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(fā)實施的全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）是一個用于全球海上遇險、緊急、安全通信和常規(guī)通信的全球性綜合通信系統(tǒng)。GMDSS由地面通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成。地面通信系統(tǒng)包括MF/HF無線電話系統(tǒng)、VHF無線電話系統(tǒng)、數(shù)字選擇性呼叫（DSC）系統(tǒng)、窄帶直接印字電報（NBDP）系統(tǒng)、NAVTEX系統(tǒng)和現(xiàn)場尋位系統(tǒng)；衛(wèi)星系統(tǒng)包括國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）和全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng) （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(tǒng)也納入到GMDSS系統(tǒng)[2]。加之其他各種新的助航儀器、船載通信導航等電子設(shè)備不斷推出，設(shè)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(zhàn)。

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(xiàn)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(tǒng)，而是一種設(shè)計方法，一種設(shè)計理念。為我們實現(xiàn)這些船舶移動通信系統(tǒng)中用途不一、波段跨度大、功能相異的設(shè)備的聯(lián)合通信、模塊化、小型化、數(shù)字化提供了理想的解決辦法。

本文第1節(jié)先對軟件無線電進行一些基本介紹；第2節(jié)是軟件無線電應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，主要為海上通信方面；第3節(jié)從三方面分析了軟件無線電在海上無實際應(yīng)用的原因；最后第4節(jié)做出總結(jié)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(tǒng)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(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代無線電工程的一種設(shè)計方法、設(shè)計理念，它的基本思想是以具有開放性、可擴展、結(jié)構(gòu)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(gòu)、可升級的構(gòu)件化軟件來實現(xiàn)[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?jīng)Q定了模擬射頻前端組成結(jié)構(gòu)，也影響DSP處理方式及處理速度，根據(jù)對射頻模擬信號采樣數(shù)字化方式的不同，軟件無線電有三種組成結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)

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

（2）射頻直接帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)對ADC采樣速率要求不高，其關(guān)鍵部件窄帶電調(diào)濾波器已有商品上市。這種結(jié)構(gòu)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(diào)濾波器目前工作帶寬不夠?qū)?，有時需要分幾個，甚至是十幾個分頻段來實現(xiàn)，需要多個采樣頻率，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

（3）寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)

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

2 研究現(xiàn)狀

目前軟件無線電應(yīng)用最為成功的當屬美國軍方的Speakeasy計劃開發(fā)的多頻段多模式（MBMMR）電臺，以及MBMMR基礎(chǔ)上的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）。JTRS現(xiàn)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(xiàn)了軟件無線電的優(yōu)越性。

MBMMR既可以與常規(guī) HF、VHF、UHF電臺通信，還可以與SINC-GARS、HAVE-QUICK II跳頻電臺還有Link11數(shù)據(jù)鏈終端、衛(wèi)星通信終端、EPLRS設(shè)備等非常規(guī)通信裝備進行語音通信以及數(shù)據(jù)或者視頻傳輸，與此同時還能接入民用蜂窩系統(tǒng)，還具備GPS定位和定時同步功能。所以實際開發(fā)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(nèi)來說，“九五”期間立項的“多頻段多功能電臺技術(shù)”突破了軟件無線電的部分關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出4信道多波形樣機。另外，我國第三代移動通信系統(tǒng)方案TD-STDMA也是利用軟件無線電完成設(shè)計的。

第四代移動通信系統(tǒng)（4G）標準明確提出了將采用軟件無線電技術(shù)，應(yīng)用范圍從開始的軍用擴展到到現(xiàn)在的移動通信、電子戰(zhàn)、雷達、天基信息系統(tǒng)、電視等民用領(lǐng)域。關(guān)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(jié)構(gòu)、軟件模塊設(shè)計，甚至細化到某一個DSP芯片算法、某一個硬件接口設(shè)計都有很多研究人員在進行不斷的研究與優(yōu)化。如鐘明明[11]設(shè)計的數(shù)字化中頻處理平臺，就包括了總體方案設(shè)計、芯片和元件選擇、電路原理、硬件平臺調(diào)試、軟件編寫，著重于硬件的設(shè)計；趙亮[12]主要研究了軟件無線電數(shù)字下變頻這一關(guān)鍵技術(shù)基于FPGA的處理方案；漆莊平[13]的衛(wèi)星地面站系統(tǒng)研究與設(shè)計；徐明義等[6]重點分析中短波接收機設(shè)計中電調(diào)濾波器。

