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低軌衛星氣象傳真簡易接收介面

No.43   1996 Aug.   p48~51,   by 編輯部



    由美國及前蘇聯發射的低軌氣象衛星,每天由南或由北繞著地球極地跑,並且不斷地傳回掃描地球所得的氣象圖像資料。這些大量的氣象圖片資料從氣象衛星不斷地發出,任何有興趣者都可以免費接收這些資料,因此早就有業餘無線電家或對氣象有興趣的朋友,自己利用接收設備來把玩這些寶貴的資料圖片。

    第一枚這類低軌氣象衛星是由美國於 1963 年發射的 TIROS VIII,該衛星攜帶有自動圖片發送裝置 (APT; Automatic Picture Transmission),世界各地的任何人,只要有興趣,在該衛星通過時,就可以接收到衛星氣象圖片。問題是,要接收這低軌衛星的氣象圖片,早期所需要的裝設費用高得驚人,於是就有些業餘無線電愛好者開始研究如何自組或自製這些設備,很快地就有許許多多這類的製作出現在業餘無線電相關雜誌上。

    如果對接收氣象衛星訊號沒有任何經驗,可以先參考 ARRL 出版的 Weather Satellite Handbook 及 Satellite Experimenter's Handbook,對於接收氣象衛星的接收機及天線都有很詳細的介紹。至於如何解碼接收氣象衛星影像圖片,則必須要有全新的認識,儘管先前的舊技術依然有效,但是最近發展出來的接收系統,不僅更加容易,而且似乎可以讓每一個有興趣者都可以實現。


瞧瞧氣象衛星圖像

    低軌氣象衛星開始以自動圖片發送裝置運作時,業餘人員都是採用圖鼓方式的傳真機器接收這類圖片,後來才發展出以陰極射像管顯示氣象圖像,費用更低,效果更好。後來慾望不斷提昇,有人希望陰極顯示幕上的圖像可以放大微觀,更希望可以做基本的影像處理及列印,因此在 1980 年代初期,就有業餘愛好者利用剛發展出來的個人電腦技藝,以資料的方式儲存這些影像圖片,讓氣象圖片顯示在個人電腦螢幕上,而且可以放大影像、做基本的影像處理、儲存在電腦的各類記憶體上。

    隨後個人電腦發展出了高解析度且價廉的各種顯示卡,徹底改變了氣象衛星的接收方式,現在只要花數千元台幣就可以買到一片介面版,用來接收氣象衛星圖片。


JVFAX

    JVFAX 基本上是一多功能的影像通訊軟體,這程式是由德國業餘家葉博賀 (Eberhard Backesholf) 發展出來的,他的業餘電台呼號是 DK8JV。

    JVFAX 軟體除了可以進行業餘無線電的慢速掃描電視 (SSTV) 通訊及傳真通訊外,也可以接收一般高頻及低軌氣象衛星的自動圖片發送格式 (APT) 的氣象傳真。這軟體採用共享方式發行,基本上可以是免費使用,軟體作者只要求使用者發現這軟體好用的話,白由捐助作者,以便繼續發展更好用的軟體。

    執行 JVFAX 軟體,需要配備 VGA 或 SVGA 影像卡的 IBM 個人電腦或是其他相容電腦,為了要達到一定的效果,個人電腦 CPU 最好是 80386 或更好等級,作業系統要求是 DOS 3.0 或以上的版本。JVFAX 程式目前不能在 WINDOW 環境或者是 OS/2 作業系統內執行。

    相信很多人都曾使用過 JVFAX 這個軟體,這在日本、歐洲、及美洲也都非常流行,在 7.1 版上還附帶有接收低軌氣象衛星的介面線路。

    本文介紹的 APT 接收介面線路是針對 JVFAX 軟體對串列埠定義的格式而設計的,配合 JVFAX 執行相當理想。與 JVFAX 做 SSTV 及一般 FAX 所需要的簡易介面比較,這個介面極為複雜,JVFAX 簡易介面只使用了一只運算放大器 IC。雖說複雜了些,但若與傳統的影像介面或接收 APT 的類比線路比較,卻又相當簡單。


