（通信与信息系统专业论文）渔业用无线转接器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 渔业通信是渔船与陆地、渔船与渔船之间通信的重要手段。本课题针对与s x 0 8 系列渔业全数字电台配套的无线转接器设计，扩展和丰富了原有电台的功能和使 用范围，不仅渔船之间可以通信，而且使渔船与陆地固定电话和手机可以通信。 极大地改善了渔民生产作业的环境，满足了渔民更加多样的合理通信需求。 本文首先介绍了课题研究的背景，讨论了渔业通信系统的国内外研究成果， 进而分析了研制开发无线转接器的重要性。然后对无线转接器的性能进行分析， 包括传输距离和呼叫损失率的分析。根据无线转接器的功能要求，提出了系统硬 件的方案并加以实现。设计无线转接器各模块间的通信协议并编写了固定电话模 块程序。最后的测试表明，系统功能基本实现，满足指标要求，各部分工作正常， 远程网络控制、计费信息记录获取功能实现并且能够稳定方便的操作。 关键词：渔业用电台无线转接d t m f 语音检测u a r t a b s t r a c t m a r i n ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a n sb e t w e e nf i s h i n gb o a t sa n d l a n d ，a n da m o n gf i s h i n gb o a t s t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tt h ed e s i g no ft h er a d i or e l a y w h i c ha s s o r t sw i t ht h es x 0 8s e r i e sd i g i t a lf i s h e r yr a d i o t h er a d i or e l a yc a ne n l a r g ea n d e n r i c ht h ef u n c t i o n sa n du s a g er a n g eo ft h ef o r m e rf i s h e r yr a d i os y s t e m i tn o to n l y e n a b l e st h ec o m m u n i c a t i o na m o n gf i s h i n gb o a t s ，b u ta l s ot h a tb e t w e e nf i s h i n gb o a t sa n d t e l e p h o n e ，c e l l p h o n e o nl a n d w i t ht h i s d e s i g n , t h ee n v i r o n m e n to fp r o d u c t i o n o p e r a t i o n sf o rf i s h e r m e ni sl a r g e l yi m p r o v e d ，a n dt h ed i v e r s er e q u i r e m e n t sf o r c o m m u n i c a t i o na r es a t i s f i e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di si n t r o d u c e d ，a n dt h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l sr e s e a r c h e si nf i s h e r yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d a n dt h e n , t h ei m p o r t a n c eo fd e s i g n i n gar a d i or e l a yf o rf i s h e r yi s a n a l y z e d s e c o n d l y , t h e p e r f o r m a n c eo ft h er a d i or e l a yi sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n d b l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n a l y s i s t h i r d l y , a c c o r d i n g t ot h e f u n c t i o n a l i t ya n dd e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h er a d i or e l a y , s y s t e mp r o g r a mi sd e s i g n e d t h e nan e ws c h e m ei s p r o p o s e dr e f e r r