（精密仪器及机械专业论文）传真信号数字化处理模块设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 目前，利用气象传真接收机设备，船舶能够及时、方便地接收到各个海 域的气象云图及海况信息，气象传真机已经在军民大型船舶和远洋航行的安 全保障方面起到了不可忽视的作用。无线气象传真接收机在各个领域的广泛 应用，推动了航海气象事业的发展。但是在现有的航海气象服务模式中，国内 气象传真机还基本停留在模拟化处理阶段上。与国外同时代产品相比，国内 气象传真机体积庞大，内部电路结构的集成度低、可靠性差，并且不能与计 算机相连接，传真图信息的查询检索很不方便。这些问题制约了国内气象传 真机的发展和应用。 本论文设计了一种基于t m s 3 2 0 v c 3 3 处理器和p c 1 0 4 总线的传真信号数 字化处理模块电路，进行了系统的软件设计与实现。能够完成气象传真信号 的解调和气象图的接收，并能根据上位机指令将气象图数据和信息传送到上 位机中，方便了船舶对航海气象信息的管理和利用。 在处理传真信号的过程中，所设计的系统能够自动检测遥控信号、对相 和选择扫描速度，并能够根据扫描速度的不同自动调整图像数据量大小。在 图像数据上传方案中，采用分块数据处理方法，提高了系统的实时性。同时 该电路模块的集成度高，采用p c 1 0 4 总线驱动下的双口r a m 方式实现了与上 位机主设备的接口，更加方便实用。 本设计中还对传真信号的解调模块进行了测试并得到满意的效果，利用 上位机接收软件成功接收到了气象传真图，验证了系统的工作性能。 关键词：气象传真机；传真信号解调；数字信号处理；双口r a m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t n o w a d a y s ，b ym a k i n gu s eo ft h ew e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v e r , t h es h i p sc a n r e c e i v et h en e p h o g r a ma n dt h ei n f o r m a t i o no f e a c hs e a a r e ai nt i m ea n d e x p e d i e n t l y t h ew e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v e r h a sa l r e a d yt a k e ni n d i s p e n s a b l e a c t i o n so nt h es a f e t i e so ft h ew a r s h i p s ，c i v i l i a ns h i p sa n dv o y a g e sa s p e c t s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si ne a c hr e a l mo ft h ew i r e l e s sw e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v e r m a k eag r e a td e v e l o p m e n to ft h ev o y a g ew e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v i n ge n t e r p r i s e b u ti nt h ee x i s t i n gs e r v i c em o d eo ft h ev o y a g ew e a t h e r , t h ed o m e s t i cw e a t h e r f a c s i m i l er e c e i v e rs t a y sa r o u l l dt os i m u l a t i v ec i r c u i tp e r i o d c o m p a r e dw i t ht h e p r o d u c t i o n so ft h es a m ek i n da b r o a da tt h es a m et i m e ，t h ed o m e s t i cp r o d u c t i o n s h a v es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h el a r g ev o l u m e ，p o o rs o l i d i t y , l o ws c a l e i n t e g r a t i o n ，a n dc a n tc o n n e c tw i t ht h ec o m p u t e rw h i c hm a k e