淺析摩斯碼聲音信號自動識別技術

【摘 要】基于短波電報的抗干擾性能和簡便靈活的突出優點，短波電報通信長期以來一直是無線通信的重要組成部分，從第二次世界大戰開始一直到20世紀60年代的這一段時間是短波無線通信發展的黃金時期，該技術廣泛地應用于軍事、廣播、商業、氣象等諸多領域。隨著短波無線通信的不斷發展，作為密文傳輸手段中最為典型的摩斯碼信號傳輸系統，仍舊被無線電愛好者以及特殊領域作為重要的傳輸手段，但其自身同樣存在一個固有的弊端，即電報的接收與發送長期以來都是靠人工操作的。隨著通信電子技術的迅猛發展，這一固有弊端越來越明顯。今天，各類工業干擾、個人無線通信及大氣環境的變化使得現有電磁空間環境日趨惡劣，靠人工操作的電報通信，其處理的信息在數量、速度和準確性上愈來愈不能滿足現代無線通信的需要。

【關鍵詞】短波電報；摩斯碼信號；無線通信

1.國內外現狀

1.1國外現狀分析

國外研究者（包括部分臺灣學者）多數研究的是摩爾斯信號的識別與譯碼，目標是摩爾斯碼的點劃特征提取，主要是解決拍發速率的非平穩問題，沒有涉及到強噪聲背景下摩爾斯信號的波形估計問題。從搜集的資料看，國外公開發表的有關電報信號檢測的文獻較少，主要是美國學者的文獻。國內在于檢測技術方面，目前還沒有一種得到廣泛認同的算法，能實現強噪聲環境下純凈摩爾斯信號的提取，但有很多研究機構已作了大量卓有成效的工作，進行了諸多試驗，提出了許多具有代表性和創新性的算法。

1.2國內現狀分析

二十世紀七八十年代以來，摩爾斯信號的自動檢測技術就成為一個比較熱門的課題，國內外許多科研機構都對此做過研究。對于信噪比較高的電報信號，其檢測不難實現；但當信噪比很低時，背景噪聲的能量較高，有時足以淹沒電報信號，這就給傳統意義的信號檢測帶來很大的困難，尤其是在戰場環境下，摩爾斯信號絕大多數工作于強噪聲背景下，這也是目前摩爾斯電報信號仍然采用人工值守方式的主要原因。

2.系統組成

本系統采用數字信號處理的方案，從電臺耳麥接收摩斯碼信號，通過標準的3.5mm耳機插頭連接，進入信號處理電路板，通過低噪聲放大、濾波后，由數字信號處理器控制進行AD量化采集處理，通過時域和頻域的處理手段，進行進一步的發報速度跟蹤、濾波、碼型識別處理，恢復出標準的歸一化的摩斯碼波形，在此基礎上，加入摩斯碼編碼規則數據庫，解調出數據信息，通過標準的RS232接口，上傳到主機進行顯示，也可以根據要求，通過自帶的LCD顯示屏進行顯示。電路板上配置了大容量的SDRAM和Flash芯片，為程序的正常運行提供了充足的資源。由于摩斯碼信號處于音頻范圍，因此，信號的采集部分沿用了標準的音頻信號實時采集的方案，通過DSP來控制集成聲卡芯片，完成摩斯碼信號的實時采集，采集精度達到了16位，最大程度的提高了后續信號處理的精度，降低了系統的量化噪聲。

從通信的角度來看，摩斯碼信號是一個幅移鍵控（ASK）形式的信號，載頻雖然不太穩定，但變化范圍也很小，基本上是一個窄帶信號。點、劃組合的高低電平持續時間遠遠超過載頻的周期，所以從頻率域來看，雖然調制產生了擴頻，但總體來說還是一個窄帶信號，因此特別適合于在頻率域進行檢測。主要采用的分析手段是時頻分析，或者說是短時頻譜分析，檢測出瞬時載頻頻率，然后根據頻率信息的時間特性和點、劃的時間關系，來判斷點、劃組合，進而進行識別。

3.關鍵技術

摩斯碼信號處理包括兩個過程：第一步是信號檢測，即從被噪聲掩蓋的信號中有效的提取信號，濾除噪聲，得到相對干凈的摩斯碼信號；第二步是信號識別，即從摩斯碼信號中提取有關的點、劃信息，進行信息提取。

