家特別提出應(yīng)建立少量“打不斷、炸不爛、繞不亂”、抗毀能力很強(qiáng)的通信系統(tǒng)來作為應(yīng)急手段。在７０年代初，美國國防部就提出了組建最低限度緊急通信網(wǎng)的計(jì)劃，該通信網(wǎng)包括四個(gè)抗毀通信系統(tǒng)。軍事地方通信系統(tǒng)就是其中之一。這是由于該系統(tǒng)的收發(fā)信設(shè)備及天線全部架設(shè)在地下坑道之內(nèi)，靠無線電波透過地層來傳遞信息，即使坑道內(nèi)的幾道密閉門全部關(guān)閉，也不影響通信，因此這種通信系統(tǒng)便具有了“與指揮機(jī)關(guān)相同的生存能力”。
但是要建立能穿透地下巖層進(jìn)行通信的系統(tǒng)又談何容易，其技術(shù)難點(diǎn)在于：為了提高電磁波的穿透能力，必須降低其頻率，但過低的頻率，會(huì)造成天線的效率太低，例如若采用的頻率為３０ｋＨｚ，其波長即為１００００米，對于６００米長的水平天線而言，其天線的電長度只有０．０６，因此天線的輻射能力較弱，而且天線是架設(shè)在地下，巖層又是半導(dǎo)電介質(zhì)，對電波的吸收嚴(yán)重，所以天線的效率就更低了。其次是接收點(diǎn)的信號非常微弱。在地下通信中，電波除了要經(jīng)受比地面通信更為惡劣的傳播損耗之外，還要多經(jīng)受兩次以上的“穿透損耗”和“折射損耗”，因此接收電的信號就更加微弱，要保證可靠的通信聯(lián)絡(luò)確實(shí)是非常困難的。再加上天電干擾很嚴(yán)重，根據(jù)ＣＣＩＲ３２２報(bào)告，在華南夏夜，中長波波段的天電干擾非常強(qiáng)烈，其噪聲電平的中值可達(dá)９０～１２０ｄＢ（對短波波段一般不超過５０～７０ｄＢ），如遇本地或近地區(qū)發(fā)生雷電，天電干擾表現(xiàn)為一長串的強(qiáng)烈脈沖，通信就更加困難，解決這些技術(shù)難點(diǎn)的主要途徑，除了加大天線的長度，并合理正確地架設(shè)，根據(jù)不同地區(qū)的自然條件和地層巖石電參數(shù)，選擇最佳的工作頻率之外，最重要的課題是如何解決對微弱信號的接收。根據(jù)信息論的基本原理，在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膶ο笫窍�，消息所包含的信息�?shù)量用信息量Ｉ來衡量，消息要傳送到對方，首先必須將它變換成電信號，接收到的電信號除了具有一定的帶寬ＢＳ外，持續(xù)時(shí)間ＴＳ外，還具有一定的功率Ｐ，此外在信道中還會(huì)引入不希望的干擾功率Ｐ ，那么信號的動(dòng)態(tài)范圍Ｈ ，就可用下式表示：
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而信號的體積
ＶＳ＝ＨＳ·ＢＳ·ＴＳ
信號含量Ｗ的含義為單位信號體積所載荷的信息量
從信息論的理論中得知：Ｗ 越大，系統(tǒng)的有效度就越高，但隨著Ｗ的增大，系統(tǒng)的可靠性將有降低，Ｗ的值最大等于１，若Ｗ＞１就無法進(jìn)行正確的接收，由此可見通信系統(tǒng)的有效度和可靠性是相互矛盾的。
對地下通信信道而言，由于接收點(diǎn)的信噪比很低，ＨＳ和Ｖ很小，使得Ｗ較大，所以地下通信的可靠性較差，那么如何才能減少Ｗ的值，提高通信可靠性呢？解決辦法是：一方面，選用包含信息量Ｉ較小的通信方式，例如將“話音”改為“人工報(bào)”，就可以大大壓縮傳輸?shù)男畔�。話比�?bào)的信息量要大是因?yàn)樵挷粌H可傳遞發(fā)話人要講的基本內(nèi)容，而且連說話人的語調(diào)、語氣、音色都可以傳過去。根據(jù)ＣＣＩＲ第３３９號規(guī)定，通單邊帶話音要求信噪比為＋１２ｄＢ，而通人工報(bào)則只要求－４ｄＢ即可。另一方面，就是設(shè)法增大信號的體積Ｖ。增大信號體積的方法有：一、增大發(fā)信機(jī)的功率，使Ｐ、Ｈ增大，也就是所謂的“用功率換取可靠性”，但發(fā)信機(jī)功率往往受坑道內(nèi)的供電條件所限制，其功率也不宜過大。二、延長信息的傳輸時(shí)間ＴＳ，也就是所謂的“用時(shí)間換取可靠性”。