一種基于DSP的莫爾斯電報(bào)收發(fā)模塊設(shè)計(jì)?

沈 旭賀 健

（1.常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司 常州 213000）（2.海軍湛江通信雷達(dá)聲納修理廠 湛江 524000）

1 引言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，部隊(duì)裝備的通信手段多種多樣如衛(wèi)星電話，調(diào)幅話，超短波通話以及各類抗干擾數(shù)據(jù)報(bào)等。其中不乏速度快、可靠性高、使用方便的現(xiàn)代化通信體制，而短波莫爾斯報(bào)作為基本的短波通信方式，具有超視距傳輸、設(shè)備簡(jiǎn)便、保密性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，一直以來是部隊(duì)無線通信的重要手段之一［1］。

短波莫爾斯報(bào)通過等幅電報(bào)（CW）信號(hào)進(jìn)行傳輸，通信雙方需要報(bào)務(wù)員人工進(jìn)行電報(bào)的拍發(fā)和收聽抄報(bào)等操作，這對(duì)報(bào)務(wù)員的經(jīng)驗(yàn)、反應(yīng)能力和精力都提出了較高的要求，尤其在現(xiàn)代電磁環(huán)境復(fù)雜、部隊(duì)作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)變化快等不利條件下，人工操作的方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需求。因此設(shè)計(jì)自動(dòng)發(fā)報(bào)收?qǐng)?bào)模塊具有良好的實(shí)用價(jià)值，符合部隊(duì)通信發(fā)展的實(shí)際需求。

多年來，國內(nèi)外對(duì)于莫爾斯電報(bào)自動(dòng)譯碼做了多方面的研究，致力于電報(bào)信號(hào)提取和譯碼識(shí)別，其中電報(bào)信號(hào)提取較為主流的方法有包絡(luò)檢波、頻譜方差、自適應(yīng)濾波以及小波變換等［2］，本文在參考現(xiàn)有主流算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以DSP為基本硬件平臺(tái)的莫爾斯電報(bào)自動(dòng)發(fā)報(bào)收?qǐng)?bào)模塊，并提出了一種基于希爾伯特變換瞬時(shí)相位分析法，可以在白噪聲、頻偏以及多徑噪聲等干擾下有效地識(shí)別電報(bào)信號(hào)。

2 硬件平臺(tái)

由于數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的功能性能隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展不斷完善和提升，為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法提供了良好的硬件平臺(tái)，由此誕生了以軟件算法取代原始的模擬電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理功能的軟件無線電思想，并且是今后無線通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)發(fā)報(bào)收?qǐng)?bào)模塊采用了軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，以DSP+音頻采樣芯片這一信號(hào)處理基本架構(gòu)作為模塊的硬件架構(gòu)，選用TI的浮點(diǎn)運(yùn)算處理芯片（DSP）TMS320C6748作為核心處理器，TLV320AIC23作為模擬音頻信號(hào)采樣芯片，S29GL016作為程序存儲(chǔ)FLASH，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊硬件結(jié)構(gòu)

3 譯碼輸出

按照莫爾斯電報(bào)碼本“點(diǎn)”，“字空”，“劃”，“組空”，“長(zhǎng)空”的時(shí)間比例為1：1：3：3：5特點(diǎn)，以“點(diǎn)”或“字空”的持續(xù)時(shí)間T作為一個(gè)基礎(chǔ)周期，“點(diǎn)”作為1，“字空”作為0，將按時(shí)間長(zhǎng)度區(qū)分的莫爾斯電報(bào)碼本信息轉(zhuǎn)義為二進(jìn)制碼本，如表1所示。

表1

模塊將收到的電報(bào)報(bào)文轉(zhuǎn)義為二進(jìn)制碼本序列，采用鍵控調(diào)制方式（OOK）發(fā)送載波，載波生成函數(shù)可表示為

其中FS為信號(hào)采樣率，f為載波信號(hào)的頻率，A為數(shù)字化幅度，S（n）為輸出信號(hào)數(shù)據(jù)（音頻16bit數(shù)據(jù)），g（N）為碼本數(shù)列，以時(shí)間T作為碼本數(shù)列的取值周期。式（1）可實(shí)現(xiàn)莫爾斯電報(bào)音頻信號(hào)的碼速，幅度，頻率等特征的控制。以輸出“_.__._ ”為例，并且 FS=9600Hz，f=1200Hz，A=20000，其二進(jìn)制序列為1110101110111010111000，當(dāng)碼速為每分鐘約80碼時(shí)，T=65ms，效果如圖2。

圖2 譯碼輸出電報(bào)信號(hào)

4 信號(hào)檢測(cè)識(shí)別

由式（1）產(chǎn)生的電報(bào)信號(hào)具有以下典型特征：

1）信號(hào)短時(shí)連續(xù)，即在“點(diǎn)”或“劃”持續(xù)時(shí)間內(nèi)為連續(xù)余弦信號(hào)，但在信號(hào)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不連續(xù)。

2）信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，信號(hào)能量較為集中，帶寬窄，在通常為數(shù)十赫茲。

3）信號(hào)幅值不恒定。在短波傳輸過程中，信號(hào)受到多徑噪聲、白噪聲、頻移等多種噪聲干擾，原始信號(hào)被污染，“點(diǎn)”和“空”區(qū)分不明顯。

基于這些電報(bào)信號(hào)特征，模塊采用頻域和相位分析法提取電報(bào)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”“劃”判斷。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算信噪比，鎖定信號(hào)中心頻率，進(jìn)行帶通濾波和Hilbert變換，計(jì)算信號(hào)相位差數(shù)據(jù)，根據(jù)信噪比和相位差數(shù)據(jù)提取電報(bào)信號(hào)，如圖3所示。

