基于無(wú)線數(shù)傳技術(shù)的話音擾頻模塊設(shè)計(jì)

摘 要：介紹一種話音擾頻方案，通過(guò)引入無(wú)線數(shù)傳技術(shù)和跳頻概念，增大擾頻序列的隨機(jī)性，有效提高了集群系統(tǒng)的安全性和應(yīng)用范圍。
關(guān)鍵詞：擾頻 無(wú)線數(shù)傳  糾錯(cuò)編碼

模擬集群是一種無(wú)線專用調(diào)度通信系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于公安、交通、鐵路等專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。隨著設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和普及化，如何防止網(wǎng)外竊聽(tīng)和干擾，保障通信安全成為亟需解決的問(wèn)題。
CMX264是CML公司推出的用于話音通信系統(tǒng)的頻域擾頻芯片，片上有4個(gè)可編程的擾頻頻率點(diǎn)，以選定的頻率為中心，將話音信號(hào)的頻譜切割成兩段并分別倒置；接收端將上述過(guò)程進(jìn)行反變換，還原出原始語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到加密的目的。
本文設(shè)計(jì)了一種基于CMX264，用于集群系統(tǒng)話音擾頻的方案，通過(guò)引入無(wú)線數(shù)傳技術(shù)和跳頻概念，在不增加設(shè)備復(fù)雜度的情況下，保障網(wǎng)內(nèi)通話的安全性和應(yīng)用范圍。
1 方案對(duì)比
1.1 單一擾頻方式
在固定擾頻點(diǎn)上實(shí)施擾頻，這種方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且不受中繼臺(tái)影響，缺點(diǎn)是容易被破解。
1.2 跳頻擾頻
通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制和定時(shí)，在提供的四個(gè)擾頻點(diǎn)中按照約定的次序和時(shí)間間隔進(jìn)行切換，類似跳頻通信技術(shù)，只是跳動(dòng)的不是載波頻率，而是擾頻點(diǎn)頻率。與單一擾頻方式相比，該方案安全性能有所提高，但不適于大網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)中繼臺(tái)以后會(huì)引入延時(shí)，導(dǎo)致跳頻不同步，且跳頻方式相對(duì)固定，仍有一定的安全隱患。
1.3 結(jié)合數(shù)傳技術(shù)的跳頻擾頻
針對(duì)以上兩者的不足，提出了結(jié)合數(shù)傳技術(shù)的跳頻擾頻方案。該方案在模擬系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次通話前先發(fā)送跳頻信令，即本次跳頻的次序以及時(shí)間間隔，由擾頻信令確定起跳時(shí)間，克服了中繼臺(tái)的延時(shí)影響；跳頻次序的隨機(jī)性，加大了竊聽(tīng)的難度。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)原理如圖1，選用ATmega8單片機(jī)進(jìn)行控制和編碼，CMX264進(jìn)行話音擾頻，MSM6882無(wú)線MODEM完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)，高萊 (Golay)碼進(jìn)行信道糾錯(cuò)，通過(guò)擾頻信令確定跳頻方式。呼叫方每次通話前，即按下PTT之后，在單片機(jī)控制下先由MSM6882發(fā)送擾頻信令，確定此次通話是否擾頻以及擾頻的次序和時(shí)間間隔，CMX264按照約定的規(guī)則改變擾頻點(diǎn)，接收方根據(jù)解調(diào)出的擾頻信令設(shè)置起跳時(shí)間和方式，達(dá)到同步接收的效果。

2.1 CMX264的設(shè)計(jì)
話音信號(hào)的頻率范圍是 300Hz～3 300Hz，CMX264選擇四個(gè)頻點(diǎn)中的一個(gè)，將話音信號(hào)劃分為兩個(gè)子帶，并分別對(duì)子帶的頻譜進(jìn)行倒置，接收端再進(jìn)行反變換還原出原始語(yǔ)音信號(hào)。當(dāng)晶振頻率為4.433 619MHz時(shí)，四個(gè)擾頻點(diǎn)頻率分別為1 027Hz、1 276Hz、1 482Hz和1 966Hz。話音信號(hào)由MICIN端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)擾頻、加重處理后由MICO端輸出；射頻接收解調(diào)出的話音信號(hào)由RXIN端進(jìn)入，經(jīng)去擾頻、加重處理后由 EXTO端輸出?？梢?jiàn)CMX264只是串接在原有的話音通路中改變頻譜結(jié)構(gòu)而不影響傳輸效果。
CMX264提供串行接口來(lái)控制內(nèi)部狀態(tài)和工作模式，指令的功能包括：省電模式、是否擾頻、話音輸入輸出控制、預(yù)加重/去加重選擇和擾頻點(diǎn)選擇。指令的格式定義如表1所示。

