（通信与信息系统专业论文）高频数据通信研究.pdf

浙江人学硕上学位论文 摘要 嚼车3 了s f 2 如何提高在有限带宽内的通信比特率，是短波通信研究的主要方向，也是其 它通信系统所要面i 临的主要课题之一。比特率的提高当然也要保证一定的误比特 率。在本文的研究工作中将主要围绕这两个方面展开。最后还在o p n e t 平台上 研究了短波电台的组网能力。本文是这样安排的： 第一章：介绍了短波通信的特点和应用，回顾了短波通信研究历史和现状， 简要介绍了m i l s t d 1 8 8 1 4 l b 标准，该标准的一些数据是我们设计的依据。 第二章：研究了短波信道的特性，给出了信道模型，论述了q a m 调制技术、 数字滤波器的软硬件设计，系统全面研究了o f d m 算法以及基于导频信号的 o f d m 信道估计算法。给出了基于o f d m 一1 6 q a m 的短波信道通信仿真结果。 第三章：详细研究了卷积码、t u r b o 码的编解码算法。详细讨论了在瑞利信 道下t u r b o 解码算法，提出了一种将信道估计和t u r b o 解码结合的算法，有效提 高了在瑞利信道下的t u r b o 码性能。，：， 第四章：分析了a l o h a 协议和网络仿真技术，仿真了短波电台按a l o h a 方式的组网能力。 关键词：高频通信信道o f d m q a m 瑞利信道1 u b o 码接入a l o h a - r _ 一_ _ _ _ _ 一 塑些查竺堡! 竺垡堡兰 a b s t r a c t t t o wt oi m p r o v et l eb i tr a t eo fl i m i t e db a n d w i d t hi st h ep r i m a r yr e s e a r c hd i r e c t i o n o fh fc o m m u n i c a t i o n ，a n d i ti sa l s ot h e p r i m a r y r e s e a r c hd i r e c t i o no fo t h e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nw e i m p r o v i n gc h eb i tr a t e t h ee r r o rb i tr a t es h o u l db e g u a r a n t e e dt o o t h em o s tw o r ko ft h i sp a p e ri so nt h et w ot o p i c s a tl a s t 、ih a v e r e s e a r c h e dt h ea b i l i t yo ft h eh fc o m m u n i c a t i o ns t a t i o ns e tu pt on e t w o r k t h i sp a p e r i so r g a n i z e dl i k et h i s ： c h a p t e r o n e ：ih a v ei n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c a n d a p p l i c a t i o n o fh f c o m m u n i c a t i o n t h eh i s t o r ya n ds t a t u si nq u oo fh f c o m m u n i c a t i o ni sb ei n t r o d u c e d t o o c h a p t e r t w o ：ih a v er e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f h f c h a n n e l ，s u p p l i e d t h em o d e l o fh fc h a n n e l s t u d i e dq a m m o d u l a t i o na n dd e s i g n e dd i g i t a lf i l t e rw i t hs o f t w a r ea n d h a r d w i r e t h ec h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do fo f d mw i t hp i l o t sh a v eb e e ns t u d i e d s y s t e m i c t h er e s u l t o fh fc o m m u n i c a t i o nb a s e do n16 q a m o f d mh a sb e e n p r o v i d e d c h a p t e rt h r e e ：ih a v es t u d i e dt h ec o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fc o n v o l u t i o n a i c o d ea n dt u r b