调制与制式(3) 电报:等幅报CW

调制与制式(3) 电报:等幅报CW

摘要:
(1) 国际莫尔斯电码
(2) 连续波和侧音
(3) 发报速度、码率和带宽
(4) 用电码传递汉字
(5) 计算机自动莫尔斯报原理


国际莫尔斯电码

标准莫尔斯电码表很容易在网上查到,我就不把那张图片或表格贴在本文中。但推荐两个网址获取这份国际标准:
其一是刘慈欣小说《三体》中汪淼查询莫尔斯电码的网址: www.qsl.net/bg3tt/zl/mesdm.htm
另一个是国际电联ITU的官方文件,定义莫尔斯电码的ITU-R M.1677号建议书,2009版的网址是:International Morse code,由于中文是联合国工作语言之一,ITU提供了官方中文版文件,点击下载

如果这个文件有更新,可以在ITU的网站上寻找新的版本。

连续波和侧音

上回书说到,火花发报机由于浪费频率资源、容易相互干扰,而被禁止使用。替代它的正是连续波电报。连续波电报的波形是键控正弦波,不再有减幅波的指数型包络调制。这带来一个严重的问题,就是调幅接收机的检波电路无法听到电报——火花发报机的信号会在调幅接收机的耳机中产生清晰的啁啾声或嗡嗡声,供报务员收听莫尔斯电码,而连续波信号在这种接收机中,只会产生一些短暂的噗噗声,完全无法提供代表点、划的声音。

接收连续波电报,需要加拿大发明家雷金纳德·费森登(Reginald Aubrey Fessenden, 1866~1932)于1905年率先开发的“外差解调”,虽然其采用了高频交流发电机,但其本质和目前软件无线电领域十分流行的“零中频”方案完全相同,核心是一个乘法混频器,将射频信号线性搬移到人耳可闻的频率范围内,这个可以听到的声音就是接收侧音。埃德温·阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong, 1890~1954)的再生电路和超再生接收机也可以收到以连续波CW发送的电报,只需两只电子管就可以配置一台性能良好的收发报机,这种电路直到二战结束之后,才被超外差电路逐渐取代。至于直放、再生、超再生、外差、超外差电路这些术语的含义和电路模式,留作另文讨论。

发报速度、码率和带宽

莫尔斯电码发报速度常用WPM表示,即“字每分钟”。在国内,邮电及军用通信,还有快速收发报比赛项目中,还常用另一个发报速度单位“平均分(钟)速”单位是码每分钟,可以用100组(每组4个数字)短码数字报用时,在《发报速度查对表》中查得。

而在数字通信领域,另一个衡量传输速率的单位是bit/s,即比特率,没错,就是上网网速那个单位。用比特率除以每符号比特数得到的每秒发送的符号数,称为波特,单位baud,是调制解调器中每秒信号变化的度量。二进制调制的比特率和波特是相等的。如果需要多个符号才能表示1bit的信息,那么波特率会高于信息速率。如一个起始位、一个停止位的8bit标准异步串口,波特率和比特率的关系是0.8,因为串口协议使用了10个符号传输了8bit的数据。

通常认为,莫尔斯电码是由点和划组成的,其实则不然,完整的莫尔斯电码包括5种不同的符号,它们是:(1)点、(2)划、(3)点划之间的字母内短间隔、(4)字母之间的中等间隔、(5)字之间的长间隔。莫尔斯电码的基本时间单元是点持续时间,如果把它记作单位时间1,那么其他四种符号持续的时间是:

点 - 高电平 - 1个时间单位
划 - 高电平 - 3个时间单位
短 - 低电平 - 1个时间单位 (字母内点划之间)
中 - 低电平 - 3个时间单位 (字母间)
长 - 低电平 - 7个时间单位 (单词间)

