软件无线电感应电台的总体方案设计

1、软件无线电感应电台的总体方案设计针对电气化铁路的实际情况，我公司从九八年开始对感应式无线通信进行研究，利用现有的27.5KV接触网作波导线，通过无线有线无线转接方式实现了机车车站调度之间的无线列调大三角无线通信，解决了山区及隧道内一般无线电台难以通信的难题。感应通信既具有移动无线通信的灵活性，又具有有线传输的场强分布是沿感应线作链状分布的特点，而且发射的载频低，容易进行数字化处理。目前的铁路感应通信电台仍然是模拟或部分数字的系统，虽然性能良好，使用稳定，但随着铁路通信的发展，随着技术的进步，如何在现有的感应通信的基础上，进一步提高它的通信性能，增加通信的功能，这就是软件无线电感应电台项目的主要

2、工作目标。本项目采用软件无线电的方法来更新现有的铁路感应通信电台，开发出新的一代铁路感应通信电台。使铁路通信中的感应电台系统数字化、软件化和智能化，在各种不同技术支撑和通信环境下，保证铁路移动机车感应电台系统的正常通信，并能够对通信过程进行智能化控制与调整。逐步做到使软件无线电感应电台具有灵活的传输频段、多种信道接入模式、多种数据速率等功能，能根据感应通信网络的传播环境和工作状态，自动地实现对网络的实时调整和动态优化。1 系统构成软件无线电感应电台是结合感应通信的系统构成和使用特点，并应用软件无线电技术的具有灵活的传输频段，多种信道接入模式，多种数据速率等特点的新一代软件化感应通信电台。该系统

3、包括一个可靠、灵活、实用的硬件平台以及相关的软件体系。§ 所研制的软件无线电感应电台要实现以下目标：1) 研制软件感应电台的性能和技术指标不低于现有的感应通信设备；2) 感应电台的射频发射以前或接收以后、用户接口之前全部采用数字化处理，此项数字处理是以高速DSP为核心，以软件无线电的方式对系统进行设置和控制；3) 系统给用户留有模拟语音接口，语音编码方式采用G.723.1，速率为5.3kb/s；4) 系统给用户留有一个数据接口，作为用户进行数据传输的通道,其数据接口采用RS232标准；5) 为了确保通信的可靠性，数字调制采用4PSK方式，今后再试验8PSK或16QAM方式；6) 对整

4、个码流（包括语音、数据和控制信号）采用R-S（63，47）前向纠错编码技术（FEC），对数据还考虑再加反馈重传（ARQ）纠错；以提高系统的抗噪声和抗干扰能力，增强通信可靠性；7) 通信方式有2种，一种是点对多点的广播式的通信，另一种是点对点的双向通信；8) 此次研制的新型感应电台要做到和原有的模拟AM、FM感应电台兼容互通。§4 感应电台的主要性能指标：1) 一般性能指标中心工作频率：f1=425kHz，f2=505kHz。工作方式：同频单工或者异频双工制式。调制方式：FM/AM/QPSK可选。使用环境：温度为-25-+55，相对湿度为45%-90%，气压为70106kPa。电源：D

5、C12V (±10%)。外形尺寸：68mm×136mm×36mm(不包括插头)。2) 发射机载波输出功率：3.5W，寄生调幅60dB。频率稳定度：优于50ppm。调制灵敏度：102.5mV/Hz。音频频率响应：300-3000Hz。3) 接收机静噪开启灵敏度：3dBV接收带宽：5kHz音频输出功率：0.5W (8欧姆)音频失真：10%调制接收带宽：2×5kHz音频响应：3003000Hz接收限幅特性：3dB4) 天线特性工作频率：405 kHz505kHz阻抗：50欧姆1. 1 系统硬件结构感应电台的硬件结构如图4-1所示。虚线左端为模拟的带通滤波器BP