oc o d ep a r t i c u l a r l y ih a v es t u d i e dt h et u r b od e c o d i n ga l g o r i t h mi n r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，s i m u l a t i n gt h er a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sb yj a k em e t h o d i a d o p t an e w a l g o r i t h m w h i c hc o m b i n ec h a r m e l e s t i m a t i o nw i t ht u r b o c o d e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w n g r e a tp e r f o r m a n c ei ut h i ss y s t e m c h a p t e rf o u r ：ih a v ea n a l y z e dt h ea l o h ap r o t o c o lo no p n e t s t u d i e dt h e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fn e t w o r k ih a v es i m u l a t e dt h eh fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b a d ea l o h a p r o t o c o lo no p n e t k e y w o r d s ：h fc o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e l ，o f d m ，t u r b oc o d e ，a c c e s s ，a l o h a 浙江大学坝l ：学位论文 第一章绪论 本章先介绍了短波通信基本情况和发展现状，详细介绍了解决短波通信问题 的一些新方法，然后概要介绍了几种分组无线接入方式。简要介绍了m i l s t d 1 8 8 一1 4 l b 标准，最后给出本文的主要1 ：作。 1 1 短波通信及发展概述 概述 短波通信是利用波长为1 0 0 1 0 m ( 频率为3 3 0 m h z ) 的电磁波进行的无 线电通信，又称高频通信，短波通信主要靠天波传播，可经电离层一次或数次反 射，最远可传至上万公里，如按气候、电离层的电子密度和高度的日变化以及通 信距离等因素选择合适频率，就可用较小功率进行远距离通信。短波无线电利用 地波或低电离层进行几十公里到几百公里的中、近距离通信，利用电离层反射进 行数干乃至上万公里的远距离通信。短波电台既可用于大型固定台( 站) ，也可 用于车载、舰载、机载或背负移动通信。短波通信设备较简单，机动性大，因此 也适用于应急通信和抗灾通信。在电信方面，短波无线电居于主导地位的历史约 有5 0 年。近2 0 余年来因卫星、光纤通信的发展，短波通信已不再具有昔日的辉 煌了。但其收发设备简单、成本低廉等优点至今任没有较量的对手。当今，短波 通信网在军事通信、森林防火等等专用网方面具有广泛的应用。随着新技术的发 展，利用计算机进行自动测量传播参量和自动选择最佳通信频率的高频自适应通 信，不但使报话短波通信可随时保持畅通，在3 k 带宽下，而且还可以进行数据 率达4 8 0 0 b i t s 的数据通信( 可靠性比较高) 。但市场上可以找到的短波通信器材， 码率只有2 4 k b i t s 。一般情况下，现在的短波通信技术可以达到9 6 k b i t s 的速 率。互联网上有文章称现在的短波通信可以达到6 4 k b i t s 的速率，但缺乏让人信 服的技术支撑。本文所采用的方法可以使短波通信的速率达到1 4 4 k b i t s 。 短波通信的主要特点1 【2 】 3 】 7 】 8 】【9 】 ( 1 ) 短波通信可用于电话、电报、文字图像传真、低速数据、语音广播、标 准频率报时、防汛、救灾、船舶、军事通信等近距离或远距离、点对点或广播业 务，固定业务或移动业务，由于利用大气空间及电离层为传输媒质无需投资，仅 需配置短波收发信机和天线、馈线系统即可组成短波通信系统，投资少、建设快、 效益高。但由于载频低，可用频带窄，容量不大。 ( 2 ) 短波天波传输几乎可实现全球通信，但可用于天波传输的频率资源却只 有2 0 m h z 左右。为避免相互干扰，充分利用有限短波资源，必须由国家无线电 管理机构根据协议和国内需要，行使频率分配和监督使用的职权，以维护电波空 中秩序。 ( 3 ) 为适应电离层电子密度的时、季、年的变化以及太阳非正常活动的影响， 必须按时更换频率及天线。采用自动实时选频换频系统将可随时监视电路信号质 箱一章绪论 量，选用适用频率，不仅可始终保持良好的通信质量，且可使发信机的功率等级 降低一个数量级。 短波通信发展现状 短波可以用来进行远距离通信的这一现象的发现，应归功于业余无线电爱 好者。 