单词“PARIS”(巴黎)是测量莫尔斯电码速度的标准词。它占用50个时间单位。如果你用1分钟的时间发送了"PARIS"这个词,你的电码速度就是1 WPM。发送PARIS,实际发送的信号序列是“点短划短划短点中点短划中点短划短点中点短点中点短点短点长”,这是一个多进制序列,拥有5个不同的符号,且各符号持续的时间不同。如果如果把砸下电键的高电平定义为1,松开电键的低电平定义为0,把这段数字信号描述成计算机使用的那种时间均匀的0、1序列,那么PARIS实际发送的二进制比特流是“1011 1011 1010 0010 1110 0010 1110 1000 1010 0010 1010 0000 00”,那么,WPM和比特率的换算系数就是 1 WPM = 50 symbols/min = 0.83 baud。新手练习使用的20WPM速率相当于16 baud;而无线电传RTTY常用的45.45 baud大致相当于55WPM的莫尔斯速率。

“PARIS”电码 引自 Raymond Lee, VR2UW

我们终于把莫尔斯电码不同的点、划和间隔,等效成每个码元时间相等的数字通信高低电平比特流。这样在通信原理中就可以看作是一种键控通断(OOK)信号。它是键控振幅调制(ASK)的特例,是调幅(AM)的一种极端情况。它可以看作基带莫尔斯电码的双边频谱通过调幅线性搬移到载波频率。它的宽占用与基带莫尔斯信号的频谱有关,取决于两个因素:发报速度,即前文提到的波特率;以及包络的形状。

计算莫尔斯电码信号的带宽需要艰深的数学:波特率对带宽的影响可以参考通信原理有关OOK信号的章节,而载波包络形状如何作用于带宽,可以参考窗函数,详情通常在数字信号处理相关课程中。简单地说,基带信号变化得越快,所需要的带宽越大。考虑一种极限情况,无限长的连续正弦波,基带信号变化速率为零,带宽是0,但无法传输信息。当它的幅度发生变化时,就要占用一定的带宽,且变化越迅速,所需的带宽就越大。

变化迅速有两层含义,其一是交替的有信号(1)、无信号(0)各自持续的时间,即电码速率,决定信号主瓣带宽宽度。其二是从有信号到幅值下降到无信号的变化过程持续的时间,即脉冲边沿的形状,决定主瓣两侧旁瓣的高度。

电码速率决定主瓣带宽

在定义包络形状为指数函数,时间常数为4,单位时间为20ms(50 baud, 60 WPM)和50ms(20 baud, 25WPM)时,CW基带信号(包络)的波形和频谱如图所示。

60WMP和25WPM CW信号脉冲包络,图片引用自 Kevin Schmidt, W9CF
60 WPM 和 25 WPM CW信号频谱,图片引用自 Kevin Schmidt, W9CF

脉冲包络形状决定旁瓣幅度

脉冲波形(蓝) 和 包络形状(品) 图片引用自 Jim Proctor, KE3HO

包络形状决定了射频脉冲幅度在零和最大值之间变化的方式,变化越剧烈,所需带宽越宽,在频谱上表现出更高的副瓣和旁瓣。

0.5ms 5ms梯形边沿与5ms升余弦边沿的旁瓣。图片引用自 Jim Proctor, KE3HO

锋利的上升下降沿会在电码侧音起始和结束时耳机中引起难受的咔嗒声,同时较高的旁瓣会给旁边的电台带来干扰。设计精良的CW发报机都会使用升余弦、高斯脉冲、误差函数等形状的信号包络,以最小化无用的发射。

60WMP和25WPM CW信号优化脉冲包络,图片引用自 Kevin Schmidt, W9CF
60WMP和25WPM CW信号优化频谱,图片引用自 Kevin Schmidt, W9CF
YAESU FT-5000 在更新固件前的CW频谱,由于脉冲包络形状不良,有较高的旁瓣。图片引自 AC0C
ELECRAFT K3电台的CW输出频谱 图片引用自 AC0C

上图对比了设计精良的 ELECRAFT K3 电台和Yaesu通过固件升级修复CW带宽占用前有问题的CW信号实测频谱。

用电码传输汉字

标准电码

邮电部《标准电码本》是现行明码电报的编码标准。它将汉字、常用词组和一些特殊符号编码为4位10进制数字,编码范围0000~9999,目前版本收录了七千余个字符。

标准电码本的使用方法和字典类似,译电时,发报前通过拼音或部首找到每个字的数字电码,收报后通过数字电码查到对应的汉字。过去需要邮电局的工作人员背诵才能迅速完成译电,现在可以通过计算机软件快捷地完成。

