莫尔斯码自动译码系统设计与研究

I摘 要本文以“空情自动化标图系统” 的研制开发为背景。针对在军事通信中使用的手工拍发的莫尔斯码，设计了标图系统的下位机自动译码分系统。其功能是实现对原始莫尔斯码音频信号的自动译码，为上位机自动标图分系统提供数据。自动译码系统的波形转换电路及软件译码算法设计是本文的研究重点。波形转换电路的功能是将接收到的音频模拟信号转化为高低电平信号，将此信号送入 PIC16F877 单片机。波形转换电路主要包括放大电路，滤波电路，检波电路，整形电路。本文详细地描述了波形转换电路的设计；各种电源模块和芯片的选择、比较；给出了电路原理图和电路工作时的效果图；对制作 PCB 板及调试过程中出现的问题进行了分析。软件译码程序的功能是对经过波形转换电路的高低电平信号进行捕捉、存储、计算、译码等操作，还原出原始的报文信息，通过串口发送到上位机分系统。算法的设计思想是通过实时地计算各种信号的判别门限值，跟踪在手工拍发过程中各信号的变化。本文对自动译码算法的设计和实现步骤进行了全面的阐述，绘制了主程序和各主要子程序的流程图，在附录中给出了“译码子程序 ”等部分代码清单。在结论中阐述了系统改进后的实际效果和本系统的主要性能指标，并对本系统下一阶段研究工作进行展望。关键词：莫尔斯码；PIC16F877 ；波形调试；自动译码IIAbstractThe background of this article is research of “the automatic plotting system of air advices“. The automatic decoding system of the slave computer for the Morse code beat by handicraft in military correspondence is designed. Its function is to realize Morse Code decoding automation of the original Morse code audio frequency signal, providing the data for the automatic plotting system of the host computer.The designs of the wave-form conversion circuit and the decoding arithmetic in the automatic decoding system are studied emphasis.The function of the wave-form conversion circuit is converting the audio frequency analog signal into the high-low voltage signal, this signal is sent into the PIC16F877 single chip. The wave-form conversion circuit mainly include magnifying circuit, filter circuit, demodulation circuit, face lifting circuit. This thesis detailed introduces the design process of the wave-form conversion circuit and the choice and comparison of various power modules and chips; and analyses the problems in the process of doing PCB.The function of the decoding program is catching、saving 、computing、translating high and low voltage signal after the wave-form conversion circuit, restoring original message, sending it to host computer system through COM port. The thesis introduces completely the automatic decoding arithmetic and realization steps, provides the flow char of the main program and the main subprogram, gives “the decoding subprogram” etc codes in the appendix.The thesis narrate actual effect、capability index and expectation of this system after ameliorating, and research work in the next phase.Keywords: Morse code;PIC16F877;automatic decodingIII目 录1 绪 论 -11.1 选题的目的和意义 -11.2 论文综述 -11.2.1 理论的渊源及演进过程 -11.2.2 莫尔斯码的自动译码研究现状 -21.2.3 本人对以上综述的评价 -31.3 课题主要功能模块 -32 系统硬件设计 -42.1 相关术语定义说明 -42.2 硬件设计方案分析 -42.3 电源电路 -52.4 放大电路 -62.5 滤波电路 -72.5.1 无限大增益多路反馈有源滤波器介绍 -72.5.2 带通滤波器 -82.5.3 检波电路 -82.6 整形电路 -92.7 解码指示电路设计 -102.8 频率解码通路设计. -102.8.1 NE567 简介 -112.8.2 567 基础 -112.9 PIC16F877 单片机接口设计 -122.9.1 微处理器的选择 -122.9.2 PIC 单片机的特点和优势 -122.9.3 PIC16F877 接口设计 -142.9.4 串口通讯电路 -153 系统软件设计 -19IV3.1 PIC 单片机 C 语言 -193.2 主程序设计 -193.3 初始化子程序 -213.3.1 定时器初始化子程序 -213.3.2 串口初始化子程 -213.3.3 CCP1 初始化子程序 -213.4 中断服务程序 -223.5 波形调试数据采集传输子程序 -233.6 自动译码算法 -253.6.1 算法概述 -253.6.2 术语定义 -253.6.3 码速定义 -263.6.4 码速对译码的影响 -273.6.5 译码算法分析 -273.6.6 译码算法设计 -283.6.7 译码算法实现 -303.7 译码子程序 -324 硬软件抗干扰 -344.1 硬件抗干扰 -344.1.1 电源的抗干扰措施 -344.1.2 PCB 板的抗干扰措施 -344.2 软件抗干扰设计 -36结 论 -38致 谢 -39参考文献 -40附录 A 英文原文 -42附录 B 汉语翻译 -48附录 C 主电路图 -52V附录 D 部分程序清单 -5311 绪 论1.1 选题的目的和意义该课题是从带有干扰的莫尔斯码信号中提取尽可能纯净的莫尔斯码信息，通过某种算法或识别技术进行莫尔斯码信息的还原，即转化为有意义的数字、字母或符号，以实现手工拍发莫尔斯码报文的自动检测和译码。