CN103428401B - 数字气象传真机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用来接收气象信息的数字气象传真机，包括射频前端模块、数字信号处理模块及显示控制模块，所述射频前端模块用于完成射频信号向中频信号的转变，所述数字信号处理模块用于完成中频信号的数字解调，所述显示控制模块用于显示接收的气象传真图与输入控制。本发明采用数字解调技术将接收的气象信息转换成数字信号，并且进行存储、显示，精度高、抗干扰能力强、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及航海通信装置，具体地说是一种数字气象传真机。
背景技术
根据国际气象组织(WMO)规定，世界上各大区域都建立了气象传真无线电广播网，以发送各地的气象信息。根据气象信息，船舶可以及时获得海上天气分布情况、天气预报和警报等大量有用的海洋气象情报，这对于保障海上航行安全、选择最佳天气航行等方面具有重要意义。
气象传真机是用来接收气象信息的装置。迄今为止，我国自行研制生产的H/HQC001以及ZSQ-3型船用气象传真机主要采用模拟技术，体积庞大，精度低，抗干扰能力差，以至于该产品在国内未得到推广。目前，国内船舶通导市场的主要产品为日本古野公司的FAX-408及日本大洋公司的FAX-708型气象传真机，这两款产品都是采用模拟解调方式，而且使用传统的热敏打印机输出气象图，不仅热敏头较容易损耗，而且消耗大量的热敏纸，使用维护成本高，也不利于长久保存。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种使用维护成本低、精度高的数字气象传真机。
按照本发明的技术方案：一种数字气象传真机，包括射频前端模块、数字信号处理模块及显示控制模块，所述射频前端模块用于完成射频信号向中频信号的转变，所述数字信号处理模块用于完成中频信号的数字解调，所述显示控制模块用于显示接收的气象传真图与输入控制。
所述射频前端模块包括依次相连的低噪声放大器、可调谐预选滤波器组、可变增益放大器、第一混频器、第一中频滤波器、第一中频放大器、第二混频器、第二中频滤波器及第二中频放大器，所述第一混频器与第一本振相连，所述第二混频器与第二本振相连；所述第一混频器通过所述第一本振将所需射频信号上变频到30MHz～80MHz，而后经所述第一中频滤波器滤波后进入所述第一中频放大器；所述第二混频器通过所述第二本振将所需射频信号上变频到440KHz，而后经所述第二中频滤波器滤波后进入所述第二中频放大器。
所述数字信号处理模块包括模数变换器及FPGA核心板，所述模数变换器完成中频440KHz信号的数据采样，将模拟信号变换到数字域作为所述FPGA核心板的输入；所述FPGA核心板用于完成气象传真信号的数字解调功能。
所述显示控制模块包括ARM核心板、键盘及液晶显示器，所述ARM核心板将所述FPGA核心板送来的图像数据以图片格式进行存储，将时间、日期信息加于所述图片上，并实现图片的放大、缩小、移动、旋转功能以及对图片进行管理与检索；所述键盘位于所述液晶显示器的边缘，与所述液晶显示器上显示的软件界面相对应，通过编程实现不同界面下的不同功能；所述液晶显示器用于显示气象传真图以及软件界面。
所述显示控制模块还包括USB接口，所述USB接口由所述ARM核心板控制。
所述显示控制模块还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器由所述ARM核心板控制。
本发明的技术效果在于：本发明采用数字解调技术将接收的气象信息转换成数字信号，并且进行存储、显示，精度高、抗干扰能力强、成本低；采用高中频方案，大大提高了传真机的中频抑制比与信道选择性；采用人机交流方式，提高了操作精度。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图。
图2为本发明的外观示意图。
图3为本发明中的数字信号解调流程图。
图4为本发明中的显示控制模块的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1、图2中，包括低噪声放大器1、可调谐预选滤波器组2、可变增益放大器3、第一混频器4、第一本振5、第一中频滤波器6、第一中频放大器7、第二混频器8、第二本振9、第二中频滤波器10、第二中频放大器11、模数变换器12、FPGA核心板13、ARM核心板14、键盘15、液晶显示器16、USB接口17、蜂鸣器18等。
如图1所示，本发明是一种数字气象传真机，包括射频前端模块、数字信号处理模块及显示控制模块，射频前端模块用于完成射频信号向中频信号的转变，数字信号处理模块用于完成中频信号的数字解调，显示控制模块用于显示接收的气象传真图与输入控制。
射频前端模块包括依次相连的低噪声放大器1、可调谐预选滤波器组2、可变增益放大器3、第一混频器4、第一中频滤波器6、第一中频放大器7、第二混频器8、第二中频滤波器10及第二中频放大器11，第一混频器4与第一本振5相连，第二混频器8与第二本振9相连。
