一種短波寬帶快速建鏈方法*

胡 斌，張 偉，劉 臺

（武漢中原電子集團，湖北 武漢 430205）

0 引 言

自動鏈路建立技術（ALE）是短波通信系統在建鏈過程中根據對信道條件的探測，找出傳輸信息質量最好的通信頻點，并可以根據不同臺站的不同需求，選擇不同的呼叫類型和數據傳輸方式。可以在單個臺站到單個臺站或者是單個臺站到多個臺站之間建立可靠的通信鏈路，還能夠自動進行信息數據傳輸以及在業務傳輸完成后自動拆除鏈路的過程[1］。

本文所述的自動鏈路建立協議是在第三代短波通信自動鏈路建立（3G-ALE）協議[2］的基礎上進行的改進與簡化。本系統采用了多信道接收技術，可同時進行多路信號的接收。發送方無論在駐留信道中的哪個信道上發送信號，接收方都可以實時接收信號。此技術的應用使得自動鏈路建立協議更加簡化。自動鏈路建立協議能夠為點到點或者點到多點之間的通信選擇一條可靠的通信鏈路，還可以完成鏈路的建立與撤銷、信道的質量分析和不同業務下信道帶寬與速率的選擇等。新設計的短波快速建鏈系統采用自動選頻、寬帶建鏈波形以及多信道并行解調等技術，實現系統快速建鏈自動控制功能，在快速建鏈的過程中完成對信道的探測，選出可通頻率及業務傳輸所需的最佳帶寬和速率。在建鏈系統中，建鏈臺站可以以一定的方式在規劃的32個頻點中選出4個優選頻率。建鏈臺站優先在這4個優選頻率上進行試探建鏈，選出可通的頻率后立即建鏈。建鏈系統中各個臺站同時駐留32個通道，接收方可以實時接收各個頻率的探測信號，提高建鏈速度。通過建鏈波形估計信道的信噪比，根據信噪比選出通信業務的帶寬和傳輸速率。

1 系統硬件平臺

硬件平臺中最核心的是“DSP+FPGA”的信息處理模塊。快速建鏈流程主要是在DSP上編程實現。DSP與FPGA相互協作，共同完成可靠鏈路的建立。

新型短波快速寬帶建鏈系統硬件平臺主要由1片FPGA、1片DSP以及1片AD/DA芯片組成。DSP芯片是TI公司的TMS320C6416芯片。其中，FPGA主要完成的功能如下：第一，從射頻端接收數據做希爾伯特變換，再做粗同步頭捕獲處理，最后將數據通過EMIF口傳給DSP芯片；第二，完成均衡和譯碼功能，將從DSP傳過來的信息數據做均衡和譯碼處理。AD/DA TLV320AIC10芯片的作用是將通過話筒收到的模擬語音信號轉換為數字信號或是將通過信道接收到的數字語音信號轉換為模擬的語音信號。選頻模塊的作用是為各個站臺做頻率規劃，并為建鏈提供優選頻率集。選頻模塊通過HPI口實現與DSP之間的信息傳輸。DSP6416主要用于完成選頻建鏈和各類業務信息處理功能。新型短波快速寬帶建鏈系統的總體框架，如圖1所示。

圖1 短波快速寬帶建鏈系統整體結構

建鏈系統中，FPGA芯片主要是從射頻單元接收多通道32路的數據信息。32路每一路對應一個頻點，FPGA首先對接收到的數據做希爾伯特變換，然后對所有的信息做粗同步頭捕獲處理。如果捕獲到同步頭，FPGA最多可同時將4路有效信息傳遞給DSP芯片。同時，FPGA還將捕獲到同步頭的對應32路通道的通道號傳遞給DSP，以便DSP在判斷是對己方的有用信號后的轉回復時，根據收到信息的信道號切換發送頻率。FPGA在捕獲到同步頭后將傳給DSP數據中同步頭的大致位置告訴給DSP，以減少DSP在做精細同步頭捕獲時的搜索范圍，節省處理時間。除了上述功能外，FPGA還會對建鏈后傳輸的業務信息做均衡和譯碼。

