基于MATLAB的氣象傳真信號的FM解調算法

李永鋒+寇學鋒+穆菲菲+楊啟超

摘 要 氣象傳真接收機是船舶在航行中獲取水文氣象資料的主要手段。現在氣象傳真接收機大多采用模擬電路實現，導致接收機數字化程度不高，不便于氣象信息的有效利用。本文針對現在氣象傳真接收機問題，在基帶信號處理算法基礎上，結合了氣象傳真信號自身的特征，提出了FM的解調方案以及對應算法，并對解調算法在MATLAB平臺上做仿真和驗證，最后驗證了算法的科學性和可行性。

【關鍵詞】FM解調 氣象傳真信號 MATLAB

1 緒論

現階段通信技術出現了數字調制方式取代模擬調制方式的趨勢。但調頻調制方式因其具有抗噪聲性能好、易于實現的優點而被廣泛應用于無線通信的各個領域。對于無線通信系統中，使用調頻調制方式時，調頻方式能克服電平波動的影響，因此無線氣象傳真機大都采用調頻方式進行調制。解調模塊同樣是接收機最核心的部分，解調方法及其實現過程直接影響解調效果，而解調效果又直接影響接收機的靈敏度和抗干擾等指標。

目前國內主流氣象傳真接收機大多采用基于DSP的非相干解調算法，在實現上比較簡單，但其解調效果不理想，尤其是在信噪比較高時，其解調效果要比相干解調差。FM相干解調適用于窄帶調頻信號，抗干擾能力強。另外，FM解調器可采用模擬電路實現，也可采用數字信號處理方式實現。

本文采用了FM相干解調方法，結合數字正交解調原理對氣象傳真信號進行處理，并在Matlab平臺上實現解調算法，然后驗證算法的可行性以及觀察算法的解調效果。

2 氣象傳真信號特征及格式

氣象傳真通信由發送端和接收端構成，首先發送端將一張圖像完整地送到接收端。在發送端，將要發送圖片通過光電轉換為相應強度的脈沖信號，然后將其調制成頻率相對中心頻率為1900Hz 400Hz的傳真信號，此信號調制后發送到接收端，接收端經過相應的解調過程，最后恢復氣象傳真圖。傳真圖逐行掃描發送和接收，在合作指數576時，氣象傳真信號的發送和接收格式如圖1所示。

由圖1可知，整個氣象傳真圖由5部分構成。當掃描速度采用120行/min時，即每行圖像信號發送時間為0.5s，接收端接收速度也為120行/min。表1為氣象傳真圖中各組成信號的說明。

3 解調方案及方法

本文采用直接調頻FM相干解調方法，結合數字正交分解技術，調頻信號的FM正交解調流程圖如圖2所示。

氣象傳真是短波信號經過下變頻后得到的窄帶信號，其已調信號數學表達式：

要得到解調信號m（n）只需去除直流分量?ω即可。從整個解調算法的推導可知，該算法只有乘法和加減運算，便于實現和應用。

氣象傳真接收機通過天線接收氣象站臺發送的短波信號，短波信號頻率范圍為12～25MHz，通過下變頻處理變成基帶信號，下變頻用跟蹤環路來實現；基帶信號通過帶通濾波器（頻率范圍1.3～2.5kHz）處理，除掉頻段外不需要的信號，然后通過與本地載波信號相乘就得到解調后的信號；信號再通過低通濾波器濾除信號中的低頻，然后通過數據格式變換成圖像信號；再對圖像信號做打印前預處理，調整圖像顯示格式，最后對圖像中的噪聲信號做噪聲濾除處理。本設計在MATLAB中的調頻信號解調方案流程圖如圖3所示。

4 仿真與驗證

在Matlab平臺上對氣象傳真信號驗證FM正交解調算法的可行性和解調效果。仿真實驗輸入信號來自氣象傳真接收機接收到一段真實氣象信號，該信號經過下變頻后得到基帶范圍內的傳真信號。然后轉換為3min時長的音頻信號，通過MATLAB函數讀入這段音頻信號，實際氣象傳真信號數據波形如圖4所示。

由圖4可知實際傳真信號由有效傳真信號和噪聲信號混合而成。下變頻后的數據再經過帶通濾波器（其上、下截止頻率分別為1.3kHz、2.5kHz）可得到去掉帶外信號的數據波形如圖5所示。

然后是對信號做正交解調去載波處理，解調出來的數據波形如圖6所示。

對解調出的傳真信號進行二值化圖像預處理。要將整個圖像呈現出明顯的黑白效果，需要采用不同的閾值對數據做門限判決。本文采用了30、65、95、120、150、175、200、227和255這9個數值對數據進行二值化調理后的數據如圖7所示。

對二值化圖像數據進行合并壓縮和結構變形等處理后繪制出傳真圖。此處讀取音頻數據時長是3min，最終繪制出的氣象圖如圖8所示。

從最終解調的氣象圖可看出，圖中數字、字母和經緯線等有用信息都非常清晰，但輸入信號本身含有噪聲，故解調出的氣象傳真圖也帶有噪聲。而去除氣象圖噪聲用圖片去噪方法即可，本文就不在贅述。

5 結論

本文對氣象傳真信號特征和格式做了詳細介紹，并且對FM正交解調算法進行了詳細推導。由MATLAB仿真結果知，FM解調算法能很好恢復出調制信號，解調出的氣象傳真圖能夠滿足接收機的性能指標要求。

參考文獻

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作者單位

陜西寶成航空儀表有限責任公司 陜西省寶雞市 721006