基于软件解调的新型NAVTEX信号处理单元研制

摘要：本文提出采用DSP和软件解调技术实现NAVTEX接收机的方法，应用基于短时快速傅立叶变换的方法实现了NAVTEX信号软件解调，克服了传统NAVTEX接收机硬件相干解调所具有的受环境、温度等外界因素影响而导致误码率升高等问题，有效地提高了NAVTEX接收机的环境适应性和工作可靠性。

引言

NAVTEX接收机自动接收海岸电台发射的航行告警、气象告警以及其它安全导航信息，为船舶安全航行提供重要信息保障，是全球海上遇险和安全系统的重要组成部分^[1]。传统的NAVTEX接收机的信息解调部分采用模拟硬件电路，由于模拟电路易受环境影响的特点，导致传统的接收机灵敏度下降，进而使其不能正确接收报文。本文介绍了基于DSP和软件解调的方法，实现了信号的数字化和软件解调，提高了接收机的环境适应性和工作可靠性。

1 NAVTEX接收机原理和信号特点

1.1 接收机工作原理

NAVTEX接收机主要由射频接收模块和信息处理模块组成，其组成和信号流图如图1所示，信号经天线接收以后送入射频接收模块，射频接收模块完成滤波、低噪声放大，并将信号下变频至中心频率为1700Hz的模拟音频信号，该信号经滤波放大后送入信息处理模块，其中解调单元完成信息解调，恢复出数字信号后送入信息处理单元，信息处理单元完成协议编解码，送信息显示单元完成信息显示。

1.2 NAVTEX信号特点

根据IEC61097国际规范，NAVTEX系统的工作频率为518KHz、490KHz或4209.5KHz，其中518KHz用于接收英文信息，490KHz或4209.5KHz用于接收本地语言播发的信息。其采用F1B的调制方式，即2FSK调制方式，载波频率f±85Hz表示数字0或1，调制速率100Bd。

传统的NAVTEX接收机采用硬件电路以锁相解调原理实现信号解调，硬件解调电路中的锁相环路跟踪输入信号，并通过正交相位检测、滤波和比较器后实现信号解调^[2]。但由于锁相环路中的VCO的震荡频率会随着外部环境的变化发生100Hz左右的漂移，导致了NAVTEX接收机灵敏度会随着温度的变化而下降，甚至在低温时出现完全不能正确解调数据的问题。

2 软件解调原理^[3]

众所周知，2FSK信号的实质是采用信号频率随着时间做二值变换的方式完成信息的传输^[4]，如果能获知既定时间内信号的频率，完成既定的一段短时间内信号的频谱分析即可实现2FSK信号的解调。

通过时域信号的傅立叶变换可实现信号的频域分析，获取信号的频谱分布、能量大小和延迟等信息^[5]，但其与时间维度没有确定的关系，而短时傅立叶变换在频谱分析的基础上，引入了时间维度，具有在既定短时内完成信号频谱分析的特点，特别适合2FSK信号的解调。

2.1 短时傅立叶变换

短时傅立叶变换首先使用随时间滑动的分析窗对信号进行加窗截断，然后用傅立叶变换分析各短时信号的频谱，并通过窗函数的时间平移来覆盖整个时域，完成信号的频谱分析^[6]。

设s(t)为原信号，h(t)为窗函数，则式1为原信号在时刻t处τ时段内的截断信号，
     

通过式2可获得时间窗内原信号的频谱分析情况，当时间窗函数移动时，信号随时间的先后进行FFT分析，从而得到信号频谱随时间变化的规律。且由于信号截断在时刻t处的τ时段，当τ足够小时，可视为信号在t时刻的频率，这正是2FSK信号解调所需要的基本条件。

2.2 基于短时傅立叶变换的2FSK解调算法

典型的2FSK离散数字信号可表示为^[7]：
     

其中a_i是第i个码元，N是码元宽度，f₁和f₂时是2FSK信号的两个频率，fs是采样频率。

离散2FSK信号经过式2短时离散傅立叶变换后，可获得2FSK在确定时刻内的频谱情况，由2FSK信号的特点可知，经短时傅立叶变换后，其频谱分量中f₁和f₂的幅值比其他频率分量的幅度值大，且当频谱分量中f₁大于f₂的幅值时，表明当前时间窗口内为频率 f₁，其解调后对应数字1，反之，则解调后应为0。

结合式2和式3，可得2FSK信号的两个载波频率点
     
           

　　判为码元1，否则判为0，且每个码元内的采样点个数N_s=Nf_s，当移动窗移动步长为L_s时，则每个码元内的短时傅立叶变换的次数为N_f=N_s/L_s，每次变换通过公式6计算1次当前移动窗内信号的频率，相当于解调出了N_f次的0或1，每个码元进行了Nf次的比特判决，可以有效减少由干扰、噪声等因素引起的误判。

2.3 比特同步和码元判决

根据2.2介绍，每1个码元内解调出Nf个数据比特，取Nc个码元作为比特同步窗，当Nc足够大时，采用下述方法实现码元同步，步骤如下：

(1)计算第1个