OFDM在短波通信中的應(yīng)用

摘要：介紹了當(dāng)前短波(HF)通信中串行、并行兩種體制的最新發(fā)展現(xiàn)狀，著重討論了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)在HF通信中的實(shí)際應(yīng)用，最后指出在短波通信中采用OFDM體制需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵性問題。 關(guān)鍵詞：短波 OFDM 串行調(diào)制解調(diào)器 并行調(diào)制解調(diào)器 衛(wèi)星通信和短波(1.5～30MHz)通信是目前遠(yuǎn)距離通信的兩種主要手段。對(duì)軍事通信而言，衛(wèi)星在戰(zhàn)爭期間易被干擾或阻塞，甚至被摧毀而失去通信能力，因此，就通信的頑存性、機(jī)動(dòng)性和靈活性而言，短波通信具有無可比擬的優(yōu)越性。其發(fā)射功率小，設(shè)備簡單，通信方式靈活，抗毀性強(qiáng)，以電離層為傳輸媒質(zhì)，而電離層基本具有不可摧毀性，傳輸距離可達(dá)數(shù)千公司而不需要轉(zhuǎn)發(fā)。這些優(yōu)點(diǎn)使短波通信成為軍事部門及其它機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)距離通信和指揮的重要工具。此外，在海上通信和機(jī)載通信中短波通信占有重要地位。潛艇、水面戰(zhàn)艦、遠(yuǎn)洋商船、漁輪和科考船隊(duì)通常都配備短波電臺(tái)與外界建立通信聯(lián)系，而且海上通信對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫笤絹碓礁撸辛Φ赝瞥隽撕Ｉ隙滩ㄍㄐ偶夹g(shù)的發(fā)展。機(jī)載短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特別當(dāng)飛機(jī)要進(jìn)行低空、超視距和遠(yuǎn)距離通信而又缺乏現(xiàn)代預(yù)警機(jī)與機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)，機(jī)載短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。 1 短波通信中傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制技術(shù) 短波傳輸分為天波和地波兩種方式。對(duì)天波傳輸方式而言，短波信道是一種時(shí)變色散的信道，它利用電離層的反射傳送信息。由于電離層是分層、不均勻、各向異性、隨機(jī)、有時(shí)空性的介質(zhì)，因此短波信道存在多徑時(shí)延、衰落、有時(shí)空性的介質(zhì)，因此短波信道存在多徑時(shí)延、衰落、多普勒頻移、頻移擴(kuò)散、近似高斯分布的白噪聲和電臺(tái)干擾等一系列復(fù)雜現(xiàn)象。此外對(duì)現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)，信道大多數(shù)具有頻率的選擇性，多徑傳輸產(chǎn)生了信號(hào)的相干衰落與符號(hào)干擾，短波通信的性能在很大程度上取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)信道傳輸補(bǔ)償?shù)男Ч?。短波信道通常情況下是一種緩慢變化的信道，多徑延遲典型值2～8ms，多普勒頻率擴(kuò)展的典型值0.1Hz，多普勒頻移在0.01～10Hz范圍內(nèi)變動(dòng)，在高緯度地區(qū)多徑延遲可達(dá)13ms以上，多普勒擴(kuò)展可達(dá)73Hz。 多徑效應(yīng)引起的時(shí)域擴(kuò)展是限制數(shù)據(jù)通信速率的主要因素。目前短波通信中存在并行制和串行制兩種體制。并行體制是將發(fā)送的數(shù)據(jù)并行分配到多個(gè)子通道上傳輸，串行體制使用單載波調(diào)制發(fā)送信息。關(guān)于串行和并行兩種調(diào)制方式到底哪種優(yōu)越，一直有爭論。文件認(rèn)為：這兩種調(diào)制解調(diào)器在低速通信中已使用多年，沒有哪一種顯示出絕對(duì)的優(yōu)勢，目前在北約9.6kbs HF通信標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)考慮串行、并行調(diào)制體制。而絕大多數(shù)認(rèn)為串行體制更優(yōu)勢，若在可通率相同的情況下，比較二者的誤比特率，則串行比并行體制低。 串行體制的特點(diǎn)是在一個(gè)話路帶寬內(nèi)采用單載波串行發(fā)送高速數(shù)據(jù)信號(hào)，因此提高了高頻發(fā)射機(jī)的功率利用率，克服了并行體制功率分散的缺點(diǎn)。