短波通信中的信道估计与同步技术研究

短波通信中的信道估计与同步技术研究

范宝军倪翔

范宝军倪翔

中航飞机研发中心陕西省723000、

摘要：短波通信和卫星通信是远距离数据传输的两种重要的手段。相比于卫星通信，短波通信凭借大气电离层可以实现上千公里的远距离无线通信。因此，研究短波通信将有着重要的现实意义。本论文主要按照标准MIL-STD-188-1IOCAppendixC研究9600bps传输速率下的短波通信技术。

关键词：短波通信；信道估计；同步技术

引言

短波通信又称髙频通信，它所利用的频段为3MHz-30MHz。随着通信技术发展，将正交频分复用技术应用到短波高频通信系统中，能够有效提升系统的性能。而由于短波通信存在多径效应，并且受多普勒效应的影响，因此对于短波无线通信系统来说，信道估计技术至关重要。

一、短波通信概述

短波通信指的是利用波长范围在lO-lOOm（频率为3-30MHZ）的电磁波来传输信号的无线电通信。短波通信也被称作高频（HF）无线电通信，一直以来，它广泛地应用于军事、外交、气象、政府等重要方面，用来传输文字、语言、图像等信息⑴。短波通信是无线电通信的鼻祖，近代以来，虽然无线电通信开始向超短波、微波以及更高的频段发展，但是短波通信仍然在许多方面扮演着很重要的角色。这是因为短波通信有一些其他通信方式所不具备的优势。短波通信网络中对复杂的枢纽站和中继站没有任何要求，因此构建整个通信网络所需要的成本相对低廉，且和其他的很多需要收费的通信系统相比，它的额外成本很低，是发展中国家的首选通信方式。

短波通信是依靠电离层的反射来实现无线通信，它使用的媒介一一电离层具有不被永久摧毁的特性，并且通常来说短波通信系统中的每个站台既可以作为主站也可以作为从站。若其中的某一些站台被攻击破坏，剩下的部分仍然能够正常地进行通信。而其他的许多有线网络和无线网络都强依赖与中心枢纽，一旦中心枢纽发生问题，整个网络就会瘫痪。从这一点来说，其他通信方式的安全性能都不能和短波通信相媲美。

二、短波信道概述

短波信道是一个典型的复杂信道，信道中的噪声、干扰和深度的衰落，会对数据通信产生很大的影响，使其出现随机差错和突发差错。为了满g更高传输速率的要求，获得更加优良的通信质量，需要采用相干解调系统，采用相干解调的短波系统将有3-4dB的性能提升。在相干解调系统中，需要准确的信道响应估值，以更好地追踪短波信道的变化，提升通信系统的性能。比如，信道均衡算法可以使用由信道估计获得的信道状态信息（CSI）来抵抗码间干扰；分集接收技术利用CSI来完成最佳匹配接收；相干解调需要利用CSI完成符号检测；最大似然检测同样需要利用CSI完成。综上，短波信道不断变化，信道时域冲激响应不断变化，同时多径时延会导致频率选择性衰落，各个子载波受不同程度的衰落影响，这将引起短波系统各个子载波出现不同程度的失真，为了降低多径效应造成的影响，提高性能，就必须要设计准确有效的信道估计算法。

三、短波通信中的信道估计

1、自适应信道估计算法

自适应信道估计不同于传统的信道估计，它主要采用上一时刻获取的滤波器参数，结合算法实时调整当前时刻滤波器系数，以便适应信号和噪声的统计特性，从而实现最优化的信道估计。自适应信道估计由两部分够成：一是滤波器结构；二是自适应算法的设计。其中包括MMSE算法、LS算法、RLS自适应算法、LMS及其改进算法等。

2、插值算法研究

通信中所用到的插值算法主要分为两大类：滤波器插值和多项式插值。滤波器插值主要指的是基于线性滤波器的插值算法，具体实现过程分为三个步骤：第一，设计内插滤波器；第二，对原数字信号中待插值点进行补零处理，形成新的序

列；第三，将新序列通过插值滤波器即可得到插值序列。多项式插值又包含线性插值、抛物线插值、三次样条插值、拉格朗日插值等等。其中，抛物线插值就是同时利用三个釆样点确定一条二次曲线，然后在对应插值位置得到估计的内插函数值。当多项式最高次数不超过二次时，可以考虑釆用抛物线插值。三次样条插值函数实质上就是三次多项式，在任意的插值区间内，函数满足二阶导数存在且连续条件，而且具有特殊的边界条件。常用的边界条件有三类：第一，m边界条件，区间临界点的一阶导数为常数；第二，M边界条件，区间临界点的二阶导数为常数；第三，周期性边界条件，区间临界点的二阶导数分别等于各自的一阶导数。

四、仿真结果

波信道估计仿真验证采用的是标准要求的Watterson窄带短波信道和加性AWGN信道，该信道模型是两条路径等功率瑞利衰落信道，衰落带宽IHz，最大延时2ms，最大多普勒频移75Hz。

1、短波信道估计算法仿真

如图为LMS和RLS信道估计算法均方误差随时间的变化曲线，图中展示了31个符号内算法均方误差的变化。从图中可以看出RLS收敛速率明显快于LMS算法，而且均方误差较小。因此，在时域短波信道估计算法中，RLS性能更好，也更加适用于MIL-STD-188-llOC附录C的数据帧结构。

2、插值算法对比仿真

短波信道估计得到的信道参数均为复数抽头系数，所以直接采用插值灵敏度作为代价函数来评价算法的好坏。插值灵敏度是指实际值和插值之间的均方误差。如图为同一信噪比下不同插值算法的灵敏度曲线图。通过对比分析可知拉格朗日插值和三次样条插值性能较好，抛物线插值次之，线性插值性能最差。因此在短波信道估计方案中采用拉格朗日插值算法或者三次样条插值算法。

为了提高信道估计的性能，仿真验证线性插值、抛物线插值、三次样条插值以及拉格朗日插值算法，得出结论：拉格朗日插值和三次样条插值性能较好，抛物线插值次之，线性插值性能最差。因此在短波信道估计方案中采用拉格朗日插值算法或者三次样条插值算法。

在经典短波信道估计算法和插值算法仿真验证的基础上，设计适用于高速高频调制解调器的软迭代信道估计方案。仿真验证软迭代信道估计方案的性能，并得出以下结论：

第一，在经典短波信道估计算法中，针对协议数据帧结构，时域信道估计算法RLS优于LMS，频域信道估计算法则R4MSE优于LS；第二，通过评估插值算法的性能，拉格朗日插值效果最好，三次样条插值性能好于抛物线插值，线性插值效果最差；

第三，软迭代短波信道估计算法明显好于RLS和LMS算法，可以节省2dB左右，通过多次迭代可以进一步提高信道估计的性能，但同时复杂度也相应增加。

结语

短波通信是以电离层为信道实现远距离数据传输的一种重要的通信方式，它的工作频率范围为3MHz-30MHz，主要应用于军事通信。本论文依据标准MIL-STD-188-110CAppendixC，研宄了在9600bps的传输速率下，发射机釆用64QAM调制方式，载频为1800Hz，短波信道采用Watterson抽头延时线信道模型下的信道估计及其同步估算技术。其中带宽为3kHz，两条独立的瑞利衰落路径平均功率相等，时延扩展为2ms，最大多普勒频移为75Hz，衰落带宽是1Hz。

参考文献：

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