一種海上超短波超視距通信裝置的製作方法
2023-10-17 20:42:49 1
本發明涉及一種海上超短波超視距通信裝置，屬通信設備技術領域。
背景技術：
目前大多數超短波通信設備只能在視距範圍內通信傳輸，而海上通信距離一般都達到60公裡，使用海上超短波超視距通信設備可以基本達到近海海域超短波通信的通信距離要求。海上超視距傳輸主要依靠對流層折射方式實現，由於折射傳輸衰減損耗大，特別是遭遇惡劣天氣，信號經折射後在遠距離傳輸時多徑幹擾嚴重，一般在設備中表現為噪聲幹擾，此時就不能實現超視距傳輸，嚴重影響海上超視距通信的質量。因此研發一款具有低噪聲係數、高動態範圍、高靈敏度特性，及數字基帶單元的射頻通道，接收超微弱信號能力強，海上超視距通信距離遠，結構簡單合理，低解調門限的海上超短波超視距通信裝置是十分有必要的。
技術實現要素：
本發明的目的在於，針對上述現有技術的不足，提供一種噪聲係數低、通信靈敏度高、動態範圍大、保證低信噪比解調正確，有效減輕遠距離通信的多徑幹擾，海上超視距通信距離遠，結構簡單，保證通信質量的海上超短波超視距通信裝置。
本發明是通過如下的技術方案來實現上述目的的：
該海上超短波超視距通信裝置由天線、電子開關、射頻接收單元、射頻發射單元、基帶單元構成，其特徵在於：天線通過電子開關與射頻接收單元和射頻發射單元連接，射頻接收單元和射頻發射單元分別與基帶單元連接；射頻接收單元由射頻前端模塊、變頻模塊、中頻放大模塊和中頻處理模塊組成；射頻發射單元由激勵模塊和功放模塊組成；基帶單元由DSP數位訊號處理模塊、FPGA現場可編程門陣列模塊組成。
所述的電子開關用於切換天線是發射狀態還是接收狀態。
所述的射頻接收單元的射頻前端模塊包括前級帶通濾波器BPF、低噪聲放大器LNA、後級帶通濾波器BPF；用於對接收的射頻信號進行濾波、抑制帶外信號、及進行預放大；變頻模塊包括本振、混頻器，用於產生本振信號，同時將射頻信號下變頻到中頻；中頻放大模塊包括前級中頻帶通濾波器IF BPF、中頻放大器、後級中頻帶通濾波器IF BPF；用於放大中頻信號、濾波；中頻處理模塊包括自動增益控制器AGC、中頻處理晶片；用於將中頻信號混頻、濾波、放大、輸入基帶單元進行處理。
所述的射頻發射單元的激勵模塊包括本振、放大器、低通濾波器LPF；用於產生射頻發射信號，並進行激勵放大和低通濾波，濾除發射信號中的諧波信號；功放模塊包括放大器、自動增益控制器AGC、前級帶通濾波器BPF、功率放大器PA、後級帶通濾波器BPF；用於對信號進行預放大和濾波，通過功放輸出50W大功率。
所述的基帶單元的DSP數位訊號處理模塊，用於對無差別數據流進行編碼和組幀，編碼包含聲碼語音編解碼、咬尾卷積編解碼以及可選擇的交織編解碼；為適應不同的應用場景自適應進入對應的傳輸模式；所述的FPGA現場可編程門陣列模塊提供所有單元的時鐘，協調同步工作，對信道的實時狀態進行控制以及信道參數的監測、預警，4FSK波形的調製和濾波成型，同時接收中頻信號後進行4FSK的解調和幀頭的同步檢測，還原信源信息，使射頻發射單元的功放模塊工作在非線性區。
本發明與現有技術相比的有益效果在於：
