一種基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)*

于臣軍，陳啟興

(成都信息工程學院 通信工程學院，四川 成都610225)

當自然災(zāi)害、突發(fā)災(zāi)難、大型活動等事件發(fā)生時，對于事發(fā)地詳情的匯集研究、調(diào)度指揮等，應(yīng)急通信是必不可少的。美國從20世紀70年代就開始建設(shè)最低限度的應(yīng)急通信網(wǎng)，現(xiàn)在已投入巨資建設(shè)政府專網(wǎng)，并利用Wi-MAX、Wi-Fi等新技術(shù)來提高應(yīng)急通信保障能力；日本已經(jīng)建立起中央防災(zāi)無線網(wǎng)和防災(zāi)互連通信網(wǎng)等應(yīng)急通信保障網(wǎng)絡(luò)[1]。參考文獻[2]介紹了我國針對應(yīng)急通信系統(tǒng)所做的研究和探討，但與國外的應(yīng)急通信保障體系相比較，我國的應(yīng)急通信保障體系的建設(shè)還有很多不足之處。例如在汶川地震中出現(xiàn)的飛機失事、煤礦坍塌中巷道通信的中斷等，暴露出現(xiàn)有應(yīng)急通信體系存在的問題——通信失效時，缺乏變通的手段。當通信信道改變時，工作頻段固定，調(diào)制解調(diào)模式單一，都可能會引起通信的失效。本文介紹了一種基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)，把盡可能多的通信功能用可升級、可替換的軟件來實現(xiàn)[3]，提供一種可靠靈活、支持多制式通信、具有較高生存性的通信支撐平臺，可以較好地解決突發(fā)條件下可能出現(xiàn)的通信失效的問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的需求分析

應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急狀況的不同類型，迅速、靈活地構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)[4]，在外界條件改變時應(yīng)避免通信失效，能夠保障通信的有效性和及時性；應(yīng)急通信系統(tǒng)還要求通信的設(shè)備簡單且易于操作，并且能夠兼容盡量多類型的通信系統(tǒng)，具有較好的可擴展性和較高的生存性。

1.2 系統(tǒng)的詳細方案設(shè)計

對于突發(fā)事件，受困人員可能遭遇很嚴重的身體創(chuàng)傷，但對內(nèi)心的恐懼的安撫也是非常重要的，此時通過此應(yīng)急通信系統(tǒng)與受困人員不斷地進行語音交流，安撫受困人員的心理，獲知受困人員的傷情和所處的環(huán)境狀況，就相對容易制定出合適的救援方案。借鑒一般通信系統(tǒng)的通信模型，此系統(tǒng)的通信模型設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案的通信模型

由于無法事先確定雙方的通信頻段，要求系統(tǒng)的接收機能夠覆蓋較寬的無線電頻段，因此系統(tǒng)的收發(fā)采用基于軟件無線電的寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)[5]。具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通信系統(tǒng)的收發(fā)結(jié)構(gòu)框圖

天線感應(yīng)信號經(jīng)過雙工器后，再進行放大、濾波、下混頻后得到中頻信號。中頻信號經(jīng)過A/D和DDC后交付給DSP做諸如數(shù)字濾波、調(diào)制類型自動識別、檢波等處理。

本文提出的基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計方案不僅具有廣泛的波形適應(yīng)性，而且所有的通信功能都可以在一個統(tǒng)一的硬件平臺上實現(xiàn)，通過調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊就可以實現(xiàn)不同的功能，所以系統(tǒng)的設(shè)計方案可以較好地滿足應(yīng)急通信系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)所利用的關(guān)鍵技術(shù)

在本文所介紹應(yīng)急通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)過程中，充分利用了軟件無線電平臺中的關(guān)鍵技術(shù)[3]，對應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)和調(diào)制解調(diào)樣式的自動識別提供了技術(shù)上的支持。

在硬件設(shè)計中采用寬帶多頻段天線和寬帶A/D和D/A技術(shù)。軟件無線電要求將A/D和D/A盡量靠近天線[6]，盡可能地將模擬和數(shù)字邊界移至射頻段。在通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計時，用DSP技術(shù)代替ASIC，可通過軟件實現(xiàn)編碼、調(diào)制、均衡和脈沖形成等基本功能；另一方面，系統(tǒng)可重新編程，以保證在多種標準下運行。

