基于软件无线电的气象传真接收系统优化设计

易中立， 刘永刚， 李文婷

(1.交通运输部规划研究院， 北京 100028； 2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007； 3.大连海事大学， 辽宁 大连 116026)

2017-05-26

易中立(1985—)，男，湖南醴陵人，高级工程师，硕士，主要从事水上交通安全、通信领域规划研究、可行性研究、设计及后评价等咨询工作。E-mail：303218051@qq.com

1000-4653(2017)03-0001-03

基于软件无线电的气象传真接收系统优化设计

易中立1， 刘永刚2， 李文婷3

(1.交通运输部规划研究院， 北京 100028； 2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007； 3.大连海事大学， 辽宁 大连 116026)

为有效解决模拟解调气象传真接收机的精度和灵敏度低、抗干扰能力差等问题，提出基于软件无线电的气象传真接收系统优化方案。该系统采用J型场效应管、ESD保护电路和滤波电路等构建水准匹配的电小有源天线；采用超外差接收机技术、电调谐滤波器技术、数字解调技术、FFT同步算法、Rife频偏估计算法及基于DSTFT的FSK算法构建气象传真接收机信息接收和处理单元，实现气象传真信号的接收、数字解调、处理和显示。试验结果表明:该系统能完成气象传真信号的解调和气象传真图的恢复，图像质量和视觉效果均得到很大改善。

船舶工程;气象传真接收机；短波通信；软件无线电；数字信号处理；安全信息播发

船舶在海上航行时,不可避免地会受到多种环境因素的影响和制约，气象情报对保障海上船舶(尤其是远洋船舶)安全航行起着至关重要的作用。恶劣的气象条件容易使船舶失去操纵性和稳性,进而无法安全航行，最终导致水上交通事故发生。海上无线电气象传真是船舶接收海上气象信息的重要方式之一，有利于船舶全面了解海上的气象状况，选择经济航线，保障船舶的航行安全。按照国际公约的相关规定，各国已相继开设气象传真业务，我国规划在上海和广州开设气象传真播发台。目前全球共设有22座气象传真播发台，几乎覆盖了全球所有海域[1-2]，我国大部分远洋船舶都安装有气象传真接收机。

1 气象传真接收技术现状

20世纪80年代，我国成功研制出船用气象传真机，各项技术指标均符合世界气象组织和国际标准化组织相关标准的要求，填补了国内船用气象传真机的空白。但是,该产品具有体积较大、接收方法单一、精度低、稳定性差等缺点，且短波接收模块、显示及控制等方面的性能明显不如国外设备，因此未能得到广泛应用。

国外应用较多的气象传真机主要有日本古野株式会社的FAX-408和日本无线株式会社的JAX-9B，虽然其性能比国内产品优越，但均采用模拟电路解调技术，接收精度和灵敏度低，对振动较为敏感，抗干扰能力差，夜间收到的气象图清晰度不高，基本没有利用价值。

2 设计方案

这里设计的海上无线电气象传真信号接收系统主要由信息接收单元、气象处理单元和天线单元等3部分组成。

2.1信息接收单元

信息接收单元由射频前端模块、数字信号处理模块和中央处理模块组成(见图1)，其中：射频前端模块包括低噪声放大器、可调谐预选滤波器组、可变增益放大器、第一混频器、第一本振、中频滤波器一、中频放大器一、第二混频器、第二本振、中频滤波器二和中频放大器二；数字信号处理模块包括模数变换器和FPGA核心板；中央处理模块包括ARM核心板、键盘、液晶显示器、USB接口和蜂鸣器等。

注:1为低噪声放大器;2为可调谐预选滤波器组;3为可变增益放大器;4为第一混频器;5为第一本振;6为中频滤波器一;7为中频放大器一;8为第二混频器;9为第二本振;10为中频滤波器二;11为中频放大器二;12为模数变换器;13为FPGA核心板;14为ARM核心板;15为键盘;16为液晶显示器;17为USB接口;18为蜂鸣器

图1 数字气象传真机原理框图

可调谐预选滤波器组由4组带通滤波器组成，带通滤波器由FPGA核心板输出的控制信号选通。第一混频器为上变频混频器，通过第一本振将所需射频信号变频到30 MHz，随后经中频滤波器一滤波进入中频放大器一，构成高中频方案，提高系统的中频抑制比。第二混频器为下变频混频器，通过第二本振将所需射频信号变频到400 kHz，随后经中频滤波器二滤波进入中频放大器二，将该信号作为数字信号处理模块的输入信号。FPGA核心板是气象传真机装置的核心处理单元，由电源控制电路、FPGA最小系统和存储芯片组成，实现气象传真信号的数字解调。模数变换器完成中频440 kHz信号的数据采样，将模拟信号变换到数字域作为FPGA核心板的输入信号。ARM核心板为气象传真接收机的控制单元，由ARM芯片、电源电路和存储芯片构成。

