一種數字氣象傳真的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用來接收氣象信息的數字氣象傳真機，包括射頻前端模塊、數字信號處理模塊及顯示控制模塊，所述射頻前端模塊用于完成射頻信號向中頻信號的轉變，所述數字信號處理模塊用于完成中頻信號的數字解調，所述顯示控制模塊用于顯示接收的氣象傳真圖與輸入控制。本實用新型采用數字解調技術將接收的氣象信息轉換成數字信號，并且進行存儲、顯示，精度高、抗干擾能力強、成本低。
【專利說明】一種數字氣象傳真機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及航海通信裝置，具體地說是一種數字氣象傳真機。
【背景技術】
[0002]根據國際氣象組織(WMO)規定，世界上各大區域都建立了氣象傳真無線電廣播網，以發送各地的氣象信息。根據氣象信息，船舶可以及時獲得海上天氣分布情況、天氣預報和警報等大量有用的海洋氣象情報，這對于保障海上航行安全、選擇最佳天氣航行等方面具有重要意義。
[0003]氣象傳真機是用來接收氣象信息的裝置。迄今為止，我國自行研制生產的H/HQC001以及ZSQ-3型船用氣象傳真機主要采用模擬技術，體積龐大，精度低，抗干擾能力差，以至于該產品在國內未得到推廣。目前，國內船舶通導市場的主要產品為日本古野公司的FAX-408及日本大洋公司的FAX-708型氣象傳真機，這兩款產品都是采用模擬解調方式，而且使用傳統的熱敏打印機輸出氣象圖，不僅熱敏頭較容易損耗，而且消耗大量的熱敏紙，使用維護成本高，也不利于長久保存。
實用新型內容
[0004]本實用新型針對上述問題，提供一種使用維護成本低、精度高的數字氣象傳真機。
[0005]按照本實用新型的技術方案:一種數字氣象傳真機，包括射頻前端模塊、數字信號處理模塊及顯示控制模塊，所述射頻前端模塊用于完成射頻信號向中頻信號的轉變，所述數字信號處理模塊用于完成中頻信號的數字解調，所述顯示控制模塊用于顯示接收的氣象傳真圖與輸入控制。
[0006]所述射頻前端模塊包括依次相連的低噪聲放大器、可調諧預選濾波器組、可變增益放大器、第一混頻器、第一中頻濾波器、第一中頻放大器、第二混頻器、第二中頻濾波器及第二中頻放大器，所述第一混頻器與第一本振相連，所述第二混頻器與第二本振相連；所述第一混頻器通過所述第一本振將所需射頻信號上變頻到30MHz?80MHz，而后經所述第一中頻濾波器濾波后進入所述第一中頻放大器；所述第二混頻器通過所述第二本振將所需射頻信號上變頻到440KHZ，而后經所述第二中頻濾波器濾波后進入所述第二中頻放大器。
[0007]所述數字信號處理模塊包括模數變換器及FPGA核心板，所述模數變換器完成中頻440KHZ信號的數據采樣，將模擬信號變換到數字域作為所述FPGA核心板的輸入；所述FPGA核心板用于完成氣象傳真信號的數字解調功能。
[0008]所述顯示控制模塊包括ARM核心板、鍵盤及液晶顯示器，所述ARM核心板將所述FPGA核心板送來的圖像數據以圖片格式進行存儲，將時間、日期信息加于所述圖片上，并實現圖片的放大、縮小、移動、旋轉功能以及對圖片進行管理與檢索；所述鍵盤位于所述液晶顯示器的邊緣，與所述液晶顯示器上顯示的軟件界面相對應，通過編程實現不同界面下的不同功能；所述液晶顯示器用于顯示氣象傳真圖以及軟件界面。
[0009]所述顯示控制模塊還包括USB接口，所述USB接口由所述ARM核心板控制。[0010]所述顯示控制模塊還包括蜂鳴器，所述蜂鳴器由所述ARM核心板控制。
[0011]本實用新型的技術效果在于:本實用新型采用數字解調技術將接收的氣象信息轉換成數字信號，并且進行存儲、顯示，精度高、抗干擾能力強、成本低；采用高中頻方案，大大提高了傳真機的中頻抑制比與信道選擇性；采用人機交流方式，提高了操作精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的結構原理框圖。
[0013]圖2為本實用新型的外觀示意圖。
[0014]圖3為本實用新型中的數字信號解調流程圖。
