降低短波通信噪聲的軟硬件設(shè)計方法

李政，張曉潔，許榴佳

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇　南京　210014）

降低短波通信噪聲的軟硬件設(shè)計方法

李政，張曉潔，許榴佳

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇南京210014）

短波通信是一種常見的遠(yuǎn)距離無線通信手段，被廣泛地應(yīng)用在了電報、電話和廣播等領(lǐng)域。然而，短波通信的質(zhì)量容易受噪聲影響。首先，分析了短波通信噪聲大的原因。通過分析發(fā)現(xiàn)，短波通信中的噪聲主要是由短波的傳播特性和設(shè)備的研制問題引起的。然后，針對問題的原因，提出了一系列的降低短波通信噪聲的軟硬件設(shè)計方法，希望對廣大工程實踐工作者有所幫助。

短波通信；噪聲；軟件設(shè)計，硬件設(shè)計

0　引言

衛(wèi)星通信和短波通信是兩種常見的遠(yuǎn)距離無線通信手段[1]。但是，衛(wèi)星通信容易因被干擾或摧毀而失去通信能力，而短波通信卻具有設(shè)備簡單、架設(shè)方便和抗毀能力強等優(yōu)點，因此，盡管當(dāng)前新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波通信這一古老和傳統(tǒng)的通信方式仍然受到了全世界的普通重視，得到了廣泛的應(yīng)用。短波通信中，發(fā)射電波要經(jīng)電離層的反射才能到達(dá)接收設(shè)備，由于電離層的高度和密度容易受晝夜、季節(jié)和氣候等因素的影響，所以短波通信的穩(wěn)定性較差，噪聲較大。因而，本文對降低短波通信噪聲的軟硬件設(shè)計方法進行了研究，以期為改善短波通信接收端的聽音環(huán)境，提高通信質(zhì)量有所裨益。

1　引起短波通信噪聲的原因

1.1短波的傳播特性

短波主要通過地波和天波的方式進行傳播。地波沿地球表面?zhèn)鞑?，其傳播距離取決于地表介質(zhì)特性。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對于電波傳播最為有利，短波地波信號可以沿海面?zhèn)鞑? 000 km左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對電波的衰耗程度不一樣 （潮濕土壤地面對電波的衰耗小，干燥沙石地面對電波的衰耗大）。短波信號沿地面最多只能傳播幾十千米。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。短波的主要傳播途徑是天波，短波信號由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，再由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn) （幾百至上萬千米），而且不受地面障礙物的阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的，在天波傳播的過程中，路徑衰耗、時間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)和電離層衰落等因素，都會造成信號的弱化和畸變，影響短波通信的效果。

1.2設(shè)備的研制問題

當(dāng)前，承制單位對短波通信設(shè)備的認(rèn)識普遍不足，投入不夠，導(dǎo)致短波通信設(shè)備故障率高，通信不可靠[2]，主要體現(xiàn)在：技術(shù)狀態(tài)管理混亂、模塊的通用化低、設(shè)備在使用過程中突然出現(xiàn)故障導(dǎo)致通信中斷、不同廠家同型號電臺不能互換、同廠家不同時代的產(chǎn)品不能通用和產(chǎn)品的五性及工藝外觀等方面和需求相比還存在著較大的差距。

由于上述種種原因，噪聲大成為了短波通信的一個重要問題。通過對這一問題進行分析，發(fā)現(xiàn)其原因大致可以歸納為以下5點。

a）短波設(shè)備的外部電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號的影響

短波設(shè)備工作時，外部電子設(shè)備產(chǎn)生的各種頻率的干擾信號會以電磁波輻射的形式或通過電源線竄入短波設(shè)備中，如果干擾信號太強，則短波設(shè)備自身的抗干擾電路也將對此變得無能為力，從而造成較大的噪聲。

