項(xiàng)劍鋒　吳海榮

摘 要：根據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-110B，詳細(xì)分析了短波調(diào)制解調(diào)器發(fā)送端基帶數(shù)據(jù)流的形成。針對(duì)目前短波調(diào)制解調(diào)器工程應(yīng)用中存在的不足及美軍標(biāo)中值得研究的問(wèn)題，討論了短波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)；并針對(duì)短波信道CMA盲均衡，論述了其研究前景和目前遇到的技術(shù)障礙，分析指出短波信道盲均衡是短波調(diào)制解調(diào)器下一步重點(diǎn)研究的方向之一。

關(guān)鍵詞：短波調(diào)制解調(diào)器;格雷編碼;信道探測(cè);數(shù)據(jù)加擾;信道盲均衡

中圖分類號(hào)：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-047-03

Research of Baseband Data StreamFormation and Discussion of

the Key Technology in Narrow Band HF Modem

XIANG Jianfeng,WU Hairong

(Military Representatives Office of NED in Shenyang,Shenyang,110034,China)

Abstract：Based on MIL-STD-110B,the paper detailed analyses the formation of transmitting data stream of HF modem，and in allusion to the shortage in the engineering application of HF modem and the issue worthy of research,the direction for design and research of HF modem is discussed.At the same time,in relative to HF channel CMA blind equalization,the paper discusses its research foreground and technology obstacle,and points out that HF channel blind equalization is the next key research direction for HF modem.

Keywords：HF modem;Gray code;channel probe;data scramble;channel blind equalization

0 引 言

短波調(diào)制解調(diào)器分為單音串行和多音并行兩種工作模式。其中，單音串行模式還可分為固定頻率和跳頻兩種工作方式。固定頻率方式采用載波頻率為1 800±1 Hz，跳頻工作方式僅在系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理上與固定頻率方式有所差別，其數(shù)據(jù)流形成流程與固定頻率模式基本一致［1,2］。本文主要針對(duì)單音串行固定頻率工作模式下短波調(diào)制解調(diào)器發(fā)送端基帶數(shù)據(jù)流成形展開(kāi)研究。

參照美軍標(biāo)MIL-STD-110B，在VF(語(yǔ)音頻段)范圍內(nèi)工作的短波調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)率主要有：75 b/s,150 b/s,300 b/s,600 b/s,1 200 b/s,2 400 b/s和4 800 b/s。其中，4800 b/s不進(jìn)行編碼，其工作狀態(tài)不穩(wěn)定，是下一步研究設(shè)計(jì)的目標(biāo)。短波調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)流形成包括如下幾個(gè)階段：數(shù)據(jù)編碼、交織、格雷編碼、加擾、同步序列的發(fā)送、信道探測(cè)序列發(fā)送和用戶信息發(fā)送，各階段數(shù)據(jù)處理之間有所交叉。串行短波調(diào)制解調(diào)器采用8PSK調(diào)制方式，不管用戶采用何種信道速率，在基帶信號(hào)處理中，碼符號(hào)速率均為2 400 Baud。

1 發(fā)送端數(shù)據(jù)流程

1.1 數(shù)據(jù)編碼與交織

用戶數(shù)據(jù)輸出二進(jìn)制信息至編碼器，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼。糾錯(cuò)編碼一般采用(7,［133 171］)的卷積編碼方式，所有數(shù)據(jù)率均采用不編碼或1/2碼率編碼，并重復(fù)相應(yīng)次數(shù)，以達(dá)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)率。其中，4 800 b/s和2 400 b/s數(shù)據(jù)率時(shí)編碼輸出為4 800 b/s;1 200 b/s數(shù)據(jù)率時(shí)編碼輸出為2 400 b/s;600 b/s,300 b/s,150 b/s數(shù)據(jù)率時(shí)編碼輸出為1 200 b/s;75 b/s數(shù)據(jù)率時(shí)編碼輸出為150 b/s。