操作 JVFAX

    執行 JVFAX 時,必須要佔用個人電腦的一個串列埠,JVFAX 使用串列埠與一般的使用方式不同,一般使用串列埠時,就是以串列的形式傳送資料,但 JVFAX 卻是把這串列埠的輸出入接腳重新定義,使這串列埠可以用 4 爻並列方式來接收資料,另外一腳則可做溝通角色,專門對外負責通知個人電腦的串列埠是否備妥接收資料的動作,稱之為 READY 訊號;JVFAX 是以串列埠上頭的 CD、RI、DSR、及 CTS 四隻腳為 4 爻的資料線,而 TRS 則成為 READY 訊號線。

    這個 APT 轉換介面是要把接收機傳來的聲音經由類比 - 數位轉換程序,把自動圖片發送訊號聲音轉換成 8 爻格式的資料,然而 JVFAX 軟體只有串列埠上的 4 爻介面,每一筆 8 爻數據就切割成兩次傳送。當 JVFAX 軟體準備好接收動作時,高位數的 4 爻先被載入,讀取資料後,READY 線從 H 跳到 L,緊接著再讀取低位數的 4 爻;一個 8 爻資料讀完後,READY 線從 L 跳到 H,此訊號可以催促介面卡上的類比 - 數位轉換器進行取樣轉換,待類比 - 數位轉換完成,高位數的 4 爻資料先載入,就這樣持續不斷地進行介面資料的傳送。


線路說明

    參看圖 1,氣象衛星衛星接收機的聲頻訊號接到 J1 上,J1 可以接受的強度與一般錄音機的 Line In 相同,U1A 是可控制增益的放大器,R21 用來控制位準的大小,R21 採用 10 轉的精密電阻,這樣要調整或是控制輸入訊號大小都很方便,如果不想如法炮製,使用一般的可變電阻也可以。

Fig 01
圖 1:利用 JVFAX 軟體配合本線路的介面,可以接收低軌衛星的 APT 自動圖片發送裝置格式的氣象圖片。

    U1B 及 U1C 是精密的檢波線路,它負責把輸入的聲頻訊號檢波成直流,為了檢波有完美的對稱,可以利用 R22 做平衡調整。

    緊接著下來的 4 只運算放大器組成低通濾波器,它可以把低軌氣象衛星的 2400Hz 載波除去,至此剩下來的是氣象衛星訊號的波峰相對應的直流訊號,這訊號大小就代表影像的黑白程度 (或說是灰階)。U6 類比 - 數位轉換器需要一個 0~5V 之間的參考電壓,這電壓就由 U2D 來提供。

    U6 是高轉換速度的類比 - 數位轉換器 (ADC),此只類比 - 數位轉換器的轉換速度極快,這裡採用自由轉換的模式,以便符合 JVFAX 軟體的需求。如果採用速度太慢的類比 - 數位轉換器,有些執行速度很快的個人電腦,執行 JVFAX 時,類比 - 數位轉換器可能速度會跟不上而當機或是使圖像失真。

    這裡類比 - 數位轉換器 ADC0820 是採用資料被讀出後馬上做轉換的模式 (WRITE-read),因此介面線路可以單獨存在,這種方式可以簡化線路的複雜性,而且在這裡此模式的速度已經足夠,雖然這種模式每次轉換會浪費掉大約 0.2 微秒的時間。這只類比一數位轉換器需要 5V 的穩定電壓,這由 U5 的 78L05 來提供。

    個人電腦串列埠的 READY 線 (RTS) 被接到介面的 U7,然後接到 U6 的第 6 腳,這訊號的上升沿可以啟動類比 - 數位轉換器做轉換,U6 的輸出接到資料線上,這資料線由多工器 74LS156 控制,根據控制線的情況,U9 可以送出高位數的 4 爻或是低位數的 4 爻,為了保證能符合個人電腦串列埠的規約,U9 之後再加個緩衝器 U10,1488。

    為了個人電腦串列埠取出的訊號與 TTL 匹配,還加了 U7,1489,標準的 RS-232 串列埠,訊號位準是 +3V 到 25V 代表 H,而 -3V 到 -25V 代表 L,當然這是一種規約,也許每部電腦的電壓不盡相同。


製作

    製作這介面線路,並沒有什麼特殊的技巧。聲頻訊號的接線要採用隔離線,因為這線路對於 120Hz 的電源哼聲很敏感,如果沒有做好隔離,影像裡將會出現雜紋。介面的 IC 可以採用 IC 座以方便檢查或是更換零件。

