软件无线电海上应用前景分析

张亦祯

（上海海事大学 商船学院，中国 上海 201306）

0 引言

国际海事组织 （IMO）开发实施的全球海上遇险与安全系统（GMDSS）是一个用于全球海上遇险、紧急、安全通信和常规通信的全球性综合通信系统。GMDSS由地面通信系统和卫星通信系统组成。地面通信系统包括MF/HF无线电话系统、VHF无线电话系统、数字选择性呼叫（DSC）系统、窄带直接印字电报（NBDP）系统、NAVTEX系统和现场寻位系统；卫星系统包括国际移动卫星通信系统（Inmarsat）和全球卫星搜救系统 （COSPAS-SARSAT）[1]。无线电通信和搜救分委会（IMO COMSAR）第16次会议考虑将AIS、LRIT、SSAS等新系统也纳入到GMDSS系统[2]。加之其他各种新的助航仪器、船载通信导航等电子设备不断推出，设备安装布置变得更加困难，对船员操作也带来了很大的挑战。

软件无线电基本思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能[3]，软件无线电不是一部无线电台、无线电系统，而是一种设计方法，一种设计理念。为我们实现这些船舶移动通信系统中用途不一、波段跨度大、功能相异的设备的联合通信、模块化、小型化、数字化提供了理想的解决办法。

本文第1节先对软件无线电进行一些基本介绍；第2节是软件无线电应用的研究现状，主要为海上通信方面；第3节从三方面分析了软件无线电在海上无实际应用的原因；最后第4节做出总结及展望。

1 软件无线电基本介绍

“软件无线电（Software Radio）”这个概念最早由美国MITRE公司的Joseph Mitola III博士首次于1992年5月在美国的全国电信系统会议（National Telesystem Conference）上明确提出。

软件无线电是一种新的无线电系统体系结构，是现代无线电工程的一种设计方法、设计理念，它的基本思想是以具有开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，把尽可能多的无线电功能用可重构、可升级的构件化软件来实现[2]。

软件无线电由三部分组成如图1所示，其中A/D/A是核心部分，不同的采样方式决定了模拟射频前端组成结构，也影响DSP处理方式及处理速度，根据对射频模拟信号采样数字化方式的不同，软件无线电有三种组成结构。

图1 软件无线电的三大组成部分

（1）射频低通采样软件无线电结构

这种射频全宽开的低通采样软件无线电结构一般只适用于工作带宽不是非常宽的场合，根据目前器件水平，对于HF频段采用这种结构实现是有可能的，而要以此结构实现宽频带（大于或等于2GHz）软件无线电是不现实的。

（2）射频直接带通采样软件无线电结构

这种结构对ADC采样速率要求不高，其关键部件窄带电调滤波器已有商品上市。这种结构特别适用于对体积、重量要求严格而对性能要求不是非常高的平台，如无人机、弹载、气球载、飞艇载等。但窄带电调滤波器目前工作带宽不够宽，有时需要分几个，甚至是十几个分频段来实现，需要多个采样频率，增加了系统复杂度。

（3）宽带中频带通采样软件无线电结构

这种结构在软件无线电中应用最为广泛，可实现性也最强。不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不要求第二种结构所需要的高精度高工作带宽的采样保持放大器。

2 研究现状

目前软件无线电应用最为成功的当属美国军方的Speakeasy计划开发的多频段多模式（MBMMR）电台，以及MBMMR基础上的联合战术无线电系统（JTRS）。JTRS现已有5种类型的软件无线电台交付部队开始投入使用，并在各种演习中充分体现了软件无线电的优越性。

MBMMR既可以与常规 HF、VHF、UHF电台通信，还可以与SINC-GARS、HAVE-QUICK II跳频电台还有Link11数据链终端、卫星通信终端、EPLRS设备等非常规通信装备进行语音通信以及数据或者视频传输，与此同时还能接入民用蜂窝系统，还具备GPS定位和定时同步功能。所以实际开发成功的MBMMR电台共有6个信道，4个可编程信道，1个蜂窝信道，1个GPS信道。美国Harris、南非Grinel、美国马格纳泛斯克等公司都成功研制出了MBMMR电台。

国内来说，“九五”期间立项的“多频段多功能电台技术”突破了软件无线电的部分关键技术，开发出4信道多波形样机。另外，我国第三代移动通信系统方案TD-STDMA也是利用软件无线电完成设计的。