3.1信號檢測技術

目前的關鍵在第一步，如何有效的濾除噪聲，這也是摩斯碼研究的熱點。有關摩斯碼檢測識別的算法很多，但大多數均停留在實驗室水平，算法很復雜，處理時間很長，只能用于算法仿真，不適合摩斯碼的實時檢測與識別。本方案在信號檢測過程中采用了時頻處理和包絡檢測相結合的方法，通過檢測載頻信號能量的突變來判斷點、劃信息，從而恢復出相對標準的摩斯碼信號，為后續的識別過程做準備。與其它算法相比，時頻處理算法具有更強的抗干擾能力，特別是抗白噪聲和語音干擾的能力很強，另一個突出優點是算法相對簡單，特別適合于實時處理，借助于本方案采用的具有強大運算能力的硬件平臺，基本能夠完成摩斯碼信號的實時處理。相比于簡單的單片機實現方案，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，完成摩斯碼信號的檢測。

3.2信號識別技術

在摩斯碼信號的識別階段，對于機器自動發報的信號，這類信號的點、劃間隔比例比較標準，很好識別。對于人工發報的信號，各信號間的比例隨意性較強，很難用一個標準來識別，本方案采用了自適應的方法，對一幀數據進行實時統計，根據碼速的實時變化，動態調整各信號的間隔比例，因此對摩斯碼的碼速變化和人工拍發手法的適應能力較強。

4.擬解決關鍵問題

4.1低信噪比接收問題

由于摩斯碼信號總體來說是一個窄帶信號，雖然信號中混有各種噪聲，而且看起來噪聲幅度還很大，超過信號幅度，但噪聲是寬帶信號，從整個頻率域來看，在摩斯碼信號的載頻附近，噪聲能量還是要小于信號能量，基于這一點，采用頻域濾波，能夠解決這些問題，最終實現只要收報員能夠聽出來的，摩斯碼接收儀都能夠識別，當然信噪比如果很差，已經達到人無法識別的狀態，設備誤碼率也會有一定增高。

4.2抗干擾問題

如果接收的信號中包含幾個不同的信號，而且各個信號載波頻率有一定的差異，可以通過窄帶濾波，將其它無關頻率的信號濾除掉，只要有用信號的能量高于干擾信號，就可以選擇出有用的信號進行識別處理。至于語音干擾，噪聲干擾，在頻率域通過帶通濾波的方法很容易能夠濾除。

4.3碼速變化問題

對于碼速的變化，若是采用發報機自動發報，則信號比較標準，目前對碼速的適應能力比較強，這一點超過人工收報，應為芯片的運算速度遠遠超過人的反應速度，若是人工發報，則不同的發報員發報手法差異較大，目前的算法適應性已經通過了大量的樣本來驗證。

5.結束語

摩斯碼是人類利用無線電通訊的一種重要手段，早期摩斯碼的傳送只需要一個平穩的連續波即可，不需要任何復雜的調制過程，所以它可以在高噪聲、強干擾的情況下使用，而在同樣的無線電環境中，語音信號可能早就聽不清了，摩斯碼不僅適合通過無線電傳輸，也適合以閃光、聲音、手勢等各種方式傳播，在現代更多的用途是在野外救援當中。

當然，隨著科技的進步，掌握摩斯碼通信的人越來越少了，但基于這種通信方式在應急救援、通信災備領域不可替代的作用，當災難或戰爭來臨，常規通信短時間無法恢復時，利用短波電臺迅速恢復基本的通信服務，摩斯碼自動識別系統可確保最低保障通信系統的有效建立，作用巨大，前景應用廣闊。 [科]

【參考文獻】

[1]高運霞.基于網格的中文語音文件檢索技術的研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

[2]陳志剛.基于語音識別技術的交互繪圖系統的設計與實現[D].大連理工大學，2003.

[3]楊毅，楊宇，余達太.語音增強及其消噪能力研究[J].微電子學與計算機，2006（07）.

[4]王永琦，鄧琛，楊洋.語音增強用于抗噪聲的漢語說話人識別[J].微電子學與計算機，2006（02）.

[5]李建文.變壓式皮膚聽聲器的初步研究[J].陜西科技大學學報，2004（06）.