李麗華
(海軍工程大學(xué),武漢 430033)
為了避免短波跳頻通信受電離層和電磁干擾的影響,可能會隨機(jī)地出現(xiàn)部分頻率通信鏈路無法建立的情況,1995年,J.Zander提出短波自適應(yīng)跳頻的概念[1],將頻率自適應(yīng)通信技術(shù)與跳頻通信技術(shù)結(jié)合,對跳頻頻率表進(jìn)行實時優(yōu)化,從而避免盲跳頻,提高了通信的可通率。在短波自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中,自適應(yīng)控制器的設(shè)計是關(guān)鍵,這里的自適應(yīng)控制器除了要具備定頻通信系統(tǒng)中鏈路質(zhì)量分析等功能外,還要能夠根據(jù)分析的信道質(zhì)量結(jié)果剔除壞頻點和調(diào)整發(fā)射機(jī)的功率大小,實現(xiàn)頻率和功率自適應(yīng)控制。本文對頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)進(jìn)行了研究,從硬件和軟件兩個方面設(shè)計了一種適合短波低速跳頻的自適應(yīng)控制器。
短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)與常規(guī)的跳頻通信系統(tǒng)的主要區(qū)別在于增加了一個實時鏈路質(zhì)量分析器。在發(fā)信方,跳頻序列產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制跳頻頻率表,使頻率合成器按照當(dāng)前頻率圖樣中的樣點產(chǎn)生對應(yīng)的頻率,定頻的已調(diào)短波射頻信號通過跳頻調(diào)制器就實現(xiàn)了在指定短波頻段的偽隨機(jī)跳變。在收信方,跳頻解調(diào)器通過相關(guān)算法完成解跳;實時鏈路質(zhì)量分析器根據(jù)實時接收到的信號,采取實時信道質(zhì)量判決準(zhǔn)則,分析當(dāng)前的跳頻信道質(zhì)量,判斷該信道受到干擾的程度,為頻率自適應(yīng)控制和功率自適應(yīng)控制提供依據(jù)。
對短波時變信道的模擬通常采用 Gilbert Elliot(雙狀態(tài)信道)模型。在此雙狀態(tài)信道模型中,每一個信道都可以看作處于阻塞或暢通這兩個狀態(tài)之一。用P(B)表示某一信道處于阻塞狀態(tài)的概率,用P(G)表示處于通暢狀態(tài)的概率。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以用馬爾可夫鏈來描述,且假設(shè)任一信道兩種狀態(tài)間的假設(shè)是獨立的。兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率分別用r和s表示。
r =P(B|G),s=P(G|B)。另外,用Q表示任一信道干擾功率超過門限值的概率,Q =P(B) =r/(r+s),它反映了發(fā)現(xiàn)信道處于阻塞狀態(tài)的概率。
設(shè) τ0為頻率處于擁塞狀態(tài)的平均時間,則
設(shè)iM表示第i跳中在所選的aq個好頻率中出現(xiàn)的壞頻率數(shù)量,則有
式中m表示在初始狀態(tài)M0下,qa個好頻率中處于擁塞狀態(tài)的頻率數(shù)。
令Pi(m)為第i跳時的誤碼率,PB為頻率處在擁塞狀態(tài)時的誤碼率,PG為頻率處在暢通狀態(tài)時的誤碼率。
假設(shè) PG<<PB,E[Mi/M0=m]<<qa,且把m和pi(m)分別用E[M0]和Pi代替,則在一幀中平均比特誤碼率為
假設(shè)完成一幀數(shù)據(jù)傳送后,通過鏈路質(zhì)量分析選擇的aq個新頻率中壞頻率的平均數(shù)為 [],E B則經(jīng)過了長為fL的反向頻率傳輸時間后,得到開始傳輸數(shù)據(jù)時的平均壞頻率數(shù)為
得到最終的比特誤碼率為
可見比特誤碼率與Q有著密切的關(guān)系,而Q由鏈路質(zhì)量分析挑選好頻率的能力決定。所以,最終的誤碼率與鏈路質(zhì)量分析有很大關(guān)系。鏈路質(zhì)量分析挑選出的平均壞信道數(shù)越少,最終比特誤碼率就越小。
自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)包括頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)和功率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù),這里主要討論頻率自適應(yīng)跳頻控制技術(shù)?;趯崟r鏈路質(zhì)量分析的頻率自適應(yīng)控制技術(shù)主要解決自適應(yīng)跳頻頻率集的配置和更新問題。文獻(xiàn)[1]中的 AFH( adaptive frequency hopping)算法根據(jù)實時鏈路質(zhì)量分析的結(jié)果進(jìn)行判斷,如果當(dāng)前信道屬于雙態(tài)中的壞信道,就從跳頻頻率集中直接刪除。這種算法雖然保證了通信的可靠性,但降低了頻率分集效果。尤其在短波信道中,電離層會實時地發(fā)生變化,而刪除的信道在下一個時間段信道質(zhì)量有可能會提高,因此這種傳統(tǒng)的方法在實際的短波自適應(yīng)跳頻通信應(yīng)用中有一定的局限性。目前國外提出的幾種新的自適應(yīng)跳頻算法各具優(yōu)缺點[4],如表 1所示。根據(jù)分析短波信道時變的特點以及從頻率分集效果、頻率更新方式和軟件實現(xiàn)的步驟三個方面對比這幾種算法,這里自適應(yīng)控制器的頻率自適應(yīng)實現(xiàn)選擇了EAFH算法,雖然EAFH算法是基于無線個人局域網(wǎng)(WPANs)提出的,但是其算法中信道劃分的思想在短波通信系統(tǒng)中尚可借鑒。