將一份報(bào)文重復(fù)發(fā)送幾遍或用低速報(bào)以增大碼元的長度來提高通信的可靠性。但時(shí)間不宜延長過多，否則就不能滿足軍事通信“及時(shí)性”的要求。三、增大信號帶寬ＢＳ，也就是所謂的 “用頻帶換取可靠性”。例如采用多進(jìn)制移頻鍵控方法，在信息速率相同的條件下，多進(jìn)制移頻鍵控所占用的頻帶要比二進(jìn)制的寬。當(dāng)我們選用信息速率較低的慢速報(bào)進(jìn)行通信時(shí)，其信號的基帶是很窄的，因此用增大信號帶寬的方法以換取可靠性是很有潛力可挖的。四、采用脈沖噪聲處理技術(shù)，例如采用時(shí)間分集技術(shù)，即將一個(gè)碼元分成若干段，依次相隔一定時(shí)間發(fā)送，接收時(shí)只要其中一段不被干擾，就可以獲得所需的信息，同時(shí)也可用相干鎖相接收技術(shù)等方法。
從國外透露的資料可以看出，外軍早已將地下通信付諸于實(shí)際的軍事應(yīng)用之中。例如：６０年代初，美軍為了對付當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的核襲擊，在“大力神”導(dǎo)彈基地及“民兵”洲際導(dǎo)彈基地，都建立了“上－越－下”傳播模式的地下通信系統(tǒng)，作為地下控制中心與發(fā)射井之間的備用線路。
�。保梗叮蹦辏泵婪揽账玖畈繘Q定在夏延山５００米深的花崗巖層下，建立地下綜合作戰(zhàn)指揮中心，１９６１年５月開始動(dòng)工，為了預(yù)防核爆炸引起的震動(dòng)，全部建筑物坐落在９３７個(gè)螺旋彈簧和液壓減震器上。該指揮中心同外界的通信是通過四條電纜線路和兩條無線電線路來實(shí)現(xiàn)的，此外，還有一條通過巖石和地層的甚低頻無線地下通信線路作為應(yīng)急通信之用。
數(shù)年前，美國Ｍ－Ｘ導(dǎo)彈的Ｃ３ 系統(tǒng)，在平時(shí)是由兩個(gè)地面控制中心通過埋地光纖網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)指揮與控制的，若地面控制中心不能工作，則此系統(tǒng)自動(dòng)地轉(zhuǎn)由機(jī)載的中頻無線電控制中心來指揮，若在被襲擊之后，地面與空中控制中心都不能工作，這時(shí)每枚生存下來的導(dǎo)彈，能利用架設(shè)在防御坑道之內(nèi)的長波天線，直接接收和執(zhí)行由國家地下指揮所用ＶＬＦ和ＬＦ發(fā)送的命令，進(jìn)行核報(bào)復(fù)。
�。保梗罚的辏翟拢绹剂祟}為“透過導(dǎo)電地層的電磁通信”的研究報(bào)告。此報(bào)告是研究與開發(fā)協(xié)會(huì)（Ｒ＆Ｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）為國防核武器局（ＤＥＦＥＮＳＥ ＮＵＣＬＥＡＲ ＡＧＥＮＣＹ）而提出的。其研究的目的是為了解決地下核爆炸時(shí)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由地下傳送到地面，因?yàn)樵诤吮ㄖ行牡貐^(qū)，其強(qiáng)烈的張力、壓力和剪力，會(huì)使有線電纜損壞，無法保證可靠的信息傳輸，只有借助透過地層的電磁信號來實(shí)現(xiàn)。從這份報(bào)告可以看出，美國已將地下通信用于地下核爆炸試驗(yàn)現(xiàn)場。
從這些情況可看出，外軍在地下通信的應(yīng)用情況，主要是將它設(shè)置在核導(dǎo)彈基地和重要的指揮機(jī)關(guān)及通信樞紐，作為一種抗毀的應(yīng)急通信手段。
對潛艇的通信，也是屬于地下通信的范疇。因?yàn)楹Ｋ彩菍儆诎雽?dǎo)電介質(zhì)。海水對電磁波的衰減也是很大的，當(dāng)頻率為２０千赫時(shí)，海水的傳輸衰減約為每英尺有１ｄＢ的損耗。 頻率越高，衰減越大。電波穿透海水的深度與波長成正比，與頻率成反比。在頻率為１～２０千赫時(shí)，電磁波穿透海水的深度只有１５～３０米。由此可見，對深潛的核潛艇通信也是相當(dāng)困難的。
