多噪聲干擾下船舶無線電通信優(yōu)化技術(shù)

曹明松，陳龍洲

（江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913）

0 引言

船舶中廣播系統(tǒng)是最常見的通信器材，但是在特定環(huán)境下由于受到不同情況的干擾，導致船舶通信系統(tǒng)難以正常工作。無論是無線電干擾引發(fā)的信號嘈雜，還是電磁輻射導致的嘯叫，就連船舶木質(zhì)材料的空氣噪聲也會對通信設備造成影響。在超過120 dB的噪聲環(huán)境下，工作人員身體與心理都會受到傷害，且船上通信系統(tǒng)也會受到干擾。如何解決多噪聲干擾情況下的通信問題，是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點，需要根據(jù)船用廣播系統(tǒng)的實際特性，基于電子線路相關(guān)理論設計新型無線電裝置，使其解決廣播器通信難題。

1 船舶通信技術(shù)發(fā)展歷程

無線電通信在船舶中的應用已經(jīng)有了百年歷史，海上無線通信的目的在于信息傳輸，保障海上人身財產(chǎn)安全，同時輔助制定遇險報警信號，確保船舶可以在緊急狀態(tài)下平安通信。1899年，美國“圣保羅”號首次應用了船舶無線電通信技術(shù)，隨后人們開始應用人工摩斯電報的方式通信，到了20世紀70年代，電話和傳真等通信方式的應用，使該時期船舶通信呈現(xiàn)出以下特點：1）通信方式以地面通信為主，遇險與安全通信、常規(guī)通信在通信方式上相一致，采用電話人工操作方式或者摩斯電報方式完成通信。后來為了突出遇險通信的重要性，規(guī)定了專門的遇險頻率與特殊標志，確保信息準確送達，防止內(nèi)容漏聽。2）基于經(jīng)驗航海工作模式下，船岸信息交流較少，只有船位報、船舶請示電報集中，在沒有特殊情況時，可能幾天才會有一份電報，電報內(nèi)容不超百字。

到了20世紀80年代，建立了地面通信系統(tǒng)，NBDP技術(shù)與無線電話技術(shù)被用于船舶通行中。后來衛(wèi)星通信技術(shù)被用于船舶中，受其影響，DSC業(yè)務只可以用在遇險和安全通信服務內(nèi)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以為船舶提供無線電傳、電話、傳承、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌耐ㄐ欧绞?，但國際海事組織只對Inmarsat-C系統(tǒng)的電傳形式提出認可，這是一種窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，信息通信速率在0.6 kb/s，可提供電傳通信業(yè)務[1]。

2 噪聲環(huán)境下船舶無線電技術(shù)應用模型

海上船舶無線電通信類型較多，如果按照通信網(wǎng)路組織或者業(yè)務性質(zhì)劃分，無線電通信可以劃分成以下幾種：1）安全通信，在危及船只航行安全的情況下提出警告，或者發(fā)出臺風警報、海南呼救方面的通信。具體需要按照危急程度，在通信中冠以呼救信號、緊急信號以及安全信號。這方面的通信歸屬于各個國家海上安全機構(gòu)，無需收取任何通信費用。2）專用通信，即航海部門或者相關(guān)企業(yè)自我設置或租用設備進行的通信方式，依據(jù)業(yè)務需求制定船舶間的特殊通信方式，實現(xiàn)同屬于一個部門或企業(yè)的船舶間相互聯(lián)系。3）公眾通信，這是船員、旅客與陸地上進行通信的一種方式，屬于開放式公眾通信方式，一般歸屬于海岸電臺，由電信部門與企業(yè)運營，需要收取通行費用。在以上通信業(yè)務當中，業(yè)務的開展需要配備諸多通信設備，比如主用和備用收發(fā)信機，其中備用收發(fā)信機需要配置獨立的備用電源，此外還包含無線電遇險值班接收機、自動報警裝置，依據(jù)無線電通信業(yè)務需求，結(jié)合設備使用功能，可以采取多種通信方式完成不同頻段的數(shù)據(jù)通信[2]。

