軟件無(wú)線電海上應(yīng)用前景分析

張亦禎

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，中國(guó) 上海 201306）

0 引言

國(guó)際海事組織 （IMO）開(kāi)發(fā)實(shí)施的全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）是一個(gè)用于全球海上遇險(xiǎn)、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(wú)線電話系統(tǒng)、VHF無(wú)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(bào)（NBDP）系統(tǒng)、NAVTEX系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)尋位系統(tǒng)；衛(wèi)星系統(tǒng)包括國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）和全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng) （COSPAS-SARSAT）[1]。無(wú)線電通信和搜救分委會(huì)（IMO COMSAR）第16次會(huì)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(dǎo)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(duì)船員操作也帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

軟件無(wú)線電基本思想就是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各種功能[3]，軟件無(wú)線電不是一部無(wú)線電臺(tái)、無(wú)線電系統(tǒng)，而是一種設(shè)計(jì)方法，一種設(shè)計(jì)理念。為我們實(shí)現(xiàn)這些船舶移動(dòng)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(duì)軟件無(wú)線電進(jìn)行一些基本介紹；第2節(jié)是軟件無(wú)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(wú)線電在海上無(wú)實(shí)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(wú)線電基本介紹

“軟件無(wú)線電（Software Radio）”這個(gè)概念最早由美國(guó)MITRE公司的Joseph Mitola III博士首次于1992年5月在美國(guó)的全國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議（National Telesystem Conference）上明確提出。

軟件無(wú)線電是一種新的無(wú)線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代無(wú)線電工程的一種設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念，它的基本思想是以具有開(kāi)放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的無(wú)線電功能用可重構(gòu)、可升級(jí)的構(gòu)件化軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。

軟件無(wú)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(duì)射頻模擬信號(hào)采樣數(shù)字化方式的不同，軟件無(wú)線電有三種組成結(jié)構(gòu)。

圖1 軟件無(wú)線電的三大組成部分

（1）射頻低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)

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

（2）射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)體積、重量要求嚴(yán)格而對(duì)性能要求不是非常高的平臺(tái)，如無(wú)人機(jī)、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(shí)需要分幾個(gè)，甚至是十幾個(gè)分頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要多個(gè)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(wú)線電結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)在軟件無(wú)線電中應(yīng)用最為廣泛，可實(shí)現(xiàn)性也最強(qiáng)。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(wú)線電應(yīng)用最為成功的當(dāng)屬美國(guó)軍方的Speakeasy計(jì)劃開(kāi)發(fā)的多頻段多模式（MBMMR）電臺(tái)，以及MBMMR基礎(chǔ)上的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)（JTRS）。JTRS現(xiàn)已有5種類型的軟件無(wú)線電臺(tái)交付部隊(duì)開(kāi)始投入使用，并在各種演習(xí)中充分體現(xiàn)了軟件無(wú)線電的優(yōu)越性。

MBMMR既可以與常規(guī) HF、VHF、UHF電臺(tái)通信，還可以與SINC-GARS、HAVE-QUICK II跳頻電臺(tái)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(jìn)行語(yǔ)音通信以及數(shù)據(jù)或者視頻傳輸，與此同時(shí)還能接入民用蜂窩系統(tǒng)，還具備GPS定位和定時(shí)同步功能。所以實(shí)際開(kāi)發(fā)成功的MBMMR電臺(tái)共有6個(gè)信道，4個(gè)可編程信道，1個(gè)蜂窩信道，1個(gè)GPS信道。美國(guó)Harris、南非Grinel、美國(guó)馬格納泛斯克等公司都成功研制出了MBMMR電臺(tái)。

國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，“九五”期間立項(xiàng)的“多頻段多功能電臺(tái)技術(shù)”突破了軟件無(wú)線電的部分關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出4信道多波形樣機(jī)。另外，我國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)方案TD-STDMA也是利用軟件無(wú)線電完成設(shè)計(jì)的。

