張翼周

(成都天奧信息科技有限公司，成都 611731)

1 引言

較早的船舶識別及避碰方式是在無線電所覆蓋水域或VTS(Vessel Traffic System)作用區(qū)域，控制中心通過無線電話詢問或由船舶無線電話向控制中心報告而獲得船舶的信息后，再用人工方式將船舶信息錄入VTS監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對船舶的跟蹤管理。在船舶往來密集的區(qū)域，這種人工方式向系統(tǒng)錄入信息，不僅工作強度大，且易出現(xiàn)操作差錯。AIS的使用，可以實現(xiàn)船舶交通管理系統(tǒng)的船－岸、船－船間的自動通信及輔助導航，避免船舶間的碰撞，提高航行的安全。AIS系統(tǒng)工作在VHF頻段，采用GMSK調(diào)制，以自組織時分多址(SOTDMA)方式發(fā)射船舶位置、航速、航向等船舶動態(tài)信息以及船名、識別碼等船舶靜態(tài)信息［1－2］。

VHF信道作為AIS中的一個重要組成單元，其性能直接影響AIS設備最遠作用距離、最大偵收船舶數(shù)等組網(wǎng)性能。國內(nèi)多家AIS廠商均自主開發(fā)其AIS產(chǎn)品，各家各有長短，主要的缺陷集中在產(chǎn)品可靠性差，部分射頻指標不達標。目前國內(nèi)AIS市場競爭日益激烈，市場不僅要求研制性能穩(wěn)定可靠的AIS產(chǎn)品，而且也提出了低成本化的要求。為實現(xiàn)這一目標，除盡可能選用多功能、高集成度元器件外，還需要優(yōu)選頻率源、調(diào)制解調(diào)等方案，以減少器件用量，簡化電路。

2 AIS基本組成及原理

AIS系統(tǒng)由AIS主機、天線系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)組成。其中AIS主機包含了VHF信道、GPS接收機、基帶處理單元和電源單元組成。AIS原理框圖如圖1所示。

圖1 AIS原理框圖Fig.1 Block diagram of AIS

基帶處理單元通過GPS接收機獲取當前的地理位置和世界時間，實現(xiàn)SO－TDMA協(xié)議，并通過與VHF信道的協(xié)作，完成對AIS基帶信號的調(diào)制、解調(diào)和信息解析，供顯控系統(tǒng)顯示。顯控系統(tǒng)可內(nèi)置電子海圖軟件，通過外部串口、網(wǎng)口接入羅經(jīng)、外部GPS、計程儀、雷達等信息，結(jié)合自身的AIS信息，在海圖上綜合顯示。VHF信道完成射頻信號與基帶信號的轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)過VHF天線，進行射頻信號收發(fā)。

3 AIS的VHF信道設計

通常VHF信道包括兩個可同時工作的獨立接收通道(國際通用頻點為161.975 MHz和162.025 MHz)和一個可交替工作在以上兩個頻點的發(fā)射通道［3］。雖然國際通用頻點僅規(guī)定了兩個頻點，但根據(jù)IMO相關標準規(guī)定，VHF信道的專用頻率應覆蓋 156.025～162.025 MHz，信道間隔25 kHz。

3.1 VHF信道基本組成

VHF信道由發(fā)射機、接收機、控制單元組成。發(fā)射時，發(fā)射機將基帶處理單元提供的模擬信號調(diào)制，并變頻至射頻信號再經(jīng)功率放大，然后通過收發(fā)開關饋入VHF天線發(fā)射出去。在接收狀態(tài)，VHF天線接收到的信號經(jīng)過收發(fā)開關后送入接收機進行放大、變頻和解調(diào)后，輸出模擬解調(diào)信號給基帶處理單元解析。

