用于内河船舶船岸一体化技术的射频前端设计＊

代孝俊，周 鹏，黄子宽

（成都天奥信息科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着水上移动业务领域的快速发展，船舶自动识别系统（AIS）[1-2]和甚高频数据交换系统（VDES）相继被提出，船舶船岸一体化技术成为了研究的热点[3-5]。船舶船岸一体化技术能够实现船-船间、船-岸间的通信，也能够进行广播式、点对点式通信，具备自主连续地运行，不需要人工干预的特点，能够有效提高水上航行效率，保障海上航行安全，加强海洋环境保护。

近年来，水上数据通信需求不断提升，数据交换要求也随之提高，VDES 作为AIS 的加强与升级版系统，在现有AIS 功能的基础上，新增加了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换（VDE）功能，可有效缓解AIS 数据通信压力。对此，国内外许多研究员展开了对AIS、VDES 系统相关的接收机设计以及链路传输层的研究[6-11]。

本文针对VDES 研制需求，介绍了一种多通道、宽动态、高灵敏度的接收机射频前端设计方法，并加工实物进行测试，配合整机进行系统联试，结果显示该射频前端设计方法能够有效提升整机的灵敏度、动态范围以及相邻信道选择性等指标。

1 设计要求

本研究根据内河船舶通信应用的实际需求，设计多通道射频前端模块，项目功能设计基于VDES，其系统功能组成如图1 所示。技术要求依据ITU-R 在VHF 水上移动频带内使用时分多址的自动识别系统的技术特性，接收通道的部分要求如表1 所示。

表1 部分接收指标要求

图1 VDES 系统功能组成图

2 射频前端方案设计

2.1 射频前端规划

根据项目需求，该设计在内河领域中需满足船-岸、船-船、岸-船之间正常数据交换，因此射频前端需要包含接收和发射两个部分，包括6 路接收通道以及1 路发射通道。结合实际通信使用情况，采用半双工形式，通过控制射频通道的单刀双掷开关，切换接收与发射功能。射频前端系统结构如图2 所示。

在射频前端设计中，根据载波频率搬移方式不同，现有接收机可分为超外差接收机、零中频接收机、低中频接收机、数字化中频接收机以及直接采样接收机，每种接收机都有其优缺点。超外差接收机虽然实现了良好的信号选择性，但其存在电路复杂、本振辐射、镜像等问题。零中频接收机虽然复杂度低、灵活性高，但其对本振正交性要求高，容易出现本振泄露，存在直流偏移等现象。低中频结构结合了超外差接收机和直接下变频接收机（复杂度低）的优点，需要对镜像抑制有要求[12]。本项目结合实际需求，采用低中频接收机架构，设计了6 通道射频接收信道。

该文的接收部分共6 个通道，6 路接收通道由2 路AIS（AIS1、AIS2）、2 路ASM（ASM1、ASM2）、1 路VDE以及1 路DSC 构成，6 路通道接收频率相近，因此对接收的信号进行低噪声放大后再对6 路信号进行选频。每路信道的工作频率范围较窄，方案选择上采用一次下变频结构。天线接收的信号经过一分六功分器后，每个接收通道独立设计，采用独立本振信号源以及下变频链路，下变频后通过AGC 实现接收信号的宽动态范围。综合考虑镜像频率、本振辐射等问题，在中频选择上，所有接收通道射频前端的中频频率设置为21.4 MHz。

发射部分所有频点共用1 路射频信道，基带信号经过低通滤波器后进行上变频，射频信号再由前置低噪声放大器放大后输出至功率放大器，最后滤波输出到天线端。为更好抑制镜像信号，发射通道中频设为40 MHz，通过改变本振配置实现不同频点的发射。

2.2 射频前端灵敏度设计

接收机最为重要的特征参数是灵敏度和动态范围，本项目设计过程中主要围绕这两个参数进行论证。噪声系数是关系接收机灵敏度的重要参数，接收机灵敏度可以用下式进行表示：

式中，K 是玻尔兹曼常数(1.38×10-20mW/K);T为绝对温度，T(K)=273.15+t(℃);NF 为射频前端噪声系数;Eb/No是基带信号解调门限，由基带解调能力决定;Bn为接收机噪声带宽，单位为Hz;Rbit为用户数据比特率，单位为b/s。

VDES 各个信道的调制方式与数据传输比特速率如表2 所示。

表2 VDES 各信道调制方案

从表2 可知各信道的调制方式，当误码率要求≤10-3时，从图3 仿真结果可知，AIS、ASM 以及VDE 调制方式分别对应的Eb/No理论要求≥7.3 dB、≥9.2 dB 以及≥10.5 dB，根据VDES 系统接收机特性的要求，AIS、ASM以及VDE 的灵敏度最低要求分别为-107 dBm、-107 dBm 和-96 dBm。为满足该要求，AIS、ASM 以及VDE 的NF 理论设计值应该不超过19.7 dB、14.8 dB 以及17.5 dB。在实际工程应用中，需要在链路指标预算中留有一定裕量，因此，在常温（t=25℃）时，按照噪声系数指标NF≤10 设计时，AIS、ASM 以及VDE 灵敏度分别为≤-116.7 dBm、≤-111.8 dBm、≤-103.5 dBm，可以满足VDES 系统灵敏度要求。

