短波通信技術研討

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1引言

衛星通信和短波通信是兩種常用的遠距離無線通信手段。但是，衛星通信容易被干擾或阻塞，容易被摧毀而失去通信能力。而短波通信具有設備簡單、架設方便、抗毀能力強等優點。這使得短波通信長期以來一直受到廣泛關注［1－2］。短波的天波傳輸信道是一種時變多徑衰落信道［1］。其多徑延遲為2～8ms，多普勒擴展為0.01Hz～10Hz。在高緯度的電離層信道甚至達到13ms的多徑延遲和73Hz的多普勒擴展。隨著無線通信的基帶信號處理能力提高，短波數據傳輸率得到了大幅度提高，加拿大CRC首次在3kHz信道帶寬內實現了9600bps的短波數據傳輸率。隨后，由美國Harris公司、法國Thomson公司、德國的Daimler－Chrysler等都在高速短波數據通信領域做了許多有意義工作［2］。短波的波形設計有兩種實現方式:串行調制解調器和并行多音調制解調器。目前為止，無論是串行還是并行調制解調器，都能夠在3kHz帶寬內支持編碼的9600bps、無編碼的16kbps的數據傳輸速率［3］。但是，在信噪比(SNR)小于25dB時，無編碼的調制解調器呈現較高的誤碼率(高于10－2)。因此，仍有必要在時變多徑衰落短波信道中，在并行和串行兩種調制方式中尋找新的發射波形和新的編碼方式，設計低功耗、高數據傳輸率、低誤碼率的短波波形。本文首先分析了用于性能仿真分析的短波信道模型，其次，基于空時編碼技術和OFDM技術提出了一種新型短波通信系統設計方法，最后給出了系統性能仿真和本文結論。

2短波信道模型

眾所周知，Watterson電離層散射模型有效地表征了短波窄帶信道［3］。如圖1所示，在離散時域上，短波信道表示為一個抽頭延遲線模型，各抽頭系數Gi是統計獨立、具有高斯形狀Doppler功率譜的復Rayleigh衰落過程。本文在CCIR差短波信道條件下進行了計算機仿真。信道多徑時延為2ms或者5ms，兩條路徑的抽頭系數為統計獨立，其多普勒擴展為1Hz或者5Hz。抽頭系數可以由高斯白噪聲通過一個低通濾波器生成。圖2和圖3給出了觀察時間周期為40秒，衰落為0．1Hz和0．5Hz的短波信道的兩條多徑信道增益變化情況。可以看到，在相同時間周期內，衰落為0．5Hz的短波信道比0．1Hz短波信道的變化更為劇烈。

3短波MIMO－OFDM系統

短波天波傳輸信道是一個時變多徑傳輸信道，因此，高速短波波形設計面臨許多挑戰。正交頻分復用(OFDM)技術將多徑衰落信道轉化為多個并行平坦衰落信道，通過引入循環前綴(CP)技術，有效地克服多徑衰落信道在高速應用中存在的嚴重符號間干擾(ISI)問題，從而使系統均衡變得簡單。OFDM技術已經運用到短波信道上，用以實現高速并行調制解調器，如:英國Racal設計的一種適用于短波NVIS信道的并行調制解調器，在3kHz帶寬上實現了無編碼最高傳輸速率16kbps;法國Thomson設計的編碼最高數據傳輸速率9600bps的并行調制解調器。空時編碼(STC)技術采用多天線進行信號發射，通過對多個發射信號在時域、空域進行聯合編碼，從而使采用這一技術的無線通信系統在存在大量散射的無線環境中獲得額外的發射分集增益，增加系統抗衰落能力。