編碼輸出數(shù)據(jù)進(jìn)入交織矩陣，有兩種交織方式長(zhǎng)交織和短交織，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)分別為4.8 s和0.6 s或0 s;短交織一般是0.6 s。數(shù)據(jù)交織的存與取,以交織長(zhǎng)度為單位處理，交織矩陣的規(guī)模與用戶數(shù)據(jù)率有關(guān)。同時(shí)，在等待交織長(zhǎng)度數(shù)據(jù)過(guò)程中，系統(tǒng)發(fā)送同步數(shù)據(jù)序列，

供系統(tǒng)同步用。因此，系統(tǒng)同步的時(shí)間長(zhǎng)度與交織長(zhǎng)度一致。無(wú)交織即對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)流不進(jìn)行交織處理，如用戶數(shù)據(jù)流為4 800 b/s時(shí)，不進(jìn)行交織處理。關(guān)于交織存儲(chǔ)的具體實(shí)現(xiàn)算法，各種文獻(xiàn)可能有所差別，這里不做詳細(xì)討論，但其基本思想均是將發(fā)送相近的比特流分裂成發(fā)送距離遠(yuǎn)的比特流。

1.2 修正格雷編碼

修正格雷編碼是為了當(dāng)碼符號(hào)出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，只有1個(gè)bit數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)［3］。在短波調(diào)制解調(diào)器中，均采用8PSK的調(diào)制方式，為了將不同的用戶速率，均映射到2 400 Baud的信道速率，將4 800 b/s和2 400 b/s數(shù)據(jù)流每3個(gè)bit為一組，進(jìn)行一次格雷編碼；將1 200 b/s和75 b/s數(shù)據(jù)流，每2個(gè)bit為一組，進(jìn)行一次格雷編碼，對(duì)應(yīng)調(diào)制為4PSK；600 b/s,300 b/s，150 b/s數(shù)據(jù)流，不進(jìn)行格雷編碼，對(duì)應(yīng)調(diào)制為BPSK。

1.3 發(fā)送數(shù)據(jù)流的形成

在調(diào)制解調(diào)器中，物理層發(fā)送的數(shù)據(jù)流包括同步信息數(shù)據(jù)流、用戶數(shù)據(jù)流和信道探測(cè)數(shù)據(jù)流，三者根據(jù)不同的時(shí)隙分配，選擇性發(fā)送。當(dāng)用戶啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，根據(jù)用戶選擇的交織形式發(fā)送同步信息，同步信息的長(zhǎng)度與交織深度一致。當(dāng)同步系信息發(fā)送完畢后，數(shù)據(jù)流從交織矩陣中輸出，開(kāi)始進(jìn)入信息發(fā)送流程。在信息發(fā)送過(guò)程中由于需要加入信道探測(cè)信息，因此需要交替發(fā)送用戶信息和信道探測(cè)信息。

1.3.1 同步序列的發(fā)送

每次啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，均需要先發(fā)送同步數(shù)據(jù)。同步數(shù)據(jù)以段為單位，每段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為200 ms，根據(jù)系統(tǒng)的交織深度，調(diào)整同步數(shù)據(jù)段的發(fā)送次數(shù)。同步數(shù)據(jù)段包括15個(gè)8進(jìn)制數(shù)據(jù)，其內(nèi)容包括同步識(shí)別信息、交織信息和同步發(fā)送次數(shù)計(jì)數(shù)。

信道探測(cè)與用戶數(shù)據(jù)發(fā)送的比例與用戶數(shù)據(jù)率有關(guān)。在用戶數(shù)據(jù)率為4 800 b/s和2 400 b/s 時(shí)，每16個(gè)信道探測(cè)符號(hào)后，發(fā)送32個(gè)用戶數(shù)據(jù)符號(hào)，探測(cè)符號(hào)與用戶數(shù)據(jù)符號(hào)的比例為1∶2；當(dāng)用戶數(shù)據(jù)分別為1 200b/s,600b/s,300b/s,150b/s時(shí)，在每20個(gè)信道探測(cè)符號(hào)后，發(fā)送20個(gè)用戶數(shù)據(jù)符號(hào)，探測(cè)符號(hào)與用戶數(shù)據(jù)符號(hào)的比例為1∶1。

