海上通信浮標的優化設計

摘要：傳統VHF與北斗系統定位中存在精度不足、數據交互效率低的問題，基于此，文章設計了一種基于VHF與北斗系統技術的整合方案。該方案選用國產FPGA芯片，型號為PH1A90SFG484，能夠在短時間內同時處理多個信號通道，大幅提升頻率測量準確性。實驗結果表明，該方案精度達到1×104 Hz，通過優化接口設計，實現設備間的高效數據交互，為通信浮標設計提供有力支持。

關鍵詞：通信浮標；VHF；北斗系統

中圖分類號：TN967 文獻標志碼：A

0 引言

隨著海上資源開發、航向安全等需求的加大，傳統通信浮標系統展現出一定的局限性，在信息傳播精度、時效性方面都相對落后。為了更好地展現海上通信系統的國產化特征，本文研究以“100%國產化設計”為目標，整合VHF與北斗系統技術，并基于5G雙模PRU可編程實時處理單元執行信號處理任務，以保證海上通信的質量與反饋實時性，實現VHF/北斗系統與國產5G/PRU芯片的高度集成，提高海上通信穩定性。

1 海上通信現狀分析

傳統的海上通信技術難以滿足當前需求，過于依賴VHF技術，存在通信范圍和數據承載限制，且時效性有待提高。此外，對進口芯片的過度依賴會導致斷供風險，國際海事衛星的高服務費也影響了服務連續性，不同國家區域服務差異也存在問題。盡管現有的CMDSS填補了我國海上安全通信空白，但系統功能集成仍需進一步改進，存在傳遞鏈路冗長的問題，影響時效性。海上通信浮標設計功能單一，缺乏集成功能。2021年，北斗三號衛星導航系統的建立雖然提高了定位和短報文通信能力，但國際認可度較低，需進一步加強國產通信設備的研發，完善雙模設計構建5G網絡框架。

2 框架設計

本文設計了海上通信浮標框架，集成了北斗三號衛星通信系統和VHF，主要技術包括：（1）增強VHF通信模塊。設計雙頻VHF收發器，提高通信兼容性和鏈路質量的計算能力，增強自適應性。（2）優化北斗衛星系統模塊。提高定位精度，實現浮標位置的實時定位，研究信息傳輸時效性，利用短報文功能提升信號傳輸效率和抗干擾性。（3）整合RPU芯片，實現VHF和北斗系統融合，硬件層面建立通信接口實現高速傳輸，軟件層面集成5GNR協議棧實現數據傳輸，使用PRU編程精細控制北斗信號質量和VHF模塊，根據優先級條件完成集成，保證信號傳輸安全。基于上述技術，生成通信浮標框架如圖1所示，實現及時定位與信息發送。

3 國產芯片選型

隨著我國半導體芯片事業的發展，目前大部分企業已經逐步突破進口芯片限制，研發支持自主編程、高通信效率、功能集成的芯片，推動了基站設備的更新換代，在海上通信浮標應用中取得了一定成就。目前，國產芯片在5G雙模PRU設計中取得了一定成就，部分芯片甚至成為行業代表，本文列舉了其中部分廠家的芯片類型及性能特征，如表1所示。

4 集成設計

4.1 VHF通信模塊

針對VHF通信模塊部分，本文選擇國產芯片

ECR8651，以實現點對點的通信。該模塊屬于高集成、高性能的射頻混頻器，具有可編程功能，提供MIXER·DA、AUXADC、AUXDAC等模塊與CPIO接口［1］。支持差分射頻（FDD）接口，與增益控制（MGC）接口，滿足大部分私有頻段與公網條件。具體技術規格如表2所示。

ECR8651芯片具有良好的噪聲系數線性度，滿足VHF通信單元的去噪需求。在下行鏈路子系統中，支持自動和手動增益控制，并通過SPI接口和GPIO實現北斗三號基帶功能控制。關鍵工作單元運行原理如下。

（1）時鐘輸入。ECR8651芯片支持2種時鐘源連接方式，一是時鐘源與XTALP引腳連接，XTALN引腳浮空；二是外部晶體直接連接XTALP和XTALN引腳，支持10 MHz～80 MHz頻段，并通過可編程電容陣列校準頻率誤差［2］。

（2）狀態機（ENSM）。該芯片的狀態機可以實時控制工作狀態，如睡眠、空閑和鏈路連接狀態，支持SPI或引腳控制模式。SPI控制模式通過SPI寄存器完成異步控制，可以直接或通過BBIC改寫控制。引腳控制模式主要控制ENABLE和TXNRX引腳，采用電平驅動實現功能。

（3）SPI接口。ECR8651芯片支持4線SPI接口，BBP通過串行總線協議設置參數。書寫命令時應遵循32位或48位格式，前16位為總線方向、數據地址和字節數，后16/32位為指定寄存器地址。

（4）控制引腳。控制輸入引腳支持手動增益；控制輸出引腳通過BBP監控收發器，實現系統運行狀態監測和信息記錄，再由指針寄存器分配信息與引腳。同時，該芯片提供14個通用邏輯輸出引腳（GPO_0-GPO_13），實現對外設器件的綜合控制。

（5）輔助轉換器。ECR8651芯片AUXDAC共8個，電流驅動10 mA，可用于放大功率［3］。

4.2 北斗衛星系統模塊集成

針對海上通信浮標的優化設計，北斗衛星系統建立基帶和射頻2個模塊，配合MCU處理器實現信息傳輸與定位功能。針對基帶模塊的設計，為保證信息在北斗衛星與地面系統之間傳輸的時效性和精準性，須保證無線電信號與數字信號之間轉換的流暢性［4］。

