基于MIL-STD-188-110标准的通信波形研究

摘要短波信道具有时变，多径，快速衰落等多种特点，使得接收到的短波信号存在严重的符号间干扰（Inter-symbol Interference,ISI），这种干扰会导致通信的错误或者严重失效。信道均衡是抑制 ISI 的关键技术之一，特别是在复杂多变的短波系统中，对于高性能的均衡算法的研究就更加重要。优化均衡算法具有很高的复杂度，一般而言，它是随延迟符号数成指数上升的。而一般的均衡器往往伴有很大的性能失真。近年来，迭代均衡算法作为抵抗 ISI 的有效实现方式，能获得误码性能及其实现复杂度的优化折中。根据短波系统的特点，本文在经典短波 Watterson 信道基础上，针对特定的短波通信技术标准，即 MIL-STD-188-110C 中的单音道串行模式，重点研究了RLS 自适应均衡算法。利用递归最小二乘法（Recursive Least Squares ，RLS）估计、跟踪时变短波信道系数。并在经典的 Watterson 信道下，基于 MIL-STD-188-110C 标准的单音道串行波形设计方案，给出了基于 RLS 算法的自适应均衡器的BER 性能。通过对 MIL-STD-188-110C 中的单音道通信模式的仿真，分析了在 Watterson信道下长交织和短交织对于系统性能的影响，对后续研究打下基础。关键词：短波系统，MIL-STD-188-110C 标准，Watterson 信道，RLS 均衡，ISI。ABSTRACTShort-wave system is a time-varying, multipath,fading system,these characteristics will make the signal a serious inter-symbol interference (ISI),such interference can cause communication errors ,even communication failure. Channel equalization is one of the key technologies of eliminating ISI,the high-performance equalization algorithm is even more important in the volatile short-wave system.but the optimized algorithm of the equalization have high complexity,in general,the complexity increased by the exponentially of the delay symbols.Low complexity equalizer is often associated with the distortion of performance.In recent years,iterative equalization algorithm is an effective way to achieve a resistance ISI which can obtain the trade-offs of the BER performance and the complexity of the optimization.According to the characteristics of short-wave systems , in the classic short Watterson channel , this paper based on the specific short-wave communications technology standard, that MIL-STD-188-110C , focus on the RLS adaptive equalization algorithm .This paper use recursive least squares Algorithm (Recursive Least Squares, RLS) to estimate , and track the time-varying coefficients of HF channel. We give BER performance of RLS under the serial mode in MIL-STD-188-110C.Finally,through the mode simulation of serial (single-tone) mode in MIL-STD-188-110C,this paper carefully analysed the performance of different interleaving influence for further research.Keywords:short-wave systems, MIL-STD-188-110C,Watterson channel, RLS Equalizer,ISI。