可見(jiàn)，用戶數(shù)據(jù)率越低，用戶信道探測(cè)的數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，通信也將越可靠。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)為75 b/s時(shí)，將不發(fā)送信道探測(cè)序列，而采取其他的技術(shù)手段，以確保通信的可靠性。

1.3.2 用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送

對(duì)不同的波特率，由于插入的信道探測(cè)數(shù)據(jù)符號(hào)長(zhǎng)度不等，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)修正格雷編碼后，還要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)成形，以確保信道波特率為2 400 Baud。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)率分別為4 800 b/s,2 400 b/s時(shí)，數(shù)據(jù)流不變化。其他用戶數(shù)據(jù)率的映射方式可參見(jiàn)表1，實(shí)際上，其較低數(shù)據(jù)率對(duì)應(yīng)較低的調(diào)制階數(shù)。

當(dāng)用戶數(shù)據(jù)率為75 b/s時(shí)，采用發(fā)送正交波形模式，每2個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)映射成8位8進(jìn)制數(shù)據(jù)，并重復(fù)4次。

1.3.3 數(shù)據(jù)與同步信息加擾

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)流形成后，為了增加其抗白噪聲干擾的能力，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)流加擾。針對(duì)用戶數(shù)據(jù)和信道探測(cè)數(shù)據(jù)的加擾，一般采用3抽頭的12位移位寄存器，選取特定的三抽頭輸出，生成8進(jìn)制的偽隨機(jī)序列，與發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行模8和運(yùn)算，生成加擾數(shù)據(jù)。每進(jìn)行一次加擾運(yùn)算，移位寄存器移位運(yùn)算8次，再輸出新的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)展開(kāi)計(jì)算。每160個(gè)加擾數(shù)據(jù)后，移位寄存器復(fù)位至初始狀態(tài)。

數(shù)據(jù)加擾后，采用1 800 Hz的載頻，進(jìn)行8PSK基帶調(diào)制及脈沖成形，生成基帶信號(hào)［4］。在射頻發(fā)射時(shí)，還要進(jìn)行二次調(diào)制，將基帶信號(hào)調(diào)制到射頻段。關(guān)于信號(hào)基帶調(diào)制及脈沖成形等，相關(guān)參考文獻(xiàn)很多，在此不再討論。

2 關(guān)鍵技術(shù)探討

在短波數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中，對(duì)不同的用戶數(shù)據(jù)率，信道符號(hào)速率均為2 400 Baud。發(fā)送同步序列與75 b/s的用戶數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)波形采用正交形式，以提高接收端的可靠性；75～600 b/s時(shí)，實(shí)際采用的是BPSK;1 200 b/s時(shí)，采用QPSK;而2 400～4 800 b/s時(shí)，采用的是8PSK方式。顯然，波特率越高，調(diào)制階數(shù)越高，信道符號(hào)相似程度也越大，在經(jīng)過(guò)信道及噪聲干擾的情況下，增大接收端的解調(diào)難度。

發(fā)送端數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)得是否合理，直接影響到接收端接收相應(yīng)的系統(tǒng)同步、信道均衡、解調(diào)算法的效果，發(fā)送端數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)，對(duì)短波調(diào)制解調(diào)器至關(guān)重要。針對(duì)目前短波調(diào)制解調(diào)器的基帶數(shù)據(jù)流形成方式和信道均衡方式，進(jìn)行以下幾方面的改進(jìn)和研究。

