短波通信系統(tǒng)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)研究

趙偉航

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

短波通信是波長(zhǎng)在10～100 m，頻率范圍在3～30 MHz的一種無(wú)線通信技術(shù)，具有成本低廉、通信距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活以及抗毀性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在無(wú)線通信中受到普遍重視，被廣泛應(yīng)用于軍事通信、航空通信、應(yīng)急通信、海事搜救等領(lǐng)域。近些年，科技的進(jìn)步催生了很多新的技術(shù)，極大豐富了短波通信領(lǐng)域。其中一些技術(shù)雖然在短波通信中嶄露頭角，但以其廣闊的發(fā)展前景，為短波通信指明了方向，下面選取幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)方向進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 自主選頻技術(shù)

短波通信的信道是復(fù)雜的時(shí)變信道，很容易受到電離層變化的影響，導(dǎo)致通信的穩(wěn)定性和可靠性下降。另外，隨著無(wú)線電通信的廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致短波通信的可用信道變少。短波電臺(tái)的操作人員很難憑借以往的選頻經(jīng)驗(yàn)選中相對(duì)較優(yōu)的信道進(jìn)行通信，從而嚴(yán)重影響了短波電臺(tái)的通信成功率。

在這種情況下，自主選頻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要用于解決用戶用頻難和選頻難的問(wèn)題。得益于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展和器件性能的提高，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等器件的性能越來(lái)越強(qiáng)大，使得短波電臺(tái)的自主選頻技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。自主選頻技術(shù)包含3個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)：一是寬帶信號(hào)分析與處理技術(shù)；二是實(shí)時(shí)頻譜感知技術(shù)；三是頻率優(yōu)選技術(shù)[1,2]。這3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)通常在高性能的FPGA器件上實(shí)現(xiàn)，下面將描述以搭載自主選頻技術(shù)短波電臺(tái)的工作原理。

自主選頻短波電臺(tái)開(kāi)機(jī)后，進(jìn)入寬帶接收守候狀態(tài)。此時(shí)，用戶可以呼叫特定地址的電臺(tái)，而無(wú)需指定具體的通信頻率。電臺(tái)根據(jù)以往使用的經(jīng)驗(yàn)頻率發(fā)起呼叫，或者通過(guò)實(shí)時(shí)頻譜感知技術(shù)探測(cè)空閑信道，并在空閑信道上發(fā)起呼叫。由于被呼電臺(tái)采用了寬帶信號(hào)分析和處理技術(shù)，因此可以在全頻段范圍內(nèi)迅速捕獲呼叫信號(hào)。當(dāng)被呼電臺(tái)接收到呼叫信號(hào)，則在該頻率上發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，然后雙方電臺(tái)更換不同的頻率進(jìn)行探測(cè)。在可互通的頻率中，運(yùn)用頻率優(yōu)選技術(shù)選出最佳的通信頻率，建立鏈路進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，隨后電臺(tái)會(huì)定時(shí)發(fā)送握手信號(hào)，維持鏈路狀態(tài)。當(dāng)通信頻率受干擾，或者通信質(zhì)量變差，電臺(tái)會(huì)自動(dòng)切換信道，再次建鏈。通信結(jié)束以后，可以由其中一方發(fā)起拆鏈請(qǐng)求，雙方回到寬帶接收守候狀態(tài)。搭載了自主選頻技術(shù)的短波電臺(tái)變得更智能、更易用、更穩(wěn)定可靠，能夠保證短波電臺(tái)在惡劣的通信環(huán)境中仍然具有非常高的通信質(zhì)量和通信成功率。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)

傳統(tǒng)的短波電臺(tái)通常需要根據(jù)特定的設(shè)計(jì)需求，開(kāi)發(fā)一個(gè)專用的軟硬件。由于不同電臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)差異、協(xié)議差異以及硬件架構(gòu)差異等問(wèn)題，導(dǎo)致短波電臺(tái)種類繁多，操作復(fù)雜，維護(hù)困難，兼容性差，極大地制約了短波電臺(tái)的發(fā)展。

