基于軟件解調(diào)的新型NAVTEX信號處理單元研制

　　摘要：本文提出采用DSP和軟件解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)NAVTEX接收機的方法，應(yīng)用基于短時快速傅立葉變換的方法實現(xiàn)了NAVTEX信號軟件解調(diào)，克服了傳統(tǒng)NAVTEX接收機硬件相干解調(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接收機的環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性。

　　引言

　　NAVTEX接收機自動接收海岸電臺發(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，是全球海上遇險和安全系統(tǒng)的重要組成部分^[1]。傳統(tǒng)的NAVTEX接收機的信息解調(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，導(dǎo)致傳統(tǒng)的接收機靈敏度下降，進而使其不能正確接收報文。本文介紹了基于DSP和軟件解調(diào)的方法，實現(xiàn)了信號的數(shù)字化和軟件解調(diào)，提高了接收機的環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性。

　　1 NAVTEX接收機原理和信號特點

　　1.1 接收機工作原理

　　NAVTEX接收機主要由射頻接收模塊和信息處理模塊組成，其組成和信號流圖如圖1所示，信號經(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，并將信號下變頻至中心頻率為1700Hz的模擬音頻信號，該信號經(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信號特點

　　根據(jù)IEC61097國際規(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接收機采用硬件電路以鎖相解調(diào)原理實現(xiàn)信號解調(diào)，硬件解調(diào)電路中的鎖相環(huán)路跟蹤輸入信號，并通過正交相位檢測、濾波和比較器后實現(xiàn)信號解調(diào)^[2]。但由于鎖相環(huán)路中的VCO的震蕩頻率會隨著外部環(huán)境的變化發(fā)生100Hz左右的漂移，導(dǎo)致了NAVTEX接收機靈敏度會隨著溫度的變化而下降，甚至在低溫時出現(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信號的實質(zhì)是采用信號頻率隨著時間做二值變換的方式完成信息的傳輸^[4]，如果能獲知既定時間內(nèi)信號的頻率，完成既定的一段短時間內(nèi)信號的頻譜分析即可實現(xiàn)2FSK信號的解調(diào)。

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

　　2.1 短時傅立葉變換

　　短時傅立葉變換首先使用隨時間滑動的分析窗對信號進行加窗截斷，然后用傅立葉變換分析各短時信號的頻譜，并通過窗函數(shù)的時間平移來覆蓋整個時域，完成信號的頻譜分析^[6]。

　　設(shè)s(t)為原信號，h(t)為窗函數(shù)，則式1為原信號在時刻t處τ時段內(nèi)的截斷信號，
     

　　通過式2可獲得時間窗內(nèi)原信號的頻譜分析情況，當(dāng)時間窗函數(shù)移動時，信號隨時間的先后進行FFT分析，從而得到信號頻譜隨時間變化的規(guī)律。且由于信號截斷在時刻t處的τ時段，當(dāng)τ足夠小時，可視為信號在t時刻的頻率，這正是2FSK信號解調(diào)所需要的基本條件。

　　2.2 基于短時傅立葉變換的2FSK解調(diào)算法

　　典型的2FSK離散數(shù)字信號可表示為^[7]：
     

　　其中a_i是第i個碼元，N是碼元寬度，f₁和f₂時是2FSK信號的兩個頻率，fs是采樣頻率。