宽带短波技术在测量船中的应用*

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 234431)

1 引 言

短波通信[1-2]因其通信距离远、抗毁性强、设备体积小、组网灵活，适合在移动状态的平台上工作，作为卫通链路和海事链路的补充，长期以来一直是远洋航天测量船的重要通信手段之一。

目前岸船间短波通信系统仍然采用模拟调制技术，其存在以下缺陷：调制编码效率低，数据传输带宽窄；对接收机的灵敏度要求高，远距离通信时系统可通率低；系统采用模拟信号输入，无法支持语音和数据等多种业务同时传输；与其他通信系统的融合存在天然屏障。

本文针对现有岸船短波通信系统存在的问题，对宽带短波技术展开研究，采用数字调制技术和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术[3-4]改造现有岸船短波通信系统，使其通信速率由9 kbit/s提升为50 kbit/s，可满足两路电话通话和分组传输能力。

2 宽带短波技术

2.1 调制解调技术

调制是用基带信号去控制载波的某些参量，从而把基带信号频谱搬移到适合信道传输的频段之内的过程，解调是调制的逆过程。按照载波被控参量不同，可将调制分为振幅调制(Amplitude Modulation,AM)、频率调制和相位调制3种基本形式；按照所用基带信号为模拟信号或数字信号，则分为模拟调制和数字调制两种基本形式，其中数字调制又称键控载波调制。以上不同调制方式可以相互组合，形成联合调制。短波通信系统中常用的调制方法则有时频键控调制、多音并行传输、单音串行传输等调制技术。

本文提出的宽带岸船短波通信系统采用数字调制技术取代传统岸船短波通信系统的模拟调制手段。在带宽3 kHz、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)调制方式、3/4码率的编码、系统有效数据率为9 kbit/s的仿真条件下，对传统模拟AM和数字调制方式下系统的误码性能进行仿真，结果如图1所示。

图1 不同调制方式误码率仿真Fig.1 The BER simulation of different modulation mode

对比AM调制下的等效信噪比与数字调制/解调模式下的等效信噪比可以看出，为了达到10-3的误码率(语音通信的基本需求)，AM调制需要的接收门限为SNR=29 dB。由于传统岸船短波通信系统调制带宽为3 kHz，因而其需要的接收功率为-74 dBW。计算公式如式(1)所示：

Pr=SNR+Mf-Id-Ic+Fm+10lgkTB+Fa-Gp+Md。

(1)

式中：B表示3 dB带宽，Fa表示大气噪声因子，Fm表示多信道负载因子，Gp表示处理增益，Ic表示分集增益，Id表示多径处理增益，K表示Boltzman常数，Md表示系统裕量，Mf表示衰落裕量，T表示噪声温度。将各参数值代入式(1)可得

Pr=29+15-7-0+0+10lgkT×3 000+47-0+8=

-74 dBW 。

(2)

同样地，为了达到10-3的误码率，数字调制方式需要的接收门限仅为SNR=9 dB，相应的接收功率降低为-91 dBW，相较AM调制方式，接收灵敏度下降17 dB。将各参数值代入式(1)可得

Pr=9+15-7-0+0+10lgkT×3 000+50-0+8=

-91 dBW 。

(3)

由以上仿真和分析可知，相较于传统岸船短波通信系统，采用数字调制技术后，系统接收性能提升了17 dB。

2.2 正交频分复用调制技术

正交频分复用技术是一种多载波调制技术，采用的是并行数据传输技术，利用频率上等间隔的N个子载波分别调制一路独立的数据信息，调制后的N个载波信号相加同时发送。通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，可无失真地恢复出发送信息。在接收端可以通过相关技术来分离叠加的正交信号，而不产生子信道间的干扰。

OFDM相对传统频分复用技术，占用频谱资源更少，因此非常适合应用于短波通信中，以较小的代价提高短波通信数据传输速率[5]。

本文提出的宽带岸船短波通信系统采用OFDM技术，利用N个通道同时进行数据传输，使合成功率的平均值为单一信道功率的N倍，峰值功率将增加为单一信道功率的N2倍。相对于模拟调制，使用数字调制功放的效率下降效果更加明显。多信道负载因子Fm(表示FDM带来的功放效率的下降)与信道数目的关系如表1所示。

表1 多信道负载因子与信道数目的关系Tab.1 The relationship between multi-channel load factor and number of channel

由于单一数字信道的数据传输速率为9 kbit/s，因而为了达到岸船间宽带短波通信需要的50 kbit/s的数据速率，需要6个信道叠加传输，此时需要的接收功率为-76 dBW。将各参数值代入式(1)可得

Pr=9+15-7-0+15+10lgkT×3 000+50-0+8=

-76 dBW，

(4)

此时系统接收灵敏度与传统岸船短波通信系统相当，通信覆盖范围基本类似于传统方式的覆盖范围，但数据率可以大幅度提高，具体地，由9 kbit/s提升为50 kbit/s。

3 宽带短波系统设计

本文提出的宽带岸船短波通信系统可以由现有岸船短波通信系统的基础上改造得到。以发送端为例，如图2所示，传统1 kW短波发射机系统主要由三个部分组成，即输入激励部分、输出功率放大部分、电源模块。

