短波宽带波形技术体制发展探讨研究﹡

王玉龙

（海军驻成都地区通信军事代表室，四川 成都 610041）

0 引言

短波无线电设备简单、其传输媒介抗毁性好，长期以来，短波通信是实现远距离、超视距军事通信和远洋运输通信的重要手段之一[1]。但是，短波信道是时变多径衰落信道，在时域和频域都是时变的。通常情况下，短波信道多径数目为2 ms和1 Hz（ITU-短波差信道）。在中纬度短波电路上其多径时延可以达到6 ms、多普勒衰落为5 Hz。这使得在实际信道上短波通信可靠性差、传输速率低，通信速率为2.4 kb/s都难以达到，一般不超过600 b/s，通常只用来进行话音通信和低速数据通信[1]。

随着现代信息化数据业务量的增加和业务种类的扩展，对于短波高速数据通信的需求也日益增强，研究短波高速数据通信系统具有重要的现实意义。国内外传统短波通信主要采用3 kHz带宽窄带通信体制，通过采样高效调制方式来提高通信速率，比如：美国短波通信军标 MIL-STD-188-110B采用了64QAM调制技术来提高通信速率，其最高传输速率达到了9 600 bit/s（编码）和12 800 bit/s（无编码）[2]，但该信号对信道质量要求高，实际信道上实现高速通信将变得困难，难以真正得到应用。现代短波采用带宽宽带化实现高速通信将是一种发展趋势。

1 国外短波高速通信研究现状

美国在二十世纪末公布了传统短波通信 3 kHz带宽窄带通信的调制解调器标准规范 110B，同时期，北约公布了3 kHz带宽的跳频调制解调器标准STANAG-4444。目前，公开报道文献中尚未见到跳频调制解调器标准规范，但美国军标110B提出采用64QAM高效调制技术实现9.6kbps，表1给出了美国窄带短波调制解调器的技术特点[3]。

表1 美国窄带短波3kHz波形技术特征

美国军标110B建议利用独立边带调制（ISB）技术实现19.2 kb/s，但其对信道质量要求高，达到33 dB，北约STANAG-4539建议采用多个独立信道绑定思想，将2～8个3 kHz信道并行传输数据，每个信道采用256QAM高效调制技术，在地波环境下实现最高传输速率为128 kb/s。这种体制优点是可以兼容现有设备，同时，可以充分利用短波频段中的“频谱间歇”实现短波高速通信。其缺点是这种技术体制需要多套收发设备支持，对频谱资源要求较高，实际通信变得困难。这种多信道捆绑不是真正意义上的短波宽带通信。

二十世纪九十年代，信道带宽为1 MHz以上的短波直接序列扩频通信体制和短波高速差分跳频是重点研究的两种短波宽带传输体制。美国采用宽带直接序列扩频技术在 1.5 MHz带宽内实现了57.6 kb/s的传输速率。由于短波信道具有“窗口效应”，过高信号带宽内的干扰十分严重，其用户容量和实际通信效果都将有限。美国采用高速差分跳频技术的 CHESS系统在 2.56 MHz带内实现了5 000跳/秒、19.2 kb/s的传输速率，CHESS系统采用前后两跳的频率位置关系携带信息，利用宽带功放和宽带天线等宽带接收技术。近年来带宽为1 MHz以上短波宽带高速通信报道已很少，究其原因主要是实际短波通信的频率窗口比较小。

进入二十一世纪之后，最大带宽为24 kHz的短波“准宽带”通信系统逐步成为研究重点。美国Harris公司和Rockwell公司分别对短波“准宽带”通信的不同技术体制进行了独立研究，这些体制包括：

1）多载波技术体制；

2）单载波单边带技术体制；

3）单载波多边带技术体制。

在2011年，美国提出了最新的短波通信调制解调器标准规范草案MIL-STD-188-110C，该标准采用了单载波单边带技术体制实现了最大信号带宽为24 kHz、最高传输速率为120 kb/s的宽带短波高速通信系统。

无论是单载波串行波形体制，还是多载波并行波形体制，这种线性调制方式产生的波形信号都存在峰均比问题，从而使得电台发射功率得不到有效利用。因此，最近几年，美国在大力研究宽带短波通信的波形体制技术的同时，还开展了以恒包络非线性调制技术为核心的、窄带短波波形标准技术的优化工作[4]：