1 9 0 1 年，无线电报发明家马可尼在进行跨越大西洋的电报通信时，用的是 长波。因为当时人们已经知道，无线电波的波长越长，在传播过程中被海洋和 大地吸收得就越少，传播的距离也就越远。由此推理，短波是不适合于作远距 离通信的，因而也就没有多大的应用价值。 可是，一次意外的事故，却使人们改变了上述结论，替短波“翻了案”。有 一次，意大利罗马城郊发生了大火，当地的一个业余无线电爱好者用短波无线 电台发出了求援信号。原指望附近地区的消防队能闻讯赶来。但谁也没有料到， 这个求援信息竟被远在千里的哥本哈根收到了。这个在当时被认为是十分荒唐、 离奇的消息，却被证明是千真万确的事实。 后来，科学家们过精心研究，终于揭开了这个谜。原来千里之外收到的 无线电波不是沿地球表面传过去的，而是通过高空电离层与地面之间的多次反 射才传到远处的，此情此景就像是三级跳远一样。 反射短波的电离层位于离地球表面2 0 0 2 4 0 公里的高空。电离层在反射无 线电波的时候，也要吸收它的一部分能量，频率越低，吸收的能量就越多，所 以远距离无线电通信通常选用频率高一些的短波。电离层反射短波的秘密揭开 后，随之出现了一些有效的短波通信设备，短波通信便一跃成为远距离传递信 息的能手，国际通信的重要手段。 大家知道，无线电波是一个“大家族”，长波、中波、短波、超短波和微波， 都是这个家族的成员。波长是与频率成反比的，电波的波长越长，它的频率也 就越低。短波是波长在1 0 米至1 0 0 米，频率从3 0 兆赫到3 兆赫的无线电波。 短波通信的通信距离远，设备便宜，使用起来灵活、方便，因此它多年来 一直在国际广播，飞机、船舶等移动体之间的通信，军队通信以及人口稀少地 区通信中发挥积极作用。我国在1 9 8 4 1 9 8 5 年间组织的首次南极考察中，就是 靠短波无线电沟通北京与南极长城站之间的联络的。 电离层既给短波的传播创造了得天独厚的条件，同时也带给它致命的弱点。 由于电离层易受昼夜、季节和太阳活动等的影响，使短波通信在稳定性、可靠 性方面都比较差。 由于电离层是一种典型的时变传输媒介，存在瑞利衰落、多径效应、多普勒 频移等复杂时变因素，使收端码元在时间上展宽，包络发生畸变，因而数据传输 产生码问干扰和误码。短波信道是带宽受限的信道，射频频谱非常拥挤，信道间 互相干扰严重。传统的短波通信以单边带( s s b ) 电话为主，兼容低速数据和电 报。六十年代卫星通信问世后，短波通信一度处于发展低潮。 随着微型计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，促进了短波通信技术 的更新，八十年代以来，人t i g n 用微处理器、数字信号处理( d s p ) 、自适应技 术、跳频技术，不断提高短波通信的质量和数据传输速率，增强自动化、新业务 浙江大学顾士学位论文 功能，提高自适应与抗干扰能力，使现代短波通信重新焕发青春。各国竞相推出 和装备各种短波自适应和跳频电台，我国也研制出了短波自适应通信系统、频率 管理预报系统、跳频系列电台。为适应信息时代数据信息量飞速增长、电磁环境 进一步恶化，短波通信必须提高数传速率和抗干扰能力，有效利用短波频率资源， 提高频带利用率，加强网络建设。在此背景下，短波通信领域应用了一些新技术 以支撑进一步发展。 1 实时选频与自适应技术 实时选频采用实时信道评估技术，探测电离层传输和噪声干扰情况，即实时 发射探测信号，根据收端对收到的探测信号处理结果进行信道评估，实现自动选 择最佳工作频率。实时选频系统目前有两类：( 1 ) 自适应频率管理系统一在短时 间内，对全频段快速扫描和探测，不断预报各频率可用情况。( 2 ) 频率自适应系 统一融探测与通信为一体，采用收发双方可靠呼应技术、线路质量分析( l q a ) 技术和自动线路建立( a l e ) 技术，使短波通信频率随信道条件变化而自适应地 改变，确保通信始终在质量最佳信道上进行。自适应选频能充分利用频率资源、 降低传输损耗、减少多径影响，避开强噪声与电台干扰，提高通信链路的可靠性。 短波模拟通信已普遍采用自适应实时选频。自适应技术指实时或频繁地利用各种 探测技术，根据探测结果自动调整设备参数，达到最佳通信效果。短波自适应通 信的核心是自动选择最佳的工作频率，自动选用无线电信道和自适应数据传输。 运用自适应选频、收发、调制解调、编码、均衡以及天线等多种自适应技术，在 严重干扰条件下，短波通信自动改变工作频率、数传速率、调制方式、编码和纠 错编码方式、最大限度地降低误码率。 2 跳频技术 跳频( f h ) 是指载频按照数字码系统规定的时频图形，使频率相应跳变 的种扩频技术，可以对抗多径干扰、邻道干扰、人为瞄准式干扰，提高通信的 保护性和可靠性，传统的短波慢跳频跳速为1 0 - 1 0 0 h s 。自适应技术与跳频技术 相结合，实现自适应跳频，能在质量良好的信道上进行跳频，跳频信道驻留时间 可随意变动。短波跳频有两种自适应方式：( 1 ) 频率自适应跳频：基于对信道参 数的探测，并适应信道质量的变化，自动在最佳频率集上进行。( 2 ) 干扰自适应 跳频：基于对信道中干扰信号参数的估计，采用干扰自适应抑制和自动躲避干扰 的跳频。