短波寬帶波形技術(shù)體制發(fā)展探討研究﹡

王玉龍

（海軍駐成都地區(qū)通信軍事代表室，四川 成都 610041）

0 引言

短波無線電設(shè)備簡單、其傳輸媒介抗毀性好，長期以來，短波通信是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、超視距軍事通信和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸通信的重要手段之一[1]。但是，短波信道是時(shí)變多徑衰落信道，在時(shí)域和頻域都是時(shí)變的。通常情況下，短波信道多徑數(shù)目為2 ms和1 Hz（ITU-短波差信道）。在中緯度短波電路上其多徑時(shí)延可以達(dá)到6 ms、多普勒衰落為5 Hz。這使得在實(shí)際信道上短波通信可靠性差、傳輸速率低，通信速率為2.4 kb/s都難以達(dá)到，一般不超過600 b/s，通常只用來進(jìn)行話音通信和低速數(shù)據(jù)通信[1]。

隨著現(xiàn)代信息化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增加和業(yè)務(wù)種類的擴(kuò)展，對(duì)于短波高速數(shù)據(jù)通信的需求也日益增強(qiáng)，研究短波高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外傳統(tǒng)短波通信主要采用3 kHz帶寬窄帶通信體制，通過采樣高效調(diào)制方式來提高通信速率，比如：美國短波通信軍標(biāo) MIL-STD-188-110B采用了64QAM調(diào)制技術(shù)來提高通信速率，其最高傳輸速率達(dá)到了9 600 bit/s（編碼）和12 800 bit/s（無編碼）[2]，但該信號(hào)對(duì)信道質(zhì)量要求高，實(shí)際信道上實(shí)現(xiàn)高速通信將變得困難，難以真正得到應(yīng)用。現(xiàn)代短波采用帶寬寬帶化實(shí)現(xiàn)高速通信將是一種發(fā)展趨勢(shì)。

1 國外短波高速通信研究現(xiàn)狀

美國在二十世紀(jì)末公布了傳統(tǒng)短波通信 3 kHz帶寬窄帶通信的調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 110B，同時(shí)期，北約公布了3 kHz帶寬的跳頻調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)STANAG-4444。目前，公開報(bào)道文獻(xiàn)中尚未見到跳頻調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但美國軍標(biāo)110B提出采用64QAM高效調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)9.6kbps，表1給出了美國窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)特點(diǎn)[3]。

表1 美國窄帶短波3kHz波形技術(shù)特征

美國軍標(biāo)110B建議利用獨(dú)立邊帶調(diào)制（ISB）技術(shù)實(shí)現(xiàn)19.2 kb/s，但其對(duì)信道質(zhì)量要求高，達(dá)到33 dB，北約STANAG-4539建議采用多個(gè)獨(dú)立信道綁定思想，將2～8個(gè)3 kHz信道并行傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)信道采用256QAM高效調(diào)制技術(shù)，在地波環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最高傳輸速率為128 kb/s。這種體制優(yōu)點(diǎn)是可以兼容現(xiàn)有設(shè)備，同時(shí)，可以充分利用短波頻段中的“頻譜間歇”實(shí)現(xiàn)短波高速通信。其缺點(diǎn)是這種技術(shù)體制需要多套收發(fā)設(shè)備支持，對(duì)頻譜資源要求較高，實(shí)際通信變得困難。這種多信道捆綁不是真正意義上的短波寬帶通信。

二十世紀(jì)九十年代，信道帶寬為1 MHz以上的短波直接序列擴(kuò)頻通信體制和短波高速差分跳頻是重點(diǎn)研究的兩種短波寬帶傳輸體制。美國采用寬帶直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在 1.5 MHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了57.6 kb/s的傳輸速率。由于短波信道具有“窗口效應(yīng)”，過高信號(hào)帶寬內(nèi)的干擾十分嚴(yán)重，其用戶容量和實(shí)際通信效果都將有限。美國采用高速差分跳頻技術(shù)的 CHESS系統(tǒng)在 2.56 MHz帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5 000跳/秒、19.2 kb/s的傳輸速率，CHESS系統(tǒng)采用前后兩跳的頻率位置關(guān)系攜帶信息，利用寬帶功放和寬帶天線等寬帶接收技術(shù)。近年來帶寬為1 MHz以上短波寬帶高速通信報(bào)道已很少，究其原因主要是實(shí)際短波通信的頻率窗口比較小。