si ti n c o n v e n i e n tt o s e a r c ht h ei n f o r m a t i o no ft h ef a c s i m i l ei m a g e s t h e s ep r o b l e m sa r er e s t r i c t i o no f t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ed o m e s t i cw e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v e r t h i st h e s i sd e s i g n e dak i n do fe l e c t r i cc i r c u i tm o d u l ew h i c hi sb a s e do nt h e p r o c e s s o ro ft m s 3 2 0 v c 3 3a n dt h eb u so fp c 10 4 ，t h i sm o d u l ec a nd e m o d u l a t e t h ef a c s i m i l es i g n a la n dr e c e i v et h ef a c s i m i l ei m a g e s ，a n di ta l s oc a nt r a n s f e rt h e f a c s i m i l ei m a g ed a t a sa n di n f o r m a t i o nt ot h em a s t e rc o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h e i n s t r u c t i o no ft h em a s t e rc o m p u t e r , t h u st h i sm o d u l ec a l lo f f e rac o n v e n i e n c e p l a t f o r mi nt h em a n a g e m e n ta n dt h ee x p l o i t a t i o no f t h es e aw e a t h e ri n f o r m a t i o n i nt h ep r o c e s so fd e a l i n gw i t ht h ef a c s i m i l es i g n a l ，t h i sm o d u l ec a nd e t e c tt h e r e m o t ec o n t r o ls i g n a l ，i n p h a s ea n ds e l e c tt h es c a ns p e e da u t o m a t i c a l l y ，a n dt h i s m o d u l ec a na l s oa d j u s tt h ei m a g es i z e sa c c o r d i n gt ot h es c a ns p e e da u t o m a t i c a l l y i nt h ei m a g ed a t at r a n s f e rw a y ，t h i sd e s i g nt a k e sab l o c kd a t am o t h e d ，a n dt h i s w a yr a i s e s t h er e a l i t yo ft h es y s t e m a tt h e s a m et i m et h ee l e c t r i cc i r c u i t s i n t e g r a t i o ni sh i g h e r ，t h ei n t e r f a c ew i t ht h e m a s t e rm a c h i n ei se a s i e rv i at h e p c 1 0 4b l 】s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h es y s t e mg o tas a t i s f i e dr e s u l ti nt h et e s to ft h ed e m o d u l a t i o no ft h e f a c s i m i l es i g n a l ，a n ds u c c e s s f u l l yr e c e i v e dt h ew e a t h e rf a c s i m i l ei m a g e sb yt h e r e c e i v es o f t w a r ei nt h em a s t e rm a c h i n e ，a n dv e r i f i e dt h ef u n c t i o no ft h i