海上高頻電子郵件技術

王化民，馮文仙，常滿文

（1．青島遠洋船員學院，山東青島266071;2．大連遠洋通大電子有限公司，遼寧大連 116001）

0 引言

2006年12月，國際電聯第八研究組提出在海上移動業務中盡快引入高頻數字通信和電子郵件業務，其建議案《R03-SG08-C-0161》［2］也已經被國際電聯接受。國際電聯在有關決議中要求各國有關航運機構考慮和使用新的數字通信技術［3-5］，并進行相應的技術標準、操作程序、規則性條款以及過渡期等有關方面的問題進行研究，以期待迎來水上無線電通信全新的數據通信［6］時代。

海上高頻電子郵件技術主要使用短波傳輸協議和T總線協議。短波傳輸協議采用的是PACTOR-Ⅲ協議，該協議是由德國Hans-Peter Helfert和Thomas Rink提出的。與PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ協議類似，PACTOR-Ⅲ協議也是同步半雙工自動請求重復（ARQ）系統。PACTOR-Ⅲ協議中初始鏈路的建立采用的是移頻鍵控（FSK），與以前PACTOR-Ⅰ相兼容。當2個電臺都能支持PACTOR-Ⅲ協議時，系統將自動切換到高一層的協議進行通信。

本文將對海上高頻電子郵件系統采用的帶寬和傳輸速率、調制、編碼和碼率、振幅因數與發射機輸出功率、數據包的結構、控制信號、信號特征、T總線協議等技術問題予以分析介紹。

1 帶寬和傳輸速率

PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ協議數據傳輸的帶寬都為500 Hz，但在PACTOR-Ⅲ中做了特別設計，所需帶寬為6 kHz，即1個雙工電話信道。因此，可以充分利用單邊帶（SSB）電話信道。SSB信道帶寬是3 kHz，2個單邊帶信道可作為1個數字通信。將高頻數字通信帶寬設計為6 kHz，能提高其吞吐量和適應性，也便于今后拓寬其使用領域。

在傳播條件允許時，基于PACTOR-Ⅲ進行短波數據通信，最多可以容納18路話音，每路間隔120 Hz。在物理層，最高的數據傳輸速率是3 600 bps。而沒有數據壓縮的情況下，網絡傳輸速率是2 722．1 bps。如果在不同的壓縮率下，最大有效吞吐量取決于傳送的信息量，不過通常都能超過5 000 bps。在線壓縮數據的最大傳送速率大約為5 200 bps，這比PACTOR-Ⅱ協議快4倍以上。同樣在低信噪比條件下，PACTOR-Ⅲ的適應性比PACTOR-Ⅱ也更強。

根據不同的傳播條件，PACTOR-Ⅲ協議使用6種傳輸速度（SL），可以把6種傳輸速度看作為用獨特的調制和信道編碼技術的獨立底層協議。在所有傳輸速率中碼符的傳輸速率都是100波特。使用音頻數可達18個，間隔120 Hz。最大帶寬為2．2 kHz，音頻范圍從400～2 600 Hz。中心頻率是1 500 Hz，最低音頻為480 Hz，最高音頻為2 520 Hz。當音頻在2個最低速率間跳變時，頻率差將是120 Hz的N倍，表1所示為不同的傳輸速度下信道與音頻的關系。

與PACTOR-Ⅱ協議類似，在每個ARQ周期中攜帶數據流的載波都被轉換成不同的音頻，以變化音頻的方式增強多音頻的增益。通常狀態下，實際數據流載波數與音頻數一致，交換方式指定載波信號0與音頻17對應，1與16，2與9，3與10，4與11，5與12，6與13，7與14，8與15分別一一對應。當它們傳送變量數據包報頭和控制信號時，可以認為音頻5和12與2個PACTOR-Ⅱ協議載波信號相等，詳情見表1所示。

表1 不同的傳輸速率（SL）所用信道的號與位置Tab．1Number and position of the used channels at the different speed levels（SL）

