第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究.pdf

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1、西安电子科技大学硕士学位论文第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究姓名：赵晨辉申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：朱晓明20100101摘 要 摘 要 短波通信在军事通信中有着举足轻重的作用，使用传统技术的电台已难以满足现代军事通信对网络容量与数据传输质量的要求，因此研究第三代短波通信系统具有重要意义。本文以 MIL-STD-188-141B 协议为理论依托，结合先进的数字信号处理技术，力求在短波信道上实现可靠的数据传输。通过深入研究第三代短波通信系统物理层突发波形接收端的关键技术，针对短波信道中存在噪声，多径衰落和多普勒频移的特点，本文设计了突发波形的接收端方案，其中完成的主

2、要工作有：利用滑动分段相关 FFT 技术，解决了低信噪比、大频差条件下的信号捕获难题；利用相关 FFT 和二次曲线拟合相结合的方法，完成了频差的精确估计；利用滑动相关技术，完成了精细位同步与信道估计；利用一种改进的内插滤波器进行定时恢复，解决了 A/D 采样偏差的问题。Matlab 仿真结果表明，设计的接收端方案可靠有效，完全满足 141B 协议的要求。最后，本文在以 DSP 为核心的硬件平台上，对整个突发波形系统的发送与接收过程进行了编程实现。关键词：突发波形 相关 FFT 捕获 定时恢复 Abstract Abstract HF communication plays an importa

3、nt role in military communications,while the traditional HF radio can not meet the increasing requirements on network capacity and the quality of data transmission in modern military communications.It is of great significance to research the 3G HF communication system.Based on the protocol of MIL-ST

4、D-188-141B and combined with advanced DSP technology.This thesis aims at achieving a reliable data transmission in HF channel.Based on the research of the key technologies in receiving of Burst-Waveform on the 3G HF communication,and considering the effects of noise,fading,multi-path and doppler shi

5、ft on HF channel,receiving schemes with key technologies of the Burst-Waveform are designed in this thesis.Sliding subsection correlation-FFT technique is adopted to solve the signal acquisition problem under the condition of low SNR and large frequency-offset;Correlation-FFT and Conic fitting techn

6、iques are introduced to improve the precision of frequency-offset estimation;The method of sliding-correlation is used to solve the problem of symbol synchronization and channel estimation;The warp of A/D sampling is rectified by using an improved interpolation filter for Timing-Recovery.The system

7、is simulated with Matlab,and the results show that the receiving schemes can meet the requirements of 141B protocol completely.Finally,the entire schemes,include sending scheme and receiving scheme,are tested on the DSP hardware platform.Keyword:Burst-Waveform Correlation-FFT Acquisition Timing-Reco

8、very 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表落撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学

9、位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。本人签名：日期 导师签名：日期 第一章 绪论 1第一章 绪论 短波通信在军事通信中有着举足轻重的作用，研究第三代短波通信系统，实现可靠的数据传输，具有重要的军事意义。1.1 选题背景与课题意义 短波通信1或称高频通信是指在 330MHz 频段范围内，利用天波通

10、过电离层反射进行远距离传输或通过地波进行近距离传输的一种通信手段，在大约一百公里到数千公里范围内不需要转发器就可以进行超视距通信。长期以来，由于短波通信具有可靠性高，安全性好和机动性强等优点，被广泛地应用于政府、外交、气象和商业等各个部门，用于传送语音、文字、图像和数据等信息。尤其在军事部门，因通信目标小，战时不易被摧毁，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。近代卫星通信的快速发展，尤其是铱星和地球星等的相继发射，使得全球个人通信即将成为现实，而光纤通信也日益成为信息领域的支柱技术，这些通信技术频带宽，容量大，传输质量好，因此短波通信已有逐步被冷落的趋势。但事实上，它们无法从根本上代替短波通信

11、。在军事通信领域，卫星易被敌方摧毁，这已经成为信息战中的一个严重问题。而短波通信由于价格便宜，机动性强，适用范围广（舰载、机载、车载、背负和固定），生命力强，适合各种中远距离通信等特点，特别适合于军事领域的应用。基于其在军事通信领域中不可替代的重要作用，短波通信重新引起了世界各国的高度重视，诸多机构都在不遗余力地进行研究。20 世纪 80 年代，美国国防部制定了第二代短波通信网的组网标准MTL-STD-188-141A2。第二代短波通信网络能提供可靠、健壮、具有优良兼容性的链路自动建立技术，它使得短波长距离和移动话音网络开始受到广泛关注。再加上可靠性较好的数据链路协议，使得第二代短波通信网络可

