CN108123724A - 一种基于短波窄带波形的通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于短波通信技术领域，公开了一种基于短波窄带波形的通信系统，采用更窄带宽的短波通信信号设计方法，通过减小信号传输带宽，降低带外噪声影响，提高单位赫兹功率谱密度、改善短波通信数据传输性能；可直接应用于现短波通信设备，具有抗干扰能力强、稳定可靠、适应性强等优点，能够进一步提升现有短波通信设备性能。

Description

一种基于短波窄带波形的通信系统
技术领域
本发明属于短波通信技术领域，尤其涉及一种基于短波窄带波形的通信系统。
背景技术
短波通信主要依靠电离层发射进行通信，电离层信道是一种时变色散信道，其特点是路径损耗、时延散布、噪声和干扰等都随频率、地点、季节、昼夜的变化不断变化。因此，通信噪声和空间干扰是接收机不可避免的重要问题，设计研发人员根据短波通信的特点，一直致力于数据传输可靠性的研究，但是由于短波信号受天气、地形等因素的影响较大，从抗噪声性能方面很难有较好的办法解决该问题。传输性能无法进一步提高，技术水平达到瓶颈状态。
在近距离范围内窄带波形与其他波形的性能差别不大，而在远距离天波环境下，由于窄带波形带宽较窄，在相同的干扰以及噪声等环境因素下，落入波形带宽内的无用信号较少，这样接收机受到的影响较小。另外，设计人员通过技术手段可以尽量减少有用信号的叠加损失，这样一来，窄带波形在天波环境下具有非常明显的优势。
现有的短波发射机、接收机一般利用3KHz带宽的波形进行通信，该波形在短距离通信中受到环境因素的影响较小，现有的调制解调技术可以满足指标要求。现有的短波波形技术在实际使用过程中，受到频率、纬度、天气、昼夜等环境因素的影响较大，导致信号传输质量不高，甚至影响信号的正常接收，降低了短波可通范围，尤其在距离拉远后，在凌晨1点至3点之间，数据传输性能不可靠的问题开始突显，严重制约了短波通信距离的发展要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于短波窄带波形的通信系统，能够保证短波数据传输的可靠性，扩大了短波通信的半径。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于短波窄带波形的通信系统，所述通信系统至少包括：发射机和接收机，
所述发射机中设置有依次连接的发送数据处理单元、发送成型滤波器和信道单元；其中，所述发送成型滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述接收机中设置有依次连接的信道单元、接收低通滤波器、带通滤波器和接收数据处理单元；其中，所述低通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内，所述带通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)在所述发射机中：
所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，并完成待发送数据的编码、交织、walsh扩频、扰码以及基带波形的调制；
所述发送成型滤波器，用于完成波形成型，并限定待发送波形的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述信道单元，用于完成载波频率的上变频操作，使所述载波频率为2MHz～30MHz之间，并通过射频模块将所述载波频率发送出去，形成天波波形。
(2)在所述接收机中：
所述信道单元，用于捕获天波波形，进行AD转换，完成载波频率的下变频操作，把高频信息转换到DSP单元可以处理的基带信息；
所述接收低通滤波器，用于对接收波形进行带宽抑制；
所述带通滤波器，用于滤除1kHz到1.5kHz带宽外的波形数据；
所述接收数据处理单元，用于完成数据同步、信道估计和信道均衡，确定同步位置，完成去扰码、解walsh、解交织运算，最后完成译码操作，得到有用数据。
(3)所述发送成型滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述低通滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述带通滤波器的滤波带宽为1.24kHz。
(4)所述所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，其中，每个数据帧的帧结构依次包括：一个同步报头序列、一个报文起始序列、多个交替重复的分段数据序列和对应的同步报头序列，以及最后一个分段数据序列后的报文结束序列；
其中，每个同步报头序列包含80个符号位，所述报文起始序列包含32个比特位，所述分段数据序列包含176个符号位，所述报文结束序列包含32个比特位。
(5)所述分段数据序列包含四个未知数据序列和三个已知数据序列，且每个未知数据序列和每个已知数据序列交替重复，其中，每个未知数据序列包含32个符号位，每个已知数据序列包含16个符号位。
(6)所述同步报头序列，用于携带位同步信息和载波同步信息；
所述报文起始序列，用于表示开始传输分段数据序列；
所述分段数据序列，用于传输数据信息；
所述报文结束序列，用于表示所有分段数据序列传输结束。
本发明技术方案为解决特殊场合下的短波通信应用问题，提出了一种采用更窄带宽的短波通信信号设计方法，通过减小信号传输带宽，降低带外噪声影响，提高单位赫兹功率谱密度、改善短波通信数据传输性能；可直接应用于现短波通信设备，具有抗干扰能力强、稳定可靠、适应性强等优点，能够进一步提升现有短波通信设备性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种短波窄带波形帧结构示意图；