3.2 發(fā)射機設計

發(fā)射機主要由調(diào)制器、鎖相環(huán)、分頻器、聲表濾波器、驅(qū)動放大器、功率放大器、收發(fā)開發(fā)及濾波器構(gòu)成。調(diào)制器將從基帶處理單元送來的基帶信號調(diào)制到4倍發(fā)射頻率的載波上，再經(jīng)過四分頻器(該方案，發(fā)射雜散指標較容易實現(xiàn))，然后送入放大器，經(jīng)濾波送入末級功放放大，最后通過大功率射頻開關和低通濾波器發(fā)送到天線發(fā)射。發(fā)射機原理圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射機原理框圖Fig.2 Block diagram of transmitter

由原理圖可見，本發(fā)射機的設計十分簡潔。與傳統(tǒng)設計比較，省去了變頻所需要的混頻器和本振電路，節(jié)約了成本。

3.2.1 調(diào)制器設計

調(diào)制器是本發(fā)射機的核心單元。按照標準規(guī)定，AIS系統(tǒng)應采用GMSK調(diào)制，BT值0.4。若采用數(shù)字方式完成調(diào)制，要求采用相對昂貴的數(shù)字處理芯片才能完成。最簡單的產(chǎn)生GMSK信號的方法是將不歸零信號信息比特流通過高斯基帶濾波，其后送入FM調(diào)制器［4］。這種調(diào)制技術如圖3所示。

圖3 采用直接FM構(gòu)成的GMSK發(fā)射機框圖Fig.3 Block diagram of GMSK transmitter formed with FM modulator

發(fā)射基帶信號由基帶處理單元產(chǎn)生，高斯濾波過程由 AIS專用芯片完成，信道數(shù)據(jù)速率為9.6 kb/s時，其高斯濾波的3 dB帶寬計算如下:

式中，T為數(shù)據(jù)的周期時間。

傳統(tǒng)的FM調(diào)制采用兩點調(diào)制方式，即基帶信號同時送入發(fā)射基準源和發(fā)射本振壓控振蕩器。由于晶振和壓控振蕩器對調(diào)節(jié)電壓的頻率響應特性可以互補，這樣可以在最終的調(diào)制波形上獲得很好的調(diào)制頻響，但是這種設計的缺點是設計困難，后期調(diào)試量大。本方案中我們僅將基帶信號作用于12.8 MHz壓控晶振(VCXO)的壓控端，完成FM調(diào)制，即單點調(diào)制。圖4給出了用晶振單點調(diào)制方式產(chǎn)生的調(diào)制信號在電臺綜合測試儀解調(diào)得到的基帶信號，圖5給出了數(shù)字信號源產(chǎn)生的GMSK調(diào)制信號對應的解調(diào)波形。

圖4 晶振單點調(diào)制信號解調(diào)時域波形Fig.4 The demodulated time－domain signal of VCXO single point modulation

圖5 信號源GMSK調(diào)制信號解調(diào)時域波形Fig.5 The demodulated time－domain signal of GMSK signal generator

從解調(diào)波形對比看，晶振單點FM調(diào)制的低頻頻響略差，但就AIS的應用要求講，該失真在可接受的范圍。AIS通信的數(shù)據(jù)傳輸率為9.6 kb/s，連續(xù)出現(xiàn)0或者1的個數(shù)最多為6個，因此只要保證調(diào)制頻響在800Hz～4.8 kHz音頻范圍內(nèi)的平坦度，該單點調(diào)制方案就是可行的。

晶振單點FM調(diào)制使晶振的選擇顯得尤為重要。除關注晶振頻率準確度以滿足射頻頻率準確度要求外，我們還必須關注晶振拉偏范圍這個指標。如果晶振拉偏范圍不夠，將直接限制本調(diào)制器的最大調(diào)制頻偏，從而影響GMSK的調(diào)制參數(shù)，最終導致通信距離不夠，甚至無法通信。GMSK是MSK的特例，MSK作為一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控，其最大頻移為比特率的1/4，即MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK。FSK信號的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)［5］，因此AIS信道的FM最大頻偏應為2.4 kHz。該最大頻偏對應射頻中心頻率159 MHz，約為 1.5 ×10－5，即我們選擇的 VCXO最大拉偏值應超過±1.5 ×10－5。

