一种短波宽带快速建链方法*

胡 斌，张 伟，刘 台

（武汉中原电子集团，湖北 武汉 430205）

0 引 言

自动链路建立技术（ALE）是短波通信系统在建链过程中根据对信道条件的探测，找出传输信息质量最好的通信频点，并可以根据不同台站的不同需求，选择不同的呼叫类型和数据传输方式。可以在单个台站到单个台站或者是单个台站到多个台站之间建立可靠的通信链路，还能够自动进行信息数据传输以及在业务传输完成后自动拆除链路的过程[1］。

本文所述的自动链路建立协议是在第三代短波通信自动链路建立（3G-ALE）协议[2］的基础上进行的改进与简化。本系统采用了多信道接收技术，可同时进行多路信号的接收。发送方无论在驻留信道中的哪个信道上发送信号，接收方都可以实时接收信号。此技术的应用使得自动链路建立协议更加简化。自动链路建立协议能够为点到点或者点到多点之间的通信选择一条可靠的通信链路，还可以完成链路的建立与撤销、信道的质量分析和不同业务下信道带宽与速率的选择等。新设计的短波快速建链系统采用自动选频、宽带建链波形以及多信道并行解调等技术，实现系统快速建链自动控制功能，在快速建链的过程中完成对信道的探测，选出可通频率及业务传输所需的最佳带宽和速率。在建链系统中，建链台站可以以一定的方式在规划的32个频点中选出4个优选频率。建链台站优先在这4个优选频率上进行试探建链，选出可通的频率后立即建链。建链系统中各个台站同时驻留32个通道，接收方可以实时接收各个频率的探测信号，提高建链速度。通过建链波形估计信道的信噪比，根据信噪比选出通信业务的带宽和传输速率。

1 系统硬件平台

硬件平台中最核心的是“DSP+FPGA”的信息处理模块。快速建链流程主要是在DSP上编程实现。DSP与FPGA相互协作，共同完成可靠链路的建立。

新型短波快速宽带建链系统硬件平台主要由1片FPGA、1片DSP以及1片AD/DA芯片组成。DSP芯片是TI公司的TMS320C6416芯片。其中，FPGA主要完成的功能如下：第一，从射频端接收数据做希尔伯特变换，再做粗同步头捕获处理，最后将数据通过EMIF口传给DSP芯片；第二，完成均衡和译码功能，将从DSP传过来的信息数据做均衡和译码处理。AD/DA TLV320AIC10芯片的作用是将通过话筒收到的模拟语音信号转换为数字信号或是将通过信道接收到的数字语音信号转换为模拟的语音信号。选频模块的作用是为各个站台做频率规划，并为建链提供优选频率集。选频模块通过HPI口实现与DSP之间的信息传输。DSP6416主要用于完成选频建链和各类业务信息处理功能。新型短波快速宽带建链系统的总体框架，如图1所示。

图1 短波快速宽带建链系统整体结构

建链系统中，FPGA芯片主要是从射频单元接收多通道32路的数据信息。32路每一路对应一个频点，FPGA首先对接收到的数据做希尔伯特变换，然后对所有的信息做粗同步头捕获处理。如果捕获到同步头，FPGA最多可同时将4路有效信息传递给DSP芯片。同时，FPGA还将捕获到同步头的对应32路通道的通道号传递给DSP，以便DSP在判断是对己方的有用信号后的转回复时，根据收到信息的信道号切换发送频率。FPGA在捕获到同步头后将传给DSP数据中同步头的大致位置告诉给DSP，以减少DSP在做精细同步头捕获时的搜索范围，节省处理时间。除了上述功能外，FPGA还会对建链后传输的业务信息做均衡和译码。

2 建链协议设计

2.1 优选频率集更新

优选频率集是由选频模块综合长期预报和实时频谱检测获得。每个优选频率集由4个频点组成，建链双方有很大可能在这4个频率中的某个频率建链成功。当在某一个优选频率上不能建链时，需要对频率集进行更新，用新的优选频率替换不可用的频率。如果在一次建链时4个优选频率都不可用，此次呼叫失败，则更新整个频率集。

具体更新过程如下：

（1）初始呼叫时，优选频率集为[F0,F1,F2,F3］，呼叫时按次序发起呼叫。如果F0能建链成功，则保持优选频率集不变，下次呼叫时仍按该次序发起呼叫。

（2）一段时间后，再次发起呼叫，如果在F0频点上不可通，但在F1频点上能够建链成功，则优选频率集将更新为[F1,F2,F3,F4］，后续呼叫时第一个呼叫频率为F1，以此类推。

