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和軟件解調技術實現NAVTEX接收機的方法，應用基于短時快速傅立葉變換的方法實現了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境、溫度等外界因素影響而導致誤碼率升高等問題，有效地提高了NAVTEX接收機的環境適應性和工作可靠性。

　　引言

　　NAVTEX接收機自動接收海岸電臺發射的航行告警、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境影響的特點，導致傳統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和軟件解調的方法，實現了信號的數字化和軟件解調，提高了接收機的環境適應性和工作可靠性。

　　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用于接收本地語言播發的信息。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現信號解調，硬件解調電路中的鎖相環路跟蹤輸入信號，并通過正交相位檢測、濾波和比較器后實現信號解調^[2]。但由于鎖相環路中的VCO的震蕩頻率會隨著外部環境的變化發生100Hz左右的漂移，導致了NAVTEX接收機靈敏度會隨著溫度的變化而下降，甚至在低溫時出現完全不能正確解調數據的問題。

　　2 軟件解調原理^[3]

　　眾所周知，2FSK信號的實質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信號的頻率，完成既定的一段短時間內信號的頻譜分析即可實現2FSK信號的解調。

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

　　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，并通過窗函數的時間平移來覆蓋整個時域，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為原信號在時刻t處τ時段內的截斷信號，
     

　　通過式2可獲得時間窗內原信號的頻譜分析情況，當時間窗函數移動時，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律。且由于信號截斷在時刻t處的τ時段，當τ足夠小時，可視為信號在t時刻的頻率，這正是2FSK信號解調所需要的基本條件。

　　2.2 基于短時傅立葉變換的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。