針對(duì)短波電臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀，軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。軟件無(wú)線電的核心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化以及模塊化的通用軟硬件平臺(tái)，軟件通信體系架構(gòu)（Software Communications Architecture，SCA）是由美軍JRTS和JPEO提出的一種軟件無(wú)線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，是未來(lái)美國(guó)各軍兵中無(wú)線通信系統(tǒng)都將遵循的一體化體系結(jié)構(gòu)[3]。其規(guī)定了硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、安全體系結(jié)構(gòu)以及API接口規(guī)范，目的是實(shí)現(xiàn)短波電臺(tái)軟硬件的模塊化和通用化，確保短波通信系統(tǒng)的開(kāi)放性與可擴(kuò)展性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)，提高系統(tǒng)的兼容性與可維護(hù)性。描述符合SCA的硬件與軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 硬件平臺(tái)架構(gòu)

硬件平臺(tái)架構(gòu)由射頻接收模塊、射頻發(fā)射模塊、波形處理模塊、主控制模塊以及上位機(jī)模塊組成。各個(gè)功能模塊一般使用標(biāo)準(zhǔn)緊湊型PCI（Compact Peripheral Component Interconnect，CPCI）總線連接，可以有效降低功能模塊之間的耦合性，提高硬件的通用性。以波形處理模塊為例，當(dāng)需要支持新波形或不同帶寬的波形時(shí)，只需替換波形處理模塊內(nèi)部的基帶處理板即可，無(wú)需改動(dòng)其他模塊，因此更易于適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景[4]。一般情況下，上位機(jī)模塊部署在Windows操作系統(tǒng)上，而主控制模塊部署在特定硬件平臺(tái)的Linux系統(tǒng)下，兩個(gè)系統(tǒng)都運(yùn)行兼容的SCAOE。上位機(jī)模塊和主控制模塊通過(guò)公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）的命名服務(wù)進(jìn)行CORBA通信，實(shí)現(xiàn)不同組件的協(xié)同工作，如硬件抽象層組件通信等[4]。

軟件平臺(tái)架構(gòu)由板級(jí)支持包、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、接口服務(wù)層、操作系統(tǒng)層、CORBA中間件層、核心框架層以及應(yīng)用層組成[5]。其中，應(yīng)用層按照功能劃分成不同的組件，組件間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CORBA軟總線互連，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算。這種標(biāo)準(zhǔn)通用的軟件平臺(tái)架構(gòu)可以有效提高軟件的可移植性、可復(fù)用性以及可重構(gòu)性。

3 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

短波通信設(shè)備中的功放（Power Amplifier，PA）是短波發(fā)射鏈路的核心部件，其性能對(duì)整機(jī)效率和互調(diào)失真等指標(biāo)具有重大影響[6]。為了提高功放的工作效率，通常使發(fā)射機(jī)的功放工作在接近飽和的狀態(tài)。這種做法雖然可以在相同輸入功率的情況下增加系統(tǒng)的輸出功率，但是由于功放越工作在接近飽和點(diǎn)所表現(xiàn)出的非線性特征也就越強(qiáng)，因此其輸出信號(hào)的非線性失真越大。信號(hào)的非線性失真不僅會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真，影響信號(hào)誤碼率，還將產(chǎn)生帶外失真，對(duì)鄰近頻段信道造成干擾。

為了改善功放的非線性特征，常見(jiàn)的方式有功率回退、Doherty功放技術(shù)以及數(shù)字預(yù)失真技術(shù)等。功率回退會(huì)降低功放的工作效率，Doherty功放技術(shù)需要增加較多額外的硬件開(kāi)銷，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)（Digital Pre-Distortion，DPD）可以在不降低功放工作效率的前提下，通過(guò)改變基帶信號(hào)波形的方式，改善功率放大器的非線性[7]。

數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的基本原理是根據(jù)功放的非線性特性，構(gòu)造一個(gè)與其特性相逆的信號(hào)處理單元，使得信號(hào)提前失真，并且失真的信號(hào)經(jīng)過(guò)功放的放大后整體表現(xiàn)為線性。在改善信號(hào)非線性失真的基礎(chǔ)上，使功率放大器工作在更接近飽和的狀態(tài)，從而使得功放在具有更高工作效率的前提下具有更好的線性性能。預(yù)失真原理如圖2所示，根據(jù)功放的失真特性，構(gòu)建一個(gè)與功放特性相逆的預(yù)失真器。預(yù)失真器使輸入信號(hào)變化為失真信號(hào)后輸入功放，使功放輸出信號(hào)與原始輸入信號(hào)構(gòu)成線性關(guān)系。理想情況下，預(yù)失真器和功放構(gòu)成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)呈現(xiàn)出線性特性[8]。

