基于聲卡的氣象傳真音頻發(fā)生器

王天魁

（青島四三零八機(jī)械廠，山東 青島 266044）

1 概 述

某型短波氣象傳真機(jī)主要由短波收信裝置和傳真接收裝置兩部分組成。其中短波收信裝置原理與短波收信機(jī)相同，可以使用無線電綜合測(cè)試儀測(cè)試指標(biāo)。傳真接收裝置主要由解調(diào)電路、控制電路、記錄電路、面板控制電路以及感熱記錄器組成，負(fù)責(zé)完成氣象傳真機(jī)的自動(dòng)控制、噪聲抑制、FSK鑒頻與熱敏轉(zhuǎn)印等功能[1]。目前，檢測(cè)需要使用短波天線配合短波收信裝置輸出FSK調(diào)制音頻作為輸入信號(hào)，其依賴于氣象發(fā)射臺(tái)的發(fā)送時(shí)間和接收區(qū)域的收信環(huán)境，給修理調(diào)試工作帶來極大不便。為解決這些問題，提高維修和調(diào)試效率，設(shè)計(jì)了一種基于聲卡的氣象傳真音頻發(fā)生器，可以將PC機(jī)加載的任意圖像轉(zhuǎn)換為氣象傳真機(jī)能夠識(shí)別的音頻信號(hào)。使用PC機(jī)不必考慮硬件設(shè)計(jì)，在能夠滿足需求的前提下幾乎零成本。

2 氣象傳真的信號(hào)組成

依據(jù)WMO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳真信號(hào)發(fā)送端通過掃描圖片方式，按照一定的速度與順序產(chǎn)生一個(gè)頻率變化的音頻信號(hào)，經(jīng)調(diào)制后通過短波發(fā)射機(jī)發(fā)送出去。該音頻信號(hào)中心頻率為1.9 kHz，上下頻偏400 Hz。頻偏根據(jù)圖像像素的黑白變化而變化，黑色為1 500 Hz，白色為2 300 Hz。WMO通過規(guī)范合作系數(shù)（Index of Cooperation，IOC）與掃描速度（Revolutions Per Minute，RPM），保證了傳真機(jī)之間的互通性，合作系數(shù)分別為576和288，掃描速度分別為60線/min、90線/min以及120線/min[2]。本文中測(cè)試的氣象傳真機(jī)參數(shù)與WMO標(biāo)準(zhǔn)一致，氣象傳真音頻信號(hào)組成如表1所示[3]。

表1 氣象傳真音頻信號(hào)組成

由此可見，氣象傳真圖信號(hào)只有1 500 Hz與2 300 Hz兩種正弦波，通過兩種信號(hào)不同的持續(xù)時(shí)間組成氣象傳真信號(hào)。

3 聲卡實(shí)現(xiàn)的可行性

聲卡的性能指標(biāo)主要包括采樣深度和采樣頻率，目前常見PC聲卡采樣深度有8位和16位兩種，高端聲卡可以達(dá)到24位和36位。采樣深度反應(yīng)了聲波量化的精確程度。當(dāng)使用16位聲卡時(shí)，可將聲波分成65 536級(jí)，由于PC聲卡最大輸出電平約3 dBm，此時(shí)16位最小分辨率可以達(dá)到0.017 mV。聲卡常見采樣頻率有11 kHz、22 kHz、44.1 kHz、48 kHz及96 kHz，高端聲卡可達(dá)192 kHz，并采用專用DSP處理芯片。采樣頻率越高，用來描述離散信號(hào)的點(diǎn)就越多，失真越小，如48K采樣率時(shí)，可以用48個(gè)點(diǎn)描述一個(gè)周期的1 kHz正弦波信號(hào)。氣象傳真中用到的信號(hào)最高頻率為2 300 Hz。依據(jù)奈奎斯特定理，44.1 kHz采樣率就可以完整還原信號(hào)。

聲卡輸出的量化指標(biāo)主要有總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）、信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）以及最大不失真輸出電平，用來反映數(shù)字聲音信號(hào)經(jīng)聲卡DAC后輸出音頻的還原度[4]。本文中PC端聲卡為HD Audio，Realtek ALC 3287 Codec，支持Dolby Audio，設(shè)置采樣率為44.1 kHz，16位單聲道輸出，實(shí)際使用AV4945C型無線電通信綜合測(cè)試儀分別測(cè)試 300 Hz、1 kHz、1.5 kHz、2.3 kHz以及3 kHz正弦信號(hào)，聲卡音量調(diào)整為最大時(shí)接600 Ω負(fù)載的總諧波失真、信噪比、頻率響應(yīng)（較1 kHz）、頻率誤差以及最大輸出電平，結(jié)果如表2所示。

表2 Realtek ALC 3287 Codec最大音量輸出測(cè)量表

可以看出，聲卡輸出音頻能夠滿足氣象傳真音頻信號(hào)要求。

4 傳輸圖像的要求

PC中存儲(chǔ)的圖片通常為24位真彩色，組成一幅彩色圖像的每個(gè)像素值中有R、G、B三個(gè)基色分量，各占8位，每個(gè)基色分量直接決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度。如果要顯示僅包含黑、白兩種顏色的圖像，則需將彩色圖像二值化，而圖像二值化要先得到灰度圖。

4.1 圖像二值化

灰度圖滿足每個(gè)像素的R、G、B值相等，這個(gè)值就是灰度值。高清彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖遵循ITU Rec.709標(biāo)準(zhǔn)亮度方程，即：

