王化民，馮文仙，常滿文

（1．青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院，山東青島266071;2．大連遠(yuǎn)洋通大電子有限公司，遼寧大連 116001）

0 引言

2006年12月，國(guó)際電聯(lián)第八研究組提出在海上移動(dòng)業(yè)務(wù)中盡快引入高頻數(shù)字通信和電子郵件業(yè)務(wù)，其建議案《R03-SG08-C-0161》［2］也已經(jīng)被國(guó)際電聯(lián)接受。國(guó)際電聯(lián)在有關(guān)決議中要求各國(guó)有關(guān)航運(yùn)機(jī)構(gòu)考慮和使用新的數(shù)字通信技術(shù)［3-5］，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作程序、規(guī)則性條款以及過渡期等有關(guān)方面的問題進(jìn)行研究，以期待迎來水上無線電通信全新的數(shù)據(jù)通信［6］時(shí)代。

海上高頻電子郵件技術(shù)主要使用短波傳輸協(xié)議和T總線協(xié)議。短波傳輸協(xié)議采用的是PACTOR-Ⅲ協(xié)議，該協(xié)議是由德國(guó)Hans-Peter Helfert和Thomas Rink提出的。與PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ協(xié)議類似，PACTOR-Ⅲ協(xié)議也是同步半雙工自動(dòng)請(qǐng)求重復(fù)（ARQ）系統(tǒng)。PACTOR-Ⅲ協(xié)議中初始鏈路的建立采用的是移頻鍵控（FSK），與以前PACTOR-Ⅰ相兼容。當(dāng)2個(gè)電臺(tái)都能支持PACTOR-Ⅲ協(xié)議時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到高一層的協(xié)議進(jìn)行通信。

本文將對(duì)海上高頻電子郵件系統(tǒng)采用的帶寬和傳輸速率、調(diào)制、編碼和碼率、振幅因數(shù)與發(fā)射機(jī)輸出功率、數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)、控制信號(hào)、信號(hào)特征、T總線協(xié)議等技術(shù)問題予以分析介紹。

1 帶寬和傳輸速率

PACTOR-Ⅰ和PACTOR-Ⅱ協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挾紴?00 Hz，但在PACTOR-Ⅲ中做了特別設(shè)計(jì)，所需帶寬為6 kHz，即1個(gè)雙工電話信道。因此，可以充分利用單邊帶（SSB）電話信道。SSB信道帶寬是3 kHz，2個(gè)單邊帶信道可作為1個(gè)數(shù)字通信。將高頻數(shù)字通信帶寬設(shè)計(jì)為6 kHz，能提高其吞吐量和適應(yīng)性，也便于今后拓寬其使用領(lǐng)域。

在傳播條件允許時(shí)，基于PACTOR-Ⅲ進(jìn)行短波數(shù)據(jù)通信，最多可以容納18路話音，每路間隔120 Hz。在物理層，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率是3 600 bps。而沒有數(shù)據(jù)壓縮的情況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是2 722．1 bps。如果在不同的壓縮率下，最大有效吞吐量取決于傳送的信息量，不過通常都能超過5 000 bps。在線壓縮數(shù)據(jù)的最大傳送速率大約為5 200 bps，這比PACTOR-Ⅱ協(xié)議快4倍以上。同樣在低信噪比條件下，PACTOR-Ⅲ的適應(yīng)性比PACTOR-Ⅱ也更強(qiáng)。

根據(jù)不同的傳播條件，PACTOR-Ⅲ協(xié)議使用6種傳輸速度（SL），可以把6種傳輸速度看作為用獨(dú)特的調(diào)制和信道編碼技術(shù)的獨(dú)立底層協(xié)議。在所有傳輸速率中碼符的傳輸速率都是100波特。使用音頻數(shù)可達(dá)18個(gè)，間隔120 Hz。最大帶寬為2．2 kHz，音頻范圍從400～2 600 Hz。中心頻率是1 500 Hz，最低音頻為480 Hz，最高音頻為2 520 Hz。當(dāng)音頻在2個(gè)最低速率間跳變時(shí)，頻率差將是120 Hz的N倍，表1所示為不同的傳輸速度下信道與音頻的關(guān)系。

與PACTOR-Ⅱ協(xié)議類似，在每個(gè)ARQ周期中攜帶數(shù)據(jù)流的載波都被轉(zhuǎn)換成不同的音頻，以變化音頻的方式增強(qiáng)多音頻的增益。通常狀態(tài)下，實(shí)際數(shù)據(jù)流載波數(shù)與音頻數(shù)一致，交換方式指定載波信號(hào)0與音頻17對(duì)應(yīng)，1與16，2與9，3與10，4與11，5與12，6與13，7與14，8與15分別一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)它們傳送變量數(shù)據(jù)包報(bào)頭和控制信號(hào)時(shí)，可以認(rèn)為音頻5和12與2個(gè)PACTOR-Ⅱ協(xié)議載波信號(hào)相等，詳情見表1所示。

