1、軟件無線電感應電臺的總體方案設計針對電氣化鐵路的實際情況，我公司從九八年開始對感應式無線通信進行研究，利用現有的27.5KV接觸網作波導線，通過無線有線無線轉接方式實現了機車車站調度之間的無線列調大三角無線通信，解決了山區及隧道內一般無線電臺難以通信的難題。感應通信既具有移動無線通信的靈活性，又具有有線傳輸的場強分布是沿感應線作鏈狀分布的特點，而且發射的載頻低，容易進行數字化處理。目前的鐵路感應通信電臺仍然是模擬或部分數字的系統，雖然性能良好，使用穩定，但隨著鐵路通信的發展，隨著技術的進步，如何在現有的感應通信的基礎上，進一步提高它的通信性能，增加通信的功能，這就是軟件無線電感應電臺項目的主要

2、工作目標。本項目采用軟件無線電的方法來更新現有的鐵路感應通信電臺，開發出新的一代鐵路感應通信電臺。使鐵路通信中的感應電臺系統數字化、軟件化和智能化，在各種不同技術支撐和通信環境下，保證鐵路移動機車感應電臺系統的正常通信，并能夠對通信過程進行智能化控制與調整。逐步做到使軟件無線電感應電臺具有靈活的傳輸頻段、多種信道接入模式、多種數據速率等功能，能根據感應通信網絡的傳播環境和工作狀態，自動地實現對網絡的實時調整和動態優化。1 系統構成軟件無線電感應電臺是結合感應通信的系統構成和使用特點，并應用軟件無線電技術的具有靈活的傳輸頻段，多種信道接入模式，多種數據速率等特點的新一代軟件化感應通信電臺。該系統

3、包括一個可靠、靈活、實用的硬件平臺以及相關的軟件體系。§ 所研制的軟件無線電感應電臺要實現以下目標：1) 研制軟件感應電臺的性能和技術指標不低于現有的感應通信設備；2) 感應電臺的射頻發射以前或接收以后、用戶接口之前全部采用數字化處理，此項數字處理是以高速DSP為核心，以軟件無線電的方式對系統進行設置和控制；3) 系統給用戶留有模擬語音接口，語音編碼方式采用G.723.1，速率為5.3kb/s；4) 系統給用戶留有一個數據接口，作為用戶進行數據傳輸的通道,其數據接口采用RS232標準；5) 為了確保通信的可靠性，數字調制采用4PSK方式，今后再試驗8PSK或16QAM方式；6) 對整

4、個碼流（包括語音、數據和控制信號）采用R-S（63，47）前向糾錯編碼技術（FEC），對數據還考慮再加反饋重傳（ARQ）糾錯；以提高系統的抗噪聲和抗干擾能力，增強通信可靠性；7) 通信方式有2種，一種是點對多點的廣播式的通信，另一種是點對點的雙向通信；8) 此次研制的新型感應電臺要做到和原有的模擬AM、FM感應電臺兼容互通。§4 感應電臺的主要性能指標：1) 一般性能指標中心工作頻率：f1=425kHz，f2=505kHz。工作方式：同頻單工或者異頻雙工制式。調制方式：FM/AM/QPSK可選。使用環境：溫度為-25-+55，相對濕度為45%-90%，氣壓為70106kPa。電源：D

5、C12V (±10%)。外形尺寸：68mm×136mm×36mm(不包括插頭)。2) 發射機載波輸出功率：3.5W，寄生調幅60dB。頻率穩定度：優于50ppm。調制靈敏度：102.5mV/Hz。音頻頻率響應：300-3000Hz。3) 接收機靜噪開啟靈敏度：3dBV接收帶寬：5kHz音頻輸出功率：0.5W (8歐姆)音頻失真：10%調制接收帶寬：2×5kHz音頻響應：3003000Hz接收限幅特性：3dB4) 天線特性工作頻率：405 kHz505kHz阻抗：50歐姆1. 1 系統硬件結構感應電臺的硬件結構如圖4-1所示。虛線左端為模擬的帶通濾波器BP