目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究背景 .11.1.1 MIL-STD-188-110 系列标准介绍 .11.1.2 MIL-STD-188-110C.11.2 短波系统 .21.2.1 短波传播方式 .31.2.2 短波系统物理特点 .31.2.3 短波系统传输特点 .41.3 均衡技术的发展 .61.4 本文研究的主要内容 .71.5 本文内容安排 .7第 2 章 MIL-STD-188-110C 系统波形方案 .92.1 110C 波形相关参数 .92.2 编码 .102.3 交织 .122.2.1 交织写入 .122.2.2 交织获取 .132.4 格雷编码 .142.5 符号形成 .152.5.1 未知数据符号的形成 .152.5.2 已知符号的形成 .162.5.3 同步前导序列 .162.6 加扰 .182.6.1 随机序列发生器 .182.7 PSK 调制 .192.8 性能测试要求 .202.9 本章小结 .21第 3 章 均衡技术的研究 .223.1 均衡的基本原理 .223.2 均衡器的结构和种类 .223.3 自适应均衡 .233.3.1 自适应均衡基本原理 .243.3.2 经典的自适应均衡算法 .253.4 本章小结 .31第 4 章 MIL-STD-188-110C 波形仿真链路 .324.1 整体链路 .324.2 发端链路 .334.2.1 数据产生链路 .334.2.2 FEC 编码链路 .334.2.3 交织链路 .344.2.4 格雷编码链路 .354.2.5 符号形成链路 .364.2.6 插入已知数据 .384.2.7 随机序列产生链路 .384.2.8 序列加扰链路 .394.2.9 调制链路 .394.3 收端链路 .404.3.1 均衡链路 .404.3.2 解扰链路 .424.3.3 帧对齐链路 .434.3.4 符号提取链路 .444.3.5 格雷解码链路 .444.3.6 解交织链路 .454.3.7 译码链路 .454.3.8 误码率计算链路 .464.4 链路性能分析 .464.4.1 高斯信道链路性能分析 .464.4.2Watterson 信道下长交织与短交织的误码性能分析 .474.5 本章总结 .50第 5 章 全文总结与展望 .515.1 全文总结 .515.2 未来研究方向 .51参考文献 .52致谢 .53外文资料原文 .54外文资料译文 .57图 表 目 录图 1-1 短波的传输方式 .3图 2-1 FEC 编码流程图 .11图 2-2 随机移位寄存器功能框图 .19图 2-3 星座图 .19图 3-1 均衡器的分类 .23图 3-2 自适应均衡器的基本结构 .25图 4-1 MIL-STD-188-110C 波形仿真链路 .32图 4-2 FEC 编码流程图 .33图 4-3 格雷解码器模型 .35图 4-4 D1 和 D2 产生器 .38图 4-5 插入已知数据后的整合形式 .38图 4-6 随机移位寄存器功能框图 .38图 4-7 随机序列产生模块 .39图 4-8 8PSK 星座图 .39图 4-9 均衡器 .40图 4-10 均衡器第一层 .40图 4-11 均衡器第二层 .41图 4-12 均衡器第三层 .42图 4-13 解扰器 .43图 4-14 信号提取模块 .44图 4-15 接收信号星座图 .44图 4-16 格雷解码器模型 .45图 4-17 高斯信道下链路的误码性能曲线 .46图 4-18 好信道条件下的误码性能曲线 .47图 4-19 中等信道条件下的误码性能曲线 .48图 4-20 差信道下利用 RLS 进行均衡的误码曲线 .49表 1-1 MIL-STD-188-110 系列标准比较 .2表 1-2 电离层分层结构 .4表 1-3 短波信道的衰落类型 .5表 1-4 CCIR 推荐的 3 种信道参数表 .6表 2-1 短波宽带数据波形相关参数 .9表 2-2 跳频操作波形特征 .9表 2-3 固定频率操作波形特征 .10表 2-4 跳频操作的差错校验编码 .11表 2-5 固定频率操作的差错校验控制 .12表 2-6 交织矩的维度 .13表 2-7 每个信道符号的比特数 .13表 2-8 在 2400 和 4800bps 的改进的格雷解码 .14表 2-9 75bps 固定频率和 1200bps 格雷编码 .14表 2-10 75bps 信道符号映射 .16表 2-11 诊断信号 D1 和 D2 的分配 .17表 2-12 2 比特数值到 3 比特数值的转换 .17表 2-13 同步前导序列信道符号的映射 .18表 2-14 串行（单音道）模式最小性能要求 .20表 4-1 交织写入表 .34表 4-2 格雷解码 .35表 4-3 两比特信息到三比特信息的映射 .36表 4-4 诊断信号 D1 和 D2 的分配 .36表 4-5 信道符号映射为前导序列 .37表 4-6 