李蘭芳

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

基于超短波數(shù)傳設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)探究

李蘭芳

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

超短波數(shù)傳設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)的研究有利于了解數(shù)傳設(shè)備的特性，從而對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)有借鑒作用。文章主要對超短波數(shù)傳設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究。

超短波通信；數(shù)傳設(shè)備；關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

超短波通信由于具備適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)、保密性好、可實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于軍事領(lǐng)域。近幾年，許多國家基于頻譜資源的問題充分研究超短波跳頻通信技術(shù)。超短波通信由于具有很好的抗干擾性、傳播速度較快，在軍事無線電通信領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。本文采用數(shù)字信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在超短波信道中的高可靠性的無線數(shù)據(jù)通信，以適應(yīng)當(dāng)前現(xiàn)代化軍事通信對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1 數(shù)傳系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由調(diào)制器、發(fā)送設(shè)備、傳輸信道、接收設(shè)備、解調(diào)器等幾部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，傳輸數(shù)據(jù)通常以二進(jìn)制的數(shù)字序列（比特流）進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。數(shù)傳設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)為最大傳輸速率、信號噪聲、系統(tǒng)靈敏度、噪聲系數(shù)等。目前數(shù)傳設(shè)備多是基于軟件無線電原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件無線電主要構(gòu)造一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、模塊化的通用硬件平臺，用軟件定義并實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)格式、工作頻段、加密模式、調(diào)制解調(diào)類型、通信協(xié)議等各種功能。根據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，軟件無線電參照OSI七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)模式，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)格式和用戶進(jìn)行統(tǒng)一和確定。一般數(shù)據(jù)傳輸主要由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層3層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示[1]。

圖1 超短波數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層通過設(shè)備對外接口實(shí)現(xiàn)命令交互，完成與外部設(shè)備進(jìn)行交換控制信息和數(shù)據(jù)信息的任務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層直接服務(wù)于應(yīng)用層。其作用是組成鏈路控制層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（即控制幀、信息幀和應(yīng)答幀），用以完成鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)對數(shù)傳過程中的建鏈、拆鏈、選擇重發(fā)過程進(jìn)行控制，保證數(shù)據(jù)的完整和正確。物理層主要作用在于傳送比特流，并進(jìn)行跳頻控制。

2 數(shù)傳主要技術(shù)指標(biāo)分析

2.1 信道帶寬及容量

根據(jù)理論短波通信信道容量計(jì)算公式：

在熱噪聲干擾狀態(tài)下的無線短波數(shù)傳設(shè)備各接收機(jī)輸出信號的信噪比為：

由香農(nóng)公式，可以得出白噪聲干擾條件下的短波無線信道容量計(jì)算公式：

式（3）中，W表示信道帶寬；T表示工作的環(huán)境溫度；K表示白噪聲系數(shù)；F表示系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

由此可見，短波通信的信道容量與信道帶寬、環(huán)境工作溫度、系統(tǒng)噪聲系數(shù)有很大關(guān)系。

信道帶寬作為數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程極為重要的參數(shù)，不適一般性，在超短波數(shù)傳常溫290 K（25°C）及可靠靈敏度（Sin=-105 dB）條件下，假設(shè)數(shù)傳系統(tǒng)噪聲系數(shù)為F=100.7（NF=7 dB），代入公式（3），可以確定信道容量與帶寬的計(jì)算關(guān)系公式：

2.2 接收機(jī)信號噪聲

數(shù)傳系統(tǒng)接收機(jī)模型主要由射頻（RF）放大級、混波（M ixer）級、中頻（IF）放大級等3級構(gòu)成[2]。

短波無線接收機(jī)內(nèi)部噪聲決定了靈敏度，噪聲越小，靈敏度越高，通信質(zhì)量越好。描述一個(gè)系統(tǒng)（如接收機(jī)）內(nèi)部噪聲的大小可以用噪聲系數(shù)（Noise Factor）F來表示，或者取其對數(shù)值，變成噪聲指數(shù)N Fo。

根據(jù)公式（1），可得：

式（4）中，NF表示噪聲指數(shù)。一般通信中，F(xiàn)的值要大于1，NF值大于0。

為了評估信道的背景噪聲，在信道中心頻率左右的±50 kHz帶寬內(nèi)，每10 kHz間隔采集一個(gè)樣點(diǎn)，共10個(gè)噪聲電平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，其中，為了剔除部分樣點(diǎn)存在干擾信號導(dǎo)致背景噪聲計(jì)算誤差，對10個(gè)噪聲電平分別與初步統(tǒng)計(jì)電平比較，超過6 dB的點(diǎn)將被剔除。最后將剔除后的噪聲樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均作為該頻率的背景噪聲值[4]。

為了兼顧背景噪聲更新與設(shè)備掃描速度，10個(gè)噪聲樣點(diǎn)在每次掃描信道時(shí)只同步更新1個(gè)，即掃描10次信道時(shí)背景噪聲會全部更新一遍，這對于背景噪聲的緩變特性而言是合適的。

2.3 匹配濾波器檢測

匹配濾波器指的是使得輸出達(dá)到最大信噪比的線性濾波器。若使用匹配濾波器在輸出端獲得最大的信噪比，就能很容易地判別信號是否存在，獲得最佳檢測效果，大大提高認(rèn)知無線電系統(tǒng)對主用戶的檢測性能。

