基于軟件無線電的氣象傳真接收系統優化設計

易中立， 劉永剛， 李文婷

(1.交通運輸部規劃研究院， 北京 100028； 2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007； 3.大連海事大學， 遼寧 大連 116026)

2017-05-26

易中立(1985—)，男，湖南醴陵人，高級工程師，碩士，主要從事水上交通安全、通信領域規劃研究、可行性研究、設計及后評價等咨詢工作。E-mail：303218051@qq.com

1000-4653(2017)03-0001-03

基于軟件無線電的氣象傳真接收系統優化設計

易中立1， 劉永剛2， 李文婷3

(1.交通運輸部規劃研究院， 北京 100028； 2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007； 3.大連海事大學， 遼寧 大連 116026)

為有效解決模擬解調氣象傳真接收機的精度和靈敏度低、抗干擾能力差等問題，提出基于軟件無線電的氣象傳真接收系統優化方案。該系統采用J型場效應管、ESD保護電路和濾波電路等構建水準匹配的電小有源天線；采用超外差接收機技術、電調諧濾波器技術、數字解調技術、FFT同步算法、Rife頻偏估計算法及基于DSTFT的FSK算法構建氣象傳真接收機信息接收和處理單元，實現氣象傳真信號的接收、數字解調、處理和顯示。試驗結果表明:該系統能完成氣象傳真信號的解調和氣象傳真圖的恢復，圖像質量和視覺效果均得到很大改善。

船舶工程;氣象傳真接收機；短波通信；軟件無線電；數字信號處理；安全信息播發

船舶在海上航行時,不可避免地會受到多種環境因素的影響和制約，氣象情報對保障海上船舶(尤其是遠洋船舶)安全航行起著至關重要的作用。惡劣的氣象條件容易使船舶失去操縱性和穩性,進而無法安全航行，最終導致水上交通事故發生。海上無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，選擇經濟航線，保障船舶的航行安全。按照國際公約的相關規定，各國已相繼開設氣象傳真業務，我國規劃在上海和廣州開設氣象傳真播發臺。目前全球共設有22座氣象傳真播發臺，幾乎覆蓋了全球所有海域[1-2]，我國大部分遠洋船舶都安裝有氣象傳真接收機。

1 氣象傳真接收技術現狀

20世紀80年代，我國成功研制出船用氣象傳真機，各項技術指標均符合世界氣象組織和國際標準化組織相關標準的要求，填補了國內船用氣象傳真機的空白。但是,該產品具有體積較大、接收方法單一、精度低、穩定性差等缺點，且短波接收模塊、顯示及控制等方面的性能明顯不如國外設備，因此未能得到廣泛應用。

國外應用較多的氣象傳真機主要有日本古野株式會社的FAX-408和日本無線株式會社的JAX-9B，雖然其性能比國內產品優越，但均采用模擬電路解調技術，接收精度和靈敏度低，對振動較為敏感，抗干擾能力差，夜間收到的氣象圖清晰度不高，基本沒有利用價值。

2 設計方案

這里設計的海上無線電氣象傳真信號接收系統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、數字信號處理模塊和中央處理模塊組成(見圖1)，其中：射頻前端模塊包括低噪聲放大器、可調諧預選濾波器組、可變增益放大器、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；數字信號處理模塊包括模數變換器和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為可調諧預選濾波器組;3為可變增益放大器;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 數字氣象傳真機原理框圖

可調諧預選濾波器組由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選通。第一混頻器為上變頻混頻器，通過第一本振將所需射頻信號變頻到30 MHz，隨后經中頻濾波器一濾波進入中頻放大器一，構成高中頻方案，提高系統的中頻抑制比。第二混頻器為下變頻混頻器，通過第二本振將所需射頻信號變頻到400 kHz，隨后經中頻濾波器二濾波進入中頻放大器二，將該信號作為數字信號處理模塊的輸入信號。FPGA核心板是氣象傳真機裝置的核心處理單元，由電源控制電路、FPGA最小系統和存儲芯片組成，實現氣象傳真信號的數字解調。模數變換器完成中頻440 kHz信號的數據采樣，將模擬信號變換到數字域作為FPGA核心板的輸入信號。ARM核心板為氣象傳真接收機的控制單元，由ARM芯片、電源電路和存儲芯片構成。

這里將超外差接收機結構與數字中頻解調方案相結合，對中頻信號進行采樣進入數字域，在數字域采用現代信號處理算法實現信號的濾波和解調。數字信號解調由可編程邏輯器FPGA實現，實現數字濾波、下變頻、FSK信號解調及射頻前端控制等功能，數字信號解調流程見圖2。在選定頻道之后，首先檢測起始信號，若檢測成功，則繼續檢測相位信號，否則繼續等待；在檢測到相位信號之后，進行對相并確定發送速率，若沒有,則退回，重新檢測起始信號；接收圖像信號前首先檢測行同步信號，若檢測成功，則接收一行數據，否則檢測是否有結束信號；接收一行圖像數據,判斷是否接收完畢，若是,則繼續檢測行同步信號，否則繼續接收；進入檢測結束信號環節，無論成功與否，結束對該圖像的接收。