進(jìn)入二十一世紀(jì)之后，最大帶寬為24 kHz的短波“準(zhǔn)寬帶”通信系統(tǒng)逐步成為研究重點(diǎn)。美國Harris公司和Rockwell公司分別對(duì)短波“準(zhǔn)寬帶”通信的不同技術(shù)體制進(jìn)行了獨(dú)立研究，這些體制包括：

1）多載波技術(shù)體制；

2）單載波單邊帶技術(shù)體制；

3）單載波多邊帶技術(shù)體制。

在2011年，美國提出了最新的短波通信調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范草案MIL-STD-188-110C，該標(biāo)準(zhǔn)采用了單載波單邊帶技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)了最大信號(hào)帶寬為24 kHz、最高傳輸速率為120 kb/s的寬帶短波高速通信系統(tǒng)。

無論是單載波串行波形體制，還是多載波并行波形體制，這種線性調(diào)制方式產(chǎn)生的波形信號(hào)都存在峰均比問題，從而使得電臺(tái)發(fā)射功率得不到有效利用。因此，最近幾年，美國在大力研究寬帶短波通信的波形體制技術(shù)的同時(shí)，還開展了以恒包絡(luò)非線性調(diào)制技術(shù)為核心的、窄帶短波波形標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的優(yōu)化工作[4]：

1）針對(duì)110B的單載波串行波形，2006年，美國Harris公司研究了以恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制（CPM）為核心的優(yōu)化方案：他們以MSK和GMSK代替PSK調(diào)制，給出了 110B標(biāo)準(zhǔn)中傳輸速率為 75～600 b/s的可選波形設(shè)計(jì)方案。其結(jié)論是：在AWGN信道、固定衰落多徑信道（2PNF）和短波差信道（Poor）三種典型短波信道條件下，其誤碼性能相當(dāng)。因此，考慮到系統(tǒng)的平均發(fā)射功率效能因素，新波形方案有2～5 dB性能增益。

2）針對(duì)110B的多音并行波形，2009年，美國Harris公司研究了以恒包絡(luò)多音技術(shù)（CE-OFDM）為核心的優(yōu)化方案。在AWGN信道、固定衰落多徑信道（2PNF）和短波差信道（Poor）條件下，在綜合考慮電臺(tái)平均功率效能情況下，Harris公司對(duì)比分析了CE-OFDM和OFDM的誤碼性能。得到結(jié)論：①CE-OFDM 采用線性頻域均衡技術(shù)不能提供有效性能增益；即便以PA效率代替APBO（對(duì)OFDM有額外 1.1 dB損傷），對(duì)于 2 400 b/s以上波形，CE-OFDM沒有更多優(yōu)勢(shì)。CE-OFDM技術(shù)成熟度不夠；②CE-OFDM解調(diào)復(fù)雜度大。

2 短波寬帶波形體制比較

2.1 技術(shù)體制比較

如前所述，短波寬帶波形技術(shù)體制主要有以下3種技術(shù)體制：

單載波多邊帶技術(shù)體制：利用多信道并行傳輸思想，將24 kHz帶寬劃分為8個(gè)相鄰的3 kHz信道，并行傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)3 kHz信道可以采用現(xiàn)有的串行波形技術(shù)，比如：如果每個(gè)信道傳輸2.4 kb/s，則8個(gè)信道可以傳輸19.2 kb/s。該技術(shù)體制可以理解為一種多載波技術(shù)，每個(gè)信道有不同的載波頻率，與正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)不同?？傮w來說，該技術(shù)體制需要采用多路調(diào)制解調(diào)，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)高。

多載波技術(shù)體制：該技術(shù)利用OFDM技術(shù)，其信號(hào)頻譜由多個(gè)子帶構(gòu)成，發(fā)送數(shù)據(jù)流被分解成多個(gè)低速數(shù)據(jù)流后，分別在每個(gè)子帶上并行傳輸?？傮w來說，OFDM技術(shù)已經(jīng)在民用寬帶無線通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，信號(hào)峰均比高，系統(tǒng)不能全功率發(fā)射，在多徑衰落和干擾環(huán)境下的性能受限。

