CN106130595A - 一种海上超短波超视距通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上超短波超视距通信装置，属通信设备技术领域。它由射频接收单元、射频发射单元、基带单元等构成，其特点是：天线通过电子开关与射频发射单元和射频接收单元连接，射频发射单元和射频接收单元分别与基带单元连接；射频发射单元由激励模块和功放模块组成；射频接收单元由射频前端模块、变频模块、中频放大模块和中频处理模块组成；基带单元由DSP数字信号处理模块、FPGA现场可编程门阵列模块组成。噪声系数低、灵敏度高、动态范围大、低信噪比解调正确，减轻远距离通信多径干扰，海上超视距通信距离远，通信质量好。解决了现有远距离传输多径干扰严重，噪声干扰大，不能实现超视距传输，影响海上超视距通信质量的问题。

Description

一种海上超短波超视距通信装置

技术领域

本发明涉及一种海上超短波超视距通信装置，属通信设备技术领域。

背景技术

目前大多数超短波通信设备只能在视距范围内通信传输，而海上通信距离一般都达到60公里，使用海上超短波超视距通信设备可以基本达到近海海域超短波通信的通信距离要求。海上超视距传输主要依靠对流层折射方式实现，由于折射传输衰减损耗大，特别是遭遇恶劣天气，信号经折射后在远距离传输时多径干扰严重，一般在设备中表现为噪声干扰，此时就不能实现超视距传输，严重影响海上超视距通信的质量。因此研发一款具有低噪声系数、高动态范围、高灵敏度特性，及数字基带单元的射频通道，接收超微弱信号能力强，海上超视距通信距离远，结构简单合理，低解调门限的海上超短波超视距通信装置是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种噪声系数低、通信灵敏度高、动态范围大、保证低信噪比解调正确，有效减轻远距离通信的多径干扰，海上超视距通信距离远，结构简单，保证通信质量的海上超短波超视距通信装置。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

该海上超短波超视距通信装置由天线、电子开关、射频接收单元、射频发射单元、基带单元构成，其特征在于：天线通过电子开关与射频接收单元和射频发射单元连接，射频接收单元和射频发射单元分别与基带单元连接；射频接收单元由射频前端模块、变频模块、中频放大模块和中频处理模块组成；射频发射单元由激励模块和功放模块组成；基带单元由DSP数字信号处理模块、FPGA现场可编程门阵列模块组成。

所述的电子开关用于切换天线是发射状态还是接收状态。

所述的射频接收单元的射频前端模块包括前级带通滤波器BPF、低噪声放大器LNA、后级带通滤波器BPF；用于对接收的射频信号进行滤波、抑制带外信号、及进行预放大；变频模块包括本振、混频器，用于产生本振信号，同时将射频信号下变频到中频；中频放大模块包括前级中频带通滤波器IF BPF、中频放大器、后级中频带通滤波器IF BPF；用于放大中频信号、滤波；中频处理模块包括自动增益控制器AGC、中频处理芯片；用于将中频信号混频、滤波、放大、输入基带单元进行处理。

所述的射频发射单元的激励模块包括本振、放大器、低通滤波器LPF；用于产生射频发射信号，并进行激励放大和低通滤波，滤除发射信号中的谐波信号；功放模块包括放大器、自动增益控制器AGC、前级带通滤波器BPF、功率放大器PA、后级带通滤波器BPF；用于对信号进行预放大和滤波，通过功放输出50W大功率。

所述的基带单元的DSP数字信号处理模块，用于对无差别数据流进行编码和组帧，编码包含声码语音编解码、咬尾卷积编解码以及可选择的交织编解码；为适应不同的应用场景自适应进入对应的传输模式；所述的FPGA现场可编程门阵列模块提供所有单元的时钟，协调同步工作，对信道的实时状态进行控制以及信道参数的监测、预警，4FSK波形的调制和滤波成型，同时接收中频信号后进行4FSK的解调和帧头的同步检测，还原信源信息，使射频发射单元的功放模块工作在非线性区。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该海上超短波超视距通信装置的射频发射单元的信号调制通过基带单元实现4FSK恒包络调制，频谱利用率高，邻道抑制特性好，可以使功放模块尽可能工作在非线性区，大大提高了功放的发射效率。同时，采用4FSK恒包络调制方式，在需要远距离通信时可转换成二进制体制，构成一个 2/4 电平 FSK频移键控混合通信体制，保证发送功率频谱尽可能收窄，有效提高带外抑制率，使带外抑制率达到≤-60～65dB。射频接收单元通过基带单元实现相干解调和非相干解调结合，根据信噪比和信道动态情况自适应切换，既能提高增益又能在复杂和深衰落状况下快速恢复相位信息。噪声系数低、通信灵敏度高、动态范围大、解调门限低，有效减轻远距离通信的多径干扰，海上超视距通信距离可达120公里，且电路结构简单。解决了现有远距离传输时多径干扰严重，设备噪声干扰大，不能实现超视距传输，严重影响海上超视距通信质量的问题。

