降低短波通信噪声的软硬件设计方法

李政，张晓洁，许榴佳

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏　南京　210014）

降低短波通信噪声的软硬件设计方法

李政，张晓洁，许榴佳

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏南京210014）

短波通信是一种常见的远距离无线通信手段，被广泛地应用在了电报、电话和广播等领域。然而，短波通信的质量容易受噪声影响。首先，分析了短波通信噪声大的原因。通过分析发现，短波通信中的噪声主要是由短波的传播特性和设备的研制问题引起的。然后，针对问题的原因，提出了一系列的降低短波通信噪声的软硬件设计方法，希望对广大工程实践工作者有所帮助。

短波通信；噪声；软件设计，硬件设计

0　引言

卫星通信和短波通信是两种常见的远距离无线通信手段[1]。但是，卫星通信容易因被干扰或摧毁而失去通信能力，而短波通信却具有设备简单、架设方便和抗毁能力强等优点，因此，尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波通信这一古老和传统的通信方式仍然受到了全世界的普通重视，得到了广泛的应用。短波通信中，发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节和气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性较差，噪声较大。因而，本文对降低短波通信噪声的软硬件设计方法进行了研究，以期为改善短波通信接收端的听音环境，提高通信质量有所裨益。

1　引起短波通信噪声的原因

1.1短波的传播特性

短波主要通过地波和天波的方式进行传播。地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1 000 km左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样 （潮湿土壤地面对电波的衰耗小，干燥沙石地面对电波的衰耗大）。短波信号沿地面最多只能传播几十千米。地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。短波的主要传播途径是天波，短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，再由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远 （几百至上万千米），而且不受地面障碍物的阻挡。但天波是很不稳定的，在天波传播的过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应和电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果。

1.2设备的研制问题

当前，承制单位对短波通信设备的认识普遍不足，投入不够，导致短波通信设备故障率高，通信不可靠[2]，主要体现在：技术状态管理混乱、模块的通用化低、设备在使用过程中突然出现故障导致通信中断、不同厂家同型号电台不能互换、同厂家不同时代的产品不能通用和产品的五性及工艺外观等方面和需求相比还存在着较大的差距。

由于上述种种原因，噪声大成为了短波通信的一个重要问题。通过对这一问题进行分析，发现其原因大致可以归纳为以下5点。

a）短波设备的外部电子设备产生的干扰信号的影响

短波设备工作时，外部电子设备产生的各种频率的干扰信号会以电磁波辐射的形式或通过电源线窜入短波设备中，如果干扰信号太强，则短波设备自身的抗干扰电路也将对此变得无能为力，从而造成较大的噪声。

b）电路中某元器件性能变劣的影响

各种元器件都存在一定程度的噪声，当它们的性能变劣时，其噪声就会相应地增大，而这些噪声又会被后面的放大器放大，从而导致最终出现较大的噪声。

c）电路中某元器件引脚的焊接质量不佳所造成的影响

元器件引脚的焊点质量不好，就会造成虚焊等问题；当电路板遭受振动时，焊点松动将会引起设备出现较大的噪声。

d）电路的地线设计不良

在整机电路中，地线是各部分电路的共用线；当地线的走向、排列等设计不合理时，各部分电路中的信号会通过地线相互耦合，从而造成噪声大的问题。

e）由于电路中存在自激，产生啸叫声

当设备中的输入信号在一个环路中时，由于自激效应，设备中就会出现单频啸叫，从而引起很大的噪声。

分析引起短波通信 “噪声大”这一问题的原因后，为了降低噪音，针对每种原因，本文提出了一系列的软件与硬件设计方法，下面将对其进行详细的介绍。

2　硬件设计

2.1系统设计

a）电磁兼容设计

为了实现电磁兼容，必须从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源，消除或减弱骚扰的耦合，降低敏感设备对骚扰的响应。为了实现电磁兼容，可以从以下4个方面进行设计：