6、F、前置放大器和功率放大器。中心频率为425kHz和505kHz。为了保证双向通信和通信控制，电台的收发频道可以通过DSP的编程自动选择，达到可以选择信道进行发送和接收目的。 宽带A/D/C在本项目中采用1MHz采样频率的器件。由于本系统的工作频率较低，可以不必采用数字上/下变频器（DDC和DUC），这一部分可以看作是直通的模块，留作将来用于高频系统。如果使用，可以直接采用硬件完成，也可以在DSP中由软件功能来完成，这主要取决于所选用的DSP运算能力是否富裕。系统的主要功能，如信源和信道编解码、调制、协议和信令处理、信道特性检测和均衡、系统控制等，大多通过DSP编程来完成和调节。感应天线功放A

7、DCDDCBPF前放高速DSPA/D及压缩D/A及解压模拟接口数据终端数据接口DUCDACBPF模拟接口AGCALC双工器图41感应电台的硬件结构图42 主要软件模块线路输入/输出模块实 时 处 理模 块 终端模块功能选择模块控制与分析 模块 1. 2 系统主要软件结构软件感应电台的系统软件功能模块可抽象为如图4-2所示的五个模块，各模块的具体功能分别叙述如下：1) 实时处理模块发送方向：信号预处理>信源编码>信道复用>信道编码>调制>滤波；接收方向：滤波>解调>信道解码>信道解复用>信源解码>信号输出。 如果需要，还进行信道均衡，回

8、波抵消等。2) 控制和分析模块发送和接收信令信号，进行协议处理，控制并协调系统中各功能模块的正常工作，控制与外部数据模块的同步，控制信道选择，控制功放频带和增益，控制ADC采样频率，控制调制方式，控制信道和信源编码方式。3) 线路输入/输出模块这部分对应的硬件，是感应电台数字部分与线路模拟部分的接口。软件模块的功能，就是通过软件来控制接口参数的选择，保证它们在与DSP内部软件工作同步情况下，正确发送和接收信号。4) 终端模块这部分对应的硬件，是感应电台数字部分与终端部分的接口。软件模块的功能，就是通过软件来控制和协调接口的正确工作，尤其是当系统与数据终端通信时，需控制DSP与终端的数据适配。5

9、) 功能选择模块这是系统内置的可供调用的功能子程序，以实现仅仅通过软件，就可以改变系统功能的目的，比如不同的信源和信道编解码程序、不同的调制和解调程序等。具体到我们的感应软件无线电台，我们将主要的软件系统的框图绘制如下。这里要说明的是语音的编解码已作为外围部件而未画在图4-3功率放大低噪放大D/AA/D调制解调加扰解扰纠错编码纠错解码打包解包语音信令用户数据天线图43 本方案软件模块（阴影部分） 1. 3 通信方式与通信过程感应电台通信系统采用FDD（频分双工）方式进行通信，即采用一个频段作为反向链路，而用另外一个频段作为正向链路，两个频段之间的间隔是为了防止电台发射机与接收机同时工作时，有信

10、号从发射机进入接收机而产生干扰。总的频带宽度为90kHz，频率从420kHz到510kHz。整个通道共有2个子信道和1个隔离带，如图4-4所示。设定两个子信道为F1（420430kHz）和F2（500510kHz），其中一个用于发信，一个用于收信。具体到某一部电台、某一次通信，到底那一个子信道用于发、那一个用于收，则是根据该电台所处的通信状态由软件来设定的。F1和F2之间的有一个70kHz的收发隔离带。图44 频谱分配示意图4204305005100F1信道 F2信道 (kHz) F2 F1 F1、F2分别为收发信道的中心频率，两者可以互换道。对于通信的发起者，F1为发送信道、F2为接收信道；