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）標(biāo)準(zhǔn)明確提出了將采用軟件無(wú)線電技術(shù)，應(yīng)用范圍從開(kāi)始的軍用擴(kuò)展到到現(xiàn)在的移動(dòng)通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)、天基信息系統(tǒng)、電視等民用領(lǐng)域。關(guān)于軟件無(wú)線電的研究從平臺(tái)搭建到每一部分具體的硬件結(jié)構(gòu)、軟件模塊設(shè)計(jì)，甚至細(xì)化到某一個(gè)DSP芯片算法、某一個(gè)硬件接口設(shè)計(jì)都有很多研究人員在進(jìn)行不斷的研究與優(yōu)化。如鐘明明[11]設(shè)計(jì)的數(shù)字化中頻處理平臺(tái)，就包括了總體方案設(shè)計(jì)、芯片和元件選擇、電路原理、硬件平臺(tái)調(diào)試、軟件編寫(xiě)，著重于硬件的設(shè)計(jì)；趙亮[12]主要研究了軟件無(wú)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(jì)；徐明義等[6]重點(diǎn)分析中短波接收機(jī)設(shè)計(jì)中電調(diào)濾波器。

國(guó)內(nèi)外多所高校對(duì)軟件無(wú)線電在海上通信系統(tǒng)中的應(yīng)用也進(jìn)行了研究。

武漢理工大學(xué)的聶明新[7]于2001年提出軟件無(wú)線電技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)的互聯(lián)和方便升級(jí)上是一種充滿希望和切實(shí)可行的解決方法，并從硬件結(jié)構(gòu)到軟件體系以及整個(gè)系統(tǒng)的模塊搭建都給出了理論的介紹。

集美大學(xué)的陳朝陽(yáng)[5]于2002年提出了基于軟件無(wú)線電的海上中短波接收機(jī)原理。文獻(xiàn)[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(wú)線電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出接收機(jī)。接收機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有海上中短波接收機(jī)、NBDP、DSC的功能，并且能夠通過(guò)加載不同的運(yùn)行軟件實(shí)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(shí)通信模式單一的缺點(diǎn)，提高性能，降低造價(jià)。

集美大學(xué)的符強(qiáng)等[9]出于整合、簡(jiǎn)化設(shè)備硬件資源和節(jié)省駕駛臺(tái)操作空間的考慮，于2003年提出了基于軟件無(wú)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(wú)線電結(jié)構(gòu)。射頻部分采用可切換的模塊化設(shè)計(jì)，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(gè)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(xué)符策等[8]于2004年設(shè)計(jì)了頻率范圍在200MHz左右的軟件無(wú)線電船舶移動(dòng)電臺(tái)。

3 軟件無(wú)線電在海上通信中的應(yīng)用前景分析

3.1 軟件無(wú)線電技術(shù)方面[4]

（1）軟件無(wú)線電的工作頻段一般都很寬，少則覆蓋一個(gè)、幾個(gè)倍頻程，多則覆蓋十幾、幾十個(gè)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(guò)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(shí)現(xiàn)“全波段”天線，即整個(gè)波段用一副天線來(lái)實(shí)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(wú)線電的天線發(fā)展分為兩個(gè)方向，一是基于智能進(jìn)化算法的MEMS（微機(jī)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(lái)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(xiàn)[9]那樣，將整個(gè)頻段進(jìn)行劃分，分頻段實(shí)現(xiàn)。

（2）為提高軟件無(wú)線電對(duì)各種不同帶寬無(wú)線電信號(hào)的適應(yīng)性，中頻帶寬必須足夠?qū)?，但中頻帶寬越寬，對(duì)后續(xù)信號(hào)處理要求越高，對(duì)射頻前端電路動(dòng)態(tài)范圍要求也越高。要有速度快，功耗低，價(jià)格便宜的通用DSP或CPU，目前比較困難。

針對(duì)這點(diǎn)，目前解決方法為信號(hào)平臺(tái)采用多DSP或多核處理芯片，多CPU，多模塊的處理方式彌補(bǔ)硬件的不足。近年來(lái)DSP以及CPU發(fā)展迅速，其性能將隨著技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越符合我們的要求。

