OFDM在短波通信中的应用

摘要：介绍了当前短波（HF）通信中串行、并行两种体制的最新发展现状，着重讨论了正交频分复用（OFDM）技术在HF通信中的实际应用，最后指出在短波通信中采用OFDM体制需要解决的几个关键性问题。 关键词：短波 OFDM 串行调制解调器 并行调制解调器 卫星通信和短波（1.5～30MHz）通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言，卫星在战争期间易被干扰或阻塞，甚至被摧毁而失去通信能力，因此，就通信的顽存性、机动性和灵活性而言，短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小，设备简单，通信方式灵活，抗毁性强，以电离层为传输媒质，而电离层基本具有不可摧毁性，传输距离可达数千公司而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥的重要工具。此外，在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系，而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高，有力地推出了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时，机载短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。 1 短波通信中传输高速数据信号的调制技术 短波传输分为天波和地波两种方式。对天波传输方式而言，短波信道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。此外对现代短波通信系统，信道大多数具有频率的选择性，多径传输产生了信号的相干衰落与符号干扰，短波通信的性能在很大程度上取决于系统设计对信道传输补偿的效果。短波信道通常情况下是一种缓慢变化的信道，多径延迟典型值2～8ms，多普勒频率扩展的典型值0.1Hz，多普勒频移在0.01～10Hz范围内变动，在高纬度地区多径延迟可达13ms以上，多普勒扩展可达73Hz。 多径效应引起的时域扩展是限制数据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两种体制。并行体制是将发送的数据并行分配到多个子通道上传输，串行体制使用单载波调制发送信息。关于串行和并行两种调制方式到底哪种优越，一直有争论。文件认为：这两种调制解调器在低速通信中已使用多年，没有哪一种显示出绝对的优势，目前在北约9.6kbs HF通信标准中同时考虑串行、并行调制体制。而绝大多数认为串行体制更优势，若在可通率相同的情况下，比较二者的误比特率，则串行比并行体制低。 串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因此提高了高频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行体制采用了高效的自适应均衡、序列检测和信道估算等结合技术，能够克服由于多径传播和信道畸变引起的符号干扰（ISI）。目前最先进的串行体制调制解调器采用256QAM调制，应用一种被称为“分组判决反馈均衡（BDFE）”的技术，在3kHz带宽上数据传输速率达16kbps。 并行体制已经存在几十年了，上个世纪90年代中期以前，并行体制的各个子载波在频率上是互相不重叠的，采用的不是正交频分复用（OFDM）技术，如美国的第三代军用标准MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行调制方式中定义16音和39音两种模式，子载波之间不相交。 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种特殊的多载波传输方式，由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，与常规的频分复用系统相比，OFDM可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串行转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，降低了子信道的信息速率，将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道，从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在OFDM中通过引入循环前缀，克服了OFDM相邻块之间的干扰（IBI），保持了载波间的正交性，同时循环前缀长度大于信道扩展长度，有效地抑制了符号干扰（ISI）。目前OFDM技术已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多点业务分配系统（LMDS）、数字用户线路（ADSL/VDSL）、数据音频广播（DAB）、数据视频广播（DVB）、Digital Radio Mondial(DRM)中得到广泛应用。 目前正在研制的新一代并行体制调制解调器采用OFDM技术，通过加入保护间隔，可以有效消除ISI，降低均衡的复杂度。下面介绍OFDM在短波通信中的应用情况以及仍需解决的几个关键问题。 2 基于OFDM体制的几个短波通信具体应用 随着基带信号处理能力的提高和用户对带宽需求的增加，在过去几年里HF数据传输速率大幅度提高，加拿大CRC的试验工作是在3kHz带宽实现9600bps传输速率的第一个成功尝试。随后由美国的Harris公司、通用航天航空防务公司、法国的Thomson公司和德国的Daimler-Chrysler航空航天部门在高速HF数据通信领域做了许多有意义的工作，当前已能提供9600bps以上的传输速率。 提高通信速率是HF通信领域研究的一个主要方向。HIL-STD-188-110B在2400bps以上传输速率中，提供从3200、4800、6400、8000、9600、12800bps（无编码）的传输服务，STANG5066也支持高速HF数据通信业务。在并行和串行两种调制方式中寻找新的发送波形和新的编码方式是提高HF通信速率的关键。由于OFDM技术具有较强的抗多径干扰的能力，能够有效地抑制ISI和子载波干扰（ICI），已被成功应用于DRM中。值得注意的是DRM同样使用短波频段（3～30MHz）传输音频和数据信息。下面研究OFDM在短波通信领域里应用比较成功的几个例子。 