b）電路中某元器件性能變劣的影響

各種元器件都存在一定程度的噪聲，當(dāng)它們的性能變劣時，其噪聲就會相應(yīng)地增大，而這些噪聲又會被后面的放大器放大，從而導(dǎo)致最終出現(xiàn)較大的噪聲。

c）電路中某元器件引腳的焊接質(zhì)量不佳所造成的影響

元器件引腳的焊點質(zhì)量不好，就會造成虛焊等問題；當(dāng)電路板遭受振動時，焊點松動將會引起設(shè)備出現(xiàn)較大的噪聲。

d）電路的地線設(shè)計不良

在整機電路中，地線是各部分電路的共用線；當(dāng)?shù)鼐€的走向、排列等設(shè)計不合理時，各部分電路中的信號會通過地線相互耦合，從而造成噪聲大的問題。

e）由于電路中存在自激，產(chǎn)生嘯叫聲

當(dāng)設(shè)備中的輸入信號在一個環(huán)路中時，由于自激效應(yīng)，設(shè)備中就會出現(xiàn)單頻嘯叫，從而引起很大的噪聲。

分析引起短波通信 “噪聲大”這一問題的原因后，為了降低噪音，針對每種原因，本文提出了一系列的軟件與硬件設(shè)計方法，下面將對其進行詳細(xì)的介紹。

2　硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計

a）電磁兼容設(shè)計

為了實現(xiàn)電磁兼容，必須從分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備著手，采取有效的技術(shù)手段，抑制騷擾源，消除或減弱騷擾的耦合，降低敏感設(shè)備對騷擾的響應(yīng)。為了實現(xiàn)電磁兼容，可以從以下4個方面進行設(shè)計：

1）確定騷擾源和耦合途徑；

2）有源器件的選擇和印制電路板設(shè)計；

3）屏蔽設(shè)計；

4）濾波設(shè)計。

b）電源電路設(shè)計

很多人認(rèn)為只要穩(wěn)壓電源的輸出電壓和電流的數(shù)值符合要求就可以用，但實際上，這種認(rèn)識不夠全面。其實，有些干擾可能來自電源，有些話音失真也可能是電源動態(tài)范圍不足所導(dǎo)致的。數(shù)據(jù)傳輸對電源的要求更嚴(yán)格，如果電源的電磁屏蔽特性不好，輸出紋波大，則將直接導(dǎo)致數(shù)傳工作不正常。功率容量和設(shè)計余量也是考核穩(wěn)壓電源優(yōu)劣的重要依據(jù)，有些電源生產(chǎn)商為了降低生產(chǎn)成本，增強價格競爭優(yōu)勢，把電源的功率容量設(shè)計在臨界狀態(tài)，并盡量地簡化電路，選用低指標(biāo)元器件等，這類電源的技術(shù)性能和可靠性肯定是做不高的。為了降低電源本身對短波通信的影響，電源電路一定要設(shè)計精確，盡量地保證安全、可靠[3]。

2.2地線設(shè)計

設(shè)計良好的地線網(wǎng)絡(luò)既能提高抗擾度，又能減小電磁發(fā)射。因此，設(shè)備設(shè)計中要考慮將模擬電路和數(shù)字電路的地線分開，兩者中間要進行隔離，以免相互干擾[4]。設(shè)備接地時，要充分地考慮系統(tǒng)的需要，采取單點、懸浮、多點和混合接地等方式來減小干擾。

2.3去耦電路和旁路電路設(shè)計

電路中去耦和旁路設(shè)計一般都是通過在電路中加電容來實現(xiàn)的。去耦電容可以用來濾除高速器件在電路上引起的騷擾電流，防止電流沖擊而產(chǎn)生噪聲；旁路電容能夠消除電路上的高頻輻射噪聲。

2.4元器件的選用

在滿足整機技術(shù)指標(biāo)的條件下，元器件的選用原則是：應(yīng)盡量地選用集成電路，不用分立器件；盡量地選用數(shù)字電路，不用模擬電路，以利于整機朝著體積小、重量輕、集成化、數(shù)字化、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展。