用以上調(diào)制方案產(chǎn)生的信號帶寬可用下式計算:

式中，βf為調(diào)制指數(shù)，此處取0.5;fm為調(diào)制頻率，由于數(shù)字信號速率為9.6 kb/s，對應音頻頻率為 4.8 kHz，因此 BT=14.4 kHz。

3.2.2 VHF 功放設計

AIS標準要求Class A設備，輸出功率12.5 W±1.5 dB［6］;Class B 設備，輸出功率 2 W±1.5 dB。

早期的功放設計選擇單片式功放，輸入輸出均需要進行阻抗匹配設計，電路復雜，可靠性差，且功放本身抗燒毀能力差。經(jīng)比較，本方案選擇三菱公司RA系列集成功放，該芯片專為非線性FM調(diào)制設計，輸入輸出端均已完成50Ω阻抗匹配。經(jīng)驗證，在AIS突發(fā)工作狀態(tài)下，該功放可以保持長期開路發(fā)射，不損壞。

針對Class A設備，選用三菱公司RA13H1317M集成功放，該功放工作在135～175 MHz，漏極供電電源12.5 V，最大輸出功率13 W。針對Class B設備，本發(fā)射機為提高最大通信距離，設置高低功率狀態(tài)，低功率狀態(tài)滿足2 W±1.5 dB，增加6 W的高功率狀態(tài)。選用三菱公司RA07M1317M集成功放，該功放工作在135～175 MHz，漏極供電電源7.2 V，最大輸出功率6.5 W，通過調(diào)節(jié)柵壓，可以控制輸出功率。以上兩款功放可用相同推動功率驅(qū)動，這意味著，只要更換功放和供電電壓而不必重新設計發(fā)射前端，就可以得到滿足Class A和Class B的產(chǎn)品，或設計兼容兩種類型的產(chǎn)品。

3.3 接收機設計

接收機由限幅器、聲表濾波器、低噪放、功分器、下變頻器、中頻放大器、中頻晶體濾波器和解調(diào)器等構(gòu)成。兩個AIS接收信道在功分器前共用一個信道，功分器后分為兩個結(jié)構(gòu)相同的AIS－A接收信道和AIS－B接收信道。

圖6給出了單路接收單元原理框圖。從接收機原理框圖看，本接收機為經(jīng)典的超外差式接收機，經(jīng)過兩次變頻、FM解調(diào)，將射頻信號還原為基帶信號。

圖6 接收機原理框圖Fig.6 Block diagram of receiver

3.3.1 接收前端設計

AIS標準要求接收機靈敏度為－107 dBm，兼顧大信號誤碼率指標、互調(diào)響應抑制指標，初級放大器應選擇噪聲系數(shù)低、增益高、P1dB高的放大器。本設計選擇安華高科技公司(Avago)的低噪聲放大器MGA－62563，它是一款經(jīng)濟、易用的砷化鎵微波集成放大器，該放大器噪聲系數(shù)典型值0.9 dB，在AIS頻率范圍內(nèi)增益可達到24 dB，輸出 P1dB為18 dBm。該放大器電路采用先進的E－pHEMT技術，性能可靠，外圍電路簡單，使用方便。

為提高接收靈敏度，保證接收前端的低噪聲系數(shù)是非常關鍵的。低噪放之前的LC濾波器、聲表濾波器的插損指標應嚴格控制。由于LC濾波器的主要功能是濾除發(fā)射諧波，為了降低其插損，可選擇三級低通濾波器形式，插損可以控制在0.2 dB以內(nèi)。聲表濾波器選擇Golledge公司的聲表濾波器MA06510，該聲表濾波器通帶恰好與AIS頻段吻合，通帶內(nèi)插損典型值僅2.3 dB。

