金慧琴，王正磊，宋斌斌

（海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001）

调制解调器是实现短波数据通信的关键，对接收信号进行数据处理的相关算法均在短波调制解调器中实现，调制解调器的设计直接影响短波数据通信的性能。在详细介绍该调制解调器的软硬件设计之前，首先简单介绍窄带短波数据通信协议中的数据发送格式和性能要求，为后续短波调制解调器的实现和性能测试打下基础。

1 窄带短波数据通信协议

参照美军标MIL-STD-188-110B，在语音频段范围内工作的短波调制解调器的用户数据率主要有75、150、300、600、1 200、2 400和4 800 bps[1]。任何用户数据率情况下，码符号速率均为2 400 Baud。短波基带数据发送流程如图1所示。

图1 发送信号流程

在窄带短波数据通信中，发送的数据包括同步序列、用户数据和训练序列，根据不同的时隙分配，选择性的发送相应数据[2]。当用户启动数据发送时，先发送同步序列，然后用户数据和训练序列交替发送。

1.1 数据发送格式

1）同步序列

每次启动数据发送时，先发送同步序列。对于所有的用户数据率，同步序列都是相同的。同步数据段包括 15个八进制数据0、1、3、0、1、3、1、2、0、Dl、D2、C1、C2、C3、0。D1和D2组合表示选择的用户数据率和交织长度，C1、C2和C3组合代表同步数据段的发送次数计数[3]。获得 D1、D2和 C1、C2、C3的具体数值后，每个八进制的同步码符号映射为32个八进制的信道码符号。

2）训练序列

训练序列与用户数据的长度比例与用户数据率有关：用户数据率为4 800、2 400 bps时，训练序列和用户数据分别为16、32个码符号；用户数据率为1 200、600、300、150 bps时，训练序列和用户数据都为20个码符号；当用户数据率为75 bps时，不发送训练序列，采取其它方式确保通信的可靠性[4]。这里指的训练序列和用户数据都是八进制数据。

3）用户数据

信源输出二进制数据到编码器，编码器对输入的二进制数据进行前向纠错编码。纠错编码采用约束长度为7、编码效率为1/2的卷积编码方式，对于不同的用户数据率，编码效率是随之变化的，纠错编码的编码效率为1/2，通过重复编码比特可以获得更低的编码效率。

经过编码后的编码比特送到块交织器进行交织处理，有长交织、短交织和无交织3种方式[5]，交织矩阵的大小取决于交织器的长度和用户数据率。为减小相邻码符号误判时对相应的数据比特的影响，数据交织完成后将比特流转换成八进制数据，进行修正格雷编码[6]。用户数据经过修正格雷编码后，还要经过符号映射，形成发送符号。通过不同的符号映射方式，可确保插入训练序列后，码符号速率恒为2 400 Baud。符号映射的作用就是将修正格雷编码后的用户数据的1、2或者3个编码比特转化成3个比特构成的组合，以便于后续进行八进制调制[7]。

为了防止发送数据形成特定的频谱结构对其它频段的通信造成干扰，需要对同步序列、训练序列和用户数据加扰[8]。采用固定的扰码序列对同步序列进行加扰处理。对训练序列和用户数据加扰时采用的八进制扰码序列由12位的移位寄存器生成。扰码序列与发送数据进行模8运算，生成加扰数据。数据加扰后，对加扰的数据进行8PSK调制，生成复基带数据。对8PSK调制后的复基带数据进行上采样，然后进行脉冲成型滤波，在复数域与1 800 Hz子载波相乘并取其实部，即实现了载波调制，生成频率在300～3 300 Hz范围内的音频信息，完成数据信息的音频调制。

1.2 性能要求

将数据发送前各阶段数据的处理参数汇总如表1所示。

表1 短波调制解调器参数设置汇总

不同信道条件、不同用户数据率情况下，系统的最低性能如表2所示。

表2 短波调制解调器要求达到的性能指标

2 窄带短波调制解调器设计

调制解调器是实现短波数据通信的关键，它完成信息的调制与解调功能。对信号进行调制时，对输入的数据信息进行信号处理后，输出音频信号范围内的模拟信号，经短波电台音频通道加载到电台进行二次调制、功率放大和发射[9]；对信号进行解调时，将从短波电台接收的音频信号，进行数据处理后输出数据信息。

