短波寬帶波形技術體制發展探討研究﹡

王玉龍

（海軍駐成都地區通信軍事代表室，四川 成都 610041）

0 引言

短波無線電設備簡單、其傳輸媒介抗毀性好，長期以來，短波通信是實現遠距離、超視距軍事通信和遠洋運輸通信的重要手段之一[1]。但是，短波信道是時變多徑衰落信道，在時域和頻域都是時變的。通常情況下，短波信道多徑數目為2 ms和1 Hz（ITU-短波差信道）。在中緯度短波電路上其多徑時延可以達到6 ms、多普勒衰落為5 Hz。這使得在實際信道上短波通信可靠性差、傳輸速率低，通信速率為2.4 kb/s都難以達到，一般不超過600 b/s，通常只用來進行話音通信和低速數據通信[1]。

隨著現代信息化數據業務量的增加和業務種類的擴展，對于短波高速數據通信的需求也日益增強，研究短波高速數據通信系統具有重要的現實意義。國內外傳統短波通信主要采用3 kHz帶寬窄帶通信體制，通過采樣高效調制方式來提高通信速率，比如：美國短波通信軍標 MIL-STD-188-110B采用了64QAM調制技術來提高通信速率，其最高傳輸速率達到了9 600 bit/s（編碼）和12 800 bit/s（無編碼）[2]，但該信號對信道質量要求高，實際信道上實現高速通信將變得困難，難以真正得到應用。現代短波采用帶寬寬帶化實現高速通信將是一種發展趨勢。

1 國外短波高速通信研究現狀

美國在二十世紀末公布了傳統短波通信 3 kHz帶寬窄帶通信的調制解調器標準規范 110B，同時期，北約公布了3 kHz帶寬的跳頻調制解調器標準STANAG-4444。目前，公開報道文獻中尚未見到跳頻調制解調器標準規范，但美國軍標110B提出采用64QAM高效調制技術實現9.6kbps，表1給出了美國窄帶短波調制解調器的技術特點[3]。

表1 美國窄帶短波3kHz波形技術特征

美國軍標110B建議利用獨立邊帶調制（ISB）技術實現19.2 kb/s，但其對信道質量要求高，達到33 dB，北約STANAG-4539建議采用多個獨立信道綁定思想，將2～8個3 kHz信道并行傳輸數據，每個信道采用256QAM高效調制技術，在地波環境下實現最高傳輸速率為128 kb/s。這種體制優點是可以兼容現有設備，同時，可以充分利用短波頻段中的“頻譜間歇”實現短波高速通信。其缺點是這種技術體制需要多套收發設備支持，對頻譜資源要求較高，實際通信變得困難。這種多信道捆綁不是真正意義上的短波寬帶通信。

二十世紀九十年代，信道帶寬為1 MHz以上的短波直接序列擴頻通信體制和短波高速差分跳頻是重點研究的兩種短波寬帶傳輸體制。美國采用寬帶直接序列擴頻技術在 1.5 MHz帶寬內實現了57.6 kb/s的傳輸速率。由于短波信道具有“窗口效應”，過高信號帶寬內的干擾十分嚴重，其用戶容量和實際通信效果都將有限。美國采用高速差分跳頻技術的 CHESS系統在 2.56 MHz帶內實現了5 000跳/秒、19.2 kb/s的傳輸速率，CHESS系統采用前后兩跳的頻率位置關系攜帶信息，利用寬帶功放和寬帶天線等寬帶接收技術。近年來帶寬為1 MHz以上短波寬帶高速通信報道已很少，究其原因主要是實際短波通信的頻率窗口比較小。

進入二十一世紀之后，最大帶寬為24 kHz的短波“準寬帶”通信系統逐步成為研究重點。美國Harris公司和Rockwell公司分別對短波“準寬帶”通信的不同技術體制進行了獨立研究，這些體制包括：

1）多載波技術體制；

2）單載波單邊帶技術體制；

3）單載波多邊帶技術體制。

在2011年，美國提出了最新的短波通信調制解調器標準規范草案MIL-STD-188-110C，該標準采用了單載波單邊帶技術體制實現了最大信號帶寬為24 kHz、最高傳輸速率為120 kb/s的寬帶短波高速通信系統。

無論是單載波串行波形體制，還是多載波并行波形體制，這種線性調制方式產生的波形信號都存在峰均比問題，從而使得電臺發射功率得不到有效利用。因此，最近幾年，美國在大力研究寬帶短波通信的波形體制技術的同時，還開展了以恒包絡非線性調制技術為核心的、窄帶短波波形標準技術的優化工作[4]：

