短波通信技术研讨

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1引言

卫星通信和短波通信是两种常用的远距离无线通信手段。但是，卫星通信容易被干扰或阻塞，容易被摧毁而失去通信能力。而短波通信具有设备简单、架设方便、抗毁能力强等优点。这使得短波通信长期以来一直受到广泛关注［1－2］。短波的天波传输信道是一种时变多径衰落信道［1］。其多径延迟为2～8ms，多普勒扩展为0.01Hz～10Hz。在高纬度的电离层信道甚至达到13ms的多径延迟和73Hz的多普勒扩展。随着无线通信的基带信号处理能力提高，短波数据传输率得到了大幅度提高，加拿大CRC首次在3kHz信道带宽内实现了9600bps的短波数据传输率。随后，由美国Harris公司、法国Thomson公司、德国的Daimler－Chrysler等都在高速短波数据通信领域做了许多有意义工作［2］。短波的波形设计有两种实现方式:串行调制解调器和并行多音调制解调器。目前为止，无论是串行还是并行调制解调器，都能够在3kHz带宽内支持编码的9600bps、无编码的16kbps的数据传输速率［3］。但是，在信噪比(SNR)小于25dB时，无编码的调制解调器呈现较高的误码率(高于10－2)。因此，仍有必要在时变多径衰落短波信道中，在并行和串行两种调制方式中寻找新的发射波形和新的编码方式，设计低功耗、高数据传输率、低误码率的短波波形。本文首先分析了用于性能仿真分析的短波信道模型，其次，基于空时编码技术和OFDM技术提出了一种新型短波通信系统设计方法，最后给出了系统性能仿真和本文结论。

2短波信道模型

众所周知，Watterson电离层散射模型有效地表征了短波窄带信道［3］。如图1所示，在离散时域上，短波信道表示为一个抽头延迟线模型，各抽头系数Gi是统计独立、具有高斯形状Doppler功率谱的复Rayleigh衰落过程。本文在CCIR差短波信道条件下进行了计算机仿真。信道多径时延为2ms或者5ms，两条路径的抽头系数为统计独立，其多普勒扩展为1Hz或者5Hz。抽头系数可以由高斯白噪声通过一个低通滤波器生成。图2和图3给出了观察时间周期为40秒，衰落为0．1Hz和0．5Hz的短波信道的两条多径信道增益变化情况。可以看到，在相同时间周期内，衰落为0．5Hz的短波信道比0．1Hz短波信道的变化更为剧烈。

3短波MIMO－OFDM系统

短波天波传输信道是一个时变多径传输信道，因此，高速短波波形设计面临许多挑战。正交频分复用(OFDM)技术将多径衰落信道转化为多个并行平坦衰落信道，通过引入循环前缀(CP)技术，有效地克服多径衰落信道在高速应用中存在的严重符号间干扰(ISI)问题，从而使系统均衡变得简单。OFDM技术已经运用到短波信道上，用以实现高速并行调制解调器，如:英国Racal设计的一种适用于短波NVIS信道的并行调制解调器，在3kHz带宽上实现了无编码最高传输速率16kbps;法国Thomson设计的编码最高数据传输速率9600bps的并行调制解调器。空时编码(STC)技术采用多天线进行信号发射，通过对多个发射信号在时域、空域进行联合编码，从而使采用这一技术的无线通信系统在存在大量散射的无线环境中获得额外的发射分集增益，增加系统抗衰落能力。

短波电离层信道存在大量散射，因此，可以将STC技术和OFDM技术结合起来，设计新型短波波形。本文设计了具有最多4个发射天线和两个接收天线的新型短波调制解调器，系统组成如图4所示。目前正在对系统所采用的调制方式、交织器方案、信道编码方式、以及信道估计和跟踪技术进行了系统级的优化考虑。所设计的短波波形信号参数为:OFDM子载波间隔为36．5Hz，可用子载波数目为82。参照美军标MIL－STD－188－110B规范，交织器分为长交织器和短交织器，其交织深度分别为50个OFDM符号周期和300个OFDM符号周期。保护间隔为5．0117ms，OFDM符号周期Ts为32．409ms。OFDM第一个子载波信号和最后一个子载波信号的间隔带宽为2993Hz。纠错编码采用了1/2码率卷积码，截短后码率可以达到3/4，卷积码生成多项式为［133，171］，约束长度为7。调制方式为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。所设计波形的最高数据传输速率为12.144kbps。信号帧格式为:采用块状导频模式，即通过周期性插入一个OFDM符号实现短波信道的估计和跟踪。根据短波信道时变快慢，即最大多普勒扩展fd，由Nyquist采样定理，需要每隔1/(2fdTs)个OFDM符号插入导频符号。若fd=1Hz，则需要每隔15．4个OFDM符号插入一个导频符号。如图5所示，导频间隔为5。空时编码方案:采用空时分组码。在两个发射天线情形下，空时编码矩阵为:s1s2－s*2s*[]1其中，其中s1，－s*2分别由天线#1在两个时隙内发射，S2，S*1由天线#2在相应的两个时隙内发射。编码方向为沿OFDM子载波之间进行。在四个发射天线情形下，采用正交STBC码［5］或者准正交STBC码［6］，此时调整可用子载波数目为80。空时编码方向可以沿OFDM系统时域方向进行。

4仿真结果

对上述所设计的短波波形，我们在理想同步、没有考虑信道纠错编码的条件下进行了关键技术的性能仿真分析。鉴于短波信道的时变特性，文献［5］提出的线性最大似然(ML)空时译码技术在差短波信道条件下不能有效消除多个发射信号之间的干扰(MAI)，如图6所示。为有效消除在时变短波信道条件下的MAI问题，我们研究了迫零(ZF)、判决反馈(DF)、合并分集迫零(DAC－ZF)等空时译码技术［2、8］，仿真结果如图7所示。图8的仿真结果表明:与穷举搜索的ML空时译码相比，上述译码算法没有充分利用系统的发射分集增益，2Tx/1Rx的新波形比传统单天线发射单天线接收波形有8dB以上的性能增益，此外我们的研究表明:2Tx/2Rx的新波形则有12dB以上的性能增益［2］。在4个发射天线情形下，我们提出了一类新型的空时译码技术［2］，图9仿真结果表明:与文献［10］提出的算法相比，我们的检测算法能够带来更多的性能增益，可以看见在CCIR差短波信道条件下，当信噪比等于12dB时，数据传输率3934bps的系统误码率为10－5。采用文献［11］提出的基于MMSE准则的最小均方(LS)信道估计算法。系统帧头信息用以完成初始信道估计捕获。在随后数据传输的训练模式下，接收机已知导频信息，但是在数据模式下，接收机采用直接判决方法，即利用发射信号的检测判决信息完成信道的跟踪。在初始信道估计完成后，接收机考虑采用Kalman滤波、LMS和RLS等自适应算法进行信道跟踪，导频符号用以促进自适应算法的收敛。

5结束语

空时编码技术提供了一种设计短波通信的全新思路。通过在多个发射信号之间进行空时编码可以构建全新的多发多收(MIMO)短波通信系统。上述仿真结果表明:与传统单天线发射单天线接收短波波形比较，新的短波波形即便在单天线接收时也能够获得分集增益，从而改善链路性能。