2 建鏈協議設計

2.1 優選頻率集更新

優選頻率集是由選頻模塊綜合長期預報和實時頻譜檢測獲得。每個優選頻率集由4個頻點組成，建鏈雙方有很大可能在這4個頻率中的某個頻率建鏈成功。當在某一個優選頻率上不能建鏈時，需要對頻率集進行更新，用新的優選頻率替換不可用的頻率。如果在一次建鏈時4個優選頻率都不可用，此次呼叫失敗，則更新整個頻率集。

具體更新過程如下：

（1）初始呼叫時，優選頻率集為[F0,F1,F2,F3］，呼叫時按次序發起呼叫。如果F0能建鏈成功，則保持優選頻率集不變，下次呼叫時仍按該次序發起呼叫。

（2）一段時間后，再次發起呼叫，如果在F0頻點上不可通，但在F1頻點上能夠建鏈成功，則優選頻率集將更新為[F1,F2,F3,F4］，后續呼叫時第一個呼叫頻率為F1，以此類推。

（3）通信過程中，如果在Fa上收到呼叫并能建鏈，則電臺將優選頻率集更新為[Fa，Fa+1，Fa+2，Fa+3］，后續呼叫與（1）和（2）相同。

2.2 頻帶組合方案

建鏈系統支持3 kHz、6 kHz及12 kHz三種帶寬情況。當6 kHz和12 kHz存在帶內干擾時，為保證有效通信，必須對寬帶信道進行重新劃分，以規避帶內干擾。此時，6 kHz帶寬可退化為3 kHz使用，12 kHz帶寬可退化為6 kHz帶寬及3 kHz帶寬使用。通過在建鏈過程中對信道質量的評估，選擇合適的帶寬傳輸業務。

被呼臺站收到12 kHz帶寬的探測信號后，根據信道質量探測結果，可選擇的子信道帶寬有8種可能——4個3 kHz、3個6 kHz和1個12 kHz，對應的帶寬編號如表1所示。

表1 帶寬編號劃分表

2.3 建鏈突發波形

在信道快速變化的情況下，為了能夠快速實現建鏈又能夠保證通信質量，協議采用在探測信道后立即建鏈的策略。建鏈波形越長，建鏈所消耗的時間也越長。為了盡量減少建鏈消耗的時間，協議中設計了兩種不同長度的建鏈波形，這樣可以通過減少攜帶不必要的信息來縮短建鏈波形的長度。兩種不同長度的建鏈波形可以區分為建鏈突發波形A和建鏈突發波形B。突發波形A主要用于探測信道質量，而突發波形B則用于建鏈過程中不需要探測信道質量時。

突發波形A除了承擔建鏈時攜帶建鏈信息外，還需要探測信道質量，因此在信息序列后還攜帶了16個不同頻率疊加的單音序列。單音序列用于探測4個3 kHz信道的質量。在所有建鏈信號中，探測信號和應答信號采用突發波形A。突發波形A的波形結構如圖2所示。

圖2 突發波形A結構

突發波形A中TLC/AGC的長度為480個碼元，TLC/AGC為美軍標MIL-STD-188-141B的BW0保護序列符號，只需從其中截取少量符號作為信號幀的保護序列。同步前導序列是長度為576個碼元的m序列，信息序列是由30 bit信息編碼后擴頻得到的1 546個碼元。16個不同頻率的單音序列長度為750個碼元時間。突發波形的碼元速率為9 600 Baud，同步前導序列、信息序列和單音序列占用的時間為306 ms，AGC序列所占時間為50 ms，整個突發波形A占用的時間為356 ms。

突發波形B用于在建鏈過程中不需要探測信道質量時的建鏈波形。突發波形B不攜帶探測信道質量的16個單音序列，所以它的長度比突發波形A要短。在所有的建鏈信號中，確認信號、呼叫信號、握手信號和拆鏈信號都采用了突發波形B。突發波形B的波形結構如圖3所示。

圖3 突發波形B結構

突發波形B中，TLC/AGC和同步前導序列與突發波形A完全一樣，長度分別為480個碼元和567個碼元。突發波形B的信息序列是由40 bit信息編碼后擴頻得到的2 058個碼元，碼元速率為9 600 Baud，信息序列與同步前導序列共同占用的時間為281 ms，AGC序列所占時間為50 ms，突發波形B占用的時間為331 ms。

