短波寬帶數(shù)字化通信技術(shù)發(fā)展分析*

吳少歡，鄒晶晶，文 軍

（1.中國人民解放軍91919部隊，湖北 黃岡438000；2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

短波通信是指波長為100～10 m（頻率3～30 MHz）的電磁波進行的無線電通信。信號傳播方式可分為天波和地波。天波借助電離層的反射，可實現(xiàn)中遠距離的通信。但是，因電離層易受環(huán)境影響，天波通信傳輸信道具有變參特性，處于不斷變化中，通信質(zhì)量不穩(wěn)定。地波傳輸受環(huán)境影響較小，信道參數(shù)恒定，傳播損耗隨通信頻率的升高而增大，適用于近距離通信。與其他通信方式（如衛(wèi)星、微波、光纖通信）相比，短波通信存在通信帶寬窄、數(shù)據(jù)傳輸速率低、可靠性差等特點。然而，短波通信無需中繼設(shè)施，架設(shè)靈活，尤其是電離層抗毀能力強，使得短波通信在軍事通信中處于重要的戰(zhàn)略地位。

MI L-ST D-188-110C[1]標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列短波波形。與MIL-STD-188-110B[2]標(biāo)準(zhǔn)相比，這些波形增加了寬帶，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和抗干擾能力。寬帶接收機可實現(xiàn)短波全頻段信號接收，結(jié)合數(shù)字處理技術(shù)，可實現(xiàn)多通道同時接收處理，且可感知短波頻譜，優(yōu)選通信頻率。在寬帶數(shù)字化及高性能波形的基礎(chǔ)上，短波通信的可靠性得到了大幅提升，同時具備高速率傳輸性能。

1 寬帶接收機特點

根據(jù)短波通信系統(tǒng)的不同需求，在工程設(shè)計中會采取不同的接收機方案。接收機原理，如圖1所示。

圖1 接收機原理

根據(jù)接收機射頻處理單元選擇的電路結(jié)構(gòu)和處理方式，可將接收機分為超外差式接收機、零中頻接收機、鏡像抑制接收機和數(shù)字中頻接收機四種接收機結(jié)構(gòu)[3]。四種接收機的性能比較如表1所示。

從表1可以看出，實現(xiàn)寬帶接收機可通過以下途徑達到。一是采用多路并行的方式，對接收機進行信道化處理；二是改進數(shù)字中頻接收機的結(jié)構(gòu)，采用射頻直變、寬帶中頻的方式進行寬帶數(shù)字化處理。

表1 四種接收機的性能比較

根據(jù)系統(tǒng)要求，可在兩種途徑中選擇合適的寬帶接收方案。

多路并行信道化處理可基于四種接收結(jié)構(gòu)中的任意一種，優(yōu)點是可保持每路信道的接收性能，信道間相互影響較小，缺點是電路復(fù)雜、成本高、功耗大，其成本與功耗、體積是單信道接收機的線性倍數(shù)。這種方式適用于系統(tǒng)對體積、功耗、成本限制較小的情況，如固定式臺站。

與多路并行信道化處理不同，寬帶數(shù)字化接收機只需一路射頻處理電路，通過高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）對射頻信號進行寬帶采樣，而將信道化的工作放在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，因而具有電路簡單、功耗低、成本低等優(yōu)點，適用于小型化、便攜式設(shè)備。寬帶接收機需要解決的主要問題是信道間相互干擾、放大器非線性對寬帶信號的影響、接收機的動態(tài)范圍等。這些問題的解決途徑依賴射頻前端高性能的低噪聲放大器（LNA）及ADC。由于信道化的工作通過數(shù)字處理實現(xiàn)，對處理器要求較高。近年來，高速發(fā)展的芯片制造商不斷提高自身芯片制造工藝，同時將處理器與邏輯芯片集成為片上系統(tǒng)（SOC），提高了芯片運算能力，降低了芯片體積、功耗，最大限度地適應(yīng)了小型化系統(tǒng)的需求。例如，Altera公司的Arria 10系列，SOC采用臺積電公司（TSMC）的20 nm制造工藝技術(shù)，集成雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器和可編程邏輯（FPGA），性能比上一代FPGA高出60%，同時功耗降低40%。Xilinx公司推出異構(gòu)多處理片上系統(tǒng)Zynq UltraScale+MPSoC，采用TSMC新一代16 nmFinFET制造工藝，包含至少2個可擴展的32位或64位處理器ARM Cortex-A53、2個實時處理單元ARM Cortex-R5，部分產(chǎn)品集成用于實時處理圖形和視頻的專用硬化引擎，具備高速外設(shè)。全系產(chǎn)品集成FPGA，可用于汽車駕駛員輔助與安全、無線和有線通信、數(shù)據(jù)中心以及連接與控制等多種應(yīng)用領(lǐng)域。