此外，還應(yīng)降低所施加在電子元器件、零部件上的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，以降低電子元器件、零部件的故障率，提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

2.5電臺和天線的匹配

必須高度重視天線、饋線和電臺三者之間的匹配問題，否則，即便電臺、天線和饋線都選得很好，如果三者之間不匹配，通信效果還是有可能不好。所謂 “匹配”就是要求達(dá)到無損耗連接，只有電臺、饋線和天線三者保證高頻輸入輸出的阻抗一致，才能實現(xiàn)無損耗連接。

2.6正確地埋設(shè)接地體和連接地線

地線是很多用戶容易草率處理的問題。短波通信臺站的地線是至關(guān)重要的，其實際上是整個天饋線系統(tǒng)的重要組成部分。這里所說的地線，不是交流供電系統(tǒng)中的電源地或保安地，而是信號地，也被稱為高頻地。信號地一般不能接到電源地或保安地上，必須單獨埋設(shè)。埋設(shè)接地體時，必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行。電臺的接地柱和接地體之間，必須用多股線銅、編織銅線或大截面優(yōu)良導(dǎo)體連接，才能起到良好的高頻接地作用。而良好的高頻接地是減小發(fā)射駐波和接收噪聲的必要前提。

2.7選用先進優(yōu)質(zhì)的設(shè)備

采用先進優(yōu)質(zhì)的設(shè)備也是有效地降低短波通信中的噪聲的有效途徑之一，那么怎樣評價設(shè)備的先進性和質(zhì)量呢？設(shè)備的先進性體現(xiàn)在兩個方面：1）設(shè)備的電氣特性和工藝結(jié)構(gòu)，這方面先進與否決定了設(shè)備性能指標(biāo)的優(yōu)劣和可靠性；2）設(shè)備的使用功能，具有多種先進功能的設(shè)備不僅用途更廣泛，而且也說明制造者的科技實力更強。

3　軟件方法

3.1消噪技術(shù)

噪聲的危害在于它能夠淹沒有用的信號，因此在通信中，利用噪音抵消技術(shù)來減小其對信號的影響就顯得尤為重要。從使用類型上看，消噪技術(shù)可分為對端消噪和單端消噪兩種。

a）對端消噪

所謂對端消噪，是指需要發(fā)方電臺和收方電臺互相配合所進行的消噪工作。其過程是：在發(fā)方，電臺對信號和噪聲進行大倍率的平等壓縮；在收方，電臺對信號和噪聲進行不平等的解壓，通過這一過程，強化了信號，弱化了噪聲，實際的消噪效果是比較明顯的。但是，對端消噪在實際運用中有兩個困難：1）消噪器要單獨地適配電臺，設(shè)備互換性差；2）不配消噪器的電臺難以參與通信。這兩個問題制約了對端消噪技術(shù)的推廣。

b）單端消噪

單端消噪只處理本機收到的信號，無須對方電臺的配合，因而完全克服了對端消噪的弊端，成為了消噪技術(shù)的發(fā)展主流。其消噪的原理是根據(jù)有用信號的聲譜對話音進行數(shù)字化處理，從而濾除噪聲分量，因此它也被稱為濾噪。

3.2采用新型聲碼話技術(shù)