2.4 協議數據單元(PDU)

協議數據單元（PDU）共有6種不同的數據類型，分為了2種長度的數據信息。探測PDU和應答PDU包含30 bit的數據信息，使用突發波形A。呼叫PDU、握手PDU、確認PDU和拆鏈PDU包含40 bit的數據信息，使用突發波形B。每種PDU在建鏈的各個階段承擔不同的任務，共同完成可靠的鏈路建立過程。6種類型的PDU結構如圖4所示。

圖4 PDU結構

探測PDU用來探測信道的信道質量。當需要探測信道質量時，主呼方可以發送探測PDU請求連接。主呼方根據上層主控的要求組建探測PDU，將探測PDU所包含的信息傳遞給被呼方；被呼方根據收到的信息中的被呼地址判斷是否需要響應，并估計出當前呼叫信道的信道質量。探測PDU采用含30 bit的數據信息的突發波形A，其后的16個單音序列可以完成對4個3 kHz信道的信道質量探測。探測PDU中的探測類型共有3種，分別為可用LQA、最優LQA和單向LQA。

被呼方根據收到的探測PDU信號計算出4個3 kHz信道的信噪比，根據信噪比可進一步估計出在聲碼業務和數據鏈業務下最合適的帶寬和兩種業務在這個帶寬下最合適的速率。不同業務對應不同帶寬的速率信息。被呼方將選出的帶寬和速率信息組合到應答PDU的信息序列中，應答PDU再經過編碼擴頻及調制后發送給主呼方。

確認PDU是主呼方收到被呼方應答信號后回復的確認建鏈信號。主呼方收到被呼方的應答信號后，根據雙向探測的信道的信噪比，對業務能力做出判斷。如果可以滿足業務需求，則在當前信道發送確認PDU信號，被呼方收到主呼方發送的確認PDU信號，則雙方建鏈成功，即可進行業務傳輸；否則，退出本次呼叫，在下一個頻率繼續發起探測呼叫。確認PDU包含40 bit的數據信息。

呼叫PDU是在選擇呼叫建鏈時主呼方發起的呼叫信號。主呼方根據之前探測得到的信道質量信息自主選擇信道帶寬、傳輸速率以及業務類型等參數，通過發送呼叫PDU信號來請求連接。呼叫PDU與探測PDU的區別主要在于被呼方收到呼叫PDU信號后不能進行信道質量評估，因此信道參數需要從之前的探測結果中進行選擇。由于呼叫PDU使用突發波形B，其后不含16個單音序列的探測信號，可以縮短建鏈時間。

握手PDU是呼叫建鏈過程中被呼方對主呼方的應答信號，與探測建鏈過程中的應答信號類似。所有臺站在收到呼叫PDU信號后，先對收到的信號進行解析，根據被呼臺站的地址判斷本臺站是否是被呼方。如果被呼方是本站，需要回復握手PDU信號，否則不需要回復握手PDU信號，臺站將繼續進入掃描狀態；如果被呼臺站地址是網呼地址，則根據被呼臺站地址的組網號判斷本臺站是否屬于呼叫的組網內，若本臺站在該組網內，需根據本站在網內的編號，在相應的時隙內回復握手PDU信號，否則不需要回復握手PDU信號，臺站將繼續進入掃描狀態；如果被呼臺站地址是全呼地址，所有臺站都不需要回復握手PDU信號，可直接進入建鏈成功狀態。

拆鏈PDU信號是通知對方拆除當前鏈路的信號。當主呼臺站與被呼臺站完成業務傳輸后，即可發送拆鏈信號。當呼叫類型為單呼時，雙方可以向對方發送拆鏈PDU信號；當呼叫類型為網呼或者全呼時，被呼臺站可自主拆鏈，但不會影響主呼臺站的狀態，拆鏈過程只需進行一次握手即可完成。拆鏈完成后，收發雙方都處于等待接收或等待發送信息狀態。