接收機的總噪聲系數(shù)根據(jù)以下公式計算:

式中，NF代表各級器件的噪聲系數(shù)，G代表各級的增益。代入各級噪聲系數(shù)和增益，可得到本接收機的總噪聲系數(shù)為5.4 dB。根據(jù)以下公式可估算出靈敏度:

其中，NF為信道噪聲系數(shù)，此處取5.4 dB;BT為信道帶寬，此處取15 kHz;SNR為接收機輸出信噪比，這里取SNR=12 dB。最終可得靈敏度約－114.8 dBm，滿足最低輸入電平－107 dBm的要求。

3.3.2 本振設計

由于兩個接收通道需獨立同時工作，而本接收機采用二次變頻的方案，因此共需要四路本振。中頻方案的選擇，兼顧避免組合頻率干擾和低成本。兩個通道的一中頻分別選為21.4 MHz和21.7 MHz，兩個通道的二中頻均選為455 kHz。以上中頻頻率均為標準值，中頻濾波器可以很容易得到。這樣，一本振為變本振，需在134.325～140.635 MHz間可調(diào);二本振為定本振，頻率分別為 20.945 MHz、21.245 MHz。

一本振選用亞德諾公司(AD)的ADF4208，該芯片是AD公司雙頻綜器家族的成員，其內(nèi)部的每個頻綜器都包括各自的低噪聲數(shù)字鑒相器、精密電荷泵、可編程參考分頻器、A和B寄存器、雙模預分頻器，且兩個環(huán)都可工作于以上一本振頻率范圍內(nèi)，同時為兩個接收通道分別提供本振。

二本振可用晶振提供固定頻率，不僅成本低，相噪指標也較高。

3.3.3 鄰道抑制分析

鄰道抑制要求不小于70dB。該指標是指位于有用信號頻率一個相鄰波道的干擾信號，在經(jīng)過混頻后，其相位噪聲落入中頻，造成有用信號信噪比下降，最終造成接收機靈敏度下降的容忍度。所以鄰道指標可理解為當鄰道干擾信號比有用信號大70dB時，靈敏度允許下降6 dB(以原靈敏度為－107 dBm計)，該指標與干擾信號的相位噪聲、接收機本振的相位噪聲和中頻帶寬都有密切關系。

干擾信號的相噪無法通過信道改善，要提高鄰道抑制的測試結(jié)果，只能盡量在測試時選用相噪好的干擾信號源。其次，信道的中頻帶寬已經(jīng)由整個系統(tǒng)決定。根據(jù)公式(2)得到，AIS發(fā)射信號帶寬14.4 kHz，即98%的傳輸功率集中在以上帶寬內(nèi)，與此帶寬最接近的標準中頻濾波器帶寬為±7.5 kHz。若考慮鄰道抑制指標，可適當選擇帶寬稍窄的濾波器，但定制的中頻濾波器會帶來成本的增加。因此，要提高接收機鄰道抑制指標，能做的主要工作就是改善本振信號的相噪。

3.3.4 解調(diào)器設計

FM解調(diào)采用恩智浦公司FM中頻系統(tǒng)集成芯片SA615，該芯片包含有源混頻器、線性放大器、限幅放大器、鑒頻器，圖6虛線框的部分即是該器件的框圖。通過外部本振輸入、兩級晶體濾波器、移相器的配合，SA615便可以完成二中頻處理的全過程，輸出FM解調(diào)后的基帶信號。

SA615及外圍詳細電路如圖7所示。

圖7 SA615詳細電路Fig.7 Detailed circuit of SA615

SA615采用非相干解調(diào)，核心部件就是其正交鑒頻器。FM信號經(jīng)過相移網(wǎng)絡后，生成與FM信號電壓正交的參考信號電壓，它與輸入的FM信號電壓同時加入相乘器，相乘器的輸出再經(jīng)過低通濾波器，便可還原出基帶信號。