完整的自适应跳频通信系统，包括频率自适应和功率自适应控制，自适 应跳频控制器完成跳频序列产生、被干扰频点的检测与自动更换、跳频同步及跟 踪、信令协议及执行：自适应功率控制根据信道误码测量结果，自动调整输出功 率，实现以最小的发射功率获得正常通信效果。自适应数据终端，在数据传输过 程中，运用选择自动请求重发( a r q ) ，使数传更可靠。自适应控制数据吞吐量 是通过实时选择信道，调节帧长、调制解调速率、交织时延和发射功率量级，以 获得最大数据吞吐量。 3 窄带高性能调制解调 短波窄带高速数传，按调制方式分为多音并行和单音串行两种体制。单音并 行体制：在话音通带内，把高速串行信道分裂成多个低速并行信道，以若干个副 载波在基带有效带宽内并行传输信息，接收机输出的多路数据信息，分路后分别 进行数据解调，得到多路低速数据信号，经过重新组合恢复成高速数据流。每个 副载波承载的数据率相当低，码元长度相对于多径时延已足够大，能抗多径衰落 影响。常用的多音有1 6 、3 9 、5 2 音，每个单音采用q p s k 8 p s k 调制。目前最 高数据速率为2 4 k b s 。新型多音并行调制解调器采用f e c 、分集、多普勒频移 第一章绪论 校正和d s p 技术。单音串行体制：在一个话路带宽内，串行发送高速数据信号。 发送端采用8 p s k 调制，接收端采用高效自适应均衡、序列检测和信道估值综合 技术，消除了多径传播和信道畸变引起的码间制串扰，串行制不存在功率分散问 题，在相同传输速率下，误码率比并行制改善1 2 数量级，大大提高了传输质量， 数传速率高达9 6 k b s 。 格状编码调制( t c m ) 是一种不牺牲带宽有效性，而提供功率有效性，并 与信道编码相结合的调制技术。编码器和调制器级联后产生的编码序列，具有最 大的欧几里德自由距离，使编码对系统性能的改善达到最大；充分利用接收到的 信道信息，在解调时，对接收信号进行软判决最大似然译码，从而得到系统的总 体最佳性能。采用t c m 技术的并行或串行调制解调器，明显优于纠错编码与调 制各自独立的并行串行解调器。 4 扩频技术及o f d m 短波信道时变特性，频率存在“窗口效应”，天波传播的每条路径有自由空 间损耗、电离层吸收损耗、地面反射损耗，三者均与频率有关，在一段时间内， 单跳传播2 m h z 带宽内幅度起伏约i - 2 d b 。采用扩频技术能够明显改善“窗口效 应” a 直接序列扩频( d s ) ：通过伪噪声序列( p n ) 对发送信息数据进行调制，接 收端本地p n 序列和所接收信号互相关运算，将d s 信号解扩，恢复原始信息数 据，系统带宽延伸至1 5 m h z ，如美国s i c o m 公司研制的直扩短波电台，信息 速率达5 8 k b s ，具有低载获率、抗多径效应、抗窄带干扰能力。 b 快速跳频( f f h ) ：采用差分跳频( d f h ) 编码技术、产生控制码驱动d d s 芯片，f h 图案本身在频率和时间上插入冗余度，在不增加额外比特的情况下， 仍具备为解调解跳后的输出提供一定的纠错能力，即使在恶劣的信道上也能有效 地降低误码率，如美国l o c k h e e ds a m d e r s 公司开发的c h e s s 系统，跳速为 5 0 0 0 h s ，其中2 0 0 跳用于信道探测，4 8 0 0 跳用于传输数据，若每跳发送2 b s 数据，则可获得9 ，6 k b s 数传速率。改变每跳发送比特数，可获得4 8 1 9 2 k b s 标 准系列数据率，跳频带宽为2 5 6 m h z ，划分为5 1 2 个5 k h z 带宽的子信道，收发 双方约定其中6 4 个质量较好的子信道，构成当前f h 频率集。射频信号带宽窄， 可兼容传统的窄带传输高频信号，频谱复用效率高，抗多径衰落和跟踪干扰能力 强。 c 多载波正交频分复用( o f d m ) 调制：o f d m 是一种并行数据传输系统，采用 频率上等间隔的n 个子载波分别调制一路独立的数据信息，调制后的n 个子载 波信号相加同时发送。通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期上保存 频谱的正交特性，各子载波上的信号在频谱上相互重叠。收端利用载波之间的正 交特性，可无失真地恢复发送信息。o f d m 技术在短波信道可实现1 6 6 4 k b s 的 数据传输速率。即利用1 0 2 4 个正交副载波，每载波的波形速率为1 2 5 波特，信 道带宽为1 2 5 k h z ，纠错码用大冗余度的r s 码或t u r b o 码。与单载波相比，在相 同速率时，符号周期延长n 倍，远大于信道时延扩展，码间串扰消除。副载频 之间正交特性，使信号频谱可重叠，提高频谱利用率，并有良好的频率分集效果， 能抗严重多径和强窄带干扰。在本文中，主要研究了在物理信道上采用o f d m 机制的传输技术。 浙江人学顾士学位论义 1 2 无线接入技术 无线接入( w i t l ) 技术是迅速崛起的新技术领域，它可以快速、灵活地 向用户提供接入服务，具有良好的发展前景。 w i t l 主要有以下几个方面i 刮：( 1 ) 无线本地环路( w l l ) 系统。w l l 又称固定无线接入系统，它主要提供基本地语音接入业务，有时还提供有限地终 端移动性。包括固定无绳电话系统( f c s ) 和专用本地环路系统等。