图2为本发明实施例提供的副载波调制示意图；
图3为本发明实施例提供的发送成型滤波器的时域波形和频域波形示意图；
图4为本发明实施例提供的接收低通滤波器的时域波形和频域波形示意图；
图5为本发明实施例提供的带通滤波器的时域波形和频域波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于短波窄带波形的通信系统，所述通信系统至少包括：发射机和接收机。
所述发射机中设置有依次连接的发送数据处理单元、发送成型滤波器和信道单元；其中，所述发送成型滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述接收机中设置有依次连接的信道单元、接收低通滤波器、带通滤波器和接收数据处理单元；其中，所述低通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内，所述带通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内。
需要补充的是，在所述发射机中：
所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，并完成待发送数据的编码、交织、walsh扩频、扰码以及基带波形的调制；
所述发送成型滤波器，用于完成波形成型，并限定待发送波形的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述信道单元，用于完成载波频率的上变频操作，使所述载波频率为2MHz～30MHz之间，并通过射频模块将所述载波频率发送出去，形成天波波形。
还需要补充的是，在所述接收机中：
所述信道单元，用于捕获天波波形，进行AD转换，完成载波频率的下变频操作，把高频信息转换到DSP单元可以处理的基带信息；
所述接收低通滤波器，用于对接收波形进行带宽抑制，减少空中信道传输过程中带来的噪声影响；
所述带通滤波器，用于滤除1kHz到1.5kHz带宽外的波形数据，减少带外干扰带来的影响，作为接收低通滤波器的补充，进一步提高了该传输波形的抗干扰性能；
所述接收数据处理单元，用于完成数据同步、信道估计和信道均衡，确定同步位置，完成去扰码、解walsh、解交织运算，最后完成译码操作，得到有用数据。
优选的，所述发送成型滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述低通滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述带通滤波器的滤波带宽为1.24kHz。
进一步的，所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，其中，每个数据帧的帧结构依次包括：一个同步报头序列、一个报文起始序列、多个交替重复的分段数据序列和对应的同步报头序列，以及最后一个分段数据序列后的报文结束序列；
其中，每个同步报头序列包含80个符号位，所述报文起始序列包含32个比特位，所述分段数据序列包含176个符号位，所述报文结束序列包含32个比特位。
进一步的，所述分段数据序列包含四个未知数据序列和三个已知数据序列，且每个未知数据序列和每个已知数据序列交替重复，其中，每个未知数据序列包含32个符号位，每个已知数据序列包含16个符号位。
具体的，
所述同步报头序列，用于携带位同步信息和载波同步信息；
所述报文起始序列，用于表示开始传输分段数据序列；
所述分段数据序列，用于传输数据信息；
所述报文结束序列，用于表示所有分段数据序列传输结束。
示例性的，本发明设计的窄带波形主要在短波发射机和接收机的DSP单元中实现。在该平台上完成波形设计、波形调制、滤波器设计以及接收数据处理。
(1)波形设计
窄带波形用于传递数据信息，包括探测信息和链路信息，波形帧结构由下述四个不同功能传输阶段组成，如图1所示。
同步报头阶段：调制器发送同步报头序列，使接收端的解调器能获得位同步和载波同步。
报文起始阶段：同步报头发送完成后，向编码器发送一个固定的比特序列，数据发送的整个阶段该序列只发送一次。
数据阶段：未知数据经过编码交织后输出相应比特信息，对该信息进行walsh(同步正交)扩频，然后完成扰码运算，形成最终的信道符号，即图1中的Data序列，在Data序列中穿插已知数据(即图1中的Trn序列)组成一个数据块，该数据阶段由若干数据块组成。
报文结束阶段：数据发送完成后，向编码器发送一个固定的比特序列，数据发送的整个阶段该序列只发送一次。
(2)波形调制
信道符号值映射到载波相位和子序列载波的调制过程如下：
发送信号采用相移键控调制方式形成1800Hz的已调波信号，其传输速率为1200信道符号/秒。该信号分为实部和虚部，这两路信号分别通过内插和等效的低通滤波器过滤，以提供特定的带宽及镜像抑制。经过内插和过滤的实部和虚部信号用于调制1800Hz副载波，如图2所示。其中调制解调器必须能容忍发射端和接收端高频载波频率+/-37.5Hz的频率偏移和最多3.5Hz/s的频率跟踪速度。图2中LPF表示低通滤波器。
(3)滤波器设计
本发明采用窗函数法设计数字滤波器，具有设计简单、方便、实用等优点。借助MATLAB语言启动滤波器构造图形界面，构造带有窗函数的FIR滤波器，产生关于滤波器的频率响应。