ss y s t e m k e yw o rds ：t h ew e a t h e rf a c s i m i l er e c e i v e r ；t h ed e m o d u l m i o no ft h ef a xs i g n a l ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；d u a lr a m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字)：董荤梁 日期：2 0 0 7 年2 月s 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外气象传真机发展动态 传真机的诞生派生于电子钟的发明，早在1 8 4 2 年，苏格兰人亚历山 大贝恩就首创了通过电报线路传输可见符号的装置- 干睾真机。随着时间 的推移，传真机的应用已深入到信息通讯的各个领域，特别是在新闻、气象、 档案传递、报纸等方面。其中无线气象传真机应用于接收无线短波广播的气 象图和卫星云图，是海上油田、各种船舶及陆地气象台站的主要配套设备之 一 目前，国内无线气象传真接收机主要用于接收天气图和气象卫星云图。 天气图是气象分析和预报的主要依据，根据w m 0 国际气象组织的有关规定， 世界上各大区域和国家、局部地区广泛建立了气象传真的无线( 短波) 广播 网，定频定时发送各种气象图表，收集和交流各种气象资料。它与电传电报 相比，省去了填图抄报的繁琐工作，提高了时效，减少了差错率，开阔了收 集气象情报的途径，对于正在航行的船舶，飞机以及中小型气象站具有普遍 的现实意义。 尽管国内气象传真机研制的起步较早，但其发展缓慢。早在1 9 6 5 年我国 就研制成功了第一台6 5 型气象传真机，7 0 年代，传真机生产走上了自行设 计、制造及多品种、高技术发展的道路。1 9 7 1 年研制成功7 1 型气象卫星云 层照片传真机；1 9 7 2 年试制成功体积小、成本低、质量好的7 2 型气象传真 机；1 9 7 6 年起又开发出z s q 系列气象传真机。8 0 年代，传真机技术进入更新 和技术引进阶段，1 9 8 8 年6 月试制成功远洋船用能接收国际、国内无线电传 真广播气象图的z s q - 3 型气象传真机，如图1 1 所示。 z s q 3 型气象传真机是具有代表性的国产气象传真机，它接收频率范围 广，可接收到我国及境外有关机构发布的各类气象传真云图和海况信息图。 目前该传真接收机已经在我国气象传真的各个领域得到了广泛的应用，军民 船舶上大多采用这种专用的无线气象传真机来接收气象信息。但是该机还基 本上停留在模拟化处理基础上，与国外同类产品相比较，该机型体积庞大， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内部电路结构的集成度低、可靠性差，并且该机不能与计算机相连接，导致 其应用性能大打折扣。 图1 1z s q - 3 型无线气象传真接收机 相比之下，世界上很多国家的气象传真机技术发展值得关注。日本气象 传真机技术在国际上一直处于比较领先的地位，其中比较具有代表性的是古 野公司的f u r i j n o 系列传真机，其中的f ) 卜_ 2 0 7 是它最具代表性的一款气象 传真机，如图1 2 所示。 图1 2f x 一- 2 0 7 系列气象传真机 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f ) 【- - 2 0 7 系列传真机既可以接收气象图信息，又可以接收气象导航和搜 救等无线电传英文报，具有体积小、重量轻和自动化程度高等优点。尤其是 机内存储了全球所有的气象发射台的呼号和频率，因此不论在任何海域无须 任何调整就可以接收到气象信息。目前，古野公司推出的f x 一3 0 系列传真 机采用网页浏览器方式，可以非常方便地接收到气象图并将气象图存储放在 计算机中。 1 2 数字式传真机组成 目前，国内模拟式气象传真接收机由短波收信装置和传真接收装置组成， 其中传真接收装置主要是由“解调电路”单元、“控制电路”单元、“面板 控制电路”单元、“记录与扫描电路”单元、电源装置以及记录装置( 通常 采用热敏打印机) 所组成。比如z s q 3 型传真接收机的方框示意图如图1 3 所示n ，。 天线 图i 3z s 0 - 3 型传真接收机方框示意图 短波收信装置的作用是根据气象传真发送电台的指定频率选择接收短波 信号，并将来自天线的电波进行放大和外差，取得传真信号，然后将其送入 传真接收装置。传真接收装置的作用是将解调得到的图像、相位、遥控信号 等信息送入记录与扫描电路单元，然后记录得到纸质图像。 图1 4 为数字传真接收机的方框示意图，其中传真信号数字化处理模块 是数字传真接收机的重要组成部分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 天线r 一一一一一一一一一一一一：一一一一一一一一! 