[0015]圖4為本實用新型中的顯示控制模塊的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0017]圖1、圖2中，包括低噪聲放大器1、可調諧預選濾波器組2、可變增益放大器3、第一混頻器4、第一本振5、第一中頻濾波器6、第一中頻放大器7、第二混頻器8、第二本振9、第二中頻濾波器10、第二中頻放大器11、模數變換器12、FPGA核心板13、ARM核心板14、鍵盤15、液晶顯示器16、USB接口 17、蜂鳴器18等。
[0018]如圖1所示，本實用新型是一種數字氣象傳真機，包括射頻前端模塊、數字信號處理模塊及顯示控制模塊，射頻前端模塊用于完成射頻信號向中頻信號的轉變，數字信號處理模塊用于完成中頻信號的數字解調，顯示控制模塊用于顯示接收的氣象傳真圖與輸入控制。
[0019]射頻前端模塊包括依次相連的低噪聲放大器1、可調諧預選濾波器組2、可變增益放大器3、第一混頻器4、第一中頻濾波器6、第一中頻放大器7、第二混頻器8、第二中頻濾波器10及第二中頻放大器11，第一混頻器4與第一本振5相連，第二混頻器8與第二本振9相連。
[0020]可調諧預選濾波器組2由四組帶通濾波器組成，帶通濾波器由FPGA核心板13輸出的控制信號進行選通。第一混頻器4為上變頻混頻器，通過第一本振5將所需射頻信號上變頻到30MHz?80MHz，而后經第一中頻濾波器6濾波后進入第一中頻放大器7，構成高中頻方案，提高了系統的中頻抑制比。第二混頻器8為下變頻混頻器，通過第二本振9將所需射頻信號上變頻到440KHZ，而后經第二中頻濾波器10濾波后進入第二中頻放大器11，此信號作為數字信號處理模塊的輸入。
[0021]數字信號處理模塊包括模數變換器12及FPGA核心板13。模數變換器12完成中頻440KHz信號的數據采樣，將模擬信號變換到數字域作為FPGA核心板13的輸入。FPGA核心板13是本實用新型的核心處理單元，FPGA核心板13上由電源控制電路、FPGA最小系統和存儲芯片組成，用于完成氣象傳真信號的數字解調功能。
[0022]顯示控制模塊包括ARM核心板14、鍵盤15及液晶顯示器16。
[0023]ARM核心板14為控制單元，由ARM9芯片、電源電路和存儲芯片構成，其中ARM9芯片內嵌Linux操作系統。ARM核心板14實現以下功能:將FPGA核心板13送來的圖像數據暫存為BMP格式，并將BMP格式轉換為JPG圖片格式進行存儲；圖片保存之前將時間、日期信息加于圖片上；可實現圖片的放大、縮小、移動、旋轉功能；可以對圖片進行管理與檢索。
[0024]如圖2所示，鍵盤15位于液晶顯示器16的邊緣，與液晶顯示器16上顯示的軟件界面相對應，通過編程實現不同界面下的不同功能。鍵盤15為硅膠按鍵，一般包含5個可編程按鍵F1、F2、F3、F4與F5。
[0025]液晶顯示器16 —般采用15寸工業級液晶屏顯示器，用于顯示接收到或正在接收的氣象傳真圖以及軟件界面。
[0026]顯示控制模塊還包括USB接口 17及蜂鳴器18，USB接口 17及蜂鳴器18分別由ARM核心板14控制。USB接口 17可連接使用USB接口的打印機與U盤，可以選擇打印所需的氣象傳真圖或將已經接收到的氣象傳真圖考入到U盤進行轉移。蜂鳴器18用于發出對應于各種操作的提不音。
[0027]本實用新型的工作原理如下:本實用新型采用數字中頻方案。射頻前端模塊將信號頻譜搬移到中頻(440KHz);具有8M采樣率的高速模數變換器12將該中頻信號轉換為數字中頻信號并將其發送給FPGA核心板13 ;在FPGA核心板13中，數字中頻信號經歷數字下變頻模塊變為采樣率為SOKHz的基帶IQ兩路信號。數字下變頻模塊中，直接數字序列發生器(DDS)受控于遠程控制信號檢測模塊輸出的頻偏信息發出8MHz采樣率下的復中頻載波信號；從模數變換器12輸出的數字中頻信號與該復中頻載波信號相乘得到8MHz采樣率下的CPFSK基帶IQ兩路信號。
[0028]數字信號解調由可編程邏輯器件FPGA核心板13實現，完成數字濾波、下變頻、FSK信號解調以及射頻前端控制功能。數字信號解調流程如圖3所示:在選定頻道后，首先檢測起始信號，若檢測到起始信號成功，則繼續檢測相位信號，否則繼續等待；若檢測到相位信號后，對相并確定發送速率，若沒有則退回，檢測起始信號；接收圖像信號前首先要檢測行同步信號，若檢測成功，則接收一行數據，若檢測失敗，則檢測是否有結束信號；接收一行圖像數據判斷是否一行接收完畢，如果是則繼續檢驗行同步信號，如果不是則繼續接收；進入檢測結束信號的環節，無論成功與否，結束本章圖像接收。
