2001年 7月
第 3卷第 7期
中国工程科学
Engineering Science
Ju1．2001
V0J．3 No．7
鹱 羲 辩 馘
解决地下通信技术难题的方案及关键设备
司徒梦天
(中国电子设备系统工程甚司研究所，北京 100039)
[摘要】 文章叙述了在地下无线电通信中的两大技术难题——弱信号接收和抗雷电脉冲干扰，提出其解决途
径，并介绍解决这些技术难题的关键设备——弱信号抗雷电电报终端机的设计方案，分析该机的性能和给出实
验室测试和现场试验的结果。
[关键词】 地下无线电通信；弱信号接收；抗雷电脉冲干扰
1 前言
地下通信是收发信设备及其天线全部架设在地
下坑道之内的无线电通信，这种通信手段由于天线
不出坑道，因而具有隐蔽与抗毁的突出优点，可在
坚守防御地域各级指挥坑道之间，作为一种具有顽
强生存能力的应急通信手段来使用，以确保战时最
低限度的指挥、通信与控制，因而具有重大的军事
价值。
2 地下通信的技术难点
地下通信是一个技术难度很大的课题，其技术
难点 1i是 ：
1)接收点信号十分微弱 在地下通信中，由
于天线全部架在地下坑道之内，天线效率很低，而
且电波要穿出地层来传播，其衰减很大，致使接收
点的信号十分微弱，通信十分困难。因此，如何进
行弱信号接收，是地下通信要解决的第一个技术难
题 。
2)天电干扰严重 适用于地下通信的中长波
波段，其大气噪声系数要比短波波段高 40～50
dB。遇到近区或本地区雷电，天电干扰通常表现
为一长串的强烈脉冲，加上信号又十分微弱，使通
信更加困难。国内外文献认为，抗雷电脉冲干扰的
有效方法是限幅、熄灭技术，或采用抗突发干扰能
力强的纠错码组进行交织。但由于在地下通信中其
信号十分微弱，理论分折和试验表明，上述方法已
不适用或效果很差。因此，如何寻求新的方法来抗
雷电脉冲干扰，成了地下通信要解决的第二个技术
难题。
3 技术难点的解决途径
3．1 扁信号接收
下面从信息论的基本原理出发来探索弱信号接
收的途径。在通信系统中传输的对象是消息，消息
所包含信息的数量用信息量 I来衡量，消息要传
送到对方首先必须变换成电信号，接收到的电信号
除了具有一定的带宽 B 、持续时间 T 外，还具有
一 定的功率 P ，此外在信道中还会引人不希望的
干扰功率 P ，
令 In( )_Hs
H B T = V ，
I／y = N ，
其中：H 为信号的动态范围； 为信号体积；N
为信号含量密度，代表单位信号体积所荷载的信息
量。～越太，系统的有效度越高，但随着 ～ 的增
【收一日期] 2001—02—23：隹匝日期 2001 04 zq
[作者俺介】 司徒梦天 (1932一)，男 ，广东开平市人 ，中国电子设备系统工程公司研究所高级工程师
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2001 年 7 月
第 3 卷第 7 期
中国工程科学 Jul. 2001
Vol. 3 En且ineerin$l Science
拉术剖甜
解决地下通信技术难题的方案及关键设备
司徒梦天
(中国电子设备革统工程公司研究所，北京 100039)
[摘要] 士章缸述了在地下无线电通信中的两大技术难题 弱信号接收和抗雷电脉冲干扰电提出其解决途
径，并介绍解决这些技术难题的关键设备一一弱信号抗雷电电报终端机的设计方案.分析该机的性能相结出实
验室测试和现场试验的结果。
[关撞词] 地下无线电通信:弱信号接收 z 抗雷电脉冲干扰
1 前言
地下通信是收发信设备及其天线全部架设在地
下坑道之内的无线电通信，这种通信手段由于天线
不出坑道，因而具有隐蔽与抗毁的突出优点，可在
坚守防御地域各级指挥坑道之间，作为一种具有顽
强生存能力的应急通信手段来使用，以确保战时最
低限度的指挥、通信与控制，因而具有重大的军事
价值。
2 地下通信的技术难点
地下通信是一个技术难度很大的课题，其技术
难点[1]是:
1)接收点信号十分微弱 在地下通信中，由
于天线全部架在地下坑道之内，天线效率很低，而
且电波要穿出地层来传播，其衰减很大，政使接收
点的信号十分微弱，通信十分困难。因此，如何进
行弱信号接收，是地下通信要解决的第一个技术难
题。
2) 天电干扰严重 适用于地下通信的中长波
波段，其大气噪声系数要比短波波段高 40- 50
dBo 遇到近区或本地区雷电，天电干扰通常表现
为→长串的强烈脉冲，加上信号又十分微弱，使通
[幢幢日期 2001-02-23，悻回日期 2回l-Ð4-29
信更加困难口国内外文献认为，抗雷电脉冲干扰的
有效方法是限幅、熄灭技术，或采用抗突发干扰能
力强的纠错码组进行交织。但由于在地下通信中其
信号十分微弱.理论分析租试验表明，上述方法己
不适用或效果很差。因此.如何寻求新的方法来抗
雷电脉冲干扰，成了地下通信要解决的第二个技术
难题。
3 技术难点的解决途径
弱倍粤接收
下面从信息论的基本原理出发来探索弱信号接
收的途径。在通信系统中传输的对象是消息，消息
所包含信息的数量用信息量 I 来衡量，消息要传
送到对方首先必须变换成电信号，接收到的电信号
除了具有一定的带宽乱、持续时间 T，外，还具有
一定的功率尺，此外在信道中还会引人不希望的
干扰功率凡，
令 叫乓P，) = H,
H s Bs Ts 二 V，.
