寬帶短波技術(shù)在測量船中的應(yīng)用*

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 234431)

1 引 言

短波通信[1-2]因其通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)、設(shè)備體積小、組網(wǎng)靈活，適合在移動狀態(tài)的平臺上工作，作為衛(wèi)通鏈路和海事鏈路的補(bǔ)充，長期以來一直是遠(yuǎn)洋航天測量船的重要通信手段之一。

目前岸船間短波通信系統(tǒng)仍然采用模擬調(diào)制技術(shù)，其存在以下缺陷：調(diào)制編碼效率低，數(shù)據(jù)傳輸帶寬窄；對接收機(jī)的靈敏度要求高，遠(yuǎn)距離通信時(shí)系統(tǒng)可通率低；系統(tǒng)采用模擬信號輸入，無法支持語音和數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸；與其他通信系統(tǒng)的融合存在天然屏障。

本文針對現(xiàn)有岸船短波通信系統(tǒng)存在的問題，對寬帶短波技術(shù)展開研究，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)[3-4]改造現(xiàn)有岸船短波通信系統(tǒng)，使其通信速率由9 kbit/s提升為50 kbit/s，可滿足兩路電話通話和分組傳輸能力。

2 寬帶短波技術(shù)

2.1 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

調(diào)制是用基帶信號去控制載波的某些參量，從而把基帶信號頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l段之內(nèi)的過程，解調(diào)是調(diào)制的逆過程。按照載波被控參量不同，可將調(diào)制分為振幅調(diào)制(Amplitude Modulation,AM)、頻率調(diào)制和相位調(diào)制3種基本形式；按照所用基帶信號為模擬信號或數(shù)字信號，則分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種基本形式，其中數(shù)字調(diào)制又稱鍵控載波調(diào)制。以上不同調(diào)制方式可以相互組合，形成聯(lián)合調(diào)制。短波通信系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法則有時(shí)頻鍵控調(diào)制、多音并行傳輸、單音串行傳輸?shù)日{(diào)制技術(shù)。

本文提出的寬帶岸船短波通信系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)取代傳統(tǒng)岸船短波通信系統(tǒng)的模擬調(diào)制手段。在帶寬3 kHz、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調(diào)制方式、3/4碼率的編碼、系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)率為9 kbit/s的仿真條件下，對傳統(tǒng)模擬AM和數(shù)字調(diào)制方式下系統(tǒng)的誤碼性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同調(diào)制方式誤碼率仿真Fig.1 The BER simulation of different modulation mode

對比AM調(diào)制下的等效信噪比與數(shù)字調(diào)制/解調(diào)模式下的等效信噪比可以看出，為了達(dá)到10-3的誤碼率(語音通信的基本需求)，AM調(diào)制需要的接收門限為SNR=29 dB。由于傳統(tǒng)岸船短波通信系統(tǒng)調(diào)制帶寬為3 kHz，因而其需要的接收功率為-74 dBW。計(jì)算公式如式(1)所示：

Pr=SNR+Mf-Id-Ic+Fm+10lgkTB+Fa-Gp+Md。

(1)

式中：B表示3 dB帶寬，F(xiàn)a表示大氣噪聲因子，F(xiàn)m表示多信道負(fù)載因子，Gp表示處理增益，Ic表示分集增益，Id表示多徑處理增益，K表示Boltzman常數(shù)，Md表示系統(tǒng)裕量，Mf表示衰落裕量，T表示噪聲溫度。將各參數(shù)值代入式(1)可得

Pr=29+15-7-0+0+10lgkT×3 000+47-0+8=

-74 dBW 。

(2)

同樣地，為了達(dá)到10-3的誤碼率，數(shù)字調(diào)制方式需要的接收門限僅為SNR=9 dB，相應(yīng)的接收功率降低為-91 dBW，相較AM調(diào)制方式，接收靈敏度下降17 dB。將各參數(shù)值代入式(1)可得

Pr=9+15-7-0+0+10lgkT×3 000+50-0+8=

-91 dBW 。

(3)

由以上仿真和分析可知，相較于傳統(tǒng)岸船短波通信系統(tǒng)，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)后，系統(tǒng)接收性能提升了17 dB。

2.2 正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)

