摘 要：針對(duì)航空Morse Code無線通信系統(tǒng)存在的誤碼率高及相互協(xié)同困難的難題，提出一種基于MATLAB的新的“濾波、二值化、差分、去除零元素”譯碼算法,設(shè)計(jì)了一種新的航空摩爾斯無線通信用軟件譯碼器，并以單詞 “Hello” 譯碼為例,進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。通過Morse Code碼報(bào)文, 使用點(diǎn)與劃組合表征字符，且具唯一性, 定義一組英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)（41個(gè)）作為基本元素,并對(duì)其進(jìn)行編碼算法操作，結(jié)合所提出的“濾波、二值化、差分、去除零元素”譯碼算法操作,使得設(shè)計(jì)的Morse Code軟件譯碼器具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性，具備有“糾錯(cuò)碼”的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的Morse Code軟件譯碼器降低了航空摩爾斯無線通信的誤碼率，在一定程度上解決了相互協(xié)同困難的問題,有效地提高了航空摩爾斯無線通信質(zhì)量。
關(guān)鍵詞： MATLAB ;Morse Code; 軟件譯碼器; 航空無線通信
0 引言
摩爾斯無線通信因其所具有的傳統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，目前,在航空和海事無線通信中仍占有一定的使用量 [1-3]。摩爾斯無線通信主要設(shè)備是摩爾斯碼無線收發(fā)報(bào)機(jī)，自1838年開始使用至今，經(jīng)過一百多年的技術(shù)演進(jìn)和發(fā)展[4]，摩爾斯無線收發(fā)報(bào)機(jī)已在許多方面得到提高,如鍵盤形式、控制系統(tǒng)、調(diào)制方式、信道編碼、傳輸速率、硬件的實(shí)現(xiàn)等，從模擬過渡到數(shù)字，在體積、重量、性能等方面也都取得長(zhǎng)足進(jìn)步[5-7]。然而,現(xiàn)有摩爾斯無線收發(fā)報(bào)機(jī)的載波頻率、調(diào)制技術(shù)和波形結(jié)構(gòu)各不相同，這使得在通信過程中互通協(xié)同困難，誤碼率高，不能很好地滿足現(xiàn)代通信質(zhì)量的需要[8,9]。為解決Morse Code無線通信系統(tǒng)的上述問題，本課題采用MATLAB程序[10,11]設(shè)計(jì)一種適用于摩爾斯無線通信的軟件譯碼器,側(cè)重解決Morse Code無線通信誤碼問題。
1 設(shè)計(jì)思路
Morse 碼報(bào)文使用點(diǎn)與劃組合來表征字符，每個(gè)英文字母、數(shù)字或標(biāo)點(diǎn)符號(hào)由不同點(diǎn)與劃的唯一組合來描述。因此，可利用點(diǎn)與劃組合的唯一性來確定字符。當(dāng)點(diǎn)碼或劃碼出現(xiàn)時(shí)會(huì)有高電平輸出，從高電平的時(shí)長(zhǎng)可區(qū)分出點(diǎn)碼與劃碼，從低電平的時(shí)長(zhǎng)可區(qū)分出碼間隔與字符間隔。每當(dāng)字符間隔出現(xiàn)時(shí)，記錄前面若干點(diǎn)碼與劃碼的組合，再對(duì)照Morse 碼字符表析出字符。高、低電平時(shí)長(zhǎng)的獲取可以通過對(duì)輸入的波形文件進(jìn)行濾波、二值化、差分、去除零元素等而得到。
為描述方便，設(shè)點(diǎn)、劃、最小時(shí)間間隔、空格（稱為基本元素，簡(jiǎn)稱基元）的代號(hào)分別為Dit、Dah、ssp和lsp。對(duì)基元的波形進(jìn)行濾波、二值化、差分、去除零元素等操作可以得到高低電平波形。根據(jù)電平的高低和長(zhǎng)度可以很容易地將Dit、Dah、ssp和lsp區(qū)分開來。對(duì)任意輸入的波形，通過濾波、二值化、差分、去除零元素等操作，獲取高、低電平時(shí)長(zhǎng)，提取到每小段信號(hào)的開始與結(jié)束時(shí)間，然后根據(jù)每一小段的高低電平時(shí)長(zhǎng)信息，通過比較，把原始波形分割成基元組成的序列，翻譯基元序列成為標(biāo)點(diǎn)和字符，就完成了譯碼。下面以輸入字符串 InputString = “Hello”為例，詳述所設(shè)計(jì)的軟件譯碼器與譯碼過程。
2 編碼算法
2.1 基元波形
基元波形由wav.mat給出，提取基元編碼的Matlab程序?yàn)椋?/p>
load wav;
Dit = wav(1106:2121);
ssp = wav(2121:3133);
Dah = wav(3133:6176);
lsp = wav(6176:23022)
2.2 定義字符基元編碼
每個(gè)字符對(duì)應(yīng)的基元編碼如下(簡(jiǎn)寫為“ΣA-Z”)：
% 定義字母、符號(hào)、間隔符號(hào)、數(shù)字的摩斯碼，將4種 基本波形組合成單字母或標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的波形
A = [Dit;ssp;Dah]; %字母
B = [Dah;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dit];
……
Y = [Dah;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dah];
Z = [Dah;ssp;Dah;ssp;Dit;ssp;Dit];