第四代移动通信系统（4G）标准明确提出了将采用软件无线电技术，应用范围从开始的军用扩展到到现在的移动通信、电子战、雷达、天基信息系统、电视等民用领域。关于软件无线电的研究从平台搭建到每一部分具体的硬件结构、软件模块设计，甚至细化到某一个DSP芯片算法、某一个硬件接口设计都有很多研究人员在进行不断的研究与优化。如钟明明[11]设计的数字化中频处理平台，就包括了总体方案设计、芯片和元件选择、电路原理、硬件平台调试、软件编写，着重于硬件的设计；赵亮[12]主要研究了软件无线电数字下变频这一关键技术基于FPGA的处理方案；漆庄平[13]的卫星地面站系统研究与设计；徐明义等[6]重点分析中短波接收机设计中电调滤波器。

国内外多所高校对软件无线电在海上通信系统中的应用也进行了研究。

武汉理工大学的聂明新[7]于2001年提出软件无线电技术在船舶通信系统的互联和方便升级上是一种充满希望和切实可行的解决方法，并从硬件结构到软件体系以及整个系统的模块搭建都给出了理论的介绍。

集美大学的陈朝阳[5]于2002年提出了基于软件无线电的海上中短波接收机原理。文献[5]中提出可以利用现有海上通信设备已有电路特性，采用了宽带中频带通采样的软件无线电结构设计出接收机。接收机不仅可以实现现有海上中短波接收机、NBDP、DSC的功能，并且能够通过加载不同的运行软件实现不同通信模式的同步接收。这种接收的出现将大大改善现有中短波通信设备工作时通信模式单一的缺点，提高性能，降低造价。

集美大学的符强等[9]出于整合、简化设备硬件资源和节省驾驶台操作空间的考虑，于2003年提出了基于软件无线电的船舶通信设备综合的设想。同样采用中频数字化软件无线电结构。射频部分采用可切换的模块化设计，便于不同通信体系的通信功能的需要，划分2-30MHz、30-500MHz、500-3个频段，兼容地面通信设备和卫星通信设备。

大连海事大学符策等[8]于2004年设计了频率范围在200MHz左右的软件无线电船舶移动电台。

3 软件无线电在海上通信中的应用前景分析

3.1 软件无线电技术方面[4]

（1）软件无线电的工作频段一般都很宽，少则覆盖一个、几个倍频程，多则覆盖十几、几十个倍频程，这就给与之配套的天线提出了宽频带要求。

GMDSS构成复杂，地面通信系统工作在MF/HF/VHF频段，设备的工作频率不超过200MHz，海事卫星通信船站工作在L波段，发射频率为：1626.5MHz-1646.5MHz，接收频率为：1525.0MHz-1545.0MHz。实现“全波段”天线，即整个波段用一副天线来实现，且要求有比较高的效率是非常困难，甚至不可能的。

软件无线电的天线发展分为两个方向，一是基于智能进化算法的MEMS（微机电系统）天线，一种是智能天线，以数字波束形成为基础发展起来的阵列天线技术。海上应用主要是要是后者。应该像文献[9]那样，将整个频段进行划分，分频段实现。

（2）为提高软件无线电对各种不同带宽无线电信号的适应性，中频带宽必须足够宽，但中频带宽越宽，对后续信号处理要求越高，对射频前端电路动态范围要求也越高。要有速度快，功耗低，价格便宜的通用DSP或CPU，目前比较困难。

针对这点，目前解决方法为信号平台采用多DSP或多核处理芯片，多CPU，多模块的处理方式弥补硬件的不足。近年来DSP以及CPU发展迅速，其性能将随着技术的发展越来越符合我们的要求。

（3）软件无线电要求的是硬件通用化，这样要实现不同的功能就要依靠软件来实现，软件实现的最大问题是实时性。

可以采用FPGA进行预处理：滤波、信道化、信号检测，来改善实时性的问题。

（4）软件无线电的应用并不是要改成一种通信方式，而是要通过一个硬件平台达到多种通信方式，多种业务进行通信。同时实现不同功能时并不是说将整个软件进行重新编写，应该实现软件编程，形成一个个的“构件”。通过“构件”的重新配置，或者部分“构件”的重新构造来实现不同功能。