( 2 ) 蜂窝移 动通信系统。从历史上看，蜂窝移动通信系统的发展可以划分为三个阶段。第一 代系统以f d m a ( 频分复用) 和模拟调制为基本特征。系统容量为带宽的1 0 左右，如美国的a m p s 系统和英国的t a c s 系统等。第二代系统以t d m a ( 时 分复用) 、c d m a ( 码分复用) 和数字调制为特征，系统容量是带宽的2 0 3 0 左右，如欧洲的g s m 系统、美国的窄带c d m a 系统和日本的j d c 系统等。 第三代系统的主要目标是个人通信网和个人通信业务，系统容量可达带宽的5 0 左右，将适用于所有的应用场合，如欧洲的通用移动通信系统( u m t s ) 和i t u r 的未来公用陆地移动通信系统( f p l m s ) 等。( 3 ) 无线接入网( w l a n ) 。有两 个主要的w l a n 标准：i e e e 8 0 2 1 1 系列和h i p e r l a n ( 高性能l a n ) 。( 4 ) 卫星 移动通信系统。卫星通信覆盖面大，但容量有限，因而适合广域、国际和洲际通 信。 在无线通信中，多个用户共用一个无线信道，因此当一个以上的用户在重 叠的时间内同时向这个信道发送信号时，就会出现一个以上的信号相互重迭、相 互干扰的现象。我们把这种现象称为信号碰撞。一旦发生信号碰撞，参与碰撞的 所有信号均被破坏掉。如何解决碰撞问题，提高信道利用率是无线信道访问方式 要解决的主要问题。这也是分组无线网和卫星通信所共有的一个特点。常用的无 线信道访问方式有以下几种。 a l o h a 方式 a l o h a 网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的 网络，而在于它首次在无线信道中引人了数据包( 又称分组) 广播这一结构，这种 结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为a l o h a 信道。通 过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全 不需要同步。a l o h a 信道的主要优点是：( 1 ) 允许大量间歇性工作的发射机共享 同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。( 2 ) 利用a l o h a 信道进行数据 通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一 个单独的接口。 a l o h a 多址通信是指采用a l o h a 信道结构的通信。自1 9 7 0 年以来，已 设计了多种用于卫星通信和地面通信的a l o h a 多址协议，其中最基本的有三种： 纯a l o h a 、分隙a l o h a 和预约a l o h a 。将在第四章详细讨论。 除了上述三种协议外，还提出了各种各样的a l o h a 随机多址协议，其中比 较著名的是载波监听多址( c s m a ) ，目前已在局域网中得到广泛应用，另个是 近年来研究得比较多的分组预约多址( p r m a ) ，可望应用于将来的微蜂窝移动通 信系统。 第一章绪论 一、 码分多址方式 这是在扩展频谱通信中发展起来的一种信道访问方式，它己广泛用于分组 无线网，是一种很有发展前途的信道访问方式。 二、其它的信道访问方式 除以上几种常用信道访问方式以外，还有几种具有特色的信道访问方式， 如信道分割预约多路访问( s a m a ) 方式、小时隙优先权交替( m s a p ) 访问方 式等。 本文研究了基于a l o h a 方式的短波电台的组网能力。 下面介绍一下我们进行系统设计所依照的标准。 1 3 美国国防部中频和高频无线电系统接口标准n 3 简介 我们进行短波通信系统设计的标准是美国国防部中频和高频无线电系统接 口标准，该标准用于长途和战术无线电系统，解决设备之间的互操作性 ( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 和相互之间的接口( i n t e r f a c e ) 标准。频率范围中频为03 3 m h z ，高频为3 3 0 m h z 。 当前高频( h f ) 工艺和通信7 层参数模型的关系如下图所示： 自动建立链 路( c a l e ) 子层 保护子层 前向纠错 ( f f c ) 子层 收发机 b i t n 町e r n g o l a y 码编码 交织 冗余度 班 调制器 反射机 天线 兰七层模型 字同步 解密 n 岍e r ns y n c g o l a y 码解码 解交织 多数判决 _ r 阿 ii l r 一 解调器 接收机 应用层 表示层 会晤层 挂输层 理层 图1 具有收发机及调制解调器部件的物理屡 设备的工作模式 新的h f 设备的频率控制除了携带式的元件外必需要能由一个外部频率标准所稳 6 浙江大学坝l 学位论文 定。需有多频率( 频道) 的存储，并为可编程存储模式，而且对工作模式进行存 储初始化。 1 单信道 所有的新的h f 设备至少有着下述的在一个时间可选的一个工作模式： a 一个额定的3 k h z 上边带( u s b ) 或下边带信道( 可选) 。 