6、F、前置放大器和功率放大器。中心頻率為425kHz和505kHz。為了保證雙向通信和通信控制，電臺的收發頻道可以通過DSP的編程自動選擇，達到可以選擇信道進行發送和接收目的。 寬帶A/D/C在本項目中采用1MHz采樣頻率的器件。由于本系統的工作頻率較低，可以不必采用數字上/下變頻器（DDC和DUC），這一部分可以看作是直通的模塊，留作將來用于高頻系統。如果使用，可以直接采用硬件完成，也可以在DSP中由軟件功能來完成，這主要取決于所選用的DSP運算能力是否富裕。系統的主要功能，如信源和信道編解碼、調制、協議和信令處理、信道特性檢測和均衡、系統控制等，大多通過DSP編程來完成和調節。感應天線功放A

7、DCDDCBPF前放高速DSPA/D及壓縮D/A及解壓模擬接口數據終端數據接口DUCDACBPF模擬接口AGCALC雙工器圖41感應電臺的硬件結構圖42 主要軟件模塊線路輸入/輸出模塊實 時 處 理模 塊 終端模塊功能選擇模塊控制與分析 模塊 1. 2 系統主要軟件結構軟件感應電臺的系統軟件功能模塊可抽象為如圖4-2所示的五個模塊，各模塊的具體功能分別敘述如下：1) 實時處理模塊發送方向：信號預處理>信源編碼>信道復用>信道編碼>調制>濾波；接收方向：濾波>解調>信道解碼>信道解復用>信源解碼>信號輸出。 如果需要，還進行信道均衡，回

8、波抵消等。2) 控制和分析模塊發送和接收信令信號，進行協議處理，控制并協調系統中各功能模塊的正常工作，控制與外部數據模塊的同步，控制信道選擇，控制功放頻帶和增益，控制ADC采樣頻率，控制調制方式，控制信道和信源編碼方式。3) 線路輸入/輸出模塊這部分對應的硬件，是感應電臺數字部分與線路模擬部分的接口。軟件模塊的功能，就是通過軟件來控制接口參數的選擇，保證它們在與DSP內部軟件工作同步情況下，正確發送和接收信號。4) 終端模塊這部分對應的硬件，是感應電臺數字部分與終端部分的接口。軟件模塊的功能，就是通過軟件來控制和協調接口的正確工作，尤其是當系統與數據終端通信時，需控制DSP與終端的數據適配。5

9、) 功能選擇模塊這是系統內置的可供調用的功能子程序，以實現僅僅通過軟件，就可以改變系統功能的目的，比如不同的信源和信道編解碼程序、不同的調制和解調程序等。具體到我們的感應軟件無線電臺，我們將主要的軟件系統的框圖繪制如下。這里要說明的是語音的編解碼已作為外圍部件而未畫在圖4-3功率放大低噪放大D/AA/D調制解調加擾解擾糾錯編碼糾錯解碼打包解包語音信令用戶數據天線圖43 本方案軟件模塊（陰影部分） 1. 3 通信方式與通信過程感應電臺通信系統采用FDD（頻分雙工）方式進行通信，即采用一個頻段作為反向鏈路，而用另外一個頻段作為正向鏈路，兩個頻段之間的間隔是為了防止電臺發射機與接收機同時工作時，有信

10、號從發射機進入接收機而產生干擾。總的頻帶寬度為90kHz，頻率從420kHz到510kHz。整個通道共有2個子信道和1個隔離帶，如圖4-4所示。設定兩個子信道為F1（420430kHz）和F2（500510kHz），其中一個用于發信，一個用于收信。具體到某一部電臺、某一次通信，到底那一個子信道用于發、那一個用于收，則是根據該電臺所處的通信狀態由軟件來設定的。F1和F2之間的有一個70kHz的收發隔離帶。圖44 頻譜分配示意圖4204305005100F1信道 F2信道 (kHz) F2 F1 F1、F2分別為收發信道的中心頻率，兩者可以互換道。對于通信的發起者，F1為發送信道、F2為接收信道；

11、對于通信的接收者，F2為發送信道、F1為接收信道。在每個信道中又包含3個邏輯信道，即語音邏輯信道、數據邏輯信道和信令邏輯信道。這3個邏輯信道以時分復用的方式進行復用。語音邏輯信道承載用戶的雙向語音通信信息，數據邏輯信道承載用戶數據信息，信令邏輯信道承載用于控制感應通信系統的通信控制信息。在這3個邏輯信道中，信令信道是始終打開的，各機車、車站的電臺時時在利用信令信道進行通信控制。其它兩個信道則根據用戶需求和通信進程隨時可以打開或關閉。 所有的機車或車站采用一樣的電臺，處于同一優先級別，在一個有效通信范圍內所有設備都處于平等的地位，并根據網絡的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接。任一電臺都可以得到

