易中立， 劉永剛， 李文婷

(1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院， 北京 100028； 2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007； 3.大連海事大學(xué)， 遼寧 大連 116026)

2017-05-26

易中立(1985—)，男，湖南醴陵人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水上交通安全、通信領(lǐng)域規(guī)劃研究、可行性研究、設(shè)計(jì)及后評(píng)價(jià)等咨詢工作。E-mail：303218051@qq.com

1000-4653(2017)03-0001-03

基于軟件無(wú)線電的氣象傳真接收系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

易中立1， 劉永剛2， 李文婷3

(1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院， 北京 100028； 2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007； 3.大連海事大學(xué)， 遼寧 大連 116026)

為有效解決模擬解調(diào)氣象傳真接收機(jī)的精度和靈敏度低、抗干擾能力差等問(wèn)題，提出基于軟件無(wú)線電的氣象傳真接收系統(tǒng)優(yōu)化方案。該系統(tǒng)采用J型場(chǎng)效應(yīng)管、ESD保護(hù)電路和濾波電路等構(gòu)建水準(zhǔn)匹配的電小有源天線；采用超外差接收機(jī)技術(shù)、電調(diào)諧濾波器技術(shù)、數(shù)字解調(diào)技術(shù)、FFT同步算法、Rife頻偏估計(jì)算法及基于DSTFT的FSK算法構(gòu)建氣象傳真接收機(jī)信息接收和處理單元，實(shí)現(xiàn)氣象傳真信號(hào)的接收、數(shù)字解調(diào)、處理和顯示。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能完成氣象傳真信號(hào)的解調(diào)和氣象傳真圖的恢復(fù)，圖像質(zhì)量和視覺(jué)效果均得到很大改善。

船舶工程;氣象傳真接收機(jī)；短波通信；軟件無(wú)線電；數(shù)字信號(hào)處理；安全信息播發(fā)

船舶在海上航行時(shí),不可避免地會(huì)受到多種環(huán)境因素的影響和制約，氣象情報(bào)對(duì)保障海上船舶(尤其是遠(yuǎn)洋船舶)安全航行起著至關(guān)重要的作用。惡劣的氣象條件容易使船舶失去操縱性和穩(wěn)性,進(jìn)而無(wú)法安全航行，最終導(dǎo)致水上交通事故發(fā)生。海上無(wú)線電氣象傳真是船舶接收海上氣象信息的重要方式之一，有利于船舶全面了解海上的氣象狀況，選擇經(jīng)濟(jì)航線，保障船舶的航行安全。按照國(guó)際公約的相關(guān)規(guī)定，各國(guó)已相繼開(kāi)設(shè)氣象傳真業(yè)務(wù)，我國(guó)規(guī)劃在上海和廣州開(kāi)設(shè)氣象傳真播發(fā)臺(tái)。目前全球共設(shè)有22座氣象傳真播發(fā)臺(tái)，幾乎覆蓋了全球所有海域[1-2]，我國(guó)大部分遠(yuǎn)洋船舶都安裝有氣象傳真接收機(jī)。

1 氣象傳真接收技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，我國(guó)成功研制出船用氣象傳真機(jī)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合世界氣象組織和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)船用氣象傳真機(jī)的空白。但是,該產(chǎn)品具有體積較大、接收方法單一、精度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，且短波接收模塊、顯示及控制等方面的性能明顯不如國(guó)外設(shè)備，因此未能得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)外應(yīng)用較多的氣象傳真機(jī)主要有日本古野株式會(huì)社的FAX-408和日本無(wú)線株式會(huì)社的JAX-9B，雖然其性能比國(guó)內(nèi)產(chǎn)品優(yōu)越，但均采用模擬電路解調(diào)技術(shù)，接收精度和靈敏度低，對(duì)振動(dòng)較為敏感，抗干擾能力差，夜間收到的氣象圖清晰度不高，基本沒(méi)有利用價(jià)值。