圖3 信號(hào)檢測(cè)流程圖

4.1 信噪比計(jì)算

在電報(bào)信號(hào)有效時(shí)間內(nèi)，其采樣結(jié)果函數(shù)可表達(dá)為

式（2）中Fs為模塊采用的采樣率，M為每次計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，對(duì)式（2）進(jìn)行離散傅里葉變換（FFT）：

式（3）中N為FFT變換點(diǎn)長(zhǎng)，對(duì)式（3）的變換結(jié)果進(jìn)行信號(hào)功率、噪聲功率以及信噪比計(jì)算：

式（4）中為f0電報(bào)信號(hào)頻率，Py為信號(hào)功率，Pn為噪聲功率，SNR為信噪比。在式（2）、（3）、（4）的信噪比計(jì)算過程中，計(jì)算所取采樣點(diǎn)數(shù)M影響SNR結(jié)果的實(shí)時(shí)性，F(xiàn)FT變換點(diǎn)長(zhǎng)N影響FFT變換的頻率分辨率、SNR的準(zhǔn)確性以及計(jì)算的復(fù)雜程度。在綜合考慮模塊采樣率、模塊計(jì)算能力、信號(hào)頻率、電報(bào)碼速等因素的前提下，本模塊的采樣率為9600Hz，計(jì)算信噪比所取采樣點(diǎn)數(shù)為48，F(xiàn)FT變換點(diǎn)長(zhǎng)為512，因此FFT的頻率分辨率為18.75Hz，信噪比的時(shí)域分辨率為5ms，可以有效地分辨較快碼速（≈200字碼/分鐘）的“點(diǎn)”、“劃”和“空”的信息。

4.2 瞬時(shí)相位計(jì)算

信號(hào)瞬時(shí)相位采用基于Hilbert變換的方法進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際工程應(yīng)用中通常采用濾波器和FFT變換這兩種方法實(shí)現(xiàn)。濾波器法計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算耗時(shí)少，常用于信號(hào)解調(diào)算法，但經(jīng)過濾波器后信號(hào)的幅值改變，不利于提取信號(hào)的瞬時(shí)相位，因此本模塊采用傅里葉變換法進(jìn)行Hilbert變換：

經(jīng)式（5）的變換，模塊采樣數(shù)據(jù) x（k）經(jīng)過希Hilbert變換之后變?yōu)閺?fù)數(shù)數(shù)據(jù)，以實(shí)數(shù)部分作為橫軸坐標(biāo)，虛數(shù)部分作為縱軸坐標(biāo)，計(jì)算瞬時(shí)相位，如式（6）：

由式（1）、（2）所表示的電報(bào)信號(hào)在信號(hào)存在時(shí)（“點(diǎn)”和“劃”），其瞬時(shí)相位在相鄰的采樣點(diǎn)之間存在很好的連續(xù)性，其相位差由信號(hào)頻率和采樣率決定。在實(shí)際工程中，不同的用戶可能會(huì)采用不同的頻率發(fā)送電報(bào)信號(hào)，采樣點(diǎn)間的相位差會(huì)隨信號(hào)頻率改變，但在一定時(shí)間內(nèi)（同一篇報(bào)文）其瞬時(shí)相位差值穩(wěn)定。因此采用計(jì)算相位差數(shù)據(jù)的譜方差進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別的方式具有良好的適應(yīng)性，如式（7）

與式（4）的信噪比計(jì)算類似，式（7）中計(jì)算譜方差所取采樣點(diǎn)數(shù)N同樣影響譜方差計(jì)算的實(shí)時(shí)性，應(yīng)與計(jì)算信噪比所取采樣點(diǎn)數(shù)相同，以便識(shí)別。

圖4顯示的是通過式（4）和式（7）的算法對(duì)200碼速的莫爾斯碼電報(bào)信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果，其中（a）顯示的是電報(bào)信號(hào)采樣結(jié)果，采樣率為9600Hz，在電報(bào)信號(hào)有效時(shí)（“點(diǎn)”或“劃”），信號(hào)幅度較大，（b）中對(duì)應(yīng)位置信噪比較高，（c）中對(duì)應(yīng)位置的方差數(shù)值較小。對(duì)圖4（b）、（c）進(jìn)行分析，信號(hào)有效時(shí)間為80ms，25ms，80ms，75ms，25ms，80ms，根據(jù)莫爾斯電報(bào)的點(diǎn)劃比例關(guān)系，并且識(shí)別為“_.__._”。

圖4 信號(hào)檢測(cè)識(shí)別效果圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 多種干擾下的信號(hào)檢測(cè)

莫爾斯電報(bào)采用等幅報(bào)（CW）通過短波進(jìn)行傳輸，在實(shí)際無線信道實(shí)驗(yàn)中會(huì)受到白噪聲、多徑衰減、頻偏等多種干擾。如圖5所示，在500ms～1000ms時(shí)間段，信號(hào)幅度和信噪比存在明顯的衰減，但相位差方差譜的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行很好的彌補(bǔ)，利用信噪比和相位差數(shù)據(jù)綜合比較判斷，提高了電報(bào)信號(hào)的識(shí)別度。

6 結(jié)語

本文結(jié)合信號(hào)檢測(cè)中常用的頻域、時(shí)域、相位等分析方法，通過提取信號(hào)的信噪比和相位差數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)莫爾斯碼電報(bào)信號(hào)的檢測(cè)，能夠很好地解決白噪聲、多徑衰弱等多重干擾的問題，并設(shè)計(jì)了一種基于DSP平臺(tái)的自動(dòng)發(fā)報(bào)收?qǐng)?bào)硬件模塊，便于工程應(yīng)用。