1）針對110B的單載波串行波形，2006年，美國Harris公司研究了以恒包絡連續相位調制（CPM）為核心的優化方案：他們以MSK和GMSK代替PSK調制，給出了 110B標準中傳輸速率為 75～600 b/s的可選波形設計方案。其結論是：在AWGN信道、固定衰落多徑信道（2PNF）和短波差信道（Poor）三種典型短波信道條件下，其誤碼性能相當。因此，考慮到系統的平均發射功率效能因素，新波形方案有2～5 dB性能增益。

2）針對110B的多音并行波形，2009年，美國Harris公司研究了以恒包絡多音技術（CE-OFDM）為核心的優化方案。在AWGN信道、固定衰落多徑信道（2PNF）和短波差信道（Poor）條件下，在綜合考慮電臺平均功率效能情況下，Harris公司對比分析了CE-OFDM和OFDM的誤碼性能。得到結論：①CE-OFDM 采用線性頻域均衡技術不能提供有效性能增益；即便以PA效率代替APBO（對OFDM有額外 1.1 dB損傷），對于 2 400 b/s以上波形，CE-OFDM沒有更多優勢。CE-OFDM技術成熟度不夠；②CE-OFDM解調復雜度大。

2 短波寬帶波形體制比較

2.1 技術體制比較

如前所述，短波寬帶波形技術體制主要有以下3種技術體制：

單載波多邊帶技術體制：利用多信道并行傳輸思想，將24 kHz帶寬劃分為8個相鄰的3 kHz信道，并行傳輸數據。每個3 kHz信道可以采用現有的串行波形技術，比如：如果每個信道傳輸2.4 kb/s，則8個信道可以傳輸19.2 kb/s。該技術體制可以理解為一種多載波技術，每個信道有不同的載波頻率，與正交頻分復用（OFDM）技術不同。總體來說，該技術體制需要采用多路調制解調，其實現復雜度高，工程實現代價高。

多載波技術體制：該技術利用OFDM技術，其信號頻譜由多個子帶構成，發送數據流被分解成多個低速數據流后，分別在每個子帶上并行傳輸。總體來說，OFDM技術已經在民用寬帶無線通信領域得到廣泛應用，該技術體制實現復雜度低，信號峰均比高，系統不能全功率發射，在多徑衰落和干擾環境下的性能受限。

單載波單邊帶技術體制：該技術體制充分利用擴展的信號帶寬，采用單音調制方法實現短波寬帶通信。在短波多徑衰落信道環境下，該技術體制可采用頻域或者時域的自適應均衡檢測技術來完成信號接收，其中自適應頻域均衡技術通過在信號幀結構中增加循環前綴方法，簡化了自適應時域均衡技術的逐符合均衡過程，減少了實現復雜度。與時域均衡技術相比，頻域均衡技術對短波信道時變衰落特性有些敏感。

表2給出了三種技術體制的比較結果。可以看出：OFDM的功率發射效率最低，其性能最差；多邊帶體制的工程實現代價最高；單邊帶體制在功率效率和性能潛力方面具有優勢，其實現可借助現代高性能電子器件來完成，其實現復雜度相對適中。

表2 短波寬帶波形技術體制的比較

目前，單載波寬帶傳輸體制是國外研究重點，單載波多邊帶技術體制能夠充分利用短波信道的“頻率窗口”特性、不需要連續的信道帶寬等優點，該體制與短波現役窄帶電臺兼容性好，容易工程實現。該技術體制最初受到國外重視。在 2002年，美國Rockwell公司ISB方法（每個邊帶信道上采用相同調制和編碼，以信道疊加方式實現單載波多邊帶短波寬帶傳輸）完成了多信道綁定的短波寬帶波形原型樣機實現，并在實驗室內以64 kb/s波形速率演示了網頁瀏覽、文件交互和電子郵件傳輸。Rockwell公司推動了短波高速通信系統的波形標準化工作，研究了標準化波形設計，以及信道選擇（如：獨立窄帶信道數、波形交織深度和傳輸速率）、鏈路建立和維護、動態鏈路優化等短波寬帶傳輸系統設計。

