OFDM在短波通信中的應用
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[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(fā)展現(xiàn)狀，著重討論了正交頻分復用（OFDM）技術(shù)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。
衛(wèi)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(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、機動性和靈活性而言，短波通信具有無可比擬的優(yōu)越性。其發(fā)射功率小，設備簡單，通信方式靈活，抗毀性強，以電離層為傳輸媒質(zhì)，而電離層基本具有不可摧毀性，傳輸距離可達數(shù)千公司而不需要轉(zhuǎn)發(fā)。這些優(yōu)點使短波通信成為軍事部門及其它機構(gòu)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(zhàn)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(lián)系，而且海上通信對數(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(xiàn)代預警機與機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(shù)據(jù)信號的調(diào)制技術(shù)
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(zhì)，因此短波信道存在多徑時延、衰落、有時空性的介質(zhì)，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(xiàn)象。此外對現(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(tǒng)設計對信道傳輸補償?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，多普勒頻率擴展的典型值0.1Hz，多普勒頻移在0.01～10Hz范圍內(nèi)變動，在高緯度地區(qū)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(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)并行分配到多個子通道上傳輸，串行體制使用單載波調(diào)制發(fā)送信息。關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的優(yōu)勢，目前在北約9.6kbs HF通信標準中同時考慮串行、并行調(diào)制體制。而絕大多數(shù)認為串行體制更優(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。
串行體制的特點是在一個話路帶寬內(nèi)采用單載波串行發(fā)送高速數(shù)據(jù)信號，因此提高了高頻發(fā)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(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干擾（ISI）。目前最先進的串行體制調(diào)制解調(diào)器采用256QAM調(diào)制，應用一種被稱為“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16kbps。
并行體制已經(jīng)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(shù)，如美國的第三代軍用標準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)的頻分復用系統(tǒng)相比，OFDM可以最大限度地利用頻率譜資源。同時它把高速數(shù)據(jù)通過串行轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)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(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，同時循環(huán)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(shù)已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERSP?column=news&key=LAN target=_blank class=qqx_gjz>LAN/2、本地多點業(yè)務分配系統(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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信業(yè)務。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通信速率的關鍵。由于OFDM技術(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)途徑
在戰(zhàn)術(shù)電臺環(huán)境下，VHF（30～300MHz）通信是常采用的一種規(guī)范；但在復雜的地形條件下，VHF通信有時會出現(xiàn)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(lián)系。英國的Racal Research Limited開發(fā)出一種適應于HF NVIS信道的并行體制調(diào)制解調(diào)器。它采用OFDM技術(shù)，子載波個數(shù)為56，信號的調(diào)制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB，在3kHz帶寬上實現(xiàn)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(diào)制解調(diào)器是在快速DSP原型平臺上實現(xiàn)的，系統(tǒng)采用了Motorola的定點DSP56300處理器，通過軟件無線電技術(shù)使得設計復雜度大為降低。
此外，為進一步檢驗采用OFDM技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器的實際性能，1999年6月，在DERA加拿大對CRC的串行調(diào)制解調(diào)器和Racal的并行體制調(diào)制解調(diào)器進行了三個星期的現(xiàn)場比對試驗。發(fā)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(jīng)過現(xiàn)場試驗，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公司的實現(xiàn)途徑
采用OFDM體制，子載波個數(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9600bps。
每幀結(jié)構(gòu)如下：
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