短波宽带数字化通信技术发展分析*

吴少欢，邹晶晶，文 军

（1.中国人民解放军91919部队，湖北 黄冈438000；2.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

短波通信是指波长为100～10 m（频率3～30 MHz）的电磁波进行的无线电通信。信号传播方式可分为天波和地波。天波借助电离层的反射，可实现中远距离的通信。但是，因电离层易受环境影响，天波通信传输信道具有变参特性，处于不断变化中，通信质量不稳定。地波传输受环境影响较小，信道参数恒定，传播损耗随通信频率的升高而增大，适用于近距离通信。与其他通信方式（如卫星、微波、光纤通信）相比，短波通信存在通信带宽窄、数据传输速率低、可靠性差等特点。然而，短波通信无需中继设施，架设灵活，尤其是电离层抗毁能力强，使得短波通信在军事通信中处于重要的战略地位。

MI L-ST D-188-110C[1]标准定义了一系列短波波形。与MIL-STD-188-110B[2]标准相比，这些波形增加了宽带，提高了数据传输速率和抗干扰能力。宽带接收机可实现短波全频段信号接收，结合数字处理技术，可实现多通道同时接收处理，且可感知短波频谱，优选通信频率。在宽带数字化及高性能波形的基础上，短波通信的可靠性得到了大幅提升，同时具备高速率传输性能。

1 宽带接收机特点

根据短波通信系统的不同需求，在工程设计中会采取不同的接收机方案。接收机原理，如图1所示。

图1 接收机原理

根据接收机射频处理单元选择的电路结构和处理方式，可将接收机分为超外差式接收机、零中频接收机、镜像抑制接收机和数字中频接收机四种接收机结构[3]。四种接收机的性能比较如表1所示。

从表1可以看出，实现宽带接收机可通过以下途径达到。一是采用多路并行的方式，对接收机进行信道化处理；二是改进数字中频接收机的结构，采用射频直变、宽带中频的方式进行宽带数字化处理。

表1 四种接收机的性能比较

根据系统要求，可在两种途径中选择合适的宽带接收方案。

多路并行信道化处理可基于四种接收结构中的任意一种，优点是可保持每路信道的接收性能，信道间相互影响较小，缺点是电路复杂、成本高、功耗大，其成本与功耗、体积是单信道接收机的线性倍数。这种方式适用于系统对体积、功耗、成本限制较小的情况，如固定式台站。

与多路并行信道化处理不同，宽带数字化接收机只需一路射频处理电路，通过高性能数模转换器（ADC）对射频信号进行宽带采样，而将信道化的工作放在数字域实现，因而具有电路简单、功耗低、成本低等优点，适用于小型化、便携式设备。宽带接收机需要解决的主要问题是信道间相互干扰、放大器非线性对宽带信号的影响、接收机的动态范围等。这些问题的解决途径依赖射频前端高性能的低噪声放大器（LNA）及ADC。由于信道化的工作通过数字处理实现，对处理器要求较高。近年来，高速发展的芯片制造商不断提高自身芯片制造工艺，同时将处理器与逻辑芯片集成为片上系统（SOC），提高了芯片运算能力，降低了芯片体积、功耗，最大限度地适应了小型化系统的需求。例如，Altera公司的Arria 10系列，SOC采用台积电公司（TSMC）的20 nm制造工艺技术，集成双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器和可编程逻辑（FPGA），性能比上一代FPGA高出60%，同时功耗降低40%。Xilinx公司推出异构多处理片上系统Zynq UltraScale+MPSoC，采用TSMC新一代16 nmFinFET制造工艺，包含至少2个可扩展的32位或64位处理器ARM Cortex-A53、2个实时处理单元ARM Cortex-R5，部分产品集成用于实时处理图形和视频的专用硬化引擎，具备高速外设。全系产品集成FPGA，可用于汽车驾驶员辅助与安全、无线和有线通信、数据中心以及连接与控制等多种应用领域。