國內(nèi)外多所高校對軟件無線電在海上通信系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)在船舶通信系統(tǒng)的互聯(lián)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(jié)構(gòu)到軟件體系以及整個系統(tǒng)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(xiàn)有海上通信設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計出接收機。接收機不僅可以實現(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)不同通信模式的同步接收。這種接收的出現(xiàn)將大大改善現(xiàn)有中短波通信設(shè)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(shè)備硬件資源和節(jié)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(shè)備綜合的設(shè)想。同樣采用中頻數(shù)字化軟件無線電結(jié)構(gòu)。射頻部分采用可切換的模塊化設(shè)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(shè)備和衛(wèi)星通信設(shè)備。

大連海事大學符策等[8]于2004年設(shè)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(yīng)用前景分析

3.1 軟件無線電技術(shù)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(gòu)成復(fù)雜，地面通信系統(tǒng)工作在MF/HF/VHF頻段，設(shè)備的工作頻率不超過200MHz，海事衛(wèi)星通信船站工作在L波段，發(fā)射頻率為：1626.5MHz-1646.5MHz，接收頻率為：1525.0MHz-1545.0MHz。實現(xiàn)“全波段”天線，即整個波段用一副天線來實現(xiàn)，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(fā)展分為兩個方向，一是基于智能進化算法的MEMS（微機電系統(tǒng)）天線，一種是智能天線，以數(shù)字波束形成為基礎(chǔ)發(fā)展起來的陣列天線技術(shù)。海上應(yīng)用主要是要是后者。應(yīng)該像文獻[9]那樣，將整個頻段進行劃分，分頻段實現(xiàn)。

（2）為提高軟件無線電對各種不同帶寬無線電信號的適應(yīng)性，中頻帶寬必須足夠?qū)?，但中頻帶寬越寬，對后續(xù)信號處理要求越高，對射頻前端電路動態(tài)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(fā)展迅速，其性能將隨著技術(shù)的發(fā)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(xiàn)不同的功能就要依靠軟件來實現(xiàn)，軟件實現(xiàn)的最大問題是實時性。

可以采用FPGA進行預(yù)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(yīng)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(yè)務(wù)進行通信。同時實現(xiàn)不同功能時并不是說將整個軟件進行重新編寫，應(yīng)該實現(xiàn)軟件編程，形成一個個的“構(gòu)件”。通過“構(gòu)件”的重新配置，或者部分“構(gòu)件”的重新構(gòu)造來實現(xiàn)不同功能。

對功能軟件“粒度”的分割，即每一個“構(gòu)件”的具體功能細化程度的選取若合適，那么實現(xiàn)功能重組、實現(xiàn)多業(yè)務(wù)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(wù)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(tǒng)本身誤警率就居高不下，如HFDSC設(shè)備，因此整個系統(tǒng)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(qū)，不同用途的船舶，構(gòu)成了龐雜的船舶通信系統(tǒng)[10]。

船舶上的各個通信設(shè)備價格一般都不低，所以人們并不希望將以前的設(shè)備廢棄，同時不同設(shè)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(yōu)點就是可以整合硬件資源，節(jié)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(shè)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(fù)雜的通信系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)形成方面

軟件無線電在海上通信得到實際應(yīng)用這個過程與美國軍方Speakeasy的研發(fā)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(chǔ)上，研制了演示系統(tǒng)，達到了：真正開放式結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)70%使用的商業(yè)現(xiàn)貨組件，體系結(jié)構(gòu)中采用FPGA。在MBMMR基礎(chǔ)上又形成了JTRS。我們可以看到，在形成新系統(tǒng)時，我們要先確定硬件構(gòu)架，還要有軟件通信結(jié)構(gòu)SCA和軟件模塊化設(shè)計以及面向?qū)ο缶幊獭Ｃ恳粋€部分的設(shè)計都需要結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀進行分析、仿真和實驗來確定。第2節(jié)也提到過，關(guān)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(fā)展是十分可觀的。

4 結(jié)束語

目前軟件無線電在海上沒有實際應(yīng)用并不是因為它是不可行的。軟件無線電本身技術(shù)發(fā)展不夠成熟，海上通信對目前對新的設(shè)備需求并不強烈，開發(fā)一套新系統(tǒng)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(yīng)用研究熱潮中，在海上通信系統(tǒng)中沒能得到實際應(yīng)用。另外，軟件無線電需要將現(xiàn)代先進的通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)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(zhì)量提高的成本、效率都會大大提高。那時我們考慮的應(yīng)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(shè)備。因此，基于軟件無線電的船舶通信系統(tǒng)的出現(xiàn)是必然的發(fā)展趨勢。

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