葉天朝

（中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部,北京 100036）

0 引言

對(duì)流層散射通信是一種利用對(duì)流層大氣媒介中的不均勻體對(duì)電波的前向散射作用而實(shí)現(xiàn)的超視距無(wú)線通信方式,由于其具有單跳跨距遠(yuǎn)、通信容量大、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)、不受核爆影響,以及能夠跨越復(fù)雜地形進(jìn)行全天候可靠通信等突出優(yōu)點(diǎn),倍受世界各軍事強(qiáng)國(guó)的青睞。特別是散射通信還具有在海上傳播特性好的優(yōu)點(diǎn),較之陸地通信時(shí)能夠獲得大幅度的系統(tǒng)性能提升,所以特別適合在海上應(yīng)用。美國(guó)Comtech公司研制的DTR91散射通信設(shè)備廣泛用于美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、遠(yuǎn)東地區(qū)的200km～300km的海軍島嶼間通信及島嶼對(duì)岸通信中,與海底光纜、衛(wèi)星通信相比是一種成本低、效益高的通信手段。

1 DTR91散射通信設(shè)備

1.1 設(shè)備組成

DTR91系列數(shù)字對(duì)流層散射通信設(shè)備,是上世紀(jì)九十年代初期美國(guó)Comtech公司研制的一種采用先進(jìn)數(shù)字自適應(yīng)散射調(diào)制解調(diào)技術(shù)的大容量散射通信系統(tǒng),能夠在長(zhǎng)達(dá)300km鏈路上提供8Mb/s（4×E1）高速信息傳輸,適用于各種固定或戰(zhàn)術(shù)可搬移應(yīng)用場(chǎng)合,現(xiàn)已應(yīng)用于美國(guó)、英國(guó)、巴西、中東等國(guó)家和地區(qū)的軍事機(jī)構(gòu),以及諸如石油公司等商業(yè)用戶。

DTR91系列散射通信設(shè)備由S575自適應(yīng)數(shù)字散射調(diào)制解調(diào)器、具有4重分集性能的收發(fā)信機(jī)、2部功放、2部雙工器以及2副天線組成?？筛鶕?jù)用戶需求配置1kW固態(tài)功放或2kW速調(diào)管功放;并可選配不同口徑的天線,其設(shè)備組成框圖如圖1所示。

圖1 DTR91系列散射通信設(shè)備組成框圖

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

DTR91系列散射通信設(shè)備采用先進(jìn)的自適應(yīng)均衡技術(shù),具有良好的自適應(yīng)抗符號(hào)間干擾能力;采用4重分集接收技術(shù),并利用自適應(yīng)均衡器提供的隱分集增益,具有良好的抗衰落性能;設(shè)備可工作在750～5000MHz頻率范圍內(nèi)的任何標(biāo)準(zhǔn)頻段。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:

工作頻率:755～985MHz,1700～2400MHz分段（1700～2100MHz;2100～2400MHz）,2400～2700MHz,4400～5000MHz;

傳輸速率:可達(dá)8Mb/s;

調(diào)制解調(diào)方式:QPSK調(diào)制（8Mb/s）;自適應(yīng)判決反饋均衡,相干檢測(cè);

分集重?cái)?shù):4重顯分集/隱分集;

最大抗多徑能力:2σ/T=3;

誤碼性能:1×10-4～1×10-8。

1.3 主要技術(shù)體制分析

（1）自適應(yīng)均衡技術(shù)

大容量散射通信設(shè)備除具有中、小容量散射設(shè)備的接收信號(hào)微弱且時(shí)變的特點(diǎn)之外,因其傳輸速率較高,所占據(jù)的信號(hào)帶寬就更寬,經(jīng)由對(duì)流層散射信道傳輸時(shí),受到頻率選擇性衰落的影響就更為嚴(yán)重,使接收信號(hào)的頻譜產(chǎn)生失真。這時(shí),由多徑傳播引入的雙邊多徑時(shí)延展寬與傳輸符號(hào)寬度的比值（2σ/T）會(huì)更大,在時(shí)域上就表現(xiàn)為十分嚴(yán)重的符號(hào)間干擾,從而使系統(tǒng)引入不可減小誤碼,嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確判決。因此,符號(hào)間干擾是大容量散射傳輸所遇到的首要問題,在信號(hào)的接收端必須采取有效措施來(lái)消除符號(hào)間干擾的影響。DTR91系列散射通信設(shè)備采用S575自適應(yīng)數(shù)字散射調(diào)制解調(diào)器,利用自適應(yīng)均衡技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理。