12、以由单纯的语音传输扩展到数据传输。我军于 1994 年参照美军标 MILSTD-188-141A 制定了GJB2077-94 标准，对短波自适应通信系统的自动链路建立进行了标准规范。该标准所规定的高频(High Frequency,HF)自适应系统可以保证自适应链路建立(Automatic Link Establishment,ALE)的可靠性与互操作性。GJB2077-94 的制定与执行，为我军短波自适应通信的发展设立了依据，取得了良好的军事经济效益。然而随着短波通信网络技术的发展，用户要求短波网络能传送更多的数据，因此，迫切需要降低网络负荷以使得在有限的短波频段内容纳更多的网络，完成第三代

13、短波通信系统突发波形接收关键技术研究 2 更多的数据传输业务。为适应这种变化的需要，美国国防部于 1999 年提出了第三代短波通信系统的概念，并由此制订了更有效的短波通信管理协议，美军标MTL-STD-188-141B345（以下简称 141B 协议）。第三代短波通信系统标准的确立，在世界范围内掀起了短波通信研究的狂潮。随着微型计算机技术、微电子技术和移动通信的迅猛发展，人们利用微处理器与数字信号处理器，不断提高短波通信的性能与数据传输速率，使得短波通信系统和设备得到了快速发展。许多公司陆续推出了一系列性能优良的设备和系统，比较著名的有：澳大利亚的 HF-90H、瑞典的 KV90、美国的 CH

14、ESS、美国 HARRIS公司的 RF-5800 系统、柯林斯公司的 SELSCAN 系统等。同时，多种新技术的应用，如信道自适应技术、差分跳频技术、宽带直接序列扩频技术、信道编码技术、信道均衡技术及短波组网技术，使短波通信方式存在的诸多问题得到解决，通信质量大大提高。目前，我军也正在开发新一代的短波通信系统，美军标 141B 协议为我们提供了一个很好的借鉴，本文所研究的题目就是基于这个背景提出的。本文的主要研究目标在于，以 141B 协议为理论依托，结合先进的数字信号处理技术，以 DSP系统为硬件平台，在短波信道上实现可靠的数据传输。1.2 短波通信的数据传输系统 随着短波通信技术的发展及用

15、户要求的提高，短波通信所传输的业务不再仅仅局限于话音信号，也可能包含数据和图像等信息，因此就需要短波通信具有稳定的数据传输功能。目前的短波、超短波数据传输系统一般有两种方式，其一就是在现有的短波、超短波无线电台中添加 MODEM（调制解调）模块，来实现数据传输功能，其系统模型如图 1.1 所示。图 1.1 短波数据传输系统结构 在发送端，计算机(或其它数据终端)将数据文件通过数字接口传送给MODEM 模块，MODEM 模块由 DSP 系统构成，采用调制、编码、差错控制等技术，对发送数据进行一系列处理，然后送给无线电台送出。接收端电台将收到的第一章 绪论 3射频信号下变频为中频信号，送给 MOD

16、EM 模块进行解调和处理，最后将接收的数据经数字接口传给计算机，完成数据传输过程。这种数据传输基本上是按照SSB(Single Side Band,单边带)电台的模拟话音带宽来设计的，一般 SSB 电台典型的单边带带宽为 3003,000Hz。另一种短波数据传输系统是由近年来研制的数字化短波电台实现的。数字化短波电台是基于软件无线电的思想设计而成的，它以 DSP、A/D、D/A 器件和其他专用数字化处理芯片为硬件基础，致力于短波电台的数字化、模块化和软件化，使短波电台的信号处理性能大为改善，功能更加灵活，升级换代也更为方便。除了传统的语音通信功能以外，数字化短波电台添加了数据传输功能模块，但此