數(shù)據(jù)通過(guò)DATA端按高位在前的順序?qū)懭耄赟CLK端的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，CSN端提供片選信號(hào)。CMX264處在從接收的位置，單片機(jī)只需根據(jù)時(shí)序定義，通過(guò)I/O口即可實(shí)現(xiàn)此串行接口的功能，對(duì)CMX264進(jìn)行控制。時(shí)序如圖2所示。

2.2 無(wú)線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)
2.2.1 MODEM的設(shè)計(jì)
電臺(tái)內(nèi)部針對(duì)話音頻帶進(jìn)行了帶通濾波，因此對(duì)MODEM調(diào)制后的信號(hào)有頻率限制，不能超出話音頻率范圍。MSM6882是OKI公司推出的MSK全雙工調(diào)制解調(diào)器，MSK信號(hào)包絡(luò)恒定，具有最小功率譜占用率，在碼元轉(zhuǎn)換瞬間沒(méi)有相位突變，數(shù)據(jù)傳輸波特率可以在1 200/2 400進(jìn)行選擇，載波頻率600～2400Hz，因此完全可以通過(guò)電臺(tái)的話音信道進(jìn)行傳輸。
MSM6882內(nèi)部提供接收時(shí)鐘RT和發(fā)送時(shí)鐘ST，通過(guò)同步串口與單片機(jī)通信，單片機(jī)使用外部中斷模擬實(shí)現(xiàn)同步串口的功能。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)SD在ST上升沿被鎖存，因此將ST與單片機(jī)的外部中斷INT0相連，INT0設(shè)置為下降沿觸發(fā)，單片機(jī)在中斷處理程序中改變SD電平，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部調(diào)制后產(chǎn)生MSK信號(hào)輸出AO，發(fā)送時(shí)序如圖3所示。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，輸入AI的MSK信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部濾波器后可恢復(fù)為串行數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)從接收的數(shù)據(jù)中還可恢復(fù)出同步時(shí)鐘RT，將RT與單片機(jī)的外部中斷INT1相連，中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)，單片機(jī)在中斷處理程序中讀取RD電平值。接收時(shí)序如圖4所示。

2.2.2 糾錯(cuò)編碼的設(shè)計(jì)
移動(dòng)通信時(shí)必然要受到無(wú)線信道傳輸特性的不理想以及加性噪聲的影響，要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必須采取各種技術(shù)措施來(lái)抵消衰落的不利影響，信道糾錯(cuò)編碼就是其中一種有效的抗衰落技術(shù)。
由于擾頻信令的信息非常重要，而且要求有實(shí)時(shí)性，只有檢錯(cuò)重發(fā)并不能滿足要求。針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)和編解碼的復(fù)雜度，糾錯(cuò)編碼采用Golay碼。 Golay碼是一種特殊的非本原BCH碼，屬于前向糾錯(cuò)編碼FEC(Forward Error Correction)，也是目前為止發(fā)現(xiàn)的惟一能糾正多個(gè)錯(cuò)誤的完備碼，因其在噪聲環(huán)境下具有良好的糾錯(cuò)性能而獲得了廣泛應(yīng)用，尤其適合短碼字長(zhǎng)和短處理時(shí)延的應(yīng)用場(chǎng)合。
本方案選用的Golay(24,12)碼最小距離為8，能糾正3個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤同時(shí)檢測(cè)4個(gè)錯(cuò)誤。針對(duì)8位單片機(jī)的特點(diǎn)，將信息位縮短為8bit，并在最后添加0101進(jìn)行幀同步碼的提取，最終構(gòu)成3個(gè)字節(jié)的完整結(jié)構(gòu)，提高了單片機(jī)編碼的效率。編解碼的程序全部用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，程序復(fù)雜度適中，Atmega8單片機(jī)的運(yùn)算能力完全可以勝任。Golay碼結(jié)構(gòu)如表2所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
MSM6882接收的數(shù)據(jù)是與時(shí)鐘同步的比特流，為了從所接收的數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘信號(hào)，首先發(fā)送6字節(jié)即48bit“1”和“0”交替出現(xiàn)的位同步碼。為了按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，確定每一幀的起始位，需要在比特流中添加幀同步信息，以避免幀同步圖案與數(shù)據(jù)中內(nèi)容相同而導(dǎo)致的誤判。根據(jù)所選用的糾錯(cuò)編碼特點(diǎn)，每組Golay碼三個(gè)字節(jié)的最后4個(gè) bit為0101，即不會(huì)出現(xiàn)三個(gè)字節(jié)以上的連續(xù)0或者連續(xù)1，所以幀起始碼選用31bit1和1bit0，幀結(jié)束碼采用32bit連0。在接收中斷處理程序中，檢測(cè)到31bit1和1bit0就開(kāi)始按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，此后每3個(gè)字節(jié)一組進(jìn)行糾錯(cuò)解碼，同時(shí)開(kāi)始對(duì)接收到的連續(xù)0進(jìn)行計(jì)數(shù)，超過(guò)32個(gè)就認(rèn)為一幀接收完畢。幀結(jié)構(gòu)如表3所示。

