屠文超,江天嬌,葉向陽,郭友波

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077;2.空軍司令部信息化部 自動化站,北京 100843;3.解放軍93811部隊 13分隊,蘭州 730020)

1 引 言

短波通信具有組建開通快、抗毀能力強(qiáng)和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn),一直是世界各國重點(diǎn)發(fā)展的軍事通信手段之一。美軍作為世界短波通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的引領(lǐng)者,其短波通信標(biāo)準(zhǔn)被世界各國軍方廣泛研究和參考。自第一代短波通信標(biāo)準(zhǔn)于20世紀(jì)80年代制定,目前已經(jīng)發(fā)展到第三代,技術(shù)特征呈現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)是美國國防部強(qiáng)制制定、適用于窄帶和寬帶短波戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)可確保各平臺之間的互操作性,有效提升調(diào)制解調(diào)器性能,同時為新型調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計提供參考。

目前,該系列標(biāo)準(zhǔn)共有MIL-STD-188-110A/B/C 3個版本,其中,MIL-STD-188-110A[1](正文部分以110A表示)和MIL-STD-188-110B[2](正文部分以110B表示)標(biāo)準(zhǔn)為短波窄帶數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn),帶寬和數(shù)據(jù)速率具有一定的局限性;最新版本的MIL-STD-188-110C[3](正文以110C表示)標(biāo)準(zhǔn)重新定義了一系列短波寬帶波形,這些寬帶波形在110B標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了帶寬,提高了數(shù)據(jù)速率和抗干擾能力,通信效能得到了有效提升。110C也是世界上第一個完全意義上的短波寬帶數(shù)據(jù)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

2.1 MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)介紹

MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)自1991年發(fā)布第一版以來,一直備受業(yè)界高度關(guān)注,我國也將其作為制定短波通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和重要參考。隨著應(yīng)用需求的變化和技術(shù)的不斷成熟,MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地改進(jìn)和完善,此后分別于2000年4月和2011年9月發(fā)布了該系列標(biāo)準(zhǔn)的第二版110B和第三版110C。在MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中,設(shè)計者們還參考了如STANAG 4197[4]等其他通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,使110系列標(biāo)準(zhǔn)具有廣泛的普適性。

110A標(biāo)準(zhǔn)采用1.5 kHz帶寬,調(diào)制方式為 8-PSK,數(shù)據(jù)速率在不加編碼的條件下只有4 800 bit/s,目前我國短波調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)大多以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)而建立。110B標(biāo)準(zhǔn)是110A標(biāo)準(zhǔn)的升級版,加入了新的調(diào)制方式種類,帶寬增加到3 kHz,數(shù)據(jù)速率在不加編碼的條件下最高可達(dá)12 800 bit/s,基本滿足了當(dāng)時的需求。該標(biāo)準(zhǔn)采用了FEC糾錯編碼與交織編碼,提高了糾錯能力。與前兩版相比較,110C標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上有了質(zhì)的飛躍。該標(biāo)準(zhǔn)采用了寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),最大帶寬可達(dá)24 kHz,最高數(shù)據(jù)速率也達(dá)到了120 kbit/s,大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男芎涂煽啃?。?jīng)過20多年的不斷積累和發(fā)展,MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為了事實上的短波通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對世界短波通信的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

2.2 MIL-STD-188-110C

2011年9月23日,美國防部正式頒布了由Harris和Rockwell Collins公司共同參與設(shè)計的MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)的最新版本——110C。與110B標(biāo)準(zhǔn)中的短波窄帶調(diào)制系統(tǒng)相比,110C標(biāo)準(zhǔn)重新定義了以3 kHz為間隔、最大24 kHz帶寬、最高數(shù)據(jù)速率120 kbit/s(共計33種速率)的13種寬帶調(diào)制波形。110C標(biāo)準(zhǔn)對交織技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,取消了Very Short和Very Long兩種交織類型[2],使交織深度的最短平均值為0.12 s、最長平均值為7.68 s。編碼方面,采用了基于約束長度為7或9的卷積碼[5],利用去冗余和重復(fù)譯碼技術(shù)得到了最低1/16、最高9/10的編碼率[6]。基于短波信道特性,用戶可以依據(jù)不同的需求選擇帶寬和調(diào)制波形,使調(diào)制解調(diào)器的效能達(dá)到最優(yōu)。目前,Harris公司已設(shè)計出能夠完全適應(yīng)新型短波寬帶數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)的原型機(jī),于2010年6月分別在3 kHz、6 kHz、12 kHz和24 kHz的帶寬上對110C 標(biāo)準(zhǔn)草案進(jìn)行了模擬信道測試和空中性能測試[7]。