正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，采用的是并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，利用頻率上等間隔的N個(gè)子載波分別調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，調(diào)制后的N個(gè)載波信號相加同時(shí)發(fā)送。通過選擇載波間隔，使這些子載波在整個(gè)符號周期上保持頻譜的正交特性，可無失真地恢復(fù)出發(fā)送信息。在接收端可以通過相關(guān)技術(shù)來分離疊加的正交信號，而不產(chǎn)生子信道間的干擾。

OFDM相對傳統(tǒng)頻分復(fù)用技術(shù)，占用頻譜資源更少，因此非常適合應(yīng)用于短波通信中，以較小的代價(jià)提高短波通信數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。

本文提出的寬帶岸船短波通信系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，利用N個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使合成功率的平均值為單一信道功率的N倍，峰值功率將增加為單一信道功率的N2倍。相對于模擬調(diào)制，使用數(shù)字調(diào)制功放的效率下降效果更加明顯。多信道負(fù)載因子Fm(表示FDM帶來的功放效率的下降)與信道數(shù)目的關(guān)系如表1所示。

表1 多信道負(fù)載因子與信道數(shù)目的關(guān)系Tab.1 The relationship between multi-channel load factor and number of channel

由于單一數(shù)字信道的數(shù)據(jù)傳輸速率為9 kbit/s，因而為了達(dá)到岸船間寬帶短波通信需要的50 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，需要6個(gè)信道疊加傳輸，此時(shí)需要的接收功率為-76 dBW。將各參數(shù)值代入式(1)可得

Pr=9+15-7-0+15+10lgkT×3 000+50-0+8=

-76 dBW，

(4)

此時(shí)系統(tǒng)接收靈敏度與傳統(tǒng)岸船短波通信系統(tǒng)相當(dāng)，通信覆蓋范圍基本類似于傳統(tǒng)方式的覆蓋范圍，但數(shù)據(jù)率可以大幅度提高，具體地，由9 kbit/s提升為50 kbit/s。

3 寬帶短波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的寬帶岸船短波通信系統(tǒng)可以由現(xiàn)有岸船短波通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造得到。以發(fā)送端為例，如圖2所示，傳統(tǒng)1 kW短波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，即輸入激勵(lì)部分、輸出功率放大部分、電源模塊。

圖2 傳統(tǒng)短波發(fā)射系統(tǒng)Fig.2 Traditional HF transmission system

輸入激勵(lì)部分通過AM、SSB等方式將語音信號調(diào)制到射頻，并通過寬帶功放將信號推送到100 mW，然后送入功率放大模塊。

輸出功率放大部分將前級輸入的100 mW信號通過多級放大推到1 kW，并送到天線系統(tǒng)。輸出功率放大模塊可以覆蓋2～30 MHz的全部頻段。

電源模塊將輸入的380 V交流電壓變換為50 V、24 V、18 V、15 V、12 V、9 V、5 V、-12 V、-15 V等直流電壓，為系統(tǒng)中的各個(gè)部分供電。

輸入激勵(lì)與輸出功率放大之間包括4種接口：

(1)射頻接口——前級小信號放大器與后級大功率放大器的接口。功放將被音頻調(diào)制的射頻信號放大到100 mW，送入后級大功率放大。

(2)自動鏈路控制接口——該接口從控制接口到自動鏈路控制(Automatic Link Control，ALC)的接口，用于輸出射頻打開/關(guān)閉控制電平。

(3)頻段開關(guān)控制接口——本發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是覆蓋2～30 MHz全部短波帶寬，但是射頻輸出的信號需要進(jìn)行信號整形和濾波，因此信號輸出級放置了8個(gè)低通濾波器，根據(jù)不同的發(fā)射頻點(diǎn)通過繼電器在不同的濾波器之間進(jìn)行選擇。對于不同低通濾波器的選擇使用數(shù)控的頻段開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

(4)自動功率控制的模擬信號接口——自動功率控制(Automatic Power Control，APC)將輸出功率取樣的情況變換成電壓信號輸入到激勵(lì)端，激勵(lì)端據(jù)此進(jìn)行功率調(diào)節(jié)和控制。

現(xiàn)有系統(tǒng)中的輸出功率放大部分都具有寬帶放大能力，可以覆蓋2～30 MHz的頻段，無需改造。需要改造的主要是輸入激勵(lì)部分。具體地，只要將現(xiàn)有的1 kW短波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的模擬信號輸入和AM/SSB調(diào)制模塊改造為數(shù)字化寬帶短波調(diào)制模塊即可。改造后的短波發(fā)射系統(tǒng)框圖如圖3所示，其中，數(shù)字化寬帶短波調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