嚣目攀障 模块i 控制接收i 块 l i 传真图像i 网捌l 海图 处理机1 h 处理机 il l l ； 传真图接像收部分 i ! 传真图像处理部分 l l 竺兰竺竺一一：一! 竺竺兰一： l jo 一一i 图1 4 数字传真接收机方框示意图 数字传真接收机将短波收信模块电路的输出仍然是f s k 传真信号，其控 制由数字化处理模块来完成，这样短波收信模块的集成度得到提高，而且调 试和改进方便。数字化处理模块实现控制短波收信模块工作、接收和处理传 真信号，然后将传真图像数据上传到传真图像处理机中，在传真图像处理机 中完成图像的后处理。数字传真接收机的体积小，内部电路结构简单，信号 处理功能强大并可以通过更新软件来实现信号处理等优点，更为重要的是图 像信息和数据存储在计算机中，为后续的图像处理和应用提供了方便。 1 3 传真信号数字化处理部分的技术参数 传真信号数字化处理部分是指从短波收信装置输出的调频信号( f s k 信 号) ，经过数字化处理模块到传真图像处理机之间的电路，其主要技术参数如 下： ( 1 ) 气象电台频率：数字化处理模块中将存储世界气象组织( 删o ) 公布 的世界无线气象电台和国内使用的所有气象电台的广播频率，并且留有一定 的存储空间供使用者设置或增加新的电台频率。 ( 2 ) 输入信号电平；一3 5 d b - - - + l o d b ，典型值o d b ，输入匹配阻抗6 0 0 q 。 ( 3 ) 遥控启动信号：当传真接收部分收到持续5 s l o s 的黑白交替信号， 重复频率为3 0 0 h z 时或6 7 5 h z 时表示采用对应的合作系数遥控启动。 ( 4 ) 遥控停止信号：当接收到持续5 s 、4 5 0 h z 黑白交替信号，后接一持续 i o s 的连续无空段黑信号，自动停止记录。黑白交替信号的波形近似为矩形 波，频率允差为1 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 合作系数( i n d e xo fc o o p e r a t i o n ，1 0 c ) ：合作系数为5 7 6 和2 8 8 ， 相应扫描线密度分别为7 0 6 线m 和3 5 3 线m m 。当传真接收部分收到持续 5 s l o s 的黑白交替信号，重复频率为3 0 0 h z 时，表示合作系数为5 7 6 ；重复 频率为6 7 5 h z 时表示合作系数为2 8 8 。该遥控信号的波形近似矩形波，频率 允许误差为1 。两台不同型号的传真机互相通信，即使幅面不同，只要合 作系数相同，就能按比例放大或缩小，而不产生图像的失真。 ( 6 ) 图像记录格式：每行数据记录从左到右，行与行记录从上到下，每行 数据必须紧接前一行进行记录。 ( 7 ) 扫描速度与对相的选择方式：当接收到下述情况信号时，能自动选择 扫描速度和自动对相。 a ) 持续约3 0 s 的黑白交替信号，其中相位自信号占一条扫描线的5 ， 而黑信号占9 5 ，其黑白信号交替频率如表1 1 所示。 表1 1 扫描速度与相位信号频率关系 扫描速度( 线m i n ) 6 09 01 2 0 1 8 02 4 0 相位信粤交替频率( h z ) 1 o 1 52 03 o4 0 b ) 发送传真图像信号时，具有扫描长度的4 - 5 的无空段黑信号，即行 同步信号。 ( 8 ) 传真图像信号的频率与传真信号的频带宽度：对于无线电传真通信来 说，主要考虑到回波影响，最高图像信号频率二一般不能超过9 0 0 h z ，在 回波现象较少时最高图像信号频率可扩展到1 2 0 0 h z 。按黑( 1 5 0 0 h z ) 、白 ( 2 3 0 0 h z ) 信号调制后，频带宽度约为7 0 0 - - - 3 1 0 0 h z 。因此，无线电接收机 的通频带不能大于3 1 0 0 h z 。 1 。4 论文的主要研究内容 论文的主要研究内容是设计数字传真接收机中的数字化处理模块电路， 完成传真信号的接收控制、解调和气象图的实时接收。同时将接收到的气象 图像数据和控制信息传送到上位机系统中，为进一步的信息处理和应用创造 条件。 论文的结构安排如下： 第一章介绍了气象传真机的发展概况，数字气象传真机的组成和主要技 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术参数，课题的意义、背景和主要内容。 第二章介绍了传真信号的组成内容与格式，以及传真信号的调制和解调 方法。 第三章提出了传真信号数字化处理电路的硬件设计方案、总线形式、数 字信号处理器的选择及各组成模块的具体设计，给出了电路设计原理图。 第四章主要描述了应用软件设计与开发过程，包括低通滤波器设计、传 真图对相算法、接收控制、图像数据传送以及该系统与上位机的命令交互等 内容。 第五章给出并分析了单元和系统测试结果，验证了系统的整体性能。