賈　琦　李　娜

(中國(guó)電子北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司　北京　102209)

JIA Qi　LI Na

(CEC.Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development CO.,LTD, Beijing　102209)

?

甚低頻信道數(shù)據(jù)傳輸性能仿真與分析*

賈琦李娜

(中國(guó)電子北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司北京102209)

論文針對(duì)甚低頻通信信道，從發(fā)信機(jī)功率合成原理與輻射天線特點(diǎn)入手，分析了甚低頻信道對(duì)數(shù)字調(diào)制方式的要求，通過(guò)研究幾種常見(jiàn)調(diào)制方式的誤碼率性能、功率譜密度及信號(hào)占用帶寬特性，以此分析出適用于甚低頻通信信道的調(diào)制方式，最后對(duì)MSK調(diào)制方式下的甚低頻信道數(shù)據(jù)傳播能力進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，以MSK調(diào)制方式作為甚低頻信道的數(shù)字調(diào)制方式，可得到較好的傳輸性能。

甚低頻通信; 數(shù)據(jù)傳輸性能; MSK

JIA QiLI Na

(CEC.Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development CO.,LTD, Beijing102209)

Class NumberTP391

1　引言

對(duì)潛通信是海軍特有的通信，也是重要的戰(zhàn)略通信，必須確保有效穩(wěn)定與可靠。甚低頻通訊具有可靠性高、傳播距離遠(yuǎn)、能夠一定程度地穿透海水等優(yōu)點(diǎn)。目前，甚低頻通信仍然是世界各國(guó)應(yīng)用最為廣泛的、技術(shù)最為成熟的對(duì)潛通信手段，因此開(kāi)展甚低頻信道數(shù)據(jù)傳輸性能研究與分析，對(duì)甚低頻通信技術(shù)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義與軍事價(jià)值[1]。

1.1甚低頻通信系統(tǒng)組成

VLF通信系統(tǒng)一般由VLF發(fā)信終端機(jī)、VLF激勵(lì)器、VLF發(fā)信機(jī)、VLF發(fā)/收信天線、VLF收信機(jī)、VLF收信終端機(jī)等組成，為了提高系統(tǒng)輸出效率，采用多功率放大器并機(jī)技術(shù)。

1) 大功率發(fā)信機(jī)與功率合成

在甚低頻通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作頻率一般在10kHz～45kHz區(qū)間內(nèi)，甚低頻發(fā)射機(jī)的輸出功率通?？梢赃_(dá)到100kW～2000kW，因此目前滿足該功率等級(jí)的功率合成常用的固態(tài)開(kāi)關(guān)管主要有MOSFET和IGBT兩大類，在功率合成原理上兩種器件基本類似，即以單個(gè)功率橋?yàn)榛締卧?，進(jìn)行功率的疊加[2]。圖1以二階IGBT合成為例說(shuō)明。

圖1　基于IGBT的功率合成技術(shù)

在甚低頻發(fā)射機(jī)的輸出功率較大時(shí)，所需的基本功率橋單元往往較多，為保證發(fā)射機(jī)穩(wěn)定可靠高效率的工作，除對(duì)發(fā)射機(jī)的散熱和穩(wěn)定性需做特殊設(shè)計(jì)外[3]，還需精確控制每個(gè)橋的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，因此對(duì)調(diào)制信號(hào)的某些特性提出了一定的要求[4]。

2) 甚低頻發(fā)射天線及調(diào)諧

發(fā)射天線是一種將電能變換成傳播型電磁能的電氣裝置[5]。一般甚低頻天線都具有加頂負(fù)載的垂直分量，它對(duì)地電位等效為一個(gè)電容，由于輻射電阻較小，天線Q值就比較高。調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是將發(fā)射機(jī)與天線相匹配，使發(fā)射機(jī)在工作頻率上輸出最佳功率。當(dāng)饋送至天線的功率不斷增大而最終達(dá)到某個(gè)點(diǎn)而使電壓達(dá)到某個(gè)數(shù)值后，在此電壓上天線就不能安全工作了。因此經(jīng)常將天線看做是一個(gè)電壓受限制的裝置[6]。

