基于北斗系统的保密语音通信终端研究

高大伟，王 林，张 军

（中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛125001）

0 引 言

本文主要针对我国的北斗系统应用日益成熟，而现有的北斗终端只具备普通的报文通信、定位和导航功能，而不具备语音通信的不足与缺陷，设计一种基于语音压缩技术、多SIM卡复用技术，可利用北斗系统进行混沌保密语音通信的新型北斗终端，实现远距离实时通信，解决特殊情况下通信手段难题。

1 系统总体方案的设计

系统主要由外设模块、语音处理模块以及北斗处理模块组成，系统组成框图如图l所示。系统工作流程为：发送终端外设模块的话筒获取外界语音信息，语音信息在语音处理模块中经A／D转换、压缩编码加密后，形成的数据流通过北斗处理模块封包后，由北斗天线发送给接收终端，接收终端将接收数据经北斗处理模块拆包后，送声音处理模块对语音压缩码流进行解密、解码，最后经D／A转换还原成模拟语音由听筒输出［1］。

图1 系统组成框图

2 系统硬件设计

2．1 北斗处理模块

（1）基带处理单元

基带处理单元负责语音信号的发射与接收。基带处理单元由接收通道和发射通道组成，卫星信号通过天线进入射频模块，采用2次变频，最后输出两路相位相反的零中频信号，经A／D芯片（AD9288）采样后，FPGA芯片根据信号格式对输入信号进行捕获、跟踪、解调、帧同步以及译码，接收通道具有30 dB的自动增益控制。发射通道由FPGA对发送的数据按格式要求进行卷积编码，并扩频调制，经射频模块一次变频并放大，由天线发射出去。

（2）显控单元

采用TFT—LCD彩屏、按键及显示触摸屏与ARM9连接，显控单元显示操作界面，方便人机交互。信息处理单元主要由CPU、SDRAM 以及NAND FLASH构成，负责底层数据处理，协调各个单元之间的信息交互。信息处理单元采用微处理器S3C2440A，是一款为手持设备设计的低功耗、高度集成的微处理器。采用2片64 MB的SDRAM 组成128 MB的内存。采用128 M字节的 NAND FLASH芯片K9F1G08U08，实现开机即从NAND FLASH启动。终端将民用北斗SIM卡的数量增加至多张，并在S3C2440A中移植UCOS操作系统，通过程序控制多SIM卡协同完成数据发送、接收工作。

2．2 声音处理模块

对于语音信号的采集与A／D转换，采用TI公司的立体声音频编解码芯片TLV320AIC23，该芯片内置耳机输出放大器，A／D与D／A转换部件集成在芯片内部，支持MIC和LINE IN两种输入方式，且对输入和输出都具有可编程增益调节。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，运行在200 MHz时运算速度高达400 MIPS，完全能够满足音频信号处理中的实时性要求。在发送端和接收端各使用一片，分别用于混沌加密和解密。TMS320VC5509A集成了I2C总线接口模块，可通过I2C总线来初始化TLV320AIC23相应的寄存器，其工作模式、采样率、帧参数等初始化工作，都可通过写操作芯片内部相应寄存器完成。

3 系统软件设计

3．1 混沌保密通信的原理与混沌信号在DSP上的产生

项目以Lorenz系统为研究对象，利用Euler算法在DSP平台上产生混沌信号，由于数字器件克服了模拟器件性能容易受环境因素影响，参数无法精确可调等缺点，给混沌系统的研究带来很大的方便。TMS320VC5509A作为一款数字信号处理器，要想产生混沌信号，就必须把连续的混沌系统方程离散化处理。Lorenz系统的无量纲状态方程为：

当参数a＝10，b＝30，c＝8／3时，系统是混沌的。在式（1）中，令dx／dt≈［x（n）－x（n－1）］／Δt，简记为［x（n）－x（n－1）］／T，其中T为可调的取样时间间隔，理论上T值越小，就越接近连续状态方程的结果，当然要在DSP平台上实现则需根据实际情况来调整。用同样的方法处理dy／dt和dz／dt，并在乘积项中引入一个变量比例系数K，整理得：

按照驱动－响应同步原理，用x变量作为驱动变量，进行离散化处理。比例系数K的引入是为了将混沌系统的变量缩小，以免超出迭代运算中定义的数据范围，通过编程即可在数字器件DSP上实现混沌信号的产生。

3．2 北斗加密语音通信软件设计

多SIM卡能在一定程度上解决北斗数据传输频度限制问题，同时为保证每段话的连续性，系统通话采用语音输入，为分段输入的方式。每段语音在语音处理模块进行A／D转换，并对转换后的数据进行高度压缩、加密，然后北斗处理模块将压缩后的数据存储为文件，每个文件代表一段语音信息。北斗处理模块再将文件分包发送，接收终端收到数据后再组包还原成文件，文件再经语音处理模块解密、解码，D／A转化后送给外设输出。因此，北斗加密语音通信软件设计的关键在于北斗语音文件传输。下面从发、收两端分别说明北斗加密语音通信软件流程。

（1）发送端流程

发送终端工作流程图如图2所示，具体实现步骤如下：

步骤1：发送端发话，经语音处理模块高度压缩、加密，北斗处理模块将压缩后的数据存储为文件。

步骤2：发送端将文件分包通过多SIM卡逐个发送。

步骤3：文件包发送完毕后再次等待，接收端回复的文件包确认指令以执行下一步操作。如果在一个服务频度的时间间隔内没收到确认，再次发送尾包，发送次数累加，如果发送次数大于设定值 ，则认为该次文件传输失败，传输停止。收到文件包确认后，转步骤4执行。

步骤4：收到文件包确认后，根据文件包确认信息查询文件是否收全，收全则给出文件传输完毕提示；未收全则将未收到的文件包再次发送，然后回到步骤3执行。

图2 发送终端工作流程

（2）接收端流程

接收终端工作流程图如图3所示，具体实现步骤如下：

步骤1：接收终端接收到电文信息，根据电文信息头判断电文类型，根据不同电文类型转相应步骤（步骤2、步骤3）执行。

步骤2：普通北斗电文走普通电文处理流程。

图3 接收终端工作流程图

步骤3：若是文件包电文，则先判断是否有文件在等待接收。没有就直接结束流程，有则判断该文件是否已收到过。未收过就将数据保存在缓冲区中，标记为已收，转步骤4执行；收过直接跳到步骤4执行。

步骤4：判断收到的文件包是否是尾包，不是则该次流程结束；是则统计接收状态，给发方回复接收状态信息，然后再根据接收状态信息判断文件是否收全，未收全则该次流程结束，收全就给出文件接收完毕提示。

4 结 论

在音频信号高质量压缩的基础上，利用北斗通信信道实现北斗终端保密语音通信功能。新型北斗终端可在舰船间，以及陆上应急指挥等方面实现语音通信，丰富了北斗终端的应用范围，对于提高远距离保密指挥通信具有重要的意义。

［1］ 徐师友．北斗语音通信设计与实现［J］．全球定位系统，2011，（4）：61－64．