基于軟件解調(diào)的新型NAVTEX信號(hào)處理單元研制

　　摘要：本文提出采用DSP和軟件解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)NAVTEX接收機(jī)的方法，應(yīng)用基于短時(shí)快速傅立葉變換的方法實(shí)現(xiàn)了NAVTEX信號(hào)軟件解調(diào)，克服了傳統(tǒng)NAVTEX接收機(jī)硬件相干解調(diào)所具有的受環(huán)境、溫度等外界因素影響而導(dǎo)致誤碼率升高等問題，有效地提高了NAVTEX接收機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性。

　　引言

　　NAVTEX接收機(jī)自動(dòng)接收海岸電臺(tái)發(fā)射的航行告警、氣象告警以及其它安全導(dǎo)航信息，為船舶安全航行提供重要信息保障，是全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)的重要組成部分^[1]。傳統(tǒng)的NAVTEX接收機(jī)的信息解調(diào)部分采用模擬硬件電路，由于模擬電路易受環(huán)境影響的特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度下降，進(jìn)而使其不能正確接收?qǐng)?bào)文。本文介紹了基于DSP和軟件解調(diào)的方法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字化和軟件解調(diào)，提高了接收機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性。

　　1 NAVTEX接收機(jī)原理和信號(hào)特點(diǎn)

　　1.1 接收機(jī)工作原理

　　NAVTEX接收機(jī)主要由射頻接收模塊和信息處理模塊組成，其組成和信號(hào)流圖如圖1所示，信號(hào)經(jīng)天線接收以后送入射頻接收模塊，射頻接收模塊完成濾波、低噪聲放大，并將信號(hào)下變頻至中心頻率為1700Hz的模擬音頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波放大后送入信息處理模塊，其中解調(diào)單元完成信息解調(diào)，恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)后送入信息處理單元，信息處理單元完成協(xié)議編解碼，送信息顯示單元完成信息顯示。

　　1.2 NAVTEX信號(hào)特點(diǎn)

　　根據(jù)IEC61097國(guó)際規(guī)范，NAVTEX系統(tǒng)的工作頻率為518KHz、490KHz或4209.5KHz，其中518KHz用于接收英文信息，490KHz或4209.5KHz用于接收本地語(yǔ)言播發(fā)的信息。其采用F1B的調(diào)制方式，即2FSK調(diào)制方式，載波頻率f±85Hz表示數(shù)字0或1，調(diào)制速率100Bd。

　　傳統(tǒng)的NAVTEX接收機(jī)采用硬件電路以鎖相解調(diào)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，硬件解調(diào)電路中的鎖相環(huán)路跟蹤輸入信號(hào)，并通過正交相位檢測(cè)、濾波和比較器后實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)^[2]。但由于鎖相環(huán)路中的VCO的震蕩頻率會(huì)隨著外部環(huán)境的變化發(fā)生100Hz左右的漂移，導(dǎo)致了NAVTEX接收機(jī)靈敏度會(huì)隨著溫度的變化而下降，甚至在低溫時(shí)出現(xiàn)完全不能正確解調(diào)數(shù)據(jù)的問題。

　　2 軟件解調(diào)原理^[3]

　　眾所周知，2FSK信號(hào)的實(shí)質(zhì)是采用信號(hào)頻率隨著時(shí)間做二值變換的方式完成信息的傳輸^[4]，如果能獲知既定時(shí)間內(nèi)信號(hào)的頻率，完成既定的一段短時(shí)間內(nèi)信號(hào)的頻譜分析即可實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)的解調(diào)。

　　通過時(shí)域信號(hào)的傅立葉變換可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻域分析，獲取信號(hào)的頻譜分布、能量大小和延遲等信息^[5]，但其與時(shí)間維度沒有確定的關(guān)系，而短時(shí)傅立葉變換在頻譜分析的基礎(chǔ)上，引入了時(shí)間維度，具有在既定短時(shí)內(nèi)完成信號(hào)頻譜分析的特點(diǎn)，特別適合2FSK信號(hào)的解調(diào)。

　　2.1 短時(shí)傅立葉變換

　　短時(shí)傅立葉變換首先使用隨時(shí)間滑動(dòng)的分析窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)啵缓笥酶盗⑷~變換分析各短時(shí)信號(hào)的頻譜，并通過窗函數(shù)的時(shí)間平移來(lái)覆蓋整個(gè)時(shí)域，完成信號(hào)的頻譜分析^[6]。

　　設(shè)s(t)為原信號(hào)，h(t)為窗函數(shù)，則式1為原信號(hào)在時(shí)刻t處τ時(shí)段內(nèi)的截?cái)嘈盘?hào)，
     

　　通過式2可獲得時(shí)間窗內(nèi)原信號(hào)的頻譜分析情況，當(dāng)時(shí)間窗函數(shù)移動(dòng)時(shí)，信號(hào)隨時(shí)間的先后進(jìn)行FFT分析，從而得到信號(hào)頻譜隨時(shí)間變化的規(guī)律。且由于信號(hào)截?cái)嘣跁r(shí)刻t處的τ時(shí)段，當(dāng)τ足夠小時(shí)，可視為信號(hào)在t時(shí)刻的頻率，這正是2FSK信號(hào)解調(diào)所需要的基本條件。

　　2.2 基于短時(shí)傅立葉變換的2FSK解調(diào)算法

　　典型的2FSK離散數(shù)字信號(hào)可表示為^[7]：
     

　　其中a_i是第i個(gè)碼元，N是碼元寬度，f₁和f₂時(shí)是2FSK信號(hào)的兩個(gè)頻率，fs是采樣頻率。