第37卷第4期 电 讯 技 术 Vol.37No.41997年8月 TELECOMMUNICATION　ENGINEERING Aug.1997

●技术展望

短波跳频电台的发展趋势*王清泉**关键词:短波通信,跳频,调制解调,评述[摘要]本文根据短波跳频电台的发展趋势,重点分析了研制新型短波数字跳频电台所涉及的若干关键技术问题。

一、模拟短波跳频电台的现状由于短波信道的特点及相关技术的局限性,目前问世的绝大多数短波跳频电台都是传输模拟话音的模拟跳频电台[1～3],此类短波跳频电台,在技术上存在以下问题。1.话音质量差模拟跳频时,由于模拟话音信号难以存贮及恢复,因而在电台传输跳频同步信号及每跳换频期间所损失的话音信号,无法在正常话音跳频周期内予以恢复,造成话音中断,因而话音质量较差。根据几次通话试验结果,可得出这样的结论:将话音信号分为5个等级,以人耳听通话效果判分,模拟跳频通话比定频通话信号恶化约一个信号等级,且引入了明显的噪声。

2.通信距离缩短模拟跳频通信话音信号比定频通信话音信号质量恶化约一个等级,通信距离必然缩短,大致缩短20%,其中包括远距离弱信号

*本文于1997年3月5日收到。**电子工业部第28研究所

时,同步传输失误导致通信距离缩短10%,后者已为VHF跳频电台大量跳频通信试验所证实。

3.跳速较低模拟跳频时,话音信号每个跳周期都有中断,中断时间达3～7ms,主要由频合器换频时间、信道延迟、功放调谐时间等组成。实验表明,语音信号中断率高于每秒20次,每次中断时间大于20%,话音质量会明显恶化。正因为如此,目前的短波模拟电台跳频速率绝大多数为5～10跳/秒。

二、短波跳频电台发展趋势借鉴VHF跳频电台的成功经验,分析国外短波跳频电台的有关资料,可以归纳出短波跳频电台的发展趋势是研制新型短波数字跳频电台。短波数字跳频电台是指同步信号和话音均采用数字编码方式传输的短波跳频电台。话音是数字信号,传输同步信号和换频期间停止发射的话音信号,可以采用数据压缩技术得以恢复,因而跳频通信和定频通信话音质量相当。与模拟短波跳频电台相比,

・71・通信距离增加、跳频速率大于20跳/秒、可加保密数字话、可传数据,综合抗干扰能力大大增强。短波数字跳频电台的技术难点很多,国外直到90年代初才由HARRIS公司推出了RF—5000型短波数字跳频电台。至于HF—2000及SC—140这样的短波跳频电台,由于电台传输的仍是模拟话音信号,因而只能算是技术比较先进,采用了自适应选频,增加了MODEM可通数据的短波模拟跳频电台。HARRIS公司的RF—5000型短波数字跳频电台对外实行严格保密,更难以购到样机,我们必须立足国内,加快研究短波数字跳频的有关技术难点,力争国产短波数字跳频电台早日问世。短波数字跳频电台的原理框图如下图所示。

短波数字跳频电台组成框图 跳频通信前,先由自适应控制器扫描选择可以进行正常通信的频率点,作为跳频通信用的频率表。跳频通信时,跳频单元控制电台接收或发送同步信号并进行跳频控制;发送时,话音信号经声码器变为数字信号,送MODEM调制后,经发射机发送出去;接收时,话音信号经MODEM解调,恢复为数字信号送声码器还原模拟话音信号;控制单元完成电台的各种定时、控制及信息交换。三、数字跳频的若干关键技术1.声码器技术研究[4]RF—5000短波数字跳频电台声码器采用美国LPC—10—52E标准,声码器速率为2400bps及800bps两种。数字通信或定频声码话通信时,声码器速率为2400bps;跳频通信时,声码器速率800bps。(1)低速声码器研制。跳频特有的问题是换频和发送同步期间,停止发送话音信号,采用数据压缩技术可以恢复停止发送话音期间中断的信号。实现方法是声码器输出低于MODEM输入数据速率,停发期间话音先存储在FIFO内,然后再经MODEM高速发送出去。国内目前技术比较成熟的短波MO-DEM速率为2400bps,要将声码器速率降低到800bps左右而话音质量不明显恶化,技术上是有相当难度的。(2)声码器速率确定声码器速率必须满足数据平衡公式。设

・72・声码器速率为fv,MODEM输入速率fm,电台换频时间为xbit,跳频周期为ybit,每z跳发一次勤务信息,则有:(z-l)(y-x)/fv=zy/fm(1)整理后为:y=x[1+zfv/(Z(fm-fv)-fm)](2)当x,y,z,fm确定后,可求出唯一的声码器速率fv值。国内1200bps的声码器已研制成功,但话音质量比2400bps有一定程度的恶化,800bps声码器尚未见报道。综合选择各参数,使声码器速率在800～1500bps之间选择,以平衡话音质量与技术可能性之间的矛盾。(3)声码器编码方法声码器采用LPC—10—52E标准时,应加强纠错编码方法的研究,以确保2×10-2bit误码率条件下,DRT大于80。(4)声码器同步跳频用的800bps声码器同步设计条件与定频通信已大不相同,声码器接收的数据是分跳传输的,信号有中断。同步采用信息或话音信号的起始,插入帧同步信息,分帧传输。当接收到信息结束标志或2秒钟内收不到数据,即认为数据结束。2.跳频MODEM[4～5]短波数字跳频需要2400bps高速MO-DEM,其主要技术指标如下:・39单音方式;・半双工通信;・FEC编码:(14,10,2)R—S编码方式;・单音频带:675～2812.5Hz;・调制:4相TDPSK;・解调:128点FFT;・多普勒校正:±75Hz;・信道带宽:3000Hz与定频用的2400bps的MODEM相比较,没有采用交织编码纠突发错技术及带内分集技术。跳频通信数据需每跳及时调制解调,难以采用交织编码纠突发错技术,应采用合适的纠错方法来对抗突发错,保证数据传输正确。MODEM输入输出数据是逐跳断续的。相位不连续,时间不连续,应探讨MODEM

