導(dǎo)語：短波通信技術(shù)研討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1引言

衛(wèi)星通信和短波通信是兩種常用的遠(yuǎn)距離無線通信手段。但是，衛(wèi)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(shè)備簡單、架設(shè)方便、抗毀能力強等優(yōu)點。這使得短波通信長期以來一直受到廣泛關(guān)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(kuò)展為0.01Hz～10Hz。在高緯度的電離層信道甚至達(dá)到13ms的多徑延遲和73Hz的多普勒擴(kuò)展。隨著無線通信的基帶信號處理能力提高，短波數(shù)據(jù)傳輸率得到了大幅度提高，加拿大CRC首次在3kHz信道帶寬內(nèi)實現(xiàn)了9600bps的短波數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信領(lǐng)域做了許多有意義工作［2］。短波的波形設(shè)計有兩種實現(xiàn)方式:串行調(diào)制解調(diào)器和并行多音調(diào)制解調(diào)器。目前為止，無論是串行還是并行調(diào)制解調(diào)器，都能夠在3kHz帶寬內(nèi)支持編碼的9600bps、無編碼的16kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率［3］。但是，在信噪比(SNR)小于25dB時，無編碼的調(diào)制解調(diào)器呈現(xiàn)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(diào)制方式中尋找新的發(fā)射波形和新的編碼方式，設(shè)計低功耗、高數(shù)據(jù)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(shù)和OFDM技術(shù)提出了一種新型短波通信系統(tǒng)設(shè)計方法，最后給出了系統(tǒng)性能仿真和本文結(jié)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(shù)Gi是統(tǒng)計獨立、具有高斯形狀Doppler功率譜的復(fù)Rayleigh衰落過程。本文在CCIR差短波信道條件下進(jìn)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(shù)為統(tǒng)計獨立，其多普勒擴(kuò)展為1Hz或者5Hz。抽頭系數(shù)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(nèi)，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(tǒng)

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(shè)計面臨許多挑戰(zhàn)。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)將多徑衰落信道轉(zhuǎn)化為多個并行平坦衰落信道，通過引入循環(huán)前綴(CP)技術(shù)，有效地克服多徑衰落信道在高速應(yīng)用中存在的嚴(yán)重符號間干擾(ISI)問題，從而使系統(tǒng)均衡變得簡單。OFDM技術(shù)已經(jīng)運用到短波信道上，用以實現(xiàn)高速并行調(diào)制解調(diào)器，如:英國Racal設(shè)計的一種適用于短波NVIS信道的并行調(diào)制解調(diào)器，在3kHz帶寬上實現(xiàn)了無編碼最高傳輸速率16kbps;法國Thomson設(shè)計的編碼最高數(shù)據(jù)傳輸速率9600bps的并行調(diào)制解調(diào)器。空時編碼(STC)技術(shù)采用多天線進(jìn)行信號發(fā)射，通過對多個發(fā)射信號在時域、空域進(jìn)行聯(lián)合編碼，從而使采用這一技術(shù)的無線通信系統(tǒng)在存在大量散射的無線環(huán)境中獲得額外的發(fā)射分集增益，增加系統(tǒng)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(shù)和OFDM技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計新型短波波形。本文設(shè)計了具有最多4個發(fā)射天線和兩個接收天線的新型短波調(diào)制解調(diào)器，系統(tǒng)組成如圖4所示。目前正在對系統(tǒng)所采用的調(diào)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(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)級的優(yōu)化考慮。所設(shè)計的短波波形信號參數(shù)為:OFDM子載波間隔為36．5Hz，可用子載波數(shù)目為82。參照美軍標(biāo)MIL－STD－188－110B規(guī)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(hù)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(dá)到3/4，卷積碼生成多項式為［133，171］，約束長度為7。調(diào)制方式為BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。所設(shè)計波形的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為12.144kbps。信號幀格式為:采用塊狀導(dǎo)頻模式，即通過周期性插入一個OFDM符號實現(xiàn)短波信道的估計和跟蹤。根據(jù)短波信道時變快慢，即最大多普勒擴(kuò)展fd，由Nyquist采樣定理，需要每隔1/(2fdTs)個OFDM符號插入導(dǎo)頻符號。若fd=1Hz，則需要每隔15．4個OFDM符號插入一個導(dǎo)頻符號。如圖5所示，導(dǎo)頻間隔為5。空時編碼方案:采用空時分組碼。在兩個發(fā)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(nèi)發(fā)射，S2，S*1由天線#2在相應(yīng)的兩個時隙內(nèi)發(fā)射。編碼方向為沿OFDM子載波之間進(jìn)行。在四個發(fā)射天線情形下，采用正交STBC碼［5］或者準(zhǔn)正交STBC碼［6］，此時調(diào)整可用子載波數(shù)目為80。空時編碼方向可以沿OFDM系統(tǒng)時域方向進(jìn)行。

4仿真結(jié)果

對上述所設(shè)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(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的性能仿真分析。鑒于短波信道的時變特性，文獻(xiàn)［5］提出的線性最大似然(ML)空時譯碼技術(shù)在差短波信道條件下不能有效消除多個發(fā)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(shù)［2、8］，仿真結(jié)果如圖7所示。圖8的仿真結(jié)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(tǒng)的發(fā)射分集增益，2Tx/1Rx的新波形比傳統(tǒng)單天線發(fā)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(fā)射天線情形下，我們提出了一類新型的空時譯碼技術(shù)［2］，圖9仿真結(jié)果表明:與文獻(xiàn)［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(dāng)信噪比等于12dB時，數(shù)據(jù)傳輸率3934bps的系統(tǒng)誤碼率為10－5。采用文獻(xiàn)［11］提出的基于MMSE準(zhǔn)則的最小均方(LS)信道估計算法。系統(tǒng)幀頭信息用以完成初始信道估計捕獲。在隨后數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠?xùn)練模式下，接收機已知導(dǎo)頻信息，但是在數(shù)據(jù)模式下，接收機采用直接判決方法，即利用發(fā)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(yīng)算法進(jìn)行信道跟蹤，導(dǎo)頻符號用以促進(jìn)自適應(yīng)算法的收斂。

5結(jié)束語

空時編碼技術(shù)提供了一種設(shè)計短波通信的全新思路。通過在多個發(fā)射信號之間進(jìn)行空時編碼可以構(gòu)建全新的多發(fā)多收(MIMO)短波通信系統(tǒng)。上述仿真結(jié)果表明:與傳統(tǒng)單天線發(fā)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。