2.2.4 數(shù)傳模塊程序的設(shè)計(jì)
數(shù)傳程序主要實(shí)現(xiàn)編碼和發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和解碼的功能。發(fā)送時(shí)，Golay編碼由一個(gè)字節(jié)變?yōu)槿齻€(gè)字節(jié)，把待發(fā)送數(shù)組先全部編碼再進(jìn)行發(fā)送；接收時(shí)，先將三個(gè)字節(jié)一組的字節(jié)流存儲(chǔ)為數(shù)組，再進(jìn)行Golay解碼，這樣，將占用大量RAM空間和時(shí)間。為了節(jié)省單片機(jī)資源，提高程序執(zhí)行效率，把編碼與發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)與解碼結(jié)合起來(lái)同時(shí)進(jìn)行。
首先，定義全局變量作為接收發(fā)送的計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志位，主函數(shù)中循環(huán)查詢系統(tǒng)工作狀態(tài)確定是否進(jìn)行編碼或者解碼和啟動(dòng)發(fā)送字節(jié)的子函數(shù)；在中斷處理函數(shù)中每接收和發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，就改變相應(yīng)的計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志位，供主函數(shù)查詢。這樣把編解碼與收發(fā)結(jié)合起來(lái)，提高了程序的執(zhí)行效率，縮短了程序運(yùn)行的時(shí)間。
其次，接收和發(fā)送都設(shè)置雙緩沖區(qū)，結(jié)構(gòu)定義代碼如下：
typedef struct
{
  unsigned char rc; /*信息字節(jié)*/
  unsigned int r1; /*校驗(yàn)字*/
}Golay;
Golay RecvBuffer[2];
Golay SendBuffer[2];
在中斷處理函數(shù)中發(fā)送一個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的同時(shí)，在主函數(shù)里編碼填充另一緩沖區(qū)；在中斷處理函數(shù)中接收數(shù)據(jù)、填充一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)，在主函數(shù)里對(duì)另一個(gè)緩沖區(qū)中接收的上一組數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。在中斷處理函數(shù)中改變?nèi)值臓顟B(tài)標(biāo)志位，在主函數(shù)里進(jìn)行緩沖區(qū)間的切換。通過(guò)設(shè)置雙緩沖區(qū)，收發(fā)分別只需占用兩組編碼空間，節(jié)省了單片機(jī)的RAM資源。
2.3 擾頻信令的設(shè)計(jì)
每次通話之前，即按下PTT之后，首先延時(shí)一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由中繼臺(tái)的最大延時(shí)決定；再發(fā)送擾頻信令，確定此次通話是否擾頻以及擾頻的次序和時(shí)間間隔，為了與未加擾頻模塊的手持臺(tái)通信，需要保留不擾頻的功能，即CMX264在Clear模式下工作；同時(shí)增加地址選項(xiàng)，通過(guò)地址進(jìn)行分組，可以實(shí)現(xiàn)組呼和單呼；通話完畢時(shí)發(fā)送結(jié)束幀，使手持臺(tái)恢復(fù)到Clear 模式。根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)擾頻信令格式如表4所示。

結(jié)構(gòu)定義代碼如下：
typedef struct
{
  unsigned char ScrambleFrameType;   /*幀類型*/
  unsigned char RecvAddress[2];   /*接收地址*/
  unsigned char ScrambleSeq[4];   /*擾頻次序*/
  unsigned char HopCyc;     /*時(shí)間間隔*/
}Scramble;
本文介紹的方案主要針對(duì)使用模擬集群的專用網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度通話內(nèi)容需要保密以避免竊聽(tīng)和干擾。本方案通過(guò)電臺(tái)的話音信道進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)傳統(tǒng)擾頻方式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的安全性和應(yīng)用范圍。
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