帶全數字超短波發送器的水文遙測終端機的制作方法

本發明屬于水文環境監測技術領域，特別涉及一種帶全數字超短波發送器的水文遙測終端機。

背景技術：

水文參數對生產生活有重要影響的信息。在降雨量較高的汛期，水文信息的及時測量是進行洪水預報的重要前提。20世紀以超短波方式傳送水文參數是遙測終端采用的主要方式。2000年以來，公用移動網絡迅速普及覆蓋，采用公用移動網絡進行數據傳輸的技術已廣泛應用于水文遙測，GPRS方式更是使用最多的傳輸方式。然而公用移動網絡存在維護時段，此時GPRS終端無法傳輸數據。雖然網絡維護通常在夜間進行，但是夜間的水情數據的重要性沒有比白天降低，尤其在降雨量較大的天氣情況下，水雨情信息的及時到達對防汛決策指揮至關重要。在我國的一些偏遠地區，公用移動網絡也依然不能很好地覆蓋，采用公用移動網絡進行傳輸的水文遙測終端無法使用。使用超短波通信方式的水文遙測系統無論作為既有公網信道的備用信道，還是缺少公網覆蓋地區的主要通信信道依然有著重要的應用需求。

對于超短波信道，通常采用FSK-FM制式來傳輸數據。即對“0”和“1”的二進制碼流，通過頻移鍵控(FSK)的方式，將數據脈沖信號調制到副載波上，即以980Hz代表“1”，以1180Hz代表“0”。然后這些副載波以適當的電平送入調頻(FM)模擬電臺進行調制，之后進行功率放大，攜帶數據信息的高頻電波通過空間發往接收中心站。中心站的調頻電臺把含有數據信息的高頻調頻信號還原為副載波信號。這些副載波信號經過解調器后變為數據脈沖信號，供計算機接收顯示。遙測終端機的FSK調制與中心站的FSK解調常采用諸如MC145442、CMX868等商用集成電路。FM調頻電臺通常使用外置超短波電臺，該電臺工作于模擬方式，其調試和制作成本較高。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的問題，本發明的目的在于提供一種集成超短波發送器的低成本水文遙測終端機。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種帶全數字超短波發送器的水文遙測終端機，包括水文信息采集模塊和數字超短波發送器，水文信息采集模塊采集的水文數據通過數字超短波發送器發送至中心站；所述水文信息采集模塊包括單片機和傳感器；所述傳感器的輸出經調理后，分別與單片機連接；所述數字超短波發送器包括FPGA、功率放大器、射頻帶通濾波器和天線，FPGA的一條IO引腳與功率放大器輸入相連，功率放大器的輸出與射頻帶通濾波器的輸入相連，射頻帶通濾波器的輸出與天線相連；所述FPGA內部包括FSK調制器、FM調制器、Delta-Sigma調制器和數字上混頻器，由單片機輸出的信號Data與FPGA的一條IO引腳相連，作為FPGA的輸入，并與FPGA內部FSK調制器的輸入相連，FSK調制器的輸出與FM調制器的輸入相連，FM調制器的輸出與Delta-Sigma調制器的輸入相連，Delta-Sigma調制器的輸出與數字上混頻器的輸入相連，數字上混頻器的輸出與FPGA的另一條IO引腳相連，作為FPGA的輸出；所述傳感器通過信號連接單片機，單片機通過信號依次連接FSK調制器、FM調制器、Delta-Sigma調制器和數字上混頻器，信號再依次經過功率放大器、射頻帶通濾波器和天線，最終信號通過天線與中心站通信。

所述傳感器包括雨量計和水位計，所述雨量計與單片機的一個中斷引腳相連，所述水位計與單片機的一組并行口相連；所述單片機上具有模數轉換器ADC，供電電池通過分壓電阻網絡與模數轉換器ADC相連。

所述雨量計為翻斗式雨量計；所述水位計為格雷碼水位計。

所述水文信息采集模塊通過單片機的通用異步串行口UART與數字超短波發送器連接，所述數字超短波發送器通過超短波信道將信號傳送至中心站。

所述UART的波特率為300波特。

所述FSK調制器用于對數據信號調制，“0”調制為1180Hz副載波，“1”調制成980Hz副載波。

所述FM調制器采用數控振蕩器NCO。

所述數字上混頻器采用異或門上混頻。

所述數字超短波發送器的輸入信號是擬發送的水文遙測數據，Ready信號用于指示數字超短波發送器是否可進行數據發送。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明采用一片低成本現場可編程門陣列（FPGA）實現將水文遙測數據通過全數字方式直接調制到所需載波頻率，然后經過功率放大器放大濾波后通過天線發送，實現了一個體積小，成本低，可靠性高的超短波水文遙測終端機。