b 一个中断的( i n t e r r u p t e d ) 连续波( i c w ) 信道( 是和数码率有关的带 宽) 。( 对设计有自动建立链路无线电不是必备的) c 设计目标( d e s i g no b j e c t i v e ) 中要包括窄带频率调制( n a r r o w b a n d f r e q u e n c ym o d u l a t i o n n b f m ) 信道的能力。 2 多信道 所有的h f 设备都必要提供前节所说的单信道能力，并且有着以下的个或多个 模式，一次可以送一个模式。 a 两个额定的u s b 或l s b3 k h z 信道( 在相同的单边带上有2 个独立的频道 单边带可选) b 一个额定的u s e 或l s b ( 可选) 6 k h z 频道 c 两个u s b 和两个l s b 额定的3 k h z 信道( 四个独立的3 k h z 信道每个 单边带有两个信道) d 一个u s b 和个l s b 额定的6 k h z 信道( 两个独立6 k h z 信道每个边 带各有一个) e u s b 和l s b 各有一个3 k h z 额定3 k h z 信道( 两个独立3 k h z 信道各处于一 个边带 需要细则 1 发射机特性 噪音和失真 a 带内噪音 对固定电台是使用在送用的边带1 h z 带宽的宽带噪音至少低于高频发射机 的额定峰值包络功率( p e p ) 7 5 d b c 。战术应用电台要低于6 5 d b c 。 b 互调失真( i m d ) 由两个等电平信号在h f 发射机产生的i m d 产物在3 d b 带宽内( 单频音频输 出) 对于固定电台应用时必须低于每一音调3 0 d b ，而对于战术电台必须低于 2 4 d b ，发射机在额定p e p 条件下工作，两个音调测试信号频率不成为谐频或次谐 频状态，并且至少相距3 0 0 h z 。 频谱纯度 a 带宽发射 当发射机用单音驱动到额定p e p 时，发射机宽带发射功率谱密度不超过表3 的电平并示于图9 。测量中要去除离散的毛刺，测量带宽必须为1 h z 。 第一章绪论 表1 - 1 无线电发射机带外功率谱密度限制 频率( h z )对内功率密度的衰减( d b ) f 。：f 。( 0 5 b + 5 0 0 )4 0 ( d o ：4 3 ) f = f 。1 o b4 5 ( d o ：4 8 ) f = f 。2 5 b6 0 ( d o ：8 0 ) ( f c + 4 0 b ) sls1 0 5 f 。 0 9 5 f 。茎f 。s ( f , - 4 o b )7 0 ( d o ：8 0 ) f 。s o 9 5 f 。1 0 59 0 ( d o ：1 2 0 ) 注：f 。= 测量频率( h z ) ，f 。= 频带中心频率( h z ) ，b ：带宽( h z ) 功率谱密度和内带功率谱关系( d b o ) ll 注：l - b = 需要频宽( h z )2 f ，= 频带中心频率( h z ) 3 互调产物发射要低于曲线以下。 图卜1h f 发射机带外功率谱密度 b 离散频率假发射 单音激励h f 发射机输出达到额定2 5 p e p 时，所有离散频率假发射必须要按 以下规定抑制： 对固定电台应用 载波f 。和f o - 4 b ( b = 频宽) 之间，至少4 0 d b c f , - 4 b 和0 9 5 f 之间，至少6 0 d b c ； 小于0 9 5 f 。，至少8 0 d b c 。谐波电平不超过6 3 d b 。 对战术电台应用 载波f 。和f o - 4 b ( b = 频宽) 之间，至少4 0 d b c ，超过f 。- 4 b 至少5 0 d b c 。谐 波电平不超过一4 0 d b c 。 浙江火学颂卜学位论文 a 固定h f 发射机的离散假成分发射限制 5f 。 o d b c b 战术无线电发射机离散假成分发射限制 图卜2h f 发射机的离散假成分限制 载波抑制 战术应用上载波抑制必须至少4 0 d b c ( d o ：6 0 d b c ) 低于单音调n 3 j n 额定p e p 的电平。对固定点电台至少抑制5 0 d b c ( d o ：6 0 d b c ) 。 自动电平控制 从a l c 伐值开始，音频输入增加2 0 d b 是r f 功率输出增加少于l d b 。 开始和释放 从按键到发射功率达到9 0 稳定值是必须不超过2 5 m s ( d o ：l o m s ) 。此时延 除去必要的自动天线调谐时间。释放键时r f 信号功率降到l o 按键达到的稳定 功率时间间隔必须为l o m s 或小于此值。 信号输入界面特性 a 不平衡界面 提供不平衡界面时，额定音频输入阻抗为1 5 0 q ，对地不平衡，在额定的3 k h z 带宽内时1 5 0 q 电阻的最小返回值损耗达到2 0 d b 。 b 平衡界面 提供平衡界面时，额定音频输入阻抗为6 0 0 q ，对地平衡，在频带范围3 0 0 h z 到3 0 5 0 h z 内时6 0 0 f 2 电阻的最小返回损耗达到2 6 d b c ，电的平衡必须充分抑制纵 向电流比参考信号电平至少低4 0 d b 。 