1）确定骚扰源和耦合途径；

2）有源器件的选择和印制电路板设计；

3）屏蔽设计；

4）滤波设计。

b）电源电路设计

很多人认为只要稳压电源的输出电压和电流的数值符合要求就可以用，但实际上，这种认识不够全面。其实，有些干扰可能来自电源，有些话音失真也可能是电源动态范围不足所导致的。数据传输对电源的要求更严格，如果电源的电磁屏蔽特性不好，输出纹波大，则将直接导致数传工作不正常。功率容量和设计余量也是考核稳压电源优劣的重要依据，有些电源生产商为了降低生产成本，增强价格竞争优势，把电源的功率容量设计在临界状态，并尽量地简化电路，选用低指标元器件等，这类电源的技术性能和可靠性肯定是做不高的。为了降低电源本身对短波通信的影响，电源电路一定要设计精确，尽量地保证安全、可靠[3]。

2.2地线设计

设计良好的地线网络既能提高抗扰度，又能减小电磁发射。因此，设备设计中要考虑将模拟电路和数字电路的地线分开，两者中间要进行隔离，以免相互干扰[4]。设备接地时，要充分地考虑系统的需要，采取单点、悬浮、多点和混合接地等方式来减小干扰。

2.3去耦电路和旁路电路设计

电路中去耦和旁路设计一般都是通过在电路中加电容来实现的。去耦电容可以用来滤除高速器件在电路上引起的骚扰电流，防止电流冲击而产生噪声；旁路电容能够消除电路上的高频辐射噪声。

2.4元器件的选用

在满足整机技术指标的条件下，元器件的选用原则是：应尽量地选用集成电路，不用分立器件；尽量地选用数字电路，不用模拟电路，以利于整机朝着体积小、重量轻、集成化、数字化、高稳定性和高可靠性的方向发展。

此外，还应降低所施加在电子元器件、零部件上的电应力和热应力，以降低电子元器件、零部件的故障率，提高产品的可靠性和安全性。

2.5电台和天线的匹配

必须高度重视天线、馈线和电台三者之间的匹配问题，否则，即便电台、天线和馈线都选得很好，如果三者之间不匹配，通信效果还是有可能不好。所谓 “匹配”就是要求达到无损耗连接，只有电台、馈线和天线三者保证高频输入输出的阻抗一致，才能实现无损耗连接。

2.6正确地埋设接地体和连接地线

地线是很多用户容易草率处理的问题。短波通信台站的地线是至关重要的，其实际上是整个天馈线系统的重要组成部分。这里所说的地线，不是交流供电系统中的电源地或保安地，而是信号地，也被称为高频地。信号地一般不能接到电源地或保安地上，必须单独埋设。埋设接地体时，必须按有关标准的规定进行。电台的接地柱和接地体之间，必须用多股线铜、编织铜线或大截面优良导体连接，才能起到良好的高频接地作用。而良好的高频接地是减小发射驻波和接收噪声的必要前提。

2.7选用先进优质的设备

采用先进优质的设备也是有效地降低短波通信中的噪声的有效途径之一，那么怎样评价设备的先进性和质量呢？设备的先进性体现在两个方面：1）设备的电气特性和工艺结构，这方面先进与否决定了设备性能指标的优劣和可靠性；2）设备的使用功能，具有多种先进功能的设备不仅用途更广泛，而且也说明制造者的科技实力更强。

3　软件方法

3.1消噪技术

噪声的危害在于它能够淹没有用的信号，因此在通信中，利用噪音抵消技术来减小其对信号的影响就显得尤为重要。从使用类型上看，消噪技术可分为对端消噪和单端消噪两种。

a）对端消噪

所谓对端消噪，是指需要发方电台和收方电台互相配合所进行的消噪工作。其过程是：在发方，电台对信号和噪声进行大倍率的平等压缩；在收方，电台对信号和噪声进行不平等的解压，通过这一过程，强化了信号，弱化了噪声，实际的消噪效果是比较明显的。但是，对端消噪在实际运用中有两个困难：1）消噪器要单独地适配电台，设备互换性差；2）不配消噪器的电台难以参与通信。这两个问题制约了对端消噪技术的推广。

b）单端消噪

单端消噪只处理本机收到的信号，无须对方电台的配合，因而完全克服了对端消噪的弊端，成为了消噪技术的发展主流。其消噪的原理是根据有用信号的声谱对话音进行数字化处理，从而滤除噪声分量，因此它也被称为滤噪。