i n gt o t h ep r a c t i c a ld e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t a l s o ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sb e t w e e nm o d u l e sa l ed e s i g n e da n das o f t w a r ep r o g r a mo ft h ef i x e dm o d u l ei s i n c l u d e d f i n a l l y , a f t e rt e s t i n g ，t h es y s t e mi n d i c a t o r sa n df e a t u r e sm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s a l lp a r t so ft h es y s t e mr u ni nc o o r d i n a t i o na n ds t a b i l i t y i na d d i t i o n , r e m o t en e t w o r kc o n t r o la n da c c e s st ob i l l i n gi n f o r m a t i o na r eb o t l l i m p l e m e n t e d o p e r a t i o n so ft h es y s t e ma r es t a b l ea n dc o n v e n i e n t k e y w o r d ：f i s h e r yr a d i o r a d i or e l a yd t m fv o i c ed e t e c t i o nu a r t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景和意义 我国海域辽阔，海岸线长达1 8 万公里，海洋渔业水域面积3 0 0 多万平方千米， 是世界上渔船数量最多的国家。至2 0 0 6 年末我国渔船总数达到9 6 0 5 万艘，约占 世界渔船总量的1 4 ，有15 0 0 多万人从事渔业生产。海洋渔业和海上作业环境复 杂多变，天气变化频繁，在海上生产作业有很大的安全隐患，所以海洋渔业生产 事故高发。这些灾害给我国每年造成上百亿元人民币的经济损失，为海上渔船安 装更有效的通信设备，可以有效的减少灾难的发生。然而，总体上相对于目前高 速发展的通信技术而言，我国的海洋渔业通信仍比较落后，不能满足现代渔业生 产、管理和安全救助的需要。 虽然近些年来党和国家对海洋渔业安全生产非常重视，并采取了一系列行之 有效的措施，但海洋渔业生产安全形势依然非常严峻。有效、快捷的通信对预防 海难发乍、组织海难救助彳丁根水作用，能最大限度地减少或避免渔民伤、：和经济 损失。同时，随着我国和日本、韩国、越南渔业协定的实施，以及2 0 0 海里专属 经济区和南沙护渔任务的开展，维护国家主权和海洋权益的任务将更加艰巨和繁 重。在新形势下，渔业管理、海上执法对海洋渔业通信提出了更高的要求。 海洋渔业通信是海上渔船之间或与陆地之间通信的重要途径；是组织海难救 助与渔业安全管理不可缺少的部分；是国家与渔民联系的纽带；是渔业生产和管 理的必备手段：是渔业现代化的重要标志之一。但我国海上通信设施的现状，还 不能完全满足目前和未来船岸、船舶间通信和遇险报警通信的需要。主要表现在 渔业通信建设缺少统一的发展规划；渔业通信服务区域比较分散，使得整体功能 得不到有效发挥；通信装备落后、老化、性能差；使用的短波通信方式通信质量 不高，难以管理，电台间干扰较多，遇险时报警可靠性低，通信功能简单。随着 我国无线电台总量和海上船舶数量的增加，海上渔业通信受干扰的现象也随之增 加，海上通信遭受影响。目前，我国普遍存在的通信秩序混乱、管理不规范等问 题制约了整体通信功能的有效发挥。这些问题严重影响了海上遇险和安全通信支 持能力【2 】。 为贯彻落实科学发展观，构建和谐社会，改变我国落后的海洋渔业通信和安 全预警系统建设状况，需要建立一个海洋渔业安全生产预警、搜救指挥通信平台， 以提高对渔业突发紧急事件的应变和处理能力，进一步提高海上事故救援的成功 率，有效保护渔民的生命财产安全，保障渔业经济的持续、健康、稳步发展。我 2 渔业用无线转接器的设计与实现 国政府高度重视海洋监测，在“十五 、“十一五 期间持续加大对海洋监测技术 研究的投入力度，加大对海洋通信技术研究的扶持力度，提高对海洋环境的监测 和保护能力 3 1 。渔业通信和信息化涉及渔业管理的各个方面，其核心是利用现代化 设备、先进的技术，采集和分析渔业基础信息，服务于渔业发展和科学决策。加 强渔业通信和信息化建设就是海洋渔业系统贯彻落实科学发展观、建设现代渔业 的具体体现。 在2 0 0 7 年1 2 月1 1 日的全国渔业无线电通信管理工作座谈会上，农业部渔政 指挥中心巡视员张铭羽就要求各地进一步加强渔业通信基础设施建设，完善安全 通信网；加强安全通信网络管理、维护与岸台值班，继续为渔船配备渔用对讲机 等通信设备提供补贴，增强渔船安全通信能力；加强渔业无线电管理基础工作， 提高服务渔民水平。 