12、一個唯一的地址碼，所有的電臺時刻都在接收（偵聽）信令信道發送的信號。處于閑置情況下的電臺默認為用F1頻率進行接收話音信號，如果被叫，則用F2頻率發送話音信號。其中首先提出通信要求的設備稱為主設備（Master），被動進行通信的設備稱為從設備（Slave）。一個Master最多可以同時與7個Slave進行通信并和多個Slave保持同步但不通信。基于感應電臺的平等性，任何一個電臺既可以作Master,又可以作Slave，還可同時既是Master,又是Slave，這是因為在軟件感應電臺系統中沒有基站的概念，此外所有的電臺都是可移動的。當其中一輛機車或車站的電臺想進行通信時，首先必須“偵聽”F2信道上

13、是否空閑，如果此時信令信道處于“忙”態（已被其它電臺占用），則等待一段隨機時間再“偵聽”；如果此時信令信道處于“空”態，則可以打開F1信道，開始通信。這一電臺屬于主叫方，主叫方在通信的起始階段首先將自己的標識號、被叫方的標識號、通信類別等信令信號送上F1信道的信令邏輯信道，并不斷地在信令信道上進行通信計時，等待出現在F2信道上的對方的應答信號。如果在規定的通信計時時間內收不到對方的應答信號，則作超時處理：重新發起通信或結束通信；如果收到了對方的應答信號，則可以打開在F1上的自己的數據或語音發送邏輯信道，將自己的話音或數據信號送到F1發送出去，同時打開在F2上的數據或語音信道，接收來自F2的對方

14、語音或數據信號。如圖4-5所示，主叫臺以F1頻率發送信息的同時用F2頻率進行接收，它和被叫電臺的收發頻率正好相反。其中，被叫對象可以根據主叫的需要進行選擇，如需要進行廣播時就多選定幾個機車電臺的地址，當需要只和一輛機車通信時就將地址只設定為這輛機車的地址碼。這些地址碼和通信控制信號都是在信令邏輯信道中傳輸的。另外，主叫電臺發出申請時，它同時在信令信道發出選擇命令：是廣播方式通信還是只跟其中某一電臺進行雙工通信，也就是要選擇不同的地址碼。此時，如果地址碼表示主叫電臺只和一個電臺進行通信，除了被選中的電臺以外，其余的各電臺可以不參與這次通信，也可以作為廣播的對象來接收信號，但不可以應答，即使這時提

15、出申請也不可以發信息。只有等通信結束或主叫電臺發出允許它發送信息的地址碼，它才可以向主叫電臺發送信息，但剛剛和主叫電臺通話的那個電臺就不可以再進行信息發送而變成了廣播對象。由于處于閑置的電臺時刻都在監聽F1信道，一旦獲得F1信令信道上的被叫標號和自己一致，則立即確認自己為被叫，它一邊打開自己的F1子信道用于接收主叫的信息，一邊打開F2子信道，立即將自己的應答信號發送出去，通知主叫。至此，主、被叫之間的雙向通信可進入正式通信階段。通信的雙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斷，則整個通信過程就即將結束，所剩的事為：主叫方釋放F1發送子信道，結束信令信道的通信計時，繼續偵聽信令信道

16、；被叫方釋放發送子信道F2，繼續偵聽信令信道。圖45 感應電臺工作過程中頻段的使用 ST2T1T3T4F1 信道F2 信道主叫被叫例如：圖45中車站S想跟機車T1、T2通信，首先它對F2信道進行監聽，如果此時沒有機車在進行通信，它將可以用F1的信令信道發出T1、T2的地址碼和信令。其中T1可以接收也可以進行發送信息，T2只可以接收但不可以發送信息。F2將作為車站S的接收頻率和T1的發送頻率，T1的聲音到達車站S后，將同S的聲音混在一起發送到F1信道上去，這樣T2將也可以聽到T1的聲音了。被叫采用回波抵消的方式，這樣就實現了這3個電臺之間的通信和廣播。§ 通信過程：軟件感應電臺系統支持