表1 不同的傳輸速率（SL）所用信道的號(hào)與位置Tab．1Number and position of the used channels at the different speed levels（SL）

表中:CN為信道號(hào);TF為音頻頻率，Hz;SL為傳輸速度;×表示在傳輸速度下使用的音頻頻率。

2 調(diào)制、編碼和碼率

調(diào)制器既可使用差分二相相移鍵控（DBPSK），也可使用差分正交相移鍵控（DQPSK）。在數(shù)據(jù)包的全幀位交叉之后，最好采用碼率為1/2的卷積碼，約束長(zhǎng)度（CL）為7或9。與PACTOR-Ⅱ協(xié)議類似，更高碼率的編碼，即3/4和8/9的碼率，是從一個(gè)稱做壓縮碼獲得的。在傳送前，1/2碼率的比特流某些比特被壓縮，也就是說它們被刪除了，而沒有被傳送。在接收方，用1/2解碼器解碼前，被壓縮的比特用空位來代替。解碼器把這些空位即不當(dāng)作1也不當(dāng)作0，而是當(dāng)作一個(gè)中間值來處理。這樣，這些位對(duì)解碼過程不會(huì)產(chǎn)生影響。假如認(rèn)真選擇了壓縮模式，用一個(gè)可比的約束長(zhǎng)度，就可使壓縮碼增益與一個(gè)最好的已知精確碼率為3/4和8/9的編碼增益一樣。這種方法的主要好處是單一碼率解碼器（這里使用的是碼率為1/2的解碼器）可以用于很多種編碼。因此，壓縮碼在許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中使用。

表2顯示了調(diào)制方式、約束長(zhǎng)度（CL）和碼率（CR）、物理數(shù)據(jù)傳輸速率（PDR）（也就是說在物理層傳輸?shù)拿忍貍鬏斔俾剩?、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率（NDR）（即未經(jīng)壓縮的用戶數(shù)據(jù)傳輸率），及不同傳輸速率（SL）下的振幅因數(shù)（CF）的關(guān)系。

表2 不同傳輸速率（SL）情況下參數(shù)表Tab．2Parameters of the different speed levels（SL）

注意:以每秒比特?cái)?shù)為計(jì)算單位的吞吐量取決于ARQ協(xié)議的執(zhí)行，不能從物理數(shù)據(jù)速率和誤碼率推斷出來。

圖1中顯示了傳輸速率與每比特的標(biāo)準(zhǔn)能量（Eb/No）有關(guān)。由于不同的音頻數(shù)（2～18）和不同的調(diào)制方式（DBPSK/DQPSK），該圖沒有顯示關(guān)于信道的信噪比（SNR）的性能。圖2表示了信道帶寬為3 kHz時(shí)，不同傳輸速率下的信噪比與誤碼率間的關(guān)系。不同的傳輸速率覆蓋較寬的信噪比范圍。對(duì)于傳輸速率6（SL6）的最大吞吐量，要求信道的信噪比（SNR）要達(dá)到14 dB。

3 振幅因數(shù)與發(fā)射機(jī)輸出功率

PACTOR-Ⅲ信號(hào)的一個(gè)重要特性是它的低振幅因數(shù)（CF），尤其是在低速率級(jí)別時(shí)。大多數(shù)高頻放大器都有峰值功率限制，并且使用峰值功率自動(dòng)控制（ALC）。PACTOR-Ⅲ比多載波模式提供了更大的發(fā)射機(jī)功率。例如，在使用同樣的功率放大器時(shí)，正交頻分多路復(fù)用（OFDM）模式將會(huì)增加接收機(jī)的信噪比。在傳輸速率達(dá)到級(jí)別4（SL4）時(shí)，PACTOR-Ⅲ下振幅因數(shù)相當(dāng)于單載波傳輸模式下的振幅因數(shù)。而當(dāng)傳輸速率級(jí)別達(dá)到5（SL5）或者6（SL6）時(shí)，振幅因數(shù)（CF）比典型的OFDM模式低3 dB左右，因此可使均方根功率翻倍。就數(shù)字無線電設(shè)備而言，如果電碼較弱，即誤碼率大于2/3，單載波模式比OFDM模式要好得多。非常頻繁地切換頻道時(shí)，無碼傳輸時(shí)采用OFDM模式將會(huì)使傳輸變得很差。當(dāng)電碼很強(qiáng)即誤碼率≤1/2時(shí)，OFDM模式比單載波模式要稍好一些。