由于串行體制采用了高效的自適應(yīng)均衡、序列檢測和信道估算等結(jié)合技術(shù)，能夠克服由于多徑傳播和信道畸變引起的符號(hào)干擾(ISI)。目前最先進(jìn)的串行體制調(diào)制解調(diào)器采用 256QAM調(diào)制，應(yīng)用一種被稱為“分組判決反饋均衡(BDFE)”的技術(shù)，在3kHz帶寬上數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)16kbps。 并行體制已經(jīng)存在幾十年了，上個(gè)世紀(jì)90年代中期以前，并行體制的各個(gè)子載波在頻率上是互相不重疊的，采用的不是正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，如美國的第三代軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行調(diào)制方式中定義16音和39音兩種模式，子載波之間不相交。 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種特殊的多載波傳輸方式，由于各子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊，與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM可以最大限度地利用頻率譜資源。同時(shí)它把高速數(shù)據(jù)通過串行轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長度相對(duì)增加，降低了子信道的信息速率，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換為平衰落信道，從而具有良好的抗噪聲、抗多徑干擾的能力，適于在頻率選擇性衰落信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。在OFDM中通過引入循環(huán)前綴，克服了 OFDM相鄰塊之間的干擾(IBI)，保持了載波間的正交性，同時(shí)循環(huán)前綴長度大于信道擴(kuò)展長度，有效地抑制了符號(hào)干擾(ISI)。目前OFDM技術(shù)已在 IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多點(diǎn)業(yè)務(wù)分配系統(tǒng)(LMDS)、數(shù)字用戶線路(ADSL/VDSL)、數(shù)據(jù)音頻廣播(DAB)、數(shù)據(jù)視頻廣播(DVB)、 Digital Radio Mondial(DRM)中得到廣泛應(yīng)用。 目前正在研制的新一代并行體制調(diào)制解調(diào)器采用OFDM技術(shù)，通過加入保護(hù)間隔，可以有效消除ISI，降低均衡的復(fù)雜度。下面介紹OFDM在短波通信中的應(yīng)用情況以及仍需解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題。 2 基于OFDM體制的幾個(gè)短波通信具體應(yīng)用 隨著基帶信號(hào)處理能力的提高和用戶對(duì)帶寬需求的增加，在過去幾年里HF數(shù)據(jù)傳輸速率大幅度提高，加拿大CRC的試驗(yàn)工作是在3kHz帶寬實(shí)現(xiàn) 9600bps傳輸速率的第一個(gè)成功嘗試。隨后由美國的Harris公司、通用航天航空防務(wù)公司、法國的Thomson公司和德國的Daimler- Chrysler航空航天部門在高速HF數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域做了許多有意義的工作，當(dāng)前已能提供9600bps以上的傳輸速率。 提高通信速率是HF通信領(lǐng)域研究的一個(gè)主要方向。HIL-STD-188-110B在2400bps以上傳輸速率中，提供從3200、4800、 6400、8000、9600、12800bps(無編碼)的傳輸服務(wù)，STANG5066也支持高速HF數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。在并行和串行兩種調(diào)制方式中尋找新的發(fā)送波形和新的編碼方式是提高HF通信速率的關(guān)鍵。由于OFDM技術(shù)具有較強(qiáng)的抗多徑干擾的能力，能夠有效地抑制ISI和子載波干擾(ICI)，已被成功應(yīng)用于DRM中。值得注意的是DRM同樣使用短波頻段(3～30MHz)傳輸音頻和數(shù)據(jù)信息。下面研究OFDM在短波通信領(lǐng)域里應(yīng)用比較成功的幾個(gè)例子。 2.1 英國Racal Research Limited的實(shí)現(xiàn)途徑 在戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)環(huán)境下，VHF(30～300MHz)通信是常采用的一種規(guī)范;但在復(fù)雜的地形條件下，VHF通信有時(shí)會(huì)出現(xiàn)障礙，此時(shí)可以嘗試采用接近垂直入射(NVIS)的短波電臺(tái)建立通信聯(lián)系。