17、實時的同步定向聯接和非實時的異步不定向聯接，分別成為面向連接的同步鏈路（SCO）和非對稱連接鏈路（ACL），前者主要傳送話音等實時性強的信息，在有效的傳輸頻帶內傳輸；后者則以數據為主，甚至可以在話音頻帶的剩余部分進行傳送。但當ACL傳輸占用SCO的預留傳輸頻帶時，一旦系統需要SCO傳輸，ACL則自動讓出這些頻帶以保證SCO的實時性。數據包被分為三大類：鏈路控制包、SCO包和ACL包。 任一電臺 收F1有無信號？有無發起通信？否是解開F1信令呼叫自己？否是打開F2發送應答 打開F2語音、數據信道，發送信息 雙向通信打開F1語音、數據信道，接收信息 打開F1，由信令信道發呼叫收到應答？否是否超時？

18、否是是 打開F1語音、數據信道，發送信息。在信令信道發通信計數信息 雙向通信打開F2語音、數據信道，接收信息打開F2接收應答 通信正常或非正常結束主叫被叫圖46 通信流程圖收發雙方的通信主要過程見圖46 ： § 數據結構：感應電臺的數據結構主要涉及物理層、鏈路層以及作為高層的應用層，其中，鏈路層是最主要的數據打包和解包的地方，它又可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質訪問控制子層(MAC)，如圖4-6所示。在發端，用戶數據和信令由LLC層打包處理，送交MAC層；壓縮語音數據直接送交MAC層，會同LLC來的數據一起打包成MAC幀，送交物理層傳輸。在接收端，工作過程和發送端相反。物理層鏈

19、路層高層網絡層邏輯鏈路控制子層 （LLC）介質訪問控制子層 （MAC）數據信令語音圖47鏈路層數據結構鏈路層采用簡化的高級數據鏈路控制規程（HDLC）來對數據進行打包處理，即根據電臺通信的實際需要，將HDLC中那些過于復雜和用不到的部分予以刪減。2 軟件感應電臺的關鍵技術研究1. RF技術：感應天線和射頻模塊的示意如圖48所示：功率發射模塊低噪接收模塊雙工器帶通濾波器帶通濾波器AGC圖48 射頻模塊射頻（RF）采用橋式電路、帶通濾波器（如聲表面波濾波器SAW）可將收、發兩部分盡量分開，避免相互干擾，尤其是強大的發送功率對低電平接收電路的影響。設天線的等效阻抗為5，載波輸出功率為10W，則有效電

20、平約為7V，通過90kHz的隔離帶，有80dB的衰減，則對接收放大器的輸入端基本不會產生強干擾電壓。此外，要將發射功率和天線Q值適當降低一些，例如可將發射功率設計為5至8W左右，天線Q值設計為15至20之間。這樣一則可以增加有效天線帶寬，二則可以減小在同一電臺內發送子信道對接收子信道的干擾。盡管感應通信系統和其它無線通信系統相比性能相對穩定，它的最大的波動是隨著火車的移動電臺接收電平的降低。為了解決這一問題，我們在射頻電路部分加上自動增益控制（AGC）以保持接收電平的相對穩定。2. 信號處理：RF轉換高速DSP窄帶A/D/A寬帶A/D/A模擬接口數字接口圖49 軟件感應電臺簡圖1) 接收端的信

21、號處理在電臺處于接收模式時，接收到的無線射頻（RF）信號首先經過前端接收和放大，再通過一個以載波為中心的帶通濾波器送到高速A/D轉換器。帶通濾波器的頻率、相位及幅度等特性可以由DSP來設定和調整，以適應信道變化的要求。帶通濾波后的模擬信號經過寬帶的A/D變換器轉換為數字信號后進入DSP。DSP對進入的數字信號首先進行數字解調，形成數字基帶信號；然后再對此解調信號進行糾錯解碼，得到用戶數據。如果該信息是用戶數據，則可通過用戶接口部分送出，如果是經過壓縮的用戶語音信號，則還需由DSP進行語音解壓縮運算，將還原出來的語音信號由語音接口送給用戶。至于語音解壓縮運算，如果有價格低廉的專用芯片，則可用它來