连德良同志开发的标准电报码译电软件

短码

中文经过译电后,全部用数字表示。而在标准莫尔斯电码中,数字的电码都由5个点划组成,拍发起来相当耗时。所以可以选取一些比较短的字母,在全数字电文中代替数字使用,提高发报效率。这种数字莫尔斯电码称为短码。不同时期,不同国家,短码有各种不同的方案。

Raymond Lee, VR2UW整理了不同的数字短码方案:

拼音电报

拼音电报是为了解决没有《标准电码本》的条件下中文通报问题。

一份拼音电报的例子如下:

UR RST 547 QSB HR QRS NW CH =
JI2 XU1 SHENG1 SHI2 HUI1 (1000KG) LONG2 DAN3 ZI3 (100) PING2
AR HW?KN

您的信号547,有衰落,这里将放慢拍发速度。下面是汉字内容:
急需生石灰1吨,龙胆紫100瓶。
汉字内容结束。抄收如何?请回答。

现行拼音电报规范由CRAC《业余无线电应急电报通信汉字传送规范(试用稿)(v20110126)》确定,可以在CRAC的网站下载查阅,网址是 参考资料(文本)下载 | CRAC-中国无线电协会业余无线电分会

计算机自动莫尔斯报原理

计算机自动发报

在通信领域,发送始终比接收容易得多。计算机自动发报,就是一个查表的过程。将前文莫尔斯电码与二进制1、0对应关系存储在计算机中,按照发送缓存中的内容查表播放。

如果计算机输出(通常使用串口流控信号DTR)连接在电台的电键Key接口,电台工作在CW模式,那么只需要按照给定的速度,按顺序给出通断或高低电平,电台完成波包络赋形和发报。

如果计算机使用声卡,电台工作单边带模式,那么计算机还要承担起脉冲波形赋型的重任,输出升余弦包络的莫尔斯波形,电台只完成上变频和发送

所以,如果你想DIY一个计算机自动发报机,而又不懂如何完成包络赋形,请直接将高低电平送到电台的键控输入,而不要使用声卡。否则要学习数字信号处理中窗函数有关章节,给基带莫尔斯侧音信号加窗后,再通过声卡连接到单边带发信机。以免发射信号带外和杂散特性超标。

计算机自动收报

计算机自动收报要复杂得多。单边带接收机输出的3kHz基带音频,首先通过一个FFT快速傅立叶变换,得到频谱。这时还可以通过非相干累加提升信号的信噪比。然后在每个FFT输出频率点上,检测有没有规律的高低电平跳变。如果检测到跳变,就将这个FFT输出点送进CW解调通道。

在CW解调通道中,比特同步电路中频率锁定环路尽量锁定在最短的高低电平跳变频率上,产生同步定时信号,然后将它的三倍时长作为字符分隔,七倍时长作为单词分隔的阈值。此外自动幅值控制电路通过反馈维持着一个最佳的高低电平判决阈值,通常选取为一段时间内该采样点捕获最大幅值和最小幅值的平均点。然后利用时间和电平两个阈值,对该FFT输出频点进行平均采样判决,得到一系列二进制值。经分隔同步后的二进制解调数据,查表获取译码解调结果。

莫尔斯电码二叉树,可用于计算机自动译码算法的查表步骤。

CW Skimmer是一个优秀的莫尔斯电码计算机自动解调软件。

2016 CQWW WPX

2016年CQWW WPX竞赛期间,40米波段(7MHz)上的CW信号


不正经的引用和参考文献:
[1] Kevin Schmidt, W9CF. Spectral Analysis of a CW keying pulse. Spectral Analysis of a CW keying pulse
[2] AC0C. CW Occupied Bandwidth Improvement . CW Occupied Bandwidth
[3] Mark Amos, W8XR. An Intuitive Explanation of CW Bandwidth. An Intutitive Explainaion of CW Bandwidth
[4] BG3TT. 莫尔斯电码对照. 莫尔斯电码
[5] VR2UW. 在hellocq.net上发表的CW介绍的帖子
[6] CW Skimmerdxatlas.com/CwSkimmer/
[7] 意大利某论坛上的丧心病狂的CW瀑布图

作为数学高手的你,如果想得到CW信号频谱推导的数学表达和过程,请参见第一个参考文献、以及通信原理/数字信号处理课本。

编辑于 2018-07-07

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