4 結(jié)構(gòu)布局

本信道方案大量選用高集成度的器件，可實現(xiàn)輕量化和小型化。將VHF信道與基帶處理單元、GPS接收機、電源單元設計在一個單板上，可以進一步簡化生產(chǎn)流程，節(jié)約成本。但單板設計會帶來電磁兼容問題，需要加以考慮。

通過多次改版，本信道形成如圖8所示的布局。

圖8 VHF信道實物照片F(xiàn)ig.8 Photograph of VHF channel

將發(fā)射功放、接收前端、收發(fā)本振分別置于獨立的屏蔽腔內(nèi)。功放與接收電路分別置于印制板兩面，采用多層板、中間地層與屏蔽盒體共同作用，有效分隔各功能單元，實現(xiàn)了VHF信道與基帶處理單元、GPS接收機、電源單元的單板設計，有效避免了數(shù)字電路對信道的干擾和信道單元間干擾。

5 系統(tǒng)測試

IMO的標準不僅對AIS的指標作出了明確規(guī)定，也給出了詳細的測試方法。表1給出了常溫條件下對10套AIS Class B VHF信道主要指標進行測試后的平均結(jié)果。

表1 AIS Class B VHF信道主要指標測試結(jié)果Table 1 Test results of main index of AIS Class B transceiver

從測試結(jié)果看，本設計以上指標均已達到或優(yōu)于IMO標準要求。

6 結(jié)束語

AIS在世界范圍已得到廣泛應用。按照通用AIS的安裝要求，2002年7月1日以后新造的300t以上船舶和所有新造客船都必須安裝AIS設備，在此時間之前制造的船舶，也按噸級制定了安裝時間表［7］。我國作為海洋大國、航運大國，為AIS的應用提供了廣闊空間，其市場潛力巨大，研制具有自主知識產(chǎn)權的AIS設備，不僅是順應我國航海科技發(fā)展的需要，也是經(jīng)濟發(fā)展的需要，具有十分重要的意義。

目前，本AIS VHF信道已通過各項射頻指標詳細測試，并通過中國船級社(CCS)認證，已應用于相關的AIS系列產(chǎn)品，并在我國內(nèi)河、近海大面積使用。長期生產(chǎn)、使用證明，該VHF信道設計方案結(jié)構(gòu)布局合理，硬件成本低，調(diào)試量小，返修率低，適于大批量生產(chǎn)。

［1］GB/T 20068－2006，船載自動識別系統(tǒng)(AIS)技術要求［S］.GB/T 20068－2006，Technical Requirements of Shipborne Automatic Identification System(AIS)［S］.(in Chinese)

［2］電訊技術編輯部.船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)的應用與技術研究［J］.電訊技術，2005，45(增1):1－132.Telecommunication Engineering Agency.Study on Application and Technology of AIS［J］.Telecommunication Engineering，2005，45(Supp.1):1－132.(in Chinese)

［3］IEC 62287－1，Class B shipborne equipment of the automatic identification system(AIS)—Part 1:Carriersense time division multiple access(CSTDMA)techniques［S］.

［4］陳邦媛.射頻通信電路［M］.2版.北京:科學出版社，2006.CHEN Bang－yuan.RF Communication Circuit［M］.2nd ed.Beijing:Science Press，2008.(in Chinese)

［5］Rappaport T S.無線通信原理與應用［M］.蔡濤，李旭，杜振民，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2012.Rappaport T S.Wireless Communication Princip－ les and Practice［M］.Translated by CAI Tao，LI Xu，DU Zhenmin.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2001.(in Chinese)

［6］IEC 61993－2 Class，A shipborne equipment of the automatic identification system(AIS)——Operational and performance requirements，methods of test and required test results［S］.

［7］時宏偉.AIS的發(fā)展現(xiàn)狀及其前景［J］.電訊技術，2005，45(1):1－7.SHI Hong－wei.The development status－quo and prospects of AIS［J］.Telecommunication Engineering，2005，45(1):1－7.(in Chinese)