短波電離層信道存在大量散射，因此，可以將STC技術和OFDM技術結合起來，設計新型短波波形。本文設計了具有最多4個發射天線和兩個接收天線的新型短波調制解調器，系統組成如圖4所示。目前正在對系統所采用的調制方式、交織器方案、信道編碼方式、以及信道估計和跟蹤技術進行了系統級的優化考慮。所設計的短波波形信號參數為:OFDM子載波間隔為36．5Hz，可用子載波數目為82。參照美軍標MIL－STD－188－110B規范，交織器分為長交織器和短交織器，其交織深度分別為50個OFDM符號周期和300個OFDM符號周期。保護間隔為5．0117ms，OFDM符號周期Ts為32．409ms。OFDM第一個子載波信號和最后一個子載波信號的間隔帶寬為2993Hz。糾錯編碼采用了1/2碼率卷積碼，截短后碼率可以達到3/4，卷積碼生成多項式為［133，171］，約束長度為7。調制方式為BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。所設計波形的最高數據傳輸速率為12.144kbps。信號幀格式為:采用塊狀導頻模式，即通過周期性插入一個OFDM符號實現短波信道的估計和跟蹤。根據短波信道時變快慢，即最大多普勒擴展fd，由Nyquist采樣定理，需要每隔1/(2fdTs)個OFDM符號插入導頻符號。若fd=1Hz，則需要每隔15．4個OFDM符號插入一個導頻符號。如圖5所示，導頻間隔為5。空時編碼方案:采用空時分組碼。在兩個發射天線情形下，空時編碼矩陣為:s1s2－s*2s*[]1其中，其中s1，－s*2分別由天線#1在兩個時隙內發射，S2，S*1由天線#2在相應的兩個時隙內發射。編碼方向為沿OFDM子載波之間進行。在四個發射天線情形下，采用正交STBC碼［5］或者準正交STBC碼［6］，此時調整可用子載波數目為80。空時編碼方向可以沿OFDM系統時域方向進行。

4仿真結果

對上述所設計的短波波形，我們在理想同步、沒有考慮信道糾錯編碼的條件下進行了關鍵技術的性能仿真分析。鑒于短波信道的時變特性，文獻［5］提出的線性最大似然(ML)空時譯碼技術在差短波信道條件下不能有效消除多個發射信號之間的干擾(MAI)，如圖6所示。為有效消除在時變短波信道條件下的MAI問題，我們研究了迫零(ZF)、判決反饋(DF)、合并分集迫零(DAC－ZF)等空時譯碼技術［2、8］，仿真結果如圖7所示。圖8的仿真結果表明:與窮舉搜索的ML空時譯碼相比，上述譯碼算法沒有充分利用系統的發射分集增益，2Tx/1Rx的新波形比傳統單天線發射單天線接收波形有8dB以上的性能增益，此外我們的研究表明:2Tx/2Rx的新波形則有12dB以上的性能增益［2］。在4個發射天線情形下，我們提出了一類新型的空時譯碼技術［2］，圖9仿真結果表明:與文獻［10］提出的算法相比，我們的檢測算法能夠帶來更多的性能增益，可以看見在CCIR差短波信道條件下，當信噪比等于12dB時，數據傳輸率3934bps的系統誤碼率為10－5。采用文獻［11］提出的基于MMSE準則的最小均方(LS)信道估計算法。系統幀頭信息用以完成初始信道估計捕獲。在隨后數據傳輸的訓練模式下，接收機已知導頻信息，但是在數據模式下，接收機采用直接判決方法，即利用發射信號的檢測判決信息完成信道的跟蹤。在初始信道估計完成后，接收機考慮采用Kalman濾波、LMS和RLS等自適應算法進行信道跟蹤，導頻符號用以促進自適應算法的收斂。

5結束語

空時編碼技術提供了一種設計短波通信的全新思路。通過在多個發射信號之間進行空時編碼可以構建全新的多發多收(MIMO)短波通信系統。上述仿真結果表明:與傳統單天線發射單天線接收短波波形比較，新的短波波形即便在單天線接收時也能夠獲得分集增益，從而改善鏈路性能。