17、种电台的成本太高。由于目前军事通信中装备较多的是不具有数据传输功能的 SSB 普通电台，因此给 SSB 普通电台加上数传 MODEM 模块，使其具有数据传输和话音通信的双重功能，可以大大减少电台的大规模更新换代所产生的巨大资源浪费。其中，MODEM 模块既可作为一个功能模块嵌入新一代数字化电台中，也可作为独立单元外接于现有的短波单边带电台。本论文的工作就是基于这种数传系统结构开展的。1.3 论文的研究内容与工作安排 本文以美国国防部第三代短波通信军事标准协议 141B 为理论依托，针对短波信道的特性，以突发波形 BW0 为主，重点研究了突发波形发送与接收关键技术及其在短波通信系统中的应用前景。

18、在理论研究的基础上，本文设计确定了系统的接收端方案：(1)采用滑动分段相关 FFT 技术，解决了在低信噪比，大频差条件下信号捕获的难题；(2)采用滑动相关实现位同步与信道估计；(3)采用相关 FFT 和二次曲线拟合相结合的频差估计方法，提高了频差估计的可靠性和准确度；(4)利用定时恢复技术，解决了 A/D 采样偏差的问题。根据设计的系统方案，本文对突发波形 BW0 通信系统进行了Matlab 仿真，仿真结果表明，接收方案可靠有效，能够满足军标要求。最后，根据系统设计方案，本文用 C 语言编写了突发波形 BW0 发送端与接收端的 DSP 实现源代码，并在以 TMS320C6713 芯片为核心的

19、DSP 硬件平台上进行了系统实现。论文的具体安排如下：第一章简单介绍了文章的选题背景和选题意义，阐述了论文中关心的主要问题和进行的主要工作。第二章介绍了第三代短波通信系统体系结构，阐述了系统物理层各突发波形在系统中所担任的角色。第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 4 第三章详细研究了突发波形 BW0 的发送端关键技术，完成了发送端的方案设计。第四章是本文的重点。首先，根据 141B 协议的要求及短波信道特性，完成了突发波形 BW0 接收方案的总体设计。其次，对方案中所涉及的关键技术进行了具体研究和性能分析。接收端关键技术主要包括：基于 FFT 的分段相关捕获技术，相关 FFT 和二次曲

20、线拟合的频差估计技术及伪码位同步技术。然后，本文对系统的定时恢复技术进行了详细研究，设计了定时恢复模块，仿真论证了采样偏差对系统的影响以及定时恢复模块的有效性。最后，对整个系统进行了 Matlab 环境下的仿真性能测试，测试结果表明，系统性能完全达到军标要求，验证了方案设计的正确性。第五章介绍了系统的 DSP 实现方案，详细描述了突发波形发送与接收方案的DSP 实现流程及部分关键技术的实现方法。第六章对本文工作进行了总结，并对进一步的工作进行了展望。第二章 第三代短波通信系统 5第二章 第三代短波通信系统 第三代短波通信系统网络容量更大，数据传输能力更强。本章对第三代短波通信系统的体系结构进行

21、了简单介绍。2.1 第三代短波通信系统概述 从上世纪 80 年代起2，第二代短波通信系统(MIL-STD-188-141A)为建立长距离和可实现移动话音传输的短波通信网提供了强健，可靠并可协同工作的技术系统。然而，随着数据通信需求的增加，第二代系统即使不断扩展也难以满足短波信道上大量的数据通信要求。从 90 年代中后期开始，短波通信网络的不断增加，迫切需要能降低网络负荷以使得在有限的短波频段内可以容纳更多网络，完成更多数据传输业务的短波通信技术。美国国防部根据短波自适应系统的发展需求，于 1999 年提出了第三代短波通信(3G-ALE)的概念，由此制订了美军标 141B 协议，并不断对其进行修

22、订。相对于第二代系统，第三代短波通信系统在链路建立，网络管理和流量控制等方面的技术都更加先进。第三代短波通信系统的一个重要目标就是有效地支持大量站点组成的对等网的突发数据通信，重点改善其中网络的链接，消息的传送和路由表的更新及维持性能。第三代短波通信系统中链路自动建立(ALE)6，数据链路协议(DLP)和自动链路保持(ALM)等关键技术是建立在第二代技术基础上并与之兼容的。然而，新系统很多方面的性能都得到了显著提高，因此被称为“第三代”，其最突出的进步在于以下几个方面：(1)全网同步工作；(2)快速链路建立；(3)可在更低的信噪比下工作；(4)更高的信道利用效率，可容纳的站点更多，吞吐量更大；

