短波数传电台通信系统关键技术研究

王 琼，徐 峥，王娅婷

（93246部队，吉林 长春 130000）

0 引 言

短波通信技术具有较强的机动能力和较长的通信距离，尽管现在卫星通信和其他的通信技术发展的很快，但短波通信因其良好的特性并没有被时间所抛弃。随着短波通信技术与计算机技术的融合，使得短波通信技术在实现信道估计、自适应天线阵等方面取得了长足的进展。短波通信的目标小，基站不易被摧毁，而卫星通信所使用的卫星极易被摧毁，因此短波通信在战争中的可靠性较高。与其他技术相比，短波通信的成本低、体积小、便于移动，在军事上使用的范围更广，而且能够实现全球通信，在低纬度地区时可用的频段较宽、频率较高，受到其他因素的影响较大。在电离层中，短波通信具有其特有的优点，季节、太阳活动等因素会影响短波通信的覆盖范围，如多途传输会产生符号间干扰，使接收信号发生畸变。针对这一现状，研究者们已经开发出了多种方法来提高短波通信的性能，本文主要介绍了自适应均衡技术和信道编码技术，它们既可以单独使用，也可以结合使用。

1 短波数据链通信技术的原理

短波通信也就是所谓的高频（High Frequency，HF）通信，有着很长的发展历史，是最早被人们所发明的一种通信方法，也是一种成本较低的长距离无线通信方法，在通信技术的发展过程中有着非常重要的作用。在20世纪80年代初期，由于信息通信的普及，对通信品质的要求也随之提高。新的无线电频段被开发与利用，超短波、微波、卫星通信技术的运用使得无线电长距离通信的方式更加多元化。随着信道质量不断提高，传输信息的容量和工作的可靠性都有着跨跃式的发展，而传统短波通信的弱点就越来越突出。

近年来，短波通信又重新受到人们的关注。由于短波信号的传播特点，具备较高的抗毁性能，在一些特定情况下发挥着非常关键的作用，特别是在军用通信中，已成为中远距离作战指挥的一种有效通信方式。随着微电子、载人航天和强激光等技术的快速发展，特别是在特殊情况下，对卫星通信系统的生存能力造成了很大的影响，因此对短波通信提出了更高的要求[1]。

2 短波信道特性对短波数传通信系统性能的影响

2.1 短波信道特性

短波通信是一种基于电离层反射的长程通信方式，也可以依靠地波实现短程通信。地波衰减与工作频率的高低有关，频率越高则衰减越大，利用地波传播形式的频率范围大约在1.5 ～5 MHz。为满足地面波导的要求，人们经常在地面上安装不同形状的竖直天线，使其能够发射竖直偏振波束。地波的传播距离与其所经过介质的电性参数有很大的关系，周围环绕着4 个不同高度的导电层，根据特征将其命名为D、E、F1、F2，它们对短波传播有着重要影响。D 层为最底层，在距离地面60 ～90 km 处，于80 km 左右的地方出现了最大的电子密度。D 层在日出时出现，日落后消失，日落后不会影响夜晚的短波通信。由于其电子浓度还不够高，因此全部的短波都会从D层中通过。但是，经过D 层后，无线电波被强烈削弱，比E、F层的衰减要大得多，因此D 层又被称为吸收层[2]。E层是在距离地面100 ～120 km 的高空，在110 km 的位置出现了最大的电子密度，并且一天中几乎没有变化。在无线通信系统的设计与计算中，E 层的高度一般为110 km。与D 层类似，E 层也是在日出时分产生，正午时分的电离度最强，之后就会减弱。到了日落时分，几乎不再影响短波的传播，而且能够反射频率在1.5 MHz 以上的无线电波。短波传输中，F 层占主导地位。通常情况下，长距离短波通信中，F 层被选择作为反射层。相对于其他传导层而言，其高度最高，因此被称为反射层。一天中，F 层有2 层：F1层位于地球上空170 ～220 km 的高度处，F2层位于地球上空225 ～450 km 的高度处。

在一个季节里，一天中的不同时间，其海拔也会有变化。对F2层来讲，其高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高。与其他几个不同，在太阳下山之后，F2并未彻底消亡，仍然存在残余的离子[3]。尽管F2层的电子浓度在夜晚比白昼要低一个量级，但仍然可以对一定频率范围内的电波进行反射。为了保证全天候的短波通信，需要改变工作频率。但由于较高的频率能穿过低电子密度的电离层，因此一般情况下夜间工作频率远低于白天的工作频率。

短波传播模式是指电波经电离层反射的传播路径，要想得到相对较低的传输损耗，或是防止由于仰角过小时使已有的短波天线不能达到设计要求，就必须对传输模态进行仔细选择。在此基础上，给出了在地面上以正切方式传输无线信号时，单跳的最大通信距离[4]。从E 层和F2层反射的短波一跳的最远距离分别为2 000 km 和4 000 km。一般情况下，在通信距离超过2 500 km 的情况下，为了得到更大的俯仰角度，需要使用多个调频方式。在长距离多跳传播时，由于路径上各处电离层的高度和临界频率不同，并且随时间变化，传播情况十分复杂。除了E 层或F 层多跳传播模式，还可能出现既有E 层反射又有F 层反射的混合传播模式。同时，发射天线主瓣一般有相当大的仰角范围，电波将以多种不同的传播模式组合沿不同的传播路径，几乎同时达到接收点。