2.1 窄带短波调制解调器的硬件设计

短波通信时进行数据处理的大量算法，如编译码、信道估计与跟踪、均衡、频偏校正、载波跟踪与恢复、子载波调制与解调等算法，均在短波调制解调器中实现，由DSP芯片完成。机载短波通信系统选用的是TMS320C6727 DSP芯片，由于本文还要实现DDE-Turbo均衡，计算量较大，所以用TMS320C6727 DSP芯片替换原来选用的TMS320-VC33芯片完成信号处理的相关算法[10]。TMS320C6727是一款专门用于音频信号处理的高速浮点DSP，其高达300MHz的频率再加上32位的浮点处理能力，使得它可以轻松运行各种复杂的高频处理算法，满足系统实时性的要求[11]。

2.2 窄带短波调制解调器的软件设计

短波调制解调器接收数据终端送来的数据，按照数据发送格式，对用户数据依次完成编码、交织、修正格雷编码、同步与训练序列加入、加扰、8PSK符号映射、上采样、脉冲成型滤波、1 800 Hz子载波调制后，取信号的实部，送到D/A电路，并经放大和隔离后输出到短波电台音频通道，发送流程如图1所示。

短波调制解调器的接收通道接收来自短波电台的音频信号，调制解调器对接收信号进行隔离、模拟信号增益控制后，由A/D电路转换成数字信号进行处理。DSP处理器首先对接收信号进行AGC控制，根据在采样时间段内的功率变化特性，调整A/D前端放大电路的增益，实现对接收信号的AGC处理；然后对接收信号进行Hilbert变换，将接收信号变换到复数域，对子载波进行相干解调，从而将接收的实信号变换到复基带域[12]。在复基带域，首先完成系统同步（包括初始同步、频偏估计与校正、速率检测、信道初始估值和定时同步几个部分），同步完成后，对接收数据进行均衡和译码处理，估计用户数据。采用VCC-DDE均衡算法的接收数据处理流程如图2所示，采用DDE-Turbo均衡算法的接收数据处理流程如图3所示[13]。

图2 采用VCC-DDE均衡算法的接收数据处理流程

图3 采用DDE-Turbo均衡算法的接收数据处理流程

3 窄带短波调制解调器性能测试

采用VCC-DDE均衡算法的机载短波数据通信系统已经在机载短波通信系统中实现，由于条件所限，并没有对采用DDE-Turbo均衡算法的短波调制解调器进行系统试验，只对其进行实验室性能测试，测试时只考虑了用户数据率为2 400 bps时的短波数据通信情况，测试流程如图4所示。

图4 实验室测试流程

根据前面给出的窄带短波数据通信时的数据发送格式，在软件环境中生成发送数据，然后模拟短波信道参数，通过多次迭代算法生成服从Watterson模型的信道衰落系数[14，15]，对发送数据分别加入多普勒扩展、多普勒频移、多径延迟和高斯白噪声，获得受干扰的接收数据，按照8 kHz采样速率，存储为wav音频文件；利用计算机声卡播放音频信息，并通过音频线接入到短波调制解调器，短波调制解调器对接收的音频信息进行数据解调；解调后的数据通过调制解调器反馈到计算机，然后将发送数据与解调数据进行对比，测试其误码率[16]。在实验室环境下分别测试VCC-DDE和DDE-Turbo均衡算法在短波信道下的性能。测试性能如表3所示。

表3 测试性能

通过表3可以看出，采用VCC-DDE算法的调制基于DDE-Turbo均衡算法的短波调制解调器，相对采用VCC-DDE算法的调制解调器，性能又有进一步的改进。调制解调模块采用的是VCC-DDE算法，受时间和条件所限，并没有对采用DDE-Turbo均衡算法的短波调制解调器进行系统试验。但是由于VCC-DDE算法已经在机载短波通信系统中实现，性能良好，通过实验室测试又证明了DDE-Turbo均衡算法相对于VCC-DDE算法的优越性，证明了DDETurbo均衡算法的有效性。

4 结束语

文中对窄带短波调制解调器的设计进行了研究，调制解调模块采用VCC-DDE算法和载波同步和DDE-Turbo均衡算法，由于条件所限，搭建了短波通信测试系统对其进行了实验室测试。从测试结果可以看出，DDE-Turbo均衡算法相比VCC-DDE均衡算法性能有很大改进。虽然没有对采用DDE-Turbo均衡算法的短波调制解调器进行系统试验，通过实验室测试结果即验证了DDE-Turbo均衡算法的有效性。