发射机输出负载电阻 额定r f 输出负载电阻在图2 界面点b 必须为5 0 f 2 ，对地不平衡在点b 发射 第一章绪论 机在任何驻波比v s w r 时可工作，而v s w r 增加可减低输出功率。但是，发射机在 1 3 ：t v s w r 负载时要发出额定的前向功率输出。图1 1 为降低功率的设计目标器 伐、激励器和放大器之间v s w r 必须低于1 5 ：1 ，对固定点应用放大器和天线耦 合器之间v s w r 必须低于1 5 ：1 。对战术应用必须小于2 0 ：1 。 注：发射机满额定功率在运行频率范围定义为( 1 ) 发射机由双音等幅信号驱 动到额定p e p ，以及( 2 ) 由单音驱动到额定平均功率。输出值是在发射机工作在5 0 d 负载时测定。 1 0 0 7 5 5 0 2 5 图卜3 对宽带输出阻抗网络发射机输出功率和v s w r 下降的关系 2 接收机特性 a 接收机r f 特性 所有接收机输入幅值是对一个5 0q 信号发生器的阻抗上可用的功率d b 的 计算。 镜频抑制 战术h f 接收机镜频抑制必须至少7 0 d b ，其他h f 接收机8 0 d b ( d o ：l o o d b ) 。 中频( i f ) 抑制 战术接收机在中频假信号必须至少抑制7 0 d b ，其他h f 接收机8 0 d b ( d o ： 1 0 0 d b ) 。 领近频道抑制 接收机对不需要的边带和领近信道中任何信号的抑制必须符合图6 中规 定。 其他信号频率外部假信号的响应 除i f 和镜频外接收机在频率为中心频2 5 到3 0 平n 一2 5 到一3 0 时，抑制 假频率信号能力至少为6 5 d b ( 对战术应用为5 5 d b ) ，在中心频率3 0 以外至少 为8 0 d b ( 战术应用为7 0 d b ) 。 接收机保护 接收机在收到信号功率开关时，在信源5 0q 阻抗对固定地点台加上+ 4 3 d b m ( d o ：+ 5 3 d b ) 信号功率5 0 分钟要不会损坏，对战术台要加一分钟不会损 坏。 1 0 浙江人学砸士学位论文 降低灵敏度的动态范围 接收机在s s b 模式运行其i f 通带至少在2 d b 点间有2 7 5 0 h z ( 额定3 k h z 带 宽) ，必须达到以下要求：当接收机调谐到中心有一个正弦输入测试信号，并且 此测试信号电平产生输出信噪比s n a d 为1 0 d b ，离开测试信号距离为载频的 5 有一单个干扰正弦信号加进来，所需信号输出信噪比必须不能变差超过1 d b ， 干扰信号情况如下所述： a 对固定地点无线电，干扰信号等于或少于信号电平l o o d b 。 b 对战术无线电，干扰信号等于或少于信号电平9 0 d b 。 接收机灵敏度 在运行频率范围，接收机灵敏度在运行( 3 k h z 带宽) 边带模式上必须在天 线端为一1 1 1 d b m ( d o ：一1 2 1 d b m ) 未调制信号，调节有一1 0 0 0 h z 音频输出，在运行 频带内s n a d 至少l o d b 。 接收机带外互调失真( i m d ) 二阶或高阶响应的测试需要双音信号，每一信号幅值在一3 0 d b m 或更大些 ( 对战术应用为一3 6 d b m ) ，产生的输出s n a d 相当于一个单音- 1 l o d b m 的输出输 入的双音信号幅值相等和运行的频率相距3 0 k h z 或更远。 三阶截获点( i n t e r c e p tp o i n t ) 在第中频通带内测试信号，最差情况截获点必须不低于+ l o d b m ( 对战术 应用+ i d b m ) 。 3 接收机失真和内部产生假信号输出 总i m d ( 带内) 当两个等幅度带内间隔1 l o h z 信号的i m d 折算在接收机输入端电平必须符 合以下要求。但对于频分复接( f d m ) 服务时，接收机必须满足干扰的单音信号 位于等于或大于f d m 库内任何领近单音最小距离。要求为任何i f 输入为o d b mp e p ( 6 d b m 单音) 而得到额定音频输出时，所有i m d 产物必须低于任何两个单音至 少3 5 d b ( d o ：4 5 d b ) 。 邻近信道i m d 对于高信道设备，总领近信道d 在每一3 k h z 信道测量，其他信道都加上 o d b m 未加权的白噪音，这时一3 k h z 信道的输出i m d 产物不能超过- 3 5 d b m 。 音频总谐波失真 由任何单频r f 测试信号产生的总谐波，当接收机输出在额定输出电平上 所产生的频率在3 0 0 到3 0 5 0 h z 频带内，至少要比参数单音电平低2 5 d b ( d o ：3 5 d b ) 。 r f 测试信号至少高于接收机噪音阈值3 5 d b 。 内部产生的虚假信号输出 对于9 9 可用的3 k h z 信道，内部产生的虚假信号必须不超过- 11 2 d b m 。对 于0 8 的可用3 k h z 信道假信号对战术应用必须不超过- l o o d b m ，对固定点应用 不超过一1 0 6 d b m ，对于0 2 的可用3 k h z 信道假信号可以超过这些电平。 自动增益控制( a g c ) 特性 对固定点应用在r f 输入范围1 0 3 d b mn + 1 3 d b m 时，或战术应用输入范围 一1 0 3 d b m 到o d b m 时，接收机稳态输出( 单音) 变化不超过3 d b 。 