新型聲碼話是將波形編碼與參數(shù)編碼結(jié)合而產(chǎn)生的一種編碼方式，它使語音編碼技術(shù)有了突破性的進展。該編碼方式提出了一些非常有效的處理方法，產(chǎn)生了新一代的參數(shù)編碼算法，構(gòu)成了新一代的聲碼器[5]。這種編碼器既具備了聲碼器的特點（利用語音生成模型提取語音參數(shù)），又具備了波形編碼的特點 （優(yōu)化激勵信號，使其與輸入語音波形相匹配）。它采用線性技術(shù)構(gòu)成聲道模型，不僅能夠傳輸預(yù)測參數(shù)和清濁音信息，而且能夠?qū)㈩A(yù)測誤差信息和預(yù)測參數(shù)同時傳輸，在接收端構(gòu)成新的激勵源去激勵預(yù)測參數(shù)構(gòu)成的合成濾波器，使得合成濾波器輸出的信號波形與原始語聲的信號波形最大程度地擬合，從而獲得自然度較高的語聲。同時，它還可利用感知加權(quán)最小均方誤差的準(zhǔn)則使編碼器成為一個閉環(huán)優(yōu)化的系統(tǒng)，從而在較低的比特率上獲得質(zhì)量較高的語音。這種編碼技術(shù)的關(guān)鍵是如何高效地傳輸預(yù)測誤差信息。依據(jù)對激勵信息的不同處理，這類編碼主要可以分為：多脈沖線性預(yù)測編碼（MPLPC：Multi-pulse Linear Predictive Coding）、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼 （RPELPC：Regular-pulse-excited Linear Predictive Coding）、碼激勵線性預(yù)測編碼 （CELPC：Code-Excided Linear Predictive Coding）和低時延的碼激勵線性預(yù)測編碼 （LD-CELPC：Low-Delay Code-Excited Linear Predictive Coding）等幾種?；旌暇幋a克服了原有波形編碼器與聲碼器的弱點而結(jié)合了它們的優(yōu)點，在4～16 kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。在本質(zhì)上，也具有波形編碼的優(yōu)點，有一定的抗噪聲和抗誤碼的性能，但相對而言時延較大。

3.3利用語音存儲轉(zhuǎn)換糾錯功能

在語音通信中，可以預(yù)先存儲一些標(biāo)準(zhǔn)的話音，在需要用時只要從語音庫里調(diào)出話音即可。這樣便可避免因喑或其他的問題而引起的噪聲，提高通信質(zhì)量。

4　結(jié)束語

本文對降低短波通信噪聲的方法進行了分析和研究，并提出了幾種操作性較強的軟硬件設(shè)計工程解決方案，希望對廣大工程實踐工作者有所幫助。

[1]王三紅，郭琳，張軍琴.電子通訊設(shè)備的可靠性設(shè)計技術(shù)探討 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2003，21（3）：16-22.

[2]李政，張曉潔.以可靠性為中心的通信設(shè)備的質(zhì)量管理[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2016，34（2）：32-35.

[3]劉寶華，張曉瑩，李立華，等.通信電子電路 [M].北京：高等教育出版社，2008.

[4]胡斌，吉玲，胡松.電子工程師必備：九大系統(tǒng)電路識國寶典 [M].北京：人民郵電出版社，2013.

[5]譚亮.數(shù)字語音在調(diào)幅廣播信道中的傳輸研究 [D].南京：東南大學(xué)，2003：1-54.

Software and Hardware Design Method to Reduce the Noise in HF Commmunication

LI Zheng，ZHANG Xiao-jie，XU Liu-jia
（Nanjing Panda Handa Science and Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210002，China）

HF communication is a common means of long-distance wireless communication，and it has been widely used in the fields of telegraph，telephone，radio and so on.Firsty，the reasons of the high noise in HF communication are analyzed.Through the analysis，it is found that the noise in HF communication is mainly caused by the propagation characteristics of HF and the development problems of equipments.And then，aiming at the reasons of the problem，a series of software and hardware design methods to reduce the noise in HF communication are put forward，in hope that it will bring some help to engineering practice workers.

HF communication；noise；software design；hardware design

TN 911.4

A

1672-5468（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

2016-03-03

李政 （1974-），男，湖南雙峰人，南京熊貓漢達(dá)科技有限公司 （國營第七一四廠）高級工程師，主要從事機載短波、超短波無線通信領(lǐng)域國家重點工程項目的設(shè)計工作。