2 設(shè)計(jì)方案

這里設(shè)計(jì)的海上無(wú)線電氣象傳真信號(hào)接收系統(tǒng)主要由信息接收單元、氣象處理單元和天線單元等3部分組成。

2.1信息接收單元

信息接收單元由射頻前端模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊和中央處理模塊組成(見(jiàn)圖1)，其中：射頻前端模塊包括低噪聲放大器、可調(diào)諧預(yù)選濾波器組、可變?cè)鲆娣糯笃?、第一混頻器、第一本振、中頻濾波器一、中頻放大器一、第二混頻器、第二本振、中頻濾波器二和中頻放大器二；數(shù)字信號(hào)處理模塊包括模數(shù)變換器和FPGA核心板；中央處理模塊包括ARM核心板、鍵盤、液晶顯示器、USB接口和蜂鳴器等。

注:1為低噪聲放大器;2為可調(diào)諧預(yù)選濾波器組;3為可變?cè)鲆娣糯笃?4為第一混頻器;5為第一本振;6為中頻濾波器一;7為中頻放大器一;8為第二混頻器;9為第二本振;10為中頻濾波器二;11為中頻放大器二;12為模數(shù)變換器;13為FPGA核心板;14為ARM核心板;15為鍵盤;16為液晶顯示器;17為USB接口;18為蜂鳴器

圖1 數(shù)字氣象傳真機(jī)原理框圖

可調(diào)諧預(yù)選濾波器組由4組帶通濾波器組成，帶通濾波器由FPGA核心板輸出的控制信號(hào)選通。第一混頻器為上變頻混頻器，通過(guò)第一本振將所需射頻信號(hào)變頻到30 MHz，隨后經(jīng)中頻濾波器一濾波進(jìn)入中頻放大器一，構(gòu)成高中頻方案，提高系統(tǒng)的中頻抑制比。第二混頻器為下變頻混頻器，通過(guò)第二本振將所需射頻信號(hào)變頻到400 kHz，隨后經(jīng)中頻濾波器二濾波進(jìn)入中頻放大器二，將該信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)處理模塊的輸入信號(hào)。FPGA核心板是氣象傳真機(jī)裝置的核心處理單元，由電源控制電路、FPGA最小系統(tǒng)和存儲(chǔ)芯片組成，實(shí)現(xiàn)氣象傳真信號(hào)的數(shù)字解調(diào)。模數(shù)變換器完成中頻440 kHz信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣，將模擬信號(hào)變換到數(shù)字域作為FPGA核心板的輸入信號(hào)。ARM核心板為氣象傳真接收機(jī)的控制單元，由ARM芯片、電源電路和存儲(chǔ)芯片構(gòu)成。

這里將超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)與數(shù)字中頻解調(diào)方案相結(jié)合，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣進(jìn)入數(shù)字域，在數(shù)字域采用現(xiàn)代信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波和解調(diào)。數(shù)字信號(hào)解調(diào)由可編程邏輯器FPGA實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、下變頻、FSK信號(hào)解調(diào)及射頻前端控制等功能，數(shù)字信號(hào)解調(diào)流程見(jiàn)圖2。在選定頻道之后，首先檢測(cè)起始信號(hào)，若檢測(cè)成功，則繼續(xù)檢測(cè)相位信號(hào)，否則繼續(xù)等待；在檢測(cè)到相位信號(hào)之后，進(jìn)行對(duì)相并確定發(fā)送速率，若沒(méi)有,則退回，重新檢測(cè)起始信號(hào)；接收?qǐng)D像信號(hào)前首先檢測(cè)行同步信號(hào)，若檢測(cè)成功，則接收一行數(shù)據(jù)，否則檢測(cè)是否有結(jié)束信號(hào)；接收一行圖像數(shù)據(jù),判斷是否接收完畢，若是,則繼續(xù)檢測(cè)行同步信號(hào)，否則繼續(xù)接收；進(jìn)入檢測(cè)結(jié)束信號(hào)環(huán)節(jié)，無(wú)論成功與否，結(jié)束對(duì)該圖像的接收。