a g c 开始时间( 非数据模式) 接收机a g c 开始时间必须不超过3 0 m s 。 a g c 释放时间( 非数据模式) 对s s b 声音和i c w 运行时接收机a g c 释放时间必须在8 0 0 m s 和1 2 0 0 m s 。此 箱一章绪论 时间为从r f 信号减少开始到音频输出到稳定输出3 d b 的间隔，最后的稳定输出 是没有r f 输入信号仅有放大了的噪音。 数据服务时a g c 要求 数据服务时a g c 开始时间不超过l o m s ，a g c 释放时间不超过2 5 m s 。 4 接收机线性 以下必须在接收机运行在最大灵敏度时候要求达到，并且在参考书入信好 在接收机输出产生s n a dl o d b 时候。输入信号线性增加到输出s n a d 至少到3 0 d b ( d o ：4 0 d b ) 时输出s n a d 必须单调线性地在1 5 d b 每增加，此要求要在接收 机整个频率范围都达到。 5 接口特性 输入阻抗 额定r f 输入阻抗为5 0 q ，对地不平衡，在整个运行频率范围内输入电压驻 波比( v s w r ) 在输入阻抗为5 0 q 时不超过2 5 ：l 。 输出阻抗和功率 接收机提供平衡输出时额定输出阻抗为6 0 0 q ，对地平衡，能在6 0 0 q 负载 上提供o d b m 功率。其对称性要能抑制纵向电流对参数信号电平至少4 0 d b 。接收 机功率输出在头戴或携带时能调节- 3 0 d b m 到o d b m 。用扬声器时，输出功率能调 节o d b m 到3 0 d b m 。作为设计目标要能提供扬声器阻抗4 到1 6 q 匹配。 自动链路建立( a l e ) 1 基本a l e ( 第二代) 如装备有a l e ，则必须符合于附录a 。a l e 需求包括选择呼叫和握手，链路质 量分析和信道选择，扫描和响声。这些需求列在附录a 中如下： a a l e 装备在a 一1 到a 一4 节中给出。 b a l e 波形，信号结构协议和a l e 控制函数( 命令栈消息) 的要求写在a - 5 中。 2 第三代a l e 改进的更强的a l e 功能可以加进来，但非强制，第三代a l e 基本要求写在附 录c 中。 】2 6 链接保护( l p ) 如需装备链接保护，必须符合于附录b 。对于附录b 中的要求为： a l p 一般要求给在b l 到b - 4 中。 b 如何装备l p 的详细要求写在b 5 中。 c 非机密的应用层( a l 一1 ) 为l p 的最低层为对所有保护装备l p 的无线电 强制需有的。 d 非机密的加强应用层( a l - 2 ) 为在附录b 中介绍到的l p 最高层次更高 层l p ，a l 一3 应用层和a l 4 应用层由国家安全局( n a t i o n a ls e c u r i t ya g e n c y n s a ) 的机密文件中规定。 浙江大学坝t 学位论文 1 4 本文的主要贡献和未考虑的问题 本文主要贡献： 1 根据上一节的讨论我们知道，实现短波通信的难点在于如何在3 k 带宽内实 现尽可能高的传输码率，组网的关键是怎样将短波电台接入网络。本文详细 讨论了短波通信的基本理论和实现方法问题。首先分析了高频信道的基本情 况，建立了信道模型。然后具体研究了数字滤波器的软硬件设计，给出了设 计结果。分析了基于导频技术的o f d m 信道估计算法，给出了仿真结果。详 细研究了基于o f d m - - 1 6 q a m 的短波信道物理层技术。 2 详细研究了卷积码、t u r b o 码的理论和运用。对于衰落信道下t u r b o 码性能的 提高做了深入的研究，提出了一种将信道估计和m a p 译码结合的新算法。 3 研究了短波通信基于a l o h a 的接入方式，讨论了短波电台的组网能力。在 o p n e t 平台上分析了2 0 个短波电台的a l o h a 接入信道时的吞吐量。虽然 比较简单，却是进行网络分析的必要步骤，为今后的工作打下了坚实的基础。 本文没考虑的问题及今后工作重点： 1 时序同步。在无线数字通信中，发送时，必然要将数字信号变成模拟信号 进行传输。在接收时再将模拟信号变成数字信号。由于符号速率和a d 转 换的时钟不可能完全同步，输出必然有一个时序的偏差，纠正这种时序偏 差是数字接收机的关键技术之一。限于篇幅，本文没有对此专门展开。 2 在我们的平台上，由于所研究的短波信道的平均附加时延、r i l l s 时延扩展 及最大附加时延没做精确的计算，对于相干带宽( 详见第二章的讨论) 没有 确定。当相干带宽不够时，使用均衡器则可以有效地提高信道传输性能。 第二章高频通信基带技术研究 第二章高频通信基带技术研究 在利用电离层进行h f 通信时，要根据电离层的不同情况来选择不同的频率 以适应不同距离的h f 通信，做到通信质量的可靠。本章研究高频通信中能够达 到可靠通信的物理层设计。同时，要根据不同的信道特性来选择调制方式、纠错 编码等技术。 2 1 高频信道( 电离层传播) 特性 研究高频信道时，主要考虑以下几个方面【2 】( 3 】4 【】【6 】【7 l 【8 】【