11、对于通信的接收者，F2为发送信道、F1为接收信道。在每个信道中又包含3个逻辑信道，即语音逻辑信道、数据逻辑信道和信令逻辑信道。这3个逻辑信道以时分复用的方式进行复用。语音逻辑信道承载用户的双向语音通信信息，数据逻辑信道承载用户数据信息，信令逻辑信道承载用于控制感应通信系统的通信控制信息。在这3个逻辑信道中，信令信道是始终打开的，各机车、车站的电台时时在利用信令信道进行通信控制。其它两个信道则根据用户需求和通信进程随时可以打开或关闭。 所有的机车或车站采用一样的电台，处于同一优先级别，在一个有效通信范围内所有设备都处于平等的地位，并根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接。任一电台都可以得到

12、一个唯一的地址码，所有的电台时刻都在接收（侦听）信令信道发送的信号。处于闲置情况下的电台默认为用F1频率进行接收话音信号，如果被叫，则用F2频率发送话音信号。其中首先提出通信要求的设备称为主设备（Master），被动进行通信的设备称为从设备（Slave）。一个Master最多可以同时与7个Slave进行通信并和多个Slave保持同步但不通信。基于感应电台的平等性，任何一个电台既可以作Master,又可以作Slave，还可同时既是Master,又是Slave，这是因为在软件感应电台系统中没有基站的概念，此外所有的电台都是可移动的。当其中一辆机车或车站的电台想进行通信时，首先必须“侦听”F2信道上

13、是否空闲，如果此时信令信道处于“忙”态（已被其它电台占用），则等待一段随机时间再“侦听”；如果此时信令信道处于“空”态，则可以打开F1信道，开始通信。这一电台属于主叫方，主叫方在通信的起始阶段首先将自己的标识号、被叫方的标识号、通信类别等信令信号送上F1信道的信令逻辑信道，并不断地在信令信道上进行通信计时，等待出现在F2信道上的对方的应答信号。如果在规定的通信计时时间内收不到对方的应答信号，则作超时处理：重新发起通信或结束通信；如果收到了对方的应答信号，则可以打开在F1上的自己的数据或语音发送逻辑信道，将自己的话音或数据信号送到F1发送出去，同时打开在F2上的数据或语音信道，接收来自F2的对方

14、语音或数据信号。如图4-5所示，主叫台以F1频率发送信息的同时用F2频率进行接收，它和被叫电台的收发频率正好相反。其中，被叫对象可以根据主叫的需要进行选择，如需要进行广播时就多选定几个机车电台的地址，当需要只和一辆机车通信时就将地址只设定为这辆机车的地址码。这些地址码和通信控制信号都是在信令逻辑信道中传输的。另外，主叫电台发出申请时，它同时在信令信道发出选择命令：是广播方式通信还是只跟其中某一电台进行双工通信，也就是要选择不同的地址码。此时，如果地址码表示主叫电台只和一个电台进行通信，除了被选中的电台以外，其余的各电台可以不参与这次通信，也可以作为广播的对象来接收信号，但不可以应答，即使这时提

15、出申请也不可以发信息。只有等通信结束或主叫电台发出允许它发送信息的地址码，它才可以向主叫电台发送信息，但刚刚和主叫电台通话的那个电台就不可以再进行信息发送而变成了广播对象。由于处于闲置的电台时刻都在监听F1信道，一旦获得F1信令信道上的被叫标号和自己一致，则立即确认自己为被叫，它一边打开自己的F1子信道用于接收主叫的信息，一边打开F2子信道，立即将自己的应答信号发送出去，通知主叫。至此，主、被叫之间的双向通信可进入正式通信阶段。通信的双方只要有一方退出通信，或者由于通信故障使通信非正常中断，则整个通信过程就即将结束，所剩的事为：主叫方释放F1发送子信道，结束信令信道的通信计时，继续侦听信令信道

16、；被叫方释放发送子信道F2，继续侦听信令信道。图45 感应电台工作过程中频段的使用 ST2T1T3T4F1 信道F2 信道主叫被叫例如：图45中车站S想跟机车T1、T2通信，首先它对F2信道进行监听，如果此时没有机车在进行通信，它将可以用F1的信令信道发出T1、T2的地址码和信令。其中T1可以接收也可以进行发送信息，T2只可以接收但不可以发送信息。F2将作为车站S的接收频率和T1的发送频率，T1的声音到达车站S后，将同S的声音混在一起发送到F1信道上去，这样T2将也可以听到T1的声音了。被叫采用回波抵消的方式，这样就实现了这3个电台之间的通信和广播。§ 通信过程：软件感应电台系统支持