随着经济的发展，传统渔业已经从近海延伸到了海洋深处，渔民的人身及财 产安全受到海洋气候多变性的巨大威胁，渔船不仅需要实时地预测周边环境的， 更需要与陆地的各种沟通。本课题提出了与s x 0 8 系列渔业全数字电台配套的无线 转接器的设计，扩展和丰富了原有电台的功能和使用范围，不仅使渔船之间可以 通信，而且使渔船与陆地固定电话和手机等通信畅通无阻。这样极大地改善了渔 民生产作业的环境，为渔民提供一个稳定u 丁靠的通信系统，满足了渔民哎加多样 的合理通信需求。能够使渔民得到全天候以及大范围的通信支持，切实维护渔民 的生命财产安全。 1 2 研究现状 因为手机基站的覆盖范围有限，在海上手机和电话网的通信方式无计可施。 目前海上与陆地间的通信传输主要依靠海事卫星电话，海事卫星电话有其固有优 点，可以提供全球、全天候、全方位稳定可靠的移动通信，但通信代价昂贵是其 不可忽视的最大弊端。我国在海洋渔业通信领域的研究起步较晚，技术比较落后， 所以海洋渔业科学技术的实力与其他海洋强国之间还存在很大差距。同时，经过 数十年来的努力，已取得了一系列成果，研制了诸多设备，实现了跨越式发展， 显著缩小了与发达国家的差距。目前，在全国主要港口和重要通航水域已建成船 舶交管系统2 1 个，建成了甚高频( v h f ) 、单边带( s s b ) 及卫星通信网络和全球 海上遇险与安全系统( g m d s s ) 。2 0 0 0 年，我国已在沿海各主要城市开通了“1 2 3 9 5 公众海上遇险报警电话。2 0 0 2 年1 1 月1 9 日，中国的船舶报告制进入正式运行阶 段，建立了中国船舶报告中心。通过不断改善水上交通安全通信手段和改善通信 设施，海上监管能力得到增强。开展了遇险、安全、紧急和常规通信业务，为搜 救中心和现场救助船舶提供了良好的服务【l 】。 第一章绪论 3 为提高渔业安全生产保障能力，农业部于2 0 0 5 年开始建设统一的“全国海洋 渔业安全通信网”，国家已投资近40 0 0 万元，该项目由农业部渔业局承担，渔政 指挥中心承办，整合现有通信资源，利用现代化通信技术设备，建立多层次、多 角度、不同距离的通信网络覆盖体系。建立一个包括海洋渔业短波安全通信网、 超短波( 近海) 渔业通信网、渔业船舶船位监测网和c d m a 公众移动通信网“四 网合一 的海洋渔业安全通信网，为渔民生产保驾护航，这项工作正在整体推进 之中。我国现有渔业短波岸台10 0 0 多座和数量众多的超短波岸台，有6 万多艘渔 船配备了短波电台，1 7 万多艘渔船配备了超短波电台，以及大量的无线电导航定 位设备。 目前我国沿海地区渔船所使用的无线通信设备主要有两种： ( 一) 作业距离在5 0 海里的近海渔船，主要依靠近海渔业安全救助通信网 2 7 5 m h z - - 一3 9 5 m h z 渔用无线电话机。 ( 二) 作业距离在7 0 海里以外的海上渔船主要依靠进口短波单边带电台进行 通信联系，其工作频率在1 6 m h z - - 3 0 m h z 之间，通信距离远，效果较好。 我们在选择通信设备和通信方式的时候，需要综合考虑通信设备费用及通信 资费。s x 0 8 系列渔用全数字电台解决了上述诸多问题，与此电台配套的无线转接 器一起刁 仪能够给渔民提供一个稳定叮靠的通信系统，在海上紧急情况发生时， 可以迅速发出海上求救信号，使渔船得到全天候的通信支持，而且能够使渔民与 陆地电话和手机之间保持良好的通信，使渔业通信不仅局限在海上，扩大了渔业 通信的范围，满足了渔民多样化的通信需求。 船台 一卜岸台无线基站岸台 图1 1海上渔业通信系统框图 4 渔业用无线转接器的设计与实现 1 3 研究内容及章节安排 本论文来源于校企合作项目s x 0 8 系列渔业用全数字电台无线转接器，结 合课题要求，作者阅读了大量电台与转接方面的资料和文献，在已有数字船台的 基础上，提出全新的渔业用全数字电台无线转接器方案，根据指标要求完成硬件 电路设计与实现和部分软件设计和实现，并进行系统联调测试。 本文具体安排如下： 第一章简单介绍了本论文的研究背景和意义、研究现状，并对论文结构进行 了描述。 第二章提出新型渔业用全数字电台无线转接器的设计方案，介绍相关的指标 要求，并描述无线转接器的功能实现。 第三章在学习理论的基础上，着重介绍对无线转接器的性能分析如传输距离、 呼叫损失率。 第四章根据新型渔业用全数字电台无线转接器功能指标的要求，综合考虑无 线转接器的工作环境、工作方式、性价比、可靠性等因素，选择合适的器件完成 固定电话模块电路及其他相关电路的设计。重点介绍了d t m f ( 双音多频) 检测 接收和发送，来电显示识别，语音检测判决，电源过流检测的原理与实现和固定 电话模块与无线模块的接地隔离措施，然后介绍了主控器m s p 4 3 0 单片机的功能 特性和开发调试环境，最后介绍了系统测试过程和结果。 第五章首先介绍了模块间所用接口协议，以及u a r t 通信方式和组帧技术。 第六章总结了本论文的工作，并对下一步的工作进行了展望。 