（3）通信过程中，如果在Fa上收到呼叫并能建链，则电台将优选频率集更新为[Fa，Fa+1，Fa+2，Fa+3］，后续呼叫与（1）和（2）相同。

2.2 频带组合方案

建链系统支持3 kHz、6 kHz及12 kHz三种带宽情况。当6 kHz和12 kHz存在带内干扰时，为保证有效通信，必须对宽带信道进行重新划分，以规避带内干扰。此时，6 kHz带宽可退化为3 kHz使用，12 kHz带宽可退化为6 kHz带宽及3 kHz带宽使用。通过在建链过程中对信道质量的评估，选择合适的带宽传输业务。

被呼台站收到12 kHz带宽的探测信号后，根据信道质量探测结果，可选择的子信道带宽有8种可能——4个3 kHz、3个6 kHz和1个12 kHz，对应的带宽编号如表1所示。

表1 带宽编号划分表

2.3 建链突发波形

在信道快速变化的情况下，为了能够快速实现建链又能够保证通信质量，协议采用在探测信道后立即建链的策略。建链波形越长，建链所消耗的时间也越长。为了尽量减少建链消耗的时间，协议中设计了两种不同长度的建链波形，这样可以通过减少携带不必要的信息来缩短建链波形的长度。两种不同长度的建链波形可以区分为建链突发波形A和建链突发波形B。突发波形A主要用于探测信道质量，而突发波形B则用于建链过程中不需要探测信道质量时。

突发波形A除了承担建链时携带建链信息外，还需要探测信道质量，因此在信息序列后还携带了16个不同频率叠加的单音序列。单音序列用于探测4个3 kHz信道的质量。在所有建链信号中，探测信号和应答信号采用突发波形A。突发波形A的波形结构如图2所示。

图2 突发波形A结构

突发波形A中TLC/AGC的长度为480个码元，TLC/AGC为美军标MIL-STD-188-141B的BW0保护序列符号，只需从其中截取少量符号作为信号帧的保护序列。同步前导序列是长度为576个码元的m序列，信息序列是由30 bit信息编码后扩频得到的1 546个码元。16个不同频率的单音序列长度为750个码元时间。突发波形的码元速率为9 600 Baud，同步前导序列、信息序列和单音序列占用的时间为306 ms，AGC序列所占时间为50 ms，整个突发波形A占用的时间为356 ms。

突发波形B用于在建链过程中不需要探测信道质量时的建链波形。突发波形B不携带探测信道质量的16个单音序列，所以它的长度比突发波形A要短。在所有的建链信号中，确认信号、呼叫信号、握手信号和拆链信号都采用了突发波形B。突发波形B的波形结构如图3所示。

图3 突发波形B结构

突发波形B中，TLC/AGC和同步前导序列与突发波形A完全一样，长度分别为480个码元和567个码元。突发波形B的信息序列是由40 bit信息编码后扩频得到的2 058个码元，码元速率为9 600 Baud，信息序列与同步前导序列共同占用的时间为281 ms，AGC序列所占时间为50 ms，突发波形B占用的时间为331 ms。

2.4 协议数据单元(PDU)

协议数据单元（PDU）共有6种不同的数据类型，分为了2种长度的数据信息。探测PDU和应答PDU包含30 bit的数据信息，使用突发波形A。呼叫PDU、握手PDU、确认PDU和拆链PDU包含40 bit的数据信息，使用突发波形B。每种PDU在建链的各个阶段承担不同的任务，共同完成可靠的链路建立过程。6种类型的PDU结构如图4所示。

图4 PDU结构

探测PDU用来探测信道的信道质量。当需要探测信道质量时，主呼方可以发送探测PDU请求连接。主呼方根据上层主控的要求组建探测PDU，将探测PDU所包含的信息传递给被呼方；被呼方根据收到的信息中的被呼地址判断是否需要响应，并估计出当前呼叫信道的信道质量。探测PDU采用含30 bit的数据信息的突发波形A，其后的16个单音序列可以完成对4个3 kHz信道的信道质量探测。探测PDU中的探测类型共有3种，分别为可用LQA、最优LQA和单向LQA。

被呼方根据收到的探测PDU信号计算出4个3 kHz信道的信噪比，根据信噪比可进一步估计出在声码业务和数据链业务下最合适的带宽和两种业务在这个带宽下最合适的速率。不同业务对应不同带宽的速率信息。被呼方将选出的带宽和速率信息组合到应答PDU的信息序列中，应答PDU再经过编码扩频及调制后发送给主呼方。

确认PDU是主呼方收到被呼方应答信号后回复的确认建链信号。主呼方收到被呼方的应答信号后，根据双向探测的信道的信噪比，对业务能力做出判断。如果可以满足业务需求，则在当前信道发送确认PDU信号，被呼方收到主呼方发送的确认PDU信号，则双方建链成功，即可进行业务传输；否则，退出本次呼叫，在下一个频率继续发起探测呼叫。确认PDU包含40 bit的数据信息。

