短波信道調制解調過程中的關鍵技術研究

邱利利，田 甜

（西安烽火電子科技有限責任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

短波信道傳輸?shù)倪^程中易發(fā)生衰減和多路徑現(xiàn)象，導致信號在傳輸中失真，從而降低數(shù)據(jù)傳輸質量[1]。為了抑制短波信道中的信號失真，需要研究短波調制解調中的關鍵技術，主要包括同步接收、頻偏估計、信道稀疏化以及Turbo均衡技術等。

1 短波通信信道數(shù)學模型

短波通信是利用電離層的反射效應實現(xiàn)信號的傳播，易造成信號傳輸?shù)氖д娆F(xiàn)象。對短波信道進行建模，使得分析信道噪聲和多普勒頻移等問題變得更加方便。由于短波信道具有時變性和不確定性，因此需要借助短波信道的統(tǒng)計特性實現(xiàn)建模。Watterson模型是短波信道的常用模型之一，模型結構如圖1所示[2]。

圖1 Watterson模型結構

2 短波調制解調技術體制

短波通信的頻率窗口較窄，可利用的信道頻率寬度有限，導致有效信道比較擁擠。若能成功設計出帶寬更窄的信道，則能夠在短波信息傳輸中獲得可用于通信的頻率。短波通信過程會產(chǎn)生嚴重的衰減和多路徑現(xiàn)象，需要采取多種技術措施保證正常通信。調制解調技術的目的是要最大限度地抑制外界干擾因數(shù)，優(yōu)化短波通信的性能。短波調制解調技術體制典型的一種結構框架如圖2所示[3,4]。

3 短波調制解調的關鍵技術分析

短波在傳輸過程中會發(fā)生嚴重的衰減和多路徑傳播現(xiàn)象，降低數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和可靠性。為提高短波數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)穩(wěn)定性，分析短波調制解調過程中的同步接收、頻偏估計、信道稀疏化以及Turbo均衡技術等關鍵技術。

3.1 同步接收系統(tǒng)結構

同步接收技術是短波數(shù)據(jù)傳輸中最關鍵的技術之一。為了克服短波數(shù)據(jù)傳輸過程中的衰減和多路徑問題，保證數(shù)據(jù)在信道的穩(wěn)定傳播，需要同步捕獲信號。信號同步的質量直接影響數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。短波數(shù)據(jù)同步一般采用數(shù)據(jù)輔助方法，在數(shù)據(jù)傳輸中預設同步前導序列實現(xiàn)同步捕獲[5]。短波同步接收結構如圖3所示。同步前導序列對信號的同步接收至關重要，主要作用是保證接收端與信號的幀同步，從而識別通信數(shù)據(jù)的開端。同步序列需要具有很好的自相關性質，能夠提供數(shù)據(jù)傳輸所需的同步信息，其中較典型的同步序列為M序列。

圖2 短波調制解調技術結構

圖3 短波同步接收結構

同步捕獲可以選用滑動匹配濾波算法，對信道輸出信號和同步序列同時進行滑動匹配濾波，濾波滑動窗口尺寸設置為256，即每次滑動濾波均會從接收信號中提取長度為256的序列。獲得的接收序列依次通過匹配濾波器，對濾波器輸出信號進行累計操作，從而獲取一個累計值。每進行一次濾波，累計值則會增加一個數(shù)量。當接收的信號到達本地存儲的同步序列的位置時，濾波器輸出的累加值將到達一個極大峰值，否則接收信號為到達同步序列位置不會出現(xiàn)極大值。通過極大峰值的判定，可以判定是否實現(xiàn)了同步接收。

3.2 頻偏估計算法

在實現(xiàn)接收同步的基礎上，需要對信號進行頻偏估計。只有準確估計出信號的頻偏量，才能準確修正信號頻偏。在滑動匹配濾波實現(xiàn)信號同步接收的基礎上，運用插值估計算法實現(xiàn)信號頻偏的估計。濾波累加值峰值假定出現(xiàn)在k位置，頻偏的粗略估計可以表示為[6]：

式中，f0為頻率分辨率。如果頻偏的值和譜線的位置相差較大，用式（1）獲得的結果將存在較大偏差。為了提高頻偏的估計精度，可以采用插值法實現(xiàn)頻偏的估計。當接收序列和預設的本地同步序列實現(xiàn)匹配時，獲得插值法頻偏估計公式為：

式中，r表示濾波累加峰值處的斜率絕對值。

在不同信噪比和頻偏下，頻偏估計算法的估計誤差均值三維曲線如圖4所示。

圖4 頻偏估計算法估計誤差三維曲線

3.3 短波信道稀疏化

短波信號在傳輸過程中易發(fā)生過度衰減和多路徑問題，造成信號質量嚴重受損。若能夠在接收端獲取信道傳輸?shù)男畔ⅲ瑒t能抑制衰減和多路徑問題。短波通信過程主要采用狀態(tài)估計的方法獲取信道信息，短波信號脈沖的抽頭數(shù)量比接收濾波器的尺寸長度小很多，脈沖抽頭上的能量值反映了整個無線信道上載入的大多數(shù)能量。因此，估計短波信道狀態(tài)時，可先對脈沖響應作稀疏化處理。稀疏化處理主要是利用信噪比進行稀疏化處理，能夠較為精確地估計信道的狀態(tài)，降低均衡復雜度。在信號稀疏化之前，需要運用自相關的信道估計方法得到信道的脈沖響應結果，然后利用插值方法，通過脈沖響應估計未知的數(shù)據(jù)脈沖響應。接收端獲得稀疏化后的脈沖響應值后，采用稀疏后的脈沖響應進行信號均衡，以降低信息均衡復雜度，減少誤碼率，提升短波通信的準確率。

3.4 Turbo均衡技術

短波通信信道的通信環(huán)境較為惡劣，當通信受到較惡劣干擾時，僅僅只采用糾錯編碼方法無法大幅度提升調制解調的性能，需要配合均衡器技術共同提升通信質量。其中，Turbo均衡技術具有較好的效果，主要通過對均衡器和譯碼器進行反復迭代，實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的最優(yōu)判定。Turbo均衡器降低了均衡與譯碼的復雜度和系統(tǒng)誤碼率。

短波通信中會遇到符號間的干擾，在編碼傳輸過程中，可通過均衡器處理接收到的符號，以抑制符號間的干擾，均衡即指降低符號間干擾信號的影響。Turbo均衡器指的是一種迭代式均衡器，當信號受到較嚴重的符號間串擾時，利用Turbo均衡器可大幅度提升整個系統(tǒng)的通信增益。Turbo均衡器包含了信道的譯碼器和均衡器，均具備軟輸入輸出的性質，具備優(yōu)良的信號均衡性能。

4 結 論

本文主要分析短波調制解調過程中遇到的問題，對短波信道進行建模，闡述短波調制解調的結構框架，重點介紹調制解調中的同步接收、頻偏估計、信道稀疏化以及Turbo均衡等關鍵技術，以優(yōu)化提升短波通信的質量和穩(wěn)定性。