第二章无线转接器的性能指标和方案 5 第二章无线转接器的性能指标和方案 2 1 1 性能指标 2 1 性能指标与功能 电源电压：直流2 8 v 工作频率：2 7 5 3 9 5 m h z 信道间隔：g m s k 信令信道和数字语音信道12 5 k h z ； 语音信道2 5 日电 信道带宽：g m s k 信令信道和数字语音信道1 2 5 k h z ； 语音信道2 5 电 m s k 信令信道和模拟 m s k 信令信道和模拟 信道数量：9 6 0 ，其中频点分布规律为： 。f 2 7 5 + 0 0 2 5 ( n - 1 ) 1 n 4 8 0 1 2 7 5 + 0 0 2 5 ( n 一4 8 1 ) + 0 0 1 2 5 4 8 1 n _ 9 6 0 蚶 j ，n 为忆道号。 调制方式：g m s k 、m s k 信道编码：1 2 卷积+ 交织，交织深度4 0 m s ；d s c 信道码率：g m s k ：9 6 k b p s ；m s k ：1 2 k _ b p s 发射功率：4 0 w 天线阻抗：5 0 欧姆 驻波比：全频道不大于2 5 接收灵敏度：不大于0 3 1 i v 2 1 2 系统功能描述 1与s x 0 8 系列渔业用全数字船台配套无线转接。 2 研制无线转接的硬件电路及软件功能，实现协议规定的无线转接功能。 3 采用2 个信道：信令信道和数据信道。 4 随机选择工作时的无线信道号。 5 使用r j l l 接入有线电话网。 6 系统留有加密功能更改的接口( 软件或硬件) 。 7 可通过1 0 0 m 的l a n 网络，实现远程监控和操作。 6 渔业用无线转接器的设计与实现 8 具有一定的防雷击能力。 9 具有在2 3 3 信道广播功能 1 0 具有s d 卡，存储计费信息 l l 有一个复位按钮。 2 2 功能模块及系统框图 图2 1 无线转接器总体结构框图 新型渔业用全数字电台无线转接器总体结构框图如图2 1 所示。 根据功能和指标要求其中主要包含：电源、固定电话模块、网络监控模块、 无线模块等功能模块。 ( 1 ) 固定电话模块通过串口1 与无线模块互连，协作实现拨打接昕电话、无 线转接过程。在拨打和接听电话过程中，通过串口2 与网络监控模块通信，实现 提示音播放及计费过程。实现天线开路监测、电源电压电流监测、网络监控模块 及无线模块的电源控制。通过语音检测模块判断电话线路里有无语音从而确定无 线模块处于发送或接受状态。可通过电话传输特殊字符控制系统的复位，或通过 串口通信获知网络监控模块及无线模块的异常工作并控制该模块的电源以便进行 复位操作。 ( 2 ) 网络监控模块采用a r m 开发板实现，外部接口包括r s 2 3 2 串口一个， 1 0 0 m 网口一个，以及计费系统指示灯若干个。模块电源输入为直流5 v 5 0 0 m a 。 该系统可通过网页的方式实现远程数据的监控。通话信息以一定格式存入s d 卡， 在网络不通时，可通过其它方式读出通话计费信息；在网络连通时，成功发送完 对应的记录信息后，删除s d 卡内的记录，以循环利用该空间。通过与固定电话模 第二章无线转接器的性能指标和方案 7 块的通信播放提示音。 ( 3 ) 无线模块基于s x 0 8 全数字船台硬件作一定改动，去除面板p c b 及液晶、 手柄等，功率调到4 0 w 。将液晶排线、l e d 指示灯线、m i c 插座、喇叭输出线连 接到固定电话模块。通过串口与固定电话模块通信，完成m s k 及g m s k 选呼通 信。音频的输入输出连接至固定电话模块。模块输入电源为2 8 v d c 。 图2 2 固定电话模块框图 根据功能要求，主要芯片选型如下： 主控器m s p 4 3 0 单片机采用m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 ，d t m f 双音多频芯片采用 m t 8 8 8 0 ，来电显示芯片采用m c l 4 l c 5 4 4 7 ，通话芯片采用t e a l 0 6 2 ，d c d c 模 块电源采用w r b 2 4 0 5 c s 一3 w ，电源电流检测芯片采用m a x 4 7 2 ，摘机电路和 5 v 2 8 v 电源开关采用继电器控制。 2 3 无线转接器功能实现描述 ( 1 ) 半双工电台，采用双信道值守：发射时，接收电路不工作：接收时，两 路接收信道同时工作，发射不工作。一路接收信道用于接收信令信息，另一路接 收信道用于接收语音信息。 收发切换可由电话端和无线模块d s p 控制。固定电话无线转接时，利用语音 检测判决结果作为收发切换，并通过语音提示告知电话用户使用方法。 8 渔业用无线转接器的设计与实现 在通话过程中，转接器收到无线语音信号( 接收信号指示灯亮) 时，电话端 发射控制不起作用( 只能听话) ；转接器处于空闲状态( 接收信号指示灯灭，且为 接收状态) 时，电话端发起语音( 讲话) ，此时转接器处于发射状态，直到电话端 讲话结束。当电话端挂机后，转接器处于接收状态。限定电话用户一次发射最多 可以讲话3 0 s ，之后强行变为收听模式，并在强行切换前给出语音提示，以保护无 线转接器。通话过程中由m t 8 8 8 0 完成挂机检测。 在电话用户拨打转接器时，通过按键选择播放转接器使用须知提示音或拨打 船台号提示音。 ( 2 ) 电话端发起通信：电话用户拨打无线转接器，首先转接器接收来电显示 信息校验正确后传给网络监控模块，接通后播放操作提示音，电话用户按键选择 输入船台号或收听操作提示，然后转接器通过串口向无线模块发送选呼船台的指 令，同时向网络监控模块发送计费信息。如果呼叫失败，则向电话用户播放提示 音“电话暂时无法接通，请稍候再拨 ，如果呼叫成功则进入无线转接状态。限定 电话用户一次发射最多可以讲话3 0 s ，之后强行变为收听模式，并在强行切换前给 出语音提示，以保护无线转接器。通话结束后，如果电话用户挂机，则固定电话 模块向无线模块发送结束通话命令，无线模块再向船台发送结束通话信令；如果 船台挂机，则船台向无线模块发送结束通话命令，然后尤线模块向固定电话模块 发送挂机命令。挂机后，固定电话模块向网络模块发送计费信息。 船台端发起通信：船台随机选择一个转接器号码发送电话呼叫命令，之后等 待回复命令。1 0 s 反复发送该信令，直到收到回复信令或超时。如果超时则按照转 接器列表呼叫下一个转接器，直到2 0 个转接器全部呼叫完毕或收到某个转接器的 回复命令，在这过程中，实时显示呼叫的转接器号码及呼叫的信道号。收到回复 信令后，界面提示“正在拨打电话”及转接器的号码，并等待转接器给出电话接 通信令或无人接听信令。 无线转接器接收到船台的电话呼叫信令后，如果当前没有转接任务，则发送 回复信令并通过电话模块进行拨号( 信令中包含拨叫的电话号码) ，电话接通后或 超时无人接听后再给船台发送电话接通或无人接听信令，跳转到主叫信令预约的 信道上并开始进行语音转接( 电话接通) 。通话结束后，如果电话用户挂机，则固 定电话模块向无线模块发送结束通话命令，无线模块再向船台发送结束通话信令； 如果船台挂机，则船台向无线模块发送结束通话命令，然后无线模块向固定电话 模块发送挂机命令。挂机后，固定电话模块向网络模块发送计费信息。 第二章无线转接器的性能指标和方案 9 图2 3 无线转接器系统流程图 ( 3 ) 语音收发：利用固定电话模块实现固定电话语音调制解调，将音频经语 音检测模块送入到无线模块的m i c 端口进行发送，或将无线模块接收到的音频送 入到固定电话模块中，经通话芯片t e a l 0 6 2 放大和摘机电路送入电话线。 1 0 渔业用无线转接器的设计与实现 ( 4 ) 控制显示：系统无按键，所有操作通过串口实现。控制信息来源于网络 或电话线路中的d t m f 模块。指示灯：包含收发指示灯、电源指示灯。 ( 收发) 指示收发状态。发射：红色接收：绿色； ( 电源)指示通电状态。电源接通：红色； ( 5 ) 外部数据接口：通过网络监控模块的网口和固定电话模块实现与外部数 据信息的交换。 ( 6 ) 自检功能描述：自检功能包括开机自检功能和运行时的自检功能。开机 时，网络监控模块与固定电话模块通信，以确定各模块的工作情况，同时将结果 通过网络传输给远程终端。机器运行过程中，无线模块周期性进行d s p 与f p g a 通信自检、d s p 与单片机通信自检，并通过串口总线将自检结果通过固定电话模 块发送给网络监控模块，以便通过网络传输给远程终端。 ( 7 ) 异常状态保护功能描述：需要检测的异常状态包括：电源过压、过流、 温度过高、天线开路。 电源过压检测：开关电源的电源输出连接到固定电话模块上，并通过继电器 后送往网络模块和无线模块。固定电话模块通过对电源电压进行a d 采样来检测 电源是否过压； 电源过流检测：刨定电话模块通过在电源端串入检测电阻，用m a x 4 7 2 对检 测电阻两端电压放大后进行a d 采样，可计算出电流； 天线开路检测：在无线模块的天线接口处套接一个驻波检测电路，并通过屏 蔽线把该驻波检测信号连接到固定电话模块上，通过电路监测反馈功率，从而得 到天线工作状态； 温度过高检测：网络模块通过采样温度传感器的值来实时检测温度，并把信 息发送给固定电话模块，以便必要时关断网络模块和无线模块的电源。 第三章无线转接器性能分析 第三章无线转接器性能分析 3 1 1 海上超短波通信 3 1 传输距离分析 本无线转接器应用于海上渔船和陆地电话之间的转接，海上移动通信有其自 身的特点。海上移动通信一般是指陆地上电台与海上船只之间的通信，其电波传 播路径几乎都是海面，传播路径的条件相对陆地比较好。当传播路径上基本没有 障碍物时，传播损耗可按大地平滑球面的传播理论进行分析。图3 1 给出的是由实 测得到的海上传播的场强与距离的关系，其测试条件列于图的右方。大量的实际 测试结果表明：在船只在海上航行时，若传播路径及附近水域无障碍物时，信号 电场强度变化不大，其瞬时值变动约为3 d b ，一分钟内的中值变动仅l d b 左右【4 j 。 蕾忍哺 彬蠢曩 图3 1 海上传播场强与距离的关系 本台的工作频率为2 7 5 - 3 9 5 m h z ，属于超短波频谱范围。超短波是频率范围 在3 0 - - 3 0 0 m h z 的无线电波。大气层在超短波的传输过程中起着重要作用，例如 对电波的折射、吸收、散射等作用。由于超短波的电波频率范围高于电离层所能 反射的最高可用频率，所以通常情况下，超短波传播过程中会穿出电离层而不再 反射回地面，因此超短波不用天波传播；另外，超短波在沿地球表面传播时，也 会因为其频率过高而在传播过程中产生较大衰减，所以只能用超短波的低频段以 地面波的方式进行近距离通信。