甚低頻信道數據傳輸性能仿真與分析*

賈　琦　李　娜

(中國電子北京圣非凡電子系統技術開發有限公司　北京　102209)

JIA Qi　LI Na

(CEC.Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development CO.,LTD, Beijing　102209)

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甚低頻信道數據傳輸性能仿真與分析*

賈琦李娜

(中國電子北京圣非凡電子系統技術開發有限公司北京102209)

論文針對甚低頻通信信道，從發信機功率合成原理與輻射天線特點入手，分析了甚低頻信道對數字調制方式的要求，通過研究幾種常見調制方式的誤碼率性能、功率譜密度及信號占用帶寬特性，以此分析出適用于甚低頻通信信道的調制方式，最后對MSK調制方式下的甚低頻信道數據傳播能力進行了仿真。仿真結果表明，以MSK調制方式作為甚低頻信道的數字調制方式，可得到較好的傳輸性能。

甚低頻通信; 數據傳輸性能; MSK

JIA QiLI Na

(CEC.Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development CO.,LTD, Beijing102209)

Class NumberTP391

1　引言

對潛通信是海軍特有的通信，也是重要的戰略通信，必須確保有效穩定與可靠。甚低頻通訊具有可靠性高、傳播距離遠、能夠一定程度地穿透海水等優點。目前，甚低頻通信仍然是世界各國應用最為廣泛的、技術最為成熟的對潛通信手段，因此開展甚低頻信道數據傳輸性能研究與分析，對甚低頻通信技術的發展具有一定的指導意義與軍事價值[1]。

1.1甚低頻通信系統組成

VLF通信系統一般由VLF發信終端機、VLF激勵器、VLF發信機、VLF發/收信天線、VLF收信機、VLF收信終端機等組成，為了提高系統輸出效率，采用多功率放大器并機技術。

1) 大功率發信機與功率合成

在甚低頻通信系統中，系統的工作頻率一般在10kHz～45kHz區間內，甚低頻發射機的輸出功率通常可以達到100kW～2000kW，因此目前滿足該功率等級的功率合成常用的固態開關管主要有MOSFET和IGBT兩大類，在功率合成原理上兩種器件基本類似，即以單個功率橋為基本單元，進行功率的疊加[2]。圖1以二階IGBT合成為例說明。

圖1　基于IGBT的功率合成技術

在甚低頻發射機的輸出功率較大時，所需的基本功率橋單元往往較多，為保證發射機穩定可靠高效率的工作，除對發射機的散熱和穩定性需做特殊設計外[3]，還需精確控制每個橋的導通與關斷時間，因此對調制信號的某些特性提出了一定的要求[4]。

2) 甚低頻發射天線及調諧

發射天線是一種將電能變換成傳播型電磁能的電氣裝置[5]。一般甚低頻天線都具有加頂負載的垂直分量，它對地電位等效為一個電容，由于輻射電阻較小，天線Q值就比較高。調諧匹配網絡的作用是將發射機與天線相匹配，使發射機在工作頻率上輸出最佳功率。當饋送至天線的功率不斷增大而最終達到某個點而使電壓達到某個數值后，在此電壓上天線就不能安全工作了。因此經常將天線看做是一個電壓受限制的裝置[6]。

3) 美國緬因州的卡特勒天線

緬因州的卡特勒天線建于1961年初，是目前功率輻射性能最好、效率最高的甚低頻天線[7]，其示意圖如圖2所示。

圖2　美國海軍緬因州卡特勒甚低頻發射天線

基本上天線由兩幅相同的結構組合而成，每副天線都具有兩個相同的平頂負載，構成六邊形天線陣[8]。圖3為該天線的帶寬-頻率特性。從數據可以看出，天線3dB帶寬隨頻率的升高而變大，在30kHz時可以達到約450Hz的帶寬。卡特勒天線的帶寬-頻率特性具備一般天線的性。

圖3　卡特勒天線帶寬-頻率特性圖

1.2甚低頻通信的特點

甚低頻通信也具有其余通信手段不同的特點，根據甚低頻發信機功率合成原理與發射天線的特性，甚低頻通信屬于功率和帶寬同時受限的通信系統，其功率資源和帶寬資源同等重要。可靠性(信號傳輸距離)與有效性(信號傳輸速率)是評價該系統性能的主要技術指標。改善與提高長波通信系統的性能，應結合不同的應用背景，尋找功率效率與帶寬效率、有效性與可靠性之間的最佳平衡點，具有十分重要的現實意義。

