基于超短波数传设备的关键技术指标探究
2017-02-23李兰芳
李兰芳
(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510663)
基于超短波数传设备的关键技术指标探究
李兰芳
(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510663)
超短波数传设备主要技术指标的研究有利于了解数传设备的特性,从而对于系统设计有借鉴作用。文章主要对超短波数传设备的关键技术指标进行了研究。
超短波通信;数传设备;关键技术指标
超短波通信由于具备适应复杂环境、抗干扰能力强、隐蔽性强、保密性好、可实现时分多址等优点,被广泛用于军事领域。近几年,许多国家基于频谱资源的问题充分研究超短波跳频通信技术。超短波通信由于具有很好的抗干扰性、传播速度较快,在军事无线电通信领域应用比较广泛。本文采用数字信号处理技术,实现在超短波信道中的高可靠性的无线数据通信,以适应当前现代化军事通信对数据传输的要求。
1 数传系统的构成
数据传输系统主要由调制器、发送设备、传输信道、接收设备、解调器等几部分构成。数据传输系统作用是实现数据的有效传输,传输数据通常以二进制的数字序列(比特流)进行调制和解调。数传设备的主要技术指标为最大传输速率、信号噪声、系统灵敏度、噪声系数等。目前数传设备多是基于软件无线电原理进行设计。软件无线电主要构造一个具有标准化、开放性、模块化的通用硬件平台,用软件定义并实现:数据格式、工作频段、加密模式、调制解调类型、通信协议等各种功能。根据无线数据传输特点,软件无线电参照OSI七层协议体系结构模式,根据数据传输中的数据格式和用户进行统一和确定。一般数据传输主要由应用层、数据链路层、物理层3层结构组成,如图1所示[1]。
图1 超短波数传网络结构
应用层通过设备对外接口实现命令交互,完成与外部设备进行交换控制信息和数据信息的任务。数据链路层直接服务于应用层。其作用是组成链路控制层协议数据单元(即控制帧、信息帧和应答帧),用以完成链路层的数据传输,同时对数传过程中的建链、拆链、选择重发过程进行控制,保证数据的完整和正确。物理层主要作用在于传送比特流,并进行跳频控制。
2 数传主要技术指标分析
2.1 信道带宽及容量
根据理论短波通信信道容量计算公式:
在热噪声干扰状态下的无线短波数传设备各接收机输出信号的信噪比为:
由香农公式,可以得出白噪声干扰条件下的短波无线信道容量计算公式:
式(3)中,W表示信道带宽;T表示工作的环境温度;K表示白噪声系数;F表示系统噪声系数。
由此可见,短波通信的信道容量与信道带宽、环境工作温度、系统噪声系数有很大关系。
信道带宽作为数传系统设计过程极为重要的参数,不适一般性,在超短波数传常温290 K(25°C)及可靠灵敏度(Sin=-105 dB)条件下,假设数传系统噪声系数为F=100.7(NF=7 dB),代入公式(3),可以确定信道容量与带宽的计算关系公式:
2.2 接收机信号噪声
数传系统接收机模型主要由射频(RF)放大级、混波(M ixer)级、中频(IF)放大级等3级构成[2]。
短波无线接收机内部噪声决定了灵敏度,噪声越小,灵敏度越高,通信质量越好。描述一个系统(如接收机)内部噪声的大小可以用噪声系数(Noise Factor)F来表示,或者取其对数值,变成噪声指数N Fo。
根据公式(1),可得:
式(4)中,NF表示噪声指数。一般通信中,F的值要大于1,NF值大于0。
为了评估信道的背景噪声,在信道中心频率左右的±50 kHz带宽内,每10 kHz间隔采集一个样点,共10个噪声电平进行统计平均,其中,为了剔除部分样点存在干扰信号导致背景噪声计算误差,对10个噪声电平分别与初步统计电平比较,超过6 dB的点将被剔除。最后将剔除后的噪声样点进行统计平均作为该频率的背景噪声值[4]。
为了兼顾背景噪声更新与设备扫描速度,10个噪声样点在每次扫描信道时只同步更新1个,即扫描10次信道时背景噪声会全部更新一遍,这对于背景噪声的缓变特性而言是合适的。
2.3 匹配滤波器检测
匹配滤波器指的是使得输出达到最大信噪比的线性滤波器。若使用匹配滤波器在输出端获得最大的信噪比,就能很容易地判别信号是否存在,获得最佳检测效果,大大提高认知无线电系统对主用户的检测性能。
匹配滤波器示意如图2所示,其中输入信号由有用信号s(t)和加性高斯白噪声n(t)两部分相加而成。n(t)的噪声功率谱密度为N。同时假设有用信号s(t)和高斯白噪声n(t)相互统计独立[3]。