    這個介面線路有幾個穩壓線路,有些線路好像是不必要,但是為了保證數位線路的雜訊能與供電線路做好隔離,就算是做好了旁路電容,當這些 TTL IC 投入電源工作時,依然可以從 +15V 電源測得雜訊。

    製作好的介面需要兩道調整手續,首先是精密檢波線路,必須要調整有完美的對稱,可以利用示波器監視 U1 第 8 腳,接上正常的衛星訊號時,調整 R23,讓正弦波的上下週期都有相同的直流電壓。然後調整 LEVEL 及 OFFSET,監看示波器的波形,不要讓電壓超出 +5V。因為 LEVEL 及 OFFSET 會相互影響,必須重複調整測試,動作正常時,可以利用示波器或邏輯探針,看到 U6 輸出脈衝資料。


安裝 JVFAX 軟體

    從世界各地的任何 BBS 或是共享軟體管道皆可以取得 JVFAX 軟體,國際網路也有許多可以提供 JVFAX 軟體的地方。基本上,JVFAX 是一個可以自我解壓縮的軟體形式流傳,目前最新的版本是 7.1,建議大家採用這個版本,因為這版本做了很多的更新,提供了許多新功能。

    JVFAX 軟體的主要檔案是 INSJV71.EXE,這是一個自我壓縮檔,解壓縮之後,可以取得執行時所需要的所有檔案。

    執行 INSJV71.EXE 時,可以先把檔案放在硬碟的主目錄或是其他次目錄之下,建議把它留在根目錄之下,因為執行 INSJV71.EXE 時,它會自行開一個叫 JVFAX71 的次目錄,而所有解壓縮出來的檔案都會放在這個目錄裡頭。只要執行 INSJV71 就可以進行安裝程序。除了有 JVFAX.EXE 檔案外,還會有許多其他支援 JVFAX.EXE 執行的檔案,另外在這目錄之下,也會分別開兩個次目錄,分別是 DIAGRAMS 及 DOCS。DOCS 存的是有 JVFAX 軟體的操作說明,像這類使用時需要常參照說明的軟體,不妨把這說明檔列印出來,以便隨時參考。另外 INTERF.DOC 是使用 JVFAX 軟體時的各種介面說明,裡頭有不錯的參考資料。

    要執行 JVFAX 程式,可以在 JVFAX71 目錄下執行 JVFAX,第一次執行 JVFAX 時必須要到主目錄的設定項目去,在設定目錄內可以設定好系統的參數,這些參數大都可以不必更動,但是串列埠位址一定要檢查。如果串列埠已經用盡,可以暫時把不用的滑鼠或是數據機取下,總之這串列埠位址一定要與你選用的串列埠一致,這位址錯誤的話,頂多是程式執行不出正常的接收,只要記得更正就可以了,不過若是個人電腦已經沒有串列埠可供運用,務必要記下介面所選用的串列埠,免得拔來拔去之後,或是日後還原時,不能正常工作而搞不清楚。

    設定妥當後,跳回到主目錄,假設有現成的衛星訊號,選擇 fax 執行,此時個人電腦螢幕出現一片空白,其中有一個小方格,裡頭顯示了 fax 的相關參數,因為 JVFAX 有預設功能,可以選擇 7,這是針對 noaa 低軌繞極衛星訊號設定的參數,如果想要並肩顯示 vr 及 ir 氣象圖片,那麼選擇 alt-7,這個預設模式是 noaa-all,可以有南向北繞的低軌氣象衛星圖像, noaa 14 就是這類衛星。

    如果衛星訊號接收無誤,在個人電腦螢幕上的小窗口內會出現毛毛的訊號,很像是頻譜,其實這就是衛星圖片訊號的即時 HISTOGRAM,有了這個指示訊號,調整系統時會很方便。增益恰當時,這些毛線分佈在 0-100% 位置之間,如果增益過大,這些毛線會超過 100%,使影像失真,此時宜把增益降下來,可以看到這些垂直的毛線往 0 (左方) 方向移,同時圖片會往黑色調轉移。

    如果小窗口內的垂直毛線正常,而沒有掃描線出現,可以按下 A 鍵,這是手動的啟動鍵,JVFAX 啟動接收掃描線的方式有靜音方式,只要收到的訊號突破靜音,掃描線就開始動作,也可以設定出同步訊號啟動。對於初次接觸的人,可能不容易理解,但操作之後會慢慢體會出來,X 鍵可以設定或是取消靜音啟動模式。

