摘 要：针对航空Morse Code无线通信系统存在的误码率高及相互协同困难的难题，提出一种基于MATLAB的新的“滤波、二值化、差分、去除零元素”译码算法,设计了一种新的航空摩尔斯无线通信用软件译码器，并以单词 “Hello” 译码为例,进行调试运行。通过Morse Code码报文, 使用点与划组合表征字符，且具唯一性, 定义一组英文字母、数字和标点符号（41个）作为基本元素,并对其进行编码算法操作，结合所提出的“滤波、二值化、差分、去除零元素”译码算法操作,使得设计的Morse Code软件译码器具有较强的鲁棒性和抗干扰性，具备有“纠错码”的能力。实验结果表明，设计的Morse Code软件译码器降低了航空摩尔斯无线通信的误码率，在一定程度上解决了相互协同困难的问题,有效地提高了航空摩尔斯无线通信质量。
关键词： MATLAB ;Morse Code; 软件译码器; 航空无线通信
0 引言
摩尔斯无线通信因其所具有的传统性、经济性和有效性，目前,在航空和海事无线通信中仍占有一定的使用量 [1-3]。摩尔斯无线通信主要设备是摩尔斯码无线收发报机，自1838年开始使用至今，经过一百多年的技术演进和发展[4]，摩尔斯无线收发报机已在许多方面得到提高,如键盘形式、控制系统、调制方式、信道编码、传输速率、硬件的实现等，从模拟过渡到数字，在体积、重量、性能等方面也都取得长足进步[5-7]。然而,现有摩尔斯无线收发报机的载波频率、调制技术和波形结构各不相同，这使得在通信过程中互通协同困难，误码率高，不能很好地满足现代通信质量的需要[8,9]。为解决Morse Code无线通信系统的上述问题，本课题采用MATLAB程序[10,11]设计一种适用于摩尔斯无线通信的软件译码器,侧重解决Morse Code无线通信误码问题。
1 设计思路
Morse 码报文使用点与划组合来表征字符，每个英文字母、数字或标点符号由不同点与划的唯一组合来描述。因此，可利用点与划组合的唯一性来确定字符。当点码或划码出现时会有高电平输出，从高电平的时长可区分出点码与划码，从低电平的时长可区分出码间隔与字符间隔。每当字符间隔出现时，记录前面若干点码与划码的组合，再对照Morse 码字符表析出字符。高、低电平时长的获取可以通过对输入的波形文件进行滤波、二值化、差分、去除零元素等而得到。
为描述方便，设点、划、最小时间间隔、空格（称为基本元素，简称基元）的代号分别为Dit、Dah、ssp和lsp。对基元的波形进行滤波、二值化、差分、去除零元素等操作可以得到高低电平波形。根据电平的高低和长度可以很容易地将Dit、Dah、ssp和lsp区分开来。对任意输入的波形，通过滤波、二值化、差分、去除零元素等操作，获取高、低电平时长，提取到每小段信号的开始与结束时间，然后根据每一小段的高低电平时长信息，通过比较，把原始波形分割成基元组成的序列，翻译基元序列成为标点和字符，就完成了译码。下面以输入字符串 InputString = “Hello”为例，详述所设计的软件译码器与译码过程。
2 编码算法
2.1 基元波形
基元波形由wav.mat给出，提取基元编码的Matlab程序为：
load wav;
Dit = wav(1106:2121);
ssp = wav(2121:3133);
Dah = wav(3133:6176);
lsp = wav(6176:23022)
2.2 定义字符基元编码
每个字符对应的基元编码如下(简写为“ΣA-Z”)：
% 定义字母、符号、间隔符号、数字的摩斯码，将4种 基本波形组合成单字母或标点符号的波形
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];%符号
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]; %数字
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编码
设输入字符串为text，解析出的编码为morsecode，则字符串的解析MATLAB代码如下：
text = upper(text);
%upper函数使得text中所有小写的字母都转化为大写字母
vars ={'period','comma','question','slash_','space'};
% vars ={'period','comma','question','slash_'};
morsecode=[]; %将文本text转化为摩斯码
for i=1:length(text) %循环次数为总字符数目
if isvarname(text(i)) % 字母转化为摩斯码，isvarname函 数对字符进行判断 如果为字母返回1，否则返回0
temp = [];
temp = eval(text(i));
morsecode = [morsecode;temp];
elseif ismember(text(i),'.,?/ ') %标点转化为摩斯码
x = findstr(text(i),'.,?/ ');
morsecode = [morsecode;eval(vars{x})];
elseif ~isempty(str2num(text(i))) %数字转化为摩斯码
morsecode = [morsecode;eval(['n' text(i)])];
elseif text(i)==' '%空格转化为摩斯码
morsecode = [morsecode;ssp;ssp;ssp];
end
morsecode = [morsecode;lsp];
end
3 译码算法
设输入字符串InputString对应的波形数组为X，阈值threshold = 0.05。
3.1 滤波
MATLAB代码如下：
% half-wave rectify x
x2 = abs(x);
% slow-wave filter
y = filter(ones(1,20)/20,1, x2);
滤波后波形y如图1所示。
3.2 二值化
MATLAB代码如下：
% threshold (digitize) y
z = y > threshold; % 比较器：信号y（n)大于阈值threshold
时z(n)输出1，否则为0
二值化后波形z如图2所示。
3.3 差分
MATLAB代码如下：
z = [zeros(10,1); z]; %给数组z前面增加10个单位0
% 1: change from 1 to 0
% 0: no change
% -1: change from 0 to 1
b = diff(z); %差分函数
差分后波形b如图3所示。
3.4 去除零元素，得到高低电平时长信息
MATLAB代码如下：
c = b(b~=0); %去除所有零元素
c2 = find(b~=0); %记录所有不为零元素的序号
tokens = -c .* diff([0; c2]); %计算波形长度（时间间隔）
高低电平时长信息tokens如图4所示。
3.5 波形比较
对波形进行比较，得到点、划、最小时间间隔、空格等4种基本符号，MATLAB代码如下：
% 1: short, 2: long, +: tone, -: space
tokens2 = tokens; %对波形进行比较，得到点、划、最小时
间间隔、空格等4种基本符号
% 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如图5所示。
3.6 对照Morse 码字符表析出字符
MATLAB代码如下：
% 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字符编码表
% letters
ΣA-Z
% compare tokens to tables
out1 = [];
for j = 1:length(tokens4) %译码输出
out1(j) = '_';
%校验输入是否是41个标准字符中的一个
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
通过以上操作，字符串“Hello”被正确解析出来。
4 结论
为航空摩尔斯无线通信提出一种实用的译码方法，由于采用了“滤波、二值化、差分、去除零元素”等操作，使得这种译码方法具有较强的鲁棒性和抗干扰性，具备有“纠错码”的能力,可降低航空摩尔斯无线通信的误码率，提高通信质量。
参考文献
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