海工項目超高頻中繼系統(tǒng)設(shè)計分析

陳 萍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

在日常生活中，伴隨著一聲聲手機(jī)鈴聲，人們可以輕松實(shí)現(xiàn)雙方的遠(yuǎn)距離無線通話。但是在船舶和海洋工程平臺上，由于各個房間都是被鋼質(zhì)艙壁分隔開，對信號產(chǎn)生屏蔽，在多數(shù)地方，日常使用的手機(jī)往往接收不到信號。為了讓船上工作人員可以在船上的大部分位置接收到無線電信號以實(shí)現(xiàn)雙方語音通信，可以使用超高頻（Ultra High Frequency，UHF）中繼系統(tǒng)。

由于 UHF中繼系統(tǒng)并不在各船級社的要求范圍內(nèi)，因此該系統(tǒng)需要達(dá)到的性能指標(biāo)完全取決于船東的要求。所以在規(guī)劃 UHF中繼系統(tǒng)的配置方案時，需要充分與船東溝通，以確定基本的參數(shù)要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)以某鉆井船為研究對象，基本的參數(shù)配置要求為：全系統(tǒng)采用數(shù)字信號，系統(tǒng)頻率為403 MHz～470 MHz，同時使用頻道為5個，系統(tǒng)信號強(qiáng)度設(shè)計余量為20 dBm。系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的基本框圖

在圖1中，UHF中繼器是核心部件，用于處理UHF信號的發(fā)射和接收。系統(tǒng)的發(fā)射信號強(qiáng)度、接收信號靈敏度、可使用的頻率范圍等重要參數(shù)均取決于該設(shè)備的選擇。本項目選用的中繼器為MOTORALA的某款產(chǎn)品，其輸出功率為25 W，接收信號靈敏度為 0.3 μV，頻率范圍為 403 MHz～470 MHz。為方便后期計算，此處換算成dB表示，換算后該設(shè)備的發(fā)射功率為43.97 dBm，接收靈敏度為-117.45 dBm。由于該項目要求同時使用的頻道數(shù)為5個，因此需要配置5個相同的UHF中繼器。

在 UHF中繼器的發(fā)射輸出端，使用同軸電纜連接到發(fā)射合成器，用于在信號相互隔離的情況下，把所有發(fā)射信號合成一個信號。發(fā)射合成器的插入損耗為10.7 dB。

在 UHF中繼器的接收輸入端，使用同軸電纜連接到接收放大器，用于把合成的輸入信號分解成不同的獨(dú)立信號，并分別送入 UHF中繼器。接收放大器的增益為20 dB。

使用收發(fā)雙工器，完成信號收發(fā)功能的合成，以便使用全向天線或同軸泄露電纜完成電磁波的空間擴(kuò)散。收發(fā)雙工器的插入損耗為2.5 dB。

該項目使用的移動收發(fā)裝置為手持式無線電收發(fā)設(shè)備：接收靈敏度為0.25 μV（-119.04 dBm），發(fā)射功率為1 W（30 dBm），手持損耗為6 dB。

2 全向天線方案信號強(qiáng)度分析

在該鉆井船項目中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每層甲板之間全部采用鋼質(zhì)材料分隔，隔離信號作用強(qiáng)。在這種情況下，如果采用單一的全向天線，由于艙室內(nèi)的信號衰減大，大部分區(qū)域的信號強(qiáng)度將無法滿足設(shè)計要求。因此需要根據(jù)不同的艙室結(jié)構(gòu)及使用區(qū)域劃分成不同的主覆蓋區(qū)，例如在生活樓每一層布置一個全向天線，每個全向天線最大的覆蓋范圍為50 m，最終實(shí)現(xiàn)整船的信號全覆蓋。由于全向天線增多，單一的分支器不能滿足信號分支的要求，因此需要根據(jù)實(shí)際情況，增加若干個分支器，以滿足多全向天線的布置要求。該項目選用了4路分支器，每個分支器的插入損耗為6.4 dB。

在船東的基本要求中，系統(tǒng)信號強(qiáng)度設(shè)計余量為20 dB。為滿足該要求，需要對系統(tǒng)的信號強(qiáng)度進(jìn)行整體分析。考慮到信號頻率越大，路徑中衰減越大，因此在分析中采用最大頻率470 MHz進(jìn)行估算。該項目所使用的同軸電纜在頻率為470 MHz時的線路損耗為4.85 dB/100 m。

