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OFDM在短波通信中的应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了当前短波(HF)通信中串行、并行两种体制的最新发展现状,着重讨论了正交频分复用(OFDM)技术在HF通信中的实际应用,最后指出在短波通信中采用OFDM体制需要解决的几个关键性问题。

    关键词:短波 OFDM 串行调制解调器 并行调制解调器

卫星通信和短波(1.5~30MHz)通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言,卫星在战争期间易被干扰或阻塞,甚至被摧毁而失去通信能力,因此,就通信的顽存性、机动性和灵活性而言,短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小,设备简单,通信方式灵活,抗毁性强,以电离层为传输媒质,而电离层基本具有不可摧毁性,传输距离可达数千公司而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥的重要工具。此外,在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系,而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高,有力地推出了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段,特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时,机载短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。

1 短波通信中传输高速数据信号的调制技术

短波传输分为天波和地波两种方式。对天波传输方式而言,短波信道是一种时变色散的信道,它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质,因此短波信道存在多径时延、衰落、有时空性的介质,因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。此外对现代短波通信系统,信道大多数具有频率的选择性,多径传输产生了信号的相干衰落与符号干扰,短波通信的性能在很大程度上取决于系统设计对信道传输补偿的效果。短波信道通常情况下是一种缓慢变化的信道,多径延迟典型值2~8ms,多普勒频率扩展的典型值0.1Hz,多普勒频移在0.01~10Hz范围内变动,在高纬度地区多径延迟可达13ms以上,多普勒扩展可达73Hz。

多径效应引起的时域扩展是限制数据通信速率的主要因素。目前短波通信中存在并行制和串行制两种体制。并行体制是将发送的数据并行分配到多个子通道上传输,串行体制使用单载波调制发送信息。关于串行和并行两种调制方式到底哪种优越,一直有争论。文件认为:这两种调制解调器在低速通信中已使用多年,没有哪一种显示出绝对的优势,目前在北约9.6kbs HF通信标准中同时考虑串行、并行调制体制。而绝大多数认为串行体制更优势,若在可通率相同的情况下,比较二者的误比特率,则串行比并行体制低。

串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号,因此提高了高频发射机的功率利用率,克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行体制采用了高效的自适应均衡、序列检测和信道估算等结合技术,能够克服由于多径传播和信道畸变引起的符号干扰(ISI)。目前最先进的串行体制调制解调器采用256QAM调制,应用一种被称为“分组判决反馈均衡(BDFE)”的技术,在3kHz带宽上数据传输速率达16kbps。

并行体制已经存在几十年了,上个世纪90年代中期以前,并行体制的各个子载波在频率上是互相不重叠的,采用的不是正交频分复用(OFDM)技术,如美国的第三代军用标准MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行调制方式中定义16音和39音两种模式,子载波之间不相交。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种特殊的多载波传输方式,由于各子载波之间存在正交性,允许子信道的频谱互相重叠,与常规的频分复用系统相比,OFDM可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串行转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,降低了子信道的信息速率,将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道,从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力,适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在OFDM中通过引入循环前缀,克服了OFDM相邻块之间的干扰(IBI),保持了载波间的正交性,同时循环前缀长度大于信道扩展长度,有效地抑制了符号干扰(ISI)。目前OFDM技术已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多点业务分配系统(LMDS)、数字用户线路(ADSL/VDSL)、数据音频广播(DAB)、数据视频广播(DVB)、Digital Radio Mondial(DRM)中得到广泛应用。

目前正在研制的新一代并行体制调制解调器采用OFDM技术,通过加入保护间隔,可以有效消除ISI,降低均衡的复杂度。下面介绍OFDM在短波通信中的应用情况以及仍需解决的几个关键问题。

2 基于OFDM体制的几个短波通信具体应用

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