period = [Dit;ssp;Dah;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dit;ssp;Dah];%符號(hào)
comma = [Dah;ssp;Dah;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dah];
question = [Dit;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dit;ssp;Dit];
slash_ = [Dah;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dit];
space = [Dit;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dit;ssp;Dit];
n1 = [Dit;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah]; %數(shù)字
n2 = [Dit;ssp;Dit;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah];
……
n9 = [Dah;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dit];
n0 = [Dah;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah;ssp;Dah];
2.3 字符串Morse編碼
設(shè)輸入字符串為text，解析出的編碼為morsecode，則字符串的解析MATLAB代碼如下：
text = upper(text);
%upper函數(shù)使得text中所有小寫的字母都轉(zhuǎn)化為大寫字母
vars ={'period','comma','question','slash_','space'};
% vars ={'period','comma','question','slash_'};
morsecode=[]; %將文本text轉(zhuǎn)化為摩斯碼
for i=1:length(text) %循環(huán)次數(shù)為總字符數(shù)目
if isvarname(text(i)) % 字母轉(zhuǎn)化為摩斯碼，isvarname函 數(shù)對(duì)字符進(jìn)行判斷 如果為字母返回1，否則返回0
temp = [];
temp = eval(text(i));
morsecode = [morsecode;temp];
elseif ismember(text(i),'.,?/ ') %標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為摩斯碼
x = findstr(text(i),'.,?/ ');
morsecode = [morsecode;eval(vars{x})];
elseif ~isempty(str2num(text(i))) %數(shù)字轉(zhuǎn)化為摩斯碼
morsecode = [morsecode;eval(['n' text(i)])];
elseif text(i)==' '%空格轉(zhuǎn)化為摩斯碼
morsecode = [morsecode;ssp;ssp;ssp];
end
morsecode = [morsecode;lsp];
end
3 譯碼算法
設(shè)輸入字符串InputString對(duì)應(yīng)的波形數(shù)組為X，閾值threshold = 0.05。
3.1 濾波
MATLAB代碼如下：
% half-wave rectify x
x2 = abs(x);
% slow-wave filter
y = filter(ones(1,20)/20,1, x2);
濾波后波形y如圖1所示。
3.2 二值化
MATLAB代碼如下：
% threshold (digitize) y
z = y > threshold; % 比較器：信號(hào)y（n)大于閾值threshold
時(shí)z(n)輸出1，否則為0
二值化后波形z如圖2所示。
3.3 差分
MATLAB代碼如下：
z = [zeros(10,1); z]; %給數(shù)組z前面增加10個(gè)單位0
% 1: change from 1 to 0
% 0: no change
% -1: change from 0 to 1
b = diff(z); %差分函數(shù)
差分后波形b如圖3所示。
3.4 去除零元素，得到高低電平時(shí)長(zhǎng)信息
MATLAB代碼如下：
c = b(b~=0); %去除所有零元素
c2 = find(b~=0); %記錄所有不為零元素的序號(hào)
tokens = -c .* diff([0; c2]); %計(jì)算波形長(zhǎng)度（時(shí)間間隔）
高低電平時(shí)長(zhǎng)信息tokens如圖4所示。
3.5 波形比較
對(duì)波形進(jìn)行比較，得到點(diǎn)、劃、最小時(shí)間間隔、空格等4種基本符號(hào)，MATLAB代碼如下：
% 1: short, 2: long, +: tone, -: space
tokens2 = tokens; %對(duì)波形進(jìn)行比較，得到點(diǎn)、劃、最小時(shí)
間間隔、空格等4種基本符號(hào)
% cutoff tones, cutoff spaces;
cut_t = mean(tokens2(tokens2>0));
cut_s = mean(tokens2(tokens2<0));
……
% now tokens 2 is a string of -1s, -2s, 1s, 2s, can trim first known space;
% put final endstop at end
