海上通信浮标的优化设计

摘要：传统VHF与北斗系统定位中存在精度不足、数据交互效率低的问题，基于此，文章设计了一种基于VHF与北斗系统技术的整合方案。该方案选用国产FPGA芯片，型号为PH1A90SFG484，能够在短时间内同时处理多个信号通道，大幅提升频率测量准确性。实验结果表明，该方案精度达到1×104 Hz，通过优化接口设计，实现设备间的高效数据交互，为通信浮标设计提供有力支持。

关键词：通信浮标；VHF；北斗系统

中图分类号：TN967 文献标志码：A

0 引言

随着海上资源开发、航向安全等需求的加大，传统通信浮标系统展现出一定的局限性，在信息传播精度、时效性方面都相对落后。为了更好地展现海上通信系统的国产化特征，本文研究以“100%国产化设计”为目标，整合VHF与北斗系统技术，并基于5G双模PRU可编程实时处理单元执行信号处理任务，以保证海上通信的质量与反馈实时性，实现VHF/北斗系统与国产5G/PRU芯片的高度集成，提高海上通信稳定性。

1 海上通信现状分析

传统的海上通信技术难以满足当前需求，过于依赖VHF技术，存在通信范围和数据承载限制，且时效性有待提高。此外，对进口芯片的过度依赖会导致断供风险，国际海事卫星的高服务费也影响了服务连续性，不同国家区域服务差异也存在问题。尽管现有的CMDSS填补了我国海上安全通信空白，但系统功能集成仍需进一步改进，存在传递链路冗长的问题，影响时效性。海上通信浮标设计功能单一，缺乏集成功能。2021年，北斗三号卫星导航系统的建立虽然提高了定位和短报文通信能力，但国际认可度较低，需进一步加强国产通信设备的研发，完善双模设计构建5G网络框架。

2 框架设计

本文设计了海上通信浮标框架，集成了北斗三号卫星通信系统和VHF，主要技术包括：（1）增强VHF通信模块。设计双频VHF收发器，提高通信兼容性和链路质量的计算能力，增强自适应性。（2）优化北斗卫星系统模块。提高定位精度，实现浮标位置的实时定位，研究信息传输时效性，利用短报文功能提升信号传输效率和抗干扰性。（3）整合RPU芯片，实现VHF和北斗系统融合，硬件层面建立通信接口实现高速传输，软件层面集成5GNR协议栈实现数据传输，使用PRU编程精细控制北斗信号质量和VHF模块，根据优先级条件完成集成，保证信号传输安全。基于上述技术，生成通信浮标框架如图1所示，实现及时定位与信息发送。

3 国产芯片选型

随着我国半导体芯片事业的发展，目前大部分企业已经逐步突破进口芯片限制，研发支持自主编程、高通信效率、功能集成的芯片，推动了基站设备的更新换代，在海上通信浮标应用中取得了一定成就。目前，国产芯片在5G双模PRU设计中取得了一定成就，部分芯片甚至成为行业代表，本文列举了其中部分厂家的芯片类型及性能特征，如表1所示。

4 集成设计

4.1 VHF通信模块

针对VHF通信模块部分，本文选择国产芯片

ECR8651，以实现点对点的通信。该模块属于高集成、高性能的射频混频器，具有可编程功能，提供MIXER·DA、AUXADC、AUXDAC等模块与CPIO接口［1］。支持差分射频（FDD）接口，与增益控制（MGC）接口，满足大部分私有频段与公网条件。具体技术规格如表2所示。

ECR8651芯片具有良好的噪声系数线性度，满足VHF通信单元的去噪需求。在下行链路子系统中，支持自动和手动增益控制，并通过SPI接口和GPIO实现北斗三号基带功能控制。关键工作单元运行原理如下。

（1）时钟输入。ECR8651芯片支持2种时钟源连接方式，一是时钟源与XTALP引脚连接，XTALN引脚浮空；二是外部晶体直接连接XTALP和XTALN引脚，支持10 MHz～80 MHz频段，并通过可编程电容阵列校准频率误差［2］。

（2）状态机（ENSM）。该芯片的状态机可以实时控制工作状态，如睡眠、空闲和链路连接状态，支持SPI或引脚控制模式。SPI控制模式通过SPI寄存器完成异步控制，可以直接或通过BBIC改写控制。引脚控制模式主要控制ENABLE和TXNRX引脚，采用电平驱动实现功能。

（3）SPI接口。ECR8651芯片支持4线SPI接口，BBP通过串行总线协议设置参数。书写命令时应遵循32位或48位格式，前16位为总线方向、数据地址和字节数，后16/32位为指定寄存器地址。

（4）控制引脚。控制输入引脚支持手动增益；控制输出引脚通过BBP监控收发器，实现系统运行状态监测和信息记录，再由指针寄存器分配信息与引脚。同时，该芯片提供14个通用逻辑输出引脚（GPO_0-GPO_13），实现对外设器件的综合控制。

（5）辅助转换器。ECR8651芯片AUXDAC共8个，电流驱动10 mA，可用于放大功率［3］。

4.2 北斗卫星系统模块集成

针对海上通信浮标的优化设计，北斗卫星系统建立基带和射频2个模块，配合MCU处理器实现信息传输与定位功能。针对基带模块的设计，为保证信息在北斗卫星与地面系统之间传输的时效性和精准性，须保证无线电信号与数字信号之间转换的流畅性［4］。