因此，在超短波通信中普遍采用直射波的传播方 式，在收发天线比较高的情况下，超短波通过直射波和地面反射波的途径而到达 接收天线。 蕾是鹫曩嚣毫警争鬈攀霉蟊鬈联摹舅争 1 2 渔业用无线转接器的设计与实现 直射波传播具有以下特点：受各种地形、地物的影响较大，通信距离一般限 制在视线距离以内或稍远一点，其优点是通信稳定。由于超短波频率比较高，受 天线及工业干扰较小，且波段范围较宽，可以容纳很多电台同时工作，因此超短 波在很多方面得到了广泛应用。此外，电离层e 层底部存在电子密度局部不均匀 的区域，对于3 0 6 0 m h z 的电波具有较强的散射作用，利用这种散射波可以实现 10 0 0 k m 左右范围的远距离通信1 5 1 。 超短波传播衰减主要考虑绕射衰减和干涉衰减两种因素。绕射衰减是由于收 发天线之间的第一菲涅尔区受地形或地物阻挡引起的附加衰减，干涉衰减是由反 射波与直射波的干涉效应引起的。对于海上超短波视距传播，由于在收发天线之 间很少受到地形或地物的阻挡，所以主要考虑干涉衰减即可 6 1 。 周边环境对无线电波的传播距离有较大影响，建筑物群的分布和密度、植被 覆盖等情况都会对传播路径场强产生影响，所以要准确获取路径传播损耗、对接 收点场强进行预测是很困难的，一般可以通过结合经验模式和确定性模式来得到 具体的路径传播损耗值。在实际工作中最常用到的场强预测模式有以下几种：自 由空间模式、奥村模式( o k u m u r a ) 、h a t a 模式、c o s t 2 3 1 h a t a 模式、e g l i 模式等， 具体的环境选择具体合适的模式r 。e g l i 给出了适于海上超短波通信的电波传输损 耗经验公式： k = 8 8 + 2 0 1 9 f + 4 0 l g d 一2 0 1 9 ( h ，h , ) 一瓦 ( 3 一1 ) 其中：l m ( d b ) 为中值路径损耗；d 表示通信双方收发天线的距离：h t 和l l r 表示 收发天线中点相对于海平面的高度；k h 表示地形校正因子，因为在海上海平面近 乎为规则的平面，所以k h 取值为零【引。即 k = 8 8 + 2 0 1 9 厂+ 4 0 l g d 一2 0 1 9 ( h , h t ) ( 3 2 ) 3 1 2 海上超短波视距通信 海上超短波视距通信与陆地上的通信相比，有其自身独特的环境特点。首先， 地形方面存在很大差异，海上障碍物相对比较少，这样使得电波传播余隙较大， 所以超短波在海上传播时，绕射损耗要比陆地上小；其次，传播余隙的增大，增 加了电波反射，使反射波的影响要比在陆地上大；再者，传播受海洋气象、水文 的影响非常大，海水对电磁波有比较大的衰减和吸收作用，海浪对电磁波的传播 产生不规则的反射和散射，另外超短波的传播会因为海上的雨、雾、雪天气造成 衰减引。 “视距”是指收发天线之间的路径不受阻挡，从而使地面绕射现象可以忽略 不计的距离。超短波最大传播距离受收发设备的技术指标影响不很大，主要取决 第三章无线转接器性能分析 1 3 于：收发天线的高度，传播路径上是否有障碍物，地球表面的曲率，大气对电波 的折射等因素。在光滑地球表面上，设发射与接收站的天线相对于海平面的高度 分别为l l t 和l l f ，则根据几何关系可以求得收发天线间的几何视距d 为： d = , 1 2 r k ( , h , + 绋) ( 3 3 ) 其中，r 表示地球半径，约为6 3 7 0 k m ；k 为考虑大气折射率时的等效地球半径因 子，其值根据不同的气候特征而不同：b t 和h f 单位为m ；视距d 单位为k m 。带入 上式得 d = 3 5 7 尼( 曩+ 绋) ( k m ) ( 3 - 4 ) 根据无线电波传播机理可知，电波传播时会受到大气折射，使得电波在地球 表面上空的传播路径沿地球表面发生弯曲，在电波频率高于3 0 - - 1 5 0 m h z 时，这 种弯曲现象尤为显著。所以，接收天线即使在几何视线距离以外，仍然能够有效 地接收到信号，即实际通信距离要大于几何视线距离。在标准大气压下，k 的取值 为4 3 ，带入( 3 1 4 ) ，所以超短波传播的最大有效视距为 d = 4 1 2 ( x h t + i ) ( 3 5 ) 这里假定九线转接器发射天线h t = 1 0 0 m ，船台接收大线h r = 1 0 m ，受制0 i 超短 波的视距传输，由式( 3 5 ) 可以算出有效的通信距离为5 4 2 k m 。 3 2 呼叫损失率分析 无线转接过程分为两个过程，一是电话用户与转接器之间的过程，二是转接 器与船台之间的呼叫过程，所以本系统属于呼损制系统，转接器理想的总呼损率 由两个过程共同决定。呼损制系统是一种排队系统，排队系统的通用表示法是 m m m m 。其中第一个字母表示到达过程的特征，m 表示是无记忆的p o i s s o n 过程； 第二个字母表示服务时间的概率分布，m 表示指数分布，g 表示一般分布，d 表 示确定性分布；第三个字母表示服务员的个数；第四个字母表示系统的容量大小。 当用户进入系统，发现r n 个服务员全忙时，就立刻离开系统或被系统丢失。