CN108566225A - 一种数字化船舶vhf电台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字化船舶VHF电台，涉及海上安全通信技术领域，包括天线、射频电路、数模/模数转换器、FPGA、MCU以及外设部分，所述射频电路包括一级变频超外差变频接收模块和一级变频超外差变频发射模块，所述数模/模数转换器包括高速ADC和高速DAC，所述FPGA包括数字中频接收模块和数字中频发射模块，所述外设部分与MCU相连。本发明将传统船舶VHF电台的两级超外差变频电路简化为一级超外差变频电路，减少了变频器、滤波电路、本振电路的数量和电路复杂度；同时，也节省了传统VHF电台的模拟解调、调制电路。

Description

一种数字化船舶VHF电台
技术领域
本发明涉及海上安全通信技术领域，特别涉及一种数字化船舶VHF电台。
背景技术
甚高频通信（VHF）是水上移动无线电通信中的一个重要系统，用于近距离（25海里）通信。其工作频段是156-174MHZ，属于VHF频段。VHF电台是GMDSS中A1航区的主要通信设备，是完成现场通信的主要手段。同时，VHF船舶电台也是GMDSS (全球海上遇险与安全系统),重要组成部分，在船舶出现危险时，可以通过一键触发紧急救援信号的发射，通知附近船只进行及时营救，因而对于船舶航行安全同样具有重要作用。
由于船舶VHF电台的射频性能要求很高（参考IEC61097-7），目前民用的集成芯片尚未达到理想性能，因此目前的船舶VHF电台结构大多数是经典二次变频+模拟解调结构，这种结构的好处是动态范围以及抗干扰性能非常好，但缺点也很明显：结构相对复杂，射频、模拟器件繁多，导致生产、调试成本相对较高，产品可靠性相对较低。
图1是传统船舶VHF接收机结构框图，对于接收机通常采用两级变频，第一级变频从156.8MHz左右变频到20-50MHz之间，然后在经过第二级变频到455/450kHz等左右，接着采用专门的解调芯片进行FM解调。对于语音通道，FM解调出来的语音信号供后端音频电路处理。 对于DSC通道，还需要通过DSP或者专门的FSK解调芯片进一步解调DSC信号，然后经过FSK解调的DSC信号传给后端MCU进一步进行协议解码处理。 对于发射通道，该过程反之。
在国外的一些较为高端的VHF电台，在上图接收链路中频电路输出后，直接采用低速ADC进行采样，然后通过DSP进行后续的解调（发射反之）。这种结构只是对上图模拟解调、调制电路部分进行了数字化处理，但在射频方面仍是两级超外差结构。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种数字化船舶VHF电台，将传统船舶VHF电台的两级超外差变频电路简化为一级超外差变频电路，减少了变频器、滤波电路、本振电路的数量和电路复杂度；同时，也节省了传统VHF电台的模拟解调、调制电路。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种数字化船舶VHF电台，包括天线、射频电路、数模/模数转换器、FPGA、MCU 以及外设部分，所述射频电路包括一级变频超外差变频接收模块和一级变频超外差变频发射模块，所述数模/模数转换器包括高速ADC和高速DAC，所述FPGA包括数字中频接收模块和数字中频发射模块，所述外设部分与MCU相连；
所述数字化船舶VHF电台包括接收链路和发射链路，
所述接收链路为天线接收到的射频信号经过一级变频超外差变频接收模块进行下变频后变成中频信号，传输至高速ADC，进行采集，然后传输至数字中频接收模块，进行中频信号处理，处理之后传输至MCU，由MCU进行解码处理和后续处理，
所述发射链路为MCU发射信号至数字中频发射模块，数字中频发射模块对信号进行调制，并进行上变频形成中频信号，然后传输至高速DAC，高速DAC将信号传输至一级变频超外差变频发射模块，由一级变频超外差变频发射模块对信号进行上变频后发送至天线。
技术效果：由两级超外差变频电路简化为一级超外差变频电路，从而减少了变频器、滤波电路、本振电路的数量和电路复杂度；同时，也节省了传统VHF电台的模拟解调、调制电路，这些被简化或消除的模拟部分，都采用数字化方式在FPGA内部进行实现。
进一步地，所述一级变频超外差变频接收模块包括两个接收通道，分别为DSC信守通道和语音接收通道，所述一级变频超外差变频发射模块包括一个发射通道，所述发射通道为语音和DSC所共用。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，接收链路中数字中频接收模块对经过DSC信守通道的信号进行的中频信号处理包括变频、滤波、FM解调、FSK解调，所述接收链路中数字中频接收模块对经过语音接收通道的信号进行的中频信号处理包括变频、滤波、FM解调。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，语音接收通道和语音发射通道共用一个天线，且通过一个大功率射频开关进行半双工模式工作。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，DSC接收通道是独立的具有单独的天线和接收通路。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，外设部分包括显示器、喇叭、麦克风、键盘及外设接口。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，两个接收通道之后通过合路器进行合路，然后连接到一个高速ADC。