IIV,= N •
其中 H，为信号的动态范围 V， 为信号体积 N
为信号含量密度，代表单位信号体积所荷载的信息
量。 N 越大，系统的有效度越高，但随着 N 的增
[悻者简介] 司提章，天 (1932-). 男，广东开平市λ，中国电子设备罩镜工程仕司研究所高额工程师
第 7期 司徒梦天：解决地下通信技术难题的方案及关键设备 65
大，系统的可靠性将要降低，且 N一 =1，若 N
> 1就无法进行正确接收 可见，通信系统的有
效度和可靠性是相互矛盾的。
如前所述，在地下通信中由于接收点的信噪比
很低，H ，v 很小使得 N 较大，通信十分不可
靠，甚至 >l以致无法通信。因此解决的办法
是：一方面选用包含信息量 ，较少的通信方式，
例如，将通话改成通报，可大大压缩传输的信息
量。另一方面增大信号体积 v ，其方法有：
1)增大发信功率 P ，使得 H 增大，也就是
所谓的用功率换取可靠性，但发信功率往往受坑道
供电条件的限制。
2)延长信息传输时间 T ，也就是所谓的用时
问换取可靠性。例如，将一份报文重复发送几遍，
或降低通报速率以增大码元的长度来提高通信的可
靠性。但时间不宜过长，否则就不能满足军事通信
的及时性要求。
3)增大信号带宽 B ，也就是所谓的用频带换
取可靠性，例如，采用多元制移频键控来取代常用
的二元制移频键控。容易算出，在信息速率相同的
条件下，多元制所占用的频带要比二元制宽，但换
-来的好处却是误码率将显著下降。
为了代替人工报，如需要发送 “0，1，2，⋯，
9”10个数字，一个间隔符 “一”和一个空白符
⋯ 等共 l2个字符。若用二元制移频键控，则只
发 和 ^两种频率，这时必须用 4个码元构成 1
个码组才能区分 l2个字符，设每个码元长度为
T2，则发送 1个字符所需时间为 4T2。
若采用 12元 制移频 键控，用 ，，l， ，
⋯
， ^l等 l2个频率分别代表 0，1，2，⋯ 等 12
个字符，则只需用 1个码元就能代表 1个字符。在
信息传输速率相 同的条件下，每个码元的长度为
T =4T，，则码元长度增加 3倍。因此，在信号
功率 P 相同的情况下每个码元的能量 E = P T
将增加 3倍 (T为码元的持续时间)，于是归一化
渡形信噪比 E／ 0也将增加 3倍，从而使误码率
大为降低。此外，对于多元制，每个字符只需判决
1次，而对于二元制，每个字符要判决 4次，只要
其中任一码元误判，该字符就会出错，这就使二元
制的误字符率比多元制高得更多了。根据上述原
理，采用多元制移频键控并适当降低信息传输速
率，研制成弱信号抗雷电电报终端机，来解决弱信
号接收这一技术难题的。
3．2 抗雷电脉冲干扰
根据雷电的统计特性，1次雷闲从预放电开始
到整个过程结束，平均持续时问约 250～500 Ills，
一 般很少超过 1 s，而各次雷闲之间总有空隙时问，
现将 1个码元分成 段进行发送，各段之间的时
间间隔大于1 S，则 1次雷闪只能对码元的某一段
进行干扰。在 段 中只要 有 1段 未被干扰，根据
雷电脉冲与有用信号两者信号特征的显著差异，利
用微机就能 自动选出这一段作为判决的依据，从而
作出正确的判决，这样误码率将大大降低。此项技
术称为时间分集、择优判决技术
4 弱信号抗雷电电报终端机设计方案
按照上述途径，研制成弱信号抗雷电电报终端
机。弱信号抗雷电电报终端机采用按字符键发报，
用微型打印机自动抄收报文，发端可留报底。
4．1 发信方案
终端机在音频端与中长波单边带电台接口，调
制方式采用 4T12FSK，即4重时间分集的 12元移
频键控。考虑地下通信主要是作为一种应急手段来
使用，传输速率可以低些。因此 ，为了增强其弱信
号接收能力，码元适当加长，取每个码元的持续时
间 T ：200 ms，于是发送 1个字符共需时间 4T
=800 ms，即每分钟可传 75个字符。根据码元长
度 T，正交频率的间隔 Af = 1／T = 5 Hz。
为了抗单频干扰，每重发送的频率都不同，使
单频干扰只能干扰信号 4段中的 1段 频率的具体
配置如表 1所示 。
表 1 终端机的频率配置
Table 1 The allocation of frequencies in terminal
为了将所发送的信号在时间上离散开，以便有
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第 7 期 司徒梦天:解决地下通信技术难题的方案及关键设备 65
大咽系统的可靠性将要降低咱且 Nmax =l. 若 N
> 1 就无法进行正确接收 c 可见，通信系统的有
吱度和可靠性是相互矛盾的、
如前所述电在地下通信中由于接收点的信噪比
很低 Hs • V~ 很小使得 N 较大，通信十分不可
靠咱甚至 N >1 以致无法通信 A 因此解决的办法
是:一方面选用包吉信息量 I 较少的通信方式，
例如，将通话改成通报，可大大压缩传输的信息
量D 另→方面增大信号体飘飞，其方法有-
II 增大发信功率 Fρ 使得 H，增大咱也就是
所谓的用功率换取可靠性、但发信功率往往受坑道
供电条件的限制c
2) 延长信息传输时间 T，咽也就是所谓的用时
间换取可靠性c 例如咽将一份报文重复发送几遍.