17、实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别成为面向连接的同步链路（SCO）和非对称连接链路（ACL），前者主要传送话音等实时性强的信息，在有效的传输频带内传输；后者则以数据为主，甚至可以在话音频带的剩余部分进行传送。但当ACL传输占用SCO的预留传输频带时，一旦系统需要SCO传输，ACL则自动让出这些频带以保证SCO的实时性。数据包被分为三大类：链路控制包、SCO包和ACL包。 任一电台 收F1有无信号？有无发起通信？否是解开F1信令呼叫自己？否是打开F2发送应答 打开F2语音、数据信道，发送信息 双向通信打开F1语音、数据信道，接收信息 打开F1，由信令信道发呼叫收到应答？否是否超时？

18、否是是 打开F1语音、数据信道，发送信息。在信令信道发通信计数信息 双向通信打开F2语音、数据信道，接收信息打开F2接收应答 通信正常或非正常结束主叫被叫图46 通信流程图收发双方的通信主要过程见图46 ： § 数据结构：感应电台的数据结构主要涉及物理层、链路层以及作为高层的应用层，其中，链路层是最主要的数据打包和解包的地方，它又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层(MAC)，如图4-6所示。在发端，用户数据和信令由LLC层打包处理，送交MAC层；压缩语音数据直接送交MAC层，会同LLC来的数据一起打包成MAC帧，送交物理层传输。在接收端，工作过程和发送端相反。物理层链

19、路层高层网络层逻辑链路控制子层 （LLC）介质访问控制子层 （MAC）数据信令语音图47链路层数据结构链路层采用简化的高级数据链路控制规程（HDLC）来对数据进行打包处理，即根据电台通信的实际需要，将HDLC中那些过于复杂和用不到的部分予以删减。2 软件感应电台的关键技术研究1. RF技术：感应天线和射频模块的示意如图48所示：功率发射模块低噪接收模块双工器带通滤波器带通滤波器AGC图48 射频模块射频（RF）采用桥式电路、带通滤波器（如声表面波滤波器SAW）可将收、发两部分尽量分开，避免相互干扰，尤其是强大的发送功率对低电平接收电路的影响。设天线的等效阻抗为5，载波输出功率为10W，则有效电

20、平约为7V，通过90kHz的隔离带，有80dB的衰减，则对接收放大器的输入端基本不会产生强干扰电压。此外，要将发射功率和天线Q值适当降低一些，例如可将发射功率设计为5至8W左右，天线Q值设计为15至20之间。这样一则可以增加有效天线带宽，二则可以减小在同一电台内发送子信道对接收子信道的干扰。尽管感应通信系统和其它无线通信系统相比性能相对稳定，它的最大的波动是随着火车的移动电台接收电平的降低。为了解决这一问题，我们在射频电路部分加上自动增益控制（AGC）以保持接收电平的相对稳定。2. 信号处理：RF转换高速DSP窄带A/D/A宽带A/D/A模拟接口数字接口图49 软件感应电台简图1) 接收端的信

21、号处理在电台处于接收模式时，接收到的无线射频（RF）信号首先经过前端接收和放大，再通过一个以载波为中心的带通滤波器送到高速A/D转换器。带通滤波器的频率、相位及幅度等特性可以由DSP来设定和调整，以适应信道变化的要求。带通滤波后的模拟信号经过宽带的A/D变换器转换为数字信号后进入DSP。DSP对进入的数字信号首先进行数字解调，形成数字基带信号；然后再对此解调信号进行纠错解码，得到用户数据。如果该信息是用户数据，则可通过用户接口部分送出，如果是经过压缩的用户语音信号，则还需由DSP进行语音解压缩运算，将还原出来的语音信号由语音接口送给用户。至于语音解压缩运算，如果有价格低廉的专用芯片，则可用它来