為了適應(yīng)軍用潛艇發(fā)展的需要，使?jié)撏ㄐ诺玫窖该桶l(fā)展，除了目視通信、聲納通信、無線通信之外，１９８４年又將中微子通信實(shí)際應(yīng)用在對核潛艇的通信之中。為了最大限度地減少被敵人發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)，要求潛艇能長期潛伏或游弋在水下，作戰(zhàn)深度距離上萬公里以外，保持通信暢通，對此超低頻無線通信也顯得無能為力，所以中微子通信就應(yīng)運(yùn)而生。
１９８４年，美國西海岸某海軍基地的一艘核潛艇悄然下水，開始了漫長的環(huán)球潛行。這艘核潛艇經(jīng)過近兩周的潛航，從未露出水面，一直下潛到海域能允許的最深深度航行。核潛艇操縱臺上的大屏幕清楚地顯示出潛艇正前方、上方、下方及兩側(cè)的景象，字幕清晰地映出潛艇的所在位置、航速及深度。而在地球另一面的海軍主控室大屏幕上顯示內(nèi)容和各種數(shù)據(jù)與正潛航的核潛艇完全相同，在主控室的指揮下，潛艇完成了環(huán)球潛航。
中微子通信就是直接利用核反應(yīng)堆中射線束。β射線在衰變過程中能放出電子和中微子。利用微型高能質(zhì)子同步加速器，當(dāng)能量達(dá)到了５千億電子伏特時(shí)中微子束的速度即達(dá)到光速。只要控制中微子束的能流密度，把所有的信息，如視音頻信號，數(shù)據(jù)信號等，加載到中微子束上面，即可實(shí)現(xiàn)任意距離點(diǎn)與點(diǎn)之間，具有光通信容量的保密通信，可以雙向傳輸多路電視，音頻信號，并與計(jì)算機(jī)并網(wǎng)，對潛艇進(jìn)行遙控遙測等，將來用到無人駕駛的核潛艇上也是可能的。
中微子通信的解調(diào)是利用“契倫科夫效應(yīng)”進(jìn)行的。中微子束不管通過的距離多么遙遠(yuǎn)，只要在接收端通過４００米以上的水深時(shí)，便與水原子的中子發(fā)生核反應(yīng)，生成高能量的的負(fù)μ子。在水中負(fù)μ子能以接近光速的速度前進(jìn)，當(dāng)它穿越６０～７０米長的距離時(shí)，產(chǎn)生“契倫科夫效應(yīng)”，即產(chǎn)生０．４～０．７μｍ連續(xù)分布可見光——稱為契倫科夫光。光線與負(fù)μ子的前進(jìn)方向成４１０夾角。在水中用光電信增管直接檢測可見光，就可以解調(diào)出發(fā)送端的全部信號，同時(shí)可進(jìn)一步精確地利用負(fù)μ子跟蹤定位發(fā)送端的方位。中微子通信具有微波和光通信的容量大、直線性和保密性的特點(diǎn)。
在海灣戰(zhàn)爭中，多國部隊(duì)各軍兵種之間的通信聯(lián)絡(luò)，從天上的直升機(jī)、轟炸機(jī)、殲擊機(jī)到地面的坦克、裝甲車、運(yùn)兵車；從司令部、各戰(zhàn)斗分隊(duì)、從單個(gè)士兵到海軍艦船、航母編隊(duì)等，大部分采用Ｒａｃａｌ通信公司生產(chǎn)的“美洲虎”軍用跳頻電臺。
如今的軍用跳頻電臺已發(fā)展成窄頻帶、寬頻帶俱有，垂直跳頻設(shè)置和非垂直跳頻設(shè)置并存的多功能、高機(jī)動(dòng)性的軍用電臺。它融尖端的現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)于一體，具有很強(qiáng)的抗干擾、反竊聽的能力。它不僅通信速度快、質(zhì)量好、容量大，而且體積小巧、適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高，而且它的發(fā)信裝置可根據(jù)實(shí)戰(zhàn)需要預(yù)先設(shè)置在３０～８８ＭＨｚ甚高頻段和２２５～４００ＭＨｚ超高頻段范圍內(nèi)進(jìn)行跳躍式發(fā)射信號，根據(jù)設(shè)置的程序，不斷地從一個(gè)頻率自動(dòng)跳到另一個(gè)頻率上發(fā)送信息，接收端配有高度同步裝置，使它能自動(dòng)跟蹤發(fā)信端的頻率變化，同步調(diào)頻接收。要真正地做到同步，必須達(dá)到收發(fā)雙方的調(diào)頻頻率相同，跳頻的序列相同，跳頻的時(shí)鐘相同。三者缺一不可。