发送成型滤波器和接收低通滤波器分别使用升余弦及平方根升余弦滤波器，其中滚降系数值是0.16，带宽1240Hz，速率1200符号/秒。如图3所示为发送成型滤波器的时域波形和频域波形，如图4所示为接收低通滤波器的时域波形和频域波形。
同时，由于软件是在3KHz带宽条件下传送1.24KHz的数据，为了减少带外干扰的影响，故需要在接收端先对接收数据进行带通滤波，如图5所示为带通滤波器的时域波形和频域波形。
(4)接收数据处理
数据同步：射频前端接收数据经过下变频，送至DSP处理单元，经过接收低通滤波器去载波后与本地序列做移位相关，然后进行DFT以及取模操作，找出最大峰值及最大峰值坐标，然后计算频偏及信噪比，根据预先设定好的门限确定同步位置。
信道估计：采用LMS(最小均方)可变μ信道估计算法，归一化LMS算法对收敛因子μ进行归一化，来确保自适应均衡算法的收敛稳定性。只要保证收敛条件：0＜μ＜1，就能保证经过足够大的n次迭代，算法能够稳定收敛。改进的变步长解相关LMS算法利用输入信号的正交分量更新自适应均衡器的参数，可以加快LMS算法的收敛速度。
信道均衡：采用NDDE即非线性块式数据检测，递归地使用Levinson(莱文森)算法来求解矩阵方程。首先只对首末两个符号进行判决，并把其结果作为附加的训练符号，在从方程中减去这两个符号引起的效应，得到新的降低维数的矩阵方程，再用Levinson(莱文森)算法求解。依次类推，直到得到全部的判决符号。这样，由于在每步估值中均减少了码间串扰的数量，于是就可得到均匀的MSE(均方误差)分布。如果反馈的符号判决是正确的，NDDE技术确保每步估值中的性能不会下将。
本发明技术方案采用先进的窄带通信波形，有效解决了现役航空短波电台存在频道拥挤，抗干扰能力差等问题，提高了数据传输的可靠性，弥补了宽带通信在实际应用中的不足。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于短波窄带波形的通信系统，所述通信系统至少包括：发射机和接收机，其特征在于，
所述发射机中设置有依次连接的发送数据处理单元、发送成型滤波器和信道单元；其中，所述发送成型滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述接收机中设置有依次连接的信道单元、接收低通滤波器、带通滤波器和接收数据处理单元；其中，所述低通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内，所述带通滤波器的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内。
2.根据权利要求1所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，在所述发射机中：
所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，并完成待发送数据的编码、交织、walsh扩频、扰码以及基带波形的调制；
所述发送成型滤波器，用于完成波形成型，并限定待发送波形的滤波带宽为1kHz到1.5kHz的范围内；
所述信道单元，用于完成载波频率的上变频操作，使所述载波频率为2MHz～30MHz之间，并通过射频模块将所述载波频率发送出去，形成天波波形。
3.根据权利要求1所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，在所述接收机中：
所述信道单元，用于捕获天波波形，进行AD转换，完成载波频率的下变频操作，把高频信息转换到DSP单元可以处理的基带信息；
所述接收低通滤波器，用于对接收波形进行带宽抑制；
所述带通滤波器，用于滤除1kHz到1.5kHz带宽外的波形数据；
所述接收数据处理单元，用于完成数据同步、信道估计和信道均衡，确定同步位置，完成去扰码、解walsh、解交织运算，最后完成译码操作，得到有用数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，所述发送成型滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述低通滤波器的滤波带宽为1.24kHz，所述带通滤波器的滤波带宽为1.24kHz。
5.根据权利要求2所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，所述发送数据处理单元，用于将待发送数据分为多个数据帧，其中，每个数据帧的帧结构依次包括：一个同步报头序列、一个报文起始序列、多个交替重复的分段数据序列和对应的同步报头序列，以及最后一个分段数据序列后的报文结束序列；
其中，每个同步报头序列包含80个符号位，所述报文起始序列包含32个比特位，所述分段数据序列包含176个符号位，所述报文结束序列包含32个比特位。
6.根据权利要求5所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，
所述分段数据序列包含四个未知数据序列和三个已知数据序列，且每个未知数据序列和每个已知数据序列交替重复，其中，每个未知数据序列包含32个符号位，每个已知数据序列包含16个符号位。
7.根据权利要求5所述的一种基于短波窄带波形的通信系统，其特征在于，
所述同步报头序列，用于携带位同步信息和载波同步信息；
所述报文起始序列，用于表示开始传输分段数据序列；
所述分段数据序列，用于传输数据信息；
所述报文结束序列，用于表示所有分段数据序列传输结束。
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