淺析摩斯碼聲音信號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

【摘 要】基于短波電報(bào)的抗干擾性能和簡(jiǎn)便靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，短波電報(bào)通信長(zhǎng)期以來(lái)一直是無(wú)線通信的重要組成部分，從第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始一直到20世紀(jì)60年代的這一段時(shí)間是短波無(wú)線通信發(fā)展的黃金時(shí)期，該技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軍事、廣播、商業(yè)、氣象等諸多領(lǐng)域。隨著短波無(wú)線通信的不斷發(fā)展，作為密文傳輸手段中最為典型的摩斯碼信號(hào)傳輸系統(tǒng)，仍舊被無(wú)線電愛(ài)好者以及特殊領(lǐng)域作為重要的傳輸手段，但其自身同樣存在一個(gè)固有的弊端，即電報(bào)的接收與發(fā)送長(zhǎng)期以來(lái)都是靠人工操作的。隨著通信電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這一固有弊端越來(lái)越明顯。今天，各類工業(yè)干擾、個(gè)人無(wú)線通信及大氣環(huán)境的變化使得現(xiàn)有電磁空間環(huán)境日趨惡劣，靠人工操作的電報(bào)通信，其處理的信息在數(shù)量、速度和準(zhǔn)確性上愈來(lái)愈不能滿足現(xiàn)代無(wú)線通信的需要。

【關(guān)鍵詞】短波電報(bào)；摩斯碼信號(hào)；無(wú)線通信

1.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1國(guó)外現(xiàn)狀分析

國(guó)外研究者（包括部分臺(tái)灣學(xué)者）多數(shù)研究的是摩爾斯信號(hào)的識(shí)別與譯碼，目標(biāo)是摩爾斯碼的點(diǎn)劃特征提取，主要是解決拍發(fā)速率的非平穩(wěn)問(wèn)題，沒(méi)有涉及到強(qiáng)噪聲背景下摩爾斯信號(hào)的波形估計(jì)問(wèn)題。從搜集的資料看，國(guó)外公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)電報(bào)信號(hào)檢測(cè)的文獻(xiàn)較少，主要是美國(guó)學(xué)者的文獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)在于檢測(cè)技術(shù)方面，目前還沒(méi)有一種得到廣泛認(rèn)同的算法，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲環(huán)境下純凈摩爾斯信號(hào)的提取，但有很多研究機(jī)構(gòu)已作了大量卓有成效的工作，進(jìn)行了諸多試驗(yàn)，提出了許多具有代表性和創(chuàng)新性的算法。

1.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析

二十世紀(jì)七八十年代以來(lái)，摩爾斯信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)就成為一個(gè)比較熱門的課題，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)都對(duì)此做過(guò)研究。對(duì)于信噪比較高的電報(bào)信號(hào)，其檢測(cè)不難實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)信噪比很低時(shí)，背景噪聲的能量較高，有時(shí)足以淹沒(méi)電報(bào)信號(hào)，這就給傳統(tǒng)意義的信號(hào)檢測(cè)帶來(lái)很大的困難，尤其是在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，摩爾斯信號(hào)絕大多數(shù)工作于強(qiáng)噪聲背景下，這也是目前摩爾斯電報(bào)信號(hào)仍然采用人工值守方式的主要原因。

2.系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理的方案，從電臺(tái)耳麥接收摩斯碼信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的3.5mm耳機(jī)插頭連接，進(jìn)入信號(hào)處理電路板，通過(guò)低噪聲放大、濾波后，由數(shù)字信號(hào)處理器控制進(jìn)行AD量化采集處理，通過(guò)時(shí)域和頻域的處理手段，進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)報(bào)速度跟蹤、濾波、碼型識(shí)別處理，恢復(fù)出標(biāo)準(zhǔn)的歸一化的摩斯碼波形，在此基礎(chǔ)上，加入摩斯碼編碼規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，解調(diào)出數(shù)據(jù)信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，上傳到主機(jī)進(jìn)行顯示，也可以根據(jù)要求，通過(guò)自帶的LCD顯示屏進(jìn)行顯示。電路板上配置了大容量的SDRAM和Flash芯片，為程序的正常運(yùn)行提供了充足的資源。由于摩斯碼信號(hào)處于音頻范圍，因此，信號(hào)的采集部分沿用了標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集的方案，通過(guò)DSP來(lái)控制集成聲卡芯片，完成摩斯碼信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，采集精度達(dá)到了16位，最大程度的提高了后續(xù)信號(hào)處理的精度，降低了系統(tǒng)的量化噪聲。

從通信的角度來(lái)看，摩斯碼信號(hào)是一個(gè)幅移鍵控（ASK）形式的信號(hào)，載頻雖然不太穩(wěn)定，但變化范圍也很小，基本上是一個(gè)窄帶信號(hào)。點(diǎn)、劃組合的高低電平持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)載頻的周期，所以從頻率域來(lái)看，雖然調(diào)制產(chǎn)生了擴(kuò)頻，但總體來(lái)說(shuō)還是一個(gè)窄帶信號(hào)，因此特別適合于在頻率域進(jìn)行檢測(cè)。主要采用的分析手段是時(shí)頻分析，或者說(shuō)是短時(shí)頻譜分析，檢測(cè)出瞬時(shí)載頻頻率，然后根據(jù)頻率信息的時(shí)間特性和點(diǎn)、劃的時(shí)間關(guān)系，來(lái)判斷點(diǎn)、劃組合，進(jìn)而進(jìn)行識(shí)別。

3.關(guān)鍵技術(shù)

