短波頻段業(yè)余數字信號分析

唐 艷，劉依卓

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱 150010）

1 引言

業(yè)余無線電是一種以無線電通聯為方式、以無線電研究為目的的個人業(yè)余愛好而不涉及謀取利益。由于短波頻段可以利用電離層反射進行全球通訊，因此，在這個頻段上擠滿了獵取遠距離或稀有臺的業(yè)余無線電愛好者。

業(yè)余無線電愛好者可以利用電臺，以多種方式通聯，常見的通聯方式有語音方式、摩爾斯電碼方式、無線電傳方式、電視方式和數字方式。短波電臺數字化，全球越來越多的愛好者利用數字方式進行通信，當前已形成多種技術成熟的數字通信體制（如Olivia MFSK、PSK 31、PACTOR、Clover 等）。將電臺與計算機連接起來，通過專門的軟件，進行信息交換，數字通聯方式極大豐富了業(yè)余無線電的內涵，但同時也給監(jiān)測工作加大了難度。因此，本文研究了短波業(yè)余業(yè)務中幾類常見的數字信號，進一步掌握了其通信模式、信號特征及分析方法。

2 Olivia MFSK

2.1 信號特征

Olivia MFSK是一種設計用于短波頻段困難（低信噪比加多路徑）條件下的業(yè)余無線電電傳打字機協議，使用多頻移鍵控（MFSK）調制方式。Olivia模式通常被稱為Olivia X/Y，其中X表示傳輸的不同音頻音調的數量，Y表示這些信號的帶寬（單位赫茲）。常見的Olivia模式的如表1所示。

表1 常見的Olivia模式

按照慣例，業(yè)余電臺利用Ol iv i a 16/50 0或32/1000模式發(fā)起對話，一旦建立了通信，通信雙方切換到另一種更適合當前傳播條件的模式以繼續(xù)對話。表2列出了業(yè)余無線電頻段中Olivia 16/500和32/1000常用的中心頻率。

2.2 信號分析

本文使用WAVECOM公司的W61PC信號分析軟件對Olivia MFSK信號進行分析。首先，利用CCC功能進行信號的自動分類與模式識別，如圖1所示，在確認為Olivia MFSK信號后，選擇HF-Mode中的OLIVIA模式進行解碼。進入解碼狀態(tài)后，需根據識別出的Olivia模式選取帶寬值和音調數量，并設置為國際電報字母表ITU-5，解碼內容如圖2所示，為業(yè)余電臺的通聯呼叫。

表2 常用中心頻率

圖1 Olivia 32/1000信號分類與模式識別

圖2 Olivia 32/1000信號解碼

3 PSK 31

3.1 信號特征

PSK 31是一種業(yè)余無線電愛好者建立的優(yōu)秀窄帶數字通信方式，其波特率為31.25Bd，使用DPSK差分相移鍵控調制方式，包括DBPSK和DQPSK兩種。PSK 31使用極窄的帶寬來實現高性能的數據傳送，尤其在干擾很大的情況下也能建立可靠通信。其這一特性在當今干擾嚴重的短波頻段有著重要意義。

PSK 31最常用的通聯頻率是14.070MHz，此外，在其他波長頻段上也可以發(fā)現PSK 31信號，表3列出了一些常用的中心頻率。為了進一步改善誤碼率和多徑、衰減、多普勒等傳輸影響，業(yè)余無線電愛好者還建立了其他幾種方式，如PSK 63 FEC、PSK125 FEC和PSK 220 FEC。

表3 PSK 31常用中心頻率

3.2 信號分析

現在主流的信號分析軟件如W61PC、Go2Signal 以及業(yè)余愛好者開發(fā)的DIGIPAN等，都可以對PSK 31信號進行分類識別與解碼。本文使用W61PC對該類信號進行分析，分類與模式識別結果如圖3所示。信號解碼時，需根據上步識別結果設置解調方式為DBPSK，同時設置國際電報字母表ITU-5，如圖4為PSK 31信號的解碼信息。

