0 引　言

短波通信在军事领域中有广泛的应用，主要原因是短波通信的结构简单、成本低、可靠性高，在海上通信领域，短波通信同样具有不可替代的地位。通常，采用短波通信的舰船为了提高发射和接收信号的强度，使短波通信的覆盖范围更广，都会装载多个短波信号发射天线和接收天线，短波天线阵列一方面能够提升短波通信的质量，另一方面，由于天线阵列距离相对较近，某发射天线的信号可能会被同一船舶的接收天线接收。此时，这种信号也是一种噪声干扰信号，会造成接收机阻塞，降低短波通信性能。因此，必须采取软硬件措施，对这些干扰噪声进行消除。

本文分别从自适应滤波算法、硬件电路等方面，详细介绍舰船短波通信噪声的消除原理。

1 舰船通信系统噪声消除方案的整体设计

短波通信的传播方式主要包括空间波、天波和地表面波等，短波通信传播路径示意图如图1所示。

1）地表面波

短波通信中，地表面波的衰减随着频率的升高而增加，这种特性使得地表面波无法满足信号频率和传输距离的要求。因此，地表面波在短波通信中不起主要作用。

2）天波

天波在短波通信中起主要作用，由于大气的电离层对短波吸收较少，短波可以在电离层多次反射从而提高了传输的距离。但天波也存在一些缺点，比如大气电离层会呈现不稳定的时空状态，可能造成短波通信中断。

根据无线电波的传输理论，定义天线辐射功率为 $ {P_t} $ ，电波方向系数为 $ {D_t} $ ，则距离r处的信号强度为：

$ {E_r} = \frac{{\sqrt {{P_t}{D_t}} }}{r} 。$

将式中的物理量转换为国际单位，可得：

$ {E}_{r}=\frac{173\sqrt{{P}_{t}{D}_{t}}}{r}{\text{mV/m}} 。$

舰船短波通信使用的天线为直立天线，假设发射功率为1 kW，计算可得到距离天线800 km以外的信号强度为0.3 mV/m。

本文针对舰船短波通信的噪声干扰设计了一种噪声消除系统，系统利用耦合器、自适应滤波模块^[1]、功率放大器、A/D模块等，进行短波通信的噪声抑制，原理图如图2所示。

2 舰船通信噪声消除系统的关键技术开发 2.1 短波通信的噪声仿真

舰船短波通信的噪声多数可以等效为高斯白噪声，高斯白噪声的2个重要特性：

1）噪声信号的任意瞬时值都服从高斯分布，且功率谱密度均匀分布；

2）通信系统的工作频率内，白噪声是类似白光在可见光频谱中的均匀分布，统计特性同样服从高斯分布。

定义瑞利分布如下式：

$ F(R) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0,R < 0} ，\\ {1 - {e^{ - \frac{{{R^2}}}{{2{\sigma ^3}}}}},R \geqslant 0}。\end{array}} \right. $

取反函数得：

$ R = \sigma \times \sqrt {2\ln \left( {\frac{1}{{1 - F}}} \right)} 。$

式中：F为一个在区间0～1上均匀分布的随机变量，由概率理论可知，瑞利分布随机变量R与高斯随机变量存在下式关系：

$ \begin{gathered} {G_C} = R\cos \varTheta ，{G_D} = R\sin \varTheta。\end{gathered} $

式中： $\varTheta$ 为区间 $ \left( {0,2{\text{π}} } \right) $ 的均匀分布变量，可得满足高斯分布的噪声，均值为0，方差为 $ {\sigma ^2} $ ，高斯噪声的协方差矩阵为：

$ {{\boldsymbol{C}}_x} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\sigma _1}^2}&0& \cdots &0 \\ 0&{{\sigma _2}^2}& \cdots &0 \\ 0& \cdots &{{\sigma _{n - 1}}^2}&0 \\ 0&0& \cdots &{{\sigma _n}^2} \end{array}} \right] 。$

舰船短波通信系统的高斯白噪声信号如图3所示。

2.2 短波通信的噪声消除的自适应滤波器设计

自适应滤波器是舰船短波通信噪声消除系统的关键部件，与传统滤波算法相比，自适应滤波器采用自调节信号处理技术，根据通信系统噪声信号的变化调节滤波器的参数，从而有效地抑制干扰。

噪声消除系统的自适应滤波器原理图如图4所示。

可知，系统采用N阶滤波器^[2]，输入信号：

$ X(n) = {\left[ {{x_0}(n),{x_1}(n), \cdots ,{x_N}(n)} \right]^{\rm{T}}} \text{，} $

N阶滤波器的权重矩阵：

$ W(n) = {\left[ {{w_0}(n),{w_1}(n), \cdots ,{w_N}(n)} \right]^{\rm{T}}} 。$

可得自适应滤波器的输出信号为：

$ y(n) = \sum\limits_{i = 0}^N {{w_i}} (n){x_i}(n) = {X^{\rm{T}}}(n)w\left( n \right) 。$

自适应滤波器的寻优过程是使得均方差信号 $ e\left( n \right) $ 达到最小值，即为：

$ e\left( n \right) = y\left( n \right) - {W^{\rm{T}}}\left( n \right)X\left( n \right) 。$

3 短波通信噪声消除系统的硬件和软件设计 3.1 短波通信噪声消除系统的数模转换电路设计

舰船短波通信噪声消除系统采用了2个数模转换器件，选用的数模转换器芯片型号为ADV7123，它是10 bit高速数模转换器，采样频率最高可支持50 MHz，ADV7123的信道示意图如图5所示。

短波通信噪声消除系统的数模转换模块具有以下特点：

1）ADV7123数模转换器采用单电源工作，最大信号转换速率为1.2 Mbit/s，连续运行的功率损耗仅为12 mW，具有高速、低耗的特点。

2）数模转换器与DSP和微控制器具有兼容的并行接口，可根据系统硬件配置的需求建立数据采集回路，满足兼容性^[3]。

3）信号二进制的形式输出，选用的外部时钟源为16 kHz。

图6为数模转换器的电路设计。

3.2 短波通信噪声消除系统的电源管理电路设计

为了保障舰船通信噪声消除系统的使用性能，针对系统的电源管理电路进行设计。设计需求包括：

1）监控电源模块AC/DC模块的运行状态，及时发现电源电压、电流异常信号。

2）实时采集电源的电压、电流和温度信号，计算噪声消除系统的可靠性、使用寿命。

3）实现数据的传输，通过CAN总线、无线信道等将监测数据发送至LCD，一旦出现电源故障及时触发报警机制。

本文建立的船舶通信噪声消除系统的电源管理电路如图7所示。

3.3 噪声消除系统的数据采集、处理程序开发

系统的数据采集是噪声消除的第一步，首先进行系统的初始化，包括存储器清零^[4]、时钟设置、定时器归零等。然后将输入信号 $ X(n) $ 进行扩频处理和调制，扩频是指将A/D数模转换器的采样信号 $ X(n) $ 与扩频码融合的过程，这种方式可以使系统能够同时处理多位A/D采样信息。最后结合自适应滤波器进行系统噪声的过滤，输出信号 $ y(n) $ 。

噪声消除系统的数据采集与处理软件流程如图8所示。

4 结　语

为了提高舰船短波通信系统的性能，本文对短波通信的噪声消除进行分析，建立一种短波通信噪声消除系统，分别从自适应滤波器、数模转换电路、电源管理电路和数据采集与处理软件程序方法进行详细研究。