該海上超短波超視距通信裝置的射頻發射單元的信號調製通過基帶單元實現4FSK恆包絡調製，頻譜利用率高，鄰道抑制特性好，可以使功放模塊儘可能工作在非線性區，大大提高了功放的發射效率。同時，採用4FSK恆包絡調製方式，在需要遠距離通信時可轉換成二進位體制，構成一個 2/4 電平 FSK頻移鍵控混合通信體制，保證發送功率頻譜儘可能收窄，有效提高帶外抑制率，使帶外抑制率達到≤-60～65dB。射頻接收單元通過基帶單元實現相干解調和非相干解調結合，根據信噪比和信道動態情況自適應切換，既能提高增益又能在複雜和深衰落狀況下快速恢復相位信息。噪聲係數低、通信靈敏度高、動態範圍大、解調門限低，有效減輕遠距離通信的多徑幹擾，海上超視距通信距離可達120公裡，且電路結構簡單。解決了現有遠距離傳輸時多徑幹擾嚴重，設備噪聲幹擾大，不能實現超視距傳輸，嚴重影響海上超視距通信質量的問題。
附圖說明
圖1為一種海上超短波超視距通信裝置的整體結構示意圖；
圖2為基帶單元對發送的數字語音的信息處理流程圖；
圖3為基帶單元對接收的數字語音的信息處理流程圖。
圖中：1、射頻接收單元，2、射頻發射單元，3、基帶單元，4、電子開關；
101、射頻前端模塊，102、變頻模塊，103、中頻放大模塊，104、中頻處理模塊；
201、激勵模塊，202、功放模塊；
301、DSP數位訊號處理模塊，302、FPGA現場可編程門陣列模塊。
具體實施方式
下面結合附圖對該海上超短波超視距通信裝置的實施方式作進一步詳細說明：
該海上超短波超視距通信裝置由天線、電子開關4、射頻接收單元1、射頻發射單元2、基帶單元3構成，天線通過電子開關4與射頻接收單元1和射頻發射單元2連接，射頻接收單元1和射頻發射單元2分別與基帶單元3連接；射頻接收單元1由射頻前端模塊101、變頻模塊102、中頻放大模塊103和中頻處理模塊104組成；射頻發射單元2由激勵模塊201和功放模塊202組成；基帶單元3由DSP數位訊號處理模塊301、FPGA現場可編程門陣列模塊302組成。
所述的電子開關4用於切換天線是發射狀態還是接收狀態。
所述的射頻接收單元1的射頻前端模塊101包括前級帶通濾波器BPF、低噪聲放大器LNA、後級帶通濾波器BPF；用於對接收的射頻信號進行濾波、抑制帶外信號、及進行預放大；變頻模塊102包括本振、混頻器，用於產生本振信號，同時將射頻信號下變頻到中頻；中頻放大模塊103包括前級中頻帶通濾波器IF BPF、中頻放大器、後級中頻帶通濾波器IF BPF；用於放大中頻信號、濾波；中頻處理模塊104包括自動增益控制器AGC、中頻處理晶片；用於將中頻信號混頻、濾波、放大、輸入基帶單元3進行處理。
所述的射頻發射單元2的激勵模塊201包括本振、激勵放大器、低通濾波器LPF；用於產生射頻發射信號，並進行激勵放大和低通濾波，濾除發射信號中的諧波信號；功放模塊202包括前置放大器、自動增益控制器AGC、前級帶通濾波器BPF、功率放大器PA、後級帶通濾波器BPF；用於對信號進行預放大和濾波，通過功率放大器PA輸出50W大功率。
所述的基帶單元3的DSP數位訊號處理模塊301，用於對無差別數據流進行編碼和組幀，編碼包含聲碼語音編解碼、咬尾卷積編解碼以及可選擇的交織編解碼；為適應不同的應用場景自適應進入對應的傳輸模式；所述的FPGA現場可編程門陣列模塊302提供所有單元的時鐘，協調同步工作，對信道的實時狀態進行控制以及信道參數的監測、預警，4FSK波形的調製和濾波成型，同時接收中頻信號後進行4FSK的解調和幀頭的同步檢測，還原信源信息，使射頻發射單元2的功放模塊202工作在非線性區。（參見圖1～3）
實施例：
如圖1所示，該超短波超視距通信裝置由天線、電子開關4、射頻接收單元1、射頻發射單元2、基帶單元3構成。
