短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用探討

孫健 張嵩

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短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用探討

孫健 張嵩

南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000

短波數(shù)字通信技術(shù)作為一種發(fā)展歷史悠久的傳統(tǒng)通信技術(shù)，憑借高度的安全性、可靠性、靈活性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢一直受到強烈推崇，在通信領(lǐng)域占據(jù)重要地位。對短波通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)均衡技術(shù)和信道編碼技術(shù)進行探討，期望為研究人員提供一定參考，使短波通信技術(shù)發(fā)揮更大價值。

短波數(shù)字通信；關(guān)鍵技術(shù)；信道

引言

短波數(shù)字通信技術(shù)具有一系列無可替代的優(yōu)勢，首先它具有很好的機動性能，可以實現(xiàn)較遠距離內(nèi)的通信。此外，該技術(shù)具有很強的生存能力與適應(yīng)能力，僅需要較小的成本投入就能收到良好的通信效果。盡管隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，很多嶄新的通信技術(shù)層出不窮，但短波通信技術(shù)這一傳統(tǒng)的通信方式依托其自身的諸多優(yōu)良特性不僅從未被時代淘汰，而且在社會各領(lǐng)域中發(fā)揮了越來越重要的作用。相比其他通信技術(shù)，短波數(shù)字通信的體積較小，靈活性強，方便移動，尤其在軍事領(lǐng)域短波通信發(fā)揮了重大作用。若突發(fā)戰(zhàn)爭或是自然災(zāi)害等異常情況，一般的通信設(shè)備如通信衛(wèi)星等很容易被摧毀，并且一旦損壞很難在短時間內(nèi)修復(fù)完好；而短波通信由于目標較小，受到破壞的可能性較小，具有很高的安全可靠性。此外，短波通信可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的通信，尤其是在低緯度地區(qū)，短波通信可用的頻段較寬，因而具有很高的可用頻率，并且不容易受到磁暴或是粒子沉陷等因素的干擾[1]。

短波通信受到電離層的影響較大，一旦由于季節(jié)或是太陽活動的因素導(dǎo)致電離層受到干擾，則短波通信的質(zhì)量會隨著電離層的改變而變動，例如多徑傳輸會引發(fā)符號之間的干擾，使接收到的信號失真。短波通信的技術(shù)尚且不夠成熟，很多關(guān)鍵技術(shù)需要完善，研究人員需要在短波通信領(lǐng)域投入更大的科研精力，本文對短波通信中的自適應(yīng)均衡技術(shù)和信道編碼技術(shù)兩大關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，在簡要闡述技術(shù)原理的基礎(chǔ)上分析了其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了短波通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展前景。

1 短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 自適應(yīng)均衡技術(shù)

在短波數(shù)字通信中信道均衡是一項關(guān)鍵問題，在信道傳輸過程中數(shù)據(jù)很容易受到碼間干擾因素的影響導(dǎo)致信號失真。若僅僅對數(shù)據(jù)碼進行簡單的調(diào)制與解調(diào)，則發(fā)送的數(shù)據(jù)仍然無法被充分還原。為了解決碼間干擾導(dǎo)致的信號失真問題，信道均衡是一個有效的方法。信道均衡基于補償信號的原理，對所傳輸信號利用特定的算法估計出信道特征，繼而對失真的信號進行補償，從而使數(shù)據(jù)的接收方可以得到精確復(fù)原后的數(shù)據(jù)[2]。

自適應(yīng)均衡器是根據(jù)信號相應(yīng)的變化可以自動調(diào)節(jié)的一種設(shè)備。一旦調(diào)制的信號帶寬比短波信道的相對帶寬更大時，調(diào)制的信號會發(fā)生碼間干擾問題，使調(diào)制的信號的帶寬被擴展。自適應(yīng)均衡器的工作模式有兩種，分別是訓(xùn)練模式與跟蹤模式。其中訓(xùn)練模式的原理是在發(fā)射機發(fā)射某個已知且長度固定的序列時，接收端的均衡器會自動調(diào)節(jié)，令BER降到最低。通常訓(xùn)練序列是一組隨機信號，該信號由二進制編碼組成，或者訓(xùn)練序列是已經(jīng)提前制定好的比特流，繼而訓(xùn)練序列處于跟蹤模式下被跟隨并傳輸用戶數(shù)據(jù)。在這一階段接收端的自適應(yīng)均衡器會采用遞歸算法估計信道特性，一旦發(fā)現(xiàn)失真的信號便采用修正濾波器系數(shù)的方法補償信道。訓(xùn)練序列的目的是在任意信道條件下都可以使自適應(yīng)均衡器得到最優(yōu)化的濾波器系數(shù)，從而在序列被完整地傳輸后，自適應(yīng)均衡器得到的濾波系數(shù)更加理想。在接收數(shù)據(jù)時，自適應(yīng)均衡器便可以實時跟蹤信道變化情況。自適應(yīng)均衡器經(jīng)過訓(xùn)練模式的不斷練習(xí)和修正后就可以不斷提升濾波特性，使自適應(yīng)均衡器的收斂性得到有效改善[3]。

