多噪声干扰下船舶无线电通信优化技术

2022-11-26曹明松陈龙洲

船舶物资与市场 2022年2期

曹明松，陈龙洲

（江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913）

0 引言

船舶中广播系统是最常见的通信器材，但是在特定环境下由于受到不同情况的干扰，导致船舶通信系统难以正常工作。无论是无线电干扰引发的信号嘈杂，还是电磁辐射导致的啸叫，就连船舶木质材料的空气噪声也会对通信设备造成影响。在超过120 dB的噪声环境下，工作人员身体与心理都会受到伤害，且船上通信系统也会受到干扰。如何解决多噪声干扰情况下的通信问题，是行业内关注的重点，需要根据船用广播系统的实际特性，基于电子线路相关理论设计新型无线电装置，使其解决广播器通信难题。

1 船舶通信技术发展历程

无线电通信在船舶中的应用已经有了百年历史，海上无线通信的目的在于信息传输，保障海上人身财产安全，同时辅助制定遇险报警信号，确保船舶可以在紧急状态下平安通信。1899年，美国“圣保罗”号首次应用了船舶无线电通信技术，随后人们开始应用人工摩斯电报的方式通信，到了20世纪70年代，电话和传真等通信方式的应用，使该时期船舶通信呈现出以下特点：1）通信方式以地面通信为主，遇险与安全通信、常规通信在通信方式上相一致，采用电话人工操作方式或者摩斯电报方式完成通信。后来为了突出遇险通信的重要性，规定了专门的遇险频率与特殊标志，确保信息准确送达，防止内容漏听。2）基于经验航海工作模式下，船岸信息交流较少，只有船位报、船舶请示电报集中，在没有特殊情况时，可能几天才会有一份电报，电报内容不超百字。

到了20世纪80年代，建立了地面通信系统，NBDP技术与无线电话技术被用于船舶通行中。后来卫星通信技术被用于船舶中，受其影响，DSC业务只可以用在遇险和安全通信服务内。卫星通信系统可以为船舶提供无线电传、电话、传承、数据传输等不同的通信方式，但国际海事组织只对Inmarsat-C系统的电传形式提出认可，这是一种窄带卫星通信系统，信息通信速率在0.6 kb/s，可提供电传通信业务[1]。

2 噪声环境下船舶无线电技术应用模型

海上船舶无线电通信类型较多，如果按照通信网路组织或者业务性质划分，无线电通信可以划分成以下几种：1）安全通信，在危及船只航行安全的情况下提出警告，或者发出台风警报、海南呼救方面的通信。具体需要按照危急程度，在通信中冠以呼救信号、紧急信号以及安全信号。这方面的通信归属于各个国家海上安全机构，无需收取任何通信费用。2）专用通信，即航海部门或者相关企业自我设置或租用设备进行的通信方式，依据业务需求制定船舶间的特殊通信方式，实现同属于一个部门或企业的船舶间相互联系。3）公众通信，这是船员、旅客与陆地上进行通信的一种方式，属于开放式公众通信方式，一般归属于海岸电台，由电信部门与企业运营，需要收取通行费用。在以上通信业务当中，业务的开展需要配备诸多通信设备，比如主用和备用收发信机，其中备用收发信机需要配置独立的备用电源，此外还包含无线电遇险值班接收机、自动报警装置，依据无线电通信业务需求，结合设备使用功能，可以采取多种通信方式完成不同频段的数据通信[2]。

船舶强噪声环境下，动力机械噪声常见的有2种形式：发动机运行期间内部结构噪声与固体声，以及弹性振动引发的机体表面辐射到空气的噪声。有时高速气流也会让人听到噪声，这些噪声主要在空气内传播，可被统一称呼为空气噪声。噪声当中，柴油机的表面辐射噪声是机舱内的噪声源之一，在110 dB之上。动力装置内的通风设备，设备运行期间带来的噪声在120 dB之上，虽然可以使用过滤器消除150～350 Hz范围内的噪声，但是低于150 Hz的噪声无法消除。机舱内还有其他噪声源，在不同噪声的共同作用下对船舶机舱运行环境产生了严重的噪声污染[3]。