天線接收射頻信號送入射頻接收單元1，天線將來自射頻發射單元2的射頻信號發射出去。
電子開關4用來切換天線是發射還是接收狀態。接收狀態下，天線接收射頻信號，發射狀態下，天線發射射頻信號。
射頻接收單元1由射頻前端模塊101、變頻模塊102、中頻放大模塊103、中頻處理模塊104組成；
射頻前端模塊101包括前級帶通濾波器BPF、低噪聲放大器LNA、後級帶通濾波器BPF；前級帶通濾波器BPF對進入射頻前端模塊101的射頻信號濾波，抑制帶外信號。低噪聲放大器LNA工作在低噪放大區，對濾波後的信號進行放大。後級帶通濾波器BPF對放大後的信號進行濾波。前級帶通濾波器BPF和後級帶通濾波器BPF的帶內插損均設計在-1dB，可有效保證超短波超視距通信裝置的低噪聲係數。
變頻模塊102包括混頻器、本振；本振產生的本振信號與來自後級帶通濾波器BPF的射頻信號在混頻器中進行差頻混頻，混頻器將射頻信號下變頻到中頻。
中頻放大模塊103包括前級中頻帶通濾波器IF BPF、中頻放大器、後級中頻帶通濾波器IF BPF；前級中頻帶通濾波器IF BPF對來自混頻器的信號進行濾波，讓所需的中頻信號通過。中頻放大器對濾波後的中頻信號進行放大。後級中頻帶通濾波器IF BPF對放大後的中頻信號進行濾波。前級中頻帶通濾波器IF BPF和後級中頻帶通濾波器IF BPF有效提高該超短波超視距通信裝置的抗幹擾性，大大增強接收信號的帶外信號抑制能力。
中頻處理模塊104包括自動增益控制器AGC、中頻處理晶片；基帶單元3控制自動增益控制器AGC工作，基帶單元3根據檢測到的中頻信號幅度，調整中頻處理晶片的放大增益，保證射頻接收單元1的信號通路具有大的動態接收範圍。中頻處理晶片將中頻信號進行二次混頻、放大和濾波為較低的中頻信號後，送入基帶單元3進行處理。
射頻發射單元2由激勵模塊201、功放模塊202組成。
激勵模塊201包括本振、激勵放大器、低通濾波器LPF；本振產生發射所需的射頻信號，並通過來自基帶單元3的調製信號f對其進行調製。激勵放大器對調製後的射頻信號進行放大。低通濾波器LPF對放大後的信號進行低通濾波，濾除發射信號的諧波或雜散信號。
功放模塊202包括前置放大器、自動增益控制器AGC、前級射頻帶通濾波器BPF、功率放大器PA、後級射頻帶通濾波器BPF；前置放大器對激勵模塊201送來的射頻信號進行預放大。前級射頻帶通濾波器BPF對預放大後的信號濾波並送去功率放大器PA，功率放大器PA採用線性功放，輸出50W的大功率射頻信號。後級射頻帶通濾波器BPF對大功率信號進行濾波。自動增益控制器AGC由基帶單元3控制，基帶單元3根據檢測到的射頻信號幅度調整前置放大器的放大增益，保證工作頻段內的功率平坦。前級射頻帶通濾波器BPF和後級射頻帶通濾波器BPF可提高發射信號的寬帶噪聲指標，降低對相鄰信道的幹擾。
基帶單元3包括：DSP數位訊號處理模塊301、FPGA現場可編程門陣列模塊302。
DSP數位訊號處理模塊301對無差別的數據流進行編碼和組幀，編碼包括聲碼話編解碼、咬尾卷積編解碼以及可選擇的交織編解碼；為適應不同的應用場景，自適應進入對應的傳輸模式，以達到最佳的用戶體驗和使用效果。
FPGA現場可編程門陣列模塊302為所有單元提供時鐘，協調同步工作；同時控制信道的實時狀態、監測信道參數和預警，進行頻移鍵控4FSK波形的調製和濾波成型，及接收中頻信號後進行4FSK的解調和幀頭的同步檢測，還原信源信息。
基帶單元3對發送的數字話的信息處理流程參見圖2。