2 寬帶信號數(shù)字化

2.1 窄帶提取實現(xiàn)多通道接收

隨著ADC器件性能的提高，采樣速率可達到100 MHz以上，且動態(tài)范圍較高，可達到100 dBFS以上。高性能ADC的出現(xiàn)，使得短波接收機對短波射頻信號直接采樣變得現(xiàn)實。文獻[4]采用高速AD9244實現(xiàn)短波射頻信號的直接采樣，基于DSP+FPGA構(gòu)架實現(xiàn)數(shù)字平臺處理。在ADC寬帶采樣的基礎(chǔ)上，可設(shè)計相應(yīng)數(shù)字域濾波器，實現(xiàn)多通道信號的窄帶提取。在處理平臺運算能力允許的情況下，還可實現(xiàn)多通道并行接收處理。多通道接收的模型如圖2所示[5]。

圖2 多通道接收機原理

ADC采樣后的寬帶采樣信號S(n)經(jīng)正交混頻和濾波抽取后得到正交基帶信號I和Q，送到瞬時特征提取單元進行瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率的計算，最后把三個瞬時特征連同兩個正交基帶信號一起送到后續(xù)的分析解調(diào)模塊完成信號的識別、解調(diào)功能。

2.2 頻譜感知實現(xiàn)信道優(yōu)選

ADC采樣后的寬帶采樣信號S(n)可同時送入數(shù)字處理平臺，對全頻段進行頻譜分析，得到寬頻帶范圍內(nèi)的頻譜信息，即對全頻段頻譜感知。頻譜感知技術(shù)使短波通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)頻譜空洞并合理運用頻譜空洞的能力。將頻譜感知技術(shù)引入短波通信系統(tǒng)，可實時找到可用的頻譜空洞，實現(xiàn)高效靈活的頻譜資源配置和工作狀態(tài)調(diào)整。因此，頻譜感知被認為是實現(xiàn)信道優(yōu)化選擇的最佳方案。頻譜感知的總體要求是實時性和準(zhǔn)確性。實時性要求處理平臺具備高效處理能力，在盡可能短的時間內(nèi)得到頻譜信息。準(zhǔn)確性要求系統(tǒng)射頻前端具備低噪聲和大動態(tài)范圍，ADC能準(zhǔn)確得到寬射頻信號的寬帶信息，在數(shù)據(jù)處理中優(yōu)化頻譜感知算法，確保輸出的頻譜是真實輸入信號的頻譜。頻譜感知的方法大體上有匹配濾波、波形感知、能量檢測和循環(huán)譜特征檢測。匹配濾波和波形感知需要依賴先驗信息，即需要確知干擾信號調(diào)制類型、波形特征，普適性較差。由于短波通信系統(tǒng)干擾信號多，調(diào)制方式多樣，對短波終端設(shè)備的復(fù)雜度要求太高，故這兩種方法不適用于工程設(shè)計。能量檢測和循環(huán)譜特征檢測都不需要依賴干擾信號的先驗信息，僅通過計算接收信號功率或傅里葉變換得到接收信號的頻譜信息，即可應(yīng)用到任何頻段感知中，普適性較好。在短波通信系統(tǒng)中，兼顧頻譜感知的實時性和準(zhǔn)確性，常用能量檢測和循環(huán)譜特征相結(jié)合的方法實現(xiàn)頻譜感知[6]。

