几种数字信号处理技术在短波水上通信系统中的应用浅析

姚萍萍 肖春晖

摘 要：短波通信因失真少、传输距离远、抗毁性强等因素一直是海上通信的主流方式，模拟传输手段则因实现性强、成本低长期以来作为海上通信的主要传输方式。随着技术的进步和经济的发展，数字技术应用成为水上通信系统未来一段时间的主流和趋势，本文旨在通过对短波电台调制方法和语音编码方式选择的研究，探索将数字化技术引入短波水上通信系统的可能性和实现方法。

关键词：海上通信 短波 数字电台 OFDM Opus 技术应用

短波通信因具有绕射能力强、传输距离远、抗毁性强等特点被广泛的应用到海事、气象和军事领域，其系统也是全球海上遇险与安全系统（GMDSS）的重要组成部分。基于数字通信技术的日趋成熟，如何将数字技术应用到短波通信中，整合两种通信方式的优点，成为新的研究方向。本文主要研究信号的调制和信源—语音信号的编码两个环节的数字化技术应用。

1.短波通信数字调制应用

短波通信虽然具有传输距离远、覆盖范围大、设备价格经济等优点，但其依赖大气层传播的特点也使其易容易被干扰、衰减和失真。DRM（世界数字广播组织）为了扬长避短、更好地使用短波通信，针对30MHz以下的长中短波调幅广播建立了世界通用的数字AM广播标准，推广了数字广播技术DRM系统。

1.1DRM技术的优越性

DRM系统使用30MHz以下频段的特点，使其对中高频频谱资源的利用比较充分，绕射能力及穿透能力更强，有利于增大覆盖范围；在覆盖范围基本相同的情况下，DRM系统需要使用的数字调幅发射机的功率远低于传统模拟调幅发射机，这一点有利于提高发射机的经济效益和能效；在短波9kHz带宽的前提下，可以充分利用现有的语音编码技术，增强抗扰能力，消除短波衰落，从而提高传输可靠性，避免高斯噪声影响。

DRM+（最新的DRM技术代）采用多载波OFDM传输方式（正交频分复用），使用4QAM和16QAM两种子载波调制方式，在主业务信道上提供高达37～186kb/s的净数据率。

1.2OFDM调制原理

OFDM调制的原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，并将这些数据流在在多个载波上同时进行传输。基于这个原理，OFDM调制相较于单信道传输保真性更强，并且具有基于符号周期展宽的特点。采用OFDM调制方式产生的低速并行的子载波，其多径效应造成的时延扩展就能够相对缩小。这样就能降低码间干扰发生的几率直至可以忽略不计。

OFDM调制的通带信号一般可表示为：

在实际应用中，一般会解调N路子载波，并根据波形叠加得到信号，从而减少失真。例如N=4时，信号表达中d=（1，1，1，1），四个载波解调后的独立波形和叠加后的信号波形分别如图1。

从波形图可以看出，虽然4个子载波的幅度范围恒为[-1，1]，但由于多信道叠加，一旦出现多信号相位一致的情况，就会产生叠加信号瞬时功率数倍于单信号平均功率的情况，这种现象被称为OFDM调制的高峰均比，目前针对这一弊端，研究者进行了限幅类，编码类以及概率类等技术探索。1.3OFDM调制在短波电台的应用

目前水上通信短波电台发射系统主要具备三大功能模块：信源编码、信道编码和OFDM调制。最终，发送端将OFDM调制后的数字信号通过数模转换成模拟基带信号，并直接通过SSB单边带调制发射。信号处理流程如图2所示。

OFDM的调制是将需要被发送的数据分别与多路子载波相乘合，形成基带复信号s（t）。而OFDM解调的过程就是由复信号s（t）求解傅立叶系数的过程。

2.语音传输编码

在数字化中短波发射系统中，信源编码是数字化技术应用的关键环节。本文主要讨论海上通信中最为常见的语音编码。

短波数字传输，由于其频段特性，傳输带宽非常有限。为了充分地利用极其有限的网络带宽资源，一般在数字化处理中采用语音压缩编码。语音编码的特征属性有比特率、语音质量、时延和复杂度。但在实现过程中，这些属性往往此消彼长，因此在实际应用中，一般遵循需要对对各项属性的实现进行折衷，并选择合适的编码方式。

四个属性中，通常情况下工程师们会优先选择降低比特率，从而达到充分利用网络资源的目标。一般来说，编码的比特率越低，其处理时延越长，算法复杂度越高，最后得到的语音质量越差。

2.1Opus编码

Opus编码器是一个由IETF（互联网工程任务组）开发的有损声音编码的格式。在技术层面上，Opus编码器具有巨大的优势，从水上通信使用的角度来讲，主要表现在：支持从窄带到全频段的音频带宽，采样率可覆盖窄带和全频（8 kHz-48 kHz）；支持CBR（恒定比特率）和VBR（可变比特率）；良好的PLC（数据包丢失隐藏）。这些特点使其在低码率下完胜曾经优势明显的HE AAC，中码率可以与AAC格式一较高下，而高码率下更可以到达接近原始音频的程度。相较于拥有众多不同编码器的AAC格式和HE AAC格式， Opus 格式还有一个突出优点即其开放性，这一点使其在使用时没有任何技术限制（包括专利限制）。

基于开源的特点，研发者既可以直接使用编译好的so库（官网地址：http：//www.opus-codec.org/），也可以使用源码自己根据需求生成so库然后导入使用，甚至能直接使用源代码。

编码作业需要使用NDK编程，具体实现则需要在工程界面中创建OpusTool类，用于调用native层的方法。具体程序可根据实际情况由技术开发人员自行编写。

2.2短波电台使用Opus编码的优势

（1）Opus编码在6kb/s-510kb/ s的比特率范围内的音质表现正常，特别是在10kbps以上的范围内明显优于其他编码方式。其在低带宽的中短波信道中的良好表现，使短波电台的语音传输能够避断断续续的现象。

（2）Opus语音编码时延非常低，在实时语音通信应用方面效果非常好，这与短波电台的使用需求非常吻合。

（3）Opus编码的开源性决定了它是完全免费且开源的算法，任何人研究者和技术人员都可以对其进行调试和改进，产品生产也不需要支付高额的专利费用，在一定程度上能够降低短波电台使用的成本。

（4）Speex编码可以作为6kbps比特率以下的Opus编码补充，这种补充可使短波电台在低比特率条件下也能有良好的收听效果。

3.结语

在通信技术日新月异的今天，水上短波通信对数字化实现技术的探索方兴未艾。本文探索的数字调制方式OFDM，以Opus为主要语音编码技术均能在一定程度上改善短波通信受干扰严重、传播方式依赖性强等弱点，但限于水平和条件，本文的研究非常有限且有非常明显的不足，希望通过日后的研究，进一步提高短波信道的通信抗干扰能力，更好的利用数字短波技术支持海上通信发展。

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