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章传真信号的解调 2 1 传真信号的组成与形式 传真通信是利用扫描和光电变换技术，从发送端将文字、图像、照片等 静态图像通过有线或无线通道传送到接收端，并在接收端以纸质或数字记录 的形式重现原静止图像的通信方式。要将一张图像完整无缺地传送到对方， 首先要进行图像分解，将发送的图片按照一定的规则分解成很多微小单元( 象 素、象元或象点) ，然后通过光电转换，将每一个象元的不同光密度( 般指 纸面上的光亮度，即黑白程度) 转变为幅度与象元亮度成比例的直流脉冲电 信号( 称为图像信号) 。图像信号经调幅或调频转变为调制波信号，再功率放 大等处理后通过有线或无线通路传送到接收端。在接收端，传真接收机收到 传真信号后，首先需要放大，以补偿信号在传输中的损耗，然后经过解调， 转变为图像信号，最后通过合成完成图像的复制过程。 f ：r j i ； 发信部分；i；i信号传输部分；i 收信部分 - 发信部分；j 信号传输部分 ； 收信部分 图2 1 传真通信的基本过程 由图2 1 可见，传真通信由发信部分、信号传输部分和收信部分组成， 其基本工作过程可归纳为图像分解、光电转换、信号传输与变换( 包括调制 和解调) 和图像记录合成。其中图像信号的传输一般通过短波发射机，将图 像信号以频移键控方式( 调频) 调制，然后通过高频载波将其发送出去。 根据国际气象组织( w m 0 ) 的有关规定，世界上各大区域和国家广泛建立 了气象传真的无线广播网，定频、定时发送各种气象传真图像，收集和交流 气象资料。通常，气象传真图是二值图像。它是逐行扫描发送的，当扫描速 7 度为1 2 0 行m i n 时，即每行图像信号发送时间为0 5 s 。信号的组成与格式如 图2 2 所示：整个传真图由遥控启动信号、相位信号、行同步信号、图像信 号、遥控停止信号五大部分组成。表2 1 是各组成部分的内容说明。 起始信号：豺 厂 r 广 广 厂 ! 螋一丝一几一 印s 一 ；3 _ 百可丽历叫 1 2 0 行 ； i ； 自( 2 3 0 0 f f z ) ： 相位信号或 j一32s ： ； 6 忻t ；i ；i 二；n 黑线厂 nl；r - 司羽窜r n ”一厂 一r 1 i 最长2 0 分 十2 0 3 啦一 ul 一j l 一 醵謦| 一t 弧l； 长短不定；白广百 白厂 r r - - 1 ： 。器门厂 厂 厂 ：二薹美聂： r 几 器卜一慧一 2 0 行卜一5 0 0 m s 图2 2 传真图发送格式 表2 1 传真图发送信号内容 信号类型内容 起始信号持续1 0 s 、频率为3 0 0 h z 的方波信号，即共有2 0 行的信号 持续6 0 s ，即1 2 0 行的相位信号( 也有3 2 s ，6 4 行的情况) ， 相位信号 每行自信号占5 ，黑信号占9 5 每行图像开头部分持续时间为2 5 m s ，由4 5 m s 时间的白信 行同步信号 号和2 0 5 m s 时间的黑色信号组成 整幅图像大小是变化的，1 0 2 0 m i n 不等，每行图像信号持 图像信号 续时间4 7 5 m s ，与行同步信号构成一完整行 持续5 s 、频率为4 5 0 h z 的方波，即1 0 行；持续l o s 的高 结束信号 电平信号( 黑象素) ，即2 0 行 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 传真信号的解调 2 2 1 传真信号解调方案 信号调制方式主要有调幅和调频两种，由于调幅波通信受电平波动的影 响较大，所以在无线通路这种电平波动较大的通路上传输传真信号时，一般 不宜使用调幅方式。而调频方式中，载波的瞬时频率受调制信号的控制做周 期性变化，但已调波的振幅保持不变。和调幅方式相比，调频方式的主要优 点是抗干扰性强，能克服电平波动的影响，所以无线气象传真机大都采用调 频方式进行调制。 传真信号的解调有相干解调和非相干解调两类，相干解调抗干扰性能好， 但它要求设置与发送设备中的高频载波同频同相的本地参考载波，使得设备 复杂，因此一般调频系统都采用非相干解调。常用的非相干解调算法有锁相 环法、过零检测法和包络检测法，其中锁相环法解调允许输入调频波有较低 的信噪比门限电平，特别适合气象传真信号的解调。 该设计中传真信号的解调过程是将调频波的频率变化规律( 调制信号) 变换为输出电压。理想的调频波是等幅的，对于带有寄生调幅或幅度受到干 扰的调频波，在解调电路前一般都增加限幅电路，用以消除调频波的寄生调 幅，提高解调电路的输出信噪比。传真信号解调电路包括信号解调和遥控信 号选频电路。其输入信号为短波收信装置输出的f s k 信号。 传真信号解调电路结构如图2 3 所示。 图2 3 传真信号解调电路结构框图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 传真信号分析 通常情况下，传真信号采用移频键控方式调制，假定信号如图2 4 ( a ) 所示，则调制后的信号为图2 4 ( b ) 所示。 