自適應(yīng)均衡技術(shù)的基本原理是對(duì)信號(hào)在不同時(shí)延上乘以自適應(yīng)于信道狀態(tài)的復(fù)數(shù)加權(quán)值,然后予以合并。S575調(diào)制解調(diào)器采用抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡,濾波器的加權(quán)系數(shù)與信道自適應(yīng),以去除信道時(shí)延展寬引入的符號(hào)間干擾。

S575自適應(yīng)數(shù)字散射調(diào)制解調(diào)器采用目前國(guó)際上先進(jìn)的時(shí)域判決反饋均衡結(jié)構(gòu),散射信號(hào)的自適應(yīng)均衡由1個(gè)6抽頭前向均衡器和1個(gè)4抽頭反饋均衡器完成,如圖2所示。其可處理的2σ/T達(dá)3.0。其中前向均衡器采用加權(quán)系數(shù)自適應(yīng)于信道狀態(tài)的抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn),使多徑時(shí)延展寬的寬度減小,從而消除符號(hào)間干擾對(duì)檢測(cè)的影響;反饋均衡器用另一個(gè)自適應(yīng)抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn),它對(duì)判決輸出序列進(jìn)行處理,利用相加器輸出的取樣值,反饋回來(lái)消除過去判決的符號(hào)間干擾。前向均衡器的抽頭間隔為1/2符號(hào)間隔（T/2）,因此跨距為3個(gè)符號(hào)。由于反饋均衡器在當(dāng)前符號(hào)上消除過去的干擾,因此其抽頭間隔采用符號(hào)間隔（T）,跨距為4個(gè)符號(hào)。

圖2 自適應(yīng)均衡器原理框圖

自適應(yīng)均衡使用的最佳化準(zhǔn)則為最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則。在MMSE準(zhǔn)則下,均衡器自動(dòng)調(diào)整加權(quán)系數(shù)向量,使輸出誤差的均方值達(dá)到最小。用來(lái)尋找使誤差性能函數(shù)最小的最佳權(quán)矢量的算法采用最小均方（LMS）自適應(yīng)算法。LMS算法基本上不需要有關(guān)統(tǒng)計(jì)特性的先驗(yàn)知識(shí),經(jīng)過一段時(shí)間就能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用情況下的最小均方誤差解,進(jìn)而能連續(xù)不斷地調(diào)節(jié),保持系統(tǒng)的最佳性能。LMS算法的優(yōu)勢(shì)在于它的簡(jiǎn)易性和有效性,實(shí)際實(shí)現(xiàn)LMS算法時(shí)不需要求平方、平均或者微分計(jì)算,其每次權(quán)矢量更新需要2N（N為均衡器抽頭數(shù)目）次乘法。由于對(duì)流層散射信道的時(shí)變速率比信息傳輸速率要慢得多,所以,采用LMS算法的自適應(yīng)均衡器能夠跟蹤信道的響應(yīng)。

（2）顯、隱結(jié)合的分集接收技術(shù)

散射信道是典型的隨機(jī)多徑變參信道,散射信道的多徑傳播造成了通信信號(hào)的快衰落。為了有效地克服多徑衰落對(duì)系統(tǒng)性能的嚴(yán)重影響,散射通信系統(tǒng)需要具有4重以上的分集效果,通過獲得衰落不相關(guān)的多個(gè)分集支路信號(hào)達(dá)到較好地平滑信道深衰落的目的。該系統(tǒng)利用2部收發(fā)信機(jī)、2副天線構(gòu)成4重空間分集;同時(shí),在一定的多徑展寬范圍內(nèi),利用自適應(yīng)均衡器可產(chǎn)生近似于2重的隱分集效果,從而使總的分集重?cái)?shù)達(dá)到8重,使系統(tǒng)具有良好的抗衰落性能。

自適應(yīng)均衡器提供隱分集增益的基本原理如下:均衡器將每一多徑分量（可以看成單獨(dú)的分集支路;而支路與支路之間有某種程度的相關(guān)性）中信號(hào)能量進(jìn)行相位校正和合并,從而使信噪比得到改善,由于這種改善對(duì)發(fā)送信號(hào)波形是隱含的,因此稱為隱分集。即使在各分集支路之間的歸一化相關(guān)系數(shù)不為零時(shí),也能夠?qū)崿F(xiàn)一定的分集效果。因此,多徑均衡是一種形式的帶內(nèi)分集合并,從而提供了隱分集增益。