图3 BER 仿真曲线

2.3 射频前端动态范围设计

放大器的动态范围与接收灵敏度以及1 dB 压缩点有关，如式（3）所示。从式（3）中可知，接收机射频前端的动态范围设计时要同时满足1 dB 压缩点以及无杂散动态范围（SFDR）两个条件。

其中，DR 为动态范围，单位为dB；n为阶数；IP(in)为输入截止功率，单位为dBm；Sin为接收灵敏度，单位为dBm。

本项目设计采用模拟AGC 的方案，射频前端的动态范围由AGC 以及ADC 的动态范围保证。设计要求动态范围DR≥100 dB，按照ADC 的动态范围为40 dB 考虑，则信道链路的动态范围需≥60 dB。

此外设计过程中，要求每一级电路的输入信号功率均要小于该级电路的输入1 dB 压缩点IP1dB，且要考虑一定裕量。在本项目设计中，无杂散动态范围（SFDR）设计主要考虑三阶交调，即用双音信号测试时，产生的三阶交调信号功率（PIM3）正好与链路输出噪底（Nout）相等，此时的信号输入功率即为该系统的最大允许输入功率。根据IMD3 的定义可知：

当已知系统最大输入功率Pin,max时，可得到系统的线性度设计需求公式：

其中，G为射频前端链路增益。

依据互调响应抑制要求，当干扰信号（双音）输入信号强度为-30 dBm 时，按照NF=10 dB 设定时，对于AIS、ASM以及VDE的理论OIP3分别≥32 dB、≥30.5 dB、≥27 dB。

2.4 相邻信道选择性设计

相邻信道选择性指标考核接收频带内存在较强干扰信号时接收机的接收能力。该指标主要通过通道滤波器、通道线性度以及AGC 功能保证。指标要求对偏离中心频率25 kHz 处的信号抑制能力≥70 dB，则需要链路中滤波器对干扰信号的抑制≥70 dB。此外，AIS、ASM 以及VDE 信道对本振信号在偏离中心频率25 kHz的理论相位噪声需要≤117.3 dBc/Hz@25 kHz、≤122.2 dBc/Hz@25 kHz、≤130.5 dBc/Hz@25 kHz。为减小本振信号设计难度，在混频前设计一窄带滤波器滤除偏离中心频率25 kHz 处的信号。

2.5 射频前端电路设计与预算

依据上述设计方法，并结合系统指标要求，射频前端链路的主要电路元器件选型如表3 所示。

表3 射频前端链路主要器件选型表

接收链路中AGC 选用AD8367，单片AD8367 的增益控制范围为-2.5 dB～+42.5 dB，一级不能满足动态范围指标要求，因此设计中采用两级级联的方式，最大动态范围可达90 dB，设计裕量较大。下变频本振部分设计采用锁相环频率合成器，选用型号为HMC830LP6，通过对HMC830LP6寄存器的合理配置，输出频率在140 MHz附近时，相位噪声≥117.3d Bc/Hz@25 kHz，满足指标要求，且有一定裕量。为节省整机功耗，上变频本振信号由SI4123 集成电路产生。

VDES 系统各个接收射频通道除滤波器中心频率及带宽有所差异，其他器件均相同。射频前端射频链路系统仿真预算如图4 所示，从链路预算图可知，级联噪声系数为7.09 B，满足噪声设计需求，理论接收灵敏度满足设计需求，且有一定裕量。发射通道发射功率需求30 dBm 与41 dBm 可切换，发射链路系统增益预算如图5 所示，链路增益控制通过控制ATT 实现，其最大衰减值为32.5 dB，从仿真可知，系统链路可实现30 dBm 与41 dBm 功率可调输出需求。

图4 射频前端接收链路系统级预算

图5 发射链路系统增益预算

3 测试结果

依据此方案进行加工，射频前端实物如图6 所示，为半双工通信模式，射频前端模块部分参数测试如表4 所示。图7 为AIS 信道载噪比测试，常温测试时输入信号幅度为-100 dBm，从图7 可知，噪声系数通过计算约为6 dB。AIS 接收通道信道的ACPR 测试如图8 所示，从测试结果可知，AIS 通道对相邻50 kHz 的信号功率抑制能力约为81 dB，对相邻25 kHz 的信号功率抑制能力约为70 dB。依据表2 通信方式，EVM 测试选择对VDE 信道进行测试，其调制方式为16-QAM，码速率为76.8 kb/s，从图9 和图10 可知，发射时VDE 测试EVM 约为5.8%rms，接收时VDE 测试EVM 约为4.7%rms。整机测试环境如图11 所示，整机测试结果AIS 信道最小接收灵敏度优于-117 dBm，相邻信道选择性>70 dB，动态范围>110 dB。

表4 射频前端测试数据

图6 射频前端实物图

图7 AIS 接收通道载噪比测试结果

图8 AIS 接收通道ACPR 测试结果

图9 VDE 发射通道16-QAM EVM 测试

图10 VDE 接收通道16-QAM EVM 测试

图11 整机测试环境图

4 结论

本文提出了一种可用于内河领域船舶通信的射频前端设计方法，据此设计了六路接收、一路发射的射频前端模块。射频模块具备接收灵敏度高、动态范围广、通信距离远的特点。通过对射频模块进行加工、测试，测试结果与理论值吻合较好。同时将该模块与整机进行联试，测试结果表明，AIS 最小接收灵敏度为-117 dBm。本文对内河绿色智能船舶船岸一体化信息系统的射频前端建设提供了参考方案。