记 录 电 调 频 信 号 ( b ) 图2 4 图像信号的调制 由上图可见，它有两个载频，即通常所称的黑信号频率厶( 1 5 0 0 h z ) 和自 信号频率名( 2 3 0 0 哟，它们的中心频率为矗( 1 9 0 0 哟，即：厶- - a 一4 厂， 名= 五+ 鲈，式中v 称为频率偏移值。 传真调频信号的频谱特性分析如下： 调频电流的表示式为： f = i m 。s i n ( w o t + m ，s i n w ，t ) ( 2 1 ) 式中：载波的振幅，a w o 中心频率的角频率，r a d s 图像频率的角频率，r a d s m ，调频指数 ，a ， m f2 万2 云( 2 - 2 ) 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述的调频电流的公式可用贝塞尔函数展开如下： f = i m 。s i n ( w o t + 脚，s i n w p t ) = k s i n ) c o t c o s ( m is i n w r t ) + c o s w o t s i n ( m ，s i n w p t ) 】 = l 。 j o ( 所，) s i n w o t + i i ( m ) s i n ( w o + w e ) t s i n ( w o 一1 ) f 】 + j 2 ( m f ) s i n ( w o + 2 w p ) t + s i n ( w o 一2 w v ) t 】 ( 2 3 ) + 以( m ) s i n ( w o + 3 w e ) t s i n ( w o 一3 w p ) t 】 j - + 以( m r ) s i n ( w o + ，舢p v + ( 1 ) ”s i n ( 一，删p ) 订+ ”， 式中： 一，坍；。埘； 所； 。j o ( m i ) 卅+ 笋+ 歹毒一歹葫扣 m ，坍；脚： j l ( m ) 2 等。一焘+ 万考两) j i 以( 咿荔m nf l 一志+ 砑4 + + _ 瓦熹奖瓦+ 】 p1 2 2 p ( 胛+ 1 ) ( 疗+ 2 ) ( 刀+ 力 。 由上述计算式可见，调频信号除有载频w 0 之外，还有+ 2 w p 、 w o + 3 w ，、w o ，n 等许多高次边频成分，因此一般来说，调频信号的 频带比调幅信号要宽些。 当图像信号的频率厶固定不变时，频移值a ，的增加使调频指数研，增 加，高次边频的幅度加大，因而所需频宽也较宽。当频移值v 固定时，增 加，使调制指数减小，当可不是很大( _ _ _ 4 0 0 h z ) ，而最高图像频率较高时， 则传输一次边频。此时的频宽约等于最高图像频率的两倍，接近于调幅波的 带宽。频谱的中心频率就是调频信号的中心载频1 9 0 0 h z ，频谱的范围就是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 正一由该课题设计的数字传真接收机技术参数可知，传真机接收的图 像频率最大值一约为1 2 0 0 h z 。 2 2 3 传真信号的锁相环法解调过程 锁相环电路是一个传递相位的死循环系统，其电路组成如图2 5 所示。 图2 5 锁相环电路组成 传真调频信号输入锁褶环电路后，将按其频率大小转化为直流电压信号， 然后再对此信号进行放大、滤波、缓存和信号幅值调整，得到图像信号。 该设计中锁相环电路选用l m 5 6 5 锁相环集成器件，该器件对输入的交流 信号进行频率检测，将输入频率与参考频率做比较，二者的差以直流电平的 形式给出。其电路设计如图2 6 所示。 i 图2 6l m 5 6 5 锁相环电路应用设计图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 锬相环电路参考频率为1 5 0 0 h z ( 黑点信号) ，当输入为2 3 0 0 h z ( 自点信 号) 时其输出高电平，当输入为1 5 0 0 h z 时输出低电平，而当输入信号频率在 1 5 0 0 h z 2 3 0 0 h z 问变化时，其输出电压对应成线性变化。l m 5 6 5 锁相环集成 器件的7 、8 脚之间的电容决定了v c o 的中心频率，显然，对于传真信号解调， v c o 的中心频率为1 9 0 0 h z 。相位比较器为一异或门，其逻辑关系为当输入的 两信号同为高电平或同为低电平是其输出为低电平，当两信号电平值不同时 输出为高电平。 下面分别以黑、自两种信号来说明锁相环路的解调过程，解调输出波形 如图2 7 所示。 白2 3 0 0 b i z 厂 厂 厂 厂 厂1 厂 * 一* 一m 厂 厂 厂 厂 厂 厂 出厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 - 。厂 厂 厂 厂一 琐* 后，。输mf 一 饿一输出 nnnn几n 几厂 图2 7 锁相环解调波形示意图 当无调频信号输入时，相位比较输出后经锁相环本身的低通滤波输出控 制v c o 输出频率为1 9 0 0 h z 。