2　數字調制方式特性分析

在設計一套數字傳輸系統時，選擇何種數字調制方式是一個必須要考慮的重要問題。但數字調制方式的選擇往往是頻帶利用率、誤比特率、歸一化信噪比Eb/N0和設備實現復雜性等因素綜合考慮的結果，必須根據具體使用條件及應用背景進行綜合比較才能做出判斷。

據有擾連續信道的信道容量可知歸一化信噪比必隨C/W指數增長[9]。另一方面，當C/W→0時，有：

(1)

可得實現無誤傳輸所需要的最低的Eb/N為-1.6dB，稱為香農容量極限[10]。圖4仿真了幾種數字調制方式(未加入預編碼)的Eb/N0-BER性能曲線圖和譜密度。

圖4　調制信號誤碼率曲線圖

圖5　調制信號功率譜密度示意圖

圖6仿真了MSK與PSK調制方式99%能量占用帶寬示意圖。

圖6　不同調制方式99%能量占用帶寬

而實際所需要的頻帶寬度不但與數字調制方式有關，還與帶寬的定義有關。表1列出了幾種調制方式的99%能量帶寬及在誤比特率為10-4的情況下，調制方式所要求的歸一化信噪比，表1中帶寬以比特率進行歸一化，單位為Hz/b/s。

硬件實現復雜程度、實際信道特性、發信系統天線帶寬等都是調制方式選擇中需要考慮的問題，應綜合各方因素，平衡考慮有效性與可靠性性能，選取適用于通信信道及應用背景的調制方式。

表1　幾種常見數字調制方式解調信噪比及信號帶寬

3　調制方式的選擇與傳輸性能仿真分析

3.1甚低頻通信信號調制方式選擇

為保證甚低頻信號在水下傳輸深度，發信頻率不能太高，這樣就造成在較適合的工作頻率上發信帶寬只有100Hz左右。所以甚低頻通信使用的調制方式要能夠在較窄的帶寬內集中最大的能量，才能有效地將能量輻射出去。同時由于發射機功率較大，調諧輸出系統復雜，調制方式還要適應發射機的放大方式、調諧電路形式和電源供電能力。因此甚低頻信道的特點決定了其所采用的調制方式應滿足以下幾點要求：1)對信噪比的要求盡量低；2)功率利用率盡量高；3)頻帶利用率盡量高；4)發送端采用相位連續變化的調制方式；5)信號包絡恒定。

MSK調制方式在甚低頻通信中的性能優勢分析如下：

1)MSK調制方式解調信噪比要求較低

MSK調制與QPSK調制在誤比特率10-4時，Eb/N0均為8.4dB。QPSK調制方式雖然具有頻帶利用率較高的優點，但使用MSK調制方式并進行調制系數優化后，可以達到與QPSK相同的頻帶利用率，即兩者處理增益相等。

2)MSK調制方式信號包絡恒定，功率利用率較高

在達到要求的輸出平均功率時，發射機輸出功率穩定，不會對調諧等設備造成沖擊，功放功率裕量要求低；對供電電源的容量要求確定，無需供電系統保留過大的裕量。QPSK調制方式信號包絡不恒定，信號的峰均比(峰值功率與平均功率之比)較MSK大的多，若要達到與MSK調制方式相同的輸出平均功率，發射機輸出峰值功率要遠大于平均功率。此時需要發射機功放、供電系統有數倍于平均功率的功率裕量以應對瞬時功率大幅增加情況，造成發射機功放、供電系統數量、體積及投資的大幅增加。

3)MSK調制方式能量集中

MSK調制方式99%的能量集中在1.2/Tb的帶寬內，可以充分利用甚低頻天線有限的帶寬輻射出盡可能多的能量。QPSK調制方式99%的能量集中在10.3/Tb的帶寬內，有較多能量已超出甚低頻天線帶寬范圍而無法有效輻射，造成發送的信號會有較大失真。

4)MSK調制方式相位連續

MSK調制方式相位是連續的，信號的波形無突變，不會對調諧、天線等系統造成沖擊，發射機控制簡單，安全性高。QPSK調制方式相位不連續，信號的波形有突變，造成發射機控制困難，容易發生打火等損壞發射機的情況，安全性差。

