摘 要：介紹一種話音擾頻方案，通過引入無線數(shù)傳" title="無線數(shù)傳">無線數(shù)傳技術(shù)和跳頻" title="跳頻">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? 無線數(shù)傳? 糾錯編碼
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模擬集群是一種無線專用調(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)外竊聽和干擾，保障通信安全成為亟需解決的問題。
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個可編程的擾頻頻率點，以選定的頻率為中心，將話音信號的頻譜切割成兩段并分別倒置；接收端將上述過程進(jìn)行反變換，還原出原始語音信號，從而達(dá)到加密的目的。
本文設(shè)計了一種基于CMX264，用于集群系統(tǒng)話音擾頻的方案，通過引入無線數(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 方案對比
1.1 單一擾頻方式
在固定擾頻點上實施擾頻，這種方案設(shè)計簡單，且不受中繼臺影響，缺點是容易被破解。
1.2 跳頻擾頻
通過單片機(jī)進(jìn)行控制和定時，在提供的四個擾頻點中按照約定的次序和時間間隔" title="時間間隔">時間間隔進(jìn)行切換，類似跳頻通信技術(shù)，只是跳動的不是載波頻率，而是擾頻點頻率。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)，因為信號經(jīng)過中繼臺以后會引入延時，導(dǎo)致跳頻不同步，且跳頻方式相對固定，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)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次通話前先發(fā)送跳頻信令" title="信令">信令，即本次跳頻的次序以及時間間隔，由擾頻信令確定起跳時間，克服了中繼臺的延時影響；跳頻次序的隨機(jī)性，加大了竊聽的難度。
2 系統(tǒng)設(shè)計
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，通過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間間隔，CMX264按照約定的規(guī)則改變擾頻點，接收方根據(jù)解調(diào)出的擾頻信令設(shè)置起跳時間和方式，達(dá)到同步接收的效果。
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2.1 CMX264的設(shè)計
話音信號的頻率范圍是300Hz～3 300Hz，CMX264選擇四個頻點中的一個，將話音信號劃分為兩個子帶，并分別對子帶的頻譜進(jìn)行倒置，接收端再進(jìn)行反變換還原出原始語音信號。當(dāng)晶振頻率為4.433 619MHz時，四個擾頻點頻率分別為1 027Hz、1 276Hz、1 482Hz和1 966Hz。話音信號由MICIN端進(jìn)入，經(jīng)過擾頻、加重處理后由MICO端輸出；射頻接收解調(diào)出的話音信號由RXIN端進(jìn)入，經(jīng)去擾頻、加重處理后由EXTO端輸出?？梢奀MX264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選擇。指令的格式定義如表1所示。
數(shù)據(jù)通過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。CMX264處在從接收的位置，單片機(jī)只需根據(jù)時序定義，通過I/O口即可實現(xiàn)此串行接口的功能，對CMX264進(jìn)行控制。時序如圖2所示。
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2.2 無線數(shù)傳模塊設(shè)計
2.2.1 MODEM的設(shè)計
電臺內(nèi)部針對話音頻帶進(jìn)行了帶通濾波，因此對MODEM調(diào)制后的信號有頻率限制，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信號包絡(luò)恒定，具有最小功率譜占用率，在碼元轉(zhuǎn)換瞬間沒有相位突變，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，因此完全可以通過電臺的話音信道進(jìn)行傳輸。
MSM6882內(nèi)部提供接收時鐘RT和發(fā)送時鐘ST，通過同步串口與單片機(jī)通信，單片機(jī)使用外部中斷模擬實現(xiàn)同步串口的功能。
發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)字信號經(jīng)過內(nèi)部調(diào)制后產(chǎn)生MSK信號輸出AO，發(fā)送時序如圖3所示。
接收數(shù)據(jù)" title="接收數(shù)據(jù)">接收數(shù)據(jù)時，輸入AI的MSK信號經(jīng)過內(nèi)部濾波器后可恢復(fù)為串行數(shù)據(jù)輸出，同時從接收的數(shù)據(jù)中還可恢復(fù)出同步時鐘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。接收時序如圖4所示。
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2.2.2 糾錯編碼的設(shè)計
移動通信時必然要受到無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)措施來抵消衰落的不利影響，信道糾錯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，而且要求有實時性，只有檢錯重發(fā)并不能滿足要求。針對單片機(jī)系統(tǒng)的特點和編解碼的復(fù)雜度，糾錯編碼采用Golay碼。Golay碼是一種特殊的非本原BCH碼，屬于前向糾錯編碼FEC(Forward Error Correction)，也是目前為止發(fā)現(xiàn)的惟一能糾正多個錯誤的完備碼，因其在噪聲環(huán)境下具有良好的糾錯性能而獲得了廣泛應(yīng)用，尤其適合短碼字長和短處理時延的應(yīng)用場合。
本方案選用的Golay(24,12)碼最小距離為8，能糾正3個隨機(jī)錯誤同時檢測4個錯誤。針對8位單片機(jī)的特點，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語言實現(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
MSM6882接收的數(shù)據(jù)是與時鐘同步的比特流，為了從所接收的數(shù)據(jù)中提取時鐘信號，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)所選用的糾錯編碼特點，每組Golay碼三個字節(jié)的最后4個bit為0101，即不會出現(xiàn)三個字節(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，檢測到31bit1和1bit0就開始按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，此后每3個字節(jié)一組進(jìn)行糾錯解碼，同時開始對接收到的連續(xù)0進(jìn)行計數(shù)，超過32個就認(rèn)為一幀接收完畢。幀結(jié)構(gòu)如表3所示。
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2.2.4 數(shù)傳模塊程序的設(shè)計
數(shù)傳程序主要實現(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，Golay編碼由一個字節(jié)變?yōu)槿齻€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，先將三個字節(jié)一組的字節(jié)流存儲為數(shù)組，再進(jìn)行Golay解碼，這樣，將占用大量RAM空間和時間。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)合起來同時進(jìn)行。
首先，定義全局變量作為接收發(fā)送的計數(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)送完一個字節(jié)，就改變相應(yīng)的計數(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，提高了程序的執(zhí)行效率，縮短了程序運(yùn)行的時間。
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;?/*校驗字*/
}Golay;
Golay RecvBuffer[2];
Golay SendBuffer[2];
在中斷處理函數(shù)中發(fā)送一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的同時，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)、填充一個緩沖區(qū)時，在主函數(shù)里對另一個緩沖區(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
每次通話之前，即按下PTT之后，首先延時一段時間，這個時間由中繼臺的最大延時決定；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間間隔，為了與未加擾頻模塊的手持臺通信，需要保留不擾頻的功能，即CMX264在Clear模式下工作；同時增加地址選項，通過地址進(jìn)行分組，可以實現(xiàn)組呼和單呼；通話完畢時發(fā)送結(jié)束幀，使手持臺恢復(fù)到Clear模式。根據(jù)上述要求，設(shè)計擾頻信令格式如表4所示。
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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;???? /*時間間隔*/
}Scramble;
本文介紹的方案主要針對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和干擾。本方案通過電臺的話音信道進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，對傳統(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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