基于無(wú)線(xiàn)數(shù)傳技術(shù)的話(huà)音擾頻模塊設(shè)計(jì)

　　模擬集群是一種無(wú)線(xiàn)專(zhuān)用調(diào)度通信系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于公安、交通、鐵路等專(zhuān)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(huà)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(huà)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(huà)音擾頻的方案，通過(guò)引入無(wú)線(xiàn)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(huà)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(lèi)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(huà)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(huà)音擾頻，MSM6882無(wú)線(xiàn)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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?，在SCLK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(xiàn)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(huà)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(huà)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(huà)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(xiàn)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)。