22、完成解压缩任务，可以减轻DSP的运算负担。2) 发送端的信号处理电台处于发送模式时的信号的发射过程则刚好和接收过程相反。用户的原始模拟语音数据首先由A/D转换器转换为数字语音信号，然后在DSP中对此信号进行压缩语音编码运算。当然，如果有适当的专用芯片，则上述的语音数字化和压缩编码的任务都可以由该专用芯片完成。在传送语音信号的同时还允许传送用户数据信息，用户数据信息由数据接口进入DSP以后和压缩后的用户语音信息复用成统一的数据流，接着DSP对此数据流进行纠错编码和数字调制。处理后的数字信号由高速D/A转换成模拟射频信号经功率放大电路放大，由天线发射出去。3) DSP信号处理能力的估计 运算速度是

23、DSP芯片的一个最重要的性能指标。我们所选用的TMS320C54x的运算能力为100MIPS（每秒执行百万条指令），即其主频为100MHz，指令周期为10ns。我们以按样点处理估算C54x的处理能力。所谓按样点处理就是DSP算法对每一个输入样点循环一次。例如，一个采用LMS算法的40个抽头的FIR自适应滤波器，假定每个抽头的计算需要3个MAC（乘法和加法运算，需要一个指令周期），则一共需要120个MAC周期，也就是30*40ns=1200ns。如图49所示的我们的软件无线电感应通信电台的简单框图，由于感应收发天线工作在以425kHz与505kHz为中心的一个频段，根据低通抽样定理，并留有少许余

24、量，抽样频率速率为1MHz，为理论值的（825kHz）的1.2倍。那么采样点之间的间隔为1us（即1000ns）显然小于1200ns，从而不能够实现信号的实时处理。因而，必须在DSP中，对高速输入信号进行带通抽样处理，以降低它的运算量，达到实时处理的目的。3. 调制解调： 调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，显然对于不同类型的信道特性，应采取不同类型的调制方式。同时所采用的信号调制技术必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能。例如，无线通信中的发信机，一般都采用高效率的C类放大器，以获得较大的射频输出；接收机则为抗衰落增加了限幅措施；由于收发两端的滤波器和放大器，使得信道具有带限特性和非线

25、性特性。为了适应这些信道特性，要求的已调波应具有以下两个特点：其一是包络恒定或者包络起伏很小；其二是要求已调波具有快速高频滚降的频谱特性，具有最小功率谱占用率。 目前用于无线通信的数字调制技术，主要有两大类。第一类是连续相位调制技术，其射频已调波信号具有恒定包络特性，其中有代表性的为FSK、MSK和GMSK等。第二类则是线性调制技术，例如BPSK、MPSK和MQAM等为代表。这些调制方式可用于线性无线信道，但是从基带频率变换到无线电载频以及放大到发射电平，都需要高度的线性，即低的失真。不过由于近年来高效而实用的线性放大器技术的发展，使线性调制技术逐渐流行起来。比如泛欧的GSM移动通信系统采用的

26、是GMSK调制，而新发展起来的基于IS-95标准的北美CDMA移动通信系统则采用QPSK调制。在感应通信信道传输特性中，幅度由于受环境影响而有较大的波动，如果调制方式对仅依赖于幅度值，或对幅度衰减比较敏感，如数字ASK等调制方式就显得不适合了。此外，如果采用FSK的调制方式，则必须在相应的调制信号后加载窄带FIR滤波器，但是为了在感应信道上传输就得再经过宽带D/A变换器转化为模拟信号，考虑到相邻频率的跳变可能会造成较大的误码率。同时由于FSK调制方式的效率也不是很高，所以我们主要考虑MPSK和MQAM这两种多进制的调制方式。但是由于感应无线信道对信号幅度衰减敏感，应用MQAM调制是否可行需要进