呼叫PDU是在选择呼叫建链时主呼方发起的呼叫信号。主呼方根据之前探测得到的信道质量信息自主选择信道带宽、传输速率以及业务类型等参数，通过发送呼叫PDU信号来请求连接。呼叫PDU与探测PDU的区别主要在于被呼方收到呼叫PDU信号后不能进行信道质量评估，因此信道参数需要从之前的探测结果中进行选择。由于呼叫PDU使用突发波形B，其后不含16个单音序列的探测信号，可以缩短建链时间。

握手PDU是呼叫建链过程中被呼方对主呼方的应答信号，与探测建链过程中的应答信号类似。所有台站在收到呼叫PDU信号后，先对收到的信号进行解析，根据被呼台站的地址判断本台站是否是被呼方。如果被呼方是本站，需要回复握手PDU信号，否则不需要回复握手PDU信号，台站将继续进入扫描状态；如果被呼台站地址是网呼地址，则根据被呼台站地址的组网号判断本台站是否属于呼叫的组网内，若本台站在该组网内，需根据本站在网内的编号，在相应的时隙内回复握手PDU信号，否则不需要回复握手PDU信号，台站将继续进入扫描状态；如果被呼台站地址是全呼地址，所有台站都不需要回复握手PDU信号，可直接进入建链成功状态。

拆链PDU信号是通知对方拆除当前链路的信号。当主呼台站与被呼台站完成业务传输后，即可发送拆链信号。当呼叫类型为单呼时，双方可以向对方发送拆链PDU信号；当呼叫类型为网呼或者全呼时，被呼台站可自主拆链，但不会影响主呼台站的状态，拆链过程只需进行一次握手即可完成。拆链完成后，收发双方都处于等待接收或等待发送信息状态。

2.5 建链状态转移过程

为应对不同的情况，本文设计了两种建链模式：探测建链过程和呼叫建链过程。探测建链过程是在主呼方向被呼方发起呼叫时携带了一段探测信息，被呼方收到呼叫信号后可以根据探测信息估计出4个3 kHz信道的信噪比，根据信噪比信息可以估计出在满足业务传输要求下的信道带宽的业务传输速率。呼叫建链过程的呼叫信息不携带探测信息，业务传输的信道带宽和传输速率由上层主控直接确定。两种建链方式都采用了3次握手，保证了建链的可靠性。两种建链方式的各个子状态之间相关转移的过程如图5所示。

图5 建链状态转移

在系统软件运行过程中，根据主控的操作和系统流程的自动运行，建链系统的各个状态不断切换。多通道接收在FPGA中完成，FPGA的接收过程与DSP的建链流程并行运行。

在建链系统流程中主要有3种状态，定频状态、建链成功状态以及等待建链状态。通过主控的操作可以使站台进入定频状态，两个台站根据事先的约定，在指定的频率上发送模拟话信息。双方在可通频率上可以直接进行通话，通话结束后，双方可以操作主控回到多信道接收状态。当台站已经与另外的站台建链成功，处于建链成功状态时，可进行语音业务或数据业务传输，传输业务时，选择建链过程中选定的信道带宽和传输速率进行通信。业务传输完成后，台站可以选择主动发送拆链信号或接收对方台站的拆链信号。拆链完成后，删除链路信息，台站重新回到多信道扫描状态。台站也可能处于等待建链状态，此时由主控控制后续的流程。若主控发送主动呼叫指令，则后续流程与上小节介绍的主呼方建链流程一致；若主控不发送主动呼叫指令，则台站会一直处于多通道扫描状态，等待接收呼叫信号。若接收到有效的呼叫信号，此时流程按照上小节介绍的被呼方建链流程来执行，直到台站建链成功或收到主控其他指令。

2.6 探测建链过程

探测建链过程由主呼方发送探测信号，探测信号以单呼、网呼或全呼的方式发送给被呼方。被呼方收到探测信号后对信号进行分析，将信道质量信息通过应答信号发送给主呼方。主呼方对收到的应答信号进行分析，完成对信道的双向LQA。主呼方根据双向LQA结果选择最合适的通信链路参数并发送确认信号，被呼方收到确认信号后即完成了链路的建立。探测建链过程实现了带宽和速率的自适应，在建链过程中建链双方根据信道条件可选择传输业务最适合的带宽和传输速率。

网呼是指点对多点发起呼叫，被呼地址为一个组网的地址，组网内的成员都是被呼叫的对象。网呼具体建链流程与单呼建链流程类似。当被呼方收到网呼信号时，首先查看自己是否是被呼网内成员，如果是则网络内的成员根据自身在组内的编号，在各自的时隙内发送应答PDU信号。应答PDU携带根据信道质量选出满足业务传输要求的信道带宽编号和业务传输速率等参数，其他步骤与单呼类似。