23、(5)ALE 和 DLP使用同样的波形；(6)提供对因特网更好的支持。2.2 第三代短波通信协议体系 与国际标准化组织(ISO)制定的开放系统互联参考模型(OSI)相似，第三代短波通信协议体系采用分层的结构模型4，如图 2.1 所示。其中主要涉及的协议有：第三代链路自动建立(3G-ALE)协议、业务管理(TM)协议、高速数据链路(HDL)协议、低速数据链路(LDL)协议和电路链路管理(CLM)协议。这些协议完成不同的功能，分别由物理层不同的突发波形(Burst Waveform)承载，每个突发波形都有其特殊的用途，各波形之间联系紧密，分工明确，相辅相成，形成一个相互依赖的协议体系。第三代短波通

24、信系统突发波形接收关键技术研究 6 图 2.1 第三代短波通信协议体系结构 下面我们对第三代短波通信协议体系涉及的各主要协议进行简单介绍。2.2.1 自动链路建立(3G-ALE)协议 141B 协议中，由于采用了同步扫描呼叫信道、时间片信道访问方式、特殊的载波监听机制、PSK 调制、呼叫信道和传输信道分离等新技术，使 3G-ALE 系统在链路建立、通信组网能力、信道利用率和信息吞吐量等方面都有了很大的改善和提高。2G-ALE 系统采取三次握手的方式进行链路建立。呼叫方发出呼叫，收方台站收到呼叫后给发送方发回响应，呼叫方收到响应后，再给收方台站发送一次确认信号，只有在三次握手均成功的情况下，才认

25、为双方链路建立成功。而 3G-ALE7系统采用两次握手的方式进行链路建立。呼叫台站发送呼叫 PDU(Protocal Data Unit,协定数据单元)，收方台站收到呼叫 PDU 后发送握手 PDU，呼叫台站收到握手 PDU 后将呼叫台站调谐到所要求的信道就完成了短波链路的自动建立。因此，3G-ALE 系统的链路建立速度有了很大的提高。2.2.2 业务管理协议 链路建立过程结束后，系统进入业务链路建立阶段。在这个阶段，业务管理协议需要继续建立和维护适合业务传输的链路，通过交换 TM-PDU 的方式确定以下信息：如果链路连接是电路连接，传输的业务是数据分组业务还是话音业务；用什么协议来传输，采用

26、的基带调制方式和波形；业务的优先级等。业务管理协议涉及三种 PDU：TM-REQ（请求）、TM-CONF（确认）和TM-TERM（终止）。根据 PDU 中各比特的不同取值，组成不同的 PDU，来建立业务链路或拆除业务链路。第二章 第三代短波通信系统 7如链路是点对点通信时，呼叫台站进入业务信道后向被呼叫台站发出建立业务信道的请求，即发出 TM-REQ，其中含有业务类型。被呼叫台站收到请求后返回 TM-CONF 确认，然后双方站点开始业务传输。如果业务信道质量不够好，被呼叫台站在规定时间内没有收到 TM-REQ，它就会向呼叫台站发出标明超时的TM-TERM，呼叫台站在规定时间内没有收到回应或者收

27、到 TM-TERM，就会自动返回重新呼叫或者选择放弃这次业务。在业务信道中，任何一方都可以通过发送TM-TERM 来终止业务，但必须标明终止原因。业务管理实体(TM)在整个业务传输中一直有效，直到业务传输结束，拆除业务链路。2.2.3 高速数据链路协议 高速数据链路(HDL)协议是按照选择自动重传请求(ARQ)协议，在已经建立的高频(HF)链路上完成发送台站和接收台站之间点到点的数据包传输，数据包长度以字节(8bit)为单位。HDL 协议适合在条件较好的短波信道上完成较长数据包的传输，数据传输过程如图 2.2 所示。图 2.2 HDL 数据传输示意图 HDL 数据传输过程中共使用 3 种 PD