或降低通报速率以增大码元的长度来提高通信的可
靠性。但时间不宜过长咱否则就不能满足军事通信
的及时性要求。
3) 增大信号带宽 B、电也就是所谓的用频带换
取可靠性.例如电采用多元制移频键控来取代常用
的二元制移频键控D 容易算出，在信息速率相同的
条件下，多元制所占用的频带要比二元制宽，但换
·来的好处却是误码率将显著下降C
为了代替人工报，如需要发送 ..O? 1? 2 ,
9" 10 个数字咱一个问隔符和一个空臼符
"等共 12 个字符c 若用二元制移频键控，则只
发 10 和 11 两种频率.这时必须用 4 个码元构成 1
个码组才能区分 12 个字符，设每个码元长度为
T" 则发送 1 个字符所需时间为 4T， o
若采用 12 元制移频键控，用 1. ， 力 ， 12'
111等 12 个频率分别代表 O. 1, 2. ..等 12
个字符，则只需用 1 个码元就能代表 1 个字符c 在
信息传输速率相同的条件下，每个码元的长度为
T' = 4 T， 电则码元长度增加 3 倍。因此电在信号
功率 P，相同的情况下每个码元的能量 Es= PsT
将增加 3 倍 (T 为码元的持续时间 L 于是归一化
波形信噪比 Eslno 也将增加 3 倍.从而使误码率
大为降低。此外，对于多元制，每个字符只需判决
1 次，而对于二元制，每个字符要判决 4 次电只要
其中任码元误判，该字符就会出错，这就使二元
制的误字符率比多元制高得更多了。根据上述原
理电采用多元制移频键控并适当降低信息传输速
率，研制成弱信号抗雷电电报终端机，来解决弱信
号接收这一技术难题的。
抗雷电脉冲平扰
根据雷电的统计特性， 1 次雷阳从预放电开始
到整个过程结束，平均持续时间约 250 - 500 ms ,
→般很少超过 1 s. 而各次雷肉之间总有空隙时间，
现将 1 个码元分成 n 段进行发送，各段之间的时
间间隔大于 1ι 则 1 次雷闪只能对码元的某一段
进行干扰G 在 n 段中只要有 1 段未被干扰，根据
雷电脉冲与有用信号两者信号特征的显著差异，利
用微机就能自动选出这一段作为判决的依据，从而
作出正确的判决，这样误码率将太大降低。此项技
术称为时间分集、择优判决技术c
4 弱信号抗雷电电报终端机设计方案
按照上述途径，研制成弱信号抗雷电电报终端
机。弱信号抗雷电电报终端机采用按字符键发报，
用做塑打印机自动抄收报文，发端可留报底。
发倍方案
终端机在音频端与中长披单边带电台接口，调
制方式采用 4Tl2FSK咱即 4 重时间分集的 12 元移
频键控。考虑地下通信主要是作为→神应急手段来
使用，传输速率可以低些。因此，为了增强其弱信
号接收能力.码元适当加长.取每个码元的持续时
间 T 200 rns咱于是发送 1 个字符共需时间 4T
800 ms. 即每分钟可传 75 个字符。根据码元长
度 T咱正交频率的间隔，c，1 = lIT = 5 Hz ,
为了抗单频干扰，每重发送的频率都不同，使
单频干扰只能干扰信号 4 段中的 1 段。频率的具体
配置如表 I 所示。
表 1 终蜡机的频率配置
T able 1 The allζ>ea tion of freq uenci田 in terminal
传盐宇符 第一配置 第二吐量 事三眈量 第四/1( 11
迭，看率 /lj， 造频率1Hz 送频率布也 是频率布j，
"0" ], !; ]. j ,
"1 • j , j. h jm
"、'罔 h j , j. j"
瞌3惆 j , f。 j. j ,
瞌4" j. f, j" j ,
"5" j , A j" h
"6" j. j. jo h
"7" ], J ," j , j ,
"S" h j ,> h j,
"9辆 f. f。 h f ‘
f" f且 j , h
f ,> J, j , j.
为了将所发送的信号在时间上离散开，以便有
中国工程科学 第 3卷
效地抗雷电脉冲干扰，将 5个字符编成 1组，每组
重复发送 4遍。例如，设待发送的字符序列为：
一 31 45— 6798—-o4⋯ ，
则每个字符重复发送的时间间隔为 1 s，已大于 1
次雷闪的最长持续时间。发送序列和根据表 1的终
端机输出的频率序列为：
⋯ 列l l _：
4．2 接收方案
接收端采用最佳非相干检测，具体实现的方法
是采用离散傅立叶变换 (DFT)技术，其过程如
下 ：
接收机音频输出的信号送到终端机后，先经过
A／D变换 ，形成数字序列 z(Yt)，Yt= 0，1，2，3
⋯
。 根据山农采样定理，取样频 必须高于信号
最高 频率 的 1倍，即 >2l厂 。现 2l厂m =
1 440 Hz，取 = 2 000 Hz，码元长度 T = 200
1TtS，于是每个码元的取样点数 N =400，因正交
频率间隔△r=5 Hz于是各频率点可表示为：
l厂^ = h△f = 5 h，
该终端机取 h=100，104，108， ．，144。
用DFT计算各个频率分量的频谱模值 ：
F(^)：艺 ( )e-J ： ( ) f )一
J∑ ( )sin( )=c(h)一js(h)，
于是其模值 l F(1厂^)l=~／c (h)+S (h)。