基帶單元3對接收的數字話的信息處理流程參見圖3。
該海上超短波超視距通信裝置，採用恆包絡調製4FSK技術，每個符號承載2個比特信息，頻譜利用率高、鄰道抑制特性好。由於其幅度的恆包絡特性，可以使射頻發射單元2的功放模塊202儘可能的工作在非線性區，提高了發射效率，也就是在相同發射功率下，採用恆包絡體制的調製方式可以輻射出更多的功率。相對於四進位的體制，在需要遠距離通信時可以轉換成二進位的體制，在調製係數不變的情況下，二進位提高了符號之間的距離，等效降低了解調的門限3dB，這樣，就形成了一個 2/4 電平Level FSK混合通信體制。
發送端符號速率由信道帶寬決定，通過基帶單元3成型根升餘弦濾波器，儘可能減少人為引入的碼間幹擾，同時能夠保證發送功率頻譜儘可能收緊，獲得好的帶外功率抑制效果，即鄰道功率抑制高達≤-60～65dB。
接收端首先要捕獲單元得到基本的傳輸信息，比如傳輸模式（二進位或四進位）、時隙的起始位置、頻率誤差、信道的衝擊響應等；上述基本傳輸信息會送入解調單元；解調單元採用自適應低噪非相干解調和相干解調。相干解調可以提供額外的3dB解調增益，但是在複雜度較高、深衰落的情況下難以恢復出相位信息，採用相干和非相干結合技術，根據信噪比和信道動態情況，通過基帶單元3自適應切換解調方案。
相比傳統的調製方式，由於能量非常集中，在極窄的帶寬內能獲得最大限度的信號強度，所以在信號及其微弱的情況下仍能夠保證一定的信噪比，從而還原原始碼元，做到高的通信靈敏度。另外，使用聲碼話，在用戶速率極低的情況下仍可以流暢地傳輸語音業務；降低碼速率，對能量探測在時域上有積分對比的優勢，還可將近端帶外噪聲或幹擾造成的影響降低到最小，從而實現較低的信噪比狀況下的正確解調。
特殊的編碼使用，最大限度的保證了超視距的實現，採用聯合信源信道的編碼方法，綜合考慮信源和信道的特性，使之在信道時變或信源存在殘餘冗餘時，可以達到比傳統分離設計更好的性能。
由於實際碼流中不同比特發生錯誤的效果是不同的，因此，需對不同的比特採取不同的錯誤保護。基於信源優化的信道編碼是在不同信息比特上優化分配冗餘比特或發射能量，將重要的數據分配較多的比特使之能達到更好的傳輸質量，將不太重要的數據分配較少的比特，從而獲得最小的端到端的失真。
基於信源優化信道編碼方案，語音編碼後，利用激勵比特位，對關鍵參數進行編碼，提高糾錯能力，然後進行信道編碼。
數據信道編碼主要採用BPTC(分組乘積Turbo碼)，解碼採用迭代解碼方案，比標準1/2效率K=7的卷積碼，性能可提高2dB左右。
由於折射的多徑傳輸特性必然造成碼間串擾和相位偏移，但是接收端的解調方式是通過掃描能量積分和中點抽樣的方法，所以相位偏移不會造成影響，另外，碼率的降低（1.2ksps）也對多徑和碼間串擾在200海裡距離下的影響不敏感。
從以上的描述中可以看出，該海上超短波超視距通信裝置基於低速率的遠距離傳輸特性，選擇4FSK調製方式，並依據海上信道的衰落特性確定碼塊的交織深度，實現低信噪比情況下的正確解調。此外，高性能接收和信道選擇，使信道有更高的接收靈敏度，從而能夠解調接收到的超微弱信號，實現海上超視距通信。該海上超短波超視距通信裝置經海上實際應用檢測表明，超視距通信距離可達120千米，通信質量清晰、穩定。
以上所述只是本發明的具體實施方式，上述舉例說明不對本發明的實質內容構成限制，所屬技術領域的普通技術人員在閱讀了本說明書後可以對上述的具體實施方式做修改或變形，而不背離本發明的實質和範圍。