附圖說明

圖1是本發明的模塊框圖；

圖2是超短波發送器的實施例；

圖3是實施例中的FSK和FM波形；

圖4是選用的Delta-Sigma調制器的原理圖；

圖5是全數字超短波發送器的頻譜。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示，本發明帶全數字超短波發送器的水文遙測終端機，包括水文信息采集模塊和數字超短波發送器，水文信息采集模塊采集的水文數據通過數字超短波發送器發送至中心站；所述水文信息采集模塊包括單片機、外圍電路和傳感器；所述傳感器的輸出經調理后，分別與單片機連接；所述數字超短波發送器包括FPGA、功率放大器、射頻帶通濾波器和天線，FPGA的一條IO引腳與功率放大器輸入相連，功率放大器的輸出與射頻帶通濾波器的輸入相連，射頻帶通濾波器的輸出與天線相連；所述FPGA內部包括FSK調制器、FM調制器、Delta-Sigma調制器和數字上混頻器，由單片機輸出的信號Data與FPGA的一條IO引腳相連，作為FPGA的輸入，并與FPGA內部FSK調制器的輸入相連，FSK調制器的輸出與FM調制器的輸入相連，FM調制器的輸出與Delta-Sigma調制器的輸入相連，Delta-Sigma調制器的輸出與數字上混頻器的輸入相連，數字上混頻器的輸出與FPGA的另一條IO引腳相連，作為FPGA的輸出；所述傳感器通過信號連接單片機，單片機通過信號依次連接FSK調制器、FM調制器、Delta-Sigma調制器和數字上混頻器，信號再依次經過功率放大器、射頻帶通濾波器和天線，最終信號通過天線與中心站通信。

所述遙測終端機用于采集水位、降雨量和供電電池電壓。水位測量通過12位并行格雷碼水位計，它連接單片機的并行口。單片機讀取并行格雷碼水位計，經解碼得到當前水位信息。降雨量測量通過翻斗式雨量計，它連接單片機的中斷引腳，單片機對翻斗動作產生的脈沖信號進行計數，得到雨量信息。電池電壓測量通過單片機片上ADC進行，電池電壓經設計的分壓電阻網絡后，得到滿足ADC量程范圍電壓，單片機定時讀取ADC并計算得到電池電壓。

所述傳感器包括雨量計和水位計，所述雨量計與單片機的一個中斷引腳相連，所述水位計與單片機的一組并行口相連；所述單片機上具有模數轉換器ADC，供電電池通過分壓電阻網絡與模數轉換器ADC相連。

所述雨量計為翻斗式雨量計；所述水位計為格雷碼水位計。

所述水文信息采集模塊通過單片機的通用異步串行口UART與數字超短波發送器連接，所述數字超短波發送器通過超短波信道將信號傳送至中心站。UART的波特率通常是300波特。采集所得到的水文信息通過該UART送至所述基于FPGA的數字超短波發送器，通過超短波信道傳送至中心站。

如圖2所示，是數字超短波發送器的實施例。數字超短波發送器包括FPGA、片外的功率放大器、帶通濾波器和天線。

所述FPGA中包括FSK調制器、FM調制器、Delta-Sigma調制器和數字上混頻器。

所述FSK調制器用于對數據信號調制，“0”調制為1180Hz副載波，“1”調制成980Hz副載波。

所述FM調制器采用數控振蕩器NCO。所述FM調制器由基于數字控制振蕩器（NCO）實現。

所述Delta-Sigma調制器為1bit輸出。所述數字上混頻器由異或門實現。所述數字上混頻器采用異或門上混頻。

所述功率放大器是高效的開關功率放大器。

所述數字超短波發送器的輸入信號是擬發送的水文遙測數據，Ready信號用于指示數字超短波發送器是否可進行數據發送。遙測數據經FSK調制器的結果是數字化的FSK波形，圖3（1）顯示了FSK波形和對應的300波特的數據，數據‘1’對應于頻率較低的980Hz，數據‘0’對應于頻率較高的1180Hz。數字化的FSK波形被送入FM進行調制，FM調制結果為多比特數字序列。圖3（2）是FSK經二次調制FM后的波形。FSK波形上幅值較高的位置對應的FM輸出頻率較高，FSK波形上幅值較低的位置對應的FM輸出頻率較低。

圖4是采用的二階Delta-Sigma調制器。FM輸出經過該調制器后得到1比特序列，該序列再經數字上混頻后得到射頻序列，輸出給片外功率放大器進行放大，以提高發射功率。由于采用了Delta-Sigma調制器調制，信號含有大量的帶外噪聲，所以需要通過帶通濾波器濾除帶外噪聲。最后得到所需射頻信號從天線輻射出去。

圖5（1）是FM調制經上混頻后的頻譜，中心頻率在96MHz。圖中可見Delta-Sigma調制器產生的帶外噪聲。圖5（2）是有效信號頻譜部分的放大圖。

本發明具有體積小，低成本的特點。可用于新建超短波水文監測站，也可對已有超短波水文監測站的改造，具有較大的社會效益。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。