從９０年代以來，國外某些國家也陸續(xù)研制出一些新的軍用移動(dòng)通信系統(tǒng)，如法國的ＡＬＣＡ－ＴＥＬⅢ、意大利的ＳＯＴＲＩＮ和德國、荷蘭聯(lián)合研制的ＳＣＲＡ等，它們都具備了較強(qiáng)的抗干擾能力，在系統(tǒng)體制、功能、工作方式等方面都有相似之處。其技術(shù)特點(diǎn)介紹如下：
１．它們都采用全頻段跳頻體制，時(shí)分雙工方式，其頻段范圍為３３～８８ＭＨｚ。采用這種跳頻（或跳頻加直擴(kuò)）體制具備的抗干擾能力已經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)，如美國應(yīng)用多年的ＳＩＮＧＡＲＳ網(wǎng)。在雙工方式下，為了得到盡可能大的擴(kuò)頻處理增益千萬不要采用頻分雙工方式，因?yàn)樵摲绞匠诵枰獎(jiǎng)澐质瞻l(fā)頻段外，還需要留出額外的保護(hù)頻帶，這就浪費(fèi)了寶貴的頻率資源。但時(shí)分雙工方式可以很好地解決這個(gè)問題，它既可以充分地利用頻率資源、提高抗干擾能力，又給系統(tǒng)的電磁兼容性帶來好處。抗干擾能力與跳頻的速度有關(guān)，目前只能做到每秒１００～５００跳�，F(xiàn)在已研制出１０００跳／秒的跳頻電臺。只有跳頻速率達(dá)到５０００跳／秒時(shí)，才能擺脫跟蹤式干擾機(jī)的干擾。
�。玻@些系統(tǒng)都能提供８條可用的無線電信道。該系統(tǒng)可以做到，彼此相距近的移動(dòng)用戶通信時(shí)，可以不必通過系統(tǒng)中心臺轉(zhuǎn)接而直通。這個(gè)特點(diǎn)可大大減輕中心臺８個(gè)信道的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的利用率。經(jīng)計(jì)算表明：若８個(gè)信道都工作，有２４個(gè)移動(dòng)用戶，每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)密度為０．２愛爾蘭時(shí)，呼叫的成功率高于９５％。但系統(tǒng)的控制就相當(dāng)復(fù)雜。因此，能直通的移動(dòng)用戶就不要去占用信道。
�。常捎霉猜沸帕钆c隨路信令相結(jié)合的方式。即在共路信令信道上采用隨機(jī)接入的控制協(xié)議，為移動(dòng)用戶提供呼叫申請信道，當(dāng)中心臺接收到申請信息后，即可為移動(dòng)用戶分配一個(gè)業(yè)務(wù)信道，其后續(xù)的信令方式過程均可在業(yè)務(wù)信道上，以ＣＰＣ碼的共路信令的方式進(jìn)行傳輸，直到通話結(jié)束。這就將共路信令的高效率和隨路信令的高可靠性結(jié)合起來。既能為眾多移動(dòng)用戶提供可控的接入通道，又能保證整個(gè)信令接續(xù)過程的可靠傳輸。
�。矗潞陕�(lián)合研制的ＳＣＲＡ。它的多路合路方式的特點(diǎn)是將系統(tǒng)覆蓋頻段劃分為８個(gè)子頻段，按順序依次為Ｆ１、Ｆ２……Ｆ８。整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)由信道機(jī)（小信號）、射頻開關(guān)矩陣、濾波器、功放單元及多路愈合器和天饋系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中８個(gè)信道機(jī)射頻輸出都是小信號的，且覆蓋整個(gè)工作頻段。當(dāng)信道機(jī)在Ｆ１工作時(shí)，控制開關(guān)矩陣將信號輸入Ｆ１通道，其它信道的工作與此相似，都由開關(guān)矩陣控制，由此實(shí)現(xiàn)８個(gè)信道共用兩副天線。這種共用方式的優(yōu)點(diǎn)：第一，由于劃分８個(gè)子頻段，功放模塊制作容易，匹配問題較好解決；第二，通過帶通濾波器，多路共用器的隔離度指標(biāo)可以做得很高；第三，射頻開關(guān)矩陣在功放前容易實(shí)現(xiàn)，而且開關(guān)的換損不影響系統(tǒng)性能；第四，通道擴(kuò)展容易，便于信道從８路增至１２路、１６路等，都可用相同的原理，實(shí)現(xiàn)共用兩副天線，而且不會(huì)明顯增加合路損耗。