為研究多信道綁定寬帶傳輸體制對短波信道的適應能力，在2006～2007年，美國Harris公司采用S-4538標準中用于FLSU-LQA的探測波形評估了多邊帶信道的信道質量，并且分析這種多邊帶信道質量變化對單載波多邊帶短波寬帶波形的設計的影響。在信道質量評估方面，Harris估計每個信道上信噪比、多徑延遲和多普勒擴展。Harris公司的研究表明：全天超過72%以上時段，多邊帶信道上信噪比變化超過4 dB；多個短波頻段上的多邊帶信道信噪比變化有2～6 dB，甚至更高。考慮到在信噪比變化超過3/4 dB的信道環境下，波形數據傳輸率能夠增加或者減少一倍。而且，當信噪比變化幾個dB時，波形能夠實現從50%誤碼陡降到零誤碼。因此，Harris公司認為：短波多信道綁定寬帶波形設計原則應當是：根據每個信道的信道質量評估結果，將信道質量評估和ARQ握手機制結合起來，實現多信道波形參數的自適應。Harris公司建議改進短波多信道綁定寬帶傳輸的ISB設計方法。

單載波多邊帶技術體制還存在兩個固有缺點：一是與單邊帶傳輸體制相比，多邊帶傳輸的峰均比高；二是多邊帶傳輸體制存在不可用的信道保護帶問題，與單邊帶技術體制相比，其信道帶寬更大。2009年，Harris公司的研究表明：在短波差信道條件下（2 ms多徑、1 Hz多普勒），速率為600～19 200 b/s的單邊帶波形性能比多邊帶波形性能有1 dB增益。

2.2 我國短波寬帶波形技術體制思考

目前國內正大力開展研究和研發短波寬帶高速通信系統[5-6]，其重點是研究和開發短波寬帶波形技術。從國外短波寬帶通信系統研究情況可以看出，國外短波寬帶波形技術體制還是以發展具有較好電磁兼容性、能夠適應實際短波通信的頻率窗口特性的“準寬帶”短波通信系統為主。作者認為，我國未來短波通信系統將是一種信道帶寬得到適當擴展的短波寬帶通信系統，該系統將綜合采用各種頻譜感知技術、自適應通信技術和編碼調制技術等先進技術，以適應在波形的信號帶寬擴展后帶來的“頻率窗口”問題，系統的技術特征主要表現為：

首先，我國未來的短波通信系統將走向寬帶化，通過適當擴展信號帶寬，從傳統3 kHz信號帶寬擴展到最大信號帶寬為24 kHz，采用更高的符號速率方式實現短波寬帶高速通信，滿足現代社會信息化發展對短波高速通信需求。

其次，我國寬帶波形技術體制將采用單載波單邊帶技術體制，通過采用時域或者頻域均衡檢測技術實現信號接收。在信號設計方面，通過采用高頻譜效率調制技術和高性能Turbo碼/LDPC碼等編碼技術實現抗噪聲能力強、傳輸可靠性高的寬帶波形。

最后，我國下一代短波寬帶通信系統將通過采用頻譜感知技術、跳頻技術和多參數自適應通信技術實現短波寬帶自適應跳頻通信，采用快速自動重傳請求機制實現寬帶高速數據通信。系統將具有實時信道感知能力，具備適應短波信道時變衰落和干擾特性的通信頻率捷變、傳輸速率自適應等功能。系統將采用實時干擾檢測和抑制等方法，具有波形信號級抗干擾能力。

3 結語

通過適當擴展信號帶寬來取得更高的數據傳輸速率和性能是當前國內外短波通信發展的技術方向之一，文中對短波寬帶波形技術體制發展進行初步探討，提出了一種綜合采用各種自適應通信技術、跳頻技術、擴頻技術、高頻譜效率的編碼調制技術等寬帶短波自適應跳頻波形技術體制。與傳統3 kHz窄帶短波通信在實際信道上傳輸速率不超過2.4 kb/s相比，寬帶短波自適應跳頻通信系統將大幅度提高傳輸速率，預期在實際海面波環境下抗干擾跳頻通信速率將達到38.4 kb/s，為我國發展短波數據傳輸新體制提供了重要參考，將能夠有效推動我國短波通信發展。

[1] 胡中豫.現代短波通信[M].北京:國防工業出版社,2003.

[2] MIL-STD-188-110B. Interoperability and Performance Standards for Data Modems[S].[s.l.],2000.

[3] MIL-STD-188-141B. Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].[s.l.]:[s.n.],2001.

[4] NIETO J W,FURMAN W N. Constant-Amplitude Waveform Variations of US MIL-STD-188-110B and STANAG 4539[C]. The 10thIET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques. London:IET Communication Networks and Services Network,2006:205-209.

[5] 范偉,朱家成,胡飛.短波自適應通信的信道仿真算法研究[J].通信技術,2013,46(02):19-21.

[6] 趙慧霞,許從方.短波自適應跳頻技術的研究[J].通信技術,2011,44(06):7-9.