2 宽带信号数字化

2.1 窄带提取实现多通道接收

随着ADC器件性能的提高，采样速率可达到100 MHz以上，且动态范围较高，可达到100 dBFS以上。高性能ADC的出现，使得短波接收机对短波射频信号直接采样变得现实。文献[4]采用高速AD9244实现短波射频信号的直接采样，基于DSP+FPGA构架实现数字平台处理。在ADC宽带采样的基础上，可设计相应数字域滤波器，实现多通道信号的窄带提取。在处理平台运算能力允许的情况下，还可实现多通道并行接收处理。多通道接收的模型如图2所示[5]。

图2 多通道接收机原理

ADC采样后的宽带采样信号S(n)经正交混频和滤波抽取后得到正交基带信号I和Q，送到瞬时特征提取单元进行瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率的计算，最后把三个瞬时特征连同两个正交基带信号一起送到后续的分析解调模块完成信号的识别、解调功能。

2.2 频谱感知实现信道优选

ADC采样后的宽带采样信号S(n)可同时送入数字处理平台，对全频段进行频谱分析，得到宽频带范围内的频谱信息，即对全频段频谱感知。频谱感知技术使短波通信设备具有发现频谱空洞并合理运用频谱空洞的能力。将频谱感知技术引入短波通信系统，可实时找到可用的频谱空洞，实现高效灵活的频谱资源配置和工作状态调整。因此，频谱感知被认为是实现信道优化选择的最佳方案。频谱感知的总体要求是实时性和准确性。实时性要求处理平台具备高效处理能力，在尽可能短的时间内得到频谱信息。准确性要求系统射频前端具备低噪声和大动态范围，ADC能准确得到宽射频信号的宽带信息，在数据处理中优化频谱感知算法，确保输出的频谱是真实输入信号的频谱。频谱感知的方法大体上有匹配滤波、波形感知、能量检测和循环谱特征检测。匹配滤波和波形感知需要依赖先验信息，即需要确知干扰信号调制类型、波形特征，普适性较差。由于短波通信系统干扰信号多，调制方式多样，对短波终端设备的复杂度要求太高，故这两种方法不适用于工程设计。能量检测和循环谱特征检测都不需要依赖干扰信号的先验信息，仅通过计算接收信号功率或傅里叶变换得到接收信号的频谱信息，即可应用到任何频段感知中，普适性较好。在短波通信系统中，兼顾频谱感知的实时性和准确性，常用能量检测和循环谱特征相结合的方法实现频谱感知[6]。

2.3 软件无线电

在宽带数字化的基础上，结合高性能处理平台，可实现短波通信的软件无线电（Software Defined Radio，SDR）构架，如图3所示。

图3 多通道接收机原理

SDR构架下，接收流程如下。来自天馈系统的接收信号经宽带接收机前端电路处理后，直接送入高速ADC完成信号采样。数字处理平台完成信号的窄带提取后进行解调，输出业务相关数据。

发射流程。输入业务数据经数字处理平台调制后，送入DAC进行数模转换。DAC输出的小信号经滤波处理、功率放大后，通过天馈系统发射。与传统无线传输设备不同，SDR构架弱化了射频相关的处理电路，提高了ADC、数字处理平台的性能要求，业务流程与底层电路无关，形成了开放式、通用的硬件平台。

SDR是在开放式、通用的硬件平台上，通过加载相应的软件来完成不同的通信功能。系统的升级或变更仅仅只与软件相关，而硬件平台不变，提供了快速适应新出现的标准管理方式[7]。美军联合战术无线电系统计划，在SDR的基础上定义了软件通信体系结构（Software CommunicationsArchitecture，SCA）规范，旨在最大化软件的可移植性和可配置性，提高按照SCA规范开发的产品间的互操作性，使系统升级方便简单，降低系统开发部署成本[8]。目前，美军软件无线电通信装备都采用了基于SCA的软件平台。SCA软件平台分为核心框架、中间件、硬件抽象层及操作系统等部分。波形软件通过组件化的、符合SCA封装规范的控制管理接口动态连接到SCA软件平台。平台管理通过相应接口实现波形的部署、卸载、管理配置等操作。核心框架、嵌入式中间件、硬件抽象层和嵌入式实时操作系统共同构成了操作环境（OE），屏蔽了波形软件与底层硬件平台的相关性，保证了波形软件的可移植性。