这里将超外差接收机结构与数字中频解调方案相结合，对中频信号进行采样进入数字域，在数字域采用现代信号处理算法实现信号的滤波和解调。数字信号解调由可编程逻辑器FPGA实现，实现数字滤波、下变频、FSK信号解调及射频前端控制等功能，数字信号解调流程见图2。在选定频道之后，首先检测起始信号，若检测成功，则继续检测相位信号，否则继续等待；在检测到相位信号之后，进行对相并确定发送速率，若没有,则退回，重新检测起始信号；接收图像信号前首先检测行同步信号，若检测成功，则接收一行数据，否则检测是否有结束信号；接收一行图像数据,判断是否接收完毕，若是,则继续检测行同步信号，否则继续接收；进入检测结束信号环节，无论成功与否，结束对该图像的接收。

图2 数字信号解调流程

解调模块可细分为同步模块、频偏估计模块和FSK信号解调模块。首先，按照气象传真信号格式相关规定的要求,向每帧信号的开始位置发送固定时长和固定波形的对相信号，称作导频。接收端首先从导频中对接收信号进行同步，并估计信号频偏值。同步采用基于FFT谱图的同步方法[3]，频偏估计采用经典的Rife算法[4];而FSK解调基于DSTFT(离散短时傅里叶变换)，按照式(1)对每个码元间隔内的信号进行傅里叶变换。

(1)

图3 基于DSTFT的FSK解调误码率及理论值

2.2气象处理单元

气象处理单元主要由DSP处理模块、FPGA处理模块、存储单元、电源模块和网口模块构成。

DSP处理模块是气象处理单元的核心部分，由DSP处理器、DDR内存、Flash闪存和EEPROM构成，其中:DSP处理器主要承载气象处理算法;DDR内存用于实现算法运算和程序运行过程中的缓存;Flash闪存主要用来存储程序代码;EEPROM则用于存储板卡的IP地址等程序运行过程中需修改的关键参数。气象处理单元的执行处理离不开气象接收单元的协作。气象接收单元和气象处理单元信号流图见图4，这里将气象接收单元作为网络客户端，将气象处理单元作为网络服务器端，实现基于网口的数据交换。

图4 气象接收单元和气象处理单元信号流图

气象处理单元的工作流程见图5。首先由气象接收单元发起处理请求，气象处理单元接收请求并建立网络连接;建立网络连接后,DSP分配内存准备接收图像;图像接收完毕后，根据收到的命令调用相关算法进行处理，并将处理结果打包发送给气象接收单元;过程完成后,释放内存并断开网络连接。

图5 气象处理单元工作流程

2.3天线单元

有源天线通常使用电小振子天线作为接收天线，短波的相对带宽极宽，属超宽带天线，只有采用宽带匹配方法才可实现短波频段信号的有效接收。电小振子天线通常可等效为一个电容，其有效高度和开路电压几乎与频率无关。该项目采用水准匹配的方法,在输入端使用J型场效应管。由于J型场效应管的输入端为容性，且输入阻抗比电小振子的输出阻抗高得多，这样的组合方式可帮助系统得到与频率无关的输出电压，实现宽频带匹配。水准匹配的电小有源天线可在数倍频程甚至更宽的频带上得到令人满意的阻抗特性和增益。

天线放大器由ESD保护电路、滤波电路、匹配电路和放大电路组成(见图6),其中:ESD保护电路采用TCS二极管搭建，抑制瞬态干扰；滤波电路用来抑制AM信号；匹配电路采用具有高输入阻抗、低噪声系数的J型场效应管搭建的差分对电路，线性度高，通过变压器耦合输出；放大电路为电流跟随器，亦为差分电路形式，通过变压器放大电压，进而放大功率，增益设计为15 dB。

天线罩体使用玻璃钢材料，天线铜导线和放大器置于玻璃钢罩内，同轴电缆从罩体底部引出，整个结构使用密封胶全封闭。有源天线铜导体长2 m，在该长度下有助于提高整个接收系统的灵敏度和信

图6 有源天线剖面图及放大电路

噪比，天线导体末端直接焊接在放大器的输入端，可进一步提高天线系统的信噪比，连底座天线整体高度约为2 m。

2.4实际接收效果

为验证接收性能，利用本文提出的接收机与模拟解调气象传真接收机进行对比，在同样的接收环境下(天线架设高度相同，位置相近)同时接收日本海岸电台发出的气象传真图像(我国的海上无线电气象传真播发系统正在建设)。接收效果对比见图7，可看出所提出的改进后的接收机在抗干扰性能和抗噪声性能上表现更优。

3 结束语

本文提出一种基于软件无线电技术的海上无线电气象传真信号接收系统，用于接收、解析及处理气象传真信号。该系统采用数字解调技术，利用先进的现代数字信号处理算法在数字域内完成信号解调，可克服模拟解调电路精度低、灵敏度差的缺点，使设备能在夜间较好地接收气象信号，大大提高系统的抗干扰能力。

a) 本方案接收机接收到的气象图

b) 模拟解调气象传真接收机接收到的气象图

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

[2] 交通运输部规划研究院.国家水上交通安全监管和救助系统布局规划修编[S].2015.

[3] 金文光，张正宇,唐少华.2FSK信号DSTFT解调算法中的同步新方法[J].浙江大学学报(工学版)，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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