当输入1 5 0 0 h z 的黑信号时，调频信号与v c o 输 出信号进行相比，相位比较器的输出中脉宽占空比发生变化，经低通滤波后 加到v c o 控制端，改变v c o 输出频率，由于其为锁相环路，最终v c o 输出频 率为1 5 0 0 h z ，锁相环路的两信号频率相等时，必有一恒定相位差。这一恒定 相位差就使得相位比较器输出信号脉宽占空比为一定值( 不为1 ) ，这样相位 比较器输出信号中就有一与1 5 0 0 h z 信号相对应的直流分量，这一直流分量就 可由低通滤波器取出。而相位比较器输出经过锁相环的低通滤波器维持v c o 输出1 5 0 0 h z 的信号。 同理，当输入调频信号为自信号时，即为2 3 0 0 h z 时，同样，相位比较器 输入信号脉宽占空比不同，这一信号经低通滤波器控制v c o 输出频率变化直 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到等于2 3 0 0 h z ，调频信号与y g o 信号相位差为一定值，这一相位差与输入黑 信号是的相位差值不同，这一相位差值经相位比较器输出得到脉宽占空比不 为i 的信号，这一信号的直流分量对应于2 3 0 0 h z ，然后由低通滤波器取出， 同时，相位比较器输出信号经锁相环的低通滤波器维持v c o 输出2 3 0 0 h z 的信 号。 这是输入信号固定为黑、白两种信号时的工作过程，而当信号交替为黑 白信号时，锁相环即为动态响应过程。 具体的电路原理图参见附录a ：图a 1 。 2 3 本章小结 本章首先介绍了传真信号的组成内容与形式，然后提出了传真信号的解 调方案，分析了传真调频信号的波形特性和锁相环法解调过程。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计与实现 3 1 总体方案 传真信号数字化处理模块要求完成以下几个主要功能：气象广播电台的 选择、电台频率数据传送和频率微调数据传送；气象传真信号的解调；气象 传真图像的实时接收；通过双口r 枷方式与上位机进行通信。 由于该电路模块最终要嵌入到数字传真接收机中，所以本模块电路从物 理结构上分为解调电路和传真信号数据处理电路两部分，并且两部分相互独 立，任何一部分都可进行单独的测试和使用。解调电路部分同传真信号数据 处理部分用接口线相连，传真信号数据处理部分采用板对板接口连接器和上 位机相连。根据上述要求该模块电路整体硬件设计框图如图3 1 中虚框部分。 r 一一? 一1 图3 i 传真信号数字化模块整体设计图 系统的基本工作原理是：根据上位机选择的电台命令控制短波收信装置 接收相应电台的短波信号，经短波收信装置后输出传真信号，然后将传真信 号送入解调模块进行解调，得到的遥控和图像信号通过模数转换后送入 t m s 3 2 0 v c 3 3 处理器进行处理，进而检测传真机工作状态和记录图像数据，然 哈尔滨工程大学硕士学位论文 后根据上位机的命令将图像信号数据和传真机状态发送至上位机部分，在上 位机中进行图像数据进行处理，以得到与发送方相同的气象图。该电路各组 成部分及其功能说明如下： ( 1 ) 台站控制接口电路 该部分的主要功能是完成短波收信装置的控制，包括频段选择、传送频 率数据和频率微调数据等内容。 ( 2 ) 解调电路 该电路是将短波收信装置输出的传真信号进行解调，取出黑白或灰度图 像信号、遥控启动合作系数和遥控停止信号。主要由锁相环解调电路和遥控 信号选频电路所组成，该电路的输出信号将进入模数转换模块电路。 ( 3 ) 模数转换电路 该电路部分实现图像模拟信号和遥控模拟信号向数字信号的转换，以供 后面图像、遥控信号的数字化处理。 ( 4 ) 传真信号数据处理电路 即基于t m s 3 2 0 v c 3 3 的处理电路，该电路由时钟电路、复位电路、存储器 模块等组成，完成短波收信装置控制、电台频率数据处理、遥控信号采集与 检测、图像信号采集和处理、上位机的命令接收处理等工作。 ( 5 ) 双口r a m 通信电路 该部分采用p c 1 0 4 总线同上位机进行通信，是传真信号数据处理电路和 上位机之间进行信息交换的渠道。同时也作为两边的内部存储器使用。传真 图像的数据、接收状态上传和上位机的命令下达均通过该电路实现。 ( 6 ) 电源模块 由于解调电路和传真信号处理部分相互独立，电源将分别供应。解调电 路部分电源主要考虑的是锁相环芯片和放大器芯片的电压和功耗；而传真信 号处理部分则考虑t m s 3 2 0 v c 3 3 及其外围设备的供应电压和功耗情况。 具体的电路原理图参见附录a ，图a 1 为传真信号解调电路原理图，图a 2 为传真信号数据处理电路原理图。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 总线结构与数字信号处理器的选择 3 2 1p c 1 0 4 总线结构 简单地讲，p c 1 0 4 是i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 标准的 延伸总线，1 9 9 2 年p c 1 0 4 作为基本文件被采纳，叫做i e e e p 9 9 6 1 兼容p c 嵌入式模块标准。