單載波單邊帶技術(shù)體制：該技術(shù)體制充分利用擴(kuò)展的信號(hào)帶寬，采用單音調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)短波寬帶通信。在短波多徑衰落信道環(huán)境下，該技術(shù)體制可采用頻域或者時(shí)域的自適應(yīng)均衡檢測(cè)技術(shù)來完成信號(hào)接收，其中自適應(yīng)頻域均衡技術(shù)通過在信號(hào)幀結(jié)構(gòu)中增加循環(huán)前綴方法，簡化了自適應(yīng)時(shí)域均衡技術(shù)的逐符合均衡過程，減少了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。與時(shí)域均衡技術(shù)相比，頻域均衡技術(shù)對(duì)短波信道時(shí)變衰落特性有些敏感。

表2給出了三種技術(shù)體制的比較結(jié)果。可以看出：OFDM的功率發(fā)射效率最低，其性能最差；多邊帶體制的工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)最高；單邊帶體制在功率效率和性能潛力方面具有優(yōu)勢(shì)，其實(shí)現(xiàn)可借助現(xiàn)代高性能電子器件來完成，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)適中。

表2 短波寬帶波形技術(shù)體制的比較

目前，單載波寬帶傳輸體制是國外研究重點(diǎn)，單載波多邊帶技術(shù)體制能夠充分利用短波信道的“頻率窗口”特性、不需要連續(xù)的信道帶寬等優(yōu)點(diǎn)，該體制與短波現(xiàn)役窄帶電臺(tái)兼容性好，容易工程實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)體制最初受到國外重視。在 2002年，美國Rockwell公司ISB方法（每個(gè)邊帶信道上采用相同調(diào)制和編碼，以信道疊加方式實(shí)現(xiàn)單載波多邊帶短波寬帶傳輸）完成了多信道綁定的短波寬帶波形原型樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以64 kb/s波形速率演示了網(wǎng)頁瀏覽、文件交互和電子郵件傳輸。Rockwell公司推動(dòng)了短波高速通信系統(tǒng)的波形標(biāo)準(zhǔn)化工作，研究了標(biāo)準(zhǔn)化波形設(shè)計(jì)，以及信道選擇（如：獨(dú)立窄帶信道數(shù)、波形交織深度和傳輸速率）、鏈路建立和維護(hù)、動(dòng)態(tài)鏈路優(yōu)化等短波寬帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為研究多信道綁定寬帶傳輸體制對(duì)短波信道的適應(yīng)能力，在2006～2007年，美國Harris公司采用S-4538標(biāo)準(zhǔn)中用于FLSU-LQA的探測(cè)波形評(píng)估了多邊帶信道的信道質(zhì)量，并且分析這種多邊帶信道質(zhì)量變化對(duì)單載波多邊帶短波寬帶波形的設(shè)計(jì)的影響。在信道質(zhì)量評(píng)估方面，Harris估計(jì)每個(gè)信道上信噪比、多徑延遲和多普勒擴(kuò)展。Harris公司的研究表明：全天超過72%以上時(shí)段，多邊帶信道上信噪比變化超過4 dB；多個(gè)短波頻段上的多邊帶信道信噪比變化有2～6 dB，甚至更高?？紤]到在信噪比變化超過3/4 dB的信道環(huán)境下，波形數(shù)據(jù)傳輸率能夠增加或者減少一倍。而且，當(dāng)信噪比變化幾個(gè)dB時(shí)，波形能夠?qū)崿F(xiàn)從50%誤碼陡降到零誤碼。因此，Harris公司認(rèn)為：短波多信道綁定寬帶波形設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)是：根據(jù)每個(gè)信道的信道質(zhì)量評(píng)估結(jié)果，將信道質(zhì)量評(píng)估和ARQ握手機(jī)制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)多信道波形參數(shù)的自適應(yīng)。Harris公司建議改進(jìn)短波多信道綁定寬帶傳輸?shù)腎SB設(shè)計(jì)方法。

單載波多邊帶技術(shù)體制還存在兩個(gè)固有缺點(diǎn)：一是與單邊帶傳輸體制相比，多邊帶傳輸?shù)姆寰雀?；二是多邊帶傳輸體制存在不可用的信道保護(hù)帶問題，與單邊帶技術(shù)體制相比，其信道帶寬更大。2009年，Harris公司的研究表明：在短波差信道條件下（2 ms多徑、1 Hz多普勒），速率為600～19 200 b/s的單邊帶波形性能比多邊帶波形性能有1 dB增益。