2.2 对短波数传通信系统性能的影响

短波信道中普遍存在的多径时延、衰落、多普勒频偏等问题会严重影响到短波通信的准确性和可靠性，尤其是对数据的传送更为不利[5]。电波可能会经过几条路径或不同的传播模式到达接收端，也就是到达接收端的电波不是一根，而是多根。因为这些路径的长度不一样，所以各条射线所经历的传播时间不相同，其差值为0.5 ～4.5 ms。通常情况下，延时差值等于或大于2.5 ms 的占50%，等于或大于0.5 ms的占99.5%，而超过5 ms 的仅占0.5%。如果在发射点发出的信号是一个窄脉冲，它沿不同的路径传输到接收点的延迟时间不同，因此将使接收点的脉冲波形变宽。当发射点发出的信号是一系列窄脉冲时，那么在接收点迟到的接收信号中，代表前面码元的脉冲波形就会窜扰在早到接收信号中代表后面码元的波形中去。类似地，提前到达的接收信号中，表示后继符号的波形会被延迟接收信号中表示前继符号的波形所扰乱，这就导致了符号与符号之间的互相干扰[6]。由于多路径的影响，造成了信号的加宽，将使所传输的数据码元间相互干扰。在利用频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）进行电文传送时，这种延时是引起码元失真的主要原因。若将符号失真≤10%视为不会对传送造成影响，则经过不同路径到达接收端的多径信号，其时延差应该不超过表1 所示的最大容许值。

表1 电报速率允许的最大延时差

3 短波数传电台通信系统关键技术及应用

3.1 自适应均衡技术及应用

在数字通信系统中，最关键的问题就是信号均衡。因为在通道的传输过程中受到了符号间干扰的影响，所以接收到的信号会出现严重的畸变，如果只是对数据码进行简单的调制和解调，则不能很好地还原所发送的数据。由于码间干扰而引起的失真，最好的办法就是采用信道均衡化[7]。信道均衡器的理论基础是通过一定的算法对发送信号的先验信息进行估计，从而获得信道特征。因此，对畸变的信号进行了补偿，从而可以在接收到数据时精确地恢复该信号。自适应均衡器是指设计的短波信道均衡器能够根据信道响应的时变性进行自我调节。这是因为只有当信号的调制带宽小于短波信道的相对带宽时，调制的信号才是正常的，否则就会出现码间干扰的现象，导致调制信号被展宽。自适应均衡技术就是为了解决码间干扰的问题，使信号接收端能够正确还原发送信号的一种过滤技术。该系统的工作模式有2 种，一种是训练模式，另一种是跟踪模式。首先，在发送端发送已知固定长度的数据流时，接收端的均衡器会根据数据流的大小来调整设定，使得误码率降至最低。典型的训练序列通常是由二进制码组成的随机信号，或者是预先已经指定好的比特流，跟随训练序列后要进行用户数据的传输。此时，在接收机中嵌入的自适应均衡器利用递推算法来评价信道的性质，并且还会通过修改滤波器系数对信道进行补偿。该训练序列的目的是使其能够在任何恶劣的信道环境下都能达到最优，从而使得在全信号发送完毕后，得到的滤波器系数与期望的结果更为相近[8-10]。

3.2 信道编码技术及应用

在短波通信中，噪声和衰落是2 种最常见的干扰因素，受这2 大因素的影响导致信号失真。针对短波通信中存在的误差，提出了一种基于纠错码的改进方法。由于短波长信道具有较强的衰减特性，在较大的多途衰减下，其误码率将大大提高。相对于码元的长度，当信道处于一个衰落深陷区时会持续10 ～100 ms，这就导致了码元的损耗。在这样一个有很高误差的环境下，普通的代码没有任何用处。而使用信道编码技术后，码字中的每个比特都会变成独立衰落的情况，利用码内的冗余信息就足够将原来的信息还原。分组码主要是对数据源进行分组，然后对每一组数据源都要计算出一个更长的码字并将其传输，码率越低，信道冗余度越高，纠正错误的概率越强大。卷积码是一种将连续的输入序列转化成连续的输出编码序列，充分考虑了各组码之间的相关性。级联码是一种能够将短分量码构建成长码的技术，是非二进制码和二进制码进行单级级联的一种编码形式。

4 结 论

针对目前短波数据传输中存在的问题，为提高其稳定性和可靠性，本文介绍了短波数字通信系统的2 大关键技术，即自适应均衡技术和编码技术，并分别针对自适应均衡技术和编码技术进行了详细介绍。其中，自适应均衡技术解决了码间的干扰问题，使得传输的数据信号能够被还原成正确的初始数据。编码技术则是针对数据失真，采用某种算法将数据还原或编码。