由于判决时只需比较各分量的大小，故可将开
方过程省略，即直接令
C (h)+s (h)=M (^ )作为判决子变量。
因本机采用了4重时间分集和频率分集，因此
还必须将各次算出的子变量 M (^ )加以适当组台，
才能获得最后所需的判决变量。
关于如何从被噪声淹没的微弱信号中提取同步
时基的问题见文献 [2]。
5 弱信 号及抗 雷电电报 终端机的 电性
能分析
5．1 抗白噪声性能 (即弱信号接收能力)分析
如上所述 ，该机可发送 12个字符 ，采用 4重
时间分集和频率分集，所发信号可表示为：
S (t)=A c0s( 女 H) (1)
其中 代表所发字符 ( = 0，l，2，⋯，n)，
为各重分集 (j=1，2，3，4)，则接收信号为：
H(t)= Ams( ％ )+n(t) (2)
考虑到地下通信信道近似为恒参信道，振幅
A为一常数。n(t)为加性高斯自噪声，其均值
为零，单边功率谱密度为 n(W ／Hz)。
设发送字符 k，现采用摄佳非相干检测 (虽然
采用了数字信号处理技术，但为了分析方便，下面
仍用模拟形式表示)。令：
rr
= I 蜘( )c0s wotdt， (3)
rr
S =1 Y&j( )sin o％tdt， (4)
M王，=c：，+s：，， (5)
其中 = 0，1，2，⋯，11。
由于采用了4重时间分集，因此需将 4次相应
的判决子变量加以合并 令：
●
Mx：∑M I：M 1+M 2+M 1+M ～
J l
(6)
则 M 便是所需的判决变量。
其中 = k时，C = C,j，S习= S ，M =
M女。M 就是和所发字符k相对应的判决变量。
当 z≠ k时，帆 是与其它字符相对应的判
决变量。由于噪声的影响，M 和M 都是随机变
量。
当 M 为某一值时，它大于某个 的概率
为：
rM
Pt( > )=[J。 P(M )rim ]
上式中 P(M )为随机变量 M 的概率密度。
显然，只有当 M 值大于其他所有的M 值时才不
出错，由于各个 M 的统计独立性，其概率为
r
P(Mk>Mr)=[j e(MDdM~]一
m为可以发送的字符个数，现 = 12。于是
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66 中国工程科学 第 3 卷
效地抗雷电脉冲干扰.将 5 个字符编成 1 组，每组
重复发送 4 遍。例如，设待发送的字符序列为:
--3145--6798--04
则每个字符重复发送的时间间隔为 1 s，己大于 1
次雷肉的最长持续时间。发送序列和根据表 1 的终
端机输出的频率序列为
发迭序列 |±T?|±??| 竹??|气吧??|ff?|fT|
终描机输出的频率序列 Ifllj. 力 ，/" 1. , j, 1 1" 儿，力，力 ， 1， 1 1.， 1"1，， lLO' IlL l 力， 10' lLO' 1,. h卜u…
4 ,2 接收方囊
接收端采用最佳非相干检测.具体实现的方法
是采用离散傅立叶变换 (DFT) 技术，其过程如
下
接收机音频输出的信号送到终端机后，先经过
AID 变换，形成数字序列 x( 川， 71 O, 1?2?3
。根据山农采样定理，取样频 f. 必须高于信号
最高频率的 1 倍.即 f， > 2f~o 现 2fma7. 二
1 440 Hz，取 f. = 2 000 Hz，码元长度 T 200
ms ， 于是每个码元的取样点数 N = 400，因正交
频率闯隔 =5Hz 子是各频率点可表示为:
元.=h =5h ，
该终端机取 h = 100 , 104 , 108 , ..., 1440
用 DFT计算各个频率分量的频谱模值:
0'1-1 、 "'-1. 、
Fω=EZMK 小 = ~x(n)oos(字叫一
毛主 i 2"h \ j ~x(n)sinl~Ñ'"l 二叫) 川，
于是其模值 1 FCJ.) 1 二..;C'(h) + 5'( 川。
由于判决时只需比较各分量的大小，故可将开
方过程省略， ~~直接令
C'(h) + 5 2 (h) = M(/.) 作为判决于变量。
因本机采用了 4 重时间分集和频率分集，因此
还必须将各次算出的于变量 M(/.) 加以适当组合，
才能获得最后所需的判决变量。
关于如何从被噪声淹没的微弱信号中提取同步
时基的问题见文献 [2]0
5 弱信号及抗雷电电报终端机的电性
能分析
5 , 1 航自噪声性能{即弱信号接收能力)分析
如上所述.该机可发送 12 个字符.采用 4 重
时间分集和频率分集，所发信号可表示为:
5μ t) = A'cos (ω•，t 十伊'马(1)
其中 h 代表所发字符 (k 0 , 1, 2,…, 11) , j
为各重分集(j二 1 ， 2 , 3 , 4 )，则接收信号为
J句(1) = A∞s (ωkl + rp均) + n (l) (2)
考虑到地下通信信道近似为恒参信道，振幅
A 为一常数。 n ( t ) 为加性高斯自噪声，其均值
为零，单边功率谱密度为 n(W 1Hz) 。
设发送字符晶，现采用最佳非相干检测(虽然
采用了数字信号处理技术.但为了分析方便，下面
仍用模拟形式表示)。令.
