短波通信系統發展及關鍵技術研究

趙偉航

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

短波通信是波長在10～100 m，頻率范圍在3～30 MHz的一種無線通信技術，具有成本低廉、通信距離遠、環境適應性強、機動靈活以及抗毀性強等一系列優點，因此在無線通信中受到普遍重視，被廣泛應用于軍事通信、航空通信、應急通信、海事搜救等領域。近些年，科技的進步催生了很多新的技術，極大豐富了短波通信領域。其中一些技術雖然在短波通信中嶄露頭角，但以其廣闊的發展前景，為短波通信指明了方向，下面選取幾個關鍵的技術方向進行詳細探討。

1 自主選頻技術

短波通信的信道是復雜的時變信道，很容易受到電離層變化的影響，導致通信的穩定性和可靠性下降。另外，隨著無線電通信的廣泛應用，電磁環境變得越來越復雜，電磁干擾越來越嚴重，導致短波通信的可用信道變少。短波電臺的操作人員很難憑借以往的選頻經驗選中相對較優的信道進行通信，從而嚴重影響了短波電臺的通信成功率。

在這種情況下，自主選頻技術應運而生，主要用于解決用戶用頻難和選頻難的問題。得益于半導體工藝的發展和器件性能的提高，現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）等器件的性能越來越強大，使得短波電臺的自主選頻技術得以實現。自主選頻技術包含3個關鍵的技術點：一是寬帶信號分析與處理技術；二是實時頻譜感知技術；三是頻率優選技術[1,2]。這3個關鍵技術通常在高性能的FPGA器件上實現，下面將描述以搭載自主選頻技術短波電臺的工作原理。

自主選頻短波電臺開機后，進入寬帶接收守候狀態。此時，用戶可以呼叫特定地址的電臺，而無需指定具體的通信頻率。電臺根據以往使用的經驗頻率發起呼叫，或者通過實時頻譜感知技術探測空閑信道，并在空閑信道上發起呼叫。由于被呼電臺采用了寬帶信號分析和處理技術，因此可以在全頻段范圍內迅速捕獲呼叫信號。當被呼電臺接收到呼叫信號，則在該頻率上發出應答信號，然后雙方電臺更換不同的頻率進行探測。在可互通的頻率中，運用頻率優選技術選出最佳的通信頻率，建立鏈路進行業務通信，隨后電臺會定時發送握手信號，維持鏈路狀態。當通信頻率受干擾，或者通信質量變差，電臺會自動切換信道，再次建鏈。通信結束以后，可以由其中一方發起拆鏈請求，雙方回到寬帶接收守候狀態。搭載了自主選頻技術的短波電臺變得更智能、更易用、更穩定可靠，能夠保證短波電臺在惡劣的通信環境中仍然具有非常高的通信質量和通信成功率。

2 軟件無線電技術

傳統的短波電臺通常需要根據特定的設計需求，開發一個專用的軟硬件。由于不同電臺的軟件開發差異、協議差異以及硬件架構差異等問題，導致短波電臺種類繁多，操作復雜，維護困難，兼容性差，極大地制約了短波電臺的發展。

針對短波電臺的發展現狀，軟件無線電技術應運而生。軟件無線電的核心思想是構造一個具有開放性、標準化以及模塊化的通用軟硬件平臺，軟件通信體系架構（Software Communications Architecture，SCA）是由美軍JRTS和JPEO提出的一種軟件無線電系統體系結構，是未來美國各軍兵中無線通信系統都將遵循的一體化體系結構[3]。其規定了硬件體系結構、軟件體系結構、安全體系結構以及API接口規范，目的是實現短波電臺軟硬件的模塊化和通用化，確保短波通信系統的開放性與可擴展性，簡化系統的開發與升級，提高系統的兼容性與可維護性。描述符合SCA的硬件與軟件平臺架構設計，如圖1所示。

圖1 硬件平臺架構

硬件平臺架構由射頻接收模塊、射頻發射模塊、波形處理模塊、主控制模塊以及上位機模塊組成。各個功能模塊一般使用標準緊湊型PCI（Compact Peripheral Component Interconnect，CPCI）總線連接，可以有效降低功能模塊之間的耦合性，提高硬件的通用性。以波形處理模塊為例，當需要支持新波形或不同帶寬的波形時，只需替換波形處理模塊內部的基帶處理板即可，無需改動其他模塊，因此更易于適應復雜多變的應用場景[4]。一般情況下，上位機模塊部署在Windows操作系統上，而主控制模塊部署在特定硬件平臺的Linux系統下，兩個系統都運行兼容的SCAOE。上位機模塊和主控制模塊通過公共對象請求代理體系結構（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）的命名服務進行CORBA通信，實現不同組件的協同工作，如硬件抽象層組件通信等[4]。

