海上高频电子邮件技术

王化民，冯文仙，常满文

（1．青岛远洋船员学院，山东青岛266071;2．大连远洋通大电子有限公司，辽宁大连 116001）

0 引言

2006年12月，国际电联第八研究组提出在海上移动业务中尽快引入高频数字通信和电子邮件业务，其建议案《R03-SG08-C-0161》［2］也已经被国际电联接受。国际电联在有关决议中要求各国有关航运机构考虑和使用新的数字通信技术［3-5］，并进行相应的技术标准、操作程序、规则性条款以及过渡期等有关方面的问题进行研究，以期待迎来水上无线电通信全新的数据通信［6］时代。

海上高频电子邮件技术主要使用短波传输协议和T总线协议。短波传输协议采用的是PACTOR-Ⅲ协议，该协议是由德国Hans-Peter Helfert和Thomas Rink提出的。与PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ协议类似，PACTOR-Ⅲ协议也是同步半双工自动请求重复（ARQ）系统。PACTOR-Ⅲ协议中初始链路的建立采用的是移频键控（FSK），与以前PACTOR-Ⅰ相兼容。当2个电台都能支持PACTOR-Ⅲ协议时，系统将自动切换到高一层的协议进行通信。

本文将对海上高频电子邮件系统采用的带宽和传输速率、调制、编码和码率、振幅因数与发射机输出功率、数据包的结构、控制信号、信号特征、T总线协议等技术问题予以分析介绍。

1 带宽和传输速率

PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ协议数据传输的带宽都为500 Hz，但在PACTOR-Ⅲ中做了特别设计，所需带宽为6 kHz，即1个双工电话信道。因此，可以充分利用单边带（SSB）电话信道。SSB信道带宽是3 kHz，2个单边带信道可作为1个数字通信。将高频数字通信带宽设计为6 kHz，能提高其吞吐量和适应性，也便于今后拓宽其使用领域。

在传播条件允许时，基于PACTOR-Ⅲ进行短波数据通信，最多可以容纳18路话音，每路间隔120 Hz。在物理层，最高的数据传输速率是3 600 bps。而没有数据压缩的情况下，网络传输速率是2 722．1 bps。如果在不同的压缩率下，最大有效吞吐量取决于传送的信息量，不过通常都能超过5 000 bps。在线压缩数据的最大传送速率大约为5 200 bps，这比PACTOR-Ⅱ协议快4倍以上。同样在低信噪比条件下，PACTOR-Ⅲ的适应性比PACTOR-Ⅱ也更强。

根据不同的传播条件，PACTOR-Ⅲ协议使用6种传输速度（SL），可以把6种传输速度看作为用独特的调制和信道编码技术的独立底层协议。在所有传输速率中码符的传输速率都是100波特。使用音频数可达18个，间隔120 Hz。最大带宽为2．2 kHz，音频范围从400～2 600 Hz。中心频率是1 500 Hz，最低音频为480 Hz，最高音频为2 520 Hz。当音频在2个最低速率间跳变时，频率差将是120 Hz的N倍，表1所示为不同的传输速度下信道与音频的关系。

与PACTOR-Ⅱ协议类似，在每个ARQ周期中携带数据流的载波都被转换成不同的音频，以变化音频的方式增强多音频的增益。通常状态下，实际数据流载波数与音频数一致，交换方式指定载波信号0与音频17对应，1与16，2与9，3与10，4与11，5与12，6与13，7与14，8与15分别一一对应。当它们传送变量数据包报头和控制信号时，可以认为音频5和12与2个PACTOR-Ⅱ协议载波信号相等，详情见表1所示。

表1 不同的传输速率（SL）所用信道的号与位置Tab．1Number and position of the used channels at the different speed levels（SL）

表中:CN为信道号;TF为音频频率，Hz;SL为传输速度;×表示在传输速度下使用的音频频率。

2 调制、编码和码率

调制器既可使用差分二相相移键控（DBPSK），也可使用差分正交相移键控（DQPSK）。在数据包的全帧位交叉之后，最好采用码率为1/2的卷积码，约束长度（CL）为7或9。与PACTOR-Ⅱ协议类似，更高码率的编码，即3/4和8/9的码率，是从一个称做压缩码获得的。在传送前，1/2码率的比特流某些比特被压缩，也就是说它们被删除了，而没有被传送。在接收方，用1/2解码器解码前，被压缩的比特用空位来代替。解码器把这些空位即不当作1也不当作0，而是当作一个中间值来处理。这样，这些位对解码过程不会产生影响。假如认真选择了压缩模式，用一个可比的约束长度，就可使压缩码增益与一个最好的已知精确码率为3/4和8/9的编码增益一样。这种方法的主要好处是单一码率解码器（这里使用的是码率为1/2的解码器）可以用于很多种编码。因此，压缩码在许多现代通信系统中使用。

