某型對海微波通信系統的無線電數據鏈設計與實現

王雷　李紅泉　姜楊

【摘要】 為了解決現有點式和鏈式接力組網對海移動通信系統結構較為薄弱的問題，設計了對海微波通信系統的無線電數據鏈；介紹了設計目標、微波系統體制和工作模式，并對系統進行了設計分析，提出了采用圓極化天線、OFDM/QPSK體制及Rake接收技術等抗多徑衰落措施；拉距試驗表明該設計達到了系統技術指標要求，滿足系統對數據鏈系統的功能性要求。

【關鍵詞】 對海微波通信 數據鏈 OFDM/QPSK

一、引言

為了提高對海指揮通信保障能力，增加對海通信手段，解決海上和陸上機動指揮通信能力不足的問題，某型對海微波通信系統利用浮空器搭載通信轉信裝備，與地面配套通信裝備一起組成通信中繼系統，實現現有通信網對海上船只的語音、數據和圖像的遠距離傳輸。

該微波通信系統的無線電數據鏈主要由C波段鏈路和UHF波段鏈路設備組成，安裝在地面指揮單元、基站和船載移動站上，完成語音和圖像等數據的傳輸。針對海地通信的任務需求，采用OFDM體制，使設備的抗多徑、抗衰落等多方面性能得到了進一步提高，滿足了海地通信中繼的使用要求。

二、設計目標

作為對海微波通信系統的重要組成部分，無線電數據鏈子系統為完成其在通信中繼中的使命，應具有以下功能：（a）業務接入功能。提供業務傳輸的相應接口，實現數據、指揮調度、電話、IP網絡信息的接入復用；（b）信息傳輸功能。實現船載部分到空中部分、空中部分到地面部分、地面部分到指揮單元之間信息傳輸；（c）保密功能。具有無線信道加解密功能；（d）指揮通信功能。在地面基站提供與指揮單元的通信信道，實現基站與指揮單元的指揮通信功能；（e）管理功能。具有系統性能、配置、安全和故障管理功能。

三、系統設計

3.1 微波系統體制和工作模式

對海微波通信系統空中部分到海上部分包括三條無線信道，分別為上行信道、下行信道和同步/控制信道，如圖1所示。上、下行信道采用頻分雙工時分多址體制，工作在C頻段，用于傳輸上、下行寬帶信息和設備的狀態信息。同步/控制信道采用直接序列擴頻體制，工作在UHF波段，有三個功能：一是傳輸地面基站發送的同步信息，保證所有船載移動站同步；二是傳輸監控設備向船載移動站發送的指令信息，如頻道、碼速率、業務種類等，可以實現地面基站對船載移動站的實時遙控，與上行信道結合起來，在地面電子方艙就可以實現對船載移動站業務狀態的控制，實時了解所有船載移動站設備的工作狀態；三是將空中設備的經緯度信息傳送給各個船載移動站，供移動站定向天線實現數字引導。

下行鏈路采用OFDM/QPSK調制體制向多個移動節點廣播發送；上行各節點采用OFDM/QPSK調制體制時分工作，系統每幀周期發送一次，每個節點工作時隙占1/8，可支持多套移動站同時工作，時隙分配示意圖如圖2所示。

3.2 抗多徑衰落措施

3.2.1 采用圓極化天線抑制反射徑能量

圓極化天線左右旋具有較好的隔離度[1]，海上電波傳播的反射徑經海面反射后，左旋變為右旋，天線接收時，收到正常旋轉的直射徑能量和反旋轉的反射徑能量。利用天線自身的左右旋極化間的隔離，達到對反射徑的抑制。

3.2.2 采用OFDM/QPSK體制實現寬帶數據傳輸

海面傳播屬于強反射、強多徑信道，系統傳輸宜采用抗多徑、抗衰落性能較好的調制體制，工程經驗證明OFDM是一種有效的調制體制。OFDM是一種利用多載波調制的特殊頻率復用技術，通過串并轉換降為低速數據，可以有效消除碼間串擾的影響，抵抗頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落，比起單載波具有更強的抗窄帶干擾能力，更便于采用均衡措施。采用OFDM/QPSK體制可以提高鏈路凈衰落儲備，但是在萊斯信道下改善的具體數值目前還沒有專門說明。圖3是文獻上提供的瑞利信道下采用OFDM后的性能對比。

由圖3可見，在瑞利信道下，按照1×10-5誤碼率估計，采用OFDM時只需要16dB的信噪比，而無OFDM則需要至少25dB的信噪比，鏈路凈衰落儲備增加9dB。

3.2.3 采用Rake接收技術

由于同步控制/信道采用了擴頻體制，解調時可以采用Rake接收技術實現抗多徑干擾，圖4所示是M路可變抽頭Rake接收機框圖。它使用相關接收機組，各相關接收機采用不同時延的偽碼信號與輸入的多徑信號相關，得到各自時延的相關輸出。然后這些相關接收機的輸出根據它們的相對強度進行加權，并把加權后的各路輸出延遲相加合并輸出。加權系數的選擇原則是使輸出信噪比最大。采用Rake接收方法之后，接收機相關AGC電壓變得非常平穩；而沒有采用該方法之前，接收機相關AGC電壓抖動非常大，甚至會造成接收機失鎖。

四、拉距驗證試驗

外場拉距試驗是定性驗證系統在無線狀態下工作性能的一種有效手段。拉距驗證試驗中，對系統移動過程中頻譜特性進行了測試，見圖5、圖6。拉距試驗測試結果表明：系統在有主徑的信道下，設備工作正常，系統誤碼正常；在瑞利信道下，系統能否正常工作與遮擋持續時間長短、頻譜衰落程度有關。當遮擋持續時間短、頻譜衰落不太惡劣時，系統能夠正常工作。

五、結論

數據鏈是對海微波通信系統的重要組成部分，用以實現寬帶語音、數據和圖像的傳輸。通過對系統功能和需求的分析，選定了系統體制和工作模式，對系統抗多徑衰落措施進行了討論，通過外場拉距驗證試驗表明，設計完成的數據鏈系統滿足通信轉信指標要求，可以與其它系統一起完成轉信任務。本系統設計的原則方法對同類型系統的設計實現有一定的借鑒指導意義。

參 考 文 獻

[1] 史曉鋒，張有光，林國鈞. 通信技術基礎.機械工業出版社，2010.

[2] William Schweber. 電子通信系統. 清華大學出版社，2006.

[3] 黃智偉. 無線發射與接收電路設計. 北京航空航天大學出版社，2007.

[4] 沈允春. 擴譜技術. 國防工業出版社，1995.

[5] 董天齊，李向東，鄭學誼. 海上靶場試驗通信技術與保障.國防工業出版社，2006.