28、U：数据分组 PDU(HDL-DATA)、确认PDU(HDL-ACK)和报文结束 PDU(HDL-EOM)。HDL 协议工作在同步模式，HDL-DATA 与 HDL-ACK 在确定的时间按照 ARQ 协议，交替发送。2.2.4 低速数据链路协议 低速数据链路(LDL)协议，在信道条件较差时完成任意长度数据包的传输，或者在任何信道条件下完成短数据包的传输时都有较好的性能。LDL 数据传输过程中，发送台站和接收台站以图 2.3 所描绘的方式交替传送。当发送台站发送了全部包含有效负载数据的 LDL-DATA，而接收台站无错接收到这些数据，并发送 LDL-ACK 认可它们已成功传输时，即完成了数据传输

29、过程。发送台站收到认可 LDL-ACK 后，就会在 LDL-DATA 时段内，发送尽可能多的 LDL-EOM，以表示将要终止数据传输。LDL 数据传输过程中，无论一个台站是否在预期的时间内收到 PDU，它都默认前一 PDU 已被成功接收，并在同一时间发送其本身下一个要发送的 PDU。从链路建立开始的各个阶段，双方都可以发第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 8 送 TM-TERM 来终止链路的连接。LDL-DATALDL-ACKLDL-ACKTM-申请TM-确认LE-呼叫LE-开始LDL-DATA确认最后的数据报分组无错的接收LDL-EOM包含数据报的最后分组，无错接收在LDL-DATA

30、长度内尽可能多的发送LDL-EOM 图 2.3 LDL 数据传输示意图 2.2.5 电路链路管理协议 在已经建立的电路链路上，电路链路管理协议负责监视业务的传输与其进行同步，并提供了一套简单的发前监听访问控制机制：(1)本地台站正在接收或者发送信息时，禁止发送新业务；(2)业务发送或接收结束后，在一段补偿时间内，禁止新业务的发送；(3)在一个指定时间内发现电路链路上没有任何输入或输出业务时，提示业务超时，当不再需要时可以中止业务链路。2.3 第三代短波通信系统的突发波形 突发波形(Burst Waveform)被定义为第三代短波通信系统在链路建立和数据传输过程中所需的各种类型信号，在存在噪声、

31、多径和衰落的短波通信中实现各自不同的功能。第三代短波通信系统共定义了五种突发波形，分别为：BW0、BW1、BW2、BW3 和 BW4。所有突发波形均使用源自于 MIL-STD-188-110 串行单音MODEM 的一组新的波形形式，采用基本的 8 相相移键控(8PSK)，在频率为1,800Hz 的串行单音载波上进行调制，数据传输速率 2,400 字符/秒(2 400chip/s，)。承载和实现第三代短波通信系统各种协议的突发波形，其波形结构不同，所负责完成的功能也不同。其中，BW0 突发波形用于短波链路的自动建立和信道质量分析；BW1 突发波形用于业务信道的管理和高速数据链路的拆链；BW2 突

32、发波形用于高速数据分组的传输；BW3 突发波形用于低速数据分组的传输；BW4突发波形负责低速数据链路的拆链。根据 141B 协议规定，各突发波形的结构，特性及其形成过程如图 2.4 所示。由图 2.4 可以看出，每个突发波形都有其特定的用途，并且具有不同的突发时长，载荷，前向纠错方法和交织技术，突发波形功能的不同决定了它们各自的特性。第二章 第三代短波通信系统 9 图 2.4 突发波形特性5 下面将分别对各突发波形的特点进行简单阐述。（一）突发波形 BW0 突发波形 BW05用于传递所有的 3G-ALE（链路建立）PDU，图 2.5 为突发波形 BW0 数据帧结构。图 2.5 突发波形 BW0

33、 数据帧结构 突发波形 BW0 的保护序列为 256 位三比特伪随机符号序列，用以保证发方电台的发送电平控制(TLC)和收方电台的自动增益控制(AGC)在它们各自的 BW0报头输入之前达到平稳状态，并减小该过程带来的失真。BW0 的探测报头为 384 位三比特伪随机符号序列，用于在接收端完成突发波形的捕获、波形形式的判别、位同步和信道估计。BW0 突发波形的前导序列和探测报头无需进行调制和 PN 扩展。需要指出的是，不同突发波形的探测报头是不同的，并且相互正交，这为接收机在数据解调中检测突发波形的存在和预测各种参数提供了可能。BW0 有 26 比特的有效载荷，携带链路建立协议中使用的各种 PD