表中:CN為信道號;TF為音頻頻率，Hz;SL為傳輸速度;×表示在傳輸速度下使用的音頻頻率。

2 調制、編碼和碼率

調制器既可使用差分二相相移鍵控（DBPSK），也可使用差分正交相移鍵控（DQPSK）。在數據包的全幀位交叉之后，最好采用碼率為1/2的卷積碼，約束長度（CL）為7或9。與PACTOR-Ⅱ協議類似，更高碼率的編碼，即3/4和8/9的碼率，是從一個稱做壓縮碼獲得的。在傳送前，1/2碼率的比特流某些比特被壓縮，也就是說它們被刪除了，而沒有被傳送。在接收方，用1/2解碼器解碼前，被壓縮的比特用空位來代替。解碼器把這些空位即不當作1也不當作0，而是當作一個中間值來處理。這樣，這些位對解碼過程不會產生影響。假如認真選擇了壓縮模式，用一個可比的約束長度，就可使壓縮碼增益與一個最好的已知精確碼率為3/4和8/9的編碼增益一樣。這種方法的主要好處是單一碼率解碼器（這里使用的是碼率為1/2的解碼器）可以用于很多種編碼。因此，壓縮碼在許多現代通信系統中使用。

表2顯示了調制方式、約束長度（CL）和碼率（CR）、物理數據傳輸速率（PDR）（也就是說在物理層傳輸的毛比特傳輸速率）、網絡數據傳輸速率（NDR）（即未經壓縮的用戶數據傳輸率），及不同傳輸速率（SL）下的振幅因數（CF）的關系。

表2 不同傳輸速率（SL）情況下參數表Tab．2Parameters of the different speed levels（SL）

注意:以每秒比特數為計算單位的吞吐量取決于ARQ協議的執行，不能從物理數據速率和誤碼率推斷出來。

圖1中顯示了傳輸速率與每比特的標準能量（Eb/No）有關。由于不同的音頻數（2～18）和不同的調制方式（DBPSK/DQPSK），該圖沒有顯示關于信道的信噪比（SNR）的性能。圖2表示了信道帶寬為3 kHz時，不同傳輸速率下的信噪比與誤碼率間的關系。不同的傳輸速率覆蓋較寬的信噪比范圍。對于傳輸速率6（SL6）的最大吞吐量，要求信道的信噪比（SNR）要達到14 dB。

3 振幅因數與發射機輸出功率

PACTOR-Ⅲ信號的一個重要特性是它的低振幅因數（CF），尤其是在低速率級別時。大多數高頻放大器都有峰值功率限制，并且使用峰值功率自動控制（ALC）。PACTOR-Ⅲ比多載波模式提供了更大的發射機功率。例如，在使用同樣的功率放大器時，正交頻分多路復用（OFDM）模式將會增加接收機的信噪比。在傳輸速率達到級別4（SL4）時，PACTOR-Ⅲ下振幅因數相當于單載波傳輸模式下的振幅因數。而當傳輸速率級別達到5（SL5）或者6（SL6）時，振幅因數（CF）比典型的OFDM模式低3 dB左右，因此可使均方根功率翻倍。就數字無線電設備而言，如果電碼較弱，即誤碼率大于2/3，單載波模式比OFDM模式要好得多。非常頻繁地切換頻道時，無碼傳輸時采用OFDM模式將會使傳輸變得很差。當電碼很強即誤碼率≤1/2時，OFDM模式比單載波模式要稍好一些。

以上結果基于以下2個假設:

1）2 種模式下發射的均方根功率是一樣的，也就是說OFDM模式的峰值功率要比單載波傳輸模式下高幾個dB;

2）單載波傳輸模式須使用1個合適的DFE均衡器（不能使用MLSE均衡器，因為其脈沖響應太長）。如果峰值功率保持不變，那么單載波傳輸模式在所有合理的碼速下運行得會更好，但是需要1個最佳的DFE均衡器。PACTOR-Ⅲ提供了1個解決方案，不僅可以使振幅因數最小化，而且避免使用均衡器。均方根輸出功率隨著傳輸速率和振幅因數（CF）的變化而變化，接收機的信噪比也會相應改變，如圖2所示。

4 周期

在標準模式下，ARQ周期為1．25 s（短周期）和3．75 s（數據模式），這是獲得與先前的PACTOR標準容易兼容要求之一。由于信號傳播和設備轉換延遲，PACTOR-Ⅲ能建立最遠達20 000 km的ARQ鏈路。為進一步擴展最大傳輸距離，需采用長路徑模式（Long Path Mode），在此模式下，ARQ鏈路能達到40 km。此模式下ARQ短周期為1．4 s，數據模式為4．2 s。呼叫臺將FSK（移頻鍵控）鏈接幀中呼號的第1個字節取反，在長路徑模式下建立通信鏈路。