110C標(biāo)準(zhǔn)的頒布,從根本上改變了以窄帶為主的短波數(shù)據(jù)通信體制,為短波通信全面跨入寬帶通信時代打下了堅實的基礎(chǔ)。

3 110C標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制特征

110C標(biāo)準(zhǔn)相比于110B標(biāo)準(zhǔn)在調(diào)制技術(shù)方面有了很大程度的改進(jìn)與提高[6],主要體現(xiàn)在帶寬、數(shù)據(jù)速率和調(diào)制方式上,這3個方面是調(diào)制解調(diào)的重要技術(shù)特征,并且三者之間具有緊密的聯(lián)系。具體參數(shù)如表1所示。

表1 短波寬帶數(shù)據(jù)波形相關(guān)參數(shù)Table 1 Wideband HF data waveforms parameter

3.1 帶寬選擇

為滿足應(yīng)用需求,110C標(biāo)準(zhǔn)基于最小3 kHz、最大24 kHz、3 kHz疊加的寬帶信號,相比于110B標(biāo)準(zhǔn)采用3 kHz帶寬的短波窄帶信號,局限性大大降低,并且極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?具有更大的帶寬選擇空間。

3.2 調(diào)制技術(shù)

與110B標(biāo)準(zhǔn)中QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM、64-QAM調(diào)制方式相比,110C標(biāo)準(zhǔn)在調(diào)制方式上增加了Walsh碼、2-PSK、4-PSK和256-QAM等方式。以正交幅度調(diào)制方式為例,110B標(biāo)準(zhǔn)中64-QAM采用標(biāo)準(zhǔn)8×8正方形星座圖的改進(jìn)形式,較110A標(biāo)準(zhǔn)相比取得了更好的峰均比,而110C的256-QAM采用了16×16圓形星座圖,在同一坐標(biāo)系內(nèi),點(diǎn)數(shù)越多代表采用該調(diào)制方式可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘亢皖l帶利用率。

Walsh碼正交調(diào)制[3]是110C標(biāo)準(zhǔn)中最新加入的基于8-PSK不規(guī)則數(shù)據(jù)序列的一種調(diào)制方式。對編碼和交織后的每2位比特而言,該方式能夠產(chǎn)生基于32位符號的重復(fù)Walsh序列,Walsh正交調(diào)制是通過對每2 bit數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的Walsh序列完成的,對應(yīng)關(guān)系如表2所示。按照規(guī)則,二進(jìn)制碼經(jīng)過Walsh正交調(diào)制后得到了八進(jìn)制的Walsh序列,4個Walsh序列重復(fù)8次后得到32位Walsh序列。假設(shè)二進(jìn)制比特為01,那么該序列0404重復(fù)8次后就變?yōu)?,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4。

為了便于識別,每個交織塊的最后2 bit對應(yīng)的Walsh序列規(guī)則有所不同,如表2中特殊Walsh序列規(guī)則所示。

表2 Walsh序列調(diào)制規(guī)則Table 2 The rules of Walsh sequence

3.3 數(shù)據(jù)速率

110B標(biāo)準(zhǔn)在3 kHz帶寬下所能提供的最高數(shù)據(jù)傳輸速率僅為9 600 bit/s,有一定的局限性;而基于短波寬帶數(shù)據(jù)通信的110C標(biāo)準(zhǔn),共定義了33種數(shù)據(jù)速率,最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到了120 kbit/s,極大改善了信息傳輸?shù)男?。其中適用于天波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率從75 bit/s到76.8 kbit/s,適于地波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為12～120 kbit/s。

4 110C標(biāo)準(zhǔn)交織與信道編碼

4.1 交織選擇

交織是通信系統(tǒng)中為對抗信道突發(fā)錯誤而采用的一種技術(shù),就是在最大限度改變信息結(jié)果而不改變信息內(nèi)容的條件下,使信道傳播過程中由于突發(fā)干擾而導(dǎo)致的連續(xù)差錯最大限度的分散化,將其轉(zhuǎn)換成隨機(jī)差錯,有效提高接收端解碼成功率。

110C標(biāo)準(zhǔn)在交織技術(shù)上有了一定的改進(jìn)[3,6,8],如表3所示。一是優(yōu)化了交織機(jī)制[9]。110C標(biāo)準(zhǔn)共定義了4種交織方式,相比110B標(biāo)準(zhǔn)而言做了一定的優(yōu)化,這種優(yōu)化主要是針對短波信道,省略了之前的超短波部分,使得目的更加明確。二是交織深度大幅降低,縮短了信道傳輸時延。由于110C標(biāo)準(zhǔn)取消了 VL(Very Long)交織方式,因此最大交織(Long Short)深度僅為7.68 s,短交織(Short)和中交織(Medium)深度也分別為0.48 s和1.92 s,與110B標(biāo)準(zhǔn)中定義的交織深度相比有了明顯的減小。其中,交織深度為0.12 s的極短交織(Ultra Short)僅適用于地波通信,深度為7.68 s的長交織僅適用于天波通信,短交織和中交織均適用于天波和地波通信。