tokens2 = [tokens2(2:end); -2];
得到的基元序列tokens2如圖5所示。
3.6 對(duì)照Morse 碼字符表析出字符
MATLAB代碼如下：
% can drop little spaces, b/c they don't matter when parsing;
tokens2(tokens2 == -1) = [];
tokens3 = tokens2;
tokens4 = {};
ctr = 1;
start_idx = 1;
%parse
toparse = find(tokens3(start_idx:end) == -2);
for j=1:length(toparse)
a = toparse(j);
temp = tokens3(start_idx:a-1);
tokens4{j} = temp;
% zeropad for easy comparison
%tokens4{j} = [tokens4{j}; zeros(length(tokens4{j}), 1)];
start_idx = a+1;
end
% now tokens4 is de-codeable tokens... proceed to setup lookups字符編碼表
% letters
ΣA-Z
% compare tokens to tables
out1 = [];
for j = 1:length(tokens4) %譯碼輸出
out1(j) = '_';
%校驗(yàn)輸入是否是41個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字符中的一個(gè)
if(length(tokens4{j})>=1 && length(tokens4{j})<=7)
%zero pad temp_tok
temp_tok = [tokens4{j}; zeros(7 - length(tokens4{j}), 1)];
for k = 1:length(code)
if (temp_tok == [code{k}'; zeros(7 -length(code{k}), 1)]);
out1(j) = char(decode{k});
%display(decode{k})
end
end
% if didn't find a match
if isempty(out1)
out1(j) = '_';
end
if isempty(out1(j))
out1(j) = '_';
end
end %if(length(tokens4{j})==0 && length(tokens4{j})>7)
end
3.7 解析出字符
通過以上操作，字符串“Hello”被正確解析出來。
4 結(jié)論
為航空摩爾斯無線通信提出一種實(shí)用的譯碼方法，由于采用了“濾波、二值化、差分、去除零元素”等操作，使得這種譯碼方法具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性，具備有“糾錯(cuò)碼”的能力,可降低航空摩爾斯無線通信的誤碼率，提高通信質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1] Bau.摩斯電碼(CW)的存在價(jià)值[EB/OL]. (2008)[2014-04-16] http://bau.blog.hexun.com/23126533_d.hml.
[2] Loster.摩斯密碼及簡(jiǎn)單運(yùn)用[EB/OL].(2007-06-10)[2014-04-16]http://blog.sina.com.cn/s/blog_49800a6a01000843.html.
[3] 樊昌元,文斌. 應(yīng)用于民航空管的TPU莫爾斯譯碼器[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2004(9): 45-48 .
[4] 嚴(yán)君平．業(yè)余無線電通信入門[M] ．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.
[5] 馬威，張敬修，王虎幫. Morse電碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2007，26（6）：51-52，55.
[6] 袁文澹，唐偉．微機(jī)模擬自動(dòng)拍發(fā)MORSE電報(bào)[J]．計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2001，20（2）：75-78，86.
[7] 李春曉，趙旦峰，李強(qiáng)．用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)莫爾斯報(bào)的自動(dòng)識(shí)別[J]．信息技術(shù)，2006，30（2）： 56-57,125.
[8] 張汝波， 何立剛， 李雪耀．強(qiáng)噪聲背景下莫爾斯信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2006,27(1):112-116.
[9] 朱仁潔，施繼紅，陳德章．空中無線電監(jiān)測(cè)平臺(tái)最佳工作高度探究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012(S1)：8-10.
[10]腳本之家．Matlab編程基礎(chǔ)及應(yīng)用pdf教程.[EB/OL].(2012-03-09)[2014-04-16]http://www.codefans.net/soft/16802.shtml.
[11]唐新來．基于FPGA的無線通信收發(fā)模塊設(shè)計(jì)方案[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（2）：214-215，104.