[0029]顯示控制模塊的工作流程如圖4所示:GUI界面應用程序用于等待事件發生，處于不斷掃描的狀態，檢測是否有改變顯示事件、需要打印事件、需要存儲事件、輸入事件以及UART通信事件。若檢測到改變顯示事件，則調用LCD驅動；若檢測到需要打印事件，則調用USB打印驅動；若檢測到需要存儲事件，則調用SD驅動；若檢測到輸入事件，則進入輸入事件處理模塊，調用鍵盤驅動獲取鍵值并返回鍵值給輸入事件處理模塊，最后由輸入事件處理模塊將鍵值送到GUI界面應用程序；若檢測到UART通信事件，則進入與FPGA通信模塊，對FPGA傳送的幀格式進行解析，判斷是數據信息還是圖像信息，如果是數據信息則進入數據處理模塊進行數據格式轉換并將數據送入GUI界面應用程序，如果是控制信息則進入命令解析處理模塊進行分析并將控制信號送入GUI界面應用程序。
[0030]本實用新型使用的關鍵技術有:
[0031]1、降采樣率可變的CIC降采樣
[0032]氣象傳真信號碼率包括160/22KHz (10C = 576，RPM = 240)、80/22KHz (IOC = 576，RPM = 120 或者 IOC = 288，RPM = 240)、60/22KHz (IOC = 576，RPM = 90)、40/22KHz (IOC =576，RPM = 60 或者(IOC = 288，RPM = 120)、30/22KHz (IOC = 288，RPM = 90)、20/22KHz (IOC=288，RPM = 60)六種情況。為了方便后續處理，本實用新型按照接收圖片的IOC、RPM參數將8MHz采樣率的CPFSK基帶IQ兩路信號的采樣率降為相應碼率的22倍，即160KHz、80KHz、60KHz、40KHz、30KHz、20KHz，。該過程由一個降采樣率可變的CIC降采樣器完成。在CIC降采樣器中，數據經歷了四級采樣率變化，第一級為5倍CIC降采樣器，第二級為5倍CIC降采樣器，第三級為3倍CIC升采樣器，第四級為降采樣率可以在3/6/8/12/16/24之間變化的CIC降采樣器。第4級降采樣率可變CIC降采樣器由5級積分器、幾個抽樣器、5級差分器構成，其中的抽樣器的抽樣倍數可變。經過CIC降采樣器后的低采樣率IQ兩路信號經過帶寬為1200Hz的基帶FIR濾波器后被輸出給CPFSK信號解調模塊和遠程控制信號檢測與信道估計模塊。
[0033]2、CPFSK信號的簡化序列解調方法
[0034]在判決一個碼元時，本實用新型在遠程控制信號檢測模塊輸出的同步脈沖的控制下，截取66個以上采樣率為22倍碼率的基帶IQ兩路信號的樣點，其中前22點為第i_l個碼元時間內的基帶信號樣點，中間22個樣點為第i個碼元時間內的基帶信號樣點，后22個樣點為第i+Ι個碼元時間內的基帶信號樣點。
[0035]記截取的66個復數樣點數據序列為Si。在該序列檢測器中，Si與000、001、010、
011、100、101、110、111八種可能的序列數據進行相關，取相關結果最大的序列的中間碼元
值作為第i碼元的判決值。在完成一個碼元的判決后，將該判決值輸送給圖像處理與輸出模塊，同時將取數窗口后移一個碼兀時間(22個樣點)。
[0036]3、碼元定時信息和信號頻偏信息的檢測與恢復
[0037]氣象圖的對相信號為周期性黑白交替信號，每周期先出現5%的白信號，在出現95%的黑信號，周期為行重復周期。本實用新型通過采用匹配濾波的方法對信號進行互相關計算，當相關值大于信號平均功率的一定比例時，判斷出現了對相信號。
[0038]與對相信號檢測并行進行著一個混頻操作，用2300Hz復信號與數據相乘。相乘的結果被送入數字鑒頻器，當判斷出現對相信號時，將鑒頻器輸出作為頻偏值輸送給數字下變頻用以使之將頻偏影響去除。從判斷出現對相信號的時刻開始，根據信號碼率和本地定時周期性的產生每行數據的定時脈沖并送給解調模塊用以正確截取數據樣點。
[0039]4、氣象圖的起始信號、結束信號的檢測方法
[0040]本實用新型在FPGA中對信號進行監測，將信號輸入鑒相器，并對鑒相器輸出進行頻率檢測。當監測到信號的頻率變化軌跡的300Hz或者675Hz信號分量能量大于總能量的一定比例時，判斷出現了圖像起始信號，并根據頻率大小改變輸出給可變速率CIC降采樣器的IOC寄存器值，當出現300Hz時將IOC變為576，當出現675Hz時將IOC變為288。當監測到信號的頻率變化軌跡的450Hz信號分量能量大于總能量的一定比例時，判斷出現了圖像結束信號。當出現開始信號時，將解調器輸出的碼元序列按照圖像排布，每行圖像像素在IOC = 576時為1818點，當IOC = 288時為909點。當出現結束信號時，將結束生成圖像并將生成好的圖像存儲起來。