得到灰度圖后，通過設(shè)置閾值并與灰度值比較確定像素是黑還是白。閾值的選擇通常有直接閾值法、自動(dòng)閾值法、最大類間法以及局部自適應(yīng)法4種。直接閾值法就是直接指定閾值，通常選擇128；自動(dòng)閾值法是利用直方圖方找到圖像的兩個(gè)最高峰值，然后在選擇峰谷的最低點(diǎn)作為閾值；最大類間法則是通過最大灰度與最小灰度的均方差確定閾值，其具有不受圖像亮度和對(duì)比度影響，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)；局部自適應(yīng)法不選擇全局閾值，而是根據(jù)自定義的塊大小進(jìn)行局部閾值選擇，具有準(zhǔn)確檢測(cè)灰度變化的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于存在文字和線條的圖像具有很好的二值化效果，本文中閾值選擇即使用了此方法[5]。

4.2 圖像拉伸

二值化后的圖像已經(jīng)具備轉(zhuǎn)換的條件，但要保證輸出的記錄圖像與載入圖像的長(zhǎng)寬比一致并能夠充滿掃描線，需要等比例拉伸載入的圖像。取掃描線長(zhǎng)度為256 mm，當(dāng)合作指數(shù)為576時(shí)，掃描線密度為7.06線/mm，此時(shí)圖像像素寬度應(yīng)為256×7.06≈1 808像素；當(dāng)合作指數(shù)為288時(shí)，掃描線密度為3.06線/mm，此時(shí)圖像像素寬度應(yīng)為256×3.53≈904像素[3]。通過拉伸使載入圖像的寬度分別在576和288合作系數(shù)時(shí)達(dá)到1808、904像素，此時(shí)圖像的長(zhǎng)度像素?cái)?shù)決定了掃描總行數(shù)。

綜上，由程序加載的圖像在轉(zhuǎn)變?yōu)榉蟇MO標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)前，需首先轉(zhuǎn)為灰度圖，然后二值化，再進(jìn)行圖像等比例拉伸，使圖像寬度變?yōu)橐?guī)定像素?cái)?shù)，同時(shí)得到掃描行數(shù)。

5 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)使用C#開發(fā)語言，.Net版本為4.5.0，開發(fā)工具使用VS2019，圖形界面使用Winform，視頻處理使用了自帶System.Drawing.Graphics與System.Drawing.Imaging類庫(kù)；音頻處理使用了NAudio.Net庫(kù)，版本選擇了1.8.3版，是最后一個(gè)沒有.Net版本依賴的版本。

5.1 NAudio.Net庫(kù)介紹

NAudio.Net庫(kù)是基于Windows系統(tǒng)的音頻處理類庫(kù)，能夠使用WaveOut、DirectSound、ASIO以及WASAPI等多種方式輸出音頻，支持主流文件格式，自帶音頻發(fā)生類支持正弦波、矩形波、三角波、白噪聲、粉紅噪聲及掃頻等多種信號(hào)，能夠?qū)σ纛l進(jìn)行分割、鏈接、混音與變頻等聲效處理，支持將音頻保存為音頻文件，支持ACM解碼器的動(dòng)態(tài)加載及顯示聲道波形圖等功能[6]。

5.2 程序?qū)崿F(xiàn)的主要過程

程序設(shè)計(jì)過程中圖像二值化使用局部自適應(yīng)法，通過選擇不同合作系數(shù)和掃描速率確定圖像拉伸寬度與長(zhǎng)度[7-10]。音頻格式WaveFormat的采樣率為44 100 Hz、深度為16位、單聲道輸出，使用Signal Generator類定義黑、白信號(hào)源，音頻片段ISample Provider可以由信號(hào)源通過持續(xù)時(shí)間得到。其中行圖像生成音頻片段是通過計(jì)算行中黑、白像素連續(xù)區(qū)間長(zhǎng)度l得到，連續(xù)區(qū)間的信號(hào)持續(xù)時(shí)間t=tr×l/1 808，tr為行掃描時(shí)間，當(dāng)掃描速度為120線/min時(shí)，tr=475 ms。使用Concatenating Sample Provider類鏈接音頻片段得到完整音頻，最后通過Wave Out輸出。

由于生成后的FSK信號(hào)是交替變換的兩個(gè)頻率正弦波，如不控制波形的初相位，那么輸出音頻能夠聽到明顯的“喀噠”聲音，接收裝置會(huì)識(shí)別到干擾信號(hào)，此時(shí)需要消除信號(hào)間的相位差，即信號(hào)的初相位φ等于前一個(gè)信號(hào)的末相位φ'。可以直接根據(jù)時(shí)域公式計(jì)算出離散的初相位，正弦波遵循的公式為：

式中：A為正弦波的振幅；φ時(shí)正弦波的初始相位角；f為正弦波的頻率，單位為Hz；ω為角頻率，等于2πf；t為時(shí)間。

產(chǎn)生的音頻信號(hào)在與噪聲混合前，可以通過ISampleProvider接口的gain屬性調(diào)整信號(hào)的增益，形成信噪比不同音頻，測(cè)試不同噪聲下的輸出音頻對(duì)接收打印裝置的影響。

6 結(jié)果分析

通過PC聲卡輸出音頻為不平衡信號(hào)，直接加載到接收裝置600∶600隔離變壓器前端，通過比較熱敏打印效果與加載圖像比例相同，圖像清晰。加載噪聲后明顯可見圖像清晰度變差，與預(yù)期一致。

7 結(jié) 論

本文針對(duì)短波氣象傳真機(jī)在維修和調(diào)試過程中受制于氣象傳真的發(fā)送時(shí)間和接收區(qū)域環(huán)境的問題，設(shè)計(jì)了一種利用PC機(jī)加載圖像，轉(zhuǎn)換音頻信號(hào)模擬氣象傳真。能夠不依賴外部氣象傳真信號(hào)，不受接收時(shí)間和接收環(huán)境的限制，在實(shí)際維修和調(diào)試過程中具有很好的使用價(jià)值。