5 數據包的結構和控制信號

除了數據塊的長度有所不同外，PACTOR-Ⅲ數據包結構和先前的PACTOR很相似。數據包由1個包頭、1個可變數據塊、1個狀態字節和1個冗余校驗字節組成。數據包頭有可變數據包頭和固定數據包頭2種，其中有16個可變數據包頭，每個由8個符號組成，用音頻5和音頻12交替傳送。每個數據包頭有4位信息編碼，第1位為請求狀態，0表示重復發送的數據包;第2、3位表示1～4級傳輸速率;5級和6級傳輸速率是由另外可解析固定數據包頭來定義;第4比特位定義當前的周期類型，0代表短周期，1代表數據模式周期。表3列出了可變數據包頭的定義（16進制）。

表3 可變數據包頭定義（啟動音頻5和音頻12）Tab．3Definitions of the variable packet headers （initiating tones 5 and 12）

其余的音頻，如音頻1-4，6-11和13-18由固定數據包頭引導，表示各自的音頻，而不傳送其他附加信息。它們分別支持頻率跟蹤、ARQ存儲、收聽模式、傳輸速率5和6的監測，見表4。

表4 固定數據包頭定義（啟動音頻為1-4，6-11，13-18）Tab．4Definitions of the constant packet headers （initiating tones 1-4，6-11，13-18）

數據包頭后面是數據塊區，用于傳送用戶信息。在6種不同的傳輸速率下，短周期中傳送5，23，59，122，212和284有效信息字節;而在長周期中傳送36，116，276，556，956和1276有效信息字節。在某一周期內，如果全部音頻載波上傳送的全部數據的解交織和譯碼后，就獲得了實際的信息包，它是由用戶數據、1個狀態字節和2個冗余循環校驗字節組成。狀態字節的第0和1位定義了數據包是否為重復發送;第2，3和4位定義壓縮數據的類型;第5位表示當發射緩沖器字符數超過一定值時提出轉換到數據模式;第6位表示完全轉變請求;第7位開啟鏈路終端協議;數據包的最后部分是按照CCITT-CRC16標準計算的16位冗余循環校驗碼，如圖3所示。

與PACTOR-Ⅱ一樣，PACTOR-Ⅲ使用同樣的1組6種20位控制信號（CS）。它們同時在音頻載波5和音頻載波12發送，相互間具有盡可能大的漢明碼距。

為了對控制信號（CS）的檢測允許使用交叉相關法，因其具有高相關增益，用軟判決法引導正確的檢測，甚至連微弱的控制信號（CS）也能檢測到。控制信號1（CS1）和控制信號2（CS2）用于確認/請求重發數據;控制信號3（CS3）執行強行拆線;控制信號4 （CS4）和控制信號5（CS5）用于處理傳輸速率改變: CS4代表速率增加一級;CS5起到NAK（沒有收妥）作用請求重復先前的數據包，同時降低一級速率;控制信號6（CS6）用于數據包長度和模式切換，即當在短周期時，根據當前數據的長度請求切換到長周期模式，反之易然。所有的控制信號（CS）都是在DBPSK方式下發送，以獲得最強的信號。

6 信號特征和實際考慮

用FSK PACTOR標準來建立初始鏈接，2個電臺之間有±80 Hz的頻率偏差，這與PACTOR-Ⅱ模式類似。當轉換到DPSK模式時，由于在精度和穩定性上提出了更高的要求，所以其調制解調器要提供1個有效的追蹤算法來補償頻偏，并與信號精確匹配。

PACTOR-Ⅲ信號提供了很高的頻譜沿，以避免鄰近的信道溢出。因此，低品質的音頻濾波器可能會造成收發雙方在高速率級上側音頻失真。為了部分地補償這個問題，其調制解調器使用補償命令分2步分別增強信號邊緣振幅，此功能在PACTOR-Ⅲ發射均衡器中定義。0表示關閉功能，1表示中等調節，2表示增強信號側音頻。

此外，由于不同的音頻載波設置與用于初始鏈路設置的FSK模式有關，隨著自動切換到PACTOR-Ⅲ模式，可能產生信號中心頻率轉換。所以，音頻設置應注意和網絡中的其他臺相適應，以確保連接的2臺不發生偏差，并且PACTOR-Ⅲ信號應對稱地處在濾波器的帶寬中。通常，PACTOR-Ⅲ鏈路收發雙方設置相同的音頻。建議將音頻設置在4上，即將FSK音頻設置為1 400 Hz和1 600 Hz，在PACTOR-Ⅲ中心頻率1 500 Hz上下平衡，以避免PACTOR-Ⅲ用戶之間的不兼容，如圖4所示。

海上高頻電子郵件技術可以代替目前的窄帶直接印字電報（NBDP）進行常規通信，未來或許用其進行遇險與安全通信。這項通信技術一旦在海上中/高頻段廣泛采用，將迎來海上通信的又一次大變革。

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