圖2 數字信號解調流程

解調模塊可細分為同步模塊、頻偏估計模塊和FSK信號解調模塊。首先，按照氣象傳真信號格式相關規定的要求,向每幀信號的開始位置發送固定時長和固定波形的對相信號，稱作導頻。接收端首先從導頻中對接收信號進行同步，并估計信號頻偏值。同步采用基于FFT譜圖的同步方法[3]，頻偏估計采用經典的Rife算法[4];而FSK解調基于DSTFT(離散短時傅里葉變換)，按照式(1)對每個碼元間隔內的信號進行傅里葉變換。

(1)

圖3 基于DSTFT的FSK解調誤碼率及理論值

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、存儲單元、電源模塊和網口模塊構成。

DSP處理模塊是氣象處理單元的核心部分，由DSP處理器、DDR內存、Flash閃存和EEPROM構成，其中:DSP處理器主要承載氣象處理算法;DDR內存用于實現算法運算和程序運行過程中的緩存;Flash閃存主要用來存儲程序代碼;EEPROM則用于存儲板卡的IP地址等程序運行過程中需修改的關鍵參數。氣象處理單元的執行處理離不開氣象接收單元的協作。氣象接收單元和氣象處理單元信號流圖見圖4，這里將氣象接收單元作為網絡客戶端，將氣象處理單元作為網絡服務器端，實現基于網口的數據交換。

圖4 氣象接收單元和氣象處理單元信號流圖

氣象處理單元的工作流程見圖5。首先由氣象接收單元發起處理請求，氣象處理單元接收請求并建立網絡連接;建立網絡連接后,DSP分配內存準備接收圖像;圖像接收完畢后，根據收到的命令調用相關算法進行處理，并將處理結果打包發送給氣象接收單元;過程完成后,釋放內存并斷開網絡連接。

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，短波的相對帶寬極寬，屬超寬帶天線，只有采用寬帶匹配方法才可實現短波頻段信號的有效接收。電小振子天線通常可等效為一個電容，其有效高度和開路電壓幾乎與頻率無關。該項目采用水準匹配的方法,在輸入端使用J型場效應管。由于J型場效應管的輸入端為容性，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得到與頻率無關的輸出電壓，實現寬頻帶匹配。水準匹配的電小有源天線可在數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保護電路、濾波電路、匹配電路和放大電路組成(見圖6),其中:ESD保護電路采用TCS二極管搭建，抑制瞬態干擾；濾波電路用來抑制AM信號；匹配電路采用具有高輸入阻抗、低噪聲系數的J型場效應管搭建的差分對電路，線性度高，通過變壓器耦合輸出；放大電路為電流跟隨器，亦為差分電路形式，通過變壓器放大電壓，進而放大功率，增益設計為15 dB。

天線罩體使用玻璃鋼材料，天線銅導線和放大器置于玻璃鋼罩內，同軸電纜從罩體底部引出，整個結構使用密封膠全封閉。有源天線銅導體長2 m，在該長度下有助于提高整個接收系統的靈敏度和信

圖6 有源天線剖面圖及放大電路

噪比，天線導體末端直接焊接在放大器的輸入端，可進一步提高天線系統的信噪比，連底座天線整體高度約為2 m。

2.4實際接收效果

為驗證接收性能，利用本文提出的接收機與模擬解調氣象傳真接收機進行對比，在同樣的接收環境下(天線架設高度相同，位置相近)同時接收日本海岸電臺發出的氣象傳真圖像(我國的海上無線電氣象傳真播發系統正在建設)。接收效果對比見圖7，可看出所提出的改進后的接收機在抗干擾性能和抗噪聲性能上表現更優。

3 結束語

本文提出一種基于軟件無線電技術的海上無線電氣象傳真信號接收系統，用于接收、解析及處理氣象傳真信號。該系統采用數字解調技術，利用先進的現代數字信號處理算法在數字域內完成信號解調，可克服模擬解調電路精度低、靈敏度差的缺點，使設備能在夜間較好地接收氣象信號，大大提高系統的抗干擾能力。

a) 本方案接收機接收到的氣象圖

b) 模擬解調氣象傳真接收機接收到的氣象圖

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

[2] 交通運輸部規劃研究院.國家水上交通安全監管和救助系統布局規劃修編[S].2015.

[3] 金文光，張正宇,唐少華.2FSK信號DSTFT解調算法中的同步新方法[J].浙江大學學報(工學版)，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

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