附图说明

图1为一种海上超短波超视距通信装置的整体结构示意图；

图2为基带单元对发送的数字语音的信息处理流程图；

图3为基带单元对接收的数字语音的信息处理流程图。

图中：1、射频接收单元，2、射频发射单元，3、基带单元，4、电子开关；

101、射频前端模块，102、变频模块，103、中频放大模块，104、中频处理模块；

201、激励模块，202、功放模块；

301、DSP数字信号处理模块，302、FPGA现场可编程门阵列模块。

具体实施方式

下面结合附图对该海上超短波超视距通信装置的实施方式作进一步详细说明：

该海上超短波超视距通信装置由天线、电子开关4、射频接收单元1、射频发射单元2、基带单元3构成，天线通过电子开关4与射频接收单元1和射频发射单元2连接，射频接收单元1和射频发射单元2分别与基带单元3连接；射频接收单元1由射频前端模块101、变频模块102、中频放大模块103和中频处理模块104组成；射频发射单元2由激励模块201和功放模块202组成；基带单元3由DSP数字信号处理模块301、FPGA现场可编程门阵列模块302组成。

所述的电子开关4用于切换天线是发射状态还是接收状态。

所述的射频接收单元1的射频前端模块101包括前级带通滤波器BPF、低噪声放大器LNA、后级带通滤波器BPF；用于对接收的射频信号进行滤波、抑制带外信号、及进行预放大；变频模块102包括本振、混频器，用于产生本振信号，同时将射频信号下变频到中频；中频放大模块103包括前级中频带通滤波器IF BPF、中频放大器、后级中频带通滤波器IFBPF；用于放大中频信号、滤波；中频处理模块104包括自动增益控制器AGC、中频处理芯片；用于将中频信号混频、滤波、放大、输入基带单元3进行处理。

所述的射频发射单元2的激励模块201包括本振、激励放大器、低通滤波器LPF；用于产生射频发射信号，并进行激励放大和低通滤波，滤除发射信号中的谐波信号；功放模块202包括前置放大器、自动增益控制器AGC、前级带通滤波器BPF、功率放大器PA、后级带通滤波器BPF；用于对信号进行预放大和滤波，通过功率放大器PA输出50W大功率。

所述的基带单元3的DSP数字信号处理模块301，用于对无差别数据流进行编码和组帧，编码包含声码语音编解码、咬尾卷积编解码以及可选择的交织编解码；为适应不同的应用场景自适应进入对应的传输模式；所述的FPGA现场可编程门阵列模块302提供所有单元的时钟，协调同步工作，对信道的实时状态进行控制以及信道参数的监测、预警，4FSK波形的调制和滤波成型，同时接收中频信号后进行4FSK的解调和帧头的同步检测，还原信源信息，使射频发射单元2的功放模块202工作在非线性区。（参见图1～3）

实施例：

如图1所示，该超短波超视距通信装置由天线、电子开关4、射频接收单元1、射频发射单元2、基带单元3构成。

天线接收射频信号送入射频接收单元1，天线将来自射频发射单元2的射频信号发射出去。

电子开关4用来切换天线是发射还是接收状态。接收状态下，天线接收射频信号，发射状态下，天线发射射频信号。

射频接收单元1由射频前端模块101、变频模块102、中频放大模块103、中频处理模块104组成；

射频前端模块101包括前级带通滤波器BPF、低噪声放大器LNA、后级带通滤波器BPF；前级带通滤波器BPF对进入射频前端模块101的射频信号滤波，抑制带外信号。低噪声放大器LNA工作在低噪放大区，对滤波后的信号进行放大。后级带通滤波器BPF对放大后的信号进行滤波。前级带通滤波器BPF和后级带通滤波器BPF的带内插损均设计在-1dB，可有效保证超短波超视距通信装置的低噪声系数。