27、一步实验才能下结论。我们的初步选择为MPSK调制方式。在系统带宽一定的情况下，多进制调制系统的频带利用率随着M的增大而提高。但是多进制频带利用率的提高是以牺牲功率利用率为代价的，因为信号空间各个信号点间的最小间距减小，相应信号的判决空区间也随之减小，从而造成接收信号误码率的提高。在感应电台系统中，感应收发天线在425kHz与505kHz的中心频率的频段有一定动态范围的带宽的频点，由于要求是双工方式且收发为同一副天线，考虑到保护带宽，对于发送通道或接收通道实际仅有最大7kHz的模拟频谱带宽可供利用。考虑到采用语音编码方式，压缩后语音基带信号速率为5.3kb/s，再加近似63/47倍的纠错保护和头

28、信息开销，则语音大约需要8kb/s的速率带宽；考虑到信道复用和用户数据等约需2kb/s的开销，信令需要0.5kb/s的开销，则总量开销需10.5kb/s。为此，我们采用4PSK调制，它的信道利用率为2bit/s/Hz。如果信道升余弦滚降系数为0.3，也就是说有效模拟带宽在5.4kHz，可传送5.4 kHz x 2 bit/Hz = 10.8kb/s的数字信号。如果进一步增大m的值，虽然可以提高信道利用率，但将会使信道的误码率提高，影响整个通信系统性的可靠性，所以目前难以决定。综合以上种种考虑，从保证通信可靠性出发，现在我们的方案采用/4-4PSK调制方式。到底是否可以采用效率更高的调制方式，要

29、在实际调试中决定，因为现在没有一份准确的感应信道的特性参数。好在软件无线电电台中这部分是由DSP软件实现的，可以方便地更改。调制器的结构如图410所示。由链路层生成的比特流首先被扰码，扰码器可按V.32标准由伪随机序列发生器产生。对扰码器输出的码流进行差分编码，每2比特为一组（符号）。此符号被映射到4PSK星座图上完成4PSK调制。最后用升余弦滚降滤波器进行带通滤波，并以一定的速率送入D/A转换器，生成Modem调制信号。比特流扰码差分编码D/A成形滤波 4PSK调制映射图410 调制器结构Sin(0k+)逆映射差分译码解扰器比特流输出载波误差提取再生A/D定时误差提取Cos(0k+)内插滤波

30、器解调输入判决 定时偏差均衡器图411 解调器结构 解调器的结构如图411所示。来自模拟前端的信号经过AGC电路，使信号幅度稳定。然后被A/D采样，输出被分成两路，进行正交解调，相差180度的正交载波由载波再生电路提供。带通滤波器有升余弦滚降特性。由于感应信道特性随时间起伏较大，因此解调后的信号有可能考虑采用自适应均衡，以部分抵消信道的起伏和漂移。由自适应均衡器输出经逆映射部分找出4PSK的对应星座点的符号，此符号经差分译码、解扰器后，还原成能提交给链路子层（MAC）的比特流。4. 纠错编码：在无线信道中，由于衰落、多径和带内电波等因素的干扰，会引起数据通信中的多种噪声和突发干扰，会使接收端解

31、调后的话音信息或数据信息不可避免地出现错误。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误码率指标，首先应该合理的设计基带信号，选择抗干扰性较强的调制解调方案，甚至采用频域/时域均衡的方法从而尽可能的降低无线通信系统的误码率。在综合考虑上述因素之后，本系统信道编码采用前向差错控制编码，以此获得编码增益，提高系统传输性能，保证软件无线电感应通信电台的通信可靠性。前向纠错方式的主要优点是：不需要反馈信道，能用于单向通信，因而也适用于一点发送多点接收的广播式通信；译码延迟固定，较适用于实时传输系统。在本方案中，对于语音传输，采用RS（63，47）码作前向纠错码和检错码（FEC）。对于数据传输，一旦前向纠错码纠错失败，再采用反馈重传技术（ARQ）。FEC/ARQ纠错模块位于MAC层，是移动数据链路