綜上所述，MSK調制方式能量集中在較窄的帶寬內，信號包絡恒定，峰均比小，對發射機功放、供電、調諧、天線等系統沖擊小、設備裕量要求低，不會出現打火等損害發射機的情況，控制簡單，安全性高，這些都是QPSK調制方式所不具備的。而且通過優化設計，MSK可以達到與QPSK相同的頻帶利用率。因此，MSK調制方式更加適合天線帶寬窄、發射機功率大的甚低頻通信系統，而QPSK調制方式從各方面來說都不適合應用于甚低頻通信系統中。當今世界發達國家海軍使用的甚低頻數字通信調制技術均無使用QPSK調制方式的先例，同時也佐證了論文的觀點。

3.2甚低頻信道數字傳輸性能

1) 甚低頻通信速率性能仿真

根據前面的分析，甚低頻通信系統的速率與實際發信帶寬有關，當發信帶寬限定后，發信速率決定于調制方式、工作頻率等參數。根據甚低頻信道與發信機大功率輸出的特點，選取信號能量集中、信號占用帶寬小、相位連續且恒包絡的MSK信號作為調制方式。圖7仿真了基于卡特勒天線在不同工作頻率下，使用MSK調制方式在信號能量99%帶寬和半功率帶寬所能達到的極限傳輸速率。

從仿真結果可以看出，在甚低頻信道，MSK信號的傳輸速率受制于當前工作頻率的天線帶寬，其隨頻率的升高而變大。

2) 甚低頻信號傳播性能仿真

甚低頻發射機在中距離產生的場強，可以用地波和一次或兩次反射的天波之和來近似。圖8仿真了15kHz與30kHz兩種頻率下，使用相同功率發射甚低頻信號的信號強度傳播曲線。

圖7　甚低頻通信MSK調制方式極限傳輸速率

圖8(a)是工作頻率為15kHz時信號場強隨距離變化的曲線，選取參數：輻射功率100kW,σ=0.003(S/m)。圖8(b)是工作頻率為30kHz時信號場強隨距離變化的曲線，選取參數：輻射功率100kW,σ=0.003(S/m)。

圖8　15kHz和30kHz信號場強隨距離變化的曲線

圖9仿真了在20kHz頻率下，選取參數輻射功率100kW,天線輻射位置處于中國中東部，電天線電氣特性參考美國卡特勒天線，等效電高度取200m，甚低頻信號的傳播性能分布圖，可以看出，在該參數設置下，在1萬公里范圍內，可以獲得較好的信噪比，如接收天線處于水下，大約可保障6000km～8000km公里范圍內的可靠接收。

圖9　甚低頻信傳播性能仿真示意圖

需要說明的是，甚低頻場強傳播大小與發生的時間、路徑的導電率、大氣無線電噪聲場、發射系統和接收系統的緯度、天線效率、信號調制方式、入水深度等因素有關，因此以上仿真計算值僅供參考。

4　結語

通過對甚低頻發信功率合成原理和發信天線特點的淺要分析以及對各種不同數字調制方式的性能對比，MSK調制方式相對于其他常見調制方式而言較適用于發信帶寬受限的甚低頻通信信道。論文最后仿真了在甚低頻通信信道下基于MSK調制方式的數據傳輸速率與頻率的關系、傳播性能，仿真結果表明基于MSK調制方式的甚低頻信道數據傳輸，可以獲得較為理想的傳輸性能。

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[10] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社,2006.

Simulation and Analysis of VLF Channel Digital Transmission Performance*

Starting from the way to create the characteristics of transmitter power and antenna radiation for the VLF communication channel, the requirements of VLF communication channel to digital modulation are analyzed, the modulation which applies to VLF communication channel can be analyzed by studying from BER modulation, power spectral density (PSD) and feature of Bandwidth occupied by signal, the VLF channel transmission ability is simulated in MSK at the end of the paper. The performance shows that preferable VLF channel transmission ability can be realized in MSK modulation.

VLF communication, performance of digital data transmission, MSK

2016年2月11日,

2016年3月26日

賈琦,男,碩士研究生,工程師,研究方向：通信工程。李娜,女,碩士研究生,工程師,研究方向：信息管理與信息系統。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.028