2.3 軟件無線電

在寬帶數(shù)字化的基礎(chǔ)上，結(jié)合高性能處理平臺，可實現(xiàn)短波通信的軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）構(gòu)架，如圖3所示。

圖3 多通道接收機原理

SDR構(gòu)架下，接收流程如下。來自天饋系統(tǒng)的接收信號經(jīng)寬帶接收機前端電路處理后，直接送入高速ADC完成信號采樣。數(shù)字處理平臺完成信號的窄帶提取后進行解調(diào)，輸出業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

發(fā)射流程。輸入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字處理平臺調(diào)制后，送入DAC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。DAC輸出的小信號經(jīng)濾波處理、功率放大后，通過天饋系統(tǒng)發(fā)射。與傳統(tǒng)無線傳輸設(shè)備不同，SDR構(gòu)架弱化了射頻相關(guān)的處理電路，提高了ADC、數(shù)字處理平臺的性能要求，業(yè)務(wù)流程與底層電路無關(guān)，形成了開放式、通用的硬件平臺。

SDR是在開放式、通用的硬件平臺上，通過加載相應(yīng)的軟件來完成不同的通信功能。系統(tǒng)的升級或變更僅僅只與軟件相關(guān)，而硬件平臺不變，提供了快速適應(yīng)新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)管理方式[7]。美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)計劃，在SDR的基礎(chǔ)上定義了軟件通信體系結(jié)構(gòu)（Software CommunicationsArchitecture，SCA）規(guī)范，旨在最大化軟件的可移植性和可配置性，提高按照SCA規(guī)范開發(fā)的產(chǎn)品間的互操作性，使系統(tǒng)升級方便簡單，降低系統(tǒng)開發(fā)部署成本[8]。目前，美軍軟件無線電通信裝備都采用了基于SCA的軟件平臺。SCA軟件平臺分為核心框架、中間件、硬件抽象層及操作系統(tǒng)等部分。波形軟件通過組件化的、符合SCA封裝規(guī)范的控制管理接口動態(tài)連接到SCA軟件平臺。平臺管理通過相應(yīng)接口實現(xiàn)波形的部署、卸載、管理配置等操作。核心框架、嵌入式中間件、硬件抽象層和嵌入式實時操作系統(tǒng)共同構(gòu)成了操作環(huán)境（OE），屏蔽了波形軟件與底層硬件平臺的相關(guān)性，保證了波形軟件的可移植性。

3 短波通信發(fā)展趨勢

3.1 硬件處理發(fā)展趨勢

短波通信在硬件處理上的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在兩個方面：射頻電路及數(shù)字處理。

射頻接收處理電路由傳統(tǒng)窄帶處理向?qū)拵幚矸较虬l(fā)展。傳統(tǒng)短波終端設(shè)備普遍采用超外差式的接收機結(jié)構(gòu)，為窄帶接收機，只能支持單一信道的接收工作，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。射頻接收前端分段或全頻段對3～30 MHz進行寬帶濾波，對信號適度放大處理，并對強干擾信號作出必要的抑制，寬帶處理后的信號送入ADC進行采樣。在高速ADC的基礎(chǔ)上，接收機弱化了信道選頻功能，將信道選頻工作放在數(shù)字處理部分，提高了對數(shù)字處理平臺的性能要求。