3) 美國(guó)緬因州的卡特勒天線

緬因州的卡特勒天線建于1961年初，是目前功率輻射性能最好、效率最高的甚低頻天線[7]，其示意圖如圖2所示。

圖2　美國(guó)海軍緬因州卡特勒甚低頻發(fā)射天線

基本上天線由兩幅相同的結(jié)構(gòu)組合而成，每副天線都具有兩個(gè)相同的平頂負(fù)載，構(gòu)成六邊形天線陣[8]。圖3為該天線的帶寬-頻率特性。從數(shù)據(jù)可以看出，天線3dB帶寬隨頻率的升高而變大，在30kHz時(shí)可以達(dá)到約450Hz的帶寬?？ㄌ乩仗炀€的帶寬-頻率特性具備一般天線的性。

圖3　卡特勒天線帶寬-頻率特性圖

1.2甚低頻通信的特點(diǎn)

甚低頻通信也具有其余通信手段不同的特點(diǎn)，根據(jù)甚低頻發(fā)信機(jī)功率合成原理與發(fā)射天線的特性，甚低頻通信屬于功率和帶寬同時(shí)受限的通信系統(tǒng)，其功率資源和帶寬資源同等重要。可靠性(信號(hào)傳輸距離)與有效性(信號(hào)傳輸速率)是評(píng)價(jià)該系統(tǒng)性能的主要技術(shù)指標(biāo)。改善與提高長(zhǎng)波通信系統(tǒng)的性能，應(yīng)結(jié)合不同的應(yīng)用背景，尋找功率效率與帶寬效率、有效性與可靠性之間的最佳平衡點(diǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　數(shù)字調(diào)制方式特性分析

在設(shè)計(jì)一套數(shù)字傳輸系統(tǒng)時(shí)，選擇何種數(shù)字調(diào)制方式是一個(gè)必須要考慮的重要問(wèn)題。但數(shù)字調(diào)制方式的選擇往往是頻帶利用率、誤比特率、歸一化信噪比Eb/N0和設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性等因素綜合考慮的結(jié)果，必須根據(jù)具體使用條件及應(yīng)用背景進(jìn)行綜合比較才能做出判斷。

據(jù)有擾連續(xù)信道的信道容量可知?dú)w一化信噪比必隨C/W指數(shù)增長(zhǎng)[9]。另一方面，當(dāng)C/W→0時(shí)，有：

(1)

可得實(shí)現(xiàn)無(wú)誤傳輸所需要的最低的Eb/N為-1.6dB，稱為香農(nóng)容量極限[10]。圖4仿真了幾種數(shù)字調(diào)制方式(未加入預(yù)編碼)的Eb/N0-BER性能曲線圖和譜密度。

圖4　調(diào)制信號(hào)誤碼率曲線圖

圖5　調(diào)制信號(hào)功率譜密度示意圖

圖6仿真了MSK與PSK調(diào)制方式99%能量占用帶寬示意圖。

圖6　不同調(diào)制方式99%能量占用帶寬

而實(shí)際所需要的頻帶寬度不但與數(shù)字調(diào)制方式有關(guān)，還與帶寬的定義有關(guān)。表1列出了幾種調(diào)制方式的99%能量帶寬及在誤比特率為10-4的情況下，調(diào)制方式所要求的歸一化信噪比，表1中帶寬以比特率進(jìn)行歸一化，單位為Hz/b/s。

硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度、實(shí)際信道特性、發(fā)信系統(tǒng)天線帶寬等都是調(diào)制方式選擇中需要考慮的問(wèn)題，應(yīng)綜合各方因素，平衡考慮有效性與可靠性性能，選取適用于通信信道及應(yīng)用背景的調(diào)制方式。

表1　幾種常見(jiàn)數(shù)字調(diào)制方式解調(diào)信噪比及信號(hào)帶寬

3　調(diào)制方式的選擇與傳輸性能仿真分析

3.1甚低頻通信信號(hào)調(diào)制方式選擇

為保證甚低頻信號(hào)在水下傳輸深度，發(fā)信頻率不能太高，這樣就造成在較適合的工作頻率上發(fā)信帶寬只有100Hz左右。所以甚低頻通信使用的調(diào)制方式要能夠在較窄的帶寬內(nèi)集中最大的能量，才能有效地將能量輻射出去。同時(shí)由于發(fā)射機(jī)功率較大，調(diào)諧輸出系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)制方式還要適應(yīng)發(fā)射機(jī)的放大方式、調(diào)諧電路形式和電源供電能力。因此甚低頻信道的特點(diǎn)決定了其所采用的調(diào)制方式應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：1)對(duì)信噪比的要求盡量低；2)功率利用率盡量高；3)頻帶利用率盡量高；4)發(fā)送端采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式；5)信號(hào)包絡(luò)恒定。

