0 引言
我国自20世纪50年代以来，与国际同步实施了www(世界天气监测)计划，逐步建立了www网。该网基本上是以短期预报所需要的各高度上的温、压、湿、风、云及辐射等观测资料为基础，通过多年的建设，已形成了地基和空基探测相结合的探测体系。提高天气预报准确率是气象部门的首要任务之一，为了达到此目的，预报必须向定时、定点和全程滚动的方向发展，使中期、短期、短时、临近预报的准确率均有提高。要做到这一点，需要高精度的观测资料，这也对气象探测接收机提出了更高要求。
由探空气球和气象传感器组成的探空仪，在上升过程中将大气层中40 km以下不同高度的气象数据(温度、湿度、气压、各种气体含量等)发送给地面，地面接收机接收探空仪发送的气象信息，通过气象监测网进入气象数据库，同时，工作人员对接收的各种数据进行分析。
一般探空仪结构框图如图1所示。
传感器是探空仪的核心器件，它将各种气象信息变成电压信号，包含气象信息的电压信号再通过A/D转换，调制射频振荡器，最后带有气象信息的射频信号通过天线向地面传输。地面接收机接收和解调探空仪的射频信号，就得到了不同高度的气象信息。
1 发射机结构分析
探空仪属于耗材，不可能回收利用，因此要尽力降低成本。与本文接收机配套使用的探空仪射频振荡回路结构简单，便于降低生产成本，其振荡原理见图2。
1.1 振荡电路
图2是典型的电感三点式振荡电路，晶体管的B、C极极问电容Ci与电感L1、电感L2构成LC振荡回路，其中电感是利用晶体管的引线。
振荡频率f0为：
式中：M为L1、L2之间的互感，很小；Ca为天线引入的电容。
当有物体靠近天线时，天线的辐射阻抗发生变化，相应的Ca有微小变化，最终导致振荡频率对周围物体的敏感(负载牵引)。忽略M、Ca，得到振荡频率f0：
射频信号通过可变电容由天线辐射出去。
1.2 调制电路
传感器输出的模拟气象信息经过A/D转换得到TTL电平；数字0、1电平经过分压，加到振荡晶体管的B、C极上，改变B、C反相偏压，进而改变节电容Cj，调制振荡器的射频输出，实现FSK(频移键控)调制。
数字基带信号是异步串口格式，1.2 kbit/s的波特率，每隔1.5 s发送一帧，每帧历时0.2 s，格式如图3所示(此处是通过反相器后的数据)。
晶体管的PN结结问电容与加在结上的反相电压关系如下：
式中：Cj0为零偏压时的结间电容；Vr为反偏电压；φ0为势垒电压；γ为常数，通常取0.5。
TTL电平经过分压后幅度为50 mV(峰-峰)，加到晶体管的基极上，调节晶体管的Cj极问电容Gj，从而调节LC回路的谐振频率，实现FSK调制。通过计算，TTL高低电平对应的频差约500 kHz，与实际用频谱仪观察到的一致。
2 接收机设计
发射机振荡频率在1 680 MHz左右，产品频率偏差达到15 MHz，而且在升空过程中温度逐步下降，振荡频率会缓慢地漂移，此外，由于电源波动，频率可能突然抖动。因此，要求接收机能实现15 MHz的扫频，捕获、跟踪信号，同时在不干扰数据解调的前提下消除频率抖动(瞬时频率抖动达200 kHz)。
根据发射机信号特性，本文设计了一款超外差数字模拟FSK、FM调频两用接收机，兼容国产GTS1型和Vaisala公司RS-80型探空仪，框图如图4所示。
接收机采用两级变频，第一本振模块频率固定在1 230 MHz，将信号下变频为450 MHz频段；第二本振模块为Ⅳ分频PLL(锁相环)，受单片机MPS430F1232控制，用于跟踪射频信号的变化，消除信号频率抖动和温漂，从而稳定第二中频。
2.1 低噪声放大器和第一混频器
探空仪向地面发送信号，近似电磁波在自由空间传播，地面接收的信号强度Sr为：
式中：Pt为发射机的发射功率；Gt、Gr分别为发射天线和接收天线的增益；d为电磁波传播距离；λ为载频的波长。
代人数据，计算出当发射机离地面100 km时，地面接收到的信号约为-100 dBm。
接收到的噪声功率Pn为：
式中：k为波尔兹曼常数；B为第二中频带宽；T为天线噪声温度。
