基于北斗系統(tǒng)的保密語(yǔ)音通信終端研究

高大偉，王 林，張 軍

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島125001）

0 引 言

本文主要針對(duì)我國(guó)的北斗系統(tǒng)應(yīng)用日益成熟，而現(xiàn)有的北斗終端只具備普通的報(bào)文通信、定位和導(dǎo)航功能，而不具備語(yǔ)音通信的不足與缺陷，設(shè)計(jì)一種基于語(yǔ)音壓縮技術(shù)、多SIM卡復(fù)用技術(shù)，可利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行混沌保密語(yǔ)音通信的新型北斗終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信，解決特殊情況下通信手段難題。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由外設(shè)模塊、語(yǔ)音處理模塊以及北斗處理模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖l所示。系統(tǒng)工作流程為：發(fā)送終端外設(shè)模塊的話(huà)筒獲取外界語(yǔ)音信息，語(yǔ)音信息在語(yǔ)音處理模塊中經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、壓縮編碼加密后，形成的數(shù)據(jù)流通過(guò)北斗處理模塊封包后，由北斗天線(xiàn)發(fā)送給接收終端，接收終端將接收數(shù)據(jù)經(jīng)北斗處理模塊拆包后，送聲音處理模塊對(duì)語(yǔ)音壓縮碼流進(jìn)行解密、解碼，最后經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換還原成模擬語(yǔ)音由聽(tīng)筒輸出［1］。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 北斗處理模塊

（1）基帶處理單元

基帶處理單元負(fù)責(zé)語(yǔ)音信號(hào)的發(fā)射與接收?；鶐幚韱卧山邮胀ǖ篮桶l(fā)射通道組成，衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)入射頻模塊，采用2次變頻，最后輸出兩路相位相反的零中頻信號(hào)，經(jīng)A／D芯片（AD9288）采樣后，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)信號(hào)格式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步以及譯碼，接收通道具有30 dB的自動(dòng)增益控制。發(fā)射通道由FPGA對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)按格式要求進(jìn)行卷積編碼，并擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)射頻模塊一次變頻并放大，由天線(xiàn)發(fā)射出去。

（2）顯控單元

采用TFT—LCD彩屏、按鍵及顯示觸摸屏與ARM9連接，顯控單元顯示操作界面，方便人機(jī)交互。信息處理單元主要由CPU、SDRAM 以及NAND FLASH構(gòu)成，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)各個(gè)單元之間的信息交互。信息處理單元采用微處理器S3C2440A，是一款為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的微處理器。采用2片64 MB的SDRAM 組成128 MB的內(nèi)存。采用128 M字節(jié)的 NAND FLASH芯片K9F1G08U08，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)即從NAND FLASH啟動(dòng)。終端將民用北斗SIM卡的數(shù)量增加至多張，并在S3C2440A中移植UCOS操作系統(tǒng)，通過(guò)程序控制多SIM卡協(xié)同完成數(shù)據(jù)發(fā)送、接收工作。

2．2 聲音處理模塊

對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)的采集與A／D轉(zhuǎn)換，采用TI公司的立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC23，該芯片內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，A／D與D／A轉(zhuǎn)換部件集成在芯片內(nèi)部，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320VC5509A，它是一款低功耗的高速DSP芯片，運(yùn)行在200 MHz時(shí)運(yùn)算速度高達(dá)400 MIPS，完全能夠滿(mǎn)足音頻信號(hào)處理中的實(shí)時(shí)性要求。在發(fā)送端和接收端各使用一片，分別用于混沌加密和解密。TMS320VC5509A集成了I2C總線(xiàn)接口模塊，可通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)初始化TLV320AIC23相應(yīng)的寄存器，其工作模式、采樣率、幀參數(shù)等初始化工作，都可通過(guò)寫(xiě)操作芯片內(nèi)部相應(yīng)寄存器完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 混沌保密通信的原理與混沌信號(hào)在DSP上的產(chǎn)生

項(xiàng)目以Lorenz系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用Euler算法在DSP平臺(tái)上產(chǎn)生混沌信號(hào)，由于數(shù)字器件克服了模擬器件性能容易受環(huán)境因素影響，參數(shù)無(wú)法精確可調(diào)等缺點(diǎn)，給混沌系統(tǒng)的研究帶來(lái)很大的方便。TMS320VC5509A作為一款數(shù)字信號(hào)處理器，要想產(chǎn)生混沌信號(hào)，就必須把連續(xù)的混沌系統(tǒng)方程離散化處理。Lorenz系統(tǒng)的無(wú)量綱狀態(tài)方程為：