    當衛星氣象影像出現時,這圖片會往左或往右邊傾斜,那是 JVFAX 還沒有得到個人電腦使用的精確時脈頻率,只要經過校正程序,此問題便可解決。如何校正時脈頻率呢? 有兩種方式,一是直接修改時脈頻率參數,不過這需要很高的技巧,及複雜的運算。可以採用比較簡單的方法,只要接收圖像完成後,按下 / 鍵,個人電腦螢幕會出現由上到下的一條直線,利用鍵盤上的←或→鍵,把這一條直線移到圖像的傾斜位置,也就是讓這直線與圖像最底端的傾斜點交叉,完成後就可以讓影像接收正常;如果還發現有稍微傾斜時,可以再做一次 同樣的校正。個人電腦剛開機時,若沒有溫機程序,時脈頻率可能尚未穩定,因此校正後可能還會有變化,因此建議先讓個人電腦有足夠的溫機時間,再做這個校正。


一些討論

準備夠大的儲存記憶空間: 一個低軌氣象圖像可能佔到 2M 以上的記憶空間。可以在接收後立即整理,留下有興趣的部份,或利用 JVFAX 提供的一些基本圖像編輯功能,留下所要的部份,以節省空間;另一個節省的方法就是把解析度降低,可以降低掃描點的數目,或者降低灰階數。

善用 F3 功能鍵 :除非熟悉各項操作,否則接收前別忘了按 F3 鍵。在尚未熟悉操作前,很容易因為操作不當而使接收的影像平白消失。正常的儲存影像程序是,接收完成後,在 waiting 狀態下再按 F2 鍵,再輸入檔案名稱。但是很容易因為誤觸其他按鍵使影像消失 (例如未進入 waiting 狀態就按 F2 鍵)。為了避免發生烏龍事件,接收前務必要按一下 F3 鍵,接收完成後,JVFAX 就會自動存檔,不過接收下一張影像之前,一定要先把這檔案整理好或事先更換自動存檔的檔名,否則下一個自動存檔動作會把這一檔案蓋掉。

備份 JVFAX.CNF 檔案: 這檔案是執行 JVFAX 程式時,所有重要的參數都從這裡讀取的。當你要熟悉程式的各類設定或執行新功能時,可能使 JVFAX.CNF 檔案遭破壞,如果亂掉了,就必須重新設定各種參數。

別忘了 SHIFT 鍵:JVFAX 提供影像瀏覽功能,做 ZOOM 放大時,可以利用 SHIFT 加上→、←、↑、↓等箭頭來選擇影像的方格範圍,選定大小之後,由箭頭來移動這方格。

調整觸發位準: 這觸發位準是可以設定的,就在主選單下的 C 項,選 Miscellaneous Settings,裡頭有 NOAA-SYNCH THR 及 METOR- SYNCH THR,配合接收訊號強度,必須要有適當的觸發位準,才能使同步功能正常運作。


問題與極限

    從繞極軌道氣象衛星接收訊號時,可以看到 JVFAX 顯示的圖形並不完美,因為圖像載波訊號受到都卜勒效應的影響,頻率會有些偏移。要解決此問題,必須讓時脈頻率與圖像副載波的 2400Hz 保持同步,以使接收的氣象圖像更完美,但也要更多的電子線路才能做到。可惜 JVFAX 程式並不能接受外界的同步訊號,也因為這個原因,從錄音機播放的傳真圖像訊號,JVFAX 無法正常解碼接收。由於錄音帶會有顫動現象,速度並不精確,所以解這類訊號時,需從訊號本身取得同步才行。JVFAX 軟體正常執行時,是藉著個人電腦精確時脈訊號來保持同步,自然也就無法容忍一般錄音機會有的轉速變化。

    JVFAX 的確也可以採用雙向的列表機埠做資料傳輸,因為此時可以接受外界的同步訊號,可以正常接收現場訊號或錄音的訊號。很不幸地,個人電腦的列表機埠並沒有完全規格化,通常只是專供接列表機的,只有輸出的功能,無法做資料輸入。這個介面地無法使用列表機埠,而 JVFAX 的說明對這方面的描述也很簡短,因此這方面的應用,只能期待有興趣的高手去開發摸索。 END



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