这种 情况多用于电路交换系统。例如，当用户打电话时，假定有m 条线路可用，如果 发现线路全忙，用户就会过一会儿再打或以后再打，这相当于用户离开系统【1 0 1 。 这就是呼损制系统。在呼损制系统中，感兴趣的主要参数是呼损率( 阻塞概率 b l o c k i n gp r o b a b i l i t y ) 。呼损率是指新到达用户发现系统所有线路都忙的概率，即呼 叫被拒绝的概率。呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比。显然，呼 损率越小，成功呼叫的概率越大，用户就越满意；但是呼损率小，则说明系统容 量的利用率低。 1 4 渔业用无线转接器的设计与实现 m m m m 排队系统的状态转移图如图3 4 所示。 沁 2 1 8 图3 4m m m m 排队系统的状态转移图 a 为系统的到达率，为服务速率。 设系统状态的稳态概率为 a = l i 舻 以= 刀) = l i 舻 ( r ) = 珂) ( 3 - 6 ) k - - * of o 当系统能够达到稳态时，系统从状态n 转移到状态n + 1 的概率等于系统从状 态n + 1 转移到状态n 的概率。即有 岛卅l = n + 1 只山 ( 3 - 7 ) 否则系统不可能稳定。 则有系统的平衡方程为 a n l = l a n p , n = l ，2 ，m ( 3 8 ) - 3 以推出 见= p o c k ) ”三n = l ，2 ，m p n ： 根据以= 1 ，可得 ”。 胪t 兰n = 0 今b 扣 呼损率就是所有m 个服务员都忙的概率，即 b ：办：掣业 o , u ) ”i n ! n = o 该公式称为e r l a n gb 公式。 在系统达到率a 和服务速率j l l 不同情况下的呼损率如图3 5 所示。 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) 第三章无线转接器性能分析 1 5 1 0 8 0 6 锝 骤 酱o 4 0 2 0 1 0 服务h , - j - n 图3 5 呼损率与到达率和服务时间的关系 话务帚是电话负荷大小的一种度量，一般指用户在某段时间内所发牛的负荷 量，其单位通常以爱尔兰( e r l ) 表示( 一个爱尔兰是指一条通话电路被百分之百 的连续占用1 小时的话务负荷) 。每个用户的平均话务量a 可表示为 a = a o , u ( 3 1 2 ) 入是平均每用户单位时间内发出呼叫的次数，u 为每用户平均通话时间( 单 位为小时) 。可以根据爱尔兰b 表查询不同信道数下呼损率和话务量的关系，爱尔 兰b 表见附录a 。本课题中信道数n = i ，不同话务量与呼损率的关系如图3 6 所示。 y z 乡 ： ： 爱 ， r 1 0o1d 2d30 ，4050607d 8o91 话务量 图3 6 呼损率b 与话务量a 的关系 1 6 渔业用无线转接器的设计与实现 无线转接过程分为两个过程，一是电话用户与转接器之间的过程，二是转接 器与船台之间的呼叫过程，所以转接器理想的总呼损率由两个过程共同决定。我 国的话务量参考值一般为o 0 1 0 0 3 e r l ，呼损率参考值一般为2 - - - , 5 。我们假 定转接器与船台的呼损率b 2 = 5 ，话务量a 总= o 0 2 e r l 。查表得电话用户与转接 器的呼损率b l - 2 ，则无线转接器理想的总呼损率b 簋为 ba = 1 ( 1 b 1 ) ( 1 b 2 ) = 6 9 第四章无线转接器硬件电路的设计 1 7 第四章无线转接器硬件电路的设计 4 1d t m f 调制与解调 电话机按种类分有按键式电话机和拨号盘式电话机，其中又有脉冲式电话 ( p u l s e ) 和双音频电话( 啪) 。 早期使用的拨号盘式电话机，是通过“脉冲信号来完成拨号呼叫。拨号时， 转动拨号盘上的相应数字，拨号盘在回转的过程中控制电话机内部电路节点“断 、 “续”，从而使通过电话机电路中的电流时有时无，发出代表对方电话号码的电脉 冲信号：例如拨号“l ”时，电路“断”、“续 一次，代表号码“1 ；拨号“6 时，电路“断 、“续 6 次，代表号码“6 ；拨号“0 ”时，电路“断、“续”1 0 次，代表号码“0 。这种使用“脉冲信号”的拨号方式，每拨一位号码，电路“断 、 “续”的次数代表号码。但是，这种拔i ；方式速度很慢，并且发出的直流脉冲信 号容易导致交换机的识别错误。 ( 1 ) d t m f 信号的产生原理 双音多频d t m f ( d u a lt o n em u l t i f r e q u e n c y ) 信号是指信号由两个正弦波信 号叠加，选定两个正弦波信号频率例如石和正，可以得到这种信号的数学表达式： 彳s i n ( 2 万彳，) + 么s i n ( 2 万石，) ( 4 1 ) d t m f 编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器组成，其一用于产生行频，另 一个用于产生列频。典型的d t m f 信号频率范围为7 0 0 一- 1 7 0 0 h z ，若采样频率选 取8 k h z ，即可满足奈奎斯特( n y q u i s t ) 定律。