2.5 建鏈狀態轉移過程

為應對不同的情況，本文設計了兩種建鏈模式：探測建鏈過程和呼叫建鏈過程。探測建鏈過程是在主呼方向被呼方發起呼叫時攜帶了一段探測信息，被呼方收到呼叫信號后可以根據探測信息估計出4個3 kHz信道的信噪比，根據信噪比信息可以估計出在滿足業務傳輸要求下的信道帶寬的業務傳輸速率。呼叫建鏈過程的呼叫信息不攜帶探測信息，業務傳輸的信道帶寬和傳輸速率由上層主控直接確定。兩種建鏈方式都采用了3次握手，保證了建鏈的可靠性。兩種建鏈方式的各個子狀態之間相關轉移的過程如圖5所示。

圖5 建鏈狀態轉移

在系統軟件運行過程中，根據主控的操作和系統流程的自動運行，建鏈系統的各個狀態不斷切換。多通道接收在FPGA中完成，FPGA的接收過程與DSP的建鏈流程并行運行。

在建鏈系統流程中主要有3種狀態，定頻狀態、建鏈成功狀態以及等待建鏈狀態。通過主控的操作可以使站臺進入定頻狀態，兩個臺站根據事先的約定，在指定的頻率上發送模擬話信息。雙方在可通頻率上可以直接進行通話，通話結束后，雙方可以操作主控回到多信道接收狀態。當臺站已經與另外的站臺建鏈成功，處于建鏈成功狀態時，可進行語音業務或數據業務傳輸，傳輸業務時，選擇建鏈過程中選定的信道帶寬和傳輸速率進行通信。業務傳輸完成后，臺站可以選擇主動發送拆鏈信號或接收對方臺站的拆鏈信號。拆鏈完成后，刪除鏈路信息，臺站重新回到多信道掃描狀態。臺站也可能處于等待建鏈狀態，此時由主控控制后續的流程。若主控發送主動呼叫指令，則后續流程與上小節介紹的主呼方建鏈流程一致；若主控不發送主動呼叫指令，則臺站會一直處于多通道掃描狀態，等待接收呼叫信號。若接收到有效的呼叫信號，此時流程按照上小節介紹的被呼方建鏈流程來執行，直到臺站建鏈成功或收到主控其他指令。

2.6 探測建鏈過程

探測建鏈過程由主呼方發送探測信號，探測信號以單呼、網呼或全呼的方式發送給被呼方。被呼方收到探測信號后對信號進行分析，將信道質量信息通過應答信號發送給主呼方。主呼方對收到的應答信號進行分析，完成對信道的雙向LQA。主呼方根據雙向LQA結果選擇最合適的通信鏈路參數并發送確認信號，被呼方收到確認信號后即完成了鏈路的建立。探測建鏈過程實現了帶寬和速率的自適應，在建鏈過程中建鏈雙方根據信道條件可選擇傳輸業務最適合的帶寬和傳輸速率。

網呼是指點對多點發起呼叫，被呼地址為一個組網的地址，組網內的成員都是被呼叫的對象。網呼具體建鏈流程與單呼建鏈流程類似。當被呼方收到網呼信號時，首先查看自己是否是被呼網內成員，如果是則網絡內的成員根據自身在組內的編號，在各自的時隙內發送應答PDU信號。應答PDU攜帶根據信道質量選出滿足業務傳輸要求的信道帶寬編號和業務傳輸速率等參數，其他步驟與單呼類似。

全呼也是指點對多點發起的呼叫，被呼叫的對象是網內的所有成員。此時，被呼叫對象不需要給主呼方應答，收到呼叫信號后直接進入建鏈狀態。相比于單呼和網呼，全呼流程更簡單，區別在于當被呼方檢測到是全呼信號時，直接進入建鏈狀態等待接收主呼方的業務信息。

2.7 呼叫建鏈過程

呼叫建鏈過程是主呼方自主選擇通信鏈路參數發送呼叫信號。如果是單呼，被呼方收到呼叫信號后需向主呼方發送握手信號，主呼方收到握手信號后，鏈路建立成功。如果是網呼，被呼方收到呼叫信號后需分時隙來向主呼方發送握手信號，主呼方收到握手信號后，再發送確認信號，被呼方收到確認信號，鏈路建立成功。如果是全呼，被呼方根據收到呼叫信號的信息直接建立鏈路，即可進行業務通信。