1）针对110B的单载波串行波形，2006年，美国Harris公司研究了以恒包络连续相位调制（CPM）为核心的优化方案：他们以MSK和GMSK代替PSK调制，给出了 110B标准中传输速率为 75～600 b/s的可选波形设计方案。其结论是：在AWGN信道、固定衰落多径信道（2PNF）和短波差信道（Poor）三种典型短波信道条件下，其误码性能相当。因此，考虑到系统的平均发射功率效能因素，新波形方案有2～5 dB性能增益。

2）针对110B的多音并行波形，2009年，美国Harris公司研究了以恒包络多音技术（CE-OFDM）为核心的优化方案。在AWGN信道、固定衰落多径信道（2PNF）和短波差信道（Poor）条件下，在综合考虑电台平均功率效能情况下，Harris公司对比分析了CE-OFDM和OFDM的误码性能。得到结论：①CE-OFDM 采用线性频域均衡技术不能提供有效性能增益；即便以PA效率代替APBO（对OFDM有额外 1.1 dB损伤），对于 2 400 b/s以上波形，CE-OFDM没有更多优势。CE-OFDM技术成熟度不够；②CE-OFDM解调复杂度大。

2 短波宽带波形体制比较

2.1 技术体制比较

如前所述，短波宽带波形技术体制主要有以下3种技术体制：

单载波多边带技术体制：利用多信道并行传输思想，将24 kHz带宽划分为8个相邻的3 kHz信道，并行传输数据。每个3 kHz信道可以采用现有的串行波形技术，比如：如果每个信道传输2.4 kb/s，则8个信道可以传输19.2 kb/s。该技术体制可以理解为一种多载波技术，每个信道有不同的载波频率，与正交频分复用（OFDM）技术不同。总体来说，该技术体制需要采用多路调制解调，其实现复杂度高，工程实现代价高。

多载波技术体制：该技术利用OFDM技术，其信号频谱由多个子带构成，发送数据流被分解成多个低速数据流后，分别在每个子带上并行传输。总体来说，OFDM技术已经在民用宽带无线通信领域得到广泛应用，该技术体制实现复杂度低，信号峰均比高，系统不能全功率发射，在多径衰落和干扰环境下的性能受限。

单载波单边带技术体制：该技术体制充分利用扩展的信号带宽，采用单音调制方法实现短波宽带通信。在短波多径衰落信道环境下，该技术体制可采用频域或者时域的自适应均衡检测技术来完成信号接收，其中自适应频域均衡技术通过在信号帧结构中增加循环前缀方法，简化了自适应时域均衡技术的逐符合均衡过程，减少了实现复杂度。与时域均衡技术相比，频域均衡技术对短波信道时变衰落特性有些敏感。

表2给出了三种技术体制的比较结果。可以看出：OFDM的功率发射效率最低，其性能最差；多边带体制的工程实现代价最高；单边带体制在功率效率和性能潜力方面具有优势，其实现可借助现代高性能电子器件来完成，其实现复杂度相对适中。

表2 短波宽带波形技术体制的比较

目前，单载波宽带传输体制是国外研究重点，单载波多边带技术体制能够充分利用短波信道的“频率窗口”特性、不需要连续的信道带宽等优点，该体制与短波现役窄带电台兼容性好，容易工程实现。该技术体制最初受到国外重视。在 2002年，美国Rockwell公司ISB方法（每个边带信道上采用相同调制和编码，以信道叠加方式实现单载波多边带短波宽带传输）完成了多信道绑定的短波宽带波形原型样机实现，并在实验室内以64 kb/s波形速率演示了网页浏览、文件交互和电子邮件传输。Rockwell公司推动了短波高速通信系统的波形标准化工作，研究了标准化波形设计，以及信道选择（如：独立窄带信道数、波形交织深度和传输速率）、链路建立和维护、动态链路优化等短波宽带传输系统设计。