22、完成解壓縮任務，可以減輕DSP的運算負擔。2) 發送端的信號處理電臺處于發送模式時的信號的發射過程則剛好和接收過程相反。用戶的原始模擬語音數據首先由A/D轉換器轉換為數字語音信號，然后在DSP中對此信號進行壓縮語音編碼運算。當然，如果有適當的專用芯片，則上述的語音數字化和壓縮編碼的任務都可以由該專用芯片完成。在傳送語音信號的同時還允許傳送用戶數據信息，用戶數據信息由數據接口進入DSP以后和壓縮后的用戶語音信息復用成統一的數據流，接著DSP對此數據流進行糾錯編碼和數字調制。處理后的數字信號由高速D/A轉換成模擬射頻信號經功率放大電路放大，由天線發射出去。3) DSP信號處理能力的估計 運算速度是

23、DSP芯片的一個最重要的性能指標。我們所選用的TMS320C54x的運算能力為100MIPS（每秒執行百萬條指令），即其主頻為100MHz，指令周期為10ns。我們以按樣點處理估算C54x的處理能力。所謂按樣點處理就是DSP算法對每一個輸入樣點循環一次。例如，一個采用LMS算法的40個抽頭的FIR自適應濾波器，假定每個抽頭的計算需要3個MAC（乘法和加法運算，需要一個指令周期），則一共需要120個MAC周期，也就是30*40ns=1200ns。如圖49所示的我們的軟件無線電感應通信電臺的簡單框圖，由于感應收發天線工作在以425kHz與505kHz為中心的一個頻段，根據低通抽樣定理，并留有少許余

24、量，抽樣頻率速率為1MHz，為理論值的（825kHz）的1.2倍。那么采樣點之間的間隔為1us（即1000ns）顯然小于1200ns，從而不能夠實現信號的實時處理。因而，必須在DSP中，對高速輸入信號進行帶通抽樣處理，以降低它的運算量，達到實時處理的目的。3. 調制解調： 調制是為了使信號特性與信道特性相匹配，顯然對于不同類型的信道特性，應采取不同類型的調制方式。同時所采用的信號調制技術必須具有優良的頻譜特性和抗干擾、抗衰落性能。例如，無線通信中的發信機，一般都采用高效率的C類放大器，以獲得較大的射頻輸出；接收機則為抗衰落增加了限幅措施；由于收發兩端的濾波器和放大器，使得信道具有帶限特性和非線

25、性特性。為了適應這些信道特性，要求的已調波應具有以下兩個特點：其一是包絡恒定或者包絡起伏很小；其二是要求已調波具有快速高頻滾降的頻譜特性，具有最小功率譜占用率。 目前用于無線通信的數字調制技術，主要有兩大類。第一類是連續相位調制技術，其射頻已調波信號具有恒定包絡特性，其中有代表性的為FSK、MSK和GMSK等。第二類則是線性調制技術，例如BPSK、MPSK和MQAM等為代表。這些調制方式可用于線性無線信道，但是從基帶頻率變換到無線電載頻以及放大到發射電平，都需要高度的線性，即低的失真。不過由于近年來高效而實用的線性放大器技術的發展，使線性調制技術逐漸流行起來。比如泛歐的GSM移動通信系統采用的

26、是GMSK調制，而新發展起來的基于IS-95標準的北美CDMA移動通信系統則采用QPSK調制。在感應通信信道傳輸特性中，幅度由于受環境影響而有較大的波動，如果調制方式對僅依賴于幅度值，或對幅度衰減比較敏感，如數字ASK等調制方式就顯得不適合了。此外，如果采用FSK的調制方式，則必須在相應的調制信號后加載窄帶FIR濾波器，但是為了在感應信道上傳輸就得再經過寬帶D/A變換器轉化為模擬信號，考慮到相鄰頻率的跳變可能會造成較大的誤碼率。同時由于FSK調制方式的效率也不是很高，所以我們主要考慮MPSK和MQAM這兩種多進制的調制方式。但是由于感應無線信道對信號幅度衰減敏感，應用MQAM調制是否可行需要進