表2显示了调制方式、约束长度（CL）和码率（CR）、物理数据传输速率（PDR）（也就是说在物理层传输的毛比特传输速率）、网络数据传输速率（NDR）（即未经压缩的用户数据传输率），及不同传输速率（SL）下的振幅因数（CF）的关系。

表2 不同传输速率（SL）情况下参数表Tab．2Parameters of the different speed levels（SL）

注意:以每秒比特数为计算单位的吞吐量取决于ARQ协议的执行，不能从物理数据速率和误码率推断出来。

图1中显示了传输速率与每比特的标准能量（Eb/No）有关。由于不同的音频数（2～18）和不同的调制方式（DBPSK/DQPSK），该图没有显示关于信道的信噪比（SNR）的性能。图2表示了信道带宽为3 kHz时，不同传输速率下的信噪比与误码率间的关系。不同的传输速率覆盖较宽的信噪比范围。对于传输速率6（SL6）的最大吞吐量，要求信道的信噪比（SNR）要达到14 dB。

3 振幅因数与发射机输出功率

PACTOR-Ⅲ信号的一个重要特性是它的低振幅因数（CF），尤其是在低速率级别时。大多数高频放大器都有峰值功率限制，并且使用峰值功率自动控制（ALC）。PACTOR-Ⅲ比多载波模式提供了更大的发射机功率。例如，在使用同样的功率放大器时，正交频分多路复用（OFDM）模式将会增加接收机的信噪比。在传输速率达到级别4（SL4）时，PACTOR-Ⅲ下振幅因数相当于单载波传输模式下的振幅因数。而当传输速率级别达到5（SL5）或者6（SL6）时，振幅因数（CF）比典型的OFDM模式低3 dB左右，因此可使均方根功率翻倍。就数字无线电设备而言，如果电码较弱，即误码率大于2/3，单载波模式比OFDM模式要好得多。非常频繁地切换频道时，无码传输时采用OFDM模式将会使传输变得很差。当电码很强即误码率≤1/2时，OFDM模式比单载波模式要稍好一些。

以上结果基于以下2个假设:

1）2 种模式下发射的均方根功率是一样的，也就是说OFDM模式的峰值功率要比单载波传输模式下高几个dB;

2）单载波传输模式须使用1个合适的DFE均衡器（不能使用MLSE均衡器，因为其脉冲响应太长）。如果峰值功率保持不变，那么单载波传输模式在所有合理的码速下运行得会更好，但是需要1个最佳的DFE均衡器。PACTOR-Ⅲ提供了1个解决方案，不仅可以使振幅因数最小化，而且避免使用均衡器。均方根输出功率随着传输速率和振幅因数（CF）的变化而变化，接收机的信噪比也会相应改变，如图2所示。

4 周期

在标准模式下，ARQ周期为1．25 s（短周期）和3．75 s（数据模式），这是获得与先前的PACTOR标准容易兼容要求之一。由于信号传播和设备转换延迟，PACTOR-Ⅲ能建立最远达20 000 km的ARQ链路。为进一步扩展最大传输距离，需采用长路径模式（Long Path Mode），在此模式下，ARQ链路能达到40 km。此模式下ARQ短周期为1．4 s，数据模式为4．2 s。呼叫台将FSK（移频键控）链接帧中呼号的第1个字节取反，在长路径模式下建立通信链路。

5 数据包的结构和控制信号

除了数据块的长度有所不同外，PACTOR-Ⅲ数据包结构和先前的PACTOR很相似。数据包由1个包头、1个可变数据块、1个状态字节和1个冗余校验字节组成。数据包头有可变数据包头和固定数据包头2种，其中有16个可变数据包头，每个由8个符号组成，用音频5和音频12交替传送。每个数据包头有4位信息编码，第1位为请求状态，0表示重复发送的数据包;第2、3位表示1～4级传输速率;5级和6级传输速率是由另外可解析固定数据包头来定义;第4比特位定义当前的周期类型，0代表短周期，1代表数据模式周期。表3列出了可变数据包头的定义（16进制）。