2.1 降低信道碼元速率方案研究

由于短波信道屬于時(shí)變色散信道，信道環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間變化比較大，其直接影響是導(dǎo)致用戶通信頻率隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化。在用戶數(shù)據(jù)率較低時(shí)，系統(tǒng)采用重復(fù)編碼的方式，降低編碼效率和調(diào)制階數(shù)，從而達(dá)到保持信道符號(hào)速率不變的目的。降低調(diào)制階數(shù)方案可取，但可否不進(jìn)行重復(fù)編碼，而是通過(guò)降低信道符號(hào)速率來(lái)提高數(shù)據(jù)解調(diào)的可靠性，對(duì)此值得研究；同樣，在同步數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)為75 b/s時(shí)，每個(gè)信道符號(hào)映射至32個(gè)調(diào)制符號(hào)，實(shí)際上這32個(gè)調(diào)制符號(hào)是某8個(gè)8進(jìn)制數(shù)據(jù)的4次重復(fù)，那么，可否降低數(shù)據(jù)的重復(fù)次數(shù)，降低信道波特率來(lái)提高數(shù)據(jù)解調(diào)的可靠性，對(duì)此也值得考慮。

2.2 高階調(diào)制技術(shù)研究

目前，短波數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)率均很低，采用多音并行技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器，最高的數(shù)據(jù)率能達(dá)到9 600 b/s，但信噪比要求達(dá)40 dB左右，難以工程實(shí)現(xiàn)［5］。在單音串行體制的短波調(diào)制解調(diào)器中，其數(shù)據(jù)率一般限制在4 800 b/s。在信道碼元速率不變的情況下，可研究引入高階調(diào)制，接收端配以相應(yīng)的解調(diào)算法，以提高通信數(shù)據(jù)率。

2.3 短波信道盲均衡技術(shù)研究

為了使接收端能夠及時(shí)跟蹤短波信道的變化，現(xiàn)行的短波調(diào)制解調(diào)器一般采用判決反饋?zhàn)赃m應(yīng)均衡方式，在發(fā)送端周期性地插入已知的訓(xùn)練序列配合下，以探測(cè)短波信道參數(shù)，完成信道的自適應(yīng)均衡。美軍標(biāo)MIL-STD-188-110B中，對(duì)較低速短波Modem規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸時(shí)插入比例分兩種情況：對(duì)4 800 b/s,2 400 b/s訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)的插入比為0.5；對(duì)1 200 b/s及以下速率插入比為1，這種傳輸方式極大地浪費(fèi)了信道資源。

可考慮減少或消除信道探測(cè)序列，解調(diào)端采用全盲或半盲的信道均衡方式［6,7］，從而大幅度提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。目前，全盲均衡算法主要分為基于平穩(wěn)信號(hào)的盲均衡(包括基于Bussgang性質(zhì)的盲均衡算法和基于高階譜理論的盲均衡算法)、基于循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的盲均衡和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的盲均衡算法等［8］。

其中，基于Bussgang性質(zhì)的盲均衡算法中最具代表性的是恒模算法(Constant Modulus Algorithm，CMA)［9-11］，該算法韌性好，代價(jià)函數(shù)僅與接收信號(hào)的幅值有關(guān)，而與相位無(wú)關(guān)，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但受無(wú)線信道時(shí)變特性造成的相位模糊影響，收斂速度慢。法國(guó)雷恩大學(xué)的研究小組基于多天線技術(shù)，應(yīng)用CMA算法實(shí)現(xiàn)了時(shí)空域的盲均衡，在建立的9 kHz帶寬780 km短波信道試驗(yàn)鏈路上實(shí)現(xiàn)了30 Kb/s速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸了著名的LENA圖像［12］。CMA應(yīng)用在短波信道上的主要問(wèn)題是收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題，然而固定步長(zhǎng)盲均衡器中收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差是兩個(gè)相互制約的因素，這兩個(gè)性能指標(biāo)之一的提高必須以犧牲另一個(gè)為代價(jià)，如何克服這一矛盾已成為亟待解決的問(wèn)題［13-15］。信道盲均衡是無(wú)線信道目前最富有挑戰(zhàn)性和應(yīng)用前景的信號(hào)處理研究方向。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于目前窄帶短波串行調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，在分析其發(fā)送端數(shù)據(jù)流形成的基礎(chǔ)上，指出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的疑問(wèn)和值得研究的方向，并基于信道盲均衡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析并論述了CMA算法在短波信道盲均衡中的應(yīng)用前景和遇到的技術(shù)障礙。

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