格雷编码 .45表 4-7 仿真所用的信道参数 .47缩略词说明英文缩写 英文全称 中文释义AM Amplitude Modulation 调幅BER Bit Error Rate 误比特率BPSK Binary Phase Shift Key 二进制相移键控BW Bandwith 带宽CCIR International Radio Consulative Committee 国际无线电咨询委员会CP Correctness Proofs 正确性证明DFE Decision Feedback Equalization 判决反馈均衡器FEC Forward Error Correction 前向纠错编码HF High Frequency 高频ISI Inter-symbol Interference 符号间干扰LE Linear equalization 线性均衡LMS Least Mean Square 最小均方算法MAP Maximum A Posteriori 最大后验概率MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation 最大概似函数估测MMSE Minimum Mean Square Error 最小均方误差PAPR Peak to Average Power Ratio 峰值平均功率比PSK Phase Shift Key 相移键控QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度调制QPSK Quadrature Phase Shift Key 正交相移键控RLS Recursive Least Squares 递归最小二乘法SNR signal-to-noise ratio 信噪比TDMA Time Division Multiple Access 时分多址ZF Zero forcing 迫零算法第 1 章 绪论1.1 研究背景1.1.1 MIL-STD-188-110 系列标准介绍MIL-STD-188-110 系列标准 1自 1991 年发布第一版以来,一直备受业界高度关注,我国也将其作为制定短波通信标准的基础和重要参考。随着应用需求的变化和技术的不断成熟,MIL-STD-188-110 系列标准也在不断地改进和完善,此后分别于 2000 年 4 月和 2011 年 9 月发布了该系列标准的第二版 MI-STD-188-110B(以下简 110B)和第三版 MI-STD-188-110C（以下简称 110C）。在 MIL-STD-188-110 系列标准的制定过程中,设计者们还参考了如 STANAG 4197 等其他通信标准和协1议,使 110 系列标准具有广泛的普适性。MIL-STD-188-110A（以下简称 110A）标准采用 1.5kHz 带宽,调制方式为 8-PSK,数据速率在不加编码的条件下只有 4800bit/s ,目前我国短波调制解调器标准1大多以该标准为基础而建立。110B 标准是 110A 标准的升级版 ,加入了新的调制方式种类,带宽增加到 3kHz,数据速率在不加编码的条件下最高可达 12800bit/s ,基2本满足了当时的需求。该标准采用了前向纠错编码（Forward Error Correction，FEC ）与交织编码,提高了纠错能力。与前两版相比较,110C 标准在技术上有了质的飞跃。该标准采用了宽带数据传输技术,最大带宽可达 24kHz,最高数据速率也达到了 120kbit/s ,大大提高了数据传输的效能和可靠性。经过 20 多年3的不断积累和发展,MIL-STD-188-110 系列标准已经成为了事实上的短波通信工业标准,对世界短波通信的发展具有深远影响。1.1.2 MIL-STD-188-110C2011 年 9 月 23 日,美国防部正式颁布了由 Harris 和 Rockwell Collins 公司共同参与设计的 MIL-STD-188-110 系列标准的最新版本 110C。与 110B 标准中的短波窄带调制系统相比,110C 标准重新定义了以 3kHz 为间隔、最大 24kHz 带宽、最高数据速率 120kbps(共计 33 种速率)的 13 种宽带调制波形。110C 标准对交织技术进行了优化,取消了 Very Short 和 Very Long 两种交织类型 ,使交织深度的最2短平均值为 0.12 s、最长平均值为 7.68s。编码方面,采用了基于约束长度为 7 或 9的卷积码 ,利用去冗余和重复译码技术得到了最低 1/16、最高 9/10 的编码率 。3 4基于短波信道特性,用户可以依据不同的需求选择带宽和调制波形,使调制解调器的效能达到最优。目前 Harris 公司已设计出能够完全适应新型短波宽带数据通信标准的原型机,于 2010 年 6 月分别在 3kHz、6kHz 、12kHz 和 24kHz 的带宽上对110C 标准草案进行了模拟信道测试和空中性能测试 。110C 标准的颁布,从根本5上改变了以窄带为主的短波数据通信体制,为短波通信全面跨入