圖3 PSK 31信號分類與模式識別

圖4 PSK 31信號解碼

4 PACTOR

4.1 信號特征

PACTOR是一種脈沖式短波數字通信模式，被業(yè)余無線電愛好者、海上無線電臺使用。與PSK31、OLIVIA MFSK等模式相比，PACTOR在工作時不發(fā)送連續(xù)的數據流，而是以脈沖的形式發(fā)送不連續(xù)的小數據包。PACTOR采用記憶式ARQ傳輸方式，與傳統方式相比大大提高了通信效率。

目前PACTOR有四個版本，包括PACTOR I、II、III 和IV，所有版本都具有向后兼容性，逐步的升級演進使得傳輸速率大大提升。PACTOR I 與SITOR模式類似，采用FSK調試方式，頻偏為200Hz，波特率為100 Bd和200Bd；PACTOR I I 速率比PACTOR I快7倍，使用DPSK調制方式（包括DBPSK、DQPSK、8-DPSK、16-DPSK四種），使用2路子載波（如圖5所示），相鄰子載波間隔為200Hz，波特率為100Bd；PACTROR III支持六種速率等級（SLV1至SLV6），SLV6速率最高為3600 比特每秒，使用18路子載波（如圖5所示），中心頻率為1500Hz，最大占用帶寬為2.2kHz，任何速率等級下波特率都為100Bd；PACTR IV是最新開發(fā)的版本，可支持十種速率等級。

4.2 信號分析

PACTR I是開放的技術，而三種改進版本PACTOR II、II和IV是非開放的，這些模式的調制解調器來源唯一且成本相對較高，價格因素使許多潛在用戶望而卻步。W61PC軟件具備對PACTR I、II、III 的分類識別和解碼能力，本文主要對應用更廣泛的PACTR I信號進行分析解碼。首先檢測頻譜、波特率、帶寬和中心頻率等特征參數，如圖6所示分類器識別得到信號為FSK信號、波特率為200Bd，再通過CCC 功能進行分類與模式識別，圖7所示為PACTOR I模式，最后選取對應的通信模式解碼，業(yè)余無線電業(yè)務對應的CRC校驗碼為0x0000，國際電報字母表為ITU-5，解碼如圖8所示。

圖5 PACTOR II與III信號光譜圖

圖6 PACTOR I波特率分析

圖7 PACTOR I信號分類與模式識別

5 Clover

5.1 信號特征

Clover I I使用4路子載波，相鄰子載波間隔125Hz，波特率為31.25Bd，頻譜特征如圖9所示。Clover 2000傳輸速率相比Clover I I有了很大提高，在不進行數據壓縮的情況下，Clover 2000的傳輸速率可以達到2000比特每秒，并且?guī)捒刂圃?000Hz之內（500～2500Hz）。Clover 2000保留了ARQ控制機制，可以根據當前信道質量來調節(jié)信號。Clover 2000有五種調制方式，包括BPSM、QPSM、8PSM、8P2A和16P4A。BPSM適用于信號微弱或強干擾情況，而16P4A則適用于信道質量較好的情況。Clover 2000采用8路子載波并行傳輸，中心頻率為1500Hz，相鄰子載波的頻率間隔為250Hz，頻譜特征如圖9所示。

圖8 PACTOR I信號解碼

5.2 信號分析

W61PC軟件具備對Clover II、2000的分類識別和解碼能力，本文對更復雜的Clover 2000信號進行識別分析。首先，進行自動分類與模式識別，如圖10所示，選擇HF-Mode中的Clover 2000模式解碼，然后進行參數調整，包括中心頻率設置為1500Hz、CRC校驗碼為0x0000、國際電報字母表為ITU-5，解碼如圖11所示。

6 結束語

圖9 clover II與2000信號光譜圖

本文對短波業(yè)余頻段中常見的四類數字信號進行了介紹，詳細闡述了其通信模式、信號特征和分析方法，希望能夠給無線電監(jiān)測工作同行一些啟發(fā)。業(yè)余頻率是愛好者公用的頻率，加強短波業(yè)余頻段數字信號的監(jiān)測分析，有助于提高業(yè)余頻段的監(jiān)管水平，保證頻譜資源的合理利用。

圖10 Clover 2000信號分類與模式識別

圖11 Clover 2000信號解碼