rT
c., J o 均 (t)∞s w..,t dt , (3)
rT
S巧立 Jo y，， (t)sin ω..，tdt ， (4)
Mx) C二+ 5;" (5)
其中 z 二 0 ， 1 ， 2 ，"'， 110
由于采用了 4 重时间分集，因此需将 4 次相应
的判决于变量加以合并。令:
h
Mx 二 ~M.， 二 M.. d + Mû + M ..l] + Mx们
( 6)
则 Mr 便是所需的判决变量。
其中 .r k 时 ， CX} Ck} , S勾 SItJ' Mx
M kO Mk 就是和所发字符 h 相对应的判决变量。
当 z 弓" k 时 Mr 是与其它字符相对应的判
决变量。由于噪声的影响 Mr 和 M，都是随机变
量 o
当 M是为某 值时，它大于某个 Mr 的概率
为:
P ， (M是 > Mx ) 工[('川川，]
上式中 p( Mx ) 为随机变量 Mr 的概率密度。
显然，只有当 M是值大于其他所有的 Mr 值时才不
出错，由于各个 Mr 的统计独立性，其概率为
rM
P(M是 > M r ) = [Jo 'p(Mx)dMrJm-1
m 为可以发送的字符个数，现 m 120 于是
第 7期 司徒梦天：解决地下通信技术难题的方案及关键设备 67
当 M 为^某一值时，出错的概率为：
( )d 。
对 M 的所有可能值求总和，得误码率 P ，
即
P = l一[ P( )d }P(Mk)dMk。
(7)
为此，必须根据 c ，Skj，c ，S 的统计特性
求出其 M^和 的概率密度P(Mk)和 P(M )，
然后才能按式 (7)计算 P 。
由式 (2)至式 (4)可知 c ，s 均为高斯分
布，其均值分别为
= 了
ATco。％ ，雪自=下AT si“％ ；
，
方差均为 = 。c ，s 也均为高斯分布，但
由于 和 正交，故其均值为零，方差仍都为
2=掣 l 3_。
根据M =c；】+s{1+ci2+s：2+ci +s
+c +sl4可算得其概率密度为 】
P( )=上
2a2
f
~ S2)3,'2e 2 。(
(8)
其中
S =∑( +亏 )=A T ， (9)
I3(·)为第一类三阶修正贝塞尔函数。
对于 M ，则有：
P( ) M e一 ‘。 (10)
下面利用式 (7)来计算 P ，在计算过程中经过一
些代换，其中令：
x =
Mk
， (11)
： —
A2T
—
／2
。 (12)
第一类三阶修正贝塞尔函数展开式为
薹 “ s
经推导得 ：
f 11 1 -e 1。 c 叫吉) e一
式中 y为归一化信噪比， 一A2T／2 是信
号功率对 af=5 Hz内噪声功率的比值，而希望了
解接收机输出端 (即终端机输入端)信噪比 R与
误码率P 的关系，该接收机通频带为 2 600 Hz，
信噪比 R A丽- ／2
， 于是，7／R = 520，将 y
520 R代人式 (14)得：
P 一e 吖 萎 c ·
(言le～(z +3z +6x +6) ·
·c
1 e—
： 。
(2
⋯
080
、
R
、
) Kx l
，
s
：
．r~
djE。 (15)
根据式 (15)进行数值计算 ，求得 P 与 R的
关系曲线如图 1 A所示。需要指出，以上计算是在
理想条件下进行的，即假设收发同步完全准确．系
统对各频率分量的响应完全一致，未计人量化噪声
等。这是机器性能的理论极限，实际机器的性能不
可能达到理论值，该机抗白噪声性能的实际测试结
果如图 l B虚线所示。图 1还给出 l2元移频键控
(无时间分集)、码元长度为200ms和800 rim的曲
线 C和曲线 D以供参考。
10。
10"。
lO。
lO
1O。
1旷
10‘
l
lO1
lO
1040
· 26 -22 ．20 -1l -16 ．14 ．12 ．10
SNRIdB
通辩带 2 600Hz．在接收机输出螭 量SNR：在 4重时藏分
集、l2元移期铤拉、码元长度 丁=200 ms时的理论曲线 A
和实测曲线B；在 12元移藏铤拉、码元长度 丁=200ms时
的理论曲线c和实涮曲线 D
囤 1 误码率 P 与信噪比的关系
Fig．1 Error rate vel~u$signal to noise ratio
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第 7 期 司徒梦天.解决地下通信技术难题的方案及关键设备 67
当 M，为某一值时唱出错的概率为.
1[jft叫)dM， Jrn- 1 o
对 M，的所有可能值求总和，得误码率 P"
~~
P , = r i1 - [f>(盹)dM， J叫川ρ
(7 )
为此，必须根据 CRJ • 咽 C"' ， S习的统计特性
求出其 M，和 M，的概率峦度 p(M， ) 和 p( M ,),
然后才能接式 (7) 计算 P， o
由式 (2) 至式 (4) 可知 C句 ， S/u均为高斯分
布，其均值分别为
二 AT 瓦 AT
LkJ T ooS ' ::JkJ T sm ;,
方差均为 eLZtzo 乌，丸也均为高斯分布但
由于 ω习和 ω层，正交，故其均值为零，方差仍都为
ηo T ， 习
σ=-4- C-
根据 M，二 Cil + S~l + CZ 2 + Si2 + C~3 + si]
+ Ci4 + S~4 可算得其概率密度为['1
1 1M. \ 3/2 p(M.) = 一丁 l 寸)产叫)/2.-[，(.(同币，
4σ\ S一/σ
(8)
其中
创的一(HH
过经
。中
2·20
程
Fιcd
←
ι
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数
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例如荆
3
于，，俨用
Jf
对利换
(面代h
下些
x = M~ 一一2σ， .
A'T/2
r
no
) 1 1 (
(12)
第一类三阶修正贝塞尔函数展开式为
ζ、 1 IZ\'+2K I飞 (Z) = );一一一一一二 I ::; 1 0 (l3) ~K!(K+3)!\2/
经推导得:
[∞忐 11 ""+,( 1 \ =e 的1>: 一一一一一-，(- 0"+11 ~ 1 J o 全1( I1 -n)!n!C -, \6/
Cr' +荧(4r)KX'I2+K3x' + 6x + 6)吐血e-' 主J 一一一一-::;-:;t' dx ，~ K!(K + 3)1
(14)
A'T/2 A'/2 式中 y 为归一化信崛比 r = '-'---'~丁7一是信
no
号功率对 t;f= 5 Hz 内噪声功率的比值.而希望了
解接收机输出端(即终端机输入端)信崛比 R 与
误码率 P， 的关系，该接收机通频带为 2 600 Hz.