表3 交織選擇Table 3 Interleaver Options

4.2 信道編碼

為了抵消加性噪聲、碼間串?dāng)_等影響,除了合理選擇調(diào)制方式外,110C還通過采用信道編碼技術(shù)來提高系統(tǒng)的抗干擾性[3,9]。

由于受到某些技術(shù)專利的限制(例如Turbo碼),110C標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼技術(shù)沿用了110A標(biāo)準(zhǔn)中1/2編碼效率、約束長度K=7或K=9的卷積編碼。如圖1所示為K=7的卷積編碼示意圖。

圖1 1/2編碼效率、約束長度為7的卷積編碼示意圖Fig.1 Constraint length 7,rate 1/2 convolutional encoder

其中,多項式

為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的編碼效率,對卷積編碼得到的碼字進(jìn)行去冗余處理,去冗余規(guī)則如表4所示[10]。

以K=7為例,為了獲得3/4系統(tǒng)編碼率,卷積編碼之后的碼字每3 bit中就有一位不能發(fā)送,假定1表示該比特將被發(fā)送,0表示不發(fā)送,那么所用掩碼為110、101,其中,110和 101分別對應(yīng)b0和 b1碼流。

表4 去冗余規(guī)則Table 4 Puncture and repetiton patterns

經(jīng)過去冗余處理,110C標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各波形對應(yīng)的系統(tǒng)編碼率如表5所示。

表5 MIL-STD-188-110C標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)編碼率Table 5 The code rate of MIL-STD-188-110C

5 110C標(biāo)準(zhǔn)信道性能測試

110C標(biāo)準(zhǔn)是由Harris公司和Rockwell Collins公司共同設(shè)計完成的,標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中主要是對帶寬為3 kHz、6 kHz、12 kHz和24 kHz、約束長度為 7 或9的波形在高斯白噪聲信道(AWGN)、中緯度干擾信道(MLDC)中進(jìn)行模擬信道的測試[6]和空中性能測試[7]。因為短波信道具有時變性,在時延、誤碼率等方面對數(shù)據(jù)的傳輸有一定的影響,因此測試的主要目的是對110C標(biāo)準(zhǔn)在沿用110A編碼方式后依然可以取得較好的編碼效果,獲得良好的信噪比。

根據(jù)發(fā)布的測試結(jié)果[6],約束長度為7的卷積碼在帶寬為12 kHz的高斯白噪聲信道下的性能測試結(jié)果與110B標(biāo)準(zhǔn)附錄C的波形性能相同,4個測試帶寬下的信噪比均在0.5 dB內(nèi);約束長度為9的卷積碼在上述條件下的信噪比為1 dB。在中緯度干擾信道下,約束長度為7的卷積碼的信噪比維持在1 dB內(nèi),約束長度為9的卷積碼的信噪比最大能達(dá)到1 dB。

可見,在以上兩種信道環(huán)境下,約束長度為9的卷積碼比約束長度為7的卷積碼在性能上具有一定的優(yōu)勢,同時也說明了110C標(biāo)準(zhǔn)在沿用110A的編碼方式后能夠取得很好的編碼效果。

6 結(jié) 語

當(dāng)前,短波數(shù)據(jù)通信正隨著信息技術(shù)進(jìn)步和軍事應(yīng)用需求的擴(kuò)展而快速發(fā)展。110C標(biāo)準(zhǔn)改變了傳統(tǒng)意義上的短波數(shù)據(jù)通信體制,將寬帶技術(shù)應(yīng)用到短波通信中,大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男芎涂煽啃?。本文通過介紹美軍110C標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制特征、交織與信道編碼等重要技術(shù),將該標(biāo)準(zhǔn)與110B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較與分析,指出了110C標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢,為我國短波寬帶數(shù)據(jù)通信的發(fā)展提供了一個很好的參照。隨著短波寬帶數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展,美軍和北約已開始著手研制基于110C標(biāo)準(zhǔn)的新型短波通信設(shè)備。在未來對短波通信標(biāo)準(zhǔn)的研究中,如何吸收最新技術(shù)和優(yōu)秀成果,獲取有益借鑒,是今后的研究重點(diǎn)。

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