（3）軟件無(wú)線電要求的是硬件通用化，這樣要實(shí)現(xiàn)不同的功能就要依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)的最大問(wèn)題是實(shí)時(shí)性。

可以采用FPGA進(jìn)行預(yù)處理：濾波、信道化、信號(hào)檢測(cè)，來(lái)改善實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。

（4）軟件無(wú)線電的應(yīng)用并不是要改成一種通信方式，而是要通過(guò)一個(gè)硬件平臺(tái)達(dá)到多種通信方式，多種業(yè)務(wù)進(jìn)行通信。同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同功能時(shí)并不是說(shuō)將整個(gè)軟件進(jìn)行重新編寫(xiě)，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)軟件編程，形成一個(gè)個(gè)的“構(gòu)件”。通過(guò)“構(gòu)件”的重新配置，或者部分“構(gòu)件”的重新構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能。

對(duì)功能軟件“粒度”的分割，即每一個(gè)“構(gòu)件”的具體功能細(xì)化程度的選取若合適，那么實(shí)現(xiàn)功能重組、實(shí)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(xiǎn)報(bào)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(gè)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(gè)通信設(shè)備價(jià)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(shí)不同設(shè)備提供了多手準(zhǔn)備、多重保險(xiǎn)，這也是GMDSS越來(lái)越龐大的原因之一。軟件無(wú)線的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是可以整合硬件資源，節(jié)省駕臺(tái)空間，而對(duì)于我們的大型船舶來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題的矛盾并不突出，而小型船舶安裝的設(shè)備本身就相對(duì)較少，所以需求也并不十分強(qiáng)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(fù)擔(dān)。在實(shí)際工作中船舶駕駛員始終存在GMDSS操作不熟練、電臺(tái)管理不規(guī)范、PSC檢查難通過(guò)的問(wèn)題，這些船公司帶來(lái)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(wú)線電在海上通信得到實(shí)際應(yīng)用這個(gè)過(guò)程與美國(guó)軍方Speakeasy的研發(fā)是可以類比的。Speakeasy第一階段主要驗(yàn)證了軟件無(wú)線電概念的正確性、可行性。并在第一階段成功完成理論驗(yàn)證基礎(chǔ)上，研制了演示系統(tǒng)，達(dá)到了：真正開(kāi)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(tái)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(shí)，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(jì)以及面向?qū)ο缶幊獭Ｃ恳粋€(gè)部分的設(shè)計(jì)都需要結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析、仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。第2節(jié)也提到過(guò)，關(guān)于軟件無(wú)線電方方面面都有專家學(xué)者在進(jìn)行著不斷的研究，各國(guó)也十分重視，其發(fā)展是十分可觀的。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前軟件無(wú)線電在海上沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用并不是因?yàn)樗遣豢尚械?。軟件無(wú)線電本身技術(shù)發(fā)展不夠成熟，海上通信對(duì)目前對(duì)新的設(shè)備需求并不強(qiáng)烈，開(kāi)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(wú)線電應(yīng)用研究熱潮中，在海上通信系統(tǒng)中沒(méi)能得到實(shí)際應(yīng)用。另外，軟件無(wú)線電需要將現(xiàn)代先進(jìn)的通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，是一個(gè)中長(zhǎng)期的研究項(xiàng)目，需要很強(qiáng)的綜合實(shí)力。

可以說(shuō)4G就是軟件無(wú)線電，一旦成功采用了軟件無(wú)線電的思想，以后的升級(jí)更新、通信質(zhì)量提高的成本、效率都會(huì)大大提高。那時(shí)我們考慮的應(yīng)該就是如何改進(jìn)如信號(hào)處理的算法等比較“軟”的問(wèn)題，而不用大刀闊斧的廢棄大批的設(shè)備。因此，基于軟件無(wú)線電的船舶通信系統(tǒng)的出現(xiàn)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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