2.8 建鏈時序

新設計的短波快速建鏈通信系統采用多信道并行接收方式，在建鏈過程中發方無需考慮收方當前的駐留信道。因此，發方無需發送大量掃描PDU或需收發雙方的時間同步，且隨著收發轉換時間、發送電平控制時間、AGC控制時間等指標的提高，建鏈采用更緊湊的時序設計。單呼一般用于點對點通信場景，當在某個頻率可以實現一次建鏈時，單呼建鏈時序如圖6所示。建鏈時序采用3次握手方式，由呼叫、應答、確認及收發轉換組成。其中，呼叫和應答占時356 ms，確認占時331 ms，收發轉換時間各為40 ms。當該頻率可通時，整個單呼建鏈只需1.163 s。此時的時序是在探測建鏈時的建鏈時間。當主呼方采用呼叫建鏈方式時，呼叫信號和握手信號消耗的時間會更短，建鏈時間也會更短。

圖6 在一個可通頻率建鏈時序

在實際建鏈過程中，如果優選頻率集選出的第一個頻率不能成功建鏈，則需切換到第2頻率進行建鏈。如果信道環境變換較大，也可能需要切換到第3個頻率進行建鏈，甚至在第3個優選頻率也無法建鏈，導致此次建鏈失敗。需注意，2次呼叫或3次呼叫成功時，由于建鏈過程中可能失敗的環節較多，導致建鏈時序無法確定，在此不做討論。

2.9 建鏈性能測試

主呼方與被呼方之間建鏈時，建鏈信號通過信道模擬器設置的不同信道環境測試建鏈系統的性能。測試是在兩個DSP6416實驗板上模擬實現的，建鏈成功表示雙方3次握手接收的建鏈信號完全正確。下面得到的測試結果都是在不同的條件下測試1 000次得到的。表2為上代建鏈系統在各種信道條件下建鏈概率的性能指標，顯示了在不同信道條件下不同信噪比對應的建鏈概率。下面將根據新的建鏈系統的實測結果，比較兩種建鏈系統的性能。

表2 上代建鏈系統在不同信道條件下的性能指標

圖7是在高斯白噪聲信道下0 Hz頻偏時不同信噪比對應的建鏈概率。可看出，高斯信道下，在信噪比為-8 dB時，即可保證100%的建鏈概率。隨著信噪比的降低，建鏈概率會有不同程度的下降。在高斯白噪聲信道下，實際測試結果均好于上代建鏈系統指標要求。此外，還測試了在高斯信道下加50 Hz頻偏后的測試結果。可見，當信噪比低于-9 dB后，加頻偏對建鏈概率影響較大。

圖7 高斯信道下建鏈概率與信噪比的關系

圖8 是在2 ms多徑和1 Hz衰落的衰落信道下0 Hz頻偏時不同信噪比對應的建鏈概率。可看出，在（2 ms，1 Hz）衰落信道下，實際測試的結果與上一代建鏈系統的指標相比有一定的提升。

圖8 衰落信道（2 ms，1 Hz）下不同信噪比對應的建鏈概率

圖9 是在0.5 ms多徑和0.1 Hz衰落的衰落信道下不加頻偏時不同信噪比條件下對應的建鏈概率，可看出實際測試結果比上一代建鏈系統的指標更好。

圖10是在高斯信道下信噪比為-8 dB時不同頻偏對應的建鏈概率。在-8 dB條件下，測試了頻偏從-70 Hz到70 Hz、步徑為10 Hz時對應的建鏈概率。由圖10可知，在不加頻偏時，-8 dB達到了100%的建鏈率；不同的頻偏對建鏈概率有一定影響，但影響不大，不同頻偏下建鏈概率能穩定在95%以上。

圖9 衰落信道（0.5 ms，0.1 Hz）下不同信噪比對應的建鏈概率

圖10 高斯信道下不同頻偏對應的建鏈概率

3 結 語

本文研究了一套快速寬帶建鏈系統，從建鏈系統的硬件平臺、系統的建鏈協議等方面進行闡述，并給出了測試結果。該系統采用帶寬為12 kHz的建鏈波形、多通道接收技術以及合理的建鏈協議等，縮短了建鏈時間，提高了建鏈的成功率。最終測試結果顯示，新設計的建鏈系統方法性能比傳統短波建鏈方法更好。