34、U 信息。经过编码、交织和扩频处理后，实际传输的有效载荷为 832 位三比特符号序列。后面章节将会详细介绍保护序列与探测报头的形式，以及 BW0 发送和接收关键技术。第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 10（二）突发波形 BW1 突发波形 BW1 用于传送所有 TM 与 HDL 协议的 HDL-ACK 或 HDL-EOM，图 2.6 为突发波形 BW1 数据帧结构。图 2.6 突发波形 BW1 数据帧结构 突发波形 BW1 与 BW0 的前导序列相同，均为 256 位三比特伪随机符号序列，而探测报头和有效载荷是不同的，BW1 突发波形的前导序列和探测报头也无需进行调制和 PN 扩展。由

35、于两种突发波形的前导序列相同，信号捕获时根据探测报头的正交性，利用相关对其进行区分。BW1 有 40 比特的有效载荷，携带 TM 协议中使用的各种 PDU 信息。经过编码、交织和扩频处理后实际传输的有效载荷为 2,304 位三比特符号序列。（三）突发波形 BW2 突发波形 BW2 用于传输 HDL 协议的数据分组，构成 HDL-DATA，图 2.7 为突发信号波形 BW2 数据帧结构。图 2.7 突发波形 BW2 数据帧结构 BW2 的保护序列是一个 256 位三比特伪随机符号序列，可以直接进行调制，无需进行 PN 扩展。BW2 的探测报头是一个 64 位的三比特符号序列。BW2 的数据包为一

36、个定长 2,880 位的数据比特序列，其中每 3 比特形成一个调制符号，共产生 2880/3960 个调制符号。每个 BW2 可以携带 n=3、6、12 或 24 个数据包。BW2 的发送过程中没有用到扩频技术，其解调过程是将信号经过均衡器后直接进行抽判。（四）突发波形 BW3 突发波形 BW3 用于传输 LDL 协议的业务分组，构成 LDL-DATA，图 2.8 为突发波形 BW3 数据帧结构。图 2.8 突发波形 BW3 数据帧结构 BW3 不包含 TLC/AGC 保护序列，其探测报头为 640 位三比特伪随机符号序列，无需进行 PN 扩展，可直接进行调制。第二章 第三代短波通信系统 11

37、BW3 包括了 8n25 比特有效载荷、32 位 CRC 循环冗余校验比特和 7 位嵌入比特。BW3 的数据分组被定义为 8n+25(n=64、128、256 或 512)比特，也就是537、1,049、2,073 或 4,121 比特的定长序列。其中附加的 25 个有效载荷比特为LDL 协议的报头，后面的 8n 比特作为 BW3 前向传输的有效载荷。BW3 最后附加的 7 比特 0 值，用以保证编码器在编码最后的嵌入比特为 0。经过编码、交织和扩频处理后，BW3 实际传输的有效载荷为 32n+256 位三比特符号序列。（五）突发波形 BW4 突发波形 BW4 用于传递 LDL 协议的 LDL

38、-ACK 和 LDL-EOM，图 2.9 为突发波形 BW4 数据帧结构。图 2.9 突发波形 BW4 数据帧结构 突发波形 BW4 的保护序列由 256 位三比特伪随机符号序列组成，无需进行PN 扩展。BW4 的有效载荷为 2 比特，通过不同组合形成 LDL-ACK 或 LDL-EOM，经过扩频处理后实际传输的有效载荷为 1,280 位三比特符号序列。在对 141B 协议及第三代短波通信系统进行简单介绍后，本文将主要以突发波形 BW0 为例，设计其发送和接收方案，并对其中所涉及的关键技术进行深入研究。第三章 突发波形发送方案设计及关键技术研究 13第三章 突发波形发送方案设计及关键技术研究