英國的Racal Research Limited開發(fā)出一種適應(yīng)于HF NVIS信道的并行體制調(diào)制解調(diào)器。它采用OFDM技術(shù)，子載波個(gè)數(shù)為56，信號(hào)的調(diào)制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、 SSB，在3kHz帶寬上實(shí)現(xiàn)無編碼最高傳輸速率16kbps，能夠在多普勒擴(kuò)展1Hz、延遲擴(kuò)展5ms的HF NVIS信道條件下正常工作。該調(diào)制解調(diào)器是在快速DSP原型平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)采用了Motorola的定點(diǎn)DSP56300處理器，通過軟件無線電技術(shù)使得設(shè)計(jì)復(fù)雜度大為降低。 此外，為進(jìn)一步檢驗(yàn)采用OFDM技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器的實(shí)際性能，1999年6月，在DERA加拿大對(duì)CRC的串行調(diào)制解調(diào)器和Racal的并行體制調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行了三個(gè)星期的現(xiàn)場比對(duì)試驗(yàn)。發(fā)射機(jī)是10kW的DERA Cove電臺(tái)，接收站點(diǎn)位于DERA的Malvern(距離140km)和Funtington(距離45km)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，兩種調(diào)制解調(diào)器性能略有差異，在黎明OFDM比串行體制調(diào)制解調(diào)器性能好，在整個(gè)晚間誤碼率性能一直接低，在白天兩種調(diào)制解調(diào)器工作都很好。由于兩種調(diào)制解調(diào)器都沒有采用FEC 編碼，誤碼率較高。 2.2 法國Thomson公司的實(shí)現(xiàn)途徑 采用OFDM體制，子載波個(gè)數(shù)79，信道編碼采用基于幀結(jié)構(gòu)的turbo code編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)9600bps。 每幀結(jié)構(gòu)如下： %26;#183;每幀3個(gè)OFDM符號(hào); %26;#183;每個(gè)OFDM符號(hào)有79個(gè)子載波; %26;#183;第1個(gè)OFDM符號(hào)有52個(gè)數(shù)據(jù)和27個(gè)導(dǎo)頻符號(hào); %26;#183;第2個(gè)OFDM符號(hào)有79個(gè)數(shù)據(jù)和0個(gè)導(dǎo)頻符號(hào); %26;#183;第3個(gè)OFDM符號(hào)有79個(gè)數(shù)據(jù)和0個(gè)導(dǎo)頻符號(hào); %26;#183;每個(gè)OFDM符號(hào)周期32.81ms;保護(hù)間隔6.15ms; %26;#183;子載波間隔37.5Hz，第1個(gè)子載波和最后1個(gè)子載波間隔2925Hz; %26;#183;短交織時(shí)間長度1.8s;長交織時(shí)間長度10.8s。 2.3 ARD9900調(diào)制解調(diào)器 該調(diào)制解調(diào)器是由環(huán)球無線電通信公司(Universal Radio Incorporation)推出的最新一代商用產(chǎn)品，具有傳輸數(shù)字語音、圖像、數(shù)據(jù)的功能，語音編碼部分采用先進(jìn)的vocoder AMBE技術(shù)。主要參數(shù)如下： %26;#183;采用OFDN調(diào)制，子載波子數(shù)36，子載波間隔62.5Hz，信號(hào)調(diào)制方式OQPSK; %26;#183;基帶信號(hào)帶寬280～2530Hz; %26;#183;數(shù)據(jù)傳輸速率50baud/3600bps; %26;#183;每幀有3個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)周期20ms，保護(hù)間隔4ms; %26;#183;FEC編碼：內(nèi)層卷積編碼1/2，結(jié)束長度7，生成多項(xiàng)式[133,171]8;外層Reed-Solomon編碼[44，36]8; %26;#183;具有圖像、語音、數(shù)據(jù)加密功能。 2.4 一種滿足地面和飛機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)的并行調(diào)制解調(diào)器 1998年國際民事飛行組織(ICAO)建立了地面與飛機(jī)聯(lián)系的短波通信標(biāo)準(zhǔn);SARPS for HF Datalink、AMCP/5-WP172。