數(shù)字處理平臺已由傳統(tǒng)的“處理器+DSP”向“處理器+FPGA”處理構(gòu)架發(fā)展。現(xiàn)在，部分FPGA已集成DSP模塊，大大提高了FPGA的數(shù)據(jù)處理能力。“處理器+FPGA”的組合芯片構(gòu)架已逐漸向片上系統(tǒng)（SOC發(fā)展），如Altera公司的Arria 10系列SOC、Xilinx公司的Zynq 7000、Zynq UltraScale+MPSOC系列 SOC。在Zynq UltraScale+RFSOC中，已將高速ADC融合到SOC芯片中。基于此SOC平臺，射頻前端電路只需簡單寬帶處理即可進入SOC，進一步簡化了接收機的電路結(jié)構(gòu)。

3.2 通信體制發(fā)展趨勢

在寬帶數(shù)字化的基礎(chǔ)上，短波通信體制呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

3.2.1 寬帶波形

MIL-STD-188-110C中定義了多種寬帶下的波形，定義了以最大24 kHz帶寬（8種帶寬）、最高數(shù)據(jù)速率120 kbit/s（共計33種速率）的13種寬帶調(diào)制波形。該標(biāo)準(zhǔn)對交織技術(shù)進行了優(yōu)化，取消了VeryShort和VeryLong兩種交織類型，使交織深度的最短平均值為0.12 s、最長平均值為7.68 s。編碼方面，采用基于約束長度為7或9的卷積碼，利用去冗余和重復(fù)譯碼技術(shù)得到了最低1/16、最高9/10的編碼率。基于短波信道特性，用戶可以依據(jù)不同的需求選擇帶寬和調(diào)制波形，使調(diào)制解調(diào)器的效能達到最優(yōu)[9]。

直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DS）直接用具有高碼率的擴展碼序列在發(fā)送端擴展信號的頻譜，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信道編碼，用偽噪聲序列對載波進行調(diào)制，在接收端用解擴碼（PN）進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始信息。該體制下的短波通信具有高處理增益，使得系統(tǒng)具有高安全、高抗饒、抗多徑能力。同時，由于信號經(jīng)過擴頻調(diào)制后頻譜擴寬，信號的功率譜密度大大降低，接收端收到的信號完全淹沒在噪聲中，具有非常高的隱蔽性。因此，擴頻系統(tǒng)的抗截獲能力很強。此外，擴頻碼是正交的或接近正交的，彼此間相互影響很小，可以把不同的擴頻碼用作用戶的地址碼，實現(xiàn)碼分多址（CDMA）通信，通信容量大，通信速率高。

3.2.2 自主選頻短波通信

基于寬帶數(shù)字化的頻譜感知技術(shù)在短波通信中得到了廣泛應(yīng)用。基于寬帶采樣信號分析的頻譜感知模塊，能夠?qū)Χ滩娕_周圍的電磁環(huán)境進行實時探測和頻譜特征提取，從中選擇出底噪較低的頻段，并將該頻段送入頻譜管理模塊，由頻率管理模塊對信道進行劃分，同時評估信道通信質(zhì)量，為短波通信系統(tǒng)提供合適的未占用通信信道，制定合適的頻譜接入策略，即實現(xiàn)短波通信的自主選頻。

基于自主選頻的短波通信系統(tǒng)可實現(xiàn)頻譜信息共享，動態(tài)利用頻譜資源，根據(jù)戰(zhàn)場電磁環(huán)境實時調(diào)整頻譜規(guī)劃策略，快速完成頻率資源分配，在通信過程中實現(xiàn)通信頻率的自動切換。

4 結(jié) 語

在射頻硬件和數(shù)字處理平臺的高度集成化背景下，寬帶數(shù)字化通信在短波通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。基于寬帶數(shù)字化，多通道接收在短波通信中將易于實現(xiàn)。同時，高集成、高性能的數(shù)據(jù)處理平臺可實現(xiàn)短波全頻段的實時頻譜監(jiān)測，實現(xiàn)自主選頻。高速ADC的出現(xiàn)將模數(shù)轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線，是軟件無線電平臺的硬件基礎(chǔ)。未來，短波通信設(shè)備的集成度會更高，寬帶波形的應(yīng)用也將大大提高短波通信的傳輸速率和通信可靠性。