船舶強噪聲環(huán)境下，動力機械噪聲常見的有2種形式：發(fā)動機運行期間內(nèi)部結(jié)構(gòu)噪聲與固體聲，以及彈性振動引發(fā)的機體表面輻射到空氣的噪聲。有時高速氣流也會讓人聽到噪聲，這些噪聲主要在空氣內(nèi)傳播，可被統(tǒng)一稱呼為空氣噪聲。噪聲當中，柴油機的表面輻射噪聲是機艙內(nèi)的噪聲源之一，在110 dB之上。動力裝置內(nèi)的通風設備，設備運行期間帶來的噪聲在120 dB之上，雖然可以使用過濾器消除150～350 Hz范圍內(nèi)的噪聲，但是低于150 Hz的噪聲無法消除。機艙內(nèi)還有其他噪聲源，在不同噪聲的共同作用下對船舶機艙運行環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的噪聲污染[3]。

了解船舶通信模式，會發(fā)現(xiàn)廣播器終端傳來的語音信號已經(jīng)被噪聲淹沒，如果船員沒有在設備周圍工作，可能無法聽到信號。廣播器可以將命令傳達給各個艙室，完成各艙室通信聯(lián)絡，為保證廣播器在強噪聲環(huán)境下能夠正常通信，有必要采取特殊手段。安裝該裝置之后，工作人員需要佩戴高性能耳機，耳機可以幫助人們隔離外界噪聲干擾，免受噪聲傷害。為保持廣播器系統(tǒng)完整性，在電路設計時需要保持系統(tǒng)功能特性，在此基礎上加設輔助電路，實現(xiàn)無線電通信。在無線電技術(shù)下的通信模式中，廣播器可以和往常一樣工作，但小型無線電發(fā)射電路能夠?qū)V播揚聲器的語音信號轉(zhuǎn)為電磁波信號，使其向空中輻射，工作人員帶著具有調(diào)頻降噪功能的雙聲道耳機即可接收該電磁波信號，再依靠電路將電磁波信號轉(zhuǎn)為語音信號。部分設備在工作期間具有聲光報警功能，帶上降噪耳機后可能無法接收聲光報警信息，所以電路設計時還應對此部分設備安裝發(fā)射電路，通過電路的合理設計為船員日常工作提供便利。

3 多噪聲干擾下船舶無線電通信電路設計

3.1 廣播器調(diào)頻信號發(fā)射電路

盡可能地縮小輔助電路體積，使其安裝起來更加靈活，建議采取3節(jié)5號電池直流供電方式。選擇器件時必須充分考慮其使用壽命以及穩(wěn)定性，按照無線電調(diào)頻發(fā)射機的電路原理來設計電路，應用國產(chǎn)3DG12C電路功放二極管，其工作頻率可以達到100 MHz，或者使用臺灣D40發(fā)射電路專用器件，合理構(gòu)建輸出濾波器，使廣播器調(diào)頻信號發(fā)射電路設計的更加完善。改變電位器阻值，合理調(diào)整電路輸出功率，讓信號發(fā)射距離縮小到10 m以內(nèi)。

選擇電路時，可使用集成電路芯片，比如美國生產(chǎn)的BA1404，這是調(diào)頻無線電發(fā)射專用的電路，具有較高的集成度，所需的外圍元件很少，安裝方便，工作穩(wěn)定，電源電壓擁有較寬的適應范圍，在1.5 V以下的環(huán)境下依然可以正常工作，符合多噪聲環(huán)境下船舶通信需求。接下來，確定信號輸入端，采用單一輸入或者并接輸入的方式保持電路平衡，源于廣播器終端的輸出信號需經(jīng)過串聯(lián)電位器進行衰減，隨后將輸入信號的實際增益情況控制好，或者串聯(lián)2 k的電阻，要求電阻阻值必須依據(jù)廣播器的輸出信號來決定，最終得到的效果一樣。此外，芯片之間需連接晶體振蕩器，其參數(shù)為38 kHz，或者使用57 pF電容代替，也能達到預期效果[4]。

