窄帶短波調(diào)制解調(diào)器發(fā)送端基帶數(shù)據(jù)流成形研究及關(guān)鍵技術(shù)探討

摘要：根據(jù)美軍標(biāo)MIL—STD一110B，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

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。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一110B，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，4860 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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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)。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(hù)速率，均映射到2 4 O(]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)hit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(hù)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(hù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，根據(jù)用戶(hù)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(hù)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(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送的比例與用戶(hù)數(shù)據(jù)率有關(guān)。在用戶(hù)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(hù)數(shù)據(jù)符號(hào)，探測(cè)符號(hào)與用戶(hù)數(shù)據(jù)符號(hào)的比例為1：2；當(dāng)用戶(hù)數(shù)據(jù)分別為1 200 b／s，600 b／s，300 b／s，150 b／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(hù)數(shù)據(jù)符號(hào)，探測(cè)符號(hào)與用戶(hù)數(shù)據(jù)符號(hào)的比例為1：1。
    可見(jiàn)，用戶(hù)數(shù)據(jù)率越低，用戶(hù)信道探測(cè)的數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，通信也將越可靠。當(dāng)用戶(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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)。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(hù)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(hù)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8：PSK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(hù)通信頻率隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化。在用戶(hù)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(hù)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)。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一188—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，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。
    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 A1gorithm。CMA)，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30Kb/s速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸了著名的LENA圖像。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。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。