幾種數字信號處理技術在短波水上通信系統中的應用淺析

姚萍萍 肖春暉

摘 要：短波通信因失真少、傳輸距離遠、抗毀性強等因素一直是海上通信的主流方式，模擬傳輸手段則因實現性強、成本低長期以來作為海上通信的主要傳輸方式。隨著技術的進步和經濟的發展，數字技術應用成為水上通信系統未來一段時間的主流和趨勢，本文旨在通過對短波電臺調制方法和語音編碼方式選擇的研究，探索將數字化技術引入短波水上通信系統的可能性和實現方法。

關鍵詞：海上通信 短波 數字電臺 OFDM Opus 技術應用

短波通信因具有繞射能力強、傳輸距離遠、抗毀性強等特點被廣泛的應用到海事、氣象和軍事領域，其系統也是全球海上遇險與安全系統（GMDSS）的重要組成部分。基于數字通信技術的日趨成熟，如何將數字技術應用到短波通信中，整合兩種通信方式的優點，成為新的研究方向。本文主要研究信號的調制和信源—語音信號的編碼兩個環節的數字化技術應用。

1.短波通信數字調制應用

短波通信雖然具有傳輸距離遠、覆蓋范圍大、設備價格經濟等優點，但其依賴大氣層傳播的特點也使其易容易被干擾、衰減和失真。DRM（世界數字廣播組織）為了揚長避短、更好地使用短波通信，針對30MHz以下的長中短波調幅廣播建立了世界通用的數字AM廣播標準，推廣了數字廣播技術DRM系統。

1.1DRM技術的優越性

DRM系統使用30MHz以下頻段的特點，使其對中高頻頻譜資源的利用比較充分，繞射能力及穿透能力更強，有利于增大覆蓋范圍；在覆蓋范圍基本相同的情況下，DRM系統需要使用的數字調幅發射機的功率遠低于傳統模擬調幅發射機，這一點有利于提高發射機的經濟效益和能效；在短波9kHz帶寬的前提下，可以充分利用現有的語音編碼技術，增強抗擾能力，消除短波衰落，從而提高傳輸可靠性，避免高斯噪聲影響。

DRM+（最新的DRM技術代）采用多載波OFDM傳輸方式（正交頻分復用），使用4QAM和16QAM兩種子載波調制方式，在主業務信道上提供高達37～186kb/s的凈數據率。

1.2OFDM調制原理

OFDM調制的原理是將高速的數據流分解為多路并行的低速數據流，并將這些數據流在在多個載波上同時進行傳輸。基于這個原理，OFDM調制相較于單信道傳輸保真性更強，并且具有基于符號周期展寬的特點。采用OFDM調制方式產生的低速并行的子載波，其多徑效應造成的時延擴展就能夠相對縮小。這樣就能降低碼間干擾發生的幾率直至可以忽略不計。

OFDM調制的通帶信號一般可表示為：

在實際應用中，一般會解調N路子載波，并根據波形疊加得到信號，從而減少失真。例如N=4時，信號表達中d=（1，1，1，1），四個載波解調后的獨立波形和疊加后的信號波形分別如圖1。

從波形圖可以看出，雖然4個子載波的幅度范圍恒為[-1，1]，但由于多信道疊加，一旦出現多信號相位一致的情況，就會產生疊加信號瞬時功率數倍于單信號平均功率的情況，這種現象被稱為OFDM調制的高峰均比，目前針對這一弊端，研究者進行了限幅類，編碼類以及概率類等技術探索。1.3OFDM調制在短波電臺的應用

目前水上通信短波電臺發射系統主要具備三大功能模塊：信源編碼、信道編碼和OFDM調制。最終，發送端將OFDM調制后的數字信號通過數模轉換成模擬基帶信號，并直接通過SSB單邊帶調制發射。信號處理流程如圖2所示。

OFDM的調制是將需要被發送的數據分別與多路子載波相乘合，形成基帶復信號s（t）。而OFDM解調的過程就是由復信號s（t）求解傅立葉系數的過程。

2.語音傳輸編碼

在數字化中短波發射系統中，信源編碼是數字化技術應用的關鍵環節。本文主要討論海上通信中最為常見的語音編碼。

短波數字傳輸，由于其頻段特性，傳輸帶寬非常有限。為了充分地利用極其有限的網絡帶寬資源，一般在數字化處理中采用語音壓縮編碼。語音編碼的特征屬性有比特率、語音質量、時延和復雜度。但在實現過程中，這些屬性往往此消彼長，因此在實際應用中，一般遵循需要對對各項屬性的實現進行折衷，并選擇合適的編碼方式。

四個屬性中，通常情況下工程師們會優先選擇降低比特率，從而達到充分利用網絡資源的目標。一般來說，編碼的比特率越低，其處理時延越長，算法復雜度越高，最后得到的語音質量越差。

2.1Opus編碼

Opus編碼器是一個由IETF（互聯網工程任務組）開發的有損聲音編碼的格式。在技術層面上，Opus編碼器具有巨大的優勢，從水上通信使用的角度來講，主要表現在：支持從窄帶到全頻段的音頻帶寬，采樣率可覆蓋窄帶和全頻（8 kHz-48 kHz）；支持CBR（恒定比特率）和VBR（可變比特率）；良好的PLC（數據包丟失隱藏）。這些特點使其在低碼率下完勝曾經優勢明顯的HE AAC，中碼率可以與AAC格式一較高下，而高碼率下更可以到達接近原始音頻的程度。相較于擁有眾多不同編碼器的AAC格式和HE AAC格式， Opus 格式還有一個突出優點即其開放性，這一點使其在使用時沒有任何技術限制（包括專利限制）。

基于開源的特點，研發者既可以直接使用編譯好的so庫（官網地址：http：//www.opus-codec.org/），也可以使用源碼自己根據需求生成so庫然后導入使用，甚至能直接使用源代碼。

編碼作業需要使用NDK編程，具體實現則需要在工程界面中創建OpusTool類，用于調用native層的方法。具體程序可根據實際情況由技術開發人員自行編寫。

2.2短波電臺使用Opus編碼的優勢

（1）Opus編碼在6kb/s-510kb/ s的比特率范圍內的音質表現正常，特別是在10kbps以上的范圍內明顯優于其他編碼方式。其在低帶寬的中短波信道中的良好表現，使短波電臺的語音傳輸能夠避斷斷續續的現象。

（2）Opus語音編碼時延非常低，在實時語音通信應用方面效果非常好，這與短波電臺的使用需求非常吻合。

（3）Opus編碼的開源性決定了它是完全免費且開源的算法，任何人研究者和技術人員都可以對其進行調試和改進，產品生產也不需要支付高額的專利費用，在一定程度上能夠降低短波電臺使用的成本。

（4）Speex編碼可以作為6kbps比特率以下的Opus編碼補充，這種補充可使短波電臺在低比特率條件下也能有良好的收聽效果。

3.結語

在通信技術日新月異的今天，水上短波通信對數字化實現技術的探索方興未艾。本文探索的數字調制方式OFDM，以Opus為主要語音編碼技術均能在一定程度上改善短波通信受干擾嚴重、傳播方式依賴性強等弱點，但限于水平和條件，本文的研究非常有限且有非常明顯的不足，希望通過日后的研究，進一步提高短波信道的通信抗干擾能力，更好的利用數字短波技術支持海上通信發展。

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