船舶抗噪通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

閆春志， 肖紅斌

（中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715）

引言

近年來，我國內(nèi)河的運(yùn)輸業(yè)逐漸顯示出其優(yōu)越性，為了提升原有老舊船舶的安全性能，需要對(duì)其進(jìn)行智能化、大型化的替代，這就需要對(duì)船舶航運(yùn)技術(shù)進(jìn)行大力創(chuàng)新創(chuàng)造，特別是對(duì)于船舶的通信系統(tǒng)需要大力關(guān)注[1]。通信系統(tǒng)作為船舶航行的重要安全措施，是船舶工業(yè)的主要研究內(nèi)容。伴隨著我國科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，船舶通信系統(tǒng)的安全要求也越來越高。相較于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，船舶通信系統(tǒng)的要求更高[2-3]。

在實(shí)際使用情況下，船舶通信系統(tǒng)要充分考慮航行過程中惡劣氣候環(huán)境及船艙的環(huán)境，船舶設(shè)備之間要具備高度協(xié)調(diào)性及足夠強(qiáng)的抗干擾性。船舶在海上航行經(jīng)常會(huì)遇到氣候不穩(wěn)定或者船舶系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況，造成船舶通信系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，對(duì)船舶的航行安全產(chǎn)生重大影響[4]。

1 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船舶抗噪通信系統(tǒng)硬件核心主要采用的是C8051f020 單片機(jī)，其控制器能夠滿足控制接口的要求。路由信息通過信道被信令信息控制機(jī)接收后，將其壓縮成為數(shù)據(jù)幀的方式在指定位置對(duì)信息進(jìn)行傳輸。當(dāng)發(fā)射機(jī)接收到該數(shù)據(jù)信息后，在進(jìn)行檢錯(cuò)處理后會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。硬件系統(tǒng)中需要設(shè)置由RC電路組成的復(fù)位電路，對(duì)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的控制及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作按鍵復(fù)位功能。由于船舶在海上航行時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率要求高，要實(shí)現(xiàn)其信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在系統(tǒng)中利用復(fù)位芯片來實(shí)現(xiàn)以上功能。同時(shí)在復(fù)位電路中的芯片內(nèi)部封裝測試訪問接口，實(shí)現(xiàn)利用測試工具對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的測試工作順利進(jìn)行。

硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框架

2 抗噪軟件功能設(shè)計(jì)

船舶抗噪通信系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采取的是以PC主機(jī)為客戶端，S3C2410 平臺(tái)為服務(wù)器的C/S 模式。利用Socket 編程技術(shù)對(duì)客戶端和服務(wù)器之間利用TCP 協(xié)議進(jìn)行通信設(shè)計(jì)，其通信程序的流程圖如圖2所示。

圖2 通信程序流程圖

去噪部分的設(shè)計(jì)主要利用濾波算法對(duì)其進(jìn)行去噪處理，以Kalman 和Vina 算法為理論基礎(chǔ)的濾波法，有著較強(qiáng)的適應(yīng)性及抗干擾性，能夠?qū)ν饨绲沫h(huán)境噪聲進(jìn)行濾除。

利用歸一化處理方式對(duì)通道信號(hào)的穩(wěn)定因子進(jìn)行處理，得到的數(shù)學(xué)模型如式（1）：

對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，計(jì)算公式如式（2）：

式中：s（n）為理想信號(hào)；k（n）為輸出值；e2（n）為修改權(quán)系數(shù)；ε 為均方誤差。

3 應(yīng)用試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證船舶抗噪通信系統(tǒng)的效果，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)抗噪通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，分別從兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸失敗情況和數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比，得到如圖3、圖4 的效果。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸失敗情況對(duì)比

通過對(duì)上述兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果可以分析得到，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸失敗情況的試驗(yàn)時(shí)，抗噪通信系統(tǒng)的失敗次數(shù)要明顯少于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)，說明了抗噪系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性測試時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)果存在較大的波動(dòng)，并且變化幅值明顯高于抗噪通信系統(tǒng)的幅值。綜上，抗噪系統(tǒng)不論是在系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性還是數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，由此也證明了抗噪系統(tǒng)的抗噪處理得到了實(shí)際的去噪效果，提高了通信系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

通過對(duì)船舶通信系統(tǒng)利用以C8051f020 單片機(jī)為核心的硬件設(shè)計(jì)，以S3C2410 平臺(tái)為服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)，得到的船舶抗噪通信系統(tǒng)能夠滿足在實(shí)際使用中的要求。相比較傳統(tǒng)系統(tǒng)能夠獲得相對(duì)較穩(wěn)定的通信質(zhì)量及通信穩(wěn)定性，保證了船舶在航行過程中的安全性，提高了船舶的智能化程度。但是在實(shí)際航行中，隨著氣候條件的變化多端，船舶通信系統(tǒng)還需要不斷地結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。此次研究為后續(xù)的研究提供了一定的基礎(chǔ)。