3.2采用新型声码话技术

新型声码话是将波形编码与参数编码结合而产生的一种编码方式，它使语音编码技术有了突破性的进展。该编码方式提出了一些非常有效的处理方法，产生了新一代的参数编码算法，构成了新一代的声码器[5]。这种编码器既具备了声码器的特点（利用语音生成模型提取语音参数），又具备了波形编码的特点 （优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配）。它采用线性技术构成声道模型，不仅能够传输预测参数和清浊音信息，而且能够将预测误差信息和预测参数同时传输，在接收端构成新的激励源去激励预测参数构成的合成滤波器，使得合成滤波器输出的信号波形与原始语声的信号波形最大程度地拟合，从而获得自然度较高的语声。同时，它还可利用感知加权最小均方误差的准则使编码器成为一个闭环优化的系统，从而在较低的比特率上获得质量较高的语音。这种编码技术的关键是如何高效地传输预测误差信息。依据对激励信息的不同处理，这类编码主要可以分为：多脉冲线性预测编码（MPLPC：Multi-pulse Linear Predictive Coding）、规则脉冲激励线性预测编码 （RPELPC：Regular-pulse-excited Linear Predictive Coding）、码激励线性预测编码 （CELPC：Code-Excided Linear Predictive Coding）和低时延的码激励线性预测编码 （LD-CELPC：Low-Delay Code-Excited Linear Predictive Coding）等几种。混合编码克服了原有波形编码器与声码器的弱点而结合了它们的优点，在4～16 kb/s速率上能够得到高质量的合成语音。在本质上，也具有波形编码的优点，有一定的抗噪声和抗误码的性能，但相对而言时延较大。

3.3利用语音存储转换纠错功能

在语音通信中，可以预先存储一些标准的话音，在需要用时只要从语音库里调出话音即可。这样便可避免因喑或其他的问题而引起的噪声，提高通信质量。

4　结束语

本文对降低短波通信噪声的方法进行了分析和研究，并提出了几种操作性较强的软硬件设计工程解决方案，希望对广大工程实践工作者有所帮助。

[1]王三红，郭琳，张军琴.电子通讯设备的可靠性设计技术探讨 [J].电子产品可靠性与环境试验，2003，21（3）：16-22.

[2]李政，张晓洁.以可靠性为中心的通信设备的质量管理[J].电子产品可靠性与环境试验，2016，34（2）：32-35.

[3]刘宝华，张晓莹，李立华，等.通信电子电路 [M].北京：高等教育出版社，2008.

[4]胡斌，吉玲，胡松.电子工程师必备：九大系统电路识国宝典 [M].北京：人民邮电出版社，2013.

[5]谭亮.数字语音在调幅广播信道中的传输研究 [D].南京：东南大学，2003：1-54.

Software and Hardware Design Method to Reduce the Noise in HF Commmunication

LI Zheng，ZHANG Xiao-jie，XU Liu-jia
（Nanjing Panda Handa Science and Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210002，China）

HF communication is a common means of long-distance wireless communication，and it has been widely used in the fields of telegraph，telephone，radio and so on.Firsty，the reasons of the high noise in HF communication are analyzed.Through the analysis，it is found that the noise in HF communication is mainly caused by the propagation characteristics of HF and the development problems of equipments.And then，aiming at the reasons of the problem，a series of software and hardware design methods to reduce the noise in HF communication are put forward，in hope that it will bring some help to engineering practice workers.

HF communication；noise；software design；hardware design

TN 911.4

A

1672-5468（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

2016-03-03

李政 （1974-），男，湖南双峰人，南京熊猫汉达科技有限公司 （国营第七一四厂）高级工程师，主要从事机载短波、超短波无线通信领域国家重点工程项目的设计工作。