無線通信論文OFDM在短波通信中的應用
無線通信論文OFDM在短波通信中的應用
摘要：介紹了當前短波（HF）通信中串行、并行兩種體制的最新發展現狀，著重討論了正交頻分復用（OFDM）技術在HF通信中的實際應用，最后指出在短波通信中采用OFDM體制需要解決的幾個關鍵性問題。
關鍵詞：短波 OFDM 串行調制解調器 并行調制解調器
衛星通信和短波（1.5～30MHz）通信是目前遠距離通信的兩種主要手段。對軍事通信而言，衛星在戰爭期間易被 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、機動性和靈活性而言，短波通信具有無可比擬的優越性。其發射功率小，設備簡單，通信方式靈活，抗毀性強，以電離層為傳輸媒質，而電離層基本具有不可摧毀性，傳輸距離可達數千公司而不需要轉發。這些優點使短波通信成為軍事部門及其它機構遠距離通信和指揮的重要工具。此外，在海上通信和機載通信中短波通信占有重要地位。潛艇、水面戰艦、遠洋商船、漁輪和科考船隊通常都配備短波電臺與外界建立通信聯系，而且海上通信對數據傳輸的速度要求越來越高，有力地推出了海上短波通信技術的發展。機載短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特別當飛機要進行低空、超視距和遠距離通信而又缺乏現代預警機與機載衛星通信系統時，機載短小、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據信號的調制技術
短波傳輸分為天波和地波兩種方式。對天波傳輸方式而言，短波信道是一種時變色散的信道，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、有時空性的介質，因此短波信道存在多徑時延、衰落、有時空性的介質，因此短波信道存在多徑時延、衰落、多普勒頻移、頻移擴散、近似高斯分布的白噪聲和電臺干擾等一系列復雜現象。此外對現代短波通信系統，信道大多數具有頻率的選擇性，多徑傳輸產生了信號的相干衰落與符號干擾，短波通信的性能在很大程度上取決于系統設計對信道傳輸補償的效果。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，多普勒頻率擴展的典型值0.1Hz，多普勒頻移在0.01～10Hz范圍內變動，在高緯度地區多徑延遲可達13ms以上，多普勒擴展可達73Hz。
多徑效應引起的時域擴展是限制數據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。并行體制是將發送的數據并行分配到多個子通道上傳輸，串行體制使用單載波調制發送信息。關于串行和并行兩種調制方式到底哪種優越，一直有爭論。文件認為：這兩種調制解調器在低速通信中已使用多年，沒有哪一種顯示出絕對的優勢，目前在北約9.6kbs HF通信標準中同時考慮串行、并行調制體制。而絕大多數認為串行體制更優勢，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。
串行體制的特點是在一個話路帶寬內采用單載波串行發送高速數據信號，因此提高了高頻發射機的功率利用率，克服了并行體制功率分散的缺點。由于串行體制采用了高效的自適應均衡、序列檢測和信道估算等結合技術，能夠克服由于多徑傳播和信道畸變引起的符號干擾（ISI）。目前最先進的串行體制調制解調器采用256QAM調制，應用一種被稱為“分組判決反饋均衡（BDFE）”的技術，在3kHz帶寬上數據傳輸速率達16kbps。
并行體制已經存在幾十年了，上個世紀90年代中期以前，并行體制的各個子載波在頻率上是互相不重疊的，采用的不是正交頻分復用（OFDM）技術，如美國的第三代軍用標準MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行調制方式中定義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，與常規的頻分復用系統相比，OFDM可以最大限度地利用頻率譜資源。同時它把高速數據通過串行轉換，使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，降低了子信道的信息速率，將頻率選擇性衰落信道轉換為平衰落信道，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行高速數據傳輸。在OFDM中通過引入循環前綴，克服了OFDM相鄰塊之間的干擾（IBI），保持了載波間的正交性，同時循環前綴長度大于信道擴展長度，有效地抑制了符號干擾（ISI）。目前OFDM技術已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多點業務分配系統（LMDS）、數字用戶線路（ADSL/VDSL）、數據音頻廣播（DAB）、數據視頻廣播（DVB）、Digital Radio Mondial(DRM)中得到廣泛應用。
目前正在研制的新一代并行體制調制解調器采用OFDM技術，通過加入保護間隔，可以有效消除ISI，降低均衡的復雜度。下面介紹OFDM在短波通信中的應用情況以及仍需解決的幾個關鍵問題。
2 基于OFDM體制的幾個短波通信具體應用
隨著基帶信號處理能力的提高和用戶對帶寬需求的增加，在過去幾年里HF數據傳輸速率大幅度提高，加拿大CRC的試驗工作是在3kHz帶寬實現9600bps傳輸速率的`第一個成功嘗試。隨后由美國的Harris公司、通用航天航空防務公司、法國的Thomson公司和德國的Daimler-Chrysler航空航天部門在高速HF數據通信領域做了許多有意義的工作，當前已能提供9600bps以上的傳輸速率。
提高通信速率是HF通信領域研究的一個主要方向。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，STANG5066也支持高速HF數據通信業務。在并行和串行兩種調制方式中尋找新的發送波形和新的編碼方式是提高HF通信速率的關鍵。由于OFDM技術具有較強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）傳輸音頻和數據信息。下面研究OFDM在短波通信領域里應用比較成功的幾個例子。