以上結(jié)果基于以下2個(gè)假設(shè):

1）2 種模式下發(fā)射的均方根功率是一樣的，也就是說OFDM模式的峰值功率要比單載波傳輸模式下高幾個(gè)dB;

2）單載波傳輸模式須使用1個(gè)合適的DFE均衡器（不能使用MLSE均衡器，因?yàn)槠涿}沖響應(yīng)太長(zhǎng)）。如果峰值功率保持不變，那么單載波傳輸模式在所有合理的碼速下運(yùn)行得會(huì)更好，但是需要1個(gè)最佳的DFE均衡器。PACTOR-Ⅲ提供了1個(gè)解決方案，不僅可以使振幅因數(shù)最小化，而且避免使用均衡器。均方根輸出功率隨著傳輸速率和振幅因數(shù)（CF）的變化而變化，接收機(jī)的信噪比也會(huì)相應(yīng)改變，如圖2所示。

4 周期

在標(biāo)準(zhǔn)模式下，ARQ周期為1．25 s（短周期）和3．75 s（數(shù)據(jù)模式），這是獲得與先前的PACTOR標(biāo)準(zhǔn)容易兼容要求之一。由于信號(hào)傳播和設(shè)備轉(zhuǎn)換延遲，PACTOR-Ⅲ能建立最遠(yuǎn)達(dá)20 000 km的ARQ鏈路。為進(jìn)一步擴(kuò)展最大傳輸距離，需采用長(zhǎng)路徑模式（Long Path Mode），在此模式下，ARQ鏈路能達(dá)到40 km。此模式下ARQ短周期為1．4 s，數(shù)據(jù)模式為4．2 s。呼叫臺(tái)將FSK（移頻鍵控）鏈接幀中呼號(hào)的第1個(gè)字節(jié)取反，在長(zhǎng)路徑模式下建立通信鏈路。

5 數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和控制信號(hào)

除了數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度有所不同外，PACTOR-Ⅲ數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和先前的PACTOR很相似。數(shù)據(jù)包由1個(gè)包頭、1個(gè)可變數(shù)據(jù)塊、1個(gè)狀態(tài)字節(jié)和1個(gè)冗余校驗(yàn)字節(jié)組成。數(shù)據(jù)包頭有可變數(shù)據(jù)包頭和固定數(shù)據(jù)包頭2種，其中有16個(gè)可變數(shù)據(jù)包頭，每個(gè)由8個(gè)符號(hào)組成，用音頻5和音頻12交替?zhèn)魉?。每個(gè)數(shù)據(jù)包頭有4位信息編碼，第1位為請(qǐng)求狀態(tài)，0表示重復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)包;第2、3位表示1～4級(jí)傳輸速率;5級(jí)和6級(jí)傳輸速率是由另外可解析固定數(shù)據(jù)包頭來定義;第4比特位定義當(dāng)前的周期類型，0代表短周期，1代表數(shù)據(jù)模式周期。表3列出了可變數(shù)據(jù)包頭的定義（16進(jìn)制）。

表3 可變數(shù)據(jù)包頭定義（啟動(dòng)音頻5和音頻12）Tab．3Definitions of the variable packet headers （initiating tones 5 and 12）

其余的音頻，如音頻1-4，6-11和13-18由固定數(shù)據(jù)包頭引導(dǎo)，表示各自的音頻，而不傳送其他附加信息。它們分別支持頻率跟蹤、ARQ存儲(chǔ)、收聽模式、傳輸速率5和6的監(jiān)測(cè)，見表4。

表4 固定數(shù)據(jù)包頭定義（啟動(dòng)音頻為1-4，6-11，13-18）Tab．4Definitions of the constant packet headers （initiating tones 1-4，6-11，13-18）

