短波宽带数字化通信技术发展思考

短波宽带数字化通信技术发展思考

杜建东

北京联通管线运营中心

摘要：短波通信是指波长为100～10m（频率3～30MHz）的电磁波进行的无线电通信。信号传播方式可分为天波和地波。天波借助电离层的反射，可实现中远距离的通信。但是，因电离层易受环境影响，天波通信传输信道具有变参特性，处于不断变化中，通信质量不稳定。地波传输受环境影响较小，信道参数恒定，传播损耗随通信频率的升高而增大，适用于近距离通信。

关键词：短波宽带；数字化；发展

1宽带信号数字化

1.1窄带提取实现多通道接收

随着ADC器件性能的提高，采样速率可达到100MHz以上，且动态范围较高，可达到100dBFS以上。高性能ADC的出现，使得短波接收机对短波射频信号直接采样变得现实。采用高速AD9244实现短波射频信号的直接采样，基于DSP+FPGA构架实现数字平台处理。在ADC宽带采样的基础上，可设计相应数字域滤波器，实现多通道信号的窄带提取。在处理平台运算能力允许的情况下，还可实现多通道并行接收处理。

1.2频谱感知实现信道优选

ADC采样后的宽带采样信号S(n)可同时送入数字处理平台，对全频段进行频谱分析，得到宽频带范围内的频谱信息，即对全频段频谱感知。频谱感知技术使短波通信设备具有发现频谱空洞并合理运用频谱空洞的能力。将频谱感知技术引入短波通信系统，可实时找到可用的频谱空洞，实现高效灵活的频谱资源配置和工作状态调整。因此，频谱感知被认为是实现信道优化选择的最佳方案。频谱感知的总体要求是实时性和准确性。实时性要求处理平台具备高效处理能力，在尽可能短的时间内得到频谱信息。准确性要求系统射频前端具备低噪声和大动态范围，ADC能准确得到宽射频信号的宽带信息，在数据处理中优化频谱感知算法，确保输出的频谱是真实输入信号的频谱。频谱感知的方法大体上有匹配滤波、波形感知、能量检测和循环谱特征检测。匹配滤波和波形感知需要依赖先验信息，即需要确知干扰信号调制类型、波形特征，普适性较差。由于短波通信系统干扰信号多，调制方式多样，对短波终端设备的复杂度要求太高，故这两种方法不适用于工程设计。能量检测和循环谱特征检测都不需要依赖干扰信号的先验信息，仅通过计算接收信号功率或傅里叶变换得到接收信号的频谱信息，即可应用到任何频段感知中，普适性较好。在短波通信系统中，兼顾频谱感知的实时性和准确性，常用能量检测和循环谱特征相结合的方法实现频谱感知。

1.3软件无线电

在宽带数字化的基础上，结合高性能处理平台，可实现短波通信的软件无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）构架。SDR构架下，接收流程如下。来自天馈系统的接收信号经宽带接收机前端电路处理后，直接送入高速ADC完成信号采样。数字处理平台完成信号的窄带提取后进行解调，输出业务相关数据。发射流程。输入业务数据经数字处理平台调制后，送入DAC进行数模转换。DAC输出的小信号经滤波处理、功率放大后，通过天馈系统发射。与传统无线传输设备不同，SDR构架弱化了射频相关的处理电路，提高了ADC、数字处理平台的性能要求，业务流程与底层电路无关，形成了开放式、通用的硬件平台。

SDR是在开放式、通用的硬件平台上，通过加载相应的软件来完成不同的通信功能。系统的升级或变更仅仅只与软件相关，而硬件平台不变，提供了快速适应新出现的标准管理方式。目前，美军软件无线电通信装备都采用了基于SCA的软件平台。SCA软件平台分为核心框架、中间件、硬件抽象层及操作系统等部分。波形软件通过组件化的、符合SCA封装规范的控制管理接口动态连接到SCA软件平台。平台管理通过相应接口实现波形的部署、卸载、管理配置等操作。核心框架、嵌入式中间件、硬件抽象层和嵌入式实时操作系统共同构成了操作环境（OE），屏蔽了波形软件与底层硬件平台的相关性，保证了波形软件的可移植性。

