基于軟件解調的新型NAVTEX信號處理單元研制

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

　　引言

　　NAVTEX接收機自動(dòng)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的重要組成部分^[1]。傳統的NAVTEX接收機的信息解調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)，導致傳統的接收機靈敏度下降，進(jìn)而使其不能正確接收報文。本文介紹了基于DSP和軟件解調的方法，實(shí)現了信號的數字化和軟件解調，提高了接收機的環(huán)境適應性和工作可靠性。

　　1 NAVTEX接收機原理和信號特點(diǎn)

　　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(xiàn)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，其中解調單元完成信息解調，恢復出數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(diǎn)

　　根據IEC61097國際規范，NAVTEX系統的工作頻率為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的調制方式，即2FSK調制方式，載波頻率f±85Hz表示數字0或1，調制速率100Bd。

　　傳統的NAVTEX接收機采用硬件電路以鎖相解調原理實(shí)現信號解調，硬件解調電路中的鎖相環(huán)路跟蹤輸入信號，并通過(guò)正交相位檢測、濾波和比較器后實(shí)現信號解調^[2]。但由于鎖相環(huán)路中的VCO的震蕩頻率會(huì )隨著(zhù)外部環(huán)境的變化發(fā)生100Hz左右的漂移，導致了NAVTEX接收機靈敏度會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而下降，甚至在低溫時(shí)出現完全不能正確解調數據的問(wèn)題。

　　2 軟件解調原理^[3]

　　眾所周知，2FSK信號的實(shí)質(zhì)是采用信號頻率隨著(zhù)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)間內信號的頻率，完成既定的一段短時(shí)間內信號的頻譜分析即可實(shí)現2FSK信號的解調。

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

　　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)的分析窗對信號進(jìn)行加窗截斷，然后用傅立葉變換分析各短時(shí)信號的頻譜，并通過(guò)窗函數的時(shí)間平移來(lái)覆蓋整個(gè)時(shí)域，完成信號的頻譜分析^[6]。

　　設s(t)為原信號，h(t)為窗函數，則式1為原信號在時(shí)刻t處τ時(shí)段內的截斷信號，
     

　　通過(guò)式2可獲得時(shí)間窗內原信號的頻譜分析情況，當時(shí)間窗函數移動(dòng)時(shí)，信號隨時(shí)間的先后進(jìn)行FFT分析，從而得到信號頻譜隨時(shí)間變化的規律。且由于信號截斷在時(shí)刻t處的τ時(shí)段，當τ足夠小時(shí)，可視為信號在t時(shí)刻的頻率，這正是2FSK信號解調所需要的基本條件。

　　2.2 基于短時(shí)傅立葉變換的2FSK解調算法

　　典型的2FSK離散數字信號可表示為^[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信號的兩個(gè)頻率，fs是采樣頻率。