一种基于DSP的莫尔斯电报收发模块设计∗

沈 旭贺 健

（1.常州国光数据通信有限公司 常州 213000）（2.海军湛江通信雷达声纳修理厂 湛江 524000）

1 引言

随着现代无线通信技术的不断发展，部队装备的通信手段多种多样如卫星电话，调幅话，超短波通话以及各类抗干扰数据报等。其中不乏速度快、可靠性高、使用方便的现代化通信体制，而短波莫尔斯报作为基本的短波通信方式，具有超视距传输、设备简便、保密性强的优势，一直以来是部队无线通信的重要手段之一［1］。

短波莫尔斯报通过等幅电报（CW）信号进行传输，通信双方需要报务员人工进行电报的拍发和收听抄报等操作，这对报务员的经验、反应能力和精力都提出了较高的要求，尤其在现代电磁环境复杂、部队作战距离远、战场局势变化快等不利条件下，人工操作的方式已经不能满足实际业务需求。因此设计自动发报收报模块具有良好的实用价值，符合部队通信发展的实际需求。

多年来，国内外对于莫尔斯电报自动译码做了多方面的研究，致力于电报信号提取和译码识别，其中电报信号提取较为主流的方法有包络检波、频谱方差、自适应滤波以及小波变换等［2］，本文在参考现有主流算法的基础上，设计了一种以DSP为基本硬件平台的莫尔斯电报自动发报收报模块，并提出了一种基于希尔伯特变换瞬时相位分析法，可以在白噪声、频偏以及多径噪声等干扰下有效地识别电报信号。

2 硬件平台

由于数字信号处理芯片（DSP）的功能性能随着现代电子技术的发展不断完善和提升，为实现各种复杂算法提供了良好的硬件平台，由此诞生了以软件算法取代原始的模拟电路实现的信号处理功能的软件无线电思想，并且是今后无线通信领域的发展趋势。

本文设计的自动发报收报模块采用了软件无线电的设计思想，以DSP+音频采样芯片这一信号处理基本架构作为模块的硬件架构，选用TI的浮点运算处理芯片（DSP）TMS320C6748作为核心处理器，TLV320AIC23作为模拟音频信号采样芯片，S29GL016作为程序存储FLASH，结构如图1所示。

图1 模块硬件结构

3 译码输出

按照莫尔斯电报码本“点”，“字空”，“划”，“组空”，“长空”的时间比例为1：1：3：3：5特点，以“点”或“字空”的持续时间T作为一个基础周期，“点”作为1，“字空”作为0，将按时间长度区分的莫尔斯电报码本信息转义为二进制码本，如表1所示。

表1

模块将收到的电报报文转义为二进制码本序列，采用键控调制方式（OOK）发送载波，载波生成函数可表示为

其中FS为信号采样率，f为载波信号的频率，A为数字化幅度，S（n）为输出信号数据（音频16bit数据），g（N）为码本数列，以时间T作为码本数列的取值周期。式（1）可实现莫尔斯电报音频信号的码速，幅度，频率等特征的控制。以输出“_.__._ ”为例，并且 FS=9600Hz，f=1200Hz，A=20000，其二进制序列为1110101110111010111000，当码速为每分钟约80码时，T=65ms，效果如图2。

图2 译码输出电报信号

4 信号检测识别

由式（1）产生的电报信号具有以下典型特征：

1）信号短时连续，即在“点”或“划”持续时间内为连续余弦信号，但在信号持续长时间内不连续。

2）信号持续时间内，信号能量较为集中，带宽窄，在通常为数十赫兹。

3）信号幅值不恒定。在短波传输过程中，信号受到多径噪声、白噪声、频移等多种噪声干扰，原始信号被污染，“点”和“空”区分不明显。

基于这些电报信号特征，模块采用频域和相位分析法提取电报信号，实现“点”“划”判断。首先对信号进行FFT变换，计算信噪比，锁定信号中心频率，进行带通滤波和Hilbert变换，计算信号相位差数据，根据信噪比和相位差数据提取电报信号，如图3所示。

图3 信号检测流程图

4.1 信噪比计算

在电报信号有效时间内，其采样结果函数可表达为

式（2）中Fs为模块采用的采样率，M为每次计算所采用的数据点数，对式（2）进行离散傅里叶变换（FFT）：

式（3）中N为FFT变换点长，对式（3）的变换结果进行信号功率、噪声功率以及信噪比计算：

式（4）中为f0电报信号频率，Py为信号功率，Pn为噪声功率，SNR为信噪比。在式（2）、（3）、（4）的信噪比计算过程中，计算所取采样点数M影响SNR结果的实时性，FFT变换点长N影响FFT变换的频率分辨率、SNR的准确性以及计算的复杂程度。在综合考虑模块采样率、模块计算能力、信号频率、电报码速等因素的前提下，本模块的采样率为9600Hz，计算信噪比所取采样点数为48，FFT变换点长为512，因此FFT的频率分辨率为18.75Hz，信噪比的时域分辨率为5ms，可以有效地分辨较快码速（≈200字码/分钟）的“点”、“划”和“空”的信息。

4.2 瞬时相位计算

信号瞬时相位采用基于Hilbert变换的方法进行计算，在实际工程应用中通常采用滤波器和FFT变换这两种方法实现。滤波器法计算简单，计算耗时少，常用于信号解调算法，但经过滤波器后信号的幅值改变，不利于提取信号的瞬时相位，因此本模块采用傅里叶变换法进行Hilbert变换：

经式（5）的变换，模块采样数据 x（k）经过希Hilbert变换之后变为复数数据，以实数部分作为横轴坐标，虚数部分作为纵轴坐标，计算瞬时相位，如式（6）：

由式（1）、（2）所表示的电报信号在信号存在时（“点”和“划”），其瞬时相位在相邻的采样点之间存在很好的连续性，其相位差由信号频率和采样率决定。在实际工程中，不同的用户可能会采用不同的频率发送电报信号，采样点间的相位差会随信号频率改变，但在一定时间内（同一篇报文）其瞬时相位差值稳定。因此采用计算相位差数据的谱方差进行信号的识别的方式具有良好的适应性，如式（7）

与式（4）的信噪比计算类似，式（7）中计算谱方差所取采样点数N同样影响谱方差计算的实时性，应与计算信噪比所取采样点数相同，以便识别。

图4显示的是通过式（4）和式（7）的算法对200码速的莫尔斯码电报信号检测的结果，其中（a）显示的是电报信号采样结果，采样率为9600Hz，在电报信号有效时（“点”或“划”），信号幅度较大，（b）中对应位置信噪比较高，（c）中对应位置的方差数值较小。对图4（b）、（c）进行分析，信号有效时间为80ms，25ms，80ms，75ms，25ms，80ms，根据莫尔斯电报的点划比例关系，并且识别为“_.__._”。

图4 信号检测识别效果图

5 实验结果分析

图5 多种干扰下的信号检测

莫尔斯电报采用等幅报（CW）通过短波进行传输，在实际无线信道实验中会受到白噪声、多径衰减、频偏等多种干扰。如图5所示，在500ms～1000ms时间段，信号幅度和信噪比存在明显的衰减，但相位差方差谱的数据可以进行很好的弥补，利用信噪比和相位差数据综合比较判断，提高了电报信号的识别度。

6 结语

本文结合信号检测中常用的频域、时域、相位等分析方法，通过提取信号的信噪比和相位差数据实现莫尔斯码电报信号的检测，能够很好地解决白噪声、多径衰弱等多重干扰的问题，并设计了一种基于DSP平台的自动发报收报硬件模块，便于工程应用。