对功能软件“粒度”的分割，即每一个“构件”的具体功能细化程度的选取若合适，那么实现功能重组、实现多业务通信将变得十分快捷可靠。

3.2 海上通信需求方面

GMDSS的首要任务是遇险报警通信，通信的可靠性以及有效性十分重要，而GMDSS中许多通信系统本身误警率就居高不下，如HFDSC设备，因此整个系统包含多种通信方式，这些通信方式各具特色，适用于不同航区，不同用途的船舶，构成了庞杂的船舶通信系统[10]。

船舶上的各个通信设备价格一般都不低，所以人们并不希望将以前的设备废弃，同时不同设备提供了多手准备、多重保险，这也是GMDSS越来越庞大的原因之一。软件无线的一个显著优点就是可以整合硬件资源，节省驾台空间，而对于我们的大型船舶来说，这个问题的矛盾并不突出，而小型船舶安装的设备本身就相对较少，所以需求也并不十分强烈。

但是庞大而复杂的通信系统给船员造成了不同程度负担。在实际工作中船舶驾驶员始终存在GMDSS操作不熟练、电台管理不规范、PSC检查难通过的问题，这些船公司带来了管理上的不便，给船公司造成了很大的损失[14]。

3.3 新系统形成方面

软件无线电在海上通信得到实际应用这个过程与美国军方Speakeasy的研发是可以类比的。Speakeasy第一阶段主要验证了软件无线电概念的正确性、可行性。并在第一阶段成功完成理论验证基础上，研制了演示系统，达到了：真正开放式结构，功能软件可编程，能与TF-XXI AWE F、Irwin、March 97 等电台互通， 支持 HF、VHF、UHF 多频段。其中硬件体系结构70%使用的商业现货组件，体系结构中采用FPGA。在MBMMR基础上又形成了JTRS。我们可以看到，在形成新系统时，我们要先确定硬件构架，还要有软件通信结构SCA和软件模块化设计以及面向对象编程。每一个部分的设计都需要结合技术现状进行分析、仿真和实验来确定。第2节也提到过，关于软件无线电方方面面都有专家学者在进行着不断的研究，各国也十分重视，其发展是十分可观的。

4 结束语

目前软件无线电在海上没有实际应用并不是因为它是不可行的。软件无线电本身技术发展不够成熟，海上通信对目前对新的设备需求并不强烈，开发一套新系统所需的大量人力物力的不足等原因造成了在软件无线电应用研究热潮中，在海上通信系统中没能得到实际应用。另外，软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技术和计算机技术结合在一起，是一个中长期的研究项目，需要很强的综合实力。

可以说4G就是软件无线电，一旦成功采用了软件无线电的思想，以后的升级更新、通信质量提高的成本、效率都会大大提高。那时我们考虑的应该就是如何改进如信号处理的算法等比较“软”的问题，而不用大刀阔斧的废弃大批的设备。因此，基于软件无线电的船舶通信系统的出现是必然的发展趋势。

［1］陈放.GMDSS通信设备与业务[M].大连：大连海事出版社,2008.

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

［3］杨小牛.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2001.

［4］杨小牛.软件无线电技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2010.

［5］陈朝阳.海上中短波软件无线电接收机原理的研究[J].航海技术,2002(6)：26-27.

［6］徐明义,周鸣籁.基于软件无线电的中短波接收机设计[J].通信技,2011,44(7)：16-18.

［7］聂明新.软件无线电技术在船舶通信中的应用研究[J].交通科技,2001(4)：37-38

［8］符策,王惠.基于软件无线电技术的船舶移动电台[J].中国航海,2004(1)：34-37.

［9］符强.基于软件无线电的船舶通信设备功能的综合[J].集美大学学报：自然科学版,2003,8(4)：343-345.

［10］陶玉柱,胡建旺,崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术,2011,44(2)：37-39.

［11］钟明明.基于软件无线电的数字化中频处理平台的硬件设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学,2010.

［12］赵亮.基于FPGA的数字下变频SDR-PHS系统的设计及实现[J].计算机与现代化,2012(6)：89-94.

［13］漆庄平.基于软件无线电技术的卫星地面站系统研究与设计[D].上海：中国科学院上海微系统与信心技术研究所.

［14］彭晓星.GMDSS系统的缺陷与解决方法[J].中国水运,2007,7(2)：10-12.