p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线， 其总线结构的1 0 4 根信号线分布在两个总线连接器上：p 1 连接器上有6 4 个 信号引脚，p 2 连接器上有4 0 个信号引脚。本电路中p c 1 0 4 总线连接线路 如图3 2 所示。 p c i 0 4 脚 图3 2p c 1 0 4 总线连接电路图 图3 2 中所示的p c d x 为上位机的数据总线，同总线驱动器7 4 l c x l 6 2 4 5 - 2 的输出端相连接，p c h x 为地址总线，同总线驱动器7 4 l c x t 6 2 4 5 - 3 的输出端 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相连接。而总线驱动器的输入端口总线连接在双口r a m 的数据和地址线上， 如图3 3 为双口r a i 同p c 1 0 4 之间的数据、地址总线驱动器的连接图。 p d d m1 d i i e l 舰1m p d d o ! - 1 嘲 胱1v l p d d l 52 0i 1 p o l 5 1 幢 2 加 l 越 一 p 1 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；由上位机驱动，用来定义访问双1 3 r a m 中的地址空间； ( 3 ) 数据信号线( p c d ) ：双口r a m 与上位机进行数据交换的8 位双向数据总线； ( 4 ) 内存读信号线( p c 嗽) ：由上位机驱动，用于把双口r a i l 指定存 储单元的数据读入上位机； ( 5 ) 内存写信号线( p c 卿) ：由上位机驱动，用于把上位机数据总线 上的数据写入双口r a m 的指定存储单元； ( 6 ) 内存1 6 位选择信号线( p c m c s l 6 ) ：本电路中直接上拉成高电平， 以保证双口r a i 与上位机之间采用1 6 位数据交换； 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 7 ) 中断请求信号线( i r q x ) ：用于本电路向上位机c p u 发出的中断 请求。 3 2 2 数字信号处理器的选择 对于传真信号数字化处理电路应用系统来说，选择信号处理的主芯片是 一个非常重要的环节。该系统的信号处理部分的基本功能是获取传真图像信 号数据，然后根据上位机的命令经简单的数据处理上传至上位机。系统中信 号处理的时间主要花费在遥控信号和相位信号的检测、图像数据记录和实时 传送等方面，但是系统设计时考虑到以后系统软件功能的扩展，如解调功能 可以采用软件方式实现等，对信号处理器的速度和性能要求会更高。所以本 设计选择t m s 3 2 0 v c 3 3 作为数字信号处理主芯片。t m s 3 2 0 v c 3 3 是一种高性能 的c m o s3 2 位器件，是t i 公司的第一代浮点数字信号处理器芯片，该芯片具 有适合于数字信号处理的软件和硬件资源。既有灵活性，又具有处理速度快、 能力强、可做到实时性等优点。其快速指令周期为1 7 n s ，即每秒6 0 兆次指 令( m i p s ) ，浮点运算速度可达到1 2 0 兆次( 岍l o p s ) 。 除了最快指令执行速度特点外，t m s 3 2 0 v c 3 3 本身还具有下面的特性： 内置5 倍频的锁相环( p l l ) 时钟发生器； 1 6 3 2 位整数运算，3 2 4 0 位浮点运算； 为了简化i o 及存储器器件的接口，内部配备了4 个页选通信号 ( p a g e o - p g e 3 ) ： 3 2 位数据总线( d 3 1 一d o ) ，2 4 位地址总线( a 2 3 一a o ) ，最大1 6 m 的寻址空间； 1 路d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) ； 1 4 4 引脚l q f p 封装； 采用引导方式支持8 位、1 6 位或3 2 位外部低速r o m 中的程序加载到 内部3 2 位高速r a m 中指定位置，实现高速运行； 支持多处理器间的互锁指令。 同时基于t m s 3 2 0 v c 3 3 处理器的外围器件选择也需要根据系统要求和处 理器支持性能来选择。由于t m s 3 2 0 v c 3 3 只能提供3 4 k * 3 2 b i t s 的片内存储器， 而系统中需要存储世界和国内的气象电台频率等大数据量的信息，程序代码 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也比较长，所以需要扩展片外的r o l l 和r a m 容量。本设计选择f l a s h 存储器 存放软件程序，根据d s p 芯片的性能，选择8 或1 6 位字长，3 3 v 工作电压 等基本参数。外扩r a m 主要考虑到以后