近年來，國產FPGA可編程邏輯器件取得突破性成就，針對此次北斗衛星系統與VHF通信的整合，采用PH1A90SFG484可編程邏輯門陣列芯片，集成2組MIPI IO，擁有DPHY物理層支持。在信息采集時，須能夠直接通過MIPI接口進行圖像處理。力圖全志科技公司型號為T113-S3的微處理器與內存保護單元（MPU），配備128 MB DDR3片上內存，雙核Cortex-A7處理器+單核DSP；寧波奧拉半導體股份有限公司型號為Au5329的定時模塊，雙分數頻率轉換抖動衰減時鐘合成器，最多支持2個輸入時鐘，提供10個時鐘輸出；北京奕斯偉科技集團有限公司型號ECR8663RF的ITE，支持不同帶寬、調制方式以及多天線技術。

5 硬件框架與系統

針對硬件系統的設計，通信浮標系統分為4個部分：ARM、DSP、FPGA和電源管理系統。

5.1 ARM子系統

ARM子系統負責軟件、硬件參數設置和結果呈現。選用低功耗處理器，支持復雜數據緩存，并配置USB、以太網接口以確保數據傳輸的時效性，配合FPGA和DSP系統完成信息處理任務。異常數據或報警信號經檢測后，結果通過衛星通信或VHF發送至終端。設計使用全志T113-S3處理器，內置1720 kB分布式RAM，配備1024x600LVDS液晶屏，與其他子系統數據交互。

5.2 DSP子系統

DSP子系統負責數字信號解析和處理，根據業務需求進行計算，通過高速串行接口完成數據預處理，提高定位精度和通信質量。通過SPI寄存器讀寫數據，與FPGA系統緊密結合，接收信號并將結果傳輸至ARM系統，支持240個數字信號處理單元［5］。

5.3 FPGA子系統

FPGA子系統負責轉換設備數據，包含多個接口模塊（如SPI、UART），具備高速帶寬和并行處理優勢，繼承多類型內存資源，直接連接帶寬，提高系統集成性，實現低延遲高速數據交換。設計使用PH1A90SFG484芯片，具體參數如表3所示。

5.4 電源管理子系統

為滿足FPGA系統在不同條件下的電壓需求，本文設計分布式管理方案，提供差異化電路，避免電源干擾。該芯片具備快速讀取和大容量優勢，可直接與SPI接口相連，實現數據轉換。在海上通信浮標中，VHF與北斗系統整合時，設備連通依賴FPGA軟件，須預留波形下載接口，通過控制波形管理設備運行，便于后續嵌入式系統調試與測試。接口設計應滿足JTAC標準，通過外部訪問點連接設備，并集成ESD保護二極管，防止靜電放電干擾和電子元件損壞，確保FPGC組件安全，如圖2所示。

6 實驗驗證

為驗證VHF與北斗衛星導航系統整合技術方案的可行性，實驗模擬了不同海上天氣和電磁環境條件，以檢驗浮標的各項指標。按照設計框架，首先在VHF和北斗通信模塊的天線部分創建實時監測環境，配備網絡分析儀并預熱30 min，確保測量精度，指定1616 MHz頻點，并設計天線罩保護天線系統［6］。其次，搭建VHF和北斗系統模塊整合的實驗環境，使用DSC測試儀、船用電臺和手持設備測試環境。VHF發射信道中，FM與AM頻率保持在1×10-5以下，FM鄰道抑制控制在-55 dB以下；VHF接收信道中，FM和AM音頻功率控制在200 MW以上，音頻響應在300～3000 Hz。北斗模塊方面，模擬RNSS、S頻段、L頻段的定位，配置岸基測試軟件、直流供電器和頻譜儀，要求誤碼率在1×10-5以下，通信成功率在80%以上。

針對該技術的應用，具體測試結果如表4所示。總體來看，系統運行實際參數滿足指標限值，針對北斗定位精度，各測點精度均滿足10 m條件；冷啟動時間為23 s，低于指標值（45 s）；授時精度為16 ns，低于設計值（20 ns）；通信成功率達91%。

7 結語

本文提出了一種整合VHF與北斗系統的雙模芯片方案，采用國產集成芯片，支持SPI數據傳輸。在實驗室環境中，通過實時監測系統參數，結果顯示發射和接收信道的實測值均在指標范圍內，北斗系統的定位精度和短報文傳輸速率滿足設計要求。今后，科研人員須進一步研究5G信號干擾問題，提高射頻前端信號接收能力以保證靈敏度。

參考文獻

［1］步曉婷，沈榮成，楊煙臺.基于衛星通信的無人機海上目標監控應用［J］.衛星應用，2024（1）：50-55.

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［4］繆從金.全球寬帶通信系統在航海上的應用［J］.信息系統工程，2023（8）：24-27.

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［6］張維維，高金藝，鄭朝暉，等.海上信息安全保障中存在的問題及應對策略［J］.水上安全，2023（7）：37-39.

Optimization design of maritime communication buoy： research on technology integration based on VHF and Beidou system

Abstract： There are problems with insufficient accuracy and low data exchange efficiency in traditional VHF and Beidou system positioning. Based on this， this article designs an integration scheme based on VHF and Beidou system technology. The scheme uses a domestic FPGA chip， model PH1A90SFG484， which can process multiple signal channels simultaneously in a short time， greatly improving the accuracy of frequency measurement. The experimental results show that the accuracy of the proposed scheme reaches 1×104 Hz. By optimizing the interface design， efficient data exchange between devices is achieved， providing strong support for the design of communication buoys.

Key words： communication buoy; VHF; Beidou system