自適應(yīng)均衡技術(shù)主要分為兩類，分別是傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和盲均衡。由于盲均衡的適用范圍比較窄，只有對時效性要求不是很高或是無法發(fā)送訓(xùn)練序列的情況下盲均衡才適用。為了更好地滿足短波通信的時效性，采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)均衡技術(shù)是極為必要的，研究重點也應(yīng)放在傳統(tǒng)自適應(yīng)均衡技術(shù)方面。

1.2 信道編碼技術(shù)

短波數(shù)字通信中導(dǎo)致信號失真的干擾因素主要有兩種，分別是噪聲和衰落。對傳輸過程中的錯誤進行修正通常采用的是糾錯編碼技術(shù)。由于短波信道是一種衰落信道，多徑分量一旦引起大的衰落會增大信道的錯誤率，因而必須合理編碼信道使信道的錯誤能被及時糾正或者使錯誤被分散。信道編碼包括交織、分組碼、級聯(lián)碼、卷積碼以及Turbo碼幾種類型[4]。

1.2.1交織

無線信道的變化過程與符號的持續(xù)時間相比較為緩慢。若信道處于某個衰落深陷區(qū)內(nèi)，持續(xù)時間在10～100?ms之間，則會使比特發(fā)生較為嚴重的衰減。此時由于錯誤率很高，采用傳統(tǒng)意義上的編碼手段起不到任何作用，只能使用交織的方式。交織令碼字中的任意一個比特呈現(xiàn)獨立衰落的狀態(tài)，碼字內(nèi)冗余的信息就可以恢復(fù)原有的數(shù)據(jù)。不過交織只有與編碼結(jié)合在一起才能降低比特發(fā)生失誤的概率。若一個系統(tǒng)中沒有編碼，則交織器盡管仍然可以分散錯誤，但比特失誤率不會被減少，并且交織還會增加傳輸?shù)却龝r間。

1.2.2 卷積碼

卷積碼的原理是利用各組編碼之間的相關(guān)性，該編碼序列可以使輸入的連續(xù)序列轉(zhuǎn)變成輸出序列。卷積碼在國際衛(wèi)星通信中被公認為標準碼。這種編碼形式可以實現(xiàn)最佳的譯碼。卷積碼憑借優(yōu)越的性能得到了廣泛應(yīng)用。

1.2.3 分組碼

分組碼的功能是對數(shù)據(jù)源分組并在每組數(shù)據(jù)源中通過計算得到一個更長的碼字，繼而傳輸該碼字。較低的碼率會導(dǎo)致較高的信道冗余水平，從而有更大的概率糾正錯誤。

1.2.4 級聯(lián)碼

級聯(lián)碼形式可以實現(xiàn)二進制碼和非二進制碼之間的單極級聯(lián)。級聯(lián)碼可以將短分量的碼字構(gòu)建組合成更長的編碼。在短波數(shù)字通信領(lǐng)域已經(jīng)廣泛采用以非二進制碼為外碼、二進制碼為內(nèi)碼的級聯(lián)碼形式，其中內(nèi)碼通常較短，譯碼方式選用的是軟判決譯碼算法；外碼采用的譯碼方式是代數(shù)譯碼方式。

1.2.5 Turbo碼

卷積碼和交織結(jié)合在一起便構(gòu)成了Turbo碼，是一種隨機性的編碼技術(shù)。Turbo碼可以足夠接近香農(nóng)極限的譯碼性能，具有很強的抗衰落干擾能力。

2 短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

自適應(yīng)均衡性的水平高低很大程度上影響了短波通信的質(zhì)量。自適應(yīng)均衡技術(shù)的功能是避免調(diào)制帶寬較大導(dǎo)致的短波信道干擾的問題，然而短波通信的信號傳輸過程中不可避免地存在很大的變化性和很多不可預(yù)知的情況，因而短波通信中的自適應(yīng)均衡器必須很好地自我調(diào)節(jié)，及時糾正短波通信中的碼間干擾引發(fā)的通信錯誤。然而自適應(yīng)均衡器的類型、性能和使用效果都有差異，由此導(dǎo)致均衡器的使用容易發(fā)生問題，并降低短波通信的效率。