該標(biāo)準(zhǔn)采用單載波數(shù)據(jù)，最高傳輸速率達(dá)1800bps。S.Zazo等人對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，提出采用OFDM調(diào)制的兩套新方案。第一種方法：每幀由3個(gè)OFDM符號(hào)組成，子載波個(gè)數(shù)16，一個(gè)用于信道探測的OFDM符號(hào)后接兩個(gè)連續(xù)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)。第二種方法：每幀由一個(gè)用于信道探測的短OFDM符號(hào)和一個(gè)長OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)組成;短OFDM符號(hào)由16個(gè)子載波組成，長OFDM符號(hào)由32個(gè)子載波組成。系統(tǒng)主要參數(shù)如下： %26;#183;信道編碼：Reed-Solomon編碼[63，45]; %26;#183;信號(hào)調(diào)制方式：QPSK; %26;#183;短交織長度1.8s;長交織4.2s; %26;#183;方案一：子載波間隔175Hz，有效OFDM符號(hào)周期5.71ms，保護(hù)間隔2.62ms; %26;#183;方案二：子載波間隔87.5Hz，有效OFDM符號(hào)周期11.43ms，保護(hù)間隔3.93ms。 仿真結(jié)果表明：兩方案在誤比特率(BER)方面性能改善顯著，同時(shí)還有效降低了前同步信號(hào)(preamble)和信道探測信號(hào)的長度，對(duì)于提高傳輸速率具有重要意義。 3 OFDM在HF通信實(shí)際應(yīng)用中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵性問題 由于短波帶寬較窄，在MIL-STD-188-141B中定義的帶寬為4kHz，通常語音帶寬可以壓縮至3kHz,因此目前串行體制的調(diào)制解調(diào)器可以在 3kHz帶寬實(shí)現(xiàn)9600bps以上的傳輸速率?？紤]采用OFDM體制時(shí)，由于子載波個(gè)數(shù)有限，需要降低插入導(dǎo)頻的密度，這就給信道估計(jì)帶來一定的困難。以MIL-STD-188-110A中39音調(diào)制解調(diào)器為例，OFDM符號(hào)周期Ts=22.5ms，子載波頻率間隔Δf=76.92Hz，對(duì)于最大時(shí)延擴(kuò)展Td=4ms，最大多普勒擴(kuò)展fd=σ=2Hz，需要每隔Nk=1/2fdTs=11.1≤個(gè)OFDM符號(hào)和在NL≤1/2TdΔf=1.6個(gè)子載波間插入導(dǎo)頻?？梢姴迦雽?dǎo)頻的方式值得深入研究，文獻(xiàn)提出一種在時(shí)域、頻域內(nèi)采用六角形插入的導(dǎo)頻方式，比矩形插入方式更為有效。降低插入導(dǎo)頻密度的另外途徑是采用最大似然譯碼方法改進(jìn)信道估計(jì)和解調(diào)的性能。 另外，信道編碼方式也需要深入研究。采用信道編碼直接降低了有效通信速率，目前短波中大多采用刪除型卷積編碼方式，如MIL-STD-188-141B中采用生成多項(xiàng)式(133，171)約束長度7，1/2碼率輸出的卷積碼，經(jīng)刪除后輸出碼率為3/4。而其它編碼方式，如網(wǎng)格編碼(TCM)、turbo 碼、分組trubo碼(Block Turbo Code)、多層卷積編碼(Multievel Convolutional Codes)也可能是更有效的方式。 雖然OFDM對(duì)抗多徑干擾具有較好的性能，但是OFDM也存在如下缺點(diǎn)：(1)存在較高的峰值平均功率比(PAR);(2)對(duì)載波頻偏移敏感，對(duì)同步要求高，如果考慮保密通信，在保持OFDM載波同步、符號(hào)同步和采樣同步的前提下，跳速通常低于100跳/秒，容易被地方跟蹤上。 目前單載波短波通信傳輸速率已達(dá)到9.6kbps，對(duì)均衡的要求很高，若要進(jìn)一步提高傳輸速率已經(jīng)很難了，OFDM技術(shù)能夠?qū)㈩l率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為平衰落信道，具有較強(qiáng)的抗ISI能力?？梢灶A(yù)計(jì)，在未來提高短波通信速率方面OFDM將是一個(gè)研究的主要方向。本文對(duì)OFDM技術(shù)在短波通信領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用做了一個(gè)綜述性回顧，并指出在OFDM實(shí)際應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵性問題。