圖3 數(shù)字化寬帶短波發(fā)射系統(tǒng)Fig.3 Digital wideband HF transmission system

圖4 數(shù)字化寬帶短波調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 The structure diagram of the digital wideband HF modulation module

應(yīng)用寬帶短波技術(shù)后的岸船短波通信系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)有兩個(gè)非常明顯的優(yōu)勢：一是可以支持多種業(yè)務(wù)，比如可以同時(shí)支持語音和數(shù)據(jù)；二是可以降低接收機(jī)的靈敏度要求，在相同的發(fā)射功率下，可以獲得更大的通信距離。

4 寬帶短波通信系統(tǒng)的多網(wǎng)融合應(yīng)用

本文提出的寬帶短波通信系統(tǒng)不僅具備了多業(yè)務(wù)能力和更高的通信可靠性和通信速率，而且可以融入到一體化試驗(yàn)信息系統(tǒng)，更好地發(fā)揮它的作用。

4.1 點(diǎn)對點(diǎn)的短波IP網(wǎng)絡(luò)模型

該模型由一個(gè)位于場區(qū)的中心臺和位于測量船上的移動臺組成的點(diǎn)對點(diǎn)模型。其中短波調(diào)制解調(diào)器有與電臺的接口，并且實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)短波數(shù)據(jù)通信；IP路由器是短波調(diào)制解調(diào)器與試驗(yàn)IP網(wǎng)互連的專用通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)場區(qū)各用戶終端與測量船上各用戶終端之間的通信。配合相關(guān)軟件，控制中心可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電臺的單呼、組呼以及全呼功能，中心可以通過短波綜合終端與測量船上的終端進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)的傳輸。

4.2 多網(wǎng)融合的岸船通信系統(tǒng)

為滿足一體化試驗(yàn)信息系統(tǒng)建設(shè)總體思路，按照統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、體制、標(biāo)準(zhǔn)，改造現(xiàn)有的通信系統(tǒng)。通信設(shè)備數(shù)字化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、通信業(yè)務(wù)綜合化是短波通信的必然趨勢，系統(tǒng)兼容、網(wǎng)絡(luò)互通、高可靠性、有效性、抗毀性成為短波通信的基本要求。作為通信指揮的重要手段，能使通信平臺上的綜合業(yè)務(wù)通過短波信道安全無縫地接入各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)。為了使信息業(yè)務(wù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)以及短波通信網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間有效傳輸，可以將測量船的寬帶短波通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)有機(jī)融合，設(shè)計(jì)基于兩網(wǎng)融合平臺技術(shù)的通信系統(tǒng)，在任務(wù)工作模式下，衛(wèi)通和短波同時(shí)工作。陸上場區(qū)衛(wèi)通站與測量船通過衛(wèi)通互通建立起衛(wèi)通鏈路，陸上場區(qū)短波中心臺與船載移動臺互通建立起短波鏈路。岸船之間的通信鏈路由原來的衛(wèi)通鏈路和海事鏈路變?yōu)楝F(xiàn)在的衛(wèi)通、海事、短波鏈路各一條。岸船之間可以通過多種路由方式與中心進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，3種方式之間互為備份，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)傳輸可以優(yōu)先選擇衛(wèi)通路由方式，一旦路由器檢測到衛(wèi)通路由方式中斷時(shí)，不需對路由器進(jìn)行任何操作，數(shù)據(jù)傳輸會自動切換至短波路由方式，在保證信道質(zhì)量的情況下，這種路由方式切換是非常安全的。

5 結(jié)束語

短波通信發(fā)展正向著全自適應(yīng)、智能化、軟件化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。對于測量船而言，隨著一體化信息系統(tǒng)的建設(shè)，岸船短波通信系統(tǒng)還面臨著一體化改造的迫切需求。本文分析了岸船短波通信系統(tǒng)的數(shù)字化、寬帶化改造需求，提出采用數(shù)字調(diào)制和OFDM技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)采用的模擬調(diào)制技術(shù)，有效提高了岸船短波通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。對現(xiàn)有岸船短波通信系統(tǒng)的分析表明，以較小的代價(jià)對其進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了岸船短波通信系統(tǒng)的寬帶數(shù)字化傳輸。最后分析了岸船寬帶短波系統(tǒng)與其他岸船通信系統(tǒng)的多網(wǎng)融合潛力，可為新一代岸船通信網(wǎng)的建立提供技術(shù)支撐。