マイコンで作る 本格的CWデコーダ

 1. はじめに

安価で高性能なマイコンRP2350を使って、お手軽価格(税込み2,200円)でPC版に並コンで本格的なCW デコーダを製作しましたので、記録を兼ねて紹介します。

2. CW デコーダでできる事 

1）無線機で受信したCW信号(英文・和文)、および自分が送信するサイドトーン(モニター音)をデコードして、表示機(OLED 64x128dot)に表示します。(16文字x4行)

2) 受信中の音のスペクトラム表示、およびオーディオ信号のレベル表示(AGC補正後)ができます。 (スペクトラム表示、レベル表示の例)

3) PCに接続して、受信した内容をターミナルで表示できます。

3. 使い方のイメージ

(使い方のイメージ)

4. 本マイコン版CWデコーダの仕組み (従来のマイコン版CWデコーダとの違い)

• 従来のCW デコーダの構成

(従来のCWデコーダ)

従来のマイコン版CWデコーダでは、入力音声をそのまま、またはオーディオフィルタ(周波数固定)を通して選択した音声に対して、レベルの大小でモールス信号を抽出していました。

• 本マイコン版CWデコーダ (FFT方式)

(FFT方式のデコーダの図)

本マイコン版のCWデコーダではPC版のCWデコーダと同じ、FFT計算でCW信号(トーン)を選択してデコードしています。

従って、設定帯域外の信号は完全にカットでき、また帯域内で一番強いターゲット周波数のみを自動的に選択してモールス信号を抽出しますので、ターゲット周波数以外の雑音からの影響を最小限にできます。(自分でフィルタの周波数に合わせる必要がありません)

5. 信号処理部 (サンプリングとFFT計算)

 必要なサンプリング回数

モールス符号の速度はWPM(Words per Minute)で表され、例えば20WPMの場合、ドット(短点)のOnの時間は60msecになります。このモールス符号をデコードするには、On期間に少なくとも3-5サンプルが必要です。  → サンプル間隔は10msec以下(100サンプル/秒以上)が必要

• 従来のCWデコーダ　=  音声信号の強弱でOn/Offを判断

ADCで100回/秒以上のサンプリング(容易)

欠点は、信号以外の雑音が信号に含まれるため、ノイズの大きい条件でのデコードが困難

• 本マイコン版CWデコーダ  =　ノイズへの耐性が高いFFT方式でOn/Off判定

FFT計算を100回/秒以上実行する必要がある。(計算量多い)

(参考) マイコンの 性能比較表(π計算とFFT計算時間)

サンプリング周波数の決定

周波数解像度の決定

この結果、FFT計算とOn/Off判定で1つの計算ユニット(Core1)の計算能力をフルに使い切るため、モールス符号の判定と表示部分は別の計算ユニット(Core0)で実行するように全体を設計した。

6. 信号処理部 (ノイズ処理とOn/Off判定)

オーディオ・スペクトラム(FFT)方式のCWデコーダの構成

最終的に、最も強い信号の強弱に注目して、AGCをかけた後でOn/Off判定を実施する (冒頭のオーディオスペクトラム表示、およびレベル表示の例を参照)

7. モールス符号解読部

• 電鍵読み取り部(デジタル入力)は、FFT計算で信号のOn/Off判定の部分に相当
• モールス符号解読部は、時間測定→符号判定→文字判定の部分
• 文字判定は、二分探索アルゴリズムで高速探索して文字符号に変換
• 文字符号は単独文字だけでなく、連結文字(例えば”AR“,”BT”,”CU”,”TNX”など)も登録できます。(ただし、”TU”は’X’と区別ができないので不可)
• 英文・和文の切換えは手動(プログラムは、「ホレ」を"<<"、「ラタ」を">>"と表示します。これを打たない人もいるので、自動切換えはしていません)

8. 回路図と専用基板

専用基板

製作例

9. 部品表

10. プログラムの設定方法

マイコンボードの[B]のボタンを押しながらUSBケーブルを(パソコンに)挿入します。

すると、マイコンボードがストレージ(フォルダ)として表示されるので(赤枠の画面)、提供したプログラムをドラッグ&ドロップでコピー。コピーが終わればスタートします。

11.使い方

1. CW Decoderに無線機からのオーディオケーブルとUSB電源(またはPC)を接続
2. 無線機の音量レベルを調整 (AF15%-20%)
   (マイコンのLED(橙色)が雑音で点滅しないレベル)
3. 欧文と和文の切換えは手動 ➡ ボタンをPush
   ([Alpha], [KANA]と表示されます)「ホレ」は”<<“、「ラタ」は”>>”と表示します。
4. グラフ表示の切換え
   ボタンの長押し(3秒以上)で、スペクトラム表示、オーディオレベル表示へ切換えます
5. PC表示 (大きく表示するデモ用)
   デコードした文字は、USB経由でPCのターミナル(TeraTermなど)で表示ができます。
   　(通信速度115200bps)

12. 性能評価

PC版の著名なCWデコーダソフトと比較したところ、ほぼ同等の性能を実現していることを確認できました。(PC版ではコールサイン推定などを入れているようですが、本CWデコーダでは未実現)

また、本CWデコーダのデコード部分はまだ拡張可能で、連結文字対応の追加などを予定しています。

13. 最後に

このCWデコーダを作ってみたい方、一緒にソフトを改良してくださる方には、資料やソースコードをお送りする予定です。

ご連絡いただけると幸いです。