A'/2 信噪比 R 二 咽于是， y/ R 二 520. 将 y=2600no
520 R 代人式(14) 得
却OOR 广th111I )，T，一一一一一寸 (-1)"+。但、 l1 -n)n!
(! )"e-=(x' + ν+ 时+ 6)"
1 气 ζ、 (2080R )Kx L5 +K
.1:' 1 .:J e- .r ) J '-7-::'~~~7~，.'句、-，dxo (\5)
K-。
根据式(15) 进行数值计算咽求得 P. 与 R 的
关系曲线如图 1 A所示。需要指出，以上计算是在
理想条件下进行的，即假设收发同步完全准确咽系
统对各频率分量的响应完全一致，未计入量化崛声
等。这是机器性能的理论极限，实际机器的性能不
可能达到理论值，该机抗自崛声性能的实际测试结
果如图 1 B 虚线所示。图 1 还给出 12 元移频键控
(无时间分集)、码元长度为 200 ms 和 800 ms 的曲
线 C 和曲线 D 以供参考。
10'
10 且
10'
10< 1 且 T-8回回
.:
10-'
ur
t矿'
10'
10.
100\0
26 -24 扭 -20 -11 -16 -14 -12 -10
SNRldB
通频带 2 曲。出p 在接收机输出喃测量 SNR，在 4 童时帽卦
靠. 12 元事频幢植、西元*度 T:: 200 m陆时的理论曲线 A
和宰割曲或 B; 在口元事醺幢植、码元*111: T~200 = 时
的理论曲或 C 和实测曲线 D
圄 E 惧码事 P. 与情跚比的关系
F ig. 1 Error rate versus signal to noise ratio
68 中国工程科学 第 3卷
从理论曲线可以看出，当误字符率 P 在 10
时 (一般认为已能正常工作)，音频输出端所需信
噪比为 一19．4 dB，实测曲线则为 一16．4 dB，而
通人工报所需信噪比约为一4 dB。所以该机的实际
抗白噪声性能比人工报要优 12 dB左右。
实际坑道通信试验亦表明该机具有较强的弱信
号接收能力。例如 1988年 8月 8日，发端设在 甲
地，天线及电台全部设在复土层厚度为40 m多的
坑道内，功率仅用 10 w，接收端设在乙地，收发
直线距离 15 km，夜间噪声电平很高，人工报已无
法抄收 (几乎听不到报音)而用该终端机通 6 000
码，无一误码。
5．2 抗雷电脉冲干扰能力分析
如前所述，本机采用 4重时间分集来抗雷电脉
冲干扰，即每个字符分 4段重覆发送，每次发送的
时间间隔为 1 S，根据雷电统计特性，1次雷击整
个过程的持续时间一般不超过 1 S，因此，它只能
对 l重码元进行干扰，即只能使判决变量 M =
4
：M 中的某一个子判决变量M ，受到影响。
J= I
由于雷电是宽带强振幅信号，而有用信号则是
窄带弱振幅信号，根据二者这一显著的差别，编制
了专用程序利用微机自动进行判断，来选出未受干
扰 (或受干扰最小)的 1段作为判决 的依据。因
此，在 4次发送中只要有 1次未遇雷击，仍能作出
正确的判决。
设 1重分集遇到雷击的概率为P，由于各次雷
击的出现是统计独立的，则 4重分集都遇到雷击而
产生误字符的概率 P =P 了，设 P=0．1，则 P
=0．1 =0．000 1这种改善是非常显著的。也就是
说时间分集技术由于充分利用雷电脉冲与信号之间
的显著差异，能选出未受干扰的1段作为判决的依
据，即所谓择优判决，从而取得较明显的效果。它
的性能远优于大数判决及交织编码技术。
实验室测试表明，该终端机抗雷电脉冲干扰能
力比人工报约优于 20 dB，实际坑道通信试验亦表
明该机具有很强的抗雷电脉冲干扰能力 如 1988
年7月，发端设在 A坑道内，收端设在 B坑道内，
当日下午遇该地区特大雷雨，用人工报发 800码，
错 109码 ，而用该终端机发 1 800码，仅错 2码。
5．3 抗单频干扰能力的分析
单频干扰是指持续一定时间的单一频率干扰信
号，此干扰若落在弱信号终端机的工作频带内，很
容易 f起误码，若干扰频率正好等于终端机所使用
的某一频率点，则引起的干扰最为严重，若不采用
频率分集，此时只要干扰振幅E大于信号振幅 A
就会引起误码，于是其抗单频干扰能力仅为 0 dB
为了提高抗单频干扰能力，该机采用了4重频
率分集，即每个字符分4次发送，每次发送都采用
不同的频率，因此单频干扰只能干扰信号 4重当中
的 1重，容易算出，此时抗单频干扰能力将提高到
6 dB，这是由于单频干扰虽然只能干扰 4重当中的
1重，但若 E > 2 A，则 1重干扰的能量将 已超过
4重信号能量之和，从而引起误码。此结论已经经
过实验验证。为了进一步提高抗单频干扰的能力，
将单频干扰信号的影响剔除掉，具体方法是：将 4
重分集中4次算出的判决子变量分别再按频率相
加，若遇单频干扰 (例如 f8)，则 4次都会出现此
频率，于是此频率相加的结果较大 (按本例，