在信道編碼方面，由于短波通信技術(shù)有著很長的發(fā)展歷史，傳統(tǒng)的短波數(shù)字通信中的編碼技術(shù)與如今的編碼技術(shù)相比較為落后。目前隨著相關(guān)技術(shù)的完善，短波通信的編碼水平有了一定程度的提升，然而由于通信信道較多，在傳輸中信號很容易發(fā)生交錯。信道編碼技術(shù)可以糾正這一問題，但部分信道編碼仍存在一些未被處理的漏洞，無法很好地發(fā)揮編碼糾錯功能。

3 短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的升級與優(yōu)化措施

3.1 自適應(yīng)均衡技術(shù)的優(yōu)化方法

作為短波通信系統(tǒng)的核心組成部分，自適應(yīng)均衡技術(shù)的性能直接決定了短波通信的質(zhì)量與通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。短波通信的具體實現(xiàn)過程是監(jiān)控信道中傳輸信號的狀況，一旦發(fā)現(xiàn)傳輸中出現(xiàn)錯誤則第一時間將錯誤部分反饋給通信系統(tǒng)的控制中心，隨后控制中心發(fā)出指令，自適應(yīng)均衡器按照指令做出處理動作[5]。在短波數(shù)字通信系統(tǒng)中可以引進一些先進技術(shù)，采用智能化手段修復(fù)一部分問題不是很嚴重的碼間干擾。另外，程序開發(fā)人員可以研究如何簡化碼間干擾的糾錯程序，使自適應(yīng)均衡器的工作量得到降低的同時提升糾錯的精準性，使自適應(yīng)均衡技術(shù)在短波數(shù)字通信系統(tǒng)中得到更加穩(wěn)定的應(yīng)用[6]。

3.2 信道編碼技術(shù)的優(yōu)化方法

短波數(shù)字通信過程中對信道合理而科學(xué)的編碼是一項關(guān)鍵任務(wù)。研究人員應(yīng)高度重視信道編碼工作，在設(shè)計信道編碼時應(yīng)預(yù)先估計好容易發(fā)生的問題，針對問題做好綜合化的分析與處理準備，從而降低信道編碼中出現(xiàn)漏洞的可能性。

4 結(jié)語

短波數(shù)字通信技術(shù)歷來被公認為最優(yōu)的遠程通信技術(shù)，可以實現(xiàn)遠距離通信，然而短波數(shù)字通信容易受到電離層的干擾而降低穩(wěn)定性與可靠性。自適應(yīng)均衡技術(shù)和信道編碼技術(shù)是解決短波數(shù)字通信中存在缺陷的兩種關(guān)鍵技術(shù)，其中自適應(yīng)均衡技術(shù)針對碼間干擾問題有較為良好的效果，使傳輸?shù)臄?shù)字信號能被精確還原，從而使接收方得到正確的信息。信道編碼技術(shù)是將失真的數(shù)據(jù)利用特定算法使之還原為初始數(shù)據(jù)的技術(shù)?？傮w而言，短波數(shù)字通信技術(shù)作為通信領(lǐng)域內(nèi)的一項關(guān)鍵技術(shù)，在很長一段時間內(nèi)都難以被替代，可以預(yù)見該技術(shù)在未來必將得到更深入的研究與創(chuàng)新，使短波數(shù)字通信現(xiàn)有的問題得到解決，并且能發(fā)揮嶄新的功能。

[1]王金龍. 短波數(shù)字通信研究與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[2]鄧勝林. 短波數(shù)字通信網(wǎng)云南中心站系統(tǒng)分析[D]. 昆明：云南大學(xué)，2015.

[3]孔京. 基于軟件無線電原理的短波數(shù)字通信平臺的關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[4]江偉. 短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)論述[J]. 數(shù)字通信世界，2018（3）：142.

[5]楊吉祥. 短波數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016（12）：54.

[6]齊崇英，陳西宏，蘇紅潮. 基于DSP的單兵背負式短波數(shù)字通信系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28（3）：50-51.

Discussion on the Application of Key Technology in Short-Wave Digital Communication System

Sun Jian Zhang Song

Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210000

As a traditional communication technology with a long history, short-wave digital communication technology has been highly praised for its high security, reliability, flexibility and economy. It plays an important role in the field of communication. The adaptive equalization technology and channel coding technology in short-wave communication systems are discussed. It is expected to provide some reference for researchers and make the short-wave communication technology more valuable.

short-wave digital communication; key technology; channel

TN925

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