27、一步實驗才能下結論。我們的初步選擇為MPSK調制方式。在系統帶寬一定的情況下，多進制調制系統的頻帶利用率隨著M的增大而提高。但是多進制頻帶利用率的提高是以犧牲功率利用率為代價的，因為信號空間各個信號點間的最小間距減小，相應信號的判決空區間也隨之減小，從而造成接收信號誤碼率的提高。在感應電臺系統中，感應收發天線在425kHz與505kHz的中心頻率的頻段有一定動態范圍的帶寬的頻點，由于要求是雙工方式且收發為同一副天線，考慮到保護帶寬，對于發送通道或接收通道實際僅有最大7kHz的模擬頻譜帶寬可供利用。考慮到采用語音編碼方式，壓縮后語音基帶信號速率為5.3kb/s，再加近似63/47倍的糾錯保護和頭

28、信息開銷，則語音大約需要8kb/s的速率帶寬；考慮到信道復用和用戶數據等約需2kb/s的開銷，信令需要0.5kb/s的開銷，則總量開銷需10.5kb/s。為此，我們采用4PSK調制，它的信道利用率為2bit/s/Hz。如果信道升余弦滾降系數為0.3，也就是說有效模擬帶寬在5.4kHz，可傳送5.4 kHz x 2 bit/Hz = 10.8kb/s的數字信號。如果進一步增大m的值，雖然可以提高信道利用率，但將會使信道的誤碼率提高，影響整個通信系統性的可靠性，所以目前難以決定。綜合以上種種考慮，從保證通信可靠性出發，現在我們的方案采用/4-4PSK調制方式。到底是否可以采用效率更高的調制方式，要

29、在實際調試中決定，因為現在沒有一份準確的感應信道的特性參數。好在軟件無線電電臺中這部分是由DSP軟件實現的，可以方便地更改。調制器的結構如圖410所示。由鏈路層生成的比特流首先被擾碼，擾碼器可按V.32標準由偽隨機序列發生器產生。對擾碼器輸出的碼流進行差分編碼，每2比特為一組（符號）。此符號被映射到4PSK星座圖上完成4PSK調制。最后用升余弦滾降濾波器進行帶通濾波，并以一定的速率送入D/A轉換器，生成Modem調制信號。比特流擾碼差分編碼D/A成形濾波 4PSK調制映射圖410 調制器結構Sin(0k+)逆映射差分譯碼解擾器比特流輸出載波誤差提取再生A/D定時誤差提取Cos(0k+)內插濾波

30、器解調輸入判決 定時偏差均衡器圖411 解調器結構 解調器的結構如圖411所示。來自模擬前端的信號經過AGC電路，使信號幅度穩定。然后被A/D采樣，輸出被分成兩路，進行正交解調，相差180度的正交載波由載波再生電路提供。帶通濾波器有升余弦滾降特性。由于感應信道特性隨時間起伏較大，因此解調后的信號有可能考慮采用自適應均衡，以部分抵消信道的起伏和漂移。由自適應均衡器輸出經逆映射部分找出4PSK的對應星座點的符號，此符號經差分譯碼、解擾器后，還原成能提交給鏈路子層（MAC）的比特流。4. 糾錯編碼：在無線信道中，由于衰落、多徑和帶內電波等因素的干擾，會引起數據通信中的多種噪聲和突發干擾，會使接收端解

31、調后的話音信息或數據信息不可避免地出現錯誤。為了在已知信噪比的情況下達到一定的誤碼率指標，首先應該合理的設計基帶信號，選擇抗干擾性較強的調制解調方案，甚至采用頻域/時域均衡的方法從而盡可能的降低無線通信系統的誤碼率。在綜合考慮上述因素之后，本系統信道編碼采用前向差錯控制編碼，以此獲得編碼增益，提高系統傳輸性能，保證軟件無線電感應通信電臺的通信可靠性。前向糾錯方式的主要優點是：不需要反饋信道，能用于單向通信，因而也適用于一點發送多點接收的廣播式通信；譯碼延遲固定，較適用于實時傳輸系統。在本方案中，對于語音傳輸，采用RS（63，47）碼作前向糾錯碼和檢錯碼（FEC）。對于數據傳輸，一旦前向糾錯碼糾錯失敗，再采用反饋重傳技術（ARQ）。FEC/ARQ糾錯模塊位于MAC層，是移動數據鏈路