图2 线性匹配滤波器示意
设匹配滤波器的输出为s0(t)+n0(t),其中s0(t)是相对于有用信号s(t)的输出,n0(t)是相对于高斯白噪声n(t)的输出。以下采用最大输出信噪比准则来推导匹配滤波器的传递函数H(jω)。
对输入有用信号s(t)和输出有用信号s0(t)进行傅里叶变换分别得到s(ω)和s0(ω),且s0(ω)=s(ω)·H(jω)。因此得:
因此,输出有用信号s0(t)的瞬时功率为:
由于匹配滤波器的输出噪声n0(t)的功率谱密度因此可以得到输出噪声的平均功率为:
由此可以得出匹配滤波器在t0时刻的输出信噪比:
2.4 灵敏度
无线数传系统的灵敏度受电台发射端的环境工作温度、信号质量、收发频偏、接收机噪声系数、解调算法等影响。影响因素比较多。在热噪声影响下可计算的有:
式(8)中:NF表示噪声系数;Eb/N0表示比特归一化信噪比(传输能量Eb与系统噪声功率谱密度N0比值);K表示波尔兹曼常数,取值为:1.381×10-23W/Hz/k;T表示环境温度,一般取常温290 K(25°C);B表示短波数传系统波特率,即每秒传送的符号数;M表示调制器的调制阶数,系统调制符号集的个数是2 M。
短波通信接收机系统中,接收机的灵敏度能够在系统满足误码率指标要求下,接收机需要接收到的最小的功率。因此,在应用中,噪声系数NF恒定,Eb/N0能够满足系统误码率指标要求,数传设备的灵敏度决定于系统的环境工作温度、调制方式、带宽(与波特率相对应)。
2.5 信道损耗
信号传输过程总会产生一定的损耗,这是不可避免的。在远距离短波信道传输的过程中,由于自由空间的障碍物吸收,以及电离层吸收形成的损耗称为信道基本损耗。在信道链路特新分析过程,需要对信道基本损耗进行计算和预估,另外还需要对系统额外损耗进行计算和分析[4]。
假设在试验状态为白天,远距离测试设定为1 200 km距离,通过电离层(主要为F层)反射电磁波,地面短波和机载短波系统产生的自由空间损耗为:
式(9)中,Lp0为自由空间损耗;f为信道频率,取值为14.5 MHz;r表示电离层吸收频率,F电离层空间高度取值为330 km。
3 结语
超短波通信由于具有很好的抗干扰性,传播速度较快,在民用、军事等无线电通信领域应用比较广泛。本文重点分析短波通信数传设备的关键技术指标,通过分析,有助于提高通信质量,减少干扰;而随着数字技术成熟,超短波数据链技术的研究及应用得到重视,超短波数传设备主要技术指标的研究有利于了解数传设备的特性,对于系统设计有借鉴作用。
[1]张建斌.某超短波电台数传测试设备研制和实现[J].信息技术,2016(1):284-285.
[2]余金权.超短波数传设备的关键技术指标分析[J].电讯技术,2006(5):141-144.
[3]余江涛.新型超短波跳频通信设各数字化平台及数传软件设计[J].信息通信,2013(7):46-48.
[4]黄昌龙,赵利,蔡昆宏.基于FPGA的变速跳频通信处理器的设计与实现[J].计算机上程与设计,2012(12):146-148.
Study on the key technical index of data transmission equipment based on VHF
Li Lanfang
(Guangzhou Haige Communications Group Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)
Study on the main technical indexes of VHF digital equipment is helpful to understand the characteristics of data transmission equipment, which has reference for system design. This paper mainly studies the key technical index of VHF data transmission equipment.
VHF communication; data transmission equipment; key technical index
李兰芳(1973— ),女,海南万宁,助理工程师;研究方向:无线电通信。