为研究多信道绑定宽带传输体制对短波信道的适应能力，在2006～2007年，美国Harris公司采用S-4538标准中用于FLSU-LQA的探测波形评估了多边带信道的信道质量，并且分析这种多边带信道质量变化对单载波多边带短波宽带波形的设计的影响。在信道质量评估方面，Harris估计每个信道上信噪比、多径延迟和多普勒扩展。Harris公司的研究表明：全天超过72%以上时段，多边带信道上信噪比变化超过4 dB；多个短波频段上的多边带信道信噪比变化有2～6 dB，甚至更高。考虑到在信噪比变化超过3/4 dB的信道环境下，波形数据传输率能够增加或者减少一倍。而且，当信噪比变化几个dB时，波形能够实现从50%误码陡降到零误码。因此，Harris公司认为：短波多信道绑定宽带波形设计原则应当是：根据每个信道的信道质量评估结果，将信道质量评估和ARQ握手机制结合起来，实现多信道波形参数的自适应。Harris公司建议改进短波多信道绑定宽带传输的ISB设计方法。

单载波多边带技术体制还存在两个固有缺点：一是与单边带传输体制相比，多边带传输的峰均比高；二是多边带传输体制存在不可用的信道保护带问题，与单边带技术体制相比，其信道带宽更大。2009年，Harris公司的研究表明：在短波差信道条件下（2 ms多径、1 Hz多普勒），速率为600～19 200 b/s的单边带波形性能比多边带波形性能有1 dB增益。

2.2 我国短波宽带波形技术体制思考

目前国内正大力开展研究和研发短波宽带高速通信系统[5-6]，其重点是研究和开发短波宽带波形技术。从国外短波宽带通信系统研究情况可以看出，国外短波宽带波形技术体制还是以发展具有较好电磁兼容性、能够适应实际短波通信的频率窗口特性的“准宽带”短波通信系统为主。作者认为，我国未来短波通信系统将是一种信道带宽得到适当扩展的短波宽带通信系统，该系统将综合采用各种频谱感知技术、自适应通信技术和编码调制技术等先进技术，以适应在波形的信号带宽扩展后带来的“频率窗口”问题，系统的技术特征主要表现为：

首先，我国未来的短波通信系统将走向宽带化，通过适当扩展信号带宽，从传统3 kHz信号带宽扩展到最大信号带宽为24 kHz，采用更高的符号速率方式实现短波宽带高速通信，满足现代社会信息化发展对短波高速通信需求。

其次，我国宽带波形技术体制将采用单载波单边带技术体制，通过采用时域或者频域均衡检测技术实现信号接收。在信号设计方面，通过采用高频谱效率调制技术和高性能Turbo码/LDPC码等编码技术实现抗噪声能力强、传输可靠性高的宽带波形。

最后，我国下一代短波宽带通信系统将通过采用频谱感知技术、跳频技术和多参数自适应通信技术实现短波宽带自适应跳频通信，采用快速自动重传请求机制实现宽带高速数据通信。系统将具有实时信道感知能力，具备适应短波信道时变衰落和干扰特性的通信频率捷变、传输速率自适应等功能。系统将采用实时干扰检测和抑制等方法，具有波形信号级抗干扰能力。

3 结语

通过适当扩展信号带宽来取得更高的数据传输速率和性能是当前国内外短波通信发展的技术方向之一，文中对短波宽带波形技术体制发展进行初步探讨，提出了一种综合采用各种自适应通信技术、跳频技术、扩频技术、高频谱效率的编码调制技术等宽带短波自适应跳频波形技术体制。与传统3 kHz窄带短波通信在实际信道上传输速率不超过2.4 kb/s相比，宽带短波自适应跳频通信系统将大幅度提高传输速率，预期在实际海面波环境下抗干扰跳频通信速率将达到38.4 kb/s，为我国发展短波数据传输新体制提供了重要参考，将能够有效推动我国短波通信发展。

[1] 胡中豫.现代短波通信[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2] MIL-STD-188-110B. Interoperability and Performance Standards for Data Modems[S].[s.l.],2000.

[3] MIL-STD-188-141B. Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].[s.l.]:[s.n.],2001.

[4] NIETO J W,FURMAN W N. Constant-Amplitude Waveform Variations of US MIL-STD-188-110B and STANAG 4539[C]. The 10thIET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques. London:IET Communication Networks and Services Network,2006:205-209.

[5] 范伟,朱家成,胡飞.短波自适应通信的信道仿真算法研究[J].通信技术,2013,46(02):19-21.

[6] 赵慧霞,许从方.短波自适应跳频技术的研究[J].通信技术,2011,44(06):7-9.