[0041]本實用新型具有以下優點:
[0042]1、將超外差接收機結構與數字中頻解調方案相結合，既保留了超外差短波接收機靈敏度高、選擇性好的優點，又引入了數字解調技術，采用現代信號處理算法完成數字域的濾波以及信號解調，克服了模擬解調的非線性損傷及模擬電路精度低、對震動敏感、抗干擾能力差等缺點；[0043]2、采用高中頻方案，將第一中頻設置在30MHz?80MHz (傳統為IOMHz)，大大提高了傳真機的中頻抑制比與信道選擇性；
[0044]3、提供了一種最直接的人機交流方式，不需要繁瑣的文本操作說明，而且提高了操作精度，大大降低了操作員錯誤操作的概率；
[0045]4、基于嵌入式軟件設計，提供了一種開放型、可擴展的硬件平臺，接收頻率、解調方式以及按鍵面板均可以通過軟件重新配置，使得該氣象傳真機與新、舊體制兼容，延長了生命周期；
[0046]5、將接收到的傳真天氣圖通過液晶顯示器16直接顯示，并將數據錄入內存，便于圖像的管理，可實現氣象圖的查詢檢索，使用外接打印機選擇性打印輸出，而且打印之前可以對圖像做預處理，如降噪、相位糾正等操作，這樣避免了無效的打印輸出，節約了資源；
[0047]6、可配置激光打印機，克服了熱敏打印方式的傳真圖不能長期保存的缺點；
[0048]7、結構簡單緊湊，成本低。
【權利要求】
1.一種數字氣象傳真機，其特征是:包括射頻前端模塊、數字信號處理模塊及顯示控制模塊，所述射頻前端模塊用于完成射頻信號向中頻信號的轉變，所述數字信號處理模塊用于完成中頻信號的數字解調，所述顯示控制模塊用于顯示接收的氣象傳真圖與輸入控制。
2.按照權利要求1所述的數字氣象傳真機，其特征是:所述射頻前端模塊包括依次相連的低噪聲放大器(I)、可調諧預選濾波器組(2)、可變增益放大器(3)、第一混頻器(4)、第一中頻濾波器(6)、第一中頻放大器(7)、第二混頻器(8)、第二中頻濾波器(10)及第二中頻放大器(11)，所述第一混頻器(4)與第一本振(5)相連，所述第二混頻器(8)與第二本振(9)相連；所述第一混頻器(4)通過所述第一本振(5)將所需射頻信號上變頻到30MHz?80MHz，而后經所述第一中頻濾波器(6)濾波后進入所述第一中頻放大器(7);所述第二混頻器(8)通過所述第二本振(9)將所需射頻信號上變頻到440KHZ，而后經所述第二中頻濾波器(10)濾波后進入所述第二中頻放大器(11)。
3.按照權利要求1所述的數字氣象傳真機，其特征是:所述數字信號處理模塊包括模數變換器(12)及FPGA核心板(13)，所述模數變換器(12)完成中頻440KHz信號的數據采樣，將模擬信號變換到數字域作為所述FPGA核心板(13)的輸入；所述FPGA核心板(13)用于完成氣象傳真信號的數字解調功能。
4.按照權利要求3所述的數字氣象傳真機，其特征是:所述顯示控制模塊包括ARM核心板(14)、鍵盤(15)及液晶顯示器(16)，所述ARM核心板(14)將所述FPGA核心板(13)送來的圖像數據以圖片格式進行存儲，將時間、日期信息加于所述圖片上，并實現圖片的放大、縮小、移動、旋轉功能以及對圖片進行管理與檢索；所述鍵盤(15)位于所述液晶顯示器(16)的邊緣，與所述液晶顯示器(16)上顯示的軟件界面相對應，通過編程實現不同界面下的不同功能；所述液晶顯示器(16)用于顯示氣象傳真圖以及軟件界面。
5.按照權利要求4所述的數字氣象傳真機，其特征是:所述顯示控制模塊還包括USB接口 (17)，所述USB接口 (17)由所述ARM核心板(14)控制。
6.按照權利要求4所述的數字氣象傳真機，其特征是:所述顯示控制模塊還包括蜂鳴器(18)，所述蜂鳴器(18)由所述ARM核心板(14)控制。
【文檔編號】H04N1/32GK203377950SQ201320441947
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月24日 優先權日:2013年7月24日
【發明者】卓維平, 曾賢文, 姚子龍 申請人:南京海善達信息科技有限公司