摩斯碼信號(hào)處理包括兩個(gè)過(guò)程：第一步是信號(hào)檢測(cè)，即從被噪聲掩蓋的信號(hào)中有效的提取信號(hào)，濾除噪聲，得到相對(duì)干凈的摩斯碼信號(hào)；第二步是信號(hào)識(shí)別，即從摩斯碼信號(hào)中提取有關(guān)的點(diǎn)、劃信息，進(jìn)行信息提取。

3.1信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

目前的關(guān)鍵在第一步，如何有效的濾除噪聲，這也是摩斯碼研究的熱點(diǎn)。有關(guān)摩斯碼檢測(cè)識(shí)別的算法很多，但大多數(shù)均停留在實(shí)驗(yàn)室水平，算法很復(fù)雜，處理時(shí)間很長(zhǎng)，只能用于算法仿真，不適合摩斯碼的實(shí)時(shí)檢測(cè)與識(shí)別。本方案在信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中采用了時(shí)頻處理和包絡(luò)檢測(cè)相結(jié)合的方法，通過(guò)檢測(cè)載頻信號(hào)能量的突變來(lái)判斷點(diǎn)、劃信息，從而恢復(fù)出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的摩斯碼信號(hào)，為后續(xù)的識(shí)別過(guò)程做準(zhǔn)備。與其它算法相比，時(shí)頻處理算法具有更強(qiáng)的抗干擾能力，特別是抗白噪聲和語(yǔ)音干擾的能力很強(qiáng)，另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是算法相對(duì)簡(jiǎn)單，特別適合于實(shí)時(shí)處理，借助于本方案采用的具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的硬件平臺(tái)，基本能夠完成摩斯碼信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。相比于簡(jiǎn)單的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，又具有較好的抗噪聲性能，能夠在信噪比不是太差的情況下，完成摩斯碼信號(hào)的檢測(cè)。

3.2信號(hào)識(shí)別技術(shù)

在摩斯碼信號(hào)的識(shí)別階段，對(duì)于機(jī)器自動(dòng)發(fā)報(bào)的信號(hào)，這類信號(hào)的點(diǎn)、劃間隔比例比較標(biāo)準(zhǔn)，很好識(shí)別。對(duì)于人工發(fā)報(bào)的信號(hào)，各信號(hào)間的比例隨意性較強(qiáng)，很難用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)識(shí)別，本方案采用了自適應(yīng)的方法，對(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)碼速的實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整各信號(hào)的間隔比例，因此對(duì)摩斯碼的碼速變化和人工拍發(fā)手法的適應(yīng)能力較強(qiáng)。

4.擬解決關(guān)鍵問(wèn)題

4.1低信噪比接收問(wèn)題

由于摩斯碼信號(hào)總體來(lái)說(shuō)是一個(gè)窄帶信號(hào)，雖然信號(hào)中混有各種噪聲，而且看起來(lái)噪聲幅度還很大，超過(guò)信號(hào)幅度，但噪聲是寬帶信號(hào)，從整個(gè)頻率域來(lái)看，在摩斯碼信號(hào)的載頻附近，噪聲能量還是要小于信號(hào)能量，基于這一點(diǎn)，采用頻域?yàn)V波，能夠解決這些問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)只要收?qǐng)?bào)員能夠聽(tīng)出來(lái)的，摩斯碼接收儀都能夠識(shí)別，當(dāng)然信噪比如果很差，已經(jīng)達(dá)到人無(wú)法識(shí)別的狀態(tài)，設(shè)備誤碼率也會(huì)有一定增高。

4.2抗干擾問(wèn)題

如果接收的信號(hào)中包含幾個(gè)不同的信號(hào)，而且各個(gè)信號(hào)載波頻率有一定的差異，可以通過(guò)窄帶濾波，將其它無(wú)關(guān)頻率的信號(hào)濾除掉，只要有用信號(hào)的能量高于干擾信號(hào)，就可以選擇出有用的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。至于語(yǔ)音干擾，噪聲干擾，在頻率域通過(guò)帶通濾波的方法很容易能夠?yàn)V除。

4.3碼速變化問(wèn)題

對(duì)于碼速的變化，若是采用發(fā)報(bào)機(jī)自動(dòng)發(fā)報(bào)，則信號(hào)比較標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)碼速的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，這一點(diǎn)超過(guò)人工收?qǐng)?bào)，應(yīng)為芯片的運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人的反應(yīng)速度，若是人工發(fā)報(bào)，則不同的發(fā)報(bào)員發(fā)報(bào)手法差異較大，目前的算法適應(yīng)性已經(jīng)通過(guò)了大量的樣本來(lái)驗(yàn)證。

5.結(jié)束語(yǔ)

摩斯碼是人類利用無(wú)線電通訊的一種重要手段，早期摩斯碼的傳送只需要一個(gè)平穩(wěn)的連續(xù)波即可，不需要任何復(fù)雜的調(diào)制過(guò)程，所以它可以在高噪聲、強(qiáng)干擾的情況下使用，而在同樣的無(wú)線電環(huán)境中，語(yǔ)音信號(hào)可能早就聽(tīng)不清了，摩斯碼不僅適合通過(guò)無(wú)線電傳輸，也適合以閃光、聲音、手勢(shì)等各種方式傳播，在現(xiàn)代更多的用途是在野外救援當(dāng)中。

當(dāng)然，隨著科技的進(jìn)步，掌握摩斯碼通信的人越來(lái)越少了，但基于這種通信方式在應(yīng)急救援、通信災(zāi)備領(lǐng)域不可替代的作用，當(dāng)災(zāi)難或戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)臨，常規(guī)通信短時(shí)間無(wú)法恢復(fù)時(shí)，利用短波電臺(tái)迅速恢復(fù)基本的通信服務(wù)，摩斯碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可確保最低保障通信系統(tǒng)的有效建立，作用巨大，前景應(yīng)用廣闊。 [科]

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