摘 要： 短波通信因失真少、传输距离远、抗毁性强等因素一直是海上通信的主流方式, 模拟传输手段则因实现性强、成本低长期以来作为海上通信的主要传输方式。随着技术的进步和经济的发展, 数字技术应用成为水上通信系统未来一段时间的主流和趋势, 本文旨在通过对短波电台调制方法和语音编码方式选择的研究, 探索将数字化技术引入短波水上通信系统的可能性和实现方法。
关键词： 海上通信; 短波; 数字电台; OFDM; Opus; 技术应用;
短波通信因具有绕射能力强、传输距离远、抗毁性强等特点被广泛的应用到海事、气象和军事领域, 其系统也是全球海上遇险与安全系统 (GMDSS) 的重要组成部分。基于数字通信技术的日趋成熟, 如何将数字技术应用到短波通信中, 整合两种通信方式的优点, 成为新的研究方向。本文主要研究信号的调制和信源—语音信号的编码两个环节的数字化技术应用。
1. 短波通信数字调制应用
短波通信虽然具有传输距离远、覆盖范围大、设备价格经济等优点, 但其依赖大气层传播的特点也使其易容易被干扰、衰减和失真。DRM (世界数字广播组织) 为了扬长避短、更好地使用短波通信, 针对30MHz以下的长中短波调幅广播建立了世界通用的数字AM广播标准, 推广了数字广播技术DRM系统。
1.1 DRM技术的优越性
DRM系统使用30MHz以下频段的特点, 使其对中高频频谱资源的利用比较充分, 绕射能力及穿透能力更强, 有利于增大覆盖范围;在覆盖范围基本相同的情况下, DRM系统需要使用的数字调幅发射机的功率远低于传统模拟调幅发射机, 这一点有利于提高发射机的经济效益和能效;在短波9k Hz带宽的前提下, 可以充分利用现有的语音编码技术, 增强抗扰能力, 消除短波衰落, 从而提高传输可靠性, 避免高斯噪声影响。
DRM+ (最新的DRM技术代) 采用多载波OFDM传输方式 (正交频分复用) , 使用4QAM和16QAM两种子载波调制方式, 在主业务信道上提供高达37~186kb/s的净数据率。
1.2 OFDM调制原理
OFDM调制的原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流, 并将这些数据流在在多个载波上同时进行传输。基于这个原理, OFDM调制相较于单信道传输保真性更强, 并且具有基于符号周期展宽的特点。采用OFDM调制方式产生的低速并行的子载波, 其多径效应造成的时延扩展就能够相对缩小。这样就能降低码间干扰发生的几率直至可以忽略不计。
OFDM调制的通带信号一般可表示为:
而经OFDM调制的信号基带形式通常为:
考虑子载波正交性, 可以使用只调制解调一路子载波信号进行数据提取的方法, 例如对第k路子载波进行解调, 得到的信号可以表示为:
在实际应用中, 一般会解调N路子载波, 并根据波形叠加得到信号, 从而减少失真。例如N=4时, 信号表达中d= (1, 1, 1, 1) , 四个载波解调后的独立波形和叠加后的信号波形分别如图1。
从波形图可以看出, 虽然4个子载波的幅度范围恒为[-1, 1], 但由于多信道叠加, 一旦出现多信号相位一致的情况, 就会产生叠加信号瞬时功率数倍于单信号平均功率的情况, 这种现象被称为OFDM调制的高峰均比, 目前针对这一弊端, 研究者进行了限幅类, 编码类以及概率类等技术探索。
1.3 OFDM调制在短波电台的应用
目前水上通信短波电台发射系统主要具备三大功能模块:信源编码、信道编码和OFDM调制。最终, 发送端将OFDM调制后的数字信号通过数模转换成模拟基带信号, 并直接通过SSB单边带调制发射。信号处理流程如图2所示。
OFDM的调制是将需要被发送的数据分别与多路子载波相乘合, 形成基带复信号s (t) 。而OFDM解调的过程就是由复信号s (t) 求解傅立叶系数的过程。
图1
2. 语音传输编码
在数字化中短波发射系统中, 信源编码是数字化技术应用的关键环节。本文主要讨论海上通信中最为常见的语音编码。
短波数字传输, 由于其频段特性, 传输带宽非常有限。为了充分地利用极其有限的网络带宽资源, 一般在数字化处理中采用语音压缩编码。语音编码的特征属性有比特率、语音质量、时延和复杂度。但在实现过程中, 这些属性往往此消彼长, 因此在实际应用中, 一般遵循需要对对各项属性的实现进行折衷, 并选择合适的编码方式。
四个属性中, 通常情况下工程师们会优先选择降低比特率, 从而达到充分利用网络资源的目标。一般来说, 编码的比特率越低, 其处理时延越长, 算法复杂度越高, 最后得到的语音质量越差。
2.1 Opus编码
Opus编码器是一个由IETF (互联网工程任务组) 开发的有损声音编码的格式。在技术层面上, Opus编码器具有巨大的优势, 从水上通信使用的角度来讲, 主要表现在:支持从窄带到全频段的音频带宽, 采样率可覆盖窄带和全频 (8 k Hz-48 k Hz) ;支持CBR (恒定比特率) 和VBR (可变比特率) ;良好的PLC (数据包丢失隐藏) 。这些特点使其在低码率下完胜曾经优势明显的HE AAC, 中码率可以与AAC格式一较高下, 而高码率下更可以到达接近原始音频的程度。相较于拥有众多不同编码器的AAC格式和HE AAC格式, Opus格式还有一个突出优点即其开放性, 这一点使其在使用时没有任何技术限制 (包括专利限制) 。
图2
基于开源的特点, 研发者既可以直接使用编译好的so库 (官网地址:http://www.opus-codec.org/) , 也可以使用源码自己根据需求生成so库然后导入使用, 甚至能直接使用源代码。
编码作业需要使用NDK编程, 具体实现则需要在工程界面中创建Opus Tool类, 用于调用native层的方法。具体程序可根据实际情况由技术开发人员自行编写。
2.2 短波电台使用Opus编码的优势
(1) Opus编码在6kb/s-510kb/s的比特率范围内的音质表现正常, 特别是在10kbps以上的范围内明显优于其他编码方式。其在低带宽的中短波信道中的良好表现, 使短波电台的语音传输能够避断断续续的现象。
(2) Opus语音编码时延非常低, 在实时语音通信应用方面效果非常好, 这与短波电台的使用需求非常吻合。
(3) Opus编码的开源性决定了它是完全免费且开源的算法, 任何人研究者和技术人员都可以对其进行调试和改进, 产品生产也不需要支付高额的专利费用, 在一定程度上能够降低短波电台使用的成本。
(4) Speex编码可以作为6kbps比特率以下的Opus编码补充, 这种补充可使短波电台在低比特率条件下也能有良好的收听效果。
3. 结语
在通信技术日新月异的今天, 水上短波通信对数字化实现技术的探索方兴未艾。本文探索的数字调制方式OFDM, 以Opus为主要语音编码技术均能在一定程度上改善短波通信受干扰严重、传播方式依赖性强等弱点, 但限于水平和条件, 本文的研究非常有限且有非常明显的不足, 希望通过日后的研究, 进一步提高短波信道的通信抗干扰能力, 更好的利用数字短波技术支持海上通信发展。
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