39、141B 协议规定了第三代短波通信系统物理层突发波形的结构，特性及其形成过程。本章以突发波形 BW0 为例，根据 141B 协议要求，给出了突发波形 BW0发送端方案设计并对其中的关键技术进行研究。3.1 发送方案总体设计 3.1.1 主要系统参数 141B 协议对突发波形 BW0 的结构与特性有着明确的规定，参考协议规定，3G-ALE 中 BW0 系统在设计时所涉及的参数如表 3.1 所示。表 3.1 突发波形 BW0 系统参数 波形 BW0 突发时长 613.33ms，1,472 个 8PSK 符号 有效载荷 26bits 报头 160.00ms，384 个 8PSK 符号 FEC 编码

40、R1/2,k=7 卷积编码（无嵌入比特）交织深度（4,13）数据格式 16 相正交 Walsh 序列 有效码速 1/96 过采样倍数 4 码元速率 2,400chip/s 副载波频率 1,800Hz 采样频率 9.6KHz 信号频带 3003,300Hz 最低信噪比-10dB Shannon 定理指出，在高斯白噪声条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量）为：2log1SCBN=+(3-1)式中，B代表信号带宽，S代表信号平均功率，N代表噪声功率。短波电台的音频口频带宽度为3,000Hz，在-10dB高斯白噪声条件下，系统的信道容量为：第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 14()230

41、00log10.1412.51bit/sC=+=(3-2)由表3.1可知，突发波形BW0的传输时长为613.33ms，对应的信息速率为42.39bit/s（信息速率由有效载荷比特数除以传输时长得到），可见突发波形BW0的信息传输速率远远小于系统的信道容量。由Shannon第二定理知，若信源的信息速率小于或等于信道容量，信源信息能够以任意小的差错概率通过信道传输。因此，突发波形BW0可以在所设计的3G-ALE系统中实现无差错传输。3.1.2 发送方案设计 第三代短波通信系统中要求实现无差错的数据传输，根据短波信道中存在噪声、多径和衰落等干扰，信道性能较差的特点，参考141B协议，设计系统发送端总

42、体方案如图3.1所示：图 3.1 突发波形 BW0 发送端方案 由图3.1可以得到突发波形BW0的发送信号形成过程：BW0包含的26比特有效载荷经过(2,1,6)卷积编码后得到52比特数据，然后进行块交织，将交织后的52比特每4比特分为一组，每组映射成长度为64位的三比特伪随机序列(Walsh序列)，然后与PN序列进行模8加，最后生成832位三比特伪随机序列。最后，在数据信息前插入保护序列(256位)和探测报头(384位)，得到突发波形BW0的数据帧(总长度为1472位的三比特符号序列)，经过8PSK调制和成形滤波，形成发送信号。下面我们将分别阐述发送端各关键技术的详细实现过程。3.2 发送端

43、关键技术研究 3.2.1 卷积编码 信号在具有多径衰落特性的短波信道上进行传输时，时变的多径传输造成的信号衰落常导致信号电平降落到噪声电平以下，造成大量的突发错误。因此在系统设计中需要采取一定的方式来提高系统的抗衰落和抗干扰性能。信道编码技术第三章 突发波形发送方案设计及关键技术研究 15是目前较为有效的一种抗衰落技术，在容易产生突发错误的短波信道中，通常采用信道编码技术来进行差错控制。输入+,1ip,2ipim+1.iim m+D2D1 图 3.2 (3,1,2)卷积码编码器 卷积编码8是一种编码简单且非常有效的信道编码技术，根据卷积编码的基本原理，图3.2给出了的一个二进制卷积编码器的编码

44、过程。若每一时间单位输入编码器一个新的信息元im，且存贮器内的数据右移一位，则im 一方面直接输出至信道，另一方面与前两个单位时间送入的信息元1im，2im按图中所确定的规则进行运算，得到这一时刻的两个校验元,1ip，,2ip，跟随在im后面组成一个子码,1,2(,)iiiicm pp=送入信道。由图可知，某一时刻的校验元,1ip，,2ip分别为：,11iiipmm=+(3-3),22iiipmm=+(3-4)下一时间单位输入的信息元为1im+，其相应的两个校验元：1,11iiipmm+=+(3-5)1,211iiipmm+=+(3-6)然后，组成第二个子码111,11,2(,)iiiicmp