图2 传统短波发射系统Fig.2 Traditional HF transmission system

输入激励部分通过AM、SSB等方式将语音信号调制到射频，并通过宽带功放将信号推送到100 mW，然后送入功率放大模块。

输出功率放大部分将前级输入的100 mW信号通过多级放大推到1 kW，并送到天线系统。输出功率放大模块可以覆盖2～30 MHz的全部频段。

电源模块将输入的380 V交流电压变换为50 V、24 V、18 V、15 V、12 V、9 V、5 V、-12 V、-15 V等直流电压，为系统中的各个部分供电。

输入激励与输出功率放大之间包括4种接口：

(1)射频接口——前级小信号放大器与后级大功率放大器的接口。功放将被音频调制的射频信号放大到100 mW，送入后级大功率放大。

(2)自动链路控制接口——该接口从控制接口到自动链路控制(Automatic Link Control，ALC)的接口，用于输出射频打开/关闭控制电平。

(3)频段开关控制接口——本发射系统的设计目标是覆盖2～30 MHz全部短波带宽，但是射频输出的信号需要进行信号整形和滤波，因此信号输出级放置了8个低通滤波器，根据不同的发射频点通过继电器在不同的滤波器之间进行选择。对于不同低通滤波器的选择使用数控的频段开关实现。

(4)自动功率控制的模拟信号接口——自动功率控制(Automatic Power Control，APC)将输出功率取样的情况变换成电压信号输入到激励端，激励端据此进行功率调节和控制。

现有系统中的输出功率放大部分都具有宽带放大能力，可以覆盖2～30 MHz的频段，无需改造。需要改造的主要是输入激励部分。具体地，只要将现有的1 kW短波发射机系统的模拟信号输入和AM/SSB调制模块改造为数字化宽带短波调制模块即可。改造后的短波发射系统框图如图3所示，其中，数字化宽带短波调制模块实现原理框图如图4所示。

图3 数字化宽带短波发射系统Fig.3 Digital wideband HF transmission system

图4 数字化宽带短波调制模块实现框图Fig.4 The structure diagram of the digital wideband HF modulation module

应用宽带短波技术后的岸船短波通信系统相较于传统系统有两个非常明显的优势：一是可以支持多种业务，比如可以同时支持语音和数据；二是可以降低接收机的灵敏度要求，在相同的发射功率下，可以获得更大的通信距离。

4 宽带短波通信系统的多网融合应用

本文提出的宽带短波通信系统不仅具备了多业务能力和更高的通信可靠性和通信速率，而且可以融入到一体化试验信息系统，更好地发挥它的作用。

4.1 点对点的短波IP网络模型

该模型由一个位于场区的中心台和位于测量船上的移动台组成的点对点模型。其中短波调制解调器有与电台的接口，并且实现对数据的调制与解调，从而实现短波数据通信；IP路由器是短波调制解调器与试验IP网互连的专用通信设备，实现场区各用户终端与测量船上各用户终端之间的通信。配合相关软件，控制中心可以实现网络内电台的单呼、组呼以及全呼功能，中心可以通过短波综合终端与测量船上的终端进行综合业务的传输。

4.2 多网融合的岸船通信系统

为满足一体化试验信息系统建设总体思路，按照统一的技术架构、体制、标准，改造现有的通信系统。通信设备数字化、通信系统网络化、通信业务综合化是短波通信的必然趋势，系统兼容、网络互通、高可靠性、有效性、抗毁性成为短波通信的基本要求。作为通信指挥的重要手段，能使通信平台上的综合业务通过短波信道安全无缝地接入各种业务数据网。为了使信息业务在卫星通信网以及短波通信网等异构网络之间有效传输，可以将测量船的宽带短波通信网与卫星通信网有机融合，设计基于两网融合平台技术的通信系统，在任务工作模式下，卫通和短波同时工作。陆上场区卫通站与测量船通过卫通互通建立起卫通链路，陆上场区短波中心台与船载移动台互通建立起短波链路。岸船之间的通信链路由原来的卫通链路和海事链路变为现在的卫通、海事、短波链路各一条。岸船之间可以通过多种路由方式与中心进行任务数据传输，3种方式之间互为备份，从而提高了数据传输的可靠性。数据传输可以优先选择卫通路由方式，一旦路由器检测到卫通路由方式中断时，不需对路由器进行任何操作，数据传输会自动切换至短波路由方式，在保证信道质量的情况下，这种路由方式切换是非常安全的。

5 结束语

短波通信发展正向着全自适应、智能化、软件化和网络化的方向发展。对于测量船而言，随着一体化信息系统的建设，岸船短波通信系统还面临着一体化改造的迫切需求。本文分析了岸船短波通信系统的数字化、宽带化改造需求，提出采用数字调制和OFDM技术取代现有系统采用的模拟调制技术，有效提高了岸船短波通信系统的数据传输率。对现有岸船短波通信系统的分析表明，以较小的代价对其进行了改造，实现了岸船短波通信系统的宽带数字化传输。最后分析了岸船宽带短波系统与其他岸船通信系统的多网融合潜力，可为新一代岸船通信网的建立提供技术支撑。