匹配濾波器示意如圖2所示，其中輸入信號由有用信號s(t)和加性高斯白噪聲n(t)兩部分相加而成。n(t)的噪聲功率譜密度為N。同時(shí)假設(shè)有用信號s(t)和高斯白噪聲n(t)相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立[3]。

圖2 線性匹配濾波器示意

設(shè)匹配濾波器的輸出為s0(t)+n0(t)，其中s0(t)是相對于有用信號s(t)的輸出，n0(t)是相對于高斯白噪聲n(t)的輸出。以下采用最大輸出信噪比準(zhǔn)則來推導(dǎo)匹配濾波器的傳遞函數(shù)H(jω)。

對輸入有用信號s(t)和輸出有用信號s0(t)進(jìn)行傅里葉變換分別得到s(ω)和s0(ω)，且s0(ω)=s(ω)·H(jω)。因此得：

因此，輸出有用信號s0(t)的瞬時(shí)功率為：

由于匹配濾波器的輸出噪聲n0(t)的功率譜密度因此可以得到輸出噪聲的平均功率為：

由此可以得出匹配濾波器在t0時(shí)刻的輸出信噪比：

2.4 靈敏度

無線數(shù)傳系統(tǒng)的靈敏度受電臺發(fā)射端的環(huán)境工作溫度、信號質(zhì)量、收發(fā)頻偏、接收機(jī)噪聲系數(shù)、解調(diào)算法等影響。影響因素比較多。在熱噪聲影響下可計(jì)算的有：

式（8）中：NF表示噪聲系數(shù)；Eb/N0表示比特歸一化信噪比（傳輸能量Eb與系統(tǒng)噪聲功率譜密度N0比值）；K表示波爾茲曼常數(shù)，取值為：1.381×10-23W/Hz/k；T表示環(huán)境溫度，一般取常溫290 K（25°C）；B表示短波數(shù)傳系統(tǒng)波特率，即每秒傳送的符號數(shù)；M表示調(diào)制器的調(diào)制階數(shù)，系統(tǒng)調(diào)制符號集的個(gè)數(shù)是2 M。

短波通信接收機(jī)系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度能夠在系統(tǒng)滿足誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)需要接收到的最小的功率。因此，在應(yīng)用中，噪聲系數(shù)NF恒定，Eb/N0能夠滿足系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)要求，數(shù)傳設(shè)備的靈敏度決定于系統(tǒng)的環(huán)境工作溫度、調(diào)制方式、帶寬（與波特率相對應(yīng)）。

2.5 信道損耗

信號傳輸過程總會產(chǎn)生一定的損耗，這是不可避免的。在遠(yuǎn)距離短波信道傳輸?shù)倪^程中，由于自由空間的障礙物吸收，以及電離層吸收形成的損耗稱為信道基本損耗。在信道鏈路特新分析過程，需要對信道基本損耗進(jìn)行計(jì)算和預(yù)估，另外還需要對系統(tǒng)額外損耗進(jìn)行計(jì)算和分析[4]。

假設(shè)在試驗(yàn)狀態(tài)為白天，遠(yuǎn)距離測試設(shè)定為1 200 km距離，通過電離層（主要為F層）反射電磁波，地面短波和機(jī)載短波系統(tǒng)產(chǎn)生的自由空間損耗為：

式（9）中，Lp0為自由空間損耗；f為信道頻率，取值為14.5 MHz；r表示電離層吸收頻率，F(xiàn)電離層空間高度取值為330 km。

3 結(jié)語

超短波通信由于具有很好的抗干擾性，傳播速度較快，在民用、軍事等無線電通信領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。本文重點(diǎn)分析短波通信數(shù)傳設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通過分析，有助于提高通信質(zhì)量，減少干擾；而隨著數(shù)字技術(shù)成熟，超短波數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的研究及應(yīng)用得到重視，超短波數(shù)傳設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)的研究有利于了解數(shù)傳設(shè)備的特性，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)有借鑒作用。

[1]張建斌.某超短波電臺數(shù)傳測試設(shè)備研制和實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2016（1）：284-285.

[2]余金權(quán).超短波數(shù)傳設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析[J].電訊技術(shù)，2006（5）：141-144.

[3]余江濤.新型超短波跳頻通信設(shè)各數(shù)字化平臺及數(shù)傳軟件設(shè)計(jì)[J].信息通信，2013（7）：46-48.

[4]黃昌龍，趙利，蔡昆宏.基于FPGA的變速跳頻通信處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)上程與設(shè)計(jì)，2012（12）：146-148.

Study on the key technical index of data transmission equipment based on VHF

Li Lanfang
（Guangzhou Haige Communications Group Co., Ltd., Guangzhou 510663, China）

Study on the main technical indexes of VHF digital equipment is helpful to understand the characteristics of data transmission equipment, which has reference for system design. This paper mainly studies the key technical index of VHF data transmission equipment.

VHF communication; data transmission equipment; key technical index

李蘭芳（1973— ），女，海南萬寧，助理工程師；研究方向：無線電通信。