2.1 下行路徑信號強(qiáng)度分析

分析UHF中繼器的輸出信號方向（下行路徑）。此時信號源為 UHF中繼器，接收源為手持設(shè)備。該下行路徑中，信號由 UHF中繼器發(fā)出，經(jīng)過發(fā)射合成器、收發(fā)雙工器、分支器和同軸電纜到達(dá)全向天線，完成電磁波的空間擴(kuò)散。選取其中某一路徑，該路徑中分支器數(shù)量共為5個，總損耗為32 dB。同軸電纜長度共為200 m，信號損耗為9.7 dB。到達(dá)該全向天線的信號強(qiáng)度為 UHF中繼器輸出功率減去所有路徑中的衰減，包括發(fā)射合成器、收發(fā)雙工器和分支器的插入損耗及信號在同軸電纜中的損耗。因此總的信號衰減量為54.9 dB。由此可知該全向天線的輸入信號強(qiáng)度為-10.93 dBm。

考慮到此處為全向天線向空間輻射能量，因此在分析接收設(shè)備的信號強(qiáng)度時需要考慮電磁波的多徑損耗、自由空間損耗和接收機(jī)的手持損耗。

在船舶環(huán)境中，電磁波通常會有多種反射，因此接收機(jī)必須能夠承受多徑環(huán)境，此時接收機(jī)的多徑損耗主要有瑞利衰減和萊斯衰減。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，總衰減值通常取10 dB。

根據(jù)電磁波在自由空間的損耗計算方法[1]為

式中：FSL為自由空間的電磁波損耗，dB；D為接收點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)路徑長度，km；F為電磁波頻率，MHz。

該全向天線需要覆蓋范圍為50 m，因此自由空間的損耗為59.82 dB。

根據(jù)以上分析，手持接收設(shè)備可接收到的信號強(qiáng)度為-86.75 dBm。考慮到手持接收設(shè)備的靈敏度為-119.04 dBm，由此該全向天線信號強(qiáng)度的設(shè)計余量為32.29 dB，大于要求的20 dB，對于下行路徑，該設(shè)計滿足要求。

2.2 上行路徑信號強(qiáng)度分析

需要分析 UHF中繼器的輸入信號方向（上行路徑），此時信號源為手持設(shè)備，接收源為UHF中繼器。該上行路徑中，信號由手持設(shè)備發(fā)出，經(jīng)過手持損耗，自由空間衰減，多徑衰減到達(dá)全向天線，經(jīng)同軸電纜及分支器、收發(fā)雙工器、接收放大器到達(dá)接收設(shè)備UHF中繼器[2]。

上行方向的自由空間損耗與下行方向相同，同為59.82 dB，多徑損耗為10 dB，發(fā)射設(shè)備的手持損耗為6 dB。因此，全向天線接收到的信號強(qiáng)度為-45.82 dBm。

上行路徑中的同軸電纜、分支器及收發(fā)雙工器的損耗與上述下行路徑也相同。上行路徑中需要經(jīng)過接收放大器，其增益為20 dB。因此信號在該段線路上的損耗為32.4 dB。接收器接收到的信號功率為-78.22 dBm，由此該全向天線的上行信號強(qiáng)度余量為39.23 dB，大于要求的20 dB，對于上行路徑，該設(shè)計也滿足要求。

2.3 小結(jié)

經(jīng)過以上的雙向分析，可以得出該全向天線的整體路徑設(shè)計，包括設(shè)備選擇和電纜走向等都是可以接受的。

3 同軸泄露電纜方案信號強(qiáng)度分析

該鉆井船船長為200 m，由船首到船尾有2個寬超過1 m、長超過150 m的通道，在如此狹長的通道內(nèi)，全向天線無法很好地實(shí)現(xiàn)電磁波的無死角覆蓋，所以此處采用了泄露同軸電纜來實(shí)現(xiàn)電磁波的空間擴(kuò)散[3]。

泄露同軸電纜的結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽子的外導(dǎo)體3部分組成。電磁波在泄露電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射電磁波，外界的電磁場也可以通過槽孔感應(yīng)到泄露電纜內(nèi)部并傳送到接收端。可以說，泄露同軸電纜兼具有傳送線和收、發(fā)全向天線的功能。圖2和圖3體現(xiàn)了這一特質(zhì)。