3.2 報警設備調(diào)頻信號發(fā)射電路

可滿足船舶無線電頻發(fā)射功能的電路設計方法有許多，在電路設計過程中采取固定鈴音的方式，經(jīng)過調(diào)頻發(fā)射達到預期無線電報警功能。依據(jù)報警設備信號發(fā)射電路的基本設計原理，依靠繼電器來控制電路電源開關(guān)，使電源按照預期要求開通或者關(guān)斷，完成對報警鈴音信號發(fā)射情況的有效管控。如果船用報警器發(fā)出報警時，220 V的報警電壓將會加入繼電器控制端，此時繼電器常開節(jié)點正式導通，電源被有效接通，無線電發(fā)射系統(tǒng)正常工作。

三極管與電感線圈、電容器構(gòu)成三點式振蕩電路，電路工作期間能夠產(chǎn)生100 MHz頻率的載頻信號。與此同時，集成功放電路與電容器構(gòu)成了具有低頻放大功能的電路，鈴音塊在工作時可以產(chǎn)生鈴音信號。報警設備調(diào)頻信號電路工作期間，鈴音信號經(jīng)過耦合來到集成電路輸入端，再經(jīng)過低頻放大之后，從輸出耦合電容、電阻等部分，將信號施加到振蕩管基極中，振蕩管BC結(jié)電容能夠隨著鈴音信號的改變而發(fā)生變化，振蕩管BE結(jié)電容與其他端并聯(lián)，因此振蕩電路頻率也會改變，并達到預期電路調(diào)頻功能，同時已調(diào)波經(jīng)電容器發(fā)射出去。不僅如此，振蕩管3DG40可以使用高頻小功率硅管，參數(shù)為f＞600 MHz和B＞60。電感線圈使用直徑為0.8 mm的漆包線，平繞6圈之后，將漆包線拉長為間距在1 mm左右的空心線圈，要求空心線圈的內(nèi)徑保持在6 mm。要求漆包線在0.125 W的電阻上繞100圈，使用云母電容，大線需使用0.1 m的軟線，電源部分需要使用電壓等級為4.5 V的疊層干電池。電路調(diào)試時，需要斷開繼電器輸入端，使輸出節(jié)點保持短路狀態(tài)，對電路加電，使用一臺調(diào)頻收音機，將收音機放在周圍，調(diào)整其接收頻率為100 MHz，此時收音機會有較大嘯叫聲，拉開10 m左右，噪聲消失。接著再調(diào)整收音機頻率，直到聲音清晰且洪亮。如果收音機沒有聲音，或者音量比較小，可以繼續(xù)調(diào)整頻率。當收音機的頻率與其他無線電設備頻率發(fā)生重疊時，只需更換諧振電容即可，避免2個頻率造成相互干擾，保證收音機正常使用[5]。

3.3 應用高性能無線調(diào)頻降噪耳機

船舶發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力噪聲與自身材料形變引發(fā)振動是空氣噪聲的2種來源，為了解決噪聲問題，除了優(yōu)化電路設計方式，還應使用高性能降噪耳機裝置。船用電子產(chǎn)品市場中有很多回聲降噪耳機產(chǎn)品，由于不同產(chǎn)品的性能不同，價格差異比較明顯，應按照實際需求選擇降噪耳機。高性能降噪耳機可以減少并且抑制四周環(huán)境的強烈電磁噪聲干擾，使船上工作人員免受噪聲侵害，維護其身心健康。應用無線調(diào)頻耳機，依靠廣播器與視頻系統(tǒng)引導工作人員依據(jù)正常工作順序展開各項工作，通過耳機的語音通信功能實現(xiàn)消息的快速傳遞。高性能降噪耳機可以抑制強噪聲帶來的干擾，實現(xiàn)18 dB以上噪聲的衰減，維護船員身心健康。

