某型對(duì)海微波通信系統(tǒng)的無線電數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雷　李紅泉　姜楊

【摘要】 為了解決現(xiàn)有點(diǎn)式和鏈?zhǔn)浇恿M網(wǎng)對(duì)海移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為薄弱的問題，設(shè)計(jì)了對(duì)海微波通信系統(tǒng)的無線電數(shù)據(jù)鏈；介紹了設(shè)計(jì)目標(biāo)、微波系統(tǒng)體制和工作模式，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，提出了采用圓極化天線、OFDM/QPSK體制及Rake接收技術(shù)等抗多徑衰落措施；拉距試驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)達(dá)到了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的功能性要求。

【關(guān)鍵詞】 對(duì)海微波通信 數(shù)據(jù)鏈 OFDM/QPSK

一、引言

為了提高對(duì)海指揮通信保障能力，增加對(duì)海通信手段，解決海上和陸上機(jī)動(dòng)指揮通信能力不足的問題，某型對(duì)海微波通信系統(tǒng)利用浮空器搭載通信轉(zhuǎn)信裝備，與地面配套通信裝備一起組成通信中繼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有通信網(wǎng)對(duì)海上船只的語音、數(shù)據(jù)和圖像的遠(yuǎn)距離傳輸。

該微波通信系統(tǒng)的無線電數(shù)據(jù)鏈主要由C波段鏈路和UHF波段鏈路設(shè)備組成，安裝在地面指揮單元、基站和船載移動(dòng)站上，完成語音和圖像等數(shù)據(jù)的傳輸。針對(duì)海地通信的任務(wù)需求，采用OFDM體制，使設(shè)備的抗多徑、抗衰落等多方面性能得到了進(jìn)一步提高，滿足了海地通信中繼的使用要求。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)

作為對(duì)海微波通信系統(tǒng)的重要組成部分，無線電數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)為完成其在通信中繼中的使命，應(yīng)具有以下功能：（a）業(yè)務(wù)接入功能。提供業(yè)務(wù)傳輸?shù)南鄳?yīng)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指揮調(diào)度、電話、IP網(wǎng)絡(luò)信息的接入復(fù)用；（b）信息傳輸功能。實(shí)現(xiàn)船載部分到空中部分、空中部分到地面部分、地面部分到指揮單元之間信息傳輸；（c）保密功能。具有無線信道加解密功能；（d）指揮通信功能。在地面基站提供與指揮單元的通信信道，實(shí)現(xiàn)基站與指揮單元的指揮通信功能；（e）管理功能。具有系統(tǒng)性能、配置、安全和故障管理功能。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 微波系統(tǒng)體制和工作模式

對(duì)海微波通信系統(tǒng)空中部分到海上部分包括三條無線信道，分別為上行信道、下行信道和同步/控制信道，如圖1所示。上、下行信道采用頻分雙工時(shí)分多址體制，工作在C頻段，用于傳輸上、下行寬帶信息和設(shè)備的狀態(tài)信息。同步/控制信道采用直接序列擴(kuò)頻體制，工作在UHF波段，有三個(gè)功能：一是傳輸?shù)孛婊景l(fā)送的同步信息，保證所有船載移動(dòng)站同步；二是傳輸監(jiān)控設(shè)備向船載移動(dòng)站發(fā)送的指令信息，如頻道、碼速率、業(yè)務(wù)種類等，可以實(shí)現(xiàn)地面基站對(duì)船載移動(dòng)站的實(shí)時(shí)遙控，與上行信道結(jié)合起來，在地面電子方艙就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船載移動(dòng)站業(yè)務(wù)狀態(tài)的控制，實(shí)時(shí)了解所有船載移動(dòng)站設(shè)備的工作狀態(tài)；三是將空中設(shè)備的經(jīng)緯度信息傳送給各個(gè)船載移動(dòng)站，供移動(dòng)站定向天線實(shí)現(xiàn)數(shù)字引導(dǎo)。

下行鏈路采用OFDM/QPSK調(diào)制體制向多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送；上行各節(jié)點(diǎn)采用OFDM/QPSK調(diào)制體制時(shí)分工作，系統(tǒng)每幀周期發(fā)送一次，每個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙占1/8，可支持多套移動(dòng)站同時(shí)工作，時(shí)隙分配示意圖如圖2所示。