圖2 預(yù)失真原理

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可以采用開(kāi)環(huán)預(yù)失真方案或閉環(huán)預(yù)失真方案。其中，開(kāi)環(huán)預(yù)失真方案適用于使用場(chǎng)景簡(jiǎn)單穩(wěn)定、發(fā)射機(jī)無(wú)信號(hào)反饋回路以及計(jì)算資源有限無(wú)法完成預(yù)失真系數(shù)自適應(yīng)更新等情況。閉環(huán)預(yù)失真方案適用于發(fā)射機(jī)使用場(chǎng)景復(fù)雜多變，需要對(duì)功放進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且發(fā)射機(jī)具有信號(hào)反饋回路，計(jì)算資源充裕的情況。

4 無(wú)盲區(qū)通信技術(shù)

短波通信的傳播方式主要分為地波和天波兩種。一般短波信號(hào)的傳播方式如圖3所示。天線輻射出來(lái)的電磁波在地波和天波的傳輸距離之間存在一個(gè)通信盲區(qū)。短波通信盲區(qū)是由于地波傳播距離太近，而天波第一跳的傳播距離太遠(yuǎn)造成的。根據(jù)不同的通信環(huán)境和天線類型，通信盲區(qū)的范圍也有所差異，有的為20～60 km，有的為30～80 km。它是非常重要的通信區(qū)域，常應(yīng)用于地震救災(zāi)、森林防火以及戰(zhàn)術(shù)通信等，因此解決短波通信盲區(qū)問(wèn)題非常重要。

圖3 一般短波通信傳播示意

解決短波通信盲區(qū)的方法有兩種，一是延長(zhǎng)地波的傳播距離，二是縮短天波第一跳的傳播距離。第一種方法可以通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是遇到山區(qū)和丘陵等地形阻隔的影響，通信效果也不太理想。因此，解決短波通信盲區(qū)的方法主要是采用第二種，縮短天波第一跳的傳播距離。天波第一跳的距離與短波天線的輻射仰角有很大關(guān)聯(lián)，通過(guò)提高輻射仰角即可解決[9]。

近垂直入射天波（Near Vertical Incidence Skywave，NVIS）天線技術(shù)就是一種實(shí)現(xiàn)短波高仰角天波傳播的技術(shù)，可以有效解決短波通信的盲區(qū)問(wèn)題。NVIS天線的輻射主瓣以較高的仰角入射電離層，然后反射回到地面以后，可以在地面的一定區(qū)域內(nèi)形成相對(duì)穩(wěn)定的電磁波輻射場(chǎng)，如圖4所示。較高輻射仰角反射回來(lái)的電磁波距離較近，而較低輻射仰角反射回來(lái)的電磁波距離較遠(yuǎn)。如果要在0～500 km內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)的短波通信，需要具有60°～90°的連續(xù)輻射仰角，而且輻射主瓣要在90°方向上，以保證近距離信號(hào)幅度弱的問(wèn)題[10]。由于NVIS天線技術(shù)利用了高仰角電離層反射的特點(diǎn)，因此能夠不受山區(qū)等地面環(huán)境的影響，形成覆蓋較廣且信號(hào)穩(wěn)定的通信區(qū)域，有效解決山區(qū)通信問(wèn)題，并且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)較大范圍的短波通信組網(wǎng)。

圖4 NVIS短波通信傳播

5 結(jié) 語(yǔ)

從20世紀(jì)開(kāi)始，短波電臺(tái)就廣泛地應(yīng)用在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，是作戰(zhàn)中舉足輕重的裝備，甚至決定了戰(zhàn)爭(zhēng)的成敗。至今，短波電臺(tái)在特定的應(yīng)用場(chǎng)景下依然發(fā)揮著不可或缺的作用。科技的進(jìn)步，讓短波通信技術(shù)有了很大的飛躍，上述幾個(gè)關(guān)鍵的短波通信技術(shù)補(bǔ)全了短波通信的短板，豐富了短波通信的應(yīng)用，使得短波電臺(tái)更加簡(jiǎn)潔易用，穩(wěn)定可靠。未來(lái)，短波通信將繼續(xù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)綻放光彩。