摘 要：針對航空Morse Code無線通信系統存在的誤碼率高及相互協同困難的難題，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,設計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,進行調試運行。通過Morse Code碼報文, 使用點與劃組合表征字符，且具唯一性, 定義一組英文字母、數字和標點符號（41個）作為基本元素,并對其進行編碼算法操作，結合所提出的“濾波、二值化、差分、去除零元素”譯碼算法操作,使得設計的Morse Code軟件譯碼器具有較強的魯棒性和抗干擾性，具備有“糾錯碼”的能力。實驗結果表明，設計的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同困難的問題,有效地提高了航空摩爾斯無線通信質量。
關鍵詞： 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性、經濟性和有效性，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備是摩爾斯碼無線收發報機，自1838年開始使用至今，經過一百多年的技術演進和發展[4]，摩爾斯無線收發報機已在許多方面得到提高,如鍵盤形式、控制系統、調制方式、信道編碼、傳輸速率、硬件的實現等，從模擬過渡到數字，在體積、重量、性能等方面也都取得長足進步[5-7]。然而,現有摩爾斯無線收發報機的載波頻率、調制技術和波形結構各不相同，這使得在通信過程中互通協同困難，誤碼率高，不能很好地滿足現代通信質量的需要[8,9]。為解決Morse Code無線通信系統的上述問題，本課題采用MATLAB程序[10,11]設計一種適用于摩爾斯無線通信的軟件譯碼器,側重解決Morse Code無線通信誤碼問題。
1 設計思路
Morse 碼報文使用點與劃組合來表征字符，每個英文字母、數字或標點符號由不同點與劃的唯一組合來描述。因此，可利用點與劃組合的唯一性來確定字符。當點碼或劃碼出現時會有高電平輸出，從高電平的時長可區分出點碼與劃碼，從低電平的時長可區分出碼間隔與字符間隔。每當字符間隔出現時，記錄前面若干點碼與劃碼的組合，再對照Morse 碼字符表析出字符。高、低電平時長的獲取可以通過對輸入的波形文件進行濾波、二值化、差分、去除零元素等而得到。
為描述方便，設點、劃、最小時間間隔、空格（稱為基本元素，簡稱基元）的代號分別為Dit、Dah、ssp和lsp。對基元的波形進行濾波、二值化、差分、去除零元素等操作可以得到高低電平波形。根據電平的高低和長度可以很容易地將Dit、Dah、ssp和lsp區分開來。對任意輸入的波形，通過濾波、二值化、差分、去除零元素等操作，獲取高、低電平時長，提取到每小段信號的開始與結束時間，然后根據每一小段的高低電平時長信息，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點和字符，就完成了譯碼。下面以輸入字符串 InputString = “Hello”為例，詳述所設計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程序為：
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
每個字符對應的基元編碼如下(簡寫為“ΣA-Z”)：
% 定義字母、符號、間隔符號、數字的摩斯碼，將4種 基本波形組合成單字母或標點符號的波形
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
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函數使得text中所有小寫的字母都轉化為大寫字母
vars ={'period','comma','question','slash_','space'};
% vars ={'period','comma','question','slash_'};
morsecode=[]; %將文本text轉化為摩斯碼
for i=1:length(text) %循環次數為總字符數目
if isvarname(text(i)) % 字母轉化為摩斯碼，isvarname函 數對字符進行判斷 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),'.,?/ ') %標點轉化為摩斯碼
x = findstr(text(i),'.,?/ ');
morsecode = [morsecode;eval(vars{x})];
elseif ~isempty(str2num(text(i))) %數字轉化為摩斯碼
morsecode = [morsecode;eval(['n' text(i)])];
elseif text(i)==' '%空格轉化為摩斯碼
morsecode = [morsecode;ssp;ssp;ssp];
end
morsecode = [morsecode;lsp];
end
3 譯碼算法
設輸入字符串InputString對應的波形數組為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y（n)大于閾值threshold
時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]; %給數組z前面增加10個單位0
% 1: change from 1 to 0
% 0: no change
% -1: change from 0 to 1
b = diff(z); %差分函數
差分后波形b如圖3所示。
3.4 去除零元素，得到高低電平時長信息
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
tokens = -c .* diff([0; c2]); %計算波形長度（時間間隔）
高低電平時長信息tokens如圖4所示。
3.5 波形比較
對波形進行比較，得到點、劃、最小時間間隔、空格等4種基本符號，MATLAB代碼如下：
% 1: short, 2: long, +: tone, -: space
tokens2 = tokens; %對波形進行比較，得到點、劃、最小時
間間隔、空格等4種基本符號
% 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) = '_';
%校驗輸入是否是41個標準字符中的一個
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 結論
為航空摩爾斯無線通信提出一種實用的譯碼方法，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的魯棒性和抗干擾性，具備有“糾錯碼”的能力,可降低航空摩爾斯無線通信的誤碼率，提高通信質量。
參考文獻
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