变频模块102包括混频器、本振；本振产生的本振信号与来自后级带通滤波器BPF的射频信号在混频器中进行差频混频，混频器将射频信号下变频到中频。

中频放大模块103包括前级中频带通滤波器IF BPF、中频放大器、后级中频带通滤波器IF BPF；前级中频带通滤波器IF BPF对来自混频器的信号进行滤波，让所需的中频信号通过。中频放大器对滤波后的中频信号进行放大。后级中频带通滤波器IF BPF对放大后的中频信号进行滤波。前级中频带通滤波器IF BPF和后级中频带通滤波器IF BPF有效提高该超短波超视距通信装置的抗干扰性，大大增强接收信号的带外信号抑制能力。

中频处理模块104包括自动增益控制器AGC、中频处理芯片；基带单元3控制自动增益控制器AGC工作，基带单元3根据检测到的中频信号幅度，调整中频处理芯片的放大增益，保证射频接收单元1的信号通路具有大的动态接收范围。中频处理芯片将中频信号进行二次混频、放大和滤波为较低的中频信号后，送入基带单元3进行处理。

射频发射单元2由激励模块201、功放模块202组成。

激励模块201包括本振、激励放大器、低通滤波器LPF；本振产生发射所需的射频信号，并通过来自基带单元3的调制信号f对其进行调制。激励放大器对调制后的射频信号进行放大。低通滤波器LPF对放大后的信号进行低通滤波，滤除发射信号的谐波或杂散信号。

功放模块202包括前置放大器、自动增益控制器AGC、前级射频带通滤波器BPF、功率放大器PA、后级射频带通滤波器BPF；前置放大器对激励模块201送来的射频信号进行预放大。前级射频带通滤波器BPF对预放大后的信号滤波并送去功率放大器PA，功率放大器PA采用线性功放，输出50W的大功率射频信号。后级射频带通滤波器BPF对大功率信号进行滤波。自动增益控制器AGC由基带单元3控制，基带单元3根据检测到的射频信号幅度调整前置放大器的放大增益，保证工作频段内的功率平坦。前级射频带通滤波器BPF和后级射频带通滤波器BPF可提高发射信号的宽带噪声指标，降低对相邻信道的干扰。

基带单元3包括：DSP数字信号处理模块301、FPGA现场可编程门阵列模块302。

DSP数字信号处理模块301对无差别的数据流进行编码和组帧，编码包括声码话编解码、咬尾卷积编解码以及可选择的交织编解码；为适应不同的应用场景，自适应进入对应的传输模式，以达到最佳的用户体验和使用效果。

FPGA现场可编程门阵列模块302为所有单元提供时钟，协调同步工作；同时控制信道的实时状态、监测信道参数和预警，进行频移键控4FSK波形的调制和滤波成型，及接收中频信号后进行4FSK的解调和帧头的同步检测，还原信源信息。

基带单元3对发送的数字话的信息处理流程参见图2。

基带单元3对接收的数字话的信息处理流程参见图3。

该海上超短波超视距通信装置，采用恒包络调制4FSK技术，每个符号承载2个比特信息，频谱利用率高、邻道抑制特性好。由于其幅度的恒包络特性，可以使射频发射单元2的功放模块202尽可能的工作在非线性区，提高了发射效率，也就是在相同发射功率下，采用恒包络体制的调制方式可以辐射出更多的功率。相对于四进制的体制，在需要远距离通信时可以转换成二进制的体制，在调制系数不变的情况下，二进制提高了符号之间的距离，等效降低了解调的门限3dB，这样，就形成了一个 2/4 电平Level FSK混合通信体制。

发送端符号速率由信道带宽决定，通过基带单元3成型根升余弦滤波器，尽可能减少人为引入的码间干扰，同时能够保证发送功率频谱尽可能收紧，获得好的带外功率抑制效果，即邻道功率抑制高达≤-60～65dB。

接收端首先要捕获单元得到基本的传输信息，比如传输模式（二进制或四进制）、时隙的起始位置、频率误差、信道的冲击响应等；上述基本传输信息会送入解调单元；解调单元采用自适应低噪非相干解调和相干解调。相干解调可以提供额外的3dB解调增益，但是在复杂度较高、深衰落的情况下难以恢复出相位信息，采用相干和非相干结合技术，根据信噪比和信道动态情况，通过基带单元3自适应切换解调方案。

相比传统的调制方式，由于能量非常集中，在极窄的带宽内能获得最大限度的信号强度，所以在信号及其微弱的情况下仍能够保证一定的信噪比，从而还原原始码元，做到高的通信灵敏度。另外，使用声码话，在用户速率极低的情况下仍可以流畅地传输语音业务；降低码速率，对能量探测在时域上有积分对比的优势，还可将近端带外噪声或干扰造成的影响降低到最小，从而实现较低的信噪比状况下的正确解调。