圖2 數(shù)字信號(hào)解調(diào)流程

解調(diào)模塊可細(xì)分為同步模塊、頻偏估計(jì)模塊和FSK信號(hào)解調(diào)模塊。首先，按照氣象傳真信號(hào)格式相關(guān)規(guī)定的要求,向每幀信號(hào)的開(kāi)始位置發(fā)送固定時(shí)長(zhǎng)和固定波形的對(duì)相信號(hào)，稱作導(dǎo)頻。接收端首先從導(dǎo)頻中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步，并估計(jì)信號(hào)頻偏值。同步采用基于FFT譜圖的同步方法[3]，頻偏估計(jì)采用經(jīng)典的Rife算法[4];而FSK解調(diào)基于DSTFT(離散短時(shí)傅里葉變換)，按照式(1)對(duì)每個(gè)碼元間隔內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。

(1)

圖3 基于DSTFT的FSK解調(diào)誤碼率及理論值

2.2氣象處理單元

氣象處理單元主要由DSP處理模塊、FPGA處理模塊、存儲(chǔ)單元、電源模塊和網(wǎng)口模塊構(gòu)成。

DSP處理模塊是氣象處理單元的核心部分，由DSP處理器、DDR內(nèi)存、Flash閃存和EEPROM構(gòu)成，其中:DSP處理器主要承載氣象處理算法;DDR內(nèi)存用于實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)算和程序運(yùn)行過(guò)程中的緩存;Flash閃存主要用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼;EEPROM則用于存儲(chǔ)板卡的IP地址等程序運(yùn)行過(guò)程中需修改的關(guān)鍵參數(shù)。氣象處理單元的執(zhí)行處理離不開(kāi)氣象接收單元的協(xié)作。氣象接收單元和氣象處理單元信號(hào)流圖見(jiàn)圖4，這里將氣象接收單元作為網(wǎng)絡(luò)客戶端，將氣象處理單元作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)交換。

圖4 氣象接收單元和氣象處理單元信號(hào)流圖

氣象處理單元的工作流程見(jiàn)圖5。首先由氣象接收單元發(fā)起處理請(qǐng)求，氣象處理單元接收請(qǐng)求并建立網(wǎng)絡(luò)連接;建立網(wǎng)絡(luò)連接后,DSP分配內(nèi)存準(zhǔn)備接收?qǐng)D像;圖像接收完畢后，根據(jù)收到的命令調(diào)用相關(guān)算法進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果打包發(fā)送給氣象接收單元;過(guò)程完成后,釋放內(nèi)存并斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接。

圖5 氣象處理單元工作流程

2.3天線單元

有源天線通常使用電小振子天線作為接收天線，短波的相對(duì)帶寬極寬，屬超寬帶天線，只有采用寬帶匹配方法才可實(shí)現(xiàn)短波頻段信號(hào)的有效接收。電小振子天線通?？傻刃橐粋€(gè)電容，其有效高度和開(kāi)路電壓幾乎與頻率無(wú)關(guān)。該項(xiàng)目采用水準(zhǔn)匹配的方法,在輸入端使用J型場(chǎng)效應(yīng)管。由于J型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入端為容性，且輸入阻抗比電小振子的輸出阻抗高得多，這樣的組合方式可幫助系統(tǒng)得到與頻率無(wú)關(guān)的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配。水準(zhǔn)匹配的電小有源天線可在數(shù)倍頻程甚至更寬的頻帶上得到令人滿意的阻抗特性和增益。