數(shù)據(jù)包頭后面是數(shù)據(jù)塊區(qū)，用于傳送用戶信息。在6種不同的傳輸速率下，短周期中傳送5，23，59，122，212和284有效信息字節(jié);而在長(zhǎng)周期中傳送36，116，276，556，956和1276有效信息字節(jié)。在某一周期內(nèi)，如果全部音頻載波上傳送的全部數(shù)據(jù)的解交織和譯碼后，就獲得了實(shí)際的信息包，它是由用戶數(shù)據(jù)、1個(gè)狀態(tài)字節(jié)和2個(gè)冗余循環(huán)校驗(yàn)字節(jié)組成。狀態(tài)字節(jié)的第0和1位定義了數(shù)據(jù)包是否為重復(fù)發(fā)送;第2，3和4位定義壓縮數(shù)據(jù)的類型;第5位表示當(dāng)發(fā)射緩沖器字符數(shù)超過一定值時(shí)提出轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)模式;第6位表示完全轉(zhuǎn)變請(qǐng)求;第7位開啟鏈路終端協(xié)議;數(shù)據(jù)包的最后部分是按照CCITT-CRC16標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的16位冗余循環(huán)校驗(yàn)碼，如圖3所示。

與PACTOR-Ⅱ一樣，PACTOR-Ⅲ使用同樣的1組6種20位控制信號(hào)（CS）。它們同時(shí)在音頻載波5和音頻載波12發(fā)送，相互間具有盡可能大的漢明碼距。

為了對(duì)控制信號(hào)（CS）的檢測(cè)允許使用交叉相關(guān)法，因其具有高相關(guān)增益，用軟判決法引導(dǎo)正確的檢測(cè)，甚至連微弱的控制信號(hào)（CS）也能檢測(cè)到?？刂菩盘?hào)1（CS1）和控制信號(hào)2（CS2）用于確認(rèn)/請(qǐng)求重發(fā)數(shù)據(jù);控制信號(hào)3（CS3）執(zhí)行強(qiáng)行拆線;控制信號(hào)4 （CS4）和控制信號(hào)5（CS5）用于處理傳輸速率改變: CS4代表速率增加一級(jí);CS5起到NAK（沒有收妥）作用請(qǐng)求重復(fù)先前的數(shù)據(jù)包，同時(shí)降低一級(jí)速率;控制信號(hào)6（CS6）用于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和模式切換，即當(dāng)在短周期時(shí)，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度請(qǐng)求切換到長(zhǎng)周期模式，反之易然。所有的控制信號(hào)（CS）都是在DBPSK方式下發(fā)送，以獲得最強(qiáng)的信號(hào)。

6 信號(hào)特征和實(shí)際考慮

用FSK PACTOR標(biāo)準(zhǔn)來建立初始鏈接，2個(gè)電臺(tái)之間有±80 Hz的頻率偏差，這與PACTOR-Ⅱ模式類似。當(dāng)轉(zhuǎn)換到DPSK模式時(shí)，由于在精度和穩(wěn)定性上提出了更高的要求，所以其調(diào)制解調(diào)器要提供1個(gè)有效的追蹤算法來補(bǔ)償頻偏，并與信號(hào)精確匹配。

PACTOR-Ⅲ信號(hào)提供了很高的頻譜沿，以避免鄰近的信道溢出。因此，低品質(zhì)的音頻濾波器可能會(huì)造成收發(fā)雙方在高速率級(jí)上側(cè)音頻失真。為了部分地補(bǔ)償這個(gè)問題，其調(diào)制解調(diào)器使用補(bǔ)償命令分2步分別增強(qiáng)信號(hào)邊緣振幅，此功能在PACTOR-Ⅲ發(fā)射均衡器中定義。0表示關(guān)閉功能，1表示中等調(diào)節(jié)，2表示增強(qiáng)信號(hào)側(cè)音頻。

此外，由于不同的音頻載波設(shè)置與用于初始鏈路設(shè)置的FSK模式有關(guān)，隨著自動(dòng)切換到PACTOR-Ⅲ模式，可能產(chǎn)生信號(hào)中心頻率轉(zhuǎn)換。所以，音頻設(shè)置應(yīng)注意和網(wǎng)絡(luò)中的其他臺(tái)相適應(yīng)，以確保連接的2臺(tái)不發(fā)生偏差，并且PACTOR-Ⅲ信號(hào)應(yīng)對(duì)稱地處在濾波器的帶寬中。通常，PACTOR-Ⅲ鏈路收發(fā)雙方設(shè)置相同的音頻。建議將音頻設(shè)置在4上，即將FSK音頻設(shè)置為1 400 Hz和1 600 Hz，在PACTOR-Ⅲ中心頻率1 500 Hz上下平衡，以避免PACTOR-Ⅲ用戶之間的不兼容，如圖4所示。

海上高頻電子郵件技術(shù)可以代替目前的窄帶直接印字電報(bào)（NBDP）進(jìn)行常規(guī)通信，未來或許用其進(jìn)行遇險(xiǎn)與安全通信。這項(xiàng)通信技術(shù)一旦在海上中/高頻段廣泛采用，將迎來海上通信的又一次大變革。

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