2.1 英国Racal Research Limited的实现途径 在战术电台环境下，VHF（30～300MHz）通信是常采用的一种规范；但在复杂的地形条件下，VHF通信有时会出现障碍，此时可以尝试采用接近垂直入射（NVIS）的短波电台建立通信联系。英国的Racal Research Limited开发出一种适应于HF NVIS信道的并行体制调制解调器。它采用OFDM技术，子载波个数为56，信号的调制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB，在3kHz带宽上实现无编码最高传输速率16kbps，能够在多普勒扩展1Hz、延迟扩展5ms的HF NVIS信道条件下正常工作。该调制解调器是在快速DSP原型平台上实现的，系统采用了Motorola的定点DSP56300处理器，通过软件无线电技术使得设计复杂度大为降低。 此外，为进一步检验采用OFDM技术的调制解调器的实际性能，1999年6月，在DERA加拿大对CRC的串行调制解调器和Racal的并行体制调制解调器进行了三个星期的现场比对试验。发射机是10kW的DERA Cove电台，接收站点位于DERA的Malvern（距离140km）和Funtington(距离45km)。经过现场试验，两种调制解调器性能略有差异，在黎明OFDM比串行体制调制解调器性能好，在整个晚间误码率性能一直接低，在白天两种调制解调器工作都很好。由于两种调制解调器都没有采用FEC编码，误码率较高。 2.2 法国Thomson公司的实现途径 采用OFDM体制，子载波个数79，信道编码采用基于帧结构的turbo code编码方式，数据传输速率达9600bps。 每帧结构如下： %26;#183;每帧3个OFDM符号； %26;#183;每个OFDM符号有79个子载波； %26;#183;第1个OFDM符号有52个数据和27个导频符号； %26;#183;第2个OFDM符号有79个数据和0个导频符号； %26;#183;第3个OFDM符号有79个数据和0个导频符号； %26;#183;每个OFDM符号周期32.81ms；保护间隔6.15ms； %26;#183;子载波间隔37.5Hz，第1个子载波和最后1个子载波间隔2925Hz； %26;#183;短交织时间长度1.8s；长交织时间长度10.8s。 2．3 ARD9900调制解调器 该调制解调器是由环球无线电通信公司（Universal Radio Incorporation）推出的最新一代商用产品，具有传输数字语音、图像、数据的功能，语音编码部分采用先进的vocoder AMBE技术。主要参数如下： %26;#183;采用OFDN调制，子载波子数36，子载波间隔62.5Hz，信号调制方式OQPSK； %26;#183;基带信号带宽280～2530Hz； %26;#183;数据传输速率50baud/3600bps； %26;#183;每帧有3个OFDM符号，每个OFDM符号周期20ms，保护间隔4ms； %26;#183;FEC编码：内层卷积编码1/2，结束长度7，生成多项式[133,171]8;外层Reed-Solomon编码[44，36]8； %26;#183;具有图像、语音、数据加密功能。 2.4 一种满足地面和飞机通信标准的并行调制解调器 1998年国际民事飞行组织（ICAO）建立了地面与飞机联系的短波通信标准；SARPS for HF Datalink、AMCP/5-WP172。该标准采用单载波数据，最高传输速率达1800bps。S.Zazo等人对此进行改进，提出采用OFDM调制的两套新方案。第一种方法：每帧由3个OFDM符号组成，子载波个数16，一个用于信道探测的OFDM符号后接两个连续OFDM数据符号。第二种方法：每帧由一个用于信道探测的短OFDM符号和一个长OFDM数据符号组成；短OFDM符号由16个子载波组成，长OFDM符号由32个子载波组成。系统主要参数如下： %26;#183;信道编码：Reed-Solomon编码[63，45]； %26;#183;信号调制方式：QPSK； %26;#183;短交织长度1.8s;长交织4.2s； %26;#183;方案一：子载波间隔175Hz，有效OFDM符号周期5.71ms，保护间隔2.62ms； %26;#183;方案二：子载波间隔87.5Hz，有效OFDM符号周期11.43ms，保护间隔3.93ms。 仿真结果表明：两方案在误比特率（BER）方面性能改善显著，同时还有效降低了前同步信号（preamble）和信道探测信号的长度，对于提高传输速率具有重要意义。 3 OFDM在HF通信实际应用中需要解决的几个关键性问题 由于短波带宽较窄，在MIL-STD-188-141B中定义的带宽为4kHz，通常语音带宽可以压缩至3kHz,因此目前串行体制的调制解调器可以在3kHz带宽实现9600bps以上的传输速率。考虑采用OFDM体制时，由于子载波个数有限，需要降低插入导频的密度，这就给信道估计带来一定的困难。以MIL-STD-188-110A中39音调制解调器为例，OFDM符号周期Ts=22.5ms，子载波频率间隔Δf=76.92Hz，对于最大时延扩展Td=4ms，最大多普勒扩展fd=σ=2Hz，需要每隔Nk=1/2fdTs=11.1≤个OFDM符号和在NL≤1/2TdΔf=1.6个子载波间插入导频。可见插入导频的方式值得深入研究，文献提出一种在时域、频域内采用六角形插入的导频方式，比矩形插入方式更为有效。降低插入导频密度的另外途径是采用最大似然译码方法改进信道估计和解调的性能。 另外，信道编码方式也需要深入研究。采用信道编码直接降低了有效通信速率，目前短波中大多采用删除型卷积编码方式，如MIL-STD-188-141B中采用生成多项式（133，171）约束长度7，1/2码率输出的卷积码，经删除后输出码率为3/4。而其它编码方式，如网格编码（TCM）、turbo码、分组trubo码（Block Turbo Code）、多层卷积编码（Multievel Convolutional Codes）也可能是更有效的方式。 虽然OFDM对抗多径干扰具有较好的性能，但是OFDM也存在如下缺点：（1）存在较高的峰值平均功率比（PAR）；（2）对载波频偏移敏感，对同步要求高，如果考虑保密通信，在保持OFDM载波同步、符号同步和采样同步的前提下，跳速通常低于100跳/秒，容易被地方跟踪上。 目前单载波短波通信传输速率已达到9.6kbps，对均衡的要求很高，若要进一步提高传输速率已经很难了，OFDM技术能够将频率选择性衰落信道转化为平衰落信道，具有较强的抗ISI能力。可以预计，在未来提高短波通信速率方面OFDM将是一个研究的主要方向。本文对OFDM技术在短波通信领域的实际应用做了一个综述性回顾，并指出在OFDM实际应用中需要解决的关键性问题。