特殊的编码使用，最大限度的保证了超视距的实现，采用联合信源信道的编码方法，综合考虑信源和信道的特性，使之在信道时变或信源存在残余冗余时，可以达到比传统分离设计更好的性能。

由于实际码流中不同比特发生错误的效果是不同的，因此，需对不同的比特采取不同的错误保护。基于信源优化的信道编码是在不同信息比特上优化分配冗余比特或发射能量，将重要的数据分配较多的比特使之能达到更好的传输质量，将不太重要的数据分配较少的比特，从而获得最小的端到端的失真。

基于信源优化信道编码方案，语音编码后，利用激励比特位，对关键参数进行编码，提高纠错能力，然后进行信道编码。

数据信道编码主要采用BPTC(分组乘积Turbo码)，译码采用迭代译码方案，比标准1/2效率K=7的卷积码，性能可提高2dB左右。

由于折射的多径传输特性必然造成码间串扰和相位偏移，但是接收端的解调方式是通过扫描能量积分和中点抽样的方法，所以相位偏移不会造成影响，另外，码率的降低（1.2ksps）也对多径和码间串扰在200海里距离下的影响不敏感。

从以上的描述中可以看出，该海上超短波超视距通信装置基于低速率的远距离传输特性，选择4FSK调制方式，并依据海上信道的衰落特性确定码块的交织深度，实现低信噪比情况下的正确解调。此外，高性能接收和信道选择，使信道有更高的接收灵敏度，从而能够解调接收到的超微弱信号，实现海上超视距通信。该海上超短波超视距通信装置经海上实际应用检测表明，超视距通信距离可达120千米，通信质量清晰、稳定。

以上所述只是本发明的具体实施方式，上述举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后可以对上述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种海上超短波超视距通信装置，它由天线、电子开关（4）、射频接收单元（1）、射频发射单元（2）、基带单元（3）构成，其特征在于：天线通过电子开关（4）与射频接收单元（1）和射频发射单元（2）连接，射频接收单元（1）和射频发射单元（2）分别与基带单元（3）连接；射频接收单元（1）由射频前端模块（101）、变频模块（102）、中频放大模块（103）和中频处理模块（104）组成；射频发射单元（2）由激励模块（201）和功放模块（202）组成；基带单元（3）由DSP数字信号处理模块（301）、FPGA可编程逻辑控制模块（302）组成。

2.根据权利要求1所述的一种海上超短波超视距通信装置，其特征在于：所述的电子开关（4）用于切换天线是发射状态还是接收状态。

3.根据权利要求1所述的一种海上超短波超视距通信装置，其特征在于：所述的射频接收单元（1）的射频前端模块（101）包括前级带通滤波器BPF、低噪声放大器LNA、后级带通滤波器BPF；用于对接收的射频信号进行滤波、抑制带外信号、及进行预放大；变频模块（102）包括本振、变频器，用于产生本振信号，同时将射频信号下变频到中频；中频放大模块（103）包括前级中频带通滤波器IF BPF、中频放大器、后级中频带通滤波器IF BPF；用于放大中频信号、滤波；中频处理模块（104）包括自动增益控制器AGC、中频处理芯片；用于将中频信号混频、滤波、放大、输入基带单元（3）进行处理。

4.根据权利要求1所述的一种海上超短波超视距通信装置，其特征在于：所述的射频发射单元（2）的激励模块（201）包括本振、放大器、低通滤波器LPF；用于产生射频发射信号，并进行激励放大和低通滤波，滤除发射信号中的谐波信号；功放模块（202）包括放大器、自动增益控制器AGC、前级带通滤波器BPF、功率放大器PA、后级带通滤波器BPF；用于对信号进行预放大和滤波，通过功放输出50W大功率。

5.根据权利要求1所述的一种海上超短波超视距通信装置，其特征在于：所述的基带单元（3）的DSP数字信号处理模块（301），用于对无差别数据流进行编码和组帧，编码包含声码语音编解码、咬尾卷积编解码以及可选择的交织编解码；为适应不同的应用场景自适应进入对应的传输模式；所述的FPGA现场可编程门阵列模块（302）提供所有单元的时钟，协调同步工作，对信道的实时状态进行控制以及信道参数的监测、预警，4FSK波形的调制和滤波成型，同时接收中频信号后进行4FSK的解调和帧头的同步检测，还原信源信息，使射频发射单元的功放模块工作在非线性区。