同步信息的接收及同步保持问题。3.自适应控制器[4][6]由于短波信道存在多径传播、瑞利衰落及各种干扰,属于时变信道。故需要自适应控制器在操作员干予下对短波信道进行扫描、探测、分析并建立可资通信的跳频频率表。当然,自适应控制器还应具备定频自适应控制器的功能。跳频使用时,有几点不同。(1)建立跳频频率表跳频频率表中有N个频点,自适应控制器在M个信道上(M>N)进行双向扫描、探测、分析信号质量,探测双方交换分析结果,由主叫方将双方都认为优良的信道确定为跳频频率表中的N个频点并通知全网。(2)跳频频率表的保密跳频频率表是要保密的跳频参数,自适应探测结束后,跳频频率表若采用无线方式发给全网各电台,需对信息进行加密处理,也可采用人工分发的方法确保频率表安全。(3)跳频频率表的实时更换当跳频频率表中某些信道受干扰或噪声影响严重时,应能实时自动更换这些信道频率,目前,还没有那种自适应跳频电台实现了此种功能,但无疑是一个重要的技术发展方向。解决这一问题涉及“坏跳”频率识别、跳频信息重新设计、跳频与自适应选频综合设计、信息保密设计等。

・73・(4)自适应控制器指标作为参考,给出RF—5000系列自适应控制器的主要指标:・100个单工或双工信道;・频率范围:1.6～29.99999MHz;・调制方式:USB,LSB;・扫描特性:自动扫描100个信道,产生频率表;・寻址特性:4位地址码;8019个单信道,分81个组;可编程地址:最大30个;每个地址可存20个信道・信道选择:自动或手动;・自动链路分析LQA;4.收发信机数字短波跳频收发信机研制中有以下问题需加以解决:(1)AGC控制短波定频电台依据电台的不同等级,AGC响应时间要求不同,一级机器为10～30ms,三级机器则为100～200ms,这些指标是远远不能满足跳频通信时的需要。在跳频工作过程中,信道频率在跳变,由于短波信道的时变特性,各个跳频周期期间,信号电平会有很大的变化,对信号幅度的均衡是十分必要的,AGC响应时间必须跟上跳频速度的需要。当跳频速率为20跳/秒时,换频时间为5ms,信息工作时间约为45ms,MODEM速率为2400bps,信息采用16bit相关码传输,45ms内可传108bit信息,取每跳传输96bit即6个16bit相关码,45ms还剩余5ms,即AGC的启控时间应小于5ms,并保持40ms,且应有换频的5ms时间里释放掉,才能适应跳频工作的需要。(2)天调波段转换控制方式跳频通信时,为了取得最大的跳频处理增益,总是要求进行宽带或全频段跳频,在VHF跳频电台中,由于这种视距通信电台功率较小,因此均采用PIN二极管来控制天调部分波段转换,但在短波跳频电台中,电台多是视距与天波远距离并举,电台输出功率较大,有20W、100W、200W甚至1000W以上的电台。以200W为例,经计算天线输入端最高电压约1000V,电流达数安培,在这样的高功率、大电压、大电流条件下,难以找到合适的PIN二极管。因此,目前的短波跳频电台基本上都使用继电器控制天调部分。继电器寿命为106左右,当跳频速率为10跳/秒,继电器预期寿命为:106÷10=1×105(秒),约为28小时跳速为20跳/秒,预期工作寿命为14小时,采用继电器控制波段转换跳频工作,电台寿命这么短是一个致命的问题,应立即加以纠正。解决此问题的根本方法是寻找合适的电子元器件替代继电器,或限制跳频在天调的各分波段内进行,继电器不参予跳频工作。5.FPGA和SMT技术的应用与常规的短波跳频电台相比,短波数字跳频电台增加了声码器、MODEM、跳频单元等功能部件。如将现有的产品简单组合实现,所生产的短波跳频电台无论体积、功耗、价格都难以被接受。在研制短波跳频电台过程中,应优先采用FPGA、EPLD、GAL、SMT等技术,将一些功能电路板用一个专用模块来代替。SMT表面贴装技术,是高密度组装、小型化、袖珍化电子产品不可缺少的技术。采用这些技术后,不仅在车载式电台上可实现短波数字跳频,也完全可能在背负式电台上实现短波数字跳频。6.跳频单元短波数字跳频电台跳频单元原理与VHF跳频电台跳频单元基本相同,而后者是大家很熟悉的,可资借鉴。因篇幅所限,不展开讨论,仅列出相关的技术问题,它们是:

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