2.1 英國Racal Research Limited的實現途徑
在戰術電臺環境下，VHF（30～300MHz）通信是常采用的一種規范；但在復雜的地形條件下，VHF通信有時會出現障礙，此時可以嘗試采用接近垂直入射（NVIS）的短波電臺建立通信聯系。英國的Racal Research Limited開發出一種適應于HF NVIS信道的并行體制調制解調器。它采用OFDM技術，子載波個數為56，信號的調制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB，在3kHz帶寬上實現無編碼最高傳輸速率16kbps，能夠在多普勒擴展1Hz、延遲擴展5ms的HF NVIS信道條件下正常工作。該調制解調器是在快速DSP原型平臺上實現的，系統采用了Motorola的定點DSP56300處理器，通過軟件無線電技術使得設計復雜度大為降低。
此外，為進一步檢驗采用OFDM技術的調制解調器的實際性能，1999年6月，在DERA加拿大對CRC的串行調制解調器和Racal的并行體制調制解調器進行了三個星期的現場比對試驗。發射機是10kW的DERA Cove電臺，接收站點位于DERA的Malvern（距離140km）和Funtington(距離45km)。經過現場試驗，兩種調制解調器性能略有差異，在黎明OFDM比串行體制調制解調器性能好，在整個晚間誤碼率性能一直接低，在白天兩種調制解調器工作都很好。由于兩種調制解調器都沒有采用FEC編碼，誤碼率較高。
2.2 法國Thomson公司的實現途徑
采用OFDM體制，子載波個數79，信道編碼采用基于幀結構的turbo code編碼方式，數據傳輸速率達9600bps。
每幀結構如下：
·每幀3個OFDM符號；
·每個OFDM符號有79個子載波；
·第1個OFDM符號有52個數據和27個導頻符號；
·第2個OFDM符號有79個數據和0個導頻符號；
·第3個OFDM符號有79個數據和0個導頻符號；
·每個OFDM符號周期32.81ms；保護間隔6.15ms；
·子載波間隔37.5Hz，第1個子載波和最后1個子載波間隔2925Hz；
·短交織時間長度1.8s；長交織時間長度10.8s。
2．3 ARD9900調制解調器
該調制解調器是由環球無線電通信公司（Universal Radio Incorporation）推出的最新一代商用產品，具有傳輸數字語音、圖像、數據的功能，語音編碼部分采用先進的vocoder AMBE技術。主要參數如下：
·采用OFDN調制，子載波子數36，子載波間隔62.5Hz，信號調制方式OQPSK；
·基帶信號帶寬280～2530Hz；
·數據傳輸速率50baud/3600bps；
·每幀有3個OF
DM符號，每個OFDM符號周期20ms，保護間隔4ms；
·FEC編碼：內層卷積編碼1/2，結束長度7，生成多項式8;外層Reed-Solomon編碼8；
·具有圖像、語音、數據加密功能。
2.4 一種滿足地面和飛機通信標準的并行調制解調器
1998年國際民事飛行組織（ICAO）建立了地面與飛機聯系的短波通信標準；SARPS for HF Datalink、AMCP/5-WP172。該標準采用單載波數據，最高傳輸速率達1800bps。S.Zazo等人對此進行改進，提出采用OFDM調制的兩套新方案。第一種方法：每幀由3個OFDM符號組成，子載波個數16，一個用于信道探測的OFDM符號后接兩個連續OFDM數據符號。第二種方法：每幀由一個用于信道探測的短OFDM符號和一個長OFDM數據符號組成；短OFDM符號由16個子載波組成，長OFDM符號由32個子載波組成。系統主要參數如下：
·信道編碼：Reed-Solomon編碼；
·信號調制方式：QPSK；
·短交織長度1.8s;長交織4.2s；
·方案一：子載波間隔175Hz，有效OFDM符號周期5.71ms，保護間隔2.62ms；
·方案二：子載波間隔87.5Hz，有效OFDM符號周期11.43ms，保護間隔3.93ms。
仿真結果表明：兩方案在誤比特率（BER）方面性能改善顯著，同時還有效降低了前同步信號（preamble）和信道探測信號的長度，對于提高傳輸速率具有重要意義。
3 OFDM在
HF通信實際應用中需要解決的幾個關鍵性問題
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制解調器可以在3kHz帶寬實現9600bps以上的傳輸速率。考慮采用OFDM體制時，由于子載波個數有限，需要降低插入導頻的密度，這就給信道估計帶來一定的困難。以MIL-STD-188-110A中39音調制解調器為例，OFDM符號周期Ts=22.5ms，子載波頻率間隔Δf=76.92Hz，對于最大時延擴展Td=4ms，最大多普勒擴展fd=σ=2Hz，需要每隔Nk=1/2fdTs=11.1≤個OFDM符號和在NL≤1/2TdΔf=1.6個子載波間插入導頻。可見插入導頻的方式值得深入研究，文獻提出一種在時域、頻域內采用六角形插入的導頻方式，比矩形插入方式更為有效。降低插入導頻密度的另外途徑是采用最大似然譯碼方法改進信道估計和解調的性能。
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中采用生成多項式（133，171）約束長度7，1/2碼率輸出的卷積碼，經刪除后輸出碼率為3/4。而其它編碼方式，如網格編碼（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對抗多徑干擾具有較好的性能，但是OFDM也存在如下缺點：（1）存在較高的峰值平均功率比（PAR）；（2）對載波頻偏移敏感，對同步要求高，如果考慮保密通信，在保持OFDM載波同步、符號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到9.6kbps，對均衡的要求很高，若要進一步提高傳輸速率已經很難了，OFDM技術能夠將頻率選擇性衰落信道轉化為平衰落信道，具有較強的抗ISI能力。可以預計，在未來提高短波通信速率方面OFDM將是一個研究的主要方向。本文對OFDM技術在短波通信領域的實際應用做了一個綜述性回顧，并指出在OFDM實際應用中需要解決的關鍵性問題。
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