了解船舶通信模式，会发现广播器终端传来的语音信号已经被噪声淹没，如果船员没有在设备周围工作，可能无法听到信号。广播器可以将命令传达给各个舱室，完成各舱室通信联络，为保证广播器在强噪声环境下能够正常通信，有必要采取特殊手段。安装该装置之后，工作人员需要佩戴高性能耳机，耳机可以帮助人们隔离外界噪声干扰，免受噪声伤害。为保持广播器系统完整性，在电路设计时需要保持系统功能特性，在此基础上加设辅助电路，实现无线电通信。在无线电技术下的通信模式中，广播器可以和往常一样工作，但小型无线电发射电路能够将广播扬声器的语音信号转为电磁波信号，使其向空中辐射，工作人员带着具有调频降噪功能的双声道耳机即可接收该电磁波信号，再依靠电路将电磁波信号转为语音信号。部分设备在工作期间具有声光报警功能，带上降噪耳机后可能无法接收声光报警信息，所以电路设计时还应对此部分设备安装发射电路，通过电路的合理设计为船员日常工作提供便利。

3 多噪声干扰下船舶无线电通信电路设计

3.1 广播器调频信号发射电路

尽可能地缩小辅助电路体积，使其安装起来更加灵活，建议采取3节5号电池直流供电方式。选择器件时必须充分考虑其使用寿命以及稳定性，按照无线电调频发射机的电路原理来设计电路，应用国产3DG12C电路功放二极管，其工作频率可以达到100 MHz，或者使用台湾D40发射电路专用器件，合理构建输出滤波器，使广播器调频信号发射电路设计的更加完善。改变电位器阻值，合理调整电路输出功率，让信号发射距离缩小到10 m以内。

选择电路时，可使用集成电路芯片，比如美国生产的BA1404，这是调频无线电发射专用的电路，具有较高的集成度，所需的外围元件很少，安装方便，工作稳定，电源电压拥有较宽的适应范围，在1.5 V以下的环境下依然可以正常工作，符合多噪声环境下船舶通信需求。接下来，确定信号输入端，采用单一输入或者并接输入的方式保持电路平衡，源于广播器终端的输出信号需经过串联电位器进行衰减，随后将输入信号的实际增益情况控制好，或者串联2 k的电阻，要求电阻阻值必须依据广播器的输出信号来决定，最终得到的效果一样。此外，芯片之间需连接晶体振荡器，其参数为38 kHz，或者使用57 pF电容代替，也能达到预期效果[4]。

3.2 报警设备调频信号发射电路

可满足船舶无线电频发射功能的电路设计方法有许多，在电路设计过程中采取固定铃音的方式，经过调频发射达到预期无线电报警功能。依据报警设备信号发射电路的基本设计原理，依靠继电器来控制电路电源开关，使电源按照预期要求开通或者关断，完成对报警铃音信号发射情况的有效管控。如果船用报警器发出报警时，220 V的报警电压将会加入继电器控制端，此时继电器常开节点正式导通，电源被有效接通，无线电发射系统正常工作。

三极管与电感线圈、电容器构成三点式振荡电路，电路工作期间能够产生100 MHz频率的载频信号。与此同时，集成功放电路与电容器构成了具有低频放大功能的电路，铃音块在工作时可以产生铃音信号。报警设备调频信号电路工作期间，铃音信号经过耦合来到集成电路输入端，再经过低频放大之后，从输出耦合电容、电阻等部分，将信号施加到振荡管基极中，振荡管BC结电容能够随着铃音信号的改变而发生变化，振荡管BE结电容与其他端并联，因此振荡电路频率也会改变，并达到预期电路调频功能，同时已调波经电容器发射出去。不仅如此，振荡管3DG40可以使用高频小功率硅管，参数为f＞600 MHz和B＞60。电感线圈使用直径为0.8 mm的漆包线，平绕6圈之后，将漆包线拉长为间距在1 mm左右的空心线圈，要求空心线圈的内径保持在6 mm。要求漆包线在0.125 W的电阻上绕100圈，使用云母电容，大线需使用0.1 m的软线，电源部分需要使用电压等级为4.5 V的叠层干电池。电路调试时，需要断开继电器输入端，使输出节点保持短路状态，对电路加电，使用一台调频收音机，将收音机放在周围，调整其接收频率为100 MHz，此时收音机会有较大啸叫声，拉开10 m左右，噪声消失。接着再调整收音机频率，直到声音清晰且洪亮。如果收音机没有声音，或者音量比较小，可以继续调整频率。当收音机的频率与其他无线电设备频率发生重叠时，只需更换谐振电容即可，避免2个频率造成相互干扰，保证收音机正常使用[5]。