链路计算时可以假设T为290 K，则进入低噪声放大器的噪声功率约为-117 dBm，联系到前面计算的接收信号强度，当探空仪距离地面100 km时，地面接收到的信号载噪比为17 dB。
为了降低混频器引入的噪声，提高灵敏度，通常接收机前端要使用低噪声放大器。根据解调芯片和系统的要求，接收机灵敏度为-110 dBm，解调出的信号信噪比大于18 dB，本文采用
表1所示低噪声放大器和第一混频器的指标组合。
根据级联系统噪声系数公式，总的噪声系数NT为： 
代入数据计算，低噪声放大器、第一混频器的整体噪声系数为2 dB，增益为22 dB，进入调频解调模块的信噪比为15 dB。考虑到相同信噪比情况下调频解调对信噪比的改善(4 dB左右)，可以推测解调出信噪比优于18 dB，达到接收要求。
2.2 数据的解调和数字化
经第一混频得到的第一中频在(450±15)MHz范围，可采用单片调频解调芯片。图4虚线框即是一块单片FM解调芯片，集成了第二级混频、中频放大和鉴频电路，提供RSSI(接收强度指示)；第二本振采用N分频PLL，频率步进可到1 Hz，用于跟踪信号变化，稳定第二中频。单片机是TI公司的MSP430F1232，用于控制第二本振，它还包含多路A/D转换器，可以处理RSSI和解调出的信号。
2.2.1 信号的捕获和跟踪
为了克服中途信号载频的抖动和漂移，单片机要适当对第二本振进行修正，实现对射频信号的跟踪。传统的调频解调方法对本系统不很适用。锁相鉴频电路需要限幅放大中频信号，再经过鉴相器做参考锁相源，且要实现±15 MHz内信号的跟踪，在450 MHz左右实现起来难度较大；调频负反馈电路可以压缩频带，大大抑制噪声，改善门限电平，但电路中的VCO(压控振荡器)只能做微调，适用于固定中心频率的调频解调。此外，由于信号的载频不确定，上电后第二本振有一个扫频的过程，无疑会加大上述两种方法的设计难度。
本文提出了新的信号捕捉、跟踪方法。系统上电后，单片机控制第二本振在(450±15)MHz范围内扫频，同时监测解调出的信号幅度A和RSSI，通过软件分析A和RSSI，当信号质量最高时认为信号被捕获。硬件框图如图5所示。
对于数字型探空仪，通过对发送的数据格式进行分析，1.5 s的发送间隔中有1.3 s是无数据传送的，因此可以在数据传输完成后的1.3 s内对信号搜索一次，修改第二本振，再次捕获射频信号。数据是UART格式，可以通过检测起始位实现帧同步，然后对解调出的数据采样判决。 2.2.2 数据的接收与数字化
数字式国产GTS1型探空仪的接收难点是检测每帧数据的起始位，实现帧同步。本文设计中采用的电路如图6所示。
当信号上出现UART数据的起始位时，鉴频器输出的解调信号经过微分会产生幅度很小的电压脉冲，再通过放大整形，产生触发单片机中断处理的中断信号；单片机进人中断处理程序后按数据的波特率对信号采样，设定门限，判决输出数据；一帧数据采集完成后，单片机退出中断服务，对第二本振进行校正，等待下一帧数据的起始位。
中断服务程序的流程图如图7所示。
2.2.3 模拟型探空仪的接收
Vaisala公司的Rs-80型模拟探空仪是将传感器的模拟信号通过V/F变换得到方波后再调频，信息连续发送；接收机解调出周期信号，再通过脉冲计数电路进行F/V变换，得到各种气象信息。由于探空仪上升过程中传感器输出信号缓慢变化，在接收中较长时间间隔的本振调整不会引入太大干扰，因此可以对解调输出幅度、强度设定一定门限，当信号累计频漂到门限外才对本振进行调整。
3 结束语
气象监测网数据广泛应用于气象业务和科研，以及航空、水文、交通、农业、地质、市政等领域，提高观测质量并逐步实现探测现代化是非常必要的研究课题。本文设计的数字/模拟两用接收机克服了发射机频率抖动、温漂等缺点，针对1 680 MHz频段数字型探空仪，利用帧同步位，在两帧数据的间隙进行频率校正和跟踪，能够保证对数字型探空仪信号的稳定跟踪，实现数据的可靠接收；根据模拟型探空仪信号的特点，可以设定适当的门限，等待信号频率漂出门限后再进行本振调整，实现数据接收。
