基于MATLAB的气象传真信号的FM解调算法

李永锋+寇学锋+穆菲菲+杨启超

摘 要 气象传真接收机是船舶在航行中获取水文气象资料的主要手段。现在气象传真接收机大多采用模拟电路实现，导致接收机数字化程度不高，不便于气象信息的有效利用。本文针对现在气象传真接收机问题，在基带信号处理算法基础上，结合了气象传真信号自身的特征，提出了FM的解调方案以及对应算法，并对解调算法在MATLAB平台上做仿真和验证，最后验证了算法的科学性和可行性。

【关键词】FM解调 气象传真信号 MATLAB

1 绪论

现阶段通信技术出现了数字调制方式取代模拟调制方式的趋势。但调频调制方式因其具有抗噪声性能好、易于实现的优点而被广泛应用于无线通信的各个领域。对于无线通信系统中，使用调频调制方式时，调频方式能克服电平波动的影响，因此无线气象传真机大都采用调频方式进行调制。解调模块同样是接收机最核心的部分，解调方法及其实现过程直接影响解调效果，而解调效果又直接影响接收机的灵敏度和抗干扰等指标。

目前国内主流气象传真接收机大多采用基于DSP的非相干解调算法，在实现上比较简单，但其解调效果不理想，尤其是在信噪比较高时，其解调效果要比相干解调差。FM相干解调适用于窄带调频信号，抗干扰能力强。另外，FM解调器可采用模拟电路实现，也可采用数字信号处理方式实现。

本文采用了FM相干解调方法，结合数字正交解调原理对气象传真信号进行处理，并在Matlab平台上实现解调算法，然后验证算法的可行性以及观察算法的解调效果。

2 气象传真信号特征及格式

气象传真通信由发送端和接收端构成，首先发送端将一张图像完整地送到接收端。在发送端，将要发送图片通过光电转换为相应强度的脉冲信号，然后将其调制成频率相对中心频率为1900Hz 400Hz的传真信号，此信号调制后发送到接收端，接收端经过相应的解调过程，最后恢复气象传真图。传真图逐行扫描发送和接收，在合作指数576时，气象传真信号的发送和接收格式如图1所示。

由图1可知，整个气象传真图由5部分构成。当扫描速度采用120行/min时，即每行图像信号发送时间为0.5s，接收端接收速度也为120行/min。表1为气象传真图中各组成信号的说明。

3 解调方案及方法

本文采用直接调频FM相干解调方法，结合数字正交分解技术，调频信号的FM正交解调流程图如图2所示。

气象传真是短波信号经过下变频后得到的窄带信号，其已调信号数学表达式：

要得到解调信号m（n）只需去除直流分量?ω即可。从整个解调算法的推导可知，该算法只有乘法和加减运算，便于实现和应用。

气象传真接收机通过天线接收气象站台发送的短波信号，短波信号频率范围为12～25MHz，通过下变频处理变成基带信号，下变频用跟踪环路来实现；基带信号通过带通滤波器（频率范围1.3～2.5kHz）处理，除掉频段外不需要的信号，然后通过与本地载波信号相乘就得到解调后的信号；信号再通过低通滤波器滤除信号中的低频，然后通过数据格式变换成图像信号；再对图像信号做打印前预处理，调整图像显示格式，最后对图像中的噪声信号做噪声滤除处理。本设计在MATLAB中的调频信号解调方案流程图如图3所示。

4 仿真与验证

在Matlab平台上对气象传真信号验证FM正交解调算法的可行性和解调效果。仿真实验输入信号来自气象传真接收机接收到一段真实气象信号，该信号经过下变频后得到基带范围内的传真信号。然后转换为3min时长的音频信号，通过MATLAB函数读入这段音频信号，实际气象传真信号数据波形如图4所示。

由图4可知实际传真信号由有效传真信号和噪声信号混合而成。下变频后的数据再经过带通滤波器（其上、下截止频率分别为1.3kHz、2.5kHz）可得到去掉带外信号的数据波形如图5所示。

然后是对信号做正交解调去载波处理，解调出来的数据波形如图6所示。

对解调出的传真信号进行二值化图像预处理。要将整个图像呈现出明显的黑白效果，需要采用不同的阈值对数据做门限判决。本文采用了30、65、95、120、150、175、200、227和255这9个数值对数据进行二值化调理后的数据如图7所示。

对二值化图像数据进行合并压缩和结构变形等处理后绘制出传真图。此处读取音频数据时长是3min，最终绘制出的气象图如图8所示。

从最终解调的气象图可看出，图中数字、字母和经纬线等有用信息都非常清晰，但输入信号本身含有噪声，故解调出的气象传真图也带有噪声。而去除气象图噪声用图片去噪方法即可，本文就不在赘述。

5 结论

本文对气象传真信号特征和格式做了详细介绍，并且对FM正交解调算法进行了详细推导。由MATLAB仿真结果知，FM解调算法能很好恢复出调制信号，解调出的气象传真图能够满足接收机的性能指标要求。

参考文献

[1]许开宁，曾连荪.气象传真图的实时接收[J].气象与环境学报，1997，8（01）：30-35.

[2]顾兵.无线气象传真接收机数字解调系统设计[D].哈尔滨工程大学，2006.

[3]薛年喜.MATLAB在数字信号处理中的应用[M].北京：清華大学出版社，2003.

作者单位

陕西宝成航空仪表有限责任公司 陕西省宝鸡市 721006