MSK調(diào)制方式在甚低頻通信中的性能優(yōu)勢(shì)分析如下：

1)MSK調(diào)制方式解調(diào)信噪比要求較低

MSK調(diào)制與QPSK調(diào)制在誤比特率10-4時(shí)，Eb/N0均為8.4dB。QPSK調(diào)制方式雖然具有頻帶利用率較高的優(yōu)點(diǎn)，但使用MSK調(diào)制方式并進(jìn)行調(diào)制系數(shù)優(yōu)化后，可以達(dá)到與QPSK相同的頻帶利用率，即兩者處理增益相等。

2)MSK調(diào)制方式信號(hào)包絡(luò)恒定，功率利用率較高

在達(dá)到要求的輸出平均功率時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出功率穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)調(diào)諧等設(shè)備造成沖擊，功放功率裕量要求低；對(duì)供電電源的容量要求確定，無(wú)需供電系統(tǒng)保留過(guò)大的裕量。QPSK調(diào)制方式信號(hào)包絡(luò)不恒定，信號(hào)的峰均比(峰值功率與平均功率之比)較MSK大的多，若要達(dá)到與MSK調(diào)制方式相同的輸出平均功率，發(fā)射機(jī)輸出峰值功率要遠(yuǎn)大于平均功率。此時(shí)需要發(fā)射機(jī)功放、供電系統(tǒng)有數(shù)倍于平均功率的功率裕量以應(yīng)對(duì)瞬時(shí)功率大幅增加情況，造成發(fā)射機(jī)功放、供電系統(tǒng)數(shù)量、體積及投資的大幅增加。

3)MSK調(diào)制方式能量集中

MSK調(diào)制方式99%的能量集中在1.2/Tb的帶寬內(nèi)，可以充分利用甚低頻天線有限的帶寬輻射出盡可能多的能量。QPSK調(diào)制方式99%的能量集中在10.3/Tb的帶寬內(nèi)，有較多能量已超出甚低頻天線帶寬范圍而無(wú)法有效輻射，造成發(fā)送的信號(hào)會(huì)有較大失真。

4)MSK調(diào)制方式相位連續(xù)

MSK調(diào)制方式相位是連續(xù)的，信號(hào)的波形無(wú)突變，不會(huì)對(duì)調(diào)諧、天線等系統(tǒng)造成沖擊，發(fā)射機(jī)控制簡(jiǎn)單，安全性高。QPSK調(diào)制方式相位不連續(xù)，信號(hào)的波形有突變，造成發(fā)射機(jī)控制困難，容易發(fā)生打火等損壞發(fā)射機(jī)的情況，安全性差。

綜上所述，MSK調(diào)制方式能量集中在較窄的帶寬內(nèi)，信號(hào)包絡(luò)恒定，峰均比小，對(duì)發(fā)射機(jī)功放、供電、調(diào)諧、天線等系統(tǒng)沖擊小、設(shè)備裕量要求低，不會(huì)出現(xiàn)打火等損害發(fā)射機(jī)的情況，控制簡(jiǎn)單，安全性高，這些都是QPSK調(diào)制方式所不具備的。而且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，MSK可以達(dá)到與QPSK相同的頻帶利用率。因此，MSK調(diào)制方式更加適合天線帶寬窄、發(fā)射機(jī)功率大的甚低頻通信系統(tǒng)，而QPSK調(diào)制方式從各方面來(lái)說(shuō)都不適合應(yīng)用于甚低頻通信系統(tǒng)中。當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家海軍使用的甚低頻數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)均無(wú)使用QPSK調(diào)制方式的先例，同時(shí)也佐證了論文的觀點(diǎn)。

3.2甚低頻信道數(shù)字傳輸性能

1) 甚低頻通信速率性能仿真

根據(jù)前面的分析，甚低頻通信系統(tǒng)的速率與實(shí)際發(fā)信帶寬有關(guān)，當(dāng)發(fā)信帶寬限定后，發(fā)信速率決定于調(diào)制方式、工作頻率等參數(shù)。根據(jù)甚低頻信道與發(fā)信機(jī)大功率輸出的特點(diǎn)，選取信號(hào)能量集中、信號(hào)占用帶寬小、相位連續(xù)且恒包絡(luò)的MSK信號(hào)作為調(diào)制方式。圖7仿真了基于卡特勒天線在不同工作頻率下，使用MSK調(diào)制方式在信號(hào)能量99%帶寬和半功率帶寬所能達(dá)到的極限傳輸速率。