3 短波通信发展趋势

3.1 硬件处理发展趋势

短波通信在硬件处理上的发展趋势表现在两个方面：射频电路及数字处理。

射频接收处理电路由传统窄带处理向宽带处理方向发展。传统短波终端设备普遍采用超外差式的接收机结构，为窄带接收机，只能支持单一信道的接收工作，电路结构相对复杂。射频接收前端分段或全频段对3～30 MHz进行宽带滤波，对信号适度放大处理，并对强干扰信号作出必要的抑制，宽带处理后的信号送入ADC进行采样。在高速ADC的基础上，接收机弱化了信道选频功能，将信道选频工作放在数字处理部分，提高了对数字处理平台的性能要求。

数字处理平台已由传统的“处理器+DSP”向“处理器+FPGA”处理构架发展。现在，部分FPGA已集成DSP模块，大大提高了FPGA的数据处理能力。“处理器+FPGA”的组合芯片构架已逐渐向片上系统（SOC发展），如Altera公司的Arria 10系列SOC、Xilinx公司的Zynq 7000、Zynq UltraScale+MPSOC系列 SOC。在Zynq UltraScale+RFSOC中，已将高速ADC融合到SOC芯片中。基于此SOC平台，射频前端电路只需简单宽带处理即可进入SOC，进一步简化了接收机的电路结构。

3.2 通信体制发展趋势

在宽带数字化的基础上，短波通信体制呈现出以下发展趋势。

3.2.1 宽带波形

MIL-STD-188-110C中定义了多种宽带下的波形，定义了以最大24 kHz带宽（8种带宽）、最高数据速率120 kbit/s（共计33种速率）的13种宽带调制波形。该标准对交织技术进行了优化，取消了VeryShort和VeryLong两种交织类型，使交织深度的最短平均值为0.12 s、最长平均值为7.68 s。编码方面，采用基于约束长度为7或9的卷积码，利用去冗余和重复译码技术得到了最低1/16、最高9/10的编码率。基于短波信道特性，用户可以依据不同的需求选择带宽和调制波形，使调制解调器的效能达到最优[9]。

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS）直接用具有高码率的扩展码序列在发送端扩展信号的频谱，数据信息经过信道编码，用伪噪声序列对载波进行调制，在接收端用解扩码（PN）进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。该体制下的短波通信具有高处理增益，使得系统具有高安全、高抗饶、抗多径能力。同时，由于信号经过扩频调制后频谱扩宽，信号的功率谱密度大大降低，接收端收到的信号完全淹没在噪声中，具有非常高的隐蔽性。因此，扩频系统的抗截获能力很强。此外，扩频码是正交的或接近正交的，彼此间相互影响很小，可以把不同的扩频码用作用户的地址码，实现码分多址（CDMA）通信，通信容量大，通信速率高。

3.2.2 自主选频短波通信

基于宽带数字化的频谱感知技术在短波通信中得到了广泛应用。基于宽带采样信号分析的频谱感知模块，能够对短波电台周围的电磁环境进行实时探测和频谱特征提取，从中选择出底噪较低的频段，并将该频段送入频谱管理模块，由频率管理模块对信道进行划分，同时评估信道通信质量，为短波通信系统提供合适的未占用通信信道，制定合适的频谱接入策略，即实现短波通信的自主选频。

基于自主选频的短波通信系统可实现频谱信息共享，动态利用频谱资源，根据战场电磁环境实时调整频谱规划策略，快速完成频率资源分配，在通信过程中实现通信频率的自动切换。

4 结 语

在射频硬件和数字处理平台的高度集成化背景下，宽带数字化通信在短波通信系统中得到了广泛应用。基于宽带数字化，多通道接收在短波通信中将易于实现。同时，高集成、高性能的数据处理平台可实现短波全频段的实时频谱监测，实现自主选频。高速ADC的出现将模数转换尽可能靠近天线，是软件无线电平台的硬件基础。未来，短波通信设备的集成度会更高，宽带波形的应用也将大大提高短波通信的传输速率和通信可靠性。