基于北斗系統的保密語音通信終端研究

高大偉，王 林，張 軍

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島125001）

0 引 言

本文主要針對我國的北斗系統應用日益成熟，而現有的北斗終端只具備普通的報文通信、定位和導航功能，而不具備語音通信的不足與缺陷，設計一種基于語音壓縮技術、多SIM卡復用技術，可利用北斗系統進行混沌保密語音通信的新型北斗終端，實現遠距離實時通信，解決特殊情況下通信手段難題。

1 系統總體方案的設計

系統主要由外設模塊、語音處理模塊以及北斗處理模塊組成，系統組成框圖如圖l所示。系統工作流程為：發送終端外設模塊的話筒獲取外界語音信息，語音信息在語音處理模塊中經A／D轉換、壓縮編碼加密后，形成的數據流通過北斗處理模塊封包后，由北斗天線發送給接收終端，接收終端將接收數據經北斗處理模塊拆包后，送聲音處理模塊對語音壓縮碼流進行解密、解碼，最后經D／A轉換還原成模擬語音由聽筒輸出［1］。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件設計

2．1 北斗處理模塊

（1）基帶處理單元

基帶處理單元負責語音信號的發射與接收。基帶處理單元由接收通道和發射通道組成，衛星信號通過天線進入射頻模塊，采用2次變頻，最后輸出兩路相位相反的零中頻信號，經A／D芯片（AD9288）采樣后，FPGA芯片根據信號格式對輸入信號進行捕獲、跟蹤、解調、幀同步以及譯碼，接收通道具有30 dB的自動增益控制。發射通道由FPGA對發送的數據按格式要求進行卷積編碼，并擴頻調制，經射頻模塊一次變頻并放大，由天線發射出去。

（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，方便人機交互。信息處理單元主要由CPU、SDRAM 以及NAND FLASH構成，負責底層數據處理，協調各個單元之間的信息交互。信息處理單元采用微處理器S3C2440A，是一款為手持設備設計的低功耗、高度集成的微處理器。采用2片64 MB的SDRAM 組成128 MB的內存。采用128 M字節的 NAND FLASH芯片K9F1G08U08，實現開機即從NAND FLASH啟動。終端將民用北斗SIM卡的數量增加至多張，并在S3C2440A中移植UCOS操作系統，通過程序控制多SIM卡協同完成數據發送、接收工作。

2．2 聲音處理模塊

對于語音信號的采集與A／D轉換，采用TI公司的立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC23，該芯片內置耳機輸出放大器，A／D與D／A轉換部件集成在芯片內部，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。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，運行在200 MHz時運算速度高達400 MIPS，完全能夠滿足音頻信號處理中的實時性要求。在發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總線接口模塊，可通過I2C總線來初始化TLV320AIC23相應的寄存器，其工作模式、采樣率、幀參數等初始化工作，都可通過寫操作芯片內部相應寄存器完成。

3 系統軟件設計

3．1 混沌保密通信的原理與混沌信號在DSP上的產生

項目以Lorenz系統為研究對象，利用Euler算法在DSP平臺上產生混沌信號，由于數字器件克服了模擬器件性能容易受環境因素影響，參數無法精確可調等缺點，給混沌系統的研究帶來很大的方便。TMS320VC5509A作為一款數字信號處理器，要想產生混沌信號，就必須把連續的混沌系統方程離散化處理。Lorenz系統的無量綱狀態方程為：

當參數a＝10，b＝30，c＝8／3時，系統是混沌的。在式（1）中，令dx／dt≈［x（n）－x（n－1）］／Δt，簡記為［x（n）－x（n－1）］／T，其中T為可調的取樣時間間隔，理論上T值越小，就越接近連續狀態方程的結果，當然要在DSP平臺上實現則需根據實際情況來調整。用同樣的方法處理dy／dt和dz／dt，并在乘積項中引入一個變量比例系數K，整理得：

按照驅動－響應同步原理，用x變量作為驅動變量，進行離散化處理。比例系數K的引入是為了將混沌系統的變量縮小，以免超出迭代運算中定義的數據范圍，通過編程即可在數字器件DSP上實現混沌信號的產生。

3．2 北斗加密語音通信軟件設計

多SIM卡能在一定程度上解決北斗數據傳輸頻度限制問題，同時為保證每段話的連續性，系統通話采用語音輸入，為分段輸入的方式。每段語音在語音處理模塊進行A／D轉換，并對轉換后的數據進行高度壓縮、加密，然后北斗處理模塊將壓縮后的數據存儲為文件，每個文件代表一段語音信息。北斗處理模塊再將文件分包發送，接收終端收到數據后再組包還原成文件，文件再經語音處理模塊解密、解碼，D／A轉化后送給外設輸出。因此，北斗加密語音通信軟件設計的關鍵在于北斗語音文件傳輸。下面從發、收兩端分別說明北斗加密語音通信軟件流程。

（1）發送端流程

發送終端工作流程圖如圖2所示，具體實現步驟如下：

步驟1：發送端發話，經語音處理模塊高度壓縮、加密，北斗處理模塊將壓縮后的數據存儲為文件。

步驟2：發送端將文件分包通過多SIM卡逐個發送。

步驟3：文件包發送完畢后再次等待，接收端回復的文件包確認指令以執行下一步操作。如果在一個服務頻度的時間間隔內沒收到確認，再次發送尾包，發送次數累加，如果發送次數大于設定值 ，則認為該次文件傳輸失敗，傳輸停止。收到文件包確認后，轉步驟4執行。

步驟4：收到文件包確認后，根據文件包確認信息查詢文件是否收全，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送，然后回到步驟3執行。

圖2 發送終端工作流程

（2）接收端流程

接收終端工作流程圖如圖3所示，具體實現步驟如下：

步驟1：接收終端接收到電文信息，根據電文信息頭判斷電文類型，根據不同電文類型轉相應步驟（步驟2、步驟3）執行。

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。沒有就直接結束流程，有則判斷該文件是否已收到過。未收過就將數據保存在緩沖區中，標記為已收，轉步驟4執行；收過直接跳到步驟4執行。

步驟4：判斷收到的文件包是否是尾包，不是則該次流程結束；是則統計接收狀態，給發方回復接收狀態信息，然后再根據接收狀態信息判斷文件是否收全，未收全則該次流程結束，收全就給出文件接收完畢提示。

4 結 論

在音頻信號高質量壓縮的基礎上，利用北斗通信信道實現北斗終端保密語音通信功能。新型北斗終端可在艦船間，以及陸上應急指揮等方面實現語音通信，豐富了北斗終端的應用范圍，對于提高遠距離保密指揮通信具有重要的意義。

［1］ 徐師友．北斗語音通信設計與實現［J］．全球定位系統，2011，（4）：61－64．