2短波通信发展趋势

2.1硬件处理发展趋势

短波通信在硬件处理上的发展趋势表现在两个方面：射频电路及数字处理。射频接收处理电路由传统窄带处理向宽带处理方向发展。传统短波终端设备普遍采用超外差式的接收机结构，为窄带接收机，只能支持单一信道的接收工作，电路结构相对复杂。射频接收前端分段或全频段对3～30MHz进行宽带滤波，对信号适度放大处理，并对强干扰信号作出必要的抑制，宽带处理后的信号送入ADC进行采样。在高速ADC的基础上，接收机弱化了信道选频功能，将信道选频工作放在数字处理部分，提高了对数字处理平台的性能要求。数字处理平台已由传统的“处理器+DSP”向“处理器+FPGA”处理构架发展。现在，部分FPGA已集成DSP模块，大大提高了FPGA的数据处理能力。

2.2通信体制发展趋势

2.2.1宽带波形

MIL-STD-188-110C中定义了多种宽带下的波形，定义了以最大24kHz带宽（8种带宽）、最高数据速率120kbit/s（共计33种速率）的13种宽带调制波形。该标准对交织技术进行了优化，取消了VeryShort和VeryLong两种交织类型，使交织深度的最短平均值为0.12s、最长平均值为7.68s。编码方面，采用基于约束长度为7或9的卷积码，利用去冗余和重复译码技术得到了最低1/16、最高9/10的编码率。基于短波信道特性，用户可以依据不同的需求选择带宽和调制波形，使调制解调器的效能达到最优。直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS）直接用具有高码率的扩展码序列在发送端扩展信号的频谱，数据信息经过信道编码，用伪噪声序列对载波进行调制，在接收端用解扩码（PN）进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。该体制下的短波通信具有高处理增益，使得系统具有高安全、高抗饶、抗多径能力。同时，由于信号经过扩频调制后频谱扩宽，信号的功率谱密度大大降低，接收端收到的信号完全淹没在噪声中，具有非常高的隐蔽性。因此，扩频系统的抗截获能力很强。此外，扩频码是正交的或接近正交的，彼此间相互影响很小，可以把不同的扩频码用作用户的地址码，实现码分多址（CDMA）通信，通信容量大，通信速率高。

2.2.2自主选频短波通信

基于宽带数字化的频谱感知技术在短波通信中得到了广泛应用。基于宽带采样信号分析的频谱感知模块，能够对短波电台周围的电磁环境进行实时探测和频谱特征提取，从中选择出底噪较低的频段，并将该频段送入频谱管理模块，由频率管理模块对信道进行划分，同时评估信道通信质量，为短波通信系统提供合适的未占用通信信道，制定合适的频谱接入策略，即实现短波通信的自主选频。基于自主选频的短波通信系统可实现频谱信息共享，动态利用频谱资源，根据战场电磁环境实时调整频谱规划策略，快速完成频率资源分配，在通信过程中实现通信频率的自动切换。

3结 语

在射频硬件和数字处理平台的高度集成化背景下，宽带数字化通信在短波通信系统中得到了广泛应用。基于宽带数字化，多通道接收在短波通信中将易于实现。同时，高集成、高性能的数据处理平台可实现短波全频段的实时频谱监测，实现自主选频。高速ADC的出现将模数转换尽可能靠近天线，是软件无线电平台的硬件基础。未来，短波通信设备的集成度会更高，宽带波形的应用也将大大提高短波通信的传输速率和通信可靠性。

参考文献：

[1]机载超短波宽带天线的设计与仿真[D].李嘉诺.郑州大学2019

[2]浅析短波通信的现状及发展趋势[J].朱玉辉,姜淋尹.数字通信世界.2017(09)