2.2 我國短波寬帶波形技術(shù)體制思考

目前國內(nèi)正大力開展研究和研發(fā)短波寬帶高速通信系統(tǒng)[5-6]，其重點(diǎn)是研究和開發(fā)短波寬帶波形技術(shù)。從國外短波寬帶通信系統(tǒng)研究情況可以看出，國外短波寬帶波形技術(shù)體制還是以發(fā)展具有較好電磁兼容性、能夠適應(yīng)實(shí)際短波通信的頻率窗口特性的“準(zhǔn)寬帶”短波通信系統(tǒng)為主。作者認(rèn)為，我國未來短波通信系統(tǒng)將是一種信道帶寬得到適當(dāng)擴(kuò)展的短波寬帶通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將綜合采用各種頻譜感知技術(shù)、自適應(yīng)通信技術(shù)和編碼調(diào)制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，以適應(yīng)在波形的信號(hào)帶寬擴(kuò)展后帶來的“頻率窗口”問題，系統(tǒng)的技術(shù)特征主要表現(xiàn)為：

首先，我國未來的短波通信系統(tǒng)將走向?qū)拵Щㄟ^適當(dāng)擴(kuò)展信號(hào)帶寬，從傳統(tǒng)3 kHz信號(hào)帶寬擴(kuò)展到最大信號(hào)帶寬為24 kHz，采用更高的符號(hào)速率方式實(shí)現(xiàn)短波寬帶高速通信，滿足現(xiàn)代社會(huì)信息化發(fā)展對(duì)短波高速通信需求。

其次，我國寬帶波形技術(shù)體制將采用單載波單邊帶技術(shù)體制，通過采用時(shí)域或者頻域均衡檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。在信號(hào)設(shè)計(jì)方面，通過采用高頻譜效率調(diào)制技術(shù)和高性能Turbo碼/LDPC碼等編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗噪聲能力強(qiáng)、傳輸可靠性高的寬帶波形。

最后，我國下一代短波寬帶通信系統(tǒng)將通過采用頻譜感知技術(shù)、跳頻技術(shù)和多參數(shù)自適應(yīng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)短波寬帶自適應(yīng)跳頻通信，采用快速自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制實(shí)現(xiàn)寬帶高速數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)將具有實(shí)時(shí)信道感知能力，具備適應(yīng)短波信道時(shí)變衰落和干擾特性的通信頻率捷變、傳輸速率自適應(yīng)等功能。系統(tǒng)將采用實(shí)時(shí)干擾檢測(cè)和抑制等方法，具有波形信號(hào)級(jí)抗干擾能力。

3 結(jié)語

通過適當(dāng)擴(kuò)展信號(hào)帶寬來取得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和性能是當(dāng)前國內(nèi)外短波通信發(fā)展的技術(shù)方向之一，文中對(duì)短波寬帶波形技術(shù)體制發(fā)展進(jìn)行初步探討，提出了一種綜合采用各種自適應(yīng)通信技術(shù)、跳頻技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、高頻譜效率的編碼調(diào)制技術(shù)等寬帶短波自適應(yīng)跳頻波形技術(shù)體制。與傳統(tǒng)3 kHz窄帶短波通信在實(shí)際信道上傳輸速率不超過2.4 kb/s相比，寬帶短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)將大幅度提高傳輸速率，預(yù)期在實(shí)際海面波環(huán)境下抗干擾跳頻通信速率將達(dá)到38.4 kb/s，為我國發(fā)展短波數(shù)據(jù)傳輸新體制提供了重要參考，將能夠有效推動(dòng)我國短波通信發(fā)展。

[1] 胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2] MIL-STD-188-110B. Interoperability and Performance Standards for Data Modems[S].[s.l.],2000.

[3] MIL-STD-188-141B. Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].[s.l.]:[s.n.],2001.

[4] NIETO J W,FURMAN W N. Constant-Amplitude Waveform Variations of US MIL-STD-188-110B and STANAG 4539[C]. The 10thIET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques. London:IET Communication Networks and Services Network,2006:205-209.

[5] 范偉,朱家成,胡飛.短波自適應(yīng)通信的信道仿真算法研究[J].通信技術(shù),2013,46(02):19-21.

[6] 趙慧霞,許從方.短波自適應(yīng)跳頻技術(shù)的研究[J].通信技術(shù),2011,44(06):7-9.