在以下的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計過程中，充分利用上述關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢，來實現(xiàn)應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)制解調(diào)樣式的自動識別。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計思想是建立一種通用的硬件平臺，而通信功能的實現(xiàn)盡可能多地通過調(diào)用不同的軟件模塊來實現(xiàn)。具體的硬件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

系統(tǒng)的發(fā)射部分采用數(shù)字上變頻器AD9857和可編程放大器AD8321。接收部分首先利用下混頻芯片MAX2680將收到的放大電信號與本振信號混頻，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[7]。核心部分采用DSP芯片進行控制，實驗選用的 DSP是 TI公司的 TMS320VC5402。為提高實時處理能力，在DSP芯片和AD9857芯片之間增加一片型號為IDT72V225的FIFO芯片作為采樣數(shù)據(jù)的緩存。

本文的系統(tǒng)硬件設(shè)計基于軟件無線電技術(shù)，可實現(xiàn)多制式調(diào)制解調(diào)，增加了系統(tǒng)的靈活性和健壯性，在突發(fā)事件發(fā)生時，可以較好地保障通信的有效性。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計思想

本文介紹基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)具有軟件可編程的靈活性，把對信號的分析處理功能設(shè)計成不同的軟件模塊。軟件模塊主要包括數(shù)字調(diào)制、數(shù)字解調(diào)、調(diào)制類型自動識別、FFT、內(nèi)插、抽取等。

在調(diào)制樣式的自動識別過程中，需要對信號進行如圖4所示的DDC與特征提取[7]。其中，x(n)為數(shù)字化后的實信號，I(m)為正交分量，Q(m)為同相分量，α(m)為瞬時幅度，ψ(m)為瞬時相位，f(m)為瞬時頻率。

圖4 DDC與特征提取的模塊結(jié)構(gòu)

對于語音信號，可以采用ASK、FSK等調(diào)制方式[8]。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，把調(diào)制解調(diào)算法以軟件的形式存儲于DSP中，根據(jù)自動識別算法的分析結(jié)果，去調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊，來實現(xiàn)語音信號的調(diào)制解調(diào)。

4.2 仿真驗證

對于ASK調(diào)制方式，采用基于內(nèi)插的正交調(diào)制解調(diào)的通用模型，首先對語言信號進行前期的處理，然后經(jīng)過正交變換，采用基于內(nèi)插的正交調(diào)制的通用模型進行調(diào)制，調(diào)用相干解調(diào)或者非相干解調(diào)算法，而解調(diào)算法模塊也是以軟件的形式內(nèi)置于DSP中。對于每一種調(diào)制解調(diào)方式，取10組信號，對所傳輸?shù)耐ㄐ判盘柉B加上帶限高斯白噪聲。在自行設(shè)計的基于TMS320VC5402的軟件無線電實驗平臺上進行實驗驗證，對多路通信信號在CCS仿真軟件中進行自動調(diào)制模式識別的計算機仿真驗證。

由表1的實驗結(jié)果可知，當信噪比為15 dB時，平均識別成功率是99.2%，最低識別成功率是98.7%，說明此應(yīng)急通信系統(tǒng)對調(diào)制樣式具有較高的自動識別率，可以滿足應(yīng)急通信的系統(tǒng)需求。

本文在分析了應(yīng)急通信系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)。借助軟件無線電的設(shè)計理念，在一個通用的數(shù)字信號處理硬件平臺上，通過調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊，可以實現(xiàn)多種調(diào)制樣式的自動識別，具有較好的靈活性。針對應(yīng)急通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)恼Z音信號，可以靈活地實現(xiàn)多制式調(diào)制解調(diào)，解決了現(xiàn)有應(yīng)急通信系統(tǒng)調(diào)制樣式單一、在外界條件改變時容易出現(xiàn)通信失效的問題。經(jīng)過實驗驗證，這種基于軟件無線電的應(yīng)急通信系統(tǒng)對調(diào)制樣式具有較高的自動識別率，可以滿足應(yīng)急通信的系統(tǒng)需求。如果要改進和更新應(yīng)急通信系統(tǒng)的功能，只需對相應(yīng)的軟件部分進行修改即可，而不需要對硬件平臺進行重新設(shè)計，這樣就減少了研制資金，縮短了開發(fā)周期。軟件無線電技術(shù)的特點使之成為設(shè)計應(yīng)急通信系統(tǒng)的一個重要選擇，對今后應(yīng)急通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。

表1 仿真結(jié)果（單位：%）

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