前所述的一种数字化船舶VHF电台，两个接收通道分别连接一个高速ADC。
本发明的有益效果：
（1）本发明将传统的两级超外差变频电路和一级模拟解调调制电路，简化为一级超外差变频电路，显著简化了射频模拟电路；
（2）本发明由于将数字端口前移，因此整个系统的器件数量显著降低，平均无故障时间(MTBF)显著提高，从而提高了系统的可靠性；
（3）本发明相比于传统的船舶VHF，器件数量显著降低，生产备料、转产复杂度，调试成本显著降低，从而降低了产品生产、转产、调试的成本；
（4）本发明采用高性能ADC，DAC，使得模拟信号尽快转化为数字信号，在数字域中，通过合理设计，避免了模拟信号在变频、滤波过程中不可避免的失真、噪声问题。同时数字器件滤波器的性能例如平坦度，带外抑制比要比模拟滤波器显著提升，而且不随温度、器件而变动，因此提高了系统性能；
（5）本发明采用数字化的结构，使得语音可以方便的进行高质量录音、回放，或者通过数字端口，例如网口、canbus总线网口传输到远端，从而提高了系统的扩展性和灵活性；
（6）本发明接收链路在第一级变频模块之后，可以通过合路器进行合路，然后输出给一个高速ADC进行采样，之后在数字域中进行滤波，分离出原始两路信号，可以简化电路，降低硬件成本。
附图说明
图1为传统船舶VHF接收机结构框图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明射频部分的具体结构流程图；
图4为本发明数字部分的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图2所示，本发明所述的一种数字化船舶VHF电台，包括天线、射频电路、数模/模数转换器、FPGA、MCU 以及外设部分，射频电路包括一级变频超外差变频接收模块和一级变频超外差变频发射模块，数模/模数转换器包括高速ADC和高速DAC，FPGA包括数字中频接收模块和数字中频发射模块，外设部分与MCU相连，其中外设包括显示器、喇叭、麦克风、键盘及外设接口等；
数字化船舶VHF电台包括接收链路和发射链路，接收链路为天线接收到的射频信号经过一级变频超外差变频接收模块进行下变频后变成中频信号，传输至高速ADC，进行采集，然后传输至数字中频接收模块，进行中频信号处理，处理之后传输至MCU，由MCU进行解码处理和后续处理。
其中，一级变频超外差变频接收模块包括两个接收通道，分别为DSC信守通道和语音接收通道，信号经过DSC信守通道进行下变频后变成中频信号，传输至高速ADC，进行采集，然后传输至数字中频接收模块，对信号进行下变频，滤波，FM解调以及FSK解调，最终以数字信号的形式传输给后端MCU进行解码处理和后续处理；信号经过语音接收通道进行下变频后变成中频信号，传输至高速ADC，进行采集，然后传输至数字中频接收模块，对信号进行下变频，滤波，FM解调，最终以数字信号的形式传输给后端MCU进行解码处理和后续处理；两个接收通道之后可以通过合路器进行合路，然后连接到一个高速ADC，用一个ADC进行采样，然后在数字域中进行滤波，分离出原始两路信号，也可以两个接收通道之后分别连接一个高速ADC。
而发射链路为MCU发射信号至FPGA内部的数字中频发射模块，数字中频发射模块对信号进行FM/FSK的调制，并进行数字上变频，滤波，然后传输至高速DAC，高速DAC将信号传输至一级变频超外差变频发射模块，由一级变频超外差变频发射模块对信号进行上变频后并经过适当滤波发送至天线。
另外，语音接收通道和语音发射通道共用一个天线，且通过一个大功率射频开关进行半双工模式工作，而DSC接收通道是独立的具有单独的天线和接收通路。
数字化船舶VHF电台电路分两大部分：射频与数字部分。
射频部分：
射频部分分为两个接收通道和一个发射通道，其中接收通道分别是DSC值守通道和语音接收通道。发射通道由DSC和语音发射共用一个物理通道。
语音接收和发射通道共用一个天线，通过一个大功率射频开关进行半双工模式工作。DSC接收通道是独立的具有单独的天线和接收通路，从而实现对DSC信息的无间断值守，这是GMDSS 的要求。
接收通路信号流程：