從仿真結(jié)果可以看出，在甚低頻信道，MSK信號(hào)的傳輸速率受制于當(dāng)前工作頻率的天線帶寬，其隨頻率的升高而變大。

2) 甚低頻信號(hào)傳播性能仿真

甚低頻發(fā)射機(jī)在中距離產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，可以用地波和一次或兩次反射的天波之和來(lái)近似。圖8仿真了15kHz與30kHz兩種頻率下，使用相同功率發(fā)射甚低頻信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度傳播曲線。

圖7　甚低頻通信MSK調(diào)制方式極限傳輸速率

圖8(a)是工作頻率為15kHz時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化的曲線，選取參數(shù)：輻射功率100kW,σ=0.003(S/m)。圖8(b)是工作頻率為30kHz時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化的曲線，選取參數(shù)：輻射功率100kW,σ=0.003(S/m)。

圖8　15kHz和30kHz信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化的曲線

圖9仿真了在20kHz頻率下，選取參數(shù)輻射功率100kW,天線輻射位置處于中國(guó)中東部，電天線電氣特性參考美國(guó)卡特勒天線，等效電高度取200m，甚低頻信號(hào)的傳播性能分布圖，可以看出，在該參數(shù)設(shè)置下，在1萬(wàn)公里范圍內(nèi)，可以獲得較好的信噪比，如接收天線處于水下，大約可保障6000km～8000km公里范圍內(nèi)的可靠接收。

圖9　甚低頻信傳播性能仿真示意圖

需要說(shuō)明的是，甚低頻場(chǎng)強(qiáng)傳播大小與發(fā)生的時(shí)間、路徑的導(dǎo)電率、大氣無(wú)線電噪聲場(chǎng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的緯度、天線效率、信號(hào)調(diào)制方式、入水深度等因素有關(guān)，因此以上仿真計(jì)算值僅供參考。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)甚低頻發(fā)信功率合成原理和發(fā)信天線特點(diǎn)的淺要分析以及對(duì)各種不同數(shù)字調(diào)制方式的性能對(duì)比，MSK調(diào)制方式相對(duì)于其他常見(jiàn)調(diào)制方式而言較適用于發(fā)信帶寬受限的甚低頻通信信道。論文最后仿真了在甚低頻通信信道下基于MSK調(diào)制方式的數(shù)據(jù)傳輸速率與頻率的關(guān)系、傳播性能，仿真結(jié)果表明基于MSK調(diào)制方式的甚低頻信道數(shù)據(jù)傳輸，可以獲得較為理想的傳輸性能。

[1] 沃特.甚低頻無(wú)線電工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1973.

[2] 譚宇.對(duì)潛通信系統(tǒng)及其發(fā)展前景[J].現(xiàn)代通信技術(shù),1995(3):28-35.

[3] 宋錚,張建華,黃冶.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[4] 董穎輝，柳超，翟琦.甚低頻固態(tài)發(fā)射機(jī)功率器件分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(11)：100-102.

[5] 付貞,溫東,姜波.甚低頻大氣噪聲中的MSK通信系統(tǒng)仿真[J].艦船電子工程,2010，30(1)：98-101.

[6] 王永斌,柳超.低頻甚低頻氣球天線電參數(shù)的計(jì)算[J].海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000(2):1-4.

[7] 董穎輝,蔣宇中,張靜.基于MSK功率譜的甚低頻發(fā)射系統(tǒng)頻率特性研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(3):597-602.

[8] 胡敏，肖大光.一種MSK信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)新算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(10)：123-125.

[9] 柳超，董穎輝，朱衛(wèi)國(guó).甚低頻發(fā)射系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代通信技術(shù)，2001(4).

[10] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

Simulation and Analysis of VLF Channel Digital Transmission Performance*

Starting from the way to create the characteristics of transmitter power and antenna radiation for the VLF communication channel, the requirements of VLF communication channel to digital modulation are analyzed, the modulation which applies to VLF communication channel can be analyzed by studying from BER modulation, power spectral density (PSD) and feature of Bandwidth occupied by signal, the VLF channel transmission ability is simulated in MSK at the end of the paper. The performance shows that preferable VLF channel transmission ability can be realized in MSK modulation.

VLF communication, performance of digital data transmission, MSK

2016年2月11日,

2016年3月26日

賈琦,男,碩士研究生,工程師,研究方向：通信工程。李娜,女,碩士研究生,工程師,研究方向：信息管理與信息系統(tǒng)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.028