本文給出了一種自適應(yīng)跳頻控制器的設(shè)計,它主要由信道交換控制器,偽隨機(jī)序列發(fā)生器,信息處理和調(diào)制解調(diào)器等部分組成。
音頻接口實現(xiàn)信道設(shè)備和自適應(yīng)控制器間音頻信號和控制信號的交換,主要對各路音頻信號進(jìn)行處理,包括自適應(yīng)呼叫時自適應(yīng)音頻的調(diào)整、放大,遠(yuǎn)程遙控發(fā)信機(jī)時PTT音頻的產(chǎn)生、調(diào)整、放大,獨立邊帶音頻輸入經(jīng)過調(diào)整、放大后送到遙控線路,以及話音的壓擴(kuò)、調(diào)整、放大。
信息處理器主要完成自適應(yīng)自動線路建立(ALE)和鏈路質(zhì)量分析(LQA)的功能,它主要由一個數(shù)字信號處理器完成線路信號質(zhì)量分析的過程,完成存貯調(diào)用 LQA信息,并對發(fā)送的信號進(jìn)行編碼,對接收的信號進(jìn)行解碼,軟件設(shè)計完全依據(jù)短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動線路建立規(guī)程和自適應(yīng)跳頻算法。
調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào),主要由電平轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、看門狗電路、輸入輸出音頻處理和二/四線轉(zhuǎn)換等電路組成。
信道交換控制器根據(jù)信息處理器和干擾識別器的輸出結(jié)果來選擇工作信道。
偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列使頻率合成器產(chǎn)生有效的信號。
電源采用交直流轉(zhuǎn)換電源模塊,具有穩(wěn)定、可靠、效率高的特點,共有+5V,+12V,-12V三組電源,提供給自適應(yīng)控制器各部分電路。
該控制器的軟件設(shè)計除了要滿足短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動線路建立規(guī)程外,還要能實現(xiàn)自適應(yīng)跳頻。因此這里主要針對自適應(yīng)跳頻和自適應(yīng)線路建立過程實現(xiàn)了程序設(shè)計。軟件開發(fā)平臺使用linux操作系統(tǒng)和C語言。
首先初始化,然后計算數(shù)據(jù)傳輸信道上的PER,當(dāng)計算的值P1大于平均PER時,進(jìn)一步判斷是不是由于信道中存在嚴(yán)重的干擾造成,即判斷P1是否大于0.5,如果是,暫時將該信道從跳頻頻率集中刪除一段時間,指定該信道是屬于刪除信道中的一個子信道類,否則與數(shù)據(jù)刪除信道中的PER低的信道交換。
在線路建立過程中采用異步模式,無需人工干預(yù),在自適應(yīng)控制器控制下,短波通信系統(tǒng)自動完成ALE、選擇最佳鏈路和路由等接續(xù)任務(wù)以及信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸交換、業(yè)務(wù)管理等信息傳輸任務(wù)。實現(xiàn)步驟如下:
步驟1:開機(jī)后直接進(jìn)入掃描狀態(tài);
步驟 2:當(dāng)發(fā)送建鏈申請后,等待回應(yīng);當(dāng)檢測到收到建鏈申請發(fā)送呼叫應(yīng)答;
步驟3:當(dāng)發(fā)送建鏈申請后,等到呼叫業(yè)務(wù)回應(yīng)后ALE建鏈,沒有等到如果鏈路信道結(jié)束就回到步驟1,如果鏈路信道未結(jié)束就回到步驟2;當(dāng)檢測到收到建鏈申請后ALE建鏈;
步驟4:ALE建鏈后如果發(fā)送業(yè)務(wù)建鏈申請,就開始等待業(yè)務(wù)回應(yīng);ALE建鏈后等待是否受到業(yè)務(wù)建鏈申請;
步驟5:如果等到業(yè)務(wù)回應(yīng)就實現(xiàn)步驟6,
如果沒有等到判斷是否超時,超時回到步驟1,沒有超時重復(fù)步驟5;如果收到業(yè)務(wù)建鏈申請, 就發(fā)送業(yè)務(wù)確定,并實現(xiàn)步驟6,如果沒有收到判斷是否超時,超時回到步驟1,沒有超時重復(fù)步驟4;
步驟6:業(yè)務(wù)鏈路建立。
本文研究了短波自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)中自適應(yīng)控制器的頻率自適應(yīng)算法,并從硬件和軟件兩個方面對自適應(yīng)控制器進(jìn)行了設(shè)計,為進(jìn)一步的實現(xiàn)提供了方法和思路。
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