可调谐预选滤波器组2由四组带通滤波器组成，带通滤波器由FPGA核心板13输出的控制信号进行选通。第一混频器4为上变频混频器，通过第一本振5将所需射频信号上变频到30MHz～80MHz，而后经第一中频滤波器6滤波后进入第一中频放大器7，构成高中频方案，提高了系统的中频抑制比。第二混频器8为下变频混频器，通过第二本振9将所需射频信号上变频到440KHz，而后经第二中频滤波器10滤波后进入第二中频放大器11，此信号作为数字信号处理模块的输入。
数字信号处理模块包括模数变换器12及FPGA核心板13。模数变换器12完成中频440KHz信号的数据采样，将模拟信号变换到数字域作为FPGA核心板13的输入。FPGA核心板13是本发明的核心处理单元，FPGA核心板13上由电源控制电路、FPGA最小系统和存储芯片组成，用于完成气象传真信号的数字解调功能。
显示控制模块包括ARM核心板14、键盘15及液晶显示器16。
ARM核心板14为控制单元，由ARM9芯片、电源电路和存储芯片构成，其中ARM9芯片内嵌Linux操作系统。ARM核心板14实现以下功能：将FPGA核心板13送来的图像数据暂存为BMP格式，并将BMP格式转换为JPG图片格式进行存储；图片保存之前将时间、日期信息加于图片上；可实现图片的放大、缩小、移动、旋转功能；可以对图片进行管理与检索。
如图2所示，键盘15位于液晶显示器16的边缘，与液晶显示器16上显示的软件界面相对应，通过编程实现不同界面下的不同功能。键盘15为硅胶按键，一般包含5个可编程按键F1、F2、F3、F4与F5。
液晶显示器16一般采用15寸工业级液晶屏显示器，用于显示接收到或正在接收的气象传真图以及软件界面。
显示控制模块还包括USB接口17及蜂鸣器18，USB接口17及蜂鸣器18分别由ARM核心板14控制。USB接口17可连接使用USB接口的打印机与U盘，可以选择打印所需的气象传真图或将已经接收到的气象传真图考入到U盘进行转移。蜂鸣器18用于发出对应于各种操作的提示音。
本发明的工作原理如下：本发明采用数字中频方案。射频前端模块将信号频谱搬移到中频(440KHz)；具有8M采样率的高速模数变换器12将该中频信号转换为数字中频信号并将其发送给FPGA核心板13；在FPGA核心板13中，数字中频信号经历数字下变频模块变为采样率为80KHz的基带IQ两路信号。数字下变频模块中，直接数字序列发生器(DDS)受控于远程控制信号检测模块输出的频偏信息发出8MHz采样率下的复中频载波信号；从模数变换器12输出的数字中频信号与该复中频载波信号相乘得到8MHz采样率下的CPFSK基带IQ两路信号。
数字信号解调由可编程逻辑器件FPGA核心板13实现，完成数字滤波、下变频、FSK信号解调以及射频前端控制功能。数字信号解调流程如图3所示：在选定频道后，首先检测起始信号，若检测到起始信号成功，则继续检测相位信号，否则继续等待；若检测到相位信号后，对相并确定发送速率，若没有则退回，检测起始信号；接收图像信号前首先要检测行同步信号，若检测成功，则接收一行数据，若检测失败，则检测是否有结束信号；接收一行图像数据判断是否一行接收完毕，如果是则继续检验行同步信号，如果不是则继续接收；进入检测结束信号的环节，无论成功与否，结束本章图像接收。
显示控制模块的工作流程如图4所示：GUI界面应用程序用于等待事件发生，处于不断扫描的状态，检测是否有改变显示事件、需要打印事件、需要存储事件、输入事件以及UART通信事件。若检测到改变显示事件，则调用LCD驱动；若检测到需要打印事件，则调用USB打印驱动；若检测到需要存储事件，则调用SD驱动；若检测到输入事件，则进入输入事件处理模块，调用键盘驱动获取键值并返回键值给输入事件处理模块，最后由输入事件处理模块将键值送到GUI界面应用程序；若检测到UART通信事件，则进入与FPGA通信模块，对FPGA传送的帧格式进行解析，判断是数据信息还是图像信息，如果是数据信息则进入数据处理模块进行数据格式转换并将数据送入GUI界面应用程序，如果是控制信息则进入命令解析处理模块进行分析并将控制信号送入GUI界面应用程序。
本发明使用的关键技术有：
1、降采样率可变的CIC降采样
气象传真信号码率包括160/22KHz(IOC＝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)六种情况。为了方便后续处理，本发明按照接收图片的IOC、RPM参数将8MHz采样率的CPFSK基带IQ两路信号的采样率降为相应码率的22倍，即160KHz、80KHz、60KHz、40KHz、30KHz、20KHz，。该过程由一个降采样率可变的CIC降采样器完成。在CIC降采样器中，数据经历了四级采样率变化，第一级为5倍CIC降采样器，第二级为5倍CIC降采样器，第三级为3倍CIC升采样器，第四级为降采样率可以在3/6/8/12/16/24之间变化的CIC降采样器。第4级降采样率可变CIC降采样器由5级积分器、几个抽样器、5级差分器构成，其中的抽样器的抽样倍数可变。经过CIC降采样器后的低采样率IQ两路信号经过带宽为1200Hz的基带FIR滤波器后被输出给CPFSK信号解调模块和远程控制信号检测与信道估计模块。
2、CPFSK信号的简化序列解调方法