对于手工拍发的莫尔斯码信号，传统的接收译码方式是以人工方式进行的。随着科学技术的进步发展，这种人工方式日益暴露出一些弊端。人用耳朵接收到莫尔斯码后，要经过大脑对莫尔斯码信号含义作出判别，才能翻译出所接收到莫尔斯码信号的含义。但人的反应能力毕竟是有限的，不可能长时间保持高度有效的工作状态。当信息量逐渐增加，要求对所接收到的信号做快速译码处理时，这就对接收员提出了一定的挑战。因为耳朵识别信号和译码都需要一定的时间，接收员在长时间精力高度集中的状态下工作，难以保证对莫尔斯码信号含义进行准确译码。这种重复的工作枯燥、易使人疲劳，所以，误译、漏译的情况是不可避免的。更重要的是，培养一名优秀的报务员，需要一定的时间和财力。因此，找到一种替代人工译码的莫尔斯码自动译码的工作方式，己成为现代信息化建设的需要。自动检测和译码的实现将大大减少原始人工方式接收译码中人的工作量，同时也将减少为培养一名合格的报务员所需的花费。在民用方面有着广泛的应用，如空中交通信息的指挥和控制，气象信息莫尔斯码的自动译码等。在军事上，可对莫尔斯码电报进行破译可辅助实现雷达站航空情报传递的自动编译也可以作为监控手段，为防空兵提供远方空情信息，辅助实现对空作战指挥的自动化。本课题涉及到信号的放大、滤波、检波、整形、锁相等基础知识，也涉及到单片机的编程、电路绘图等相关技术，研究这一课题，对于本人对模拟电路、数字电路等硬件知识的学习，是很好的实践机会，将大大锻炼本人的实际动手能力，也将大大提高在软件编程方面的能力。1.2 论文综述1.2.1 理论的渊源及演进过程 1832 年，在一艘名叫 “萨丽”号的轮船上，一青年正在给旅客们讲电磁铁原理。2他3从提兜里拿出一块马蹄形的铁块，展示在餐桌上，铁块上缠绕着许多密密的绝缘铜丝。他给铜丝通上电，奇怪的事发生了铁块竟会立即产生一股神奇的力量，把附近的铁钉、铁片一下子吸了过去可是当电路一断，那些铁钉、铁片又立即纷纷掉了下来，那股神奇的力量也瞬间消失了。这位青年叫查尔斯杰克逊，是美国波士顿城的医生。当时 41岁的美国画家塞缪尔莫尔斯也在这批旅客当中，他被杰克逊的讲解深深地吸引住了。原本，他是一个当时已经享有声誉的画家，在绘画方面已有相当的造诣，但电磁铁神奇的现象对他产生了强烈的吸引。当时法国的信号机体系只能凭视力所及传讯数英里。当他被告知，电是瞬间传送的，它与导线的长短无关时，他就梦想着用电流传输电磁信号，瞬息之间把消息传送到数千英里之外。莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会进出火花这一事实得到启发如果将电流截止片刻发出火花作为一种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字，文字就可以通过电流在电线中传到远处了。1837 年，莫尔斯终于设计出了著名的莫尔斯码。1844 年的一天，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，莫尔斯亲手操纵着电报机，向远在 64 公里外的巴尔的摩城发出一连串的“ 点” 、 “划”信号，等候在那里的莫尔斯的助手盖尔立即将收录的电码译成电文“上帝创造了何等奇迹” 这是人类有史以来拍发的第一份正式长途电报在无线电发明后一百年中，莫尔斯码一直是人类沟通信息的重要方式。最早的重要应用是海轮之间的通信。1912 年 4 月 14 日，大西洋上的“卡帕提阿”号救援船听到最豪华的游轮“ 泰坦尼克号”发出呼救信号“SOS和“CQD” 1，就是以莫尔斯码的形式发出的。1.2.2 莫尔斯码的自动译码研究现状莫尔斯码的自动译码问题是人们关注的课题之一，在上个世纪 80 年代，就有人从事该领域的研究和探索。其研究的关键问题均是考虑对莫尔斯码信号的尽可能纯净的检测和提取，这是实现良好译码的一个首要前提。其采用的方法有检波识别法、在频域计算能量的幅度平方谱捕捉法、离散 Gabor 谱检测 2、复数谱平方差检测等方法。2004 年，曾有四川一媒体报导过“某单位己经研究出莫尔斯码自动译码系统” 的新闻，但是，至今一直未有看到相关成熟产品的问世。在作者开始本课题前，本课题组相关人员对该系统己有一定研究，并有初步方案的分析设计，但其功能不甚理想，对这一4课题的研究，还处于摸索尝试阶段。1.2.3 本人对以上综述的评价对于全世界万业余无线电爱好者讲来，很多人仍在利用莫尔斯码进行互相联络，因为收发电报的无线电设备比收发语音或者其它信号的设备简单有效得多。学好基本的莫尔斯码是其他代码的基础。1.3 课题主要功能模块主要围绕课题的提出、构建方案和实现，按照从分析、设计、实现的顺序展开论述。内容概要如下：首先介绍本课题研究的目的和意义、发展现状，以及主要工作。第二章围绕硬件电路的功能及设计思想给出了硬件电路的设计过程。第三章进行了莫尔斯码自动译码算法的分析和设计，给出了程序的实现程序。52 系统硬件设计2.1 相关术语定义说明莫尔斯电码是一套由“ 点”和“划”构成的系统，通过 “点”和“ 划”间隔的不同排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。1851 年，在欧洲国家有关方面的支持下，莫尔斯码经过简化，以后就一直成为国际通用标准通信电码 3。: 短音 念作“ 滴（di）“ - : 长音 念作“ 答（da）“ 字码: A: - B: - C: - D: - E: F: - G: - H: I: J: - K: - L: - M: - N: - O: - P: -Q: - R: - S: T: - U: - V: - W: - X: - Y: - Z: - ?: - /: - -: - 数码( 长码 ): 1: - 2: - 3: - 4: - 5: 6: - 7: - 8: - 9: - 0: - 在我国电报