3.3 应用高性能无线调频降噪耳机

船舶发动机结构动力噪声与自身材料形变引发振动是空气噪声的2种来源，为了解决噪声问题，除了优化电路设计方式，还应使用高性能降噪耳机装置。船用电子产品市场中有很多回声降噪耳机产品，由于不同产品的性能不同，价格差异比较明显，应按照实际需求选择降噪耳机。高性能降噪耳机可以减少并且抑制四周环境的强烈电磁噪声干扰，使船上工作人员免受噪声侵害，维护其身心健康。应用无线调频耳机，依靠广播器与视频系统引导工作人员依据正常工作顺序展开各项工作，通过耳机的语音通信功能实现消息的快速传递。高性能降噪耳机可以抑制强噪声带来的干扰，实现18 dB以上噪声的衰减，维护船员身心健康。

除了降噪耳机，还应为船员配置专用通信设备，比如消防用的对讲机。设备应满足防爆性能需求，确保其在特定情况下正常使用，防爆性能至少要达到Ex ib IIB T3等级。设备在不利于运行的条件下工作时可能会导致零部件达到最高温度，有时最高表面温度低于可燃性温度。比如防爆传感器的爆炸性气体点燃温度是100℃，所以在恶劣的条件下，传感器的任何部件最高表面温度必须低于100℃。在无线电对讲机技术使用方面，要求设备必须达到船用一般要求，符合IEC60945便携式通信设备使用条件，在保证体积小且重量轻的同时，设备外部结构设计柔和，不会对船员工作服或装备造成损坏，支持单手操作与戴手套操作，设备开机之后5 s内即可开始工作，可以在55℃的环境下保持10 h的使用，在70℃的环境下保持10 h的存储条件。

4 多噪声干扰下船舶无线电通信技术的发展

现如今，船舶无线电通信正在朝着及时性、智能性、自动化以及全天候的方向发展。分析未来船舶无线电通信技术在多噪声干扰环境下的应用趋势，大致体现为以下几点：1）结合新技术发挥无线电通信优势。当前船舶行业技术领域内，多噪声干扰条件下的无线电通信技术已经与信息化技术逐渐接轨，相关院校转变了人才培训方式，使培训内容更具有针对性，以此保证船舶行业的发展活力。及时升级系统，为多噪声船舶无线电通信技术的发展提供支持。未来行业内将会规划出基于船舶无线通信需求的多网融合通信系统。随着海洋交通事业的发展和船舶信息化建设，无线通信资源得到优化配置，人们开始将无线通信技术用于水上交通安全管理，再将船舶专用海事卫星通信设备和无线自组网通信视频监控系统连在一起，在完成实时监控工作任务的同时，推动海事管理的信息化发展。2）加大研发资金投入，近年来船舶无线电通信为相关行业带来了丰厚的利润，但是依然有很多通信企业没有意识到技术提升的重要性。对此，企业应加大资金投入，基于科学投资的理念提升企业市场竞争力。3）重视专业人才培养与人才储备。船舶行业应重视对人才的培养，提高船员专业工作能力，使其能够高效的操作无线电通信装置，提升个人专业素质，为未来无线电通信技术营造更广阔的市场发展空间。4）进一步完善远程通信设备。当前现行的远程通信数据传输方式主要依靠卫星定位系统，系统将需要的数据传输到卫星中，再通过卫星作为发送端，将数据传给地面指挥中心，这样的无线通信方式虽然可以实现数据的高效传输，但是对卫星的调频较高，且由于传输距离远，数据传输期间往往会消耗大量时间。因此，在多噪声干扰的环境下，应确立更加先进的远程传输路线，完善无线通信设备，以无线基站代替卫星系统，指挥中心、航行环境、无线基站之间确立完整的结构布局，缩短传输数据时间，同时兼顾数据传输质量。