c c i t t 对双音多频信号规定的指标 是：传送接收率为每秒1 0 个数字，即每个代表数字的d t m f 信号共l o o m s ，其 中信号须持续至少4 5 m s ，但不能超过5 5 m s ，其他时间为静音，以便区别连续的两 个d t m f 信号。 ( 2 ) d t m f 信号编码方法 随着半导体技术的快速发展，双音多频d t m f 信令以其快速、简单、灵活的 特点，被逐渐使用在全世界范围内的按键式电话机上，迅速取代了传统转盘式电 话机使用的拨号脉冲信令，被广泛应用在交互式控制中。双音多频拨号方式中的 “双音是指用两个特定频率的单音信号的组合叠加来表示数字或符号。两个不 同特定频率的单音，代表不同的数字或符号。 1 8 渔业用无线转接器的设计与实现 在通常使用的d t m f 电话机中有1 6 个按键，其中有1 0 个数字键( 0 9 ) 和 6 个功能键( 、撑、a 、b 、c 、d ) 。按照组合原理，有8 种不同的单音频信号。 由于采用的频率有8 种，故称之为多频。又因从8 种频率中任意抽出2 种进行组 合，又称其为8 中取2 的双音编码方法。根据c c i t t 的建议，国际上采用6 9 7 h z 、 7 7 0 h z 、8 2 5 h z 、9 4 1 h z 、1 2 0 9 h z 、1 3 3 6 h z 、1 4 7 7 h z 和1 6 3 3 h z 。把这8 种频率分 成两个群，即高频群和低频群。从高频群和低频群中任意各抽出一种频率进行组 合，共有1 6 种不同的组合，代表1 6 种不同的数字或符号【1 ，如表4 1 所示。 表4 1d t m f 分组 高群h z 1 2 0 9 1 3 3 61 4 7 71 6 3 3 6 7 9123a 低 7 7 0456 b 群 墨 8 2 5 789c n 9 4 1 0撑d 4 1 2d t m f 调制与解调实现 d t m f 专用芯片在市场上比较常见，但最具代表性的是m i t e l 公司的 m t 8 8 8 0 ，它是将发送( 编码) 和接收( 解码) 集成为一体的d t m f 芯片。m t 8 8 8 0 是一个带有呼叫处理滤波器的单片d t m f 信号收发器，制造采用m i t e l 公司的低 功耗、高稳定性的i s o c m o s 技术。d t m f 信号的接收部分采用d t m f 信号接收 单片机m t 8 8 7 0 的工业制造标准；发送部分采用开关电容进行d a 转换发送高精 度、低畸变的d t m f 信号。内部寄存器提供一个群模式，在双音频群模式下d t m f 信号可以通过精确的时序被发送出去。可选择呼叫处理滤波器让一个微处理器处 理呼叫音频信号，m t 8 8 8 0 还具有标准的微处理器总线，可与m s p 4 3 0 单片机直接 连接，所以本课题选用了m t 8 8 8 0 。 ( 1 ) m t 8 8 8 0 内部结构 整合了收发功能的m t 8 8 8 0 包括一个带有可变增益的内部放大器的高性能接 收器和一个带有脉冲计数器的发射器，一个可以访问m t 8 8 8 0 内部的寄存器的标 准的微处理器接口，m t 8 8 8 0 内部有5 个寄存器：数据发送寄存器t d r 、数据接 收寄存器r d r 、控制寄存器c r a 及c r b 、状态寄存器s r 如图4 1 所示 1 2 1 。 第四章无线转接器硬件电路的设计 1 9 图4 1m t 8 8 8 0 内部结构图 ( 2 ) m t 8 8 8 0 引脚 m t 8 8 8 0 具有与单片机相连的接口，与单片机配合使用，其引脚功能如下： n + 、n 一：分别为内部放大器的同桐输入端和反相输入端，即接收d t m f 信 号的输入端； g s ：内部放大器的输出端，外接一个负反馈电阻至i n 端； v r e f ：内部参考电压输出端，该参考电压等于v d d 2 ； v d d 、v s s ：分别为电源的正、负端，供电电压为5 v ； o s c i 、o s c 2 ：外接一个3 5 7 9 m h z 晶体，形成晶体振荡器； t o n e ：双音频信号输出端； r w ：读写控制端，该端施以高电平时读m t 8 8 8 0 ，施以低电平时写m t 8 8 8 0 ； r s i ：用于选择内部各寄存器的控制端，该端施以高电平时选中控制寄存器或 状态寄存器，施以低电平时选中发送数据寄存器或接收数据寄存器，如表4 2 所示。 表4 2r s i 与r w 控制关系 r s i咖内部寄存器及功能 oo写数据发送寄存器 0l读数据接收寄存器 1o控制寄存器c r a 或c r b 1l读状态寄存器 i r q ：开漏输出，在双音频模式并且在中断模式时，当收到有效d t m f 信号 或准备发送d t m f 信号时该端由高电平变到低电平；在呼叫处理模式且检测到有 效信号音时，该端输出方波； 渔业用无线转接器的设计与实现 d 0 - - 一d 3 ：写入命令或读出状态的数据线。 芯片及外围电路如图4 2 所示。 7 g n d 图4 2m t 8 8 8 0 外围电路原理图 (