表3 可变数据包头定义（启动音频5和音频12）Tab．3Definitions of the variable packet headers （initiating tones 5 and 12）

其余的音频，如音频1-4，6-11和13-18由固定数据包头引导，表示各自的音频，而不传送其他附加信息。它们分别支持频率跟踪、ARQ存储、收听模式、传输速率5和6的监测，见表4。

表4 固定数据包头定义（启动音频为1-4，6-11，13-18）Tab．4Definitions of the constant packet headers （initiating tones 1-4，6-11，13-18）

数据包头后面是数据块区，用于传送用户信息。在6种不同的传输速率下，短周期中传送5，23，59，122，212和284有效信息字节;而在长周期中传送36，116，276，556，956和1276有效信息字节。在某一周期内，如果全部音频载波上传送的全部数据的解交织和译码后，就获得了实际的信息包，它是由用户数据、1个状态字节和2个冗余循环校验字节组成。状态字节的第0和1位定义了数据包是否为重复发送;第2，3和4位定义压缩数据的类型;第5位表示当发射缓冲器字符数超过一定值时提出转换到数据模式;第6位表示完全转变请求;第7位开启链路终端协议;数据包的最后部分是按照CCITT-CRC16标准计算的16位冗余循环校验码，如图3所示。

与PACTOR-Ⅱ一样，PACTOR-Ⅲ使用同样的1组6种20位控制信号（CS）。它们同时在音频载波5和音频载波12发送，相互间具有尽可能大的汉明码距。

为了对控制信号（CS）的检测允许使用交叉相关法，因其具有高相关增益，用软判决法引导正确的检测，甚至连微弱的控制信号（CS）也能检测到。控制信号1（CS1）和控制信号2（CS2）用于确认/请求重发数据;控制信号3（CS3）执行强行拆线;控制信号4 （CS4）和控制信号5（CS5）用于处理传输速率改变: CS4代表速率增加一级;CS5起到NAK（没有收妥）作用请求重复先前的数据包，同时降低一级速率;控制信号6（CS6）用于数据包长度和模式切换，即当在短周期时，根据当前数据的长度请求切换到长周期模式，反之易然。所有的控制信号（CS）都是在DBPSK方式下发送，以获得最强的信号。

6 信号特征和实际考虑

用FSK PACTOR标准来建立初始链接，2个电台之间有±80 Hz的频率偏差，这与PACTOR-Ⅱ模式类似。当转换到DPSK模式时，由于在精度和稳定性上提出了更高的要求，所以其调制解调器要提供1个有效的追踪算法来补偿频偏，并与信号精确匹配。

PACTOR-Ⅲ信号提供了很高的频谱沿，以避免邻近的信道溢出。因此，低品质的音频滤波器可能会造成收发双方在高速率级上侧音频失真。为了部分地补偿这个问题，其调制解调器使用补偿命令分2步分别增强信号边缘振幅，此功能在PACTOR-Ⅲ发射均衡器中定义。0表示关闭功能，1表示中等调节，2表示增强信号侧音频。

此外，由于不同的音频载波设置与用于初始链路设置的FSK模式有关，随着自动切换到PACTOR-Ⅲ模式，可能产生信号中心频率转换。所以，音频设置应注意和网络中的其他台相适应，以确保连接的2台不发生偏差，并且PACTOR-Ⅲ信号应对称地处在滤波器的带宽中。通常，PACTOR-Ⅲ链路收发双方设置相同的音频。建议将音频设置在4上，即将FSK音频设置为1 400 Hz和1 600 Hz，在PACTOR-Ⅲ中心频率1 500 Hz上下平衡，以避免PACTOR-Ⅲ用户之间的不兼容，如图4所示。

海上高频电子邮件技术可以代替目前的窄带直接印字电报（NBDP）进行常规通信，未来或许用其进行遇险与安全通信。这项通信技术一旦在海上中/高频段广泛采用，将迎来海上通信的又一次大变革。

［1］王化民，刘英．水上短波数字通信技术［M］．大连:大连海事大学出版社，2008．

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