全呼也是指点对多点发起的呼叫，被呼叫的对象是网内的所有成员。此时，被呼叫对象不需要给主呼方应答，收到呼叫信号后直接进入建链状态。相比于单呼和网呼，全呼流程更简单，区别在于当被呼方检测到是全呼信号时，直接进入建链状态等待接收主呼方的业务信息。

2.7 呼叫建链过程

呼叫建链过程是主呼方自主选择通信链路参数发送呼叫信号。如果是单呼，被呼方收到呼叫信号后需向主呼方发送握手信号，主呼方收到握手信号后，链路建立成功。如果是网呼，被呼方收到呼叫信号后需分时隙来向主呼方发送握手信号，主呼方收到握手信号后，再发送确认信号，被呼方收到确认信号，链路建立成功。如果是全呼，被呼方根据收到呼叫信号的信息直接建立链路，即可进行业务通信。

2.8 建链时序

新设计的短波快速建链通信系统采用多信道并行接收方式，在建链过程中发方无需考虑收方当前的驻留信道。因此，发方无需发送大量扫描PDU或需收发双方的时间同步，且随着收发转换时间、发送电平控制时间、AGC控制时间等指标的提高，建链采用更紧凑的时序设计。单呼一般用于点对点通信场景，当在某个频率可以实现一次建链时，单呼建链时序如图6所示。建链时序采用3次握手方式，由呼叫、应答、确认及收发转换组成。其中，呼叫和应答占时356 ms，确认占时331 ms，收发转换时间各为40 ms。当该频率可通时，整个单呼建链只需1.163 s。此时的时序是在探测建链时的建链时间。当主呼方采用呼叫建链方式时，呼叫信号和握手信号消耗的时间会更短，建链时间也会更短。

图6 在一个可通频率建链时序

在实际建链过程中，如果优选频率集选出的第一个频率不能成功建链，则需切换到第2频率进行建链。如果信道环境变换较大，也可能需要切换到第3个频率进行建链，甚至在第3个优选频率也无法建链，导致此次建链失败。需注意，2次呼叫或3次呼叫成功时，由于建链过程中可能失败的环节较多，导致建链时序无法确定，在此不做讨论。

2.9 建链性能测试

主呼方与被呼方之间建链时，建链信号通过信道模拟器设置的不同信道环境测试建链系统的性能。测试是在两个DSP6416实验板上模拟实现的，建链成功表示双方3次握手接收的建链信号完全正确。下面得到的测试结果都是在不同的条件下测试1 000次得到的。表2为上代建链系统在各种信道条件下建链概率的性能指标，显示了在不同信道条件下不同信噪比对应的建链概率。下面将根据新的建链系统的实测结果，比较两种建链系统的性能。

表2 上代建链系统在不同信道条件下的性能指标

图7是在高斯白噪声信道下0 Hz频偏时不同信噪比对应的建链概率。可看出，高斯信道下，在信噪比为-8 dB时，即可保证100%的建链概率。随着信噪比的降低，建链概率会有不同程度的下降。在高斯白噪声信道下，实际测试结果均好于上代建链系统指标要求。此外，还测试了在高斯信道下加50 Hz频偏后的测试结果。可见，当信噪比低于-9 dB后，加频偏对建链概率影响较大。

图7 高斯信道下建链概率与信噪比的关系

图8 是在2 ms多径和1 Hz衰落的衰落信道下0 Hz频偏时不同信噪比对应的建链概率。可看出，在（2 ms，1 Hz）衰落信道下，实际测试的结果与上一代建链系统的指标相比有一定的提升。

图8 衰落信道（2 ms，1 Hz）下不同信噪比对应的建链概率

图9 是在0.5 ms多径和0.1 Hz衰落的衰落信道下不加频偏时不同信噪比条件下对应的建链概率，可看出实际测试结果比上一代建链系统的指标更好。

图10是在高斯信道下信噪比为-8 dB时不同频偏对应的建链概率。在-8 dB条件下，测试了频偏从-70 Hz到70 Hz、步径为10 Hz时对应的建链概率。由图10可知，在不加频偏时，-8 dB达到了100%的建链率；不同的频偏对建链概率有一定影响，但影响不大，不同频偏下建链概率能稳定在95%以上。

图9 衰落信道（0.5 ms，0.1 Hz）下不同信噪比对应的建链概率

图10 高斯信道下不同频偏对应的建链概率

3 结 语

本文研究了一套快速宽带建链系统，从建链系统的硬件平台、系统的建链协议等方面进行阐述，并给出了测试结果。该系统采用带宽为12 kHz的建链波形、多通道接收技术以及合理的建链协议等，缩短了建链时间，提高了建链的成功率。最终测试结果显示，新设计的建链系统方法性能比传统短波建链方法更好。