軟件無線電海上應用前景分析

張亦禎

（上海海事大學 商船學院，中國 上海 201306）

0 引言

國際海事組織 （IMO）開發實施的全球海上遇險與安全系統（GMDSS）是一個用于全球海上遇險、緊急、安全通信和常規通信的全球性綜合通信系統。GMDSS由地面通信系統和衛星通信系統組成。地面通信系統包括MF/HF無線電話系統、VHF無線電話系統、數字選擇性呼叫（DSC）系統、窄帶直接印字電報（NBDP）系統、NAVTEX系統和現場尋位系統；衛星系統包括國際移動衛星通信系統（Inmarsat）和全球衛星搜救系統 （COSPAS-SARSAT）[1]。無線電通信和搜救分委會（IMO COMSAR）第16次會議考慮將AIS、LRIT、SSAS等新系統也納入到GMDSS系統[2]。加之其他各種新的助航儀器、船載通信導航等電子設備不斷推出，設備安裝布置變得更加困難，對船員操作也帶來了很大的挑戰。

軟件無線電基本思想就是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現無線電臺的各種功能[3]，軟件無線電不是一部無線電臺、無線電系統，而是一種設計方法，一種設計理念。為我們實現這些船舶移動通信系統中用途不一、波段跨度大、功能相異的設備的聯合通信、模塊化、小型化、數字化提供了理想的解決辦法。

本文第1節先對軟件無線電進行一些基本介紹；第2節是軟件無線電應用的研究現狀，主要為海上通信方面；第3節從三方面分析了軟件無線電在海上無實際應用的原因；最后第4節做出總結及展望。

1 軟件無線電基本介紹

“軟件無線電（Software Radio）”這個概念最早由美國MITRE公司的Joseph Mitola III博士首次于1992年5月在美國的全國電信系統會議（National Telesystem Conference）上明確提出。

軟件無線電是一種新的無線電系統體系結構，是現代無線電工程的一種設計方法、設計理念，它的基本思想是以具有開放性、可擴展、結構精簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的無線電功能用可重構、可升級的構件化軟件來實現[2]。

軟件無線電由三部分組成如圖1所示，其中A/D/A是核心部分，不同的采樣方式決定了模擬射頻前端組成結構，也影響DSP處理方式及處理速度，根據對射頻模擬信號采樣數字化方式的不同，軟件無線電有三種組成結構。

圖1 軟件無線電的三大組成部分

（1）射頻低通采樣軟件無線電結構

這種射頻全寬開的低通采樣軟件無線電結構一般只適用于工作帶寬不是非常寬的場合，根據目前器件水平，對于HF頻段采用這種結構實現是有可能的，而要以此結構實現寬頻帶（大于或等于2GHz）軟件無線電是不現實的。

（2）射頻直接帶通采樣軟件無線電結構

這種結構對ADC采樣速率要求不高，其關鍵部件窄帶電調濾波器已有商品上市。這種結構特別適用于對體積、重量要求嚴格而對性能要求不是非常高的平臺，如無人機、彈載、氣球載、飛艇載等。但窄帶電調濾波器目前工作帶寬不夠寬，有時需要分幾個，甚至是十幾個分頻段來實現，需要多個采樣頻率，增加了系統復雜度。

（3）寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構

這種結構在軟件無線電中應用最為廣泛，可實現性也最強。不需要第一種結構所要求的超高速采樣，也不要求第二種結構所需要的高精度高工作帶寬的采樣保持放大器。

2 研究現狀

目前軟件無線電應用最為成功的當屬美國軍方的Speakeasy計劃開發的多頻段多模式（MBMMR）電臺，以及MBMMR基礎上的聯合戰術無線電系統（JTRS）。JTRS現已有5種類型的軟件無線電臺交付部隊開始投入使用，并在各種演習中充分體現了軟件無線電的優越性。

MBMMR既可以與常規 HF、VHF、UHF電臺通信，還可以與SINC-GARS、HAVE-QUICK II跳頻電臺還有Link11數據鏈終端、衛星通信終端、EPLRS設備等非常規通信裝備進行語音通信以及數據或者視頻傳輸，與此同時還能接入民用蜂窩系統，還具備GPS定位和定時同步功能。所以實際開發成功的MBMMR電臺共有6個信道，4個可編程信道，1個蜂窩信道，1個GPS信道。美國Harris、南非Grinel、美國馬格納泛斯克等公司都成功研制出了MBMMR電臺。