近年来，国产FPGA可编程逻辑器件取得突破性成就，针对此次北斗卫星系统与VHF通信的整合，采用PH1A90SFG484可编程逻辑门阵列芯片，集成2组MIPI IO，拥有DPHY物理层支持。在信息采集时，须能够直接通过MIPI接口进行图像处理。力图全志科技公司型号为T113-S3的微处理器与内存保护单元（MPU），配备128 MB DDR3片上内存，双核Cortex-A7处理器+单核DSP；宁波奥拉半导体股份有限公司型号为Au5329的定时模块，双分数频率转换抖动衰减时钟合成器，最多支持2个输入时钟，提供10个时钟输出；北京奕斯伟科技集团有限公司型号ECR8663RF的ITE，支持不同带宽、调制方式以及多天线技术。

5 硬件框架与系统

针对硬件系统的设计，通信浮标系统分为4个部分：ARM、DSP、FPGA和电源管理系统。

5.1 ARM子系统

ARM子系统负责软件、硬件参数设置和结果呈现。选用低功耗处理器，支持复杂数据缓存，并配置USB、以太网接口以确保数据传输的时效性，配合FPGA和DSP系统完成信息处理任务。异常数据或报警信号经检测后，结果通过卫星通信或VHF发送至终端。设计使用全志T113-S3处理器，内置1720 kB分布式RAM，配备1024x600LVDS液晶屏，与其他子系统数据交互。

5.2 DSP子系统

DSP子系统负责数字信号解析和处理，根据业务需求进行计算，通过高速串行接口完成数据预处理，提高定位精度和通信质量。通过SPI寄存器读写数据，与FPGA系统紧密结合，接收信号并将结果传输至ARM系统，支持240个数字信号处理单元［5］。

5.3 FPGA子系统

FPGA子系统负责转换设备数据，包含多个接口模块（如SPI、UART），具备高速带宽和并行处理优势，继承多类型内存资源，直接连接带宽，提高系统集成性，实现低延迟高速数据交换。设计使用PH1A90SFG484芯片，具体参数如表3所示。

5.4 电源管理子系统

为满足FPGA系统在不同条件下的电压需求，本文设计分布式管理方案，提供差异化电路，避免电源干扰。该芯片具备快速读取和大容量优势，可直接与SPI接口相连，实现数据转换。在海上通信浮标中，VHF与北斗系统整合时，设备连通依赖FPGA软件，须预留波形下载接口，通过控制波形管理设备运行，便于后续嵌入式系统调试与测试。接口设计应满足JTAC标准，通过外部访问点连接设备，并集成ESD保护二极管，防止静电放电干扰和电子元件损坏，确保FPGC组件安全，如图2所示。

6 实验验证

为验证VHF与北斗卫星导航系统整合技术方案的可行性，实验模拟了不同海上天气和电磁环境条件，以检验浮标的各项指标。按照设计框架，首先在VHF和北斗通信模块的天线部分创建实时监测环境，配备网络分析仪并预热30 min，确保测量精度，指定1616 MHz频点，并设计天线罩保护天线系统［6］。其次，搭建VHF和北斗系统模块整合的实验环境，使用DSC测试仪、船用电台和手持设备测试环境。VHF发射信道中，FM与AM频率保持在1×10-5以下，FM邻道抑制控制在-55 dB以下；VHF接收信道中，FM和AM音频功率控制在200 MW以上，音频响应在300～3000 Hz。北斗模块方面，模拟RNSS、S频段、L频段的定位，配置岸基测试软件、直流供电器和频谱仪，要求误码率在1×10-5以下，通信成功率在80%以上。

针对该技术的应用，具体测试结果如表4所示。总体来看，系统运行实际参数满足指标限值，针对北斗定位精度，各测点精度均满足10 m条件；冷启动时间为23 s，低于指标值（45 s）；授时精度为16 ns，低于设计值（20 ns）；通信成功率达91%。

7 结语

本文提出了一种整合VHF与北斗系统的双模芯片方案，采用国产集成芯片，支持SPI数据传输。在实验室环境中，通过实时监测系统参数，结果显示发射和接收信道的实测值均在指标范围内，北斗系统的定位精度和短报文传输速率满足设计要求。今后，科研人员须进一步研究5G信号干扰问题，提高射频前端信号接收能力以保证灵敏度。

参考文献

［1］步晓婷，沈荣成，杨烟台.基于卫星通信的无人机海上目标监控应用［J］.卫星应用，2024（1）：50-55.

［2］刘爱明，陈建玲，封园，等.基于光纤通信的总线技术在海上平台的应用［J］.中国修船，2023（6）：57-60.

［3］姜金智.浅谈无线网络通信在海上平台的应用及安全［J］.中国设备工程，2023（22）：10-12.

［4］缪从金.全球宽带通信系统在航海上的应用［J］.信息系统工程，2023（8）：24-27.

［5］刘少芳.卫星通信领域研究现状与热点前沿分析［J］.科学观察，2023（4）：28-37.

［6］张维维，高金艺，郑朝晖，等.海上信息安全保障中存在的问题及应对策略［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