DSC值守通道: 射频信号经过天线接收过来，先经过一个LC带通滤波器，中心频率为156.525MHz，初步滤除远端干扰和噪声，然后进入低噪放进行放大，放大之后的信号经过SAW声表滤波器进一步滤波之后，进入第一级混频器进行下变频。混频器的本振信号为120MHz与输入射频信号的差值即为中频信号频率，中频信号经过放大之后进入晶体滤波器，中心频率为36.525MHz。然后，信号通过一个射频合路器与语音信号的中频45MHz合成一路，然后通过一级抗混叠滤波器输出给高速ADC,进行直接中频采样，采样频率60MHz。
两个中频信号经过60MHz采样之后，变为6.525MHz和15MHz，进入FPGA进行下一步数字中频处理。
语音接收通道(RX):RX链路跟DSC基本一致，唯一区别是前端有一个射频开关控制收发状态，当接收状态时，天线信号切换到RX通路，发射状态时切换到发射通道。
发射链路(DSC、语音共用)：来自FPGA的数字中频信号传输给DAC，高速DAC采样率120MHz， 输出45MHz中频，先通过抗混叠滤波器滤除高次谐波，然后经过巴伦进行差分转单端变换。接下来进入一个晶体滤波器，滤除带外杂散，使得杂散指标符合船舶VHF电台的杂散要求。 经过滤波之后的信号进入混频器，进行上变频，然后通过带通滤波、驱动放大以及射频功率放大，最终通过射频开关到达天线口发射出去。具体结构流程图如图3所示。
数字部分：
DSC值守通道：FPGA内部先经过数字下变频，包括抽取滤波等处理，输出给FM数字解调器，解调之后的数据在经过FSK数字解调器，恢复出来数字1200波特率流信号。 然后MCU获取bit流信号，经过码元同步、解码、纠错等处理，形成明文信息发送给显示器显示。
语音接收通道：与DSC信号处理类似，需要经过数字下变频和FM数字解调，但是其后的处理不同。语音信号无需进行FSK解调，但需要进行去加重处理，然后直接输出给音频芯片进行语音化，最终输出给外扩喇叭产生语音声音。
发射通道：发射通道由于是语音和DSC共用，因此前端处理两者不相同，是上述两个接收过程的逆过程，具体不再冗述。在数字FM调制器处两者合二为一，信号经过调制，数字上变频最终通过FPGA的DAC接口输出给射频发射链路。具体结构框图如图4所示，电台的其他部件跟传统的接收机并无二至。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：包括天线、射频电路、数模/模数转换器、FPGA、MCU 以及外设部分，所述射频电路包括一级变频超外差变频接收模块和一级变频超外差变频发射模块，所述数模/模数转换器包括高速ADC和高速DAC，所述FPGA包括数字中频接收模块和数字中频发射模块，所述外设部分与MCU相连；
所述数字化船舶VHF电台包括接收链路和发射链路，
所述接收链路为天线接收到的射频信号经过一级变频超外差变频接收模块进行下变频后变成中频信号，传输至高速ADC，进行采集，然后传输至数字中频接收模块，进行中频信号处理，处理之后传输至MCU，由MCU进行解码处理和后续处理，
所述发射链路为MCU发射信号至数字中频发射模块，数字中频发射模块对信号进行调制，并进行上变频形成中频信号，然后传输至高速DAC，高速DAC将信号传输至一级变频超外差变频发射模块，由一级变频超外差变频发射模块对信号进行上变频后发送至天线。
2.根据权利要求1所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述一级变频超外差变频接收模块包括两个接收通道，分别为DSC信守通道和语音接收通道，所述一级变频超外差变频发射模块包括一个发射通道，所述发射通道为语音和DSC所共用。
3.根据权利要求2所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述接收链路中数字中频接收模块对经过DSC信守通道的信号进行的中频信号处理包括变频、滤波、FM解调、FSK解调，所述接收链路中数字中频接收模块对经过语音接收通道的信号进行的中频信号处理包括变频、滤波、FM解调。
4.根据权利要求2所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述语音接收通道和语音发射通道共用一个天线，且通过一个大功率射频开关进行半双工模式工作。
5.根据权利要求2所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述DSC接收通道是独立的具有单独的天线和接收通路。
6.根据权利要求1所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述外设部分包括显示器、喇叭、麦克风、键盘及外设接口。
7.根据权利要求2所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述两个接收通道之后通过合路器进行合路，然后连接到一个高速ADC。
8.根据权利要求2所述的一种数字化船舶VHF电台，其特征在于：所述两个接收通道分别连接一个高速ADC。
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