當(dāng)參數(shù)a＝10，b＝30，c＝8／3時(shí)，系統(tǒng)是混沌的。在式（1）中，令dx／dt≈［x（n）－x（n－1）］／Δt，簡(jiǎn)記為［x（n）－x（n－1）］／T，其中T為可調(diào)的取樣時(shí)間間隔，理論上T值越小，就越接近連續(xù)狀態(tài)方程的結(jié)果，當(dāng)然要在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)則需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整。用同樣的方法處理dy／dt和dz／dt，并在乘積項(xiàng)中引入一個(gè)變量比例系數(shù)K，整理得：

按照驅(qū)動(dòng)－響應(yīng)同步原理，用x變量作為驅(qū)動(dòng)變量，進(jìn)行離散化處理。比例系數(shù)K的引入是為了將混沌系統(tǒng)的變量縮小，以免超出迭代運(yùn)算中定義的數(shù)據(jù)范圍，通過(guò)編程即可在數(shù)字器件DSP上實(shí)現(xiàn)混沌信號(hào)的產(chǎn)生。

3．2 北斗加密語(yǔ)音通信軟件設(shè)計(jì)

多SIM卡能在一定程度上解決北斗數(shù)據(jù)傳輸頻度限制問(wèn)題，同時(shí)為保證每段話(huà)的連續(xù)性，系統(tǒng)通話(huà)采用語(yǔ)音輸入，為分段輸入的方式。每段語(yǔ)音在語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高度壓縮、加密，然后北斗處理模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件，每個(gè)文件代表一段語(yǔ)音信息。北斗處理模塊再將文件分包發(fā)送，接收終端收到數(shù)據(jù)后再組包還原成文件，文件再經(jīng)語(yǔ)音處理模塊解密、解碼，D／A轉(zhuǎn)化后送給外設(shè)輸出。因此，北斗加密語(yǔ)音通信軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于北斗語(yǔ)音文件傳輸。下面從發(fā)、收兩端分別說(shuō)明北斗加密語(yǔ)音通信軟件流程。

（1）發(fā)送端流程

發(fā)送終端工作流程圖如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：發(fā)送端發(fā)話(huà)，經(jīng)語(yǔ)音處理模塊高度壓縮、加密，北斗處理模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件。

步驟2：發(fā)送端將文件分包通過(guò)多SIM卡逐個(gè)發(fā)送。

步驟3：文件包發(fā)送完畢后再次等待，接收端回復(fù)的文件包確認(rèn)指令以執(zhí)行下一步操作。如果在一個(gè)服務(wù)頻度的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)收到確認(rèn)，再次發(fā)送尾包，發(fā)送次數(shù)累加，如果發(fā)送次數(shù)大于設(shè)定值 ，則認(rèn)為該次文件傳輸失敗，傳輸停止。收到文件包確認(rèn)后，轉(zhuǎn)步驟4執(zhí)行。

步驟4：收到文件包確認(rèn)后，根據(jù)文件包確認(rèn)信息查詢(xún)文件是否收全，收全則給出文件傳輸完畢提示；未收全則將未收到的文件包再次發(fā)送，然后回到步驟3執(zhí)行。

圖2 發(fā)送終端工作流程

（2）接收端流程

接收終端工作流程圖如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：接收終端接收到電文信息，根據(jù)電文信息頭判斷電文類(lèi)型，根據(jù)不同電文類(lèi)型轉(zhuǎn)相應(yīng)步驟（步驟2、步驟3）執(zhí)行。

步驟2：普通北斗電文走普通電文處理流程。

圖3 接收終端工作流程圖

步驟3：若是文件包電文，則先判斷是否有文件在等待接收。沒(méi)有就直接結(jié)束流程，有則判斷該文件是否已收到過(guò)。未收過(guò)就將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，標(biāo)記為已收，轉(zhuǎn)步驟4執(zhí)行；收過(guò)直接跳到步驟4執(zhí)行。

步驟4：判斷收到的文件包是否是尾包，不是則該次流程結(jié)束；是則統(tǒng)計(jì)接收狀態(tài)，給發(fā)方回復(fù)接收狀態(tài)信息，然后再根據(jù)接收狀態(tài)信息判斷文件是否收全，未收全則該次流程結(jié)束，收全就給出文件接收完畢提示。

4 結(jié) 論

在音頻信號(hào)高質(zhì)量壓縮的基礎(chǔ)上，利用北斗通信信道實(shí)現(xiàn)北斗終端保密語(yǔ)音通信功能。新型北斗終端可在艦船間，以及陸上應(yīng)急指揮等方面實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信，豐富了北斗終端的應(yīng)用范圍，對(duì)于提高遠(yuǎn)距離保密指揮通信具有重要的意義。

［1］ 徐師友．北斗語(yǔ)音通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．全球定位系統(tǒng)，2011，（4）：61－64．