45、p+=送至信道，如此等等。在每一时间单位，送入编码器0k（这里为1）个信息元，编码器就送出相应的0n（这里为3）个码元组组成的一个子码ic，在卷积码中，这0n个码元组成的子码ic有时也称卷积码的一个码段或子组。2c1c0c2c1c3c2c3c4c3c4c5cAn0n 图 3.3 卷积码子码之间约束关系 第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 16设第i时刻输入至编码器的信息组im及其相应的码段ic，则ic不仅与前m个码段12,.,iii mccc中的码元有关，而且也参与了后m个码段12,.,iii mccc+中的校验运算，各子码间的约束关系如图3.3中的虚线方框所示，如此环环相扣就得到了卷

46、积码的一个码序列。卷积编码通常用2个参数来描述，码率/k n和编码约束长度N。码率是指在一个编码周期内进入编码器的码元数k与编码器输出码元数n的比值；编码约束长度(Nmk=+)表示编码过程中互相约束的码元个数。另外，m为编码存贮，它表示输入信息组在编码器中需要存贮的单位时间，通常把卷积码记为(,)n k m。突发波形BW0中采用(2,1,6)卷积编码器，如图3.4所示，编码效率1/2，编码约束长度为7。编码之前先用有效载荷的最后6比特初始化存储单元。1D2D3D4D5D6D0b1b 图 3.4 BW0 卷积编码器(2,1,6)其中Input为当前输入比特，编码器输出0b，1b的生成多项式如下：

47、023561(mod2)bDDDD=+(3-7)112361(mod2)bDDDD=+(3-8)突发波形BW0的有效载荷为26比特，经过卷积编码后输出52比特数据，送入交织模块。3.2.2 交织 处理突发差错的另一个有效的办法是对编码数据进行交织。交织器设计的基本原则是把突发差错信道转变为统计独立的差错信道，最大程度的置乱原码字排列顺序，避免置换前相距较近的码字置换后仍相距较近，这样就能够有效地对信息传输过程中产生的突发错误进行纠正。交织器5的设计一般采取分块交织的方式实现，如图3.5所示。在发送端，将编码比特排成nm阶的矩阵形式，按行(或列)对矩阵进行填充，然后按列(或行)第三章 突发波形发

48、送方案设计及关键技术研究 17的方向读出。在接收端则完成一个相反的过程，解交织器将数据按列(或行)进行填充，按行(或列)的方向读出。这种分块交织的效果是把长度mcN=的突发错误破碎成m个长度为c的突发错误，这样，用一个能处理c个突发错误的信道编码器加上一个nm的交织矩阵进行交织就可以纠正长度为mc的突发错误。图 3.5 交织原理 突发波形BW0采用的就是分块交织方式，卷积编码后的52比特数据按顺序排成一个4 13的矩阵，这里为按行读入，然后将矩阵按列读出就完成了交织，读出矩阵的第一行为原矩阵的第一列。交织后的13 4比特数据将送到下一模块，进行直接序列扩频。3.2.3 直接序列扩频 直接序列扩

49、频9是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上，在接收端用与发端相同的伪随机序列对接收的扩频信号进行相关处理，恢复出原始信息的一种技术。由于干扰信号与随机序列不相关，使扩频后落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。由式(3-1)可知，要提高系统的信道容量，可以采取增加信道带宽或提高信噪比两种方式实现。而在系统信道容量确定的情况下，带宽的增加与信噪比的提高可以互换。扩频是实现带宽与信噪比互换的一种行之有效的方式，它利用带宽增加所获得的冗余度来减小系统对信噪比的要求，实现较低信噪比条件下的通信。处理增益是扩频系统中重要的抗干扰指标，它是系统的解扩

50、增益，反映了相关器对系统信噪比的改善能力，定义为扩频系统接收相关器输出与输入信噪比的比值，一般用分贝表示：00/10lg/piiSNGdBSN=(3-9)第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究 18对直扩系统而言，相关解扩器的输入输出信号功率不变。对干扰信号而言，解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率分散到很宽的频带上，使得干扰功率减小了M倍（M为扩频因子）。因此，直扩系统的处理增益实际上就是直扩系统的扩频因子，表示为：10lg10lg10lgccpssRBGMRB=(3-10)其中cR、cB分别为扩频码码元速率和扩频信号的频带宽度，sR、sB分别为传输的信息速率和信息带宽。软扩频技术