國內來說，“九五”期間立項的“多頻段多功能電臺技術”突破了軟件無線電的部分關鍵技術，開發出4信道多波形樣機。另外，我國第三代移動通信系統方案TD-STDMA也是利用軟件無線電完成設計的。

第四代移動通信系統（4G）標準明確提出了將采用軟件無線電技術，應用范圍從開始的軍用擴展到到現在的移動通信、電子戰、雷達、天基信息系統、電視等民用領域。關于軟件無線電的研究從平臺搭建到每一部分具體的硬件結構、軟件模塊設計，甚至細化到某一個DSP芯片算法、某一個硬件接口設計都有很多研究人員在進行不斷的研究與優化。如鐘明明[11]設計的數字化中頻處理平臺，就包括了總體方案設計、芯片和元件選擇、電路原理、硬件平臺調試、軟件編寫，著重于硬件的設計；趙亮[12]主要研究了軟件無線電數字下變頻這一關鍵技術基于FPGA的處理方案；漆莊平[13]的衛星地面站系統研究與設計；徐明義等[6]重點分析中短波接收機設計中電調濾波器。

國內外多所高校對軟件無線電在海上通信系統中的應用也進行了研究。

武漢理工大學的聶明新[7]于2001年提出軟件無線電技術在船舶通信系統的互聯和方便升級上是一種充滿希望和切實可行的解決方法，并從硬件結構到軟件體系以及整個系統的模塊搭建都給出了理論的介紹。

集美大學的陳朝陽[5]于2002年提出了基于軟件無線電的海上中短波接收機原理。文獻[5]中提出可以利用現有海上通信設備已有電路特性，采用了寬帶中頻帶通采樣的軟件無線電結構設計出接收機。接收機不僅可以實現現有海上中短波接收機、NBDP、DSC的功能，并且能夠通過加載不同的運行軟件實現不同通信模式的同步接收。這種接收的出現將大大改善現有中短波通信設備工作時通信模式單一的缺點，提高性能，降低造價。

集美大學的符強等[9]出于整合、簡化設備硬件資源和節省駕駛臺操作空間的考慮，于2003年提出了基于軟件無線電的船舶通信設備綜合的設想。同樣采用中頻數字化軟件無線電結構。射頻部分采用可切換的模塊化設計，便于不同通信體系的通信功能的需要，劃分2-30MHz、30-500MHz、500-3個頻段，兼容地面通信設備和衛星通信設備。

大連海事大學符策等[8]于2004年設計了頻率范圍在200MHz左右的軟件無線電船舶移動電臺。

3 軟件無線電在海上通信中的應用前景分析

3.1 軟件無線電技術方面[4]

（1）軟件無線電的工作頻段一般都很寬，少則覆蓋一個、幾個倍頻程，多則覆蓋十幾、幾十個倍頻程，這就給與之配套的天線提出了寬頻帶要求。

GMDSS構成復雜，地面通信系統工作在MF/HF/VHF頻段，設備的工作頻率不超過200MHz，海事衛星通信船站工作在L波段，發射頻率為：1626.5MHz-1646.5MHz，接收頻率為：1525.0MHz-1545.0MHz。實現“全波段”天線，即整個波段用一副天線來實現，且要求有比較高的效率是非常困難，甚至不可能的。

軟件無線電的天線發展分為兩個方向，一是基于智能進化算法的MEMS（微機電系統）天線，一種是智能天線，以數字波束形成為基礎發展起來的陣列天線技術。海上應用主要是要是后者。應該像文獻[9]那樣，將整個頻段進行劃分，分頻段實現。

（2）為提高軟件無線電對各種不同帶寬無線電信號的適應性，中頻帶寬必須足夠寬，但中頻帶寬越寬，對后續信號處理要求越高，對射頻前端電路動態范圍要求也越高。要有速度快，功耗低，價格便宜的通用DSP或CPU，目前比較困難。

針對這點，目前解決方法為信號平臺采用多DSP或多核處理芯片，多CPU，多模塊的處理方式彌補硬件的不足。近年來DSP以及CPU發展迅速，其性能將隨著技術的發展越來越符合我們的要求。

（3）軟件無線電要求的是硬件通用化，這樣要實現不同的功能就要依靠軟件來實現，軟件實現的最大問題是實時性。

可以采用FPGA進行預處理：濾波、信道化、信號檢測，來改善實時性的問題。

（4）軟件無線電的應用并不是要改成一種通信方式，而是要通過一個硬件平臺達到多種通信方式，多種業務進行通信。同時實現不同功能時并不是說將整個軟件進行重新編寫，應該實現軟件編程，形成一個個的“構件”。通過“構件”的重新配置，或者部分“構件”的重新構造來實現不同功能。