3.2 抗多徑衰落措施

3.2.1 采用圓極化天線抑制反射徑能量

圓極化天線左右旋具有較好的隔離度[1]，海上電波傳播的反射徑經(jīng)海面反射后，左旋變?yōu)橛倚炀€接收時(shí)，收到正常旋轉(zhuǎn)的直射徑能量和反旋轉(zhuǎn)的反射徑能量。利用天線自身的左右旋極化間的隔離，達(dá)到對(duì)反射徑的抑制。

3.2.2 采用OFDM/QPSK體制實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸

海面?zhèn)鞑儆趶?qiáng)反射、強(qiáng)多徑信道，系統(tǒng)傳輸宜采用抗多徑、抗衰落性能較好的調(diào)制體制，工程經(jīng)驗(yàn)證明OFDM是一種有效的調(diào)制體制。OFDM是一種利用多載波調(diào)制的特殊頻率復(fù)用技術(shù)，通過串并轉(zhuǎn)換降為低速數(shù)據(jù)，可以有效消除碼間串?dāng)_的影響，抵抗頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落，比起單載波具有更強(qiáng)的抗窄帶干擾能力，更便于采用均衡措施。采用OFDM/QPSK體制可以提高鏈路凈衰落儲(chǔ)備，但是在萊斯信道下改善的具體數(shù)值目前還沒有專門說明。圖3是文獻(xiàn)上提供的瑞利信道下采用OFDM后的性能對(duì)比。

由圖3可見，在瑞利信道下，按照1×10-5誤碼率估計(jì)，采用OFDM時(shí)只需要16dB的信噪比，而無OFDM則需要至少25dB的信噪比，鏈路凈衰落儲(chǔ)備增加9dB。

3.2.3 采用Rake接收技術(shù)

由于同步控制/信道采用了擴(kuò)頻體制，解調(diào)時(shí)可以采用Rake接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗多徑干擾，圖4所示是M路可變抽頭Rake接收機(jī)框圖。它使用相關(guān)接收機(jī)組，各相關(guān)接收機(jī)采用不同時(shí)延的偽碼信號(hào)與輸入的多徑信號(hào)相關(guān)，得到各自時(shí)延的相關(guān)輸出。然后這些相關(guān)接收機(jī)的輸出根據(jù)它們的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)，并把加權(quán)后的各路輸出延遲相加合并輸出。加權(quán)系數(shù)的選擇原則是使輸出信噪比最大。采用Rake接收方法之后，接收機(jī)相關(guān)AGC電壓變得非常平穩(wěn)；而沒有采用該方法之前，接收機(jī)相關(guān)AGC電壓抖動(dòng)非常大，甚至?xí)斐山邮諜C(jī)失鎖。

四、拉距驗(yàn)證試驗(yàn)

外場拉距試驗(yàn)是定性驗(yàn)證系統(tǒng)在無線狀態(tài)下工作性能的一種有效手段。拉距驗(yàn)證試驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)移動(dòng)過程中頻譜特性進(jìn)行了測試，見圖5、圖6。拉距試驗(yàn)測試結(jié)果表明：系統(tǒng)在有主徑的信道下，設(shè)備工作正常，系統(tǒng)誤碼正常；在瑞利信道下，系統(tǒng)能否正常工作與遮擋持續(xù)時(shí)間長短、頻譜衰落程度有關(guān)。當(dāng)遮擋持續(xù)時(shí)間短、頻譜衰落不太惡劣時(shí)，系統(tǒng)能夠正常工作。

五、結(jié)論

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?duì)海微波通信系統(tǒng)的重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)寬帶語音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。通過對(duì)系統(tǒng)功能和需求的分析，選定了系統(tǒng)體制和工作模式，對(duì)系統(tǒng)抗多徑衰落措施進(jìn)行了討論，通過外場拉距驗(yàn)證試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)滿足通信轉(zhuǎn)信指標(biāo)要求，可以與其它系統(tǒng)一起完成轉(zhuǎn)信任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則方法對(duì)同類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 史曉鋒，張有光，林國鈞. 通信技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] William Schweber. 電子通信系統(tǒng). 清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 黃智偉. 無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì). 北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4] 沈允春. 擴(kuò)譜技術(shù). 國防工業(yè)出版社，1995.

[5] 董天齊，李向東，鄭學(xué)誼. 海上靶場試驗(yàn)通信技術(shù)與保障.國防工業(yè)出版社，2006.