较大)，而由于对于信号采用了频率分集，任一频
率在4重当中最多只能出现 1次，例如发送的信号
为字符 “3”，则 4重的频率分别为：l厂3， ，，9，
foHz，因此，这些频率的相加结果都不会很大，
例如对 来说，只有第 2重有信号，第 1，3，4
重都只有噪声。据此特点，将各个频率相加的结果
取最大值与次大值进行比较，若其比值 >2，就认
为对应最大值的频率是单频干扰，并将对应此频率
的判决子变量全部舍弃，被舍弃的子变量用其它 3
重子变量的均值来填补。这样就可以大大削弱单频
干扰的影响。
本文介绍的上述各项技术，还成功地运用到战
略级地下通信系统 一期工程和二期工程 中，这些系
统采用控制台计算机的键盘发信，终端机采用 16
元移频键控，3重时间分集和频率分集，可传控制
指令、命令代码和汉字报文。
参考文献
：1] 司徒梦天．地下通信原理 [M] 北京：总参第 61研
究所 l988．148
[2] 司徒梦天 用脉冲线性谲频信号进行地下通信系统
的弱信号同步[A] 全国第五届军事通信学术会议论
文集 [C]，1996 425～430
[3] 樊昌信 ，椽炳祥，詹道庸，等．通信原理 [M]北京：
国防工业 出版杜 ，1984 246
[4] Proakis JG Digital
∞：McGraw-Hill Book Company
[M]SanFrancis．
1983 26——28
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68 中国工程科学 第 3 卷
从理论曲线可以看出，当误字符率 P， 在 10 -3
时(一般认为己能正常工作λ 音频输出端所需信
噪比为一 dB嘈实测曲线则为- dB，而
通人工报所需信噪比约为 4 dB。所以该机的实际
抗白噪声性能比人工报要优 12 dB 左右 e
实际坑道通信试验亦表明该机具有较强的弱信
号接收能力。例如 1988 年 8 月 8 日嘈发端设在甲
地.天线及电台全部设在复土层厚度为 40 m 多的
坑道肉，功率仅用 10 W，接收端设在乙地，收发
直线距离 15 km. 夜间曝声电平很高，人工报已无
法抄收(几乎昕不到报音)而用该终端机通 6000
码，元一误码。
抗雷电脉冲干扰能力分析
如前所述，本帆采用 4 重时间分集来抗雷电脉
冲于扰.即每个字符分 4 段重霞发送，每次发送的
时间间隔为 1 s，根据雷电统汁特性， 1 次雷击整
个过程的持续时间一般不超过 1 s. 因此，官只能
对 1 重码元进行于扰，即只能使判决变量 Mz
:L;M习中的某 个子判决变量 1\:} 受到影响 o
J = I
由于雷电是宽带强振幅信号，而有用信号则是
军带弱振幅信号，根据二者这一显著的差别嘈编制
了专用程序利用微机自动进行判断嘈来选出未受干
扰(或受于扰最小)的 1 段作为判决的依据。因
此，在 4 次发送中只要有 I lX未遇雷击.仍能作出
正确的判决3
设 1 重分集遇到雷击的概率为 P ， 由于各次雷
击的出现是统计独立的嘈则 4 重分集都遇到雷击而
产生误字符的概率 Pe= p4 了咱设 P ~ 0. 1.则 P，
= ' = 1 这种改善是非常显著的c 也就是
说时间分集技术由于充分利用雷电脉冲与信号之间
的显著差异嘈能选出未受于扰的 1 段作为判决的依
据嘈即所谓择优判决，从而取得较明显的效果e 它
的性能远优于大数判决反交织编码技术。
实验室测试表明，该终端机抗雷电脉冲于扰能
力比人工报约优于 20 dB嘈实际坑道通信试验亦表
明该帆具有很强的抗雷电脉冲于扰能力 c 如 1988
年 7 月，发端设在 A 坑道肉，收端设在 B 坑道内咱
当日下午遇该地区特大雷雨，用人工报发 800 码嘈
错 109 码，而用该终端机发 1800 码，仅错 2 码。
抗单频干扰能力的分析
单频于扰是指持续一定时间的单一频率干扰信
号，此干扰若落在弱信号终端帆的工作频带内，很
容易引起误码，若干扰频率正好等于终端帆所使用
的某一频率点，则引起的干扰最为严重.若不采用
频率分集，此时只要干扰振幅 E 大于信号振幅 A
就会引起误码，于是其抗单频干扰能力仅为 o dBo
为了S最高抗单频于扰能力，该机采用了 4 重频
率分集，即每个字符分 4 次发送，每次发送都采用
不同的频率嘈因此单频于扰只能干扰信号 4 重当中
的 1 重唱容易算出嘈此时抗单频于扰能力将提高到
6 dB.这是由于单频于扰虽然只能干扰 4 重当中的
1 重，但若 E > 2A ， 则 1 重干扰的能量将已超过
4 重信号能量之和.从而引起误码。此结论已经经
过实验验证。为了进一步提高抗单频于扰的能力，
将单频干扰信号的影响剔除掉，具体方法是:将 4
重分集中 4 次算出的判决子变量分别再按频率相
拥嘈若遇单频于扰 t 例如 f，) ， 则 4 次都会出现此
频率，于是此频率相捆的结果较大(按本例嘈 f.
