短波數傳電臺通信系統關鍵技術研究

王 瓊，徐 崢，王婭婷

（93246部隊，吉林 長春 130000）

0 引 言

短波通信技術具有較強的機動能力和較長的通信距離，盡管現在衛星通信和其他的通信技術發展的很快，但短波通信因其良好的特性并沒有被時間所拋棄。隨著短波通信技術與計算機技術的融合，使得短波通信技術在實現信道估計、自適應天線陣等方面取得了長足的進展。短波通信的目標小，基站不易被摧毀，而衛星通信所使用的衛星極易被摧毀，因此短波通信在戰爭中的可靠性較高。與其他技術相比，短波通信的成本低、體積小、便于移動，在軍事上使用的范圍更廣，而且能夠實現全球通信，在低緯度地區時可用的頻段較寬、頻率較高，受到其他因素的影響較大。在電離層中，短波通信具有其特有的優點，季節、太陽活動等因素會影響短波通信的覆蓋范圍，如多途傳輸會產生符號間干擾，使接收信號發生畸變。針對這一現狀，研究者們已經開發出了多種方法來提高短波通信的性能，本文主要介紹了自適應均衡技術和信道編碼技術，它們既可以單獨使用，也可以結合使用。

1 短波數據鏈通信技術的原理

短波通信也就是所謂的高頻（High Frequency，HF）通信，有著很長的發展歷史，是最早被人們所發明的一種通信方法，也是一種成本較低的長距離無線通信方法，在通信技術的發展過程中有著非常重要的作用。在20世紀80年代初期，由于信息通信的普及，對通信品質的要求也隨之提高。新的無線電頻段被開發與利用，超短波、微波、衛星通信技術的運用使得無線電長距離通信的方式更加多元化。隨著信道質量不斷提高，傳輸信息的容量和工作的可靠性都有著跨躍式的發展，而傳統短波通信的弱點就越來越突出。

近年來，短波通信又重新受到人們的關注。由于短波信號的傳播特點，具備較高的抗毀性能，在一些特定情況下發揮著非常關鍵的作用，特別是在軍用通信中，已成為中遠距離作戰指揮的一種有效通信方式。隨著微電子、載人航天和強激光等技術的快速發展，特別是在特殊情況下，對衛星通信系統的生存能力造成了很大的影響，因此對短波通信提出了更高的要求[1]。

2 短波信道特性對短波數傳通信系統性能的影響

2.1 短波信道特性

短波通信是一種基于電離層反射的長程通信方式，也可以依靠地波實現短程通信。地波衰減與工作頻率的高低有關，頻率越高則衰減越大，利用地波傳播形式的頻率范圍大約在1.5 ～5 MHz。為滿足地面波導的要求，人們經常在地面上安裝不同形狀的豎直天線，使其能夠發射豎直偏振波束。地波的傳播距離與其所經過介質的電性參數有很大的關系，周圍環繞著4 個不同高度的導電層，根據特征將其命名為D、E、F1、F2，它們對短波傳播有著重要影響。D 層為最底層，在距離地面60 ～90 km 處，于80 km 左右的地方出現了最大的電子密度。D 層在日出時出現，日落后消失，日落后不會影響夜晚的短波通信。由于其電子濃度還不夠高，因此全部的短波都會從D層中通過。但是，經過D 層后，無線電波被強烈削弱，比E、F層的衰減要大得多，因此D 層又被稱為吸收層[2]。E層是在距離地面100 ～120 km 的高空，在110 km 的位置出現了最大的電子密度，并且一天中幾乎沒有變化。在無線通信系統的設計與計算中，E 層的高度一般為110 km。與D 層類似，E 層也是在日出時分產生，正午時分的電離度最強，之后就會減弱。到了日落時分，幾乎不再影響短波的傳播，而且能夠反射頻率在1.5 MHz 以上的無線電波。短波傳輸中，F 層占主導地位。通常情況下，長距離短波通信中，F 層被選擇作為反射層。相對于其他傳導層而言，其高度最高，因此被稱為反射層。一天中，F 層有2 層：F1層位于地球上空170 ～220 km 的高度處，F2層位于地球上空225 ～450 km 的高度處。

在一個季節里，一天中的不同時間，其海拔也會有變化。對F2層來講，其高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高。與其他幾個不同，在太陽下山之后，F2并未徹底消亡，仍然存在殘余的離子[3]。盡管F2層的電子濃度在夜晚比白晝要低一個量級，但仍然可以對一定頻率范圍內的電波進行反射。為了保證全天候的短波通信，需要改變工作頻率。但由于較高的頻率能穿過低電子密度的電離層，因此一般情況下夜間工作頻率遠低于白天的工作頻率。

短波傳播模式是指電波經電離層反射的傳播路徑，要想得到相對較低的傳輸損耗，或是防止由于仰角過小時使已有的短波天線不能達到設計要求，就必須對傳輸模態進行仔細選擇。在此基礎上，給出了在地面上以正切方式傳輸無線信號時，單跳的最大通信距離[4]。從E 層和F2層反射的短波一跳的最遠距離分別為2 000 km 和4 000 km。一般情況下，在通信距離超過2 500 km 的情況下，為了得到更大的俯仰角度，需要使用多個調頻方式。在長距離多跳傳播時，由于路徑上各處電離層的高度和臨界頻率不同，并且隨時間變化，傳播情況十分復雜。除了E 層或F 層多跳傳播模式，還可能出現既有E 層反射又有F 層反射的混合傳播模式。同時，發射天線主瓣一般有相當大的仰角范圍，電波將以多種不同的傳播模式組合沿不同的傳播路徑，幾乎同時達到接收點。