除了降噪耳機，還應為船員配置專用通信設備，比如消防用的對講機。設備應滿足防爆性能需求，確保其在特定情況下正常使用，防爆性能至少要達到Ex ib IIB T3等級。設備在不利于運行的條件下工作時可能會導致零部件達到最高溫度，有時最高表面溫度低于可燃性溫度。比如防爆傳感器的爆炸性氣體點燃溫度是100℃，所以在惡劣的條件下，傳感器的任何部件最高表面溫度必須低于100℃。在無線電對講機技術(shù)使用方面，要求設備必須達到船用一般要求，符合IEC60945便攜式通信設備使用條件，在保證體積小且重量輕的同時，設備外部結(jié)構(gòu)設計柔和，不會對船員工作服或裝備造成損壞，支持單手操作與戴手套操作，設備開機之后5 s內(nèi)即可開始工作，可以在55℃的環(huán)境下保持10 h的使用，在70℃的環(huán)境下保持10 h的存儲條件。

4 多噪聲干擾下船舶無線電通信技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)如今，船舶無線電通信正在朝著及時性、智能性、自動化以及全天候的方向發(fā)展。分析未來船舶無線電通信技術(shù)在多噪聲干擾環(huán)境下的應用趨勢，大致體現(xiàn)為以下幾點：1）結(jié)合新技術(shù)發(fā)揮無線電通信優(yōu)勢。當前船舶行業(yè)技術(shù)領域內(nèi)，多噪聲干擾條件下的無線電通信技術(shù)已經(jīng)與信息化技術(shù)逐漸接軌，相關(guān)院校轉(zhuǎn)變了人才培訓方式，使培訓內(nèi)容更具有針對性，以此保證船舶行業(yè)的發(fā)展活力。及時升級系統(tǒng)，為多噪聲船舶無線電通信技術(shù)的發(fā)展提供支持。未來行業(yè)內(nèi)將會規(guī)劃出基于船舶無線通信需求的多網(wǎng)融合通信系統(tǒng)。隨著海洋交通事業(yè)的發(fā)展和船舶信息化建設，無線通信資源得到優(yōu)化配置，人們開始將無線通信技術(shù)用于水上交通安全管理，再將船舶專用海事衛(wèi)星通信設備和無線自組網(wǎng)通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)連在一起，在完成實時監(jiān)控工作任務的同時，推動海事管理的信息化發(fā)展。2）加大研發(fā)資金投入，近年來船舶無線電通信為相關(guān)行業(yè)帶來了豐厚的利潤，但是依然有很多通信企業(yè)沒有意識到技術(shù)提升的重要性。對此，企業(yè)應加大資金投入，基于科學投資的理念提升企業(yè)市場競爭力。3）重視專業(yè)人才培養(yǎng)與人才儲備。船舶行業(yè)應重視對人才的培養(yǎng)，提高船員專業(yè)工作能力，使其能夠高效的操作無線電通信裝置，提升個人專業(yè)素質(zhì)，為未來無線電通信技術(shù)營造更廣闊的市場發(fā)展空間。4）進一步完善遠程通信設備。當前現(xiàn)行的遠程通信數(shù)據(jù)傳輸方式主要依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)，系統(tǒng)將需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星中，再通過衛(wèi)星作為發(fā)送端，將數(shù)據(jù)傳給地面指揮中心，這樣的無線通信方式雖然可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，但是對衛(wèi)星的調(diào)頻較高，且由于傳輸距離遠，數(shù)據(jù)傳輸期間往往會消耗大量時間。因此，在多噪聲干擾的環(huán)境下，應確立更加先進的遠程傳輸路線，完善無線通信設備，以無線基站代替衛(wèi)星系統(tǒng)，指揮中心、航行環(huán)境、無線基站之間確立完整的結(jié)構(gòu)布局，縮短傳輸數(shù)據(jù)時間，同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

5 結(jié)語

在船舶無線電通信技術(shù)的發(fā)展進程中，通過對技術(shù)的不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，使各項設備能夠保持良好的通信方式，抵御強噪聲帶來的干擾。廣播器系統(tǒng)可以按照原來的模式通信，通過增加無線電發(fā)射電路，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，提高通信效率。