较大七而由于对于信号采用了频率分集，任一频
率在 4 重当中最多只能出现 1 次嘈例如发送的信号
为字符 "3'. ，则 4 重的频率分别为.力 ， f， 嘈 f"
fo Hz，因此咱这些频率的相加结果都不会很大，
例如对 f， 来说，只有第 2 重有信号嘈第1. 3 嘈 4
重都只有噪声。据此特点，将各个频率相捆的结果
取最大值与次大值进行比较，若其比值 >2咱就认
为对应最大值的频率是单频于扰嘈并将对应此频率
的判决于变量全部舍弃，被舍弃的于变量用其它 3
重于变量的均值来填补 2 这样就可以大大削弱单频
于扰的影响 o
本文介绍的上述各项技术，还成功地运用到战
略级地下通信系统一期工程和二期工程中，这些系
统采用控制台计算机的键盘发信，终端机采用 16
元移频键控， 3 重时间分集租频率分集嘈可传控制
指令、命令代码租汉字报文。
参考文献
:1] 司徒梦天地下通信原理 [M] 北京 z 且参第 61 研
究所唱 1988. 148
[ 2 ] 司徒梦天用脉冲线性调频信号进行地下通信矗统
的弱信号阔步[A] 全国第五届军事通信学术会议论
文集 [C] 嘈 1996. 425-430
[ 3 ] 樊昌信，徐辆祥，詹道庸嘈等通信原理 [Ml 北京
国防工业出版社嘈 1984. 246
[4] Prc咄is J G 白.gi(al communications [MJ. san Frands
四 McG目 Book . 1983. 26 - 28
第 7期 司徒梦天：解决地下通信技术难题的方案及关键设备
The Technical Scheme and Key Equipment for
Solving the Dim cult Technical Problems of
Underground Radio Communications
Situ M engtian
(The Institute of China Electronic System Engineering Company，Beijing 100039，China)
【Abstractj Two difficult teOhnical problems in underground radio communications，i e．weak signal reception
and counter lightning pulses interference are described，and ways to solve these problems are proposed The de—
sign scheme of the telegraph terminal used for weak sign al reception and counter lightning pulses interference is
exhaustively studied．The performances of this terminal are analyzed，and results of laboratory measure and field
tests a also given．
【Key wordsj underground radio communications；weak signal reception；counter lightning interference
(cont．from P 63)
The Energy-saving Technology for Solution Polymerization of
Synthetic Rubber and the Development of
Eenergy-saving Rubber
Cao Xianghong。，Zhang Aimin
(1．ChinaPetroleum ＆ ChemicalCorporation，Beijing 100029，China：
2 SINOPEC Yanshan petrochemlcal Co ．，Ltd ，Beijing 100250，China )
[Abstractj The article summarized the energy-saving technology for solution polymerization of synthetic rub—
her and the development of the energy—saving rubber in Beijing Yanshan Petrochemical Co．，Ltd．(BYPC)．
Through impmving the catalytic system ，enhancing the reaction spced
， hence increasing the produea of the reac—
tors，adopting the po lymerization reactor equipped with a blade integrated agitator，as will as improvement of
the process technology and equipment in the po lymerization，coagulation and solution recovery sector
， the energy
consumption of cis-PBR in BYPC has been oontinuously decreasing and has reaching the international advanced
leve1 The commercialization of the heat pump technology in the agglutination of the solution polymerization for
the synthetic rubbers can help reduce the oonsumption of 1 MPa LP steam by 0
．72 t per ton 0f rubbef BYPC is
nOW working on the direct devolatilization of the rubber solution and the gas phase polymerization of Poly． buta．，
diene rubber． Technology development is also undergoing for new energy．saving synthetic rubbers such as
SSBR，mid—vinl-po lybutadiene rubber，SIBR and SBS，among which the technology for SSBR and SBS have al—
ready been commercialized．
LKey wordsj solution polymerization；synthetic rubber；energy-saving；energy-saving rubber
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第 7 期 司徒梦天 z 解决地下通信技术难题的方案及关键设备
The Technical Scheme and Key Equipment for
Solving the Difficult Technical Problems of
Underground Radio Communications
Situ Mengtian
( The lnstitute 0/ Ch ina Electronic System Engmeering Com归町 ， Beijing 100039. China)
69
[AbstractJ Two difficult teèhnical problems in underground radio communìcations? i. e. weak signal re叫tion
and counter lightning pulses mterference are described. and ways to 田，lve these problems are proposed . The de-
sign scheme of the telegraph terminal used for weak signal reception and ∞unter lightning pulses int曰ference is
exhaustively studied , The performances of this terminal are analyzed? and. I"I田ults 01 laboratory m四sure and field
tests are al50 gi ven
[Key w'町、ds] underground radio ∞，mmunications; weak signal 自由ption; ∞unter lightning interference
(cont. from p. 63)
The Ener町-saving Technology for Solution Polymerization of
Synthetic Rubber and the Development of
Eenergy-saving Rubber
Cao Xianghong1 , Zhang Aimin2
( 1αi na Petrol eu m & α尉nical Cor如ration? B均ing 100029 , China;
2 SINOPEC Yanshan petro町hemical Co., Ltd. . 岛ijing 100250 , China )
[Abslract] The article summarized the energy-saving technology for solution polymerization 01 synthetic rub-
ber and the development of the energy 咀凹ng rubber in Beijing Yanshan Petrochemical Co.. Ltd. (BYPC)
Through improving the catalytic syst回卫， enhancing the reaction speed? hence increasing the produce of the reac-
tors , adopting the polymerization reactor 吨uipped with a blade int喀rated agitator? 由 will as improvemen t of
the proce回 technology and equipment in the polymerization. coagulation and 501ution re∞，very sector , the energy
consumption of cis-PBR in BYPC has b田n continuously decreasing and has reaching the intemational advanced
level. The commerciali2ation of the heat pump technology in the agglutination 01 the solution polym曰ization for
the synthetic rubbers can help reduce the ∞nsumption 01 1 MPa LP steam by t per ton 01 rubber. BYPC is
nQW working on the direct devolatilization of the rubber solution and the gas phase polymerization of Poly-buta-
diene rubber. Technology development is al田 undergoing for new energy咀飞r.ìng synthetic rubbers such as
SSBR , mid-vinl-polybutadiene rubber. SIBR and SBS, among which the technology lor SSBR and SBS have al
ready been commerdalized.
[Key wor由]田lution polymerization: synthetic rubberj ener百y-saving j ene嘻y-saving rubber