2.2 對短波數傳通信系統性能的影響

短波信道中普遍存在的多徑時延、衰落、多普勒頻偏等問題會嚴重影響到短波通信的準確性和可靠性，尤其是對數據的傳送更為不利[5]。電波可能會經過幾條路徑或不同的傳播模式到達接收端，也就是到達接收端的電波不是一根，而是多根。因為這些路徑的長度不一樣，所以各條射線所經歷的傳播時間不相同，其差值為0.5 ～4.5 ms。通常情況下，延時差值等于或大于2.5 ms 的占50%，等于或大于0.5 ms的占99.5%，而超過5 ms 的僅占0.5%。如果在發射點發出的信號是一個窄脈沖，它沿不同的路徑傳輸到接收點的延遲時間不同，因此將使接收點的脈沖波形變寬。當發射點發出的信號是一系列窄脈沖時，那么在接收點遲到的接收信號中，代表前面碼元的脈沖波形就會竄擾在早到接收信號中代表后面碼元的波形中去。類似地，提前到達的接收信號中，表示后繼符號的波形會被延遲接收信號中表示前繼符號的波形所擾亂，這就導致了符號與符號之間的互相干擾[6]。由于多路徑的影響，造成了信號的加寬，將使所傳輸的數據碼元間相互干擾。在利用頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK）進行電文傳送時，這種延時是引起碼元失真的主要原因。若將符號失真≤10%視為不會對傳送造成影響，則經過不同路徑到達接收端的多徑信號，其時延差應該不超過表1 所示的最大容許值。

表1 電報速率允許的最大延時差

3 短波數傳電臺通信系統關鍵技術及應用

3.1 自適應均衡技術及應用

在數字通信系統中，最關鍵的問題就是信號均衡。因為在通道的傳輸過程中受到了符號間干擾的影響，所以接收到的信號會出現嚴重的畸變，如果只是對數據碼進行簡單的調制和解調，則不能很好地還原所發送的數據。由于碼間干擾而引起的失真，最好的辦法就是采用信道均衡化[7]。信道均衡器的理論基礎是通過一定的算法對發送信號的先驗信息進行估計，從而獲得信道特征。因此，對畸變的信號進行了補償，從而可以在接收到數據時精確地恢復該信號。自適應均衡器是指設計的短波信道均衡器能夠根據信道響應的時變性進行自我調節。這是因為只有當信號的調制帶寬小于短波信道的相對帶寬時，調制的信號才是正常的，否則就會出現碼間干擾的現象，導致調制信號被展寬。自適應均衡技術就是為了解決碼間干擾的問題，使信號接收端能夠正確還原發送信號的一種過濾技術。該系統的工作模式有2 種，一種是訓練模式，另一種是跟蹤模式。首先，在發送端發送已知固定長度的數據流時，接收端的均衡器會根據數據流的大小來調整設定，使得誤碼率降至最低。典型的訓練序列通常是由二進制碼組成的隨機信號，或者是預先已經指定好的比特流，跟隨訓練序列后要進行用戶數據的傳輸。此時，在接收機中嵌入的自適應均衡器利用遞推算法來評價信道的性質，并且還會通過修改濾波器系數對信道進行補償。該訓練序列的目的是使其能夠在任何惡劣的信道環境下都能達到最優，從而使得在全信號發送完畢后，得到的濾波器系數與期望的結果更為相近[8-10]。

3.2 信道編碼技術及應用

在短波通信中，噪聲和衰落是2 種最常見的干擾因素，受這2 大因素的影響導致信號失真。針對短波通信中存在的誤差，提出了一種基于糾錯碼的改進方法。由于短波長信道具有較強的衰減特性，在較大的多途衰減下，其誤碼率將大大提高。相對于碼元的長度，當信道處于一個衰落深陷區時會持續10 ～100 ms，這就導致了碼元的損耗。在這樣一個有很高誤差的環境下，普通的代碼沒有任何用處。而使用信道編碼技術后，碼字中的每個比特都會變成獨立衰落的情況，利用碼內的冗余信息就足夠將原來的信息還原。分組碼主要是對數據源進行分組，然后對每一組數據源都要計算出一個更長的碼字并將其傳輸，碼率越低，信道冗余度越高，糾正錯誤的概率越強大。卷積碼是一種將連續的輸入序列轉化成連續的輸出編碼序列，充分考慮了各組碼之間的相關性。級聯碼是一種能夠將短分量碼構建成長碼的技術，是非二進制碼和二進制碼進行單級級聯的一種編碼形式。

4 結 論

針對目前短波數據傳輸中存在的問題，為提高其穩定性和可靠性，本文介紹了短波數字通信系統的2 大關鍵技術，即自適應均衡技術和編碼技術，并分別針對自適應均衡技術和編碼技術進行了詳細介紹。其中，自適應均衡技術解決了碼間的干擾問題，使得傳輸的數據信號能夠被還原成正確的初始數據。編碼技術則是針對數據失真，采用某種算法將數據還原或編碼。