對功能軟件“粒度”的分割，即每一個“構件”的具體功能細化程度的選取若合適，那么實現功能重組、實現多業務通信將變得十分快捷可靠。

3.2 海上通信需求方面

GMDSS的首要任務是遇險報警通信，通信的可靠性以及有效性十分重要，而GMDSS中許多通信系統本身誤警率就居高不下，如HFDSC設備，因此整個系統包含多種通信方式，這些通信方式各具特色，適用于不同航區，不同用途的船舶，構成了龐雜的船舶通信系統[10]。

船舶上的各個通信設備價格一般都不低，所以人們并不希望將以前的設備廢棄，同時不同設備提供了多手準備、多重保險，這也是GMDSS越來越龐大的原因之一。軟件無線的一個顯著優點就是可以整合硬件資源，節省駕臺空間，而對于我們的大型船舶來說，這個問題的矛盾并不突出，而小型船舶安裝的設備本身就相對較少，所以需求也并不十分強烈。

但是龐大而復雜的通信系統給船員造成了不同程度負擔。在實際工作中船舶駕駛員始終存在GMDSS操作不熟練、電臺管理不規范、PSC檢查難通過的問題，這些船公司帶來了管理上的不便，給船公司造成了很大的損失[14]。

3.3 新系統形成方面

軟件無線電在海上通信得到實際應用這個過程與美國軍方Speakeasy的研發是可以類比的。Speakeasy第一階段主要驗證了軟件無線電概念的正確性、可行性。并在第一階段成功完成理論驗證基礎上，研制了演示系統，達到了：真正開放式結構，功能軟件可編程，能與TF-XXI AWE F、Irwin、March 97 等電臺互通， 支持 HF、VHF、UHF 多頻段。其中硬件體系結構70%使用的商業現貨組件，體系結構中采用FPGA。在MBMMR基礎上又形成了JTRS。我們可以看到，在形成新系統時，我們要先確定硬件構架，還要有軟件通信結構SCA和軟件模塊化設計以及面向對象編程。每一個部分的設計都需要結合技術現狀進行分析、仿真和實驗來確定。第2節也提到過，關于軟件無線電方方面面都有專家學者在進行著不斷的研究，各國也十分重視，其發展是十分可觀的。

4 結束語

目前軟件無線電在海上沒有實際應用并不是因為它是不可行的。軟件無線電本身技術發展不夠成熟，海上通信對目前對新的設備需求并不強烈，開發一套新系統所需的大量人力物力的不足等原因造成了在軟件無線電應用研究熱潮中，在海上通信系統中沒能得到實際應用。另外，軟件無線電需要將現代先進的通信技術、微電子技術和計算機技術結合在一起，是一個中長期的研究項目，需要很強的綜合實力。

可以說4G就是軟件無線電，一旦成功采用了軟件無線電的思想，以后的升級更新、通信質量提高的成本、效率都會大大提高。那時我們考慮的應該就是如何改進如信號處理的算法等比較“軟”的問題，而不用大刀闊斧的廢棄大批的設備。因此，基于軟件無線電的船舶通信系統的出現是必然的發展趨勢。

［1］陳放.GMDSS通信設備與業務[M].大連：大連海事出版社,2008.

［2］Secretariat.SUB-Committee on Radio communication and Search and Rescue 16th session report[R].IMO,2012(2)：6-7.

［3］楊小牛.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社,2001.

［4］楊小牛.軟件無線電技術與應用[M].北京：北京理工大學出版社,2010.

［5］陳朝陽.海上中短波軟件無線電接收機原理的研究[J].航海技術,2002(6)：26-27.

［6］徐明義,周鳴籟.基于軟件無線電的中短波接收機設計[J].通信技,2011,44(7)：16-18.

［7］聶明新.軟件無線電技術在船舶通信中的應用研究[J].交通科技,2001(4)：37-38

［8］符策,王惠.基于軟件無線電技術的船舶移動電臺[J].中國航海,2004(1)：34-37.

［9］符強.基于軟件無線電的船舶通信設備功能的綜合[J].集美大學學報：自然科學版,2003,8(4)：343-345.

［10］陶玉柱,胡建旺,崔佩璋.軟件無線電技術綜述[J].通信技術,2011,44(2)：37-39.

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［13］漆莊平.基于軟件無線電技術的衛星地面站系統研究與設計[D].上海：中國科學院上海微系統與信心技術研究所.

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