天線放大器由ESD保護(hù)電路、濾波電路、匹配電路和放大電路組成(見(jiàn)圖6),其中:ESD保護(hù)電路采用TCS二極管搭建，抑制瞬態(tài)干擾；濾波電路用來(lái)抑制AM信號(hào)；匹配電路采用具有高輸入阻抗、低噪聲系數(shù)的J型場(chǎng)效應(yīng)管搭建的差分對(duì)電路，線性度高，通過(guò)變壓器耦合輸出；放大電路為電流跟隨器，亦為差分電路形式，通過(guò)變壓器放大電壓，進(jìn)而放大功率，增益設(shè)計(jì)為15 dB。

天線罩體使用玻璃鋼材料，天線銅導(dǎo)線和放大器置于玻璃鋼罩內(nèi)，同軸電纜從罩體底部引出，整個(gè)結(jié)構(gòu)使用密封膠全封閉。有源天線銅導(dǎo)體長(zhǎng)2 m，在該長(zhǎng)度下有助于提高整個(gè)接收系統(tǒng)的靈敏度和信

圖6 有源天線剖面圖及放大電路

噪比，天線導(dǎo)體末端直接焊接在放大器的輸入端，可進(jìn)一步提高天線系統(tǒng)的信噪比，連底座天線整體高度約為2 m。

2.4實(shí)際接收效果

為驗(yàn)證接收性能，利用本文提出的接收機(jī)與模擬解調(diào)氣象傳真接收機(jī)進(jìn)行對(duì)比，在同樣的接收環(huán)境下(天線架設(shè)高度相同，位置相近)同時(shí)接收日本海岸電臺(tái)發(fā)出的氣象傳真圖像(我國(guó)的海上無(wú)線電氣象傳真播發(fā)系統(tǒng)正在建設(shè))。接收效果對(duì)比見(jiàn)圖7，可看出所提出的改進(jìn)后的接收機(jī)在抗干擾性能和抗噪聲性能上表現(xiàn)更優(yōu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于軟件無(wú)線電技術(shù)的海上無(wú)線電氣象傳真信號(hào)接收系統(tǒng)，用于接收、解析及處理氣象傳真信號(hào)。該系統(tǒng)采用數(shù)字解調(diào)技術(shù)，利用先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理算法在數(shù)字域內(nèi)完成信號(hào)解調(diào)，可克服模擬解調(diào)電路精度低、靈敏度差的缺點(diǎn)，使設(shè)備能在夜間較好地接收氣象信號(hào)，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

a) 本方案接收機(jī)接收到的氣象圖

b) 模擬解調(diào)氣象傳真接收機(jī)接收到的氣象圖

[1] ROBERTSON B. Admiralty List of Radio Signals[M]. The United Kingdom Hydrographic Office, 2012.

[2] 交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院.國(guó)家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)布局規(guī)劃修編[S].2015.

[3] 金文光，張正宇,唐少華.2FSK信號(hào)DSTFT解調(diào)算法中的同步新方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011,45(6):1027-1031.

[4] RIFE D, BOORSTYN R R. Single-Tone Parameter Estimation from Discrete-Time Observation[J]. Bell Labs Technical Journal,1976,55(9): 591-598.

[5] HAYKIN S, LIU K J R. Handbook on Array Processing and Sensor Networks[M]. John Wiley and Sons, Inc., 2013.

OptimizationDesignofMeteorologicalFacsimileReceiverBasedonSoftwareRadio

YIZhongli1,LIUYonggang2,LIWenting3

(1. Transport Planning and Research Institute, Ministry of Transport, Beijing 100028, China; 2. CCCC Water Transportation Consultants Co., Ltd., Beijing 100007, China; 3. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to effectively solve the problems of low precision, low sensitivity and poor anti-interference ability of common analog meteorological facsimile receiver, an optimization design of meteorological facsimile receiver based on the software radio is proposed. The receiver features a small active receiving antenna with noise matching (which consists of the J type FET, the ESD protection circuit and the filter circuit), the super-heterodyne reception, electrically tunable filter, digital demodulation and the FFT synchronization algorithm, Rife, DSTFT based FSK.

ship engineering; meteorological facsimile receiver； short-wave communication； software radio； digital signal processing； security information broadcast

TN917.8

A