2 應(yīng)用分析及實(shí)例

2.1 應(yīng)用分析

美國(guó)海軍在對(duì)島嶼通信的應(yīng)用需求分析中認(rèn)為:采用海底光纜實(shí)現(xiàn)可靠的島嶼間通信及島嶼對(duì)大陸通信是非常昂貴和具有挑戰(zhàn)性的。在島嶼間安裝海底光纜需要數(shù)百萬(wàn)美元的巨大投資,而且容易受到艦船和海浪的沖擊而損毀。

如果需要與鄰近島嶼通信,衛(wèi)星通信顯然也不是最佳選擇。由于島嶼之間鏈路往往為中遠(yuǎn)距離,采用衛(wèi)星通信不能發(fā)揮其長(zhǎng)距離的優(yōu)點(diǎn);而且島嶼彼此間通信點(diǎn)數(shù)多,占用資源大,采用衛(wèi)星通信時(shí)將使用戶擁擠、地球站數(shù)量不夠,可能無(wú)法達(dá)到需要的帶寬。因此衛(wèi)星通信對(duì)于視頻和圖像傳輸難以保障充足的數(shù)據(jù)率。超過256kb/s數(shù)據(jù)率時(shí),建立衛(wèi)星鏈路就很昂貴。衛(wèi)星非常適于大陸之間遠(yuǎn)距離通信,但用于建立中遠(yuǎn)程通信鏈路對(duì)于有限的資源無(wú)疑是一種浪費(fèi),特別是在200～300km的通信鏈路中衛(wèi)星通信并非首選。

而對(duì)流層散射通信在軍事上的應(yīng)用已有40多年,被公認(rèn)為是中遠(yuǎn)程鏈路通信中的一種成本效益高的通信手段。通過安裝散射通信系統(tǒng),用戶可以排除大部分用于衛(wèi)星和光纜重復(fù)性投入的成本,實(shí)現(xiàn)超視距傳輸。并且散射通信在海上應(yīng)用時(shí),具有傳播特性優(yōu)于陸地散射通信的特殊性。按照瑞利分布的散射信道傳播模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì),海上的散射年中值電平比陸地要高6～10dB;海上還常常呈現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則層反射及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象,造成了通信信號(hào)異于陸地的反常傳播,這使得散射通信系統(tǒng)在海上的通信性能大大優(yōu)于在陸地的使用性能。在同樣的設(shè)備能力下,可獲得海上傳輸容量或單跳通信距離的大幅度提升;而為了實(shí)現(xiàn)同等容量和通信距離的信息傳輸,對(duì)設(shè)備能力（發(fā)射功率、天線口徑）的要求要顯著低于陸地傳播。因此,美國(guó)海軍已將對(duì)流層散射通信視為解決島嶼通信最有效的手段而大量應(yīng)用,Comtech公司研制的DTR91系列散射通信設(shè)備就是其中的典范。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

DTR91散射通信設(shè)備自上世紀(jì)90年代初期問世以來(lái),在海軍島嶼間通信及島嶼對(duì)岸通信中獲得了廣泛應(yīng)用,在遠(yuǎn)東戰(zhàn)略島嶼間建立了218km、219km、186km、269km的4條跨海8Mb/s散射通信鏈路;在英國(guó)CATS工程中建立了228.4km、254.2km的兩條岸-島間跨海數(shù)字對(duì)流層散射通信鏈路。

3 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)Comtech公司研制的DTR91系列數(shù)字對(duì)流層散射通信設(shè)備采用先進(jìn)的自適應(yīng)均衡技術(shù),具有良好的自適應(yīng)抗符號(hào)間干擾能力以及4重顯分集與隱分集相結(jié)合的抗衰落效果,是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的大容量對(duì)流層散射通信機(jī),在200～300km的海軍島嶼間通信及島嶼對(duì)岸通信中獲得了廣泛應(yīng)用,與海底光纜、衛(wèi)星通信相比是一種成本低、效益高的通信手段。

[1]常迎春,對(duì)流層散射通信在軍事通信中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),1997（3）:21-24.

[2]王曉春、秦建存,散射通信海上應(yīng)用研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2008,34（3）:62-64.