軟件平臺架構由板級支持包、網絡協議棧、接口服務層、操作系統層、CORBA中間件層、核心框架層以及應用層組成[5]。其中，應用層按照功能劃分成不同的組件，組件間通過標準的CORBA軟總線互連，實現分布式計算。這種標準通用的軟件平臺架構可以有效提高軟件的可移植性、可復用性以及可重構性。

3 數字預失真技術

短波通信設備中的功放（Power Amplifier，PA）是短波發射鏈路的核心部件，其性能對整機效率和互調失真等指標具有重大影響[6]。為了提高功放的工作效率，通常使發射機的功放工作在接近飽和的狀態。這種做法雖然可以在相同輸入功率的情況下增加系統的輸出功率，但是由于功放越工作在接近飽和點所表現出的非線性特征也就越強，因此其輸出信號的非線性失真越大。信號的非線性失真不僅會產生帶內失真，影響信號誤碼率，還將產生帶外失真，對鄰近頻段信道造成干擾。

為了改善功放的非線性特征，常見的方式有功率回退、Doherty功放技術以及數字預失真技術等。功率回退會降低功放的工作效率，Doherty功放技術需要增加較多額外的硬件開銷，數字預失真技術（Digital Pre-Distortion，DPD）可以在不降低功放工作效率的前提下，通過改變基帶信號波形的方式，改善功率放大器的非線性[7]。

數字預失真技術的基本原理是根據功放的非線性特性，構造一個與其特性相逆的信號處理單元，使得信號提前失真，并且失真的信號經過功放的放大后整體表現為線性。在改善信號非線性失真的基礎上，使功率放大器工作在更接近飽和的狀態，從而使得功放在具有更高工作效率的前提下具有更好的線性性能。預失真原理如圖2所示，根據功放的失真特性，構建一個與功放特性相逆的預失真器。預失真器使輸入信號變化為失真信號后輸入功放，使功放輸出信號與原始輸入信號構成線性關系。理想情況下，預失真器和功放構成的級聯系統呈現出線性特性[8]。

圖2 預失真原理

根據應用場景的不同，可以采用開環預失真方案或閉環預失真方案。其中，開環預失真方案適用于使用場景簡單穩定、發射機無信號反饋回路以及計算資源有限無法完成預失真系數自適應更新等情況。閉環預失真方案適用于發射機使用場景復雜多變，需要對功放進行跟蹤補償，且發射機具有信號反饋回路，計算資源充裕的情況。

4 無盲區通信技術

短波通信的傳播方式主要分為地波和天波兩種。一般短波信號的傳播方式如圖3所示。天線輻射出來的電磁波在地波和天波的傳輸距離之間存在一個通信盲區。短波通信盲區是由于地波傳播距離太近，而天波第一跳的傳播距離太遠造成的。根據不同的通信環境和天線類型，通信盲區的范圍也有所差異，有的為20～60 km，有的為30～80 km。它是非常重要的通信區域，常應用于地震救災、森林防火以及戰術通信等，因此解決短波通信盲區問題非常重要。

圖3 一般短波通信傳播示意

解決短波通信盲區的方法有兩種，一是延長地波的傳播距離，二是縮短天波第一跳的傳播距離。第一種方法可以通過增加發射功率來實現，但是遇到山區和丘陵等地形阻隔的影響，通信效果也不太理想。因此，解決短波通信盲區的方法主要是采用第二種，縮短天波第一跳的傳播距離。天波第一跳的距離與短波天線的輻射仰角有很大關聯，通過提高輻射仰角即可解決[9]。

近垂直入射天波（Near Vertical Incidence Skywave，NVIS）天線技術就是一種實現短波高仰角天波傳播的技術，可以有效解決短波通信的盲區問題。NVIS天線的輻射主瓣以較高的仰角入射電離層，然后反射回到地面以后，可以在地面的一定區域內形成相對穩定的電磁波輻射場，如圖4所示。較高輻射仰角反射回來的電磁波距離較近，而較低輻射仰角反射回來的電磁波距離較遠。如果要在0～500 km內實現無盲區的短波通信，需要具有60°～90°的連續輻射仰角，而且輻射主瓣要在90°方向上，以保證近距離信號幅度弱的問題[10]。由于NVIS天線技術利用了高仰角電離層反射的特點，因此能夠不受山區等地面環境的影響，形成覆蓋較廣且信號穩定的通信區域，有效解決山區通信問題，并且可以實現一個較大范圍的短波通信組網。

圖4 NVIS短波通信傳播

5 結 語

從20世紀開始，短波電臺就廣泛地應用在軍事戰爭中，是作戰中舉足輕重的裝備，甚至決定了戰爭的成敗。至今，短波電臺在特定的應用場景下依然發揮著不可或缺的作用?？萍嫉倪M步，讓短波通信技術有了很大的飛躍，上述幾個關鍵的短波通信技術補全了短波通信的短板，豐富了短波通信的應用，使得短波電臺更加簡潔易用，穩定可靠。未來，短波通信將繼續以其獨特的優勢綻放光彩。