摘 要：針對(duì)航空Morse Code無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線通信質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： MATLAB ;Morse Code; 軟件譯碼器; 航空無(wú)線通信

0 引言

　　摩爾斯無(wú)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(wú)線通信中仍占有一定的使用量 [1-3]。摩爾斯無(wú)線通信主要設(shè)備是摩爾斯碼無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線通信的軟件譯碼器,側(cè)重解決Morse Code無(wú)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(lái)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(lái)描述。因此，可利用點(diǎn)與劃組合的唯一性來(lái)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(lái)。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(lái)。

4 結(jié)論

　　為航空摩爾斯無(wú)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(wú)線通信的誤碼率，提高通信質(zhì)量。

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