在判决一个码元时，本发明在远程控制信号检测模块输出的同步脉冲的控制下，截取66个以上采样率为22倍码率的基带IQ两路信号的样点，其中前22点为第i-1个码元时间内的基带信号样点，中间22个样点为第i个码元时间内的基带信号样点，后22个样点为第i+1个码元时间内的基带信号样点。
记截取的66个复数样点数据序列为Si。在该序列检测器中，Si与000、001、010、011、100、101、110、111八种可能的序列数据进行相关，取相关结果最大的序列的中间码元值作为第i码元的判决值。在完成一个码元的判决后，将该判决值输送给图像处理与输出模块，同时将取数窗口后移一个码元时间(22个样点)。
3、码元定时信息和信号频偏信息的检测与恢复
气象图的对相信号为周期性黑白交替信号，每周期先出现5％的白信号，在出现95％的黑信号，周期为行重复周期。本发明通过采用匹配滤波的方法对信号进行互相关计算，当相关值大于信号平均功率的一定比例时，判断出现了对相信号。
与对相信号检测并行进行着一个混频操作，用2300Hz复信号与数据相乘。相乘的结果被送入数字鉴频器，当判断出现对相信号时，将鉴频器输出作为频偏值输送给数字下变频用以使之将频偏影响去除。从判断出现对相信号的时刻开始，根据信号码率和本地定时周期性的产生每行数据的定时脉冲并送给解调模块用以正确截取数据样点。
4、气象图的起始信号、结束信号的检测方法
本发明在FPGA中对信号进行监测，将信号输入鉴相器，并对鉴相器输出进行频率检测。当监测到信号的频率变化轨迹的300Hz或者675Hz信号分量能量大于总能量的一定比例时，判断出现了图像起始信号，并根据频率大小改变输出给可变速率CIC降采样器的IOC寄存器值，当出现300Hz时将IOC变为576，当出现675Hz时将IOC变为288。当监测到信号的频率变化轨迹的450Hz信号分量能量大于总能量的一定比例时，判断出现了图像结束信号。当出现开始信号时，将解调器输出的码元序列按照图像排布，每行图像像素在IOC＝576时为1818点，当IOC＝288时为909点。当出现结束信号时，将结束生成图像并将生成好的图像存储起来。
本发明具有以下优点：
1、将超外差接收机结构与数字中频解调方案相结合，既保留了超外差短波接收机灵敏度高、选择性好的优点，又引入了数字解调技术，采用现代信号处理算法完成数字域的滤波以及信号解调，克服了模拟解调的非线性损伤及模拟电路精度低、对震动敏感、抗干扰能力差等缺点；
2、采用高中频方案，将第一中频设置在30MHz～80MHz(传统为10MHz)，大大提高了传真机的中频抑制比与信道选择性；
3、提供了一种最直接的人机交流方式，不需要繁琐的文本操作说明，而且提高了操作精度，大大降低了操作员错误操作的概率；
4、基于嵌入式软件设计，提供了一种开放型、可扩展的硬件平台，接收频率、解调方式以及按键面板均可以通过软件重新配置，使得该气象传真机与新、旧体制兼容，延长了生命周期；
5、将接收到的传真天气图通过液晶显示器16直接显示，并将数据录入内存，便于图像的管理，可实现气象图的查询检索，使用外接打印机选择性打印输出，而且打印之前可以对图像做预处理，如降噪、相位纠正等操作，这样避免了无效的打印输出，节约了资源；
6、可配置激光打印机，克服了热敏打印方式的传真图不能长期保存的缺点；
7、结构简单紧凑，成本低。
Claims (3)
1.一种数字气象传真机，其特征是：包括射频前端模块、数字信号处理模块及显示控制模块，所述射频前端模块用于完成射频信号向中频信号的转变，所述数字信号处理模块用于完成中频信号的数字解调，所述显示控制模块用于显示接收的气象传真图与输入控制；
所述射频前端模块包括依次相连的低噪声放大器(1)、可调谐预选滤波器组(2)、可变增益放大器(3)、第一混频器(4)、第一中频滤波器(6)、第一中频放大器(7)、第二混频器(8)、第二中频滤波器(10)及第二中频放大器(11)，所述第一混频器(4)与第一本振(5)相连，所述第二混频器(8)与第二本振(9)相连；所述可调谐预选滤波器组(2)由四组带通滤波器组成，带通滤波器由FPGA核心板(13)输出的控制信号进行选通；所述第一混频器(4)为上变频混频器，通过所述第一本振(5)将所需射频信号上变频到30MHz～80MHz，而后经所述第一中频滤波器(6)滤波后进入所述第一中频放大器(7)；所述第二混频器(8)为下变频混频器，通过所述第二本振(9)将所需射频信号上变频到440KHz，而后经所述第二中频滤波器(10)滤波后进入所述第二中频放大器(11)；
所述数字信号处理模块包括具有8M采样率的高速模数变换器(12)及FPGA核心板(13)；所述模数变换器(12)完成中频440KHz信号的数据采样，将模拟信号变换到数字域作为所述FPGA核心板(13)的输入；所述FPGA核心板(13)上由电源控制电路、FPGA最小系统和存储芯片组成，用于完成数字滤波、下变频、FSK信号解调以及射频前端控制功能；在FPGA核心板(13)中，数字中频信号经历数字下变频模块变为采样率为80KHz的基带IQ两路信号；