圖2 泄露電纜的典型結(jié)構(gòu)圖

圖3 泄露電纜中信號傳輸方式示意圖

本項目選用的泄露同軸電纜的在頻率為470 MHz時AC 95%的耦合損耗為84 dB，線路損耗為4.55 dB/100 m。下文以某一泄露同軸電纜路徑為例，分析這種情況下的信號強(qiáng)度情況。該路徑中分支器數(shù)量共為4個，總損耗為25.6 dB。同軸電纜長度共為100 m，信號損耗為4.85 dB。泄露同軸電纜長度為150 m，信號衰減為6.83 dB。

3.1 下行路徑信號強(qiáng)度分析

參照上文第2節(jié)全向天線的分析計算過程。首先分析UHF中繼器的輸出信號方向（下行路徑）。在下行路徑中，信號由 UHF中繼器發(fā)出，經(jīng)過發(fā)射合成器、收發(fā)雙工器、分支器和同軸電纜達(dá)到泄露同軸電纜，完成電磁波的空間擴(kuò)散。經(jīng)過泄露同軸電纜的耦合損耗及接收設(shè)備的手持損耗到達(dá)接收端手持電設(shè)備。先計算線路和設(shè)備的衰減，包括發(fā)射合成器、收發(fā)雙工器和分支器的插入損耗及信號在同軸電纜中和同軸泄露電纜中損耗，總損耗為50.48 dB。因此該同軸泄露電纜最遠(yuǎn)端的輸入信號強(qiáng)度為-6.51 dBm。手持設(shè)備接收端接收到的信號強(qiáng)度用以上的輸入信號減去泄露同軸電纜的耦合損耗及手持損耗后得到-96.51 dBm。由此該泄露同軸電纜在下行路徑的信號強(qiáng)度設(shè)計余量為22.53 dB，大于要求的20 dB，對于下行路徑，該設(shè)計滿足要求。

3.2 上行路徑信號強(qiáng)度分析

同理，需要分析 UHF中繼器的輸入信號方向（上行路徑），此時信號源為手持設(shè)備，接收源為UHF中繼器。在上行路徑中，信號由手持設(shè)備發(fā)出，經(jīng)過手持損耗、泄露同軸電纜的耦合損耗、經(jīng)泄露同軸電纜、同軸電纜及設(shè)備分支器、收發(fā)雙工器、接收放大器到達(dá)接收設(shè)備UHF中繼器。

上行方向的泄露同軸電纜的耦合損耗與下行方向相同，同為84 dB。因此，泄露同軸電纜收到的信號強(qiáng)度為-60 dBm。泄露同軸電纜、同軸電纜、分支器及收發(fā)雙工器的損耗與上述下行路徑也相同。上行路徑中需要經(jīng)過接收放大器，其增益為20 dB。因此該信號在該段線路上的損耗為27.98 dB。接收器接收到的信號強(qiáng)度為-87.98 dBm。由此該泄露同軸電纜在上行路徑的信號強(qiáng)度設(shè)計余量為29.47 dB，大于要求的20 dB，對于上行路徑，該設(shè)計也滿足要求。

3.3 小結(jié)

經(jīng)過以上的雙向分析，可以得出該泄露同軸電纜的整體路徑設(shè)計，包括設(shè)備選擇和電纜走向等也可以被接受。

4 特殊情況方案

如果在實(shí)際設(shè)計的過程中，使用了較多的分支器，或電纜走向過長，或設(shè)備選擇不合理，都將導(dǎo)致信號強(qiáng)度不能滿足相關(guān)要求，可以在路徑的適當(dāng)位置增加信號功率放大器，以提升整體路徑的信號強(qiáng)度。在選擇功率放大器時需要注意放大器適用的頻率范圍，上下行增益情況及可耐受的最大輸入功率。若信號達(dá)到放大器時信號強(qiáng)度大于該放大器可接受的范圍，則需要在放大器前段增加適當(dāng)?shù)乃p單元。

5 結(jié)論

在實(shí)際項目中，通常采用敷設(shè)電話電纜的方式使船員在某些固定點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)雙向通信。但是當(dāng)船員需要在不同的工作區(qū)域頻繁活動時，固定地點(diǎn)的電話則無法完全滿足需求。UHF中繼系統(tǒng)的使用可以利用無線通信的特點(diǎn)來克服這一缺點(diǎn)，相信不久的將來，該系統(tǒng)會越來越多地應(yīng)用到各類船舶及海洋工程項目中。