所述显示控制模块包括ARM核心板(14)、键盘(15)及液晶显示器(16)，所述ARM核心板(14)将所述FPGA核心板(13)送来的图像数据以图片格式进行存储，将时间、日期信息加于所述图片上，并实现图片的放大、缩小、移动、旋转功能以及对图片进行管理与检索；所述键盘(15)位于所述液晶显示器(16)的边缘，与所述液晶显示器(16)上显示的软件界面相对应，通过编程实现不同界面下的不同功能；所述液晶显示器(16)用于显示气象传真图以及软件界面。
2.按照权利要求1所述的数字气象传真机，其特征是：所述显示控制模块还包括USB接口(17)，所述USB接口(17)由所述ARM核心板(14)控制。
3.按照权利要求1所述的数字气象传真机，其特征是：所述显示控制模块还包括蜂鸣器(18)，所述蜂鸣器(18)由所述ARM核心板(14)控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NANJING HAISHANDA INFORMATION SCIENCE + TECHNOLOGY Free format text: FORMER OWNER: NANJING HONGHANG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20141224 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 210000 NANJING, JIANGSU PROVINCE TO: 210028 NANJING, JIANGSU PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20141224 Address after: Qixia District of Nanjing City, Jiangsu province 210028 and Yan Road 371, East Building Science Park by C505 Applicant after: Nanjing Haishanda Information Technology Co., Ltd. Address before: 210000 Jiangsu Province, Nanjing city Liuhe District Longchi street Xiongzhou Road No. 399 building four unit 105 Park handsome Room 202 Applicant before: Nanjing Honghang Electronic Technology Co., Ltd. |
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Addressee: Nanjing Haishanda Information Technology Co., Ltd. Document name: Notification to Pay the Fees |
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Addressee: Nanjing Haishanda Information Technology Co., Ltd. Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
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Address after: Room 203, building D, National Science and Technology Park, Southeast University, No. 2, Dongda Road, Jiangbei new district, Pukou District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210032 Patentee after: NANJING HAISHANDA INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Qixia District of Nanjing City, Jiangsu province 210028 and Yan Road 371, East Building Science Park by C505 Patentee before: NANJING HAISHANDA INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Digital Meteorological Fax machine Effective date of registration: 20220602 Granted publication date: 20160629 Pledgee: Nanjing Branch of Jiangsu Bank Co.,Ltd. Pledgor: NANJING SANDEMARINE INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007057 |