一種基于防毒面具的通話(huà)系統

　　防毒面具（Gas Mask）是用來(lái)保護人員呼吸器官、眼睛及面部免受毒劑、生物戰劑和放射性微粒和氣溶膠等有毒物質(zhì)直接傷害的個(gè)人防護器材，依其結構和防毒原理分為過(guò)濾式 和隔絕式兩種，用途十分廣泛。

　　由于在佩戴防毒面具時(shí)要求與面部緊密結合，隔絕了聲音氣流，阻斷了佩戴人員之間的語(yǔ)言交流。綜觀(guān)國內外防毒面具市場(chǎng)，目前無(wú)專(zhuān)門(mén)通信解決方案，比較好的是為保持正常 交流，采用低聲音損耗的通話(huà)膜，一般損耗小于lO dB，僅可滿(mǎn)足簡(jiǎn)單環(huán)境下近距離的通話(huà)需求，如伊拉克的大眼窗防毒面具，面罩通話(huà)器采用不銹鋼通話(huà)膜，可正常聲音傳輸；其 M85型防毒面具則將內置在頰部的麥克風(fēng)連接到一個(gè)電聲放大器上；某些防毒面具對于通話(huà)功能甚至無(wú)任何設計考慮。而防毒面具通常使用在煙霧、火災、戰場(chǎng)等復雜環(huán)境下，佩戴 人員之間的信息交流受到了嚴重影響：當說(shuō)話(huà)雙方距離較遠時(shí)，如十幾米，幾十米，甚至幾百米，無(wú)法保證足夠的說(shuō)話(huà)音量，不能對話(huà)；在煙霧、火災、戰場(chǎng)等防毒面具常用場(chǎng)合 ，也常常是強背景噪聲場(chǎng)合，不適合語(yǔ)音直接交流；在煙霧、火災、戰場(chǎng)等環(huán)境中，肢體語(yǔ)言受到限制，多數情況下成為不可能。

　　因此，開(kāi)發(fā)一種防毒面具內置的小型多功能無(wú)線(xiàn)通話(huà)終端成為一種必然選擇。本文設計的小型無(wú)線(xiàn)通話(huà)系統采用單芯片調制解調器，雙CPU結構，全軟件的語(yǔ)音壓縮編碼體系和信 道編碼體系。具有體積小巧、成本低廉、通話(huà)距離遠、功能強大等特點(diǎn)，可實(shí)現點(diǎn)到多點(diǎn)，點(diǎn)到點(diǎn)的全雙工通話(huà)功能，通過(guò)軟件功能控制就可滿(mǎn)足軍事應用的跳頻、加密、組網(wǎng)等 需求。

　　1 基本功能及設計要點(diǎn)

　　1．1 系統基本功能

　　本小型通信系統主要解決防毒面具復雜使用環(huán)境下的短距離通信問(wèn)題，主要有點(diǎn)到多點(diǎn)和點(diǎn)到點(diǎn)兩項功能。

　?。?）點(diǎn)到多點(diǎn)通話(huà)功能。點(diǎn)到多點(diǎn)通話(huà)也就是常說(shuō)的廣播功能，適用于指揮員下達命令，戰斗員向集體報告情況。

　?。?）點(diǎn)到點(diǎn)通話(huà)功能。點(diǎn)對點(diǎn)通話(huà)就是常說(shuō)的全雙工對講機功能，系統內部成員間可實(shí)現任意用戶(hù)間的全雙工通話(huà)功能。

　　1．2 系統設計要點(diǎn)

　　通話(huà)系統采用一種稱(chēng)為“代數碼本激勵線(xiàn)性預測編碼” （Algebraic Code Excited lnear Prediction，ACELP）的高壓縮率語(yǔ)音編碼技術(shù)將濾除噪聲后的語(yǔ)

　　音進(jìn)行壓縮編碼，編碼速率低至4．8 Kb／s，然后通過(guò)單芯片調制解調器調制到433 MHz載波上，調制方式為MSK，調制速率為38．4 Kb／s。由于采用了高速傳輸，傳輸時(shí)間小于對應語(yǔ)音采集時(shí)間，從而可以將信道分成收和發(fā)兩種時(shí)隙，在發(fā)時(shí)隙發(fā)送語(yǔ)音編碼，在收時(shí)隙接收對方發(fā)送的語(yǔ)音編碼，這就是所謂的時(shí)分雙工功能，接收端通過(guò)解碼恢復出發(fā)送傳送的語(yǔ)音信號，從而實(shí)現通話(huà)功能。

　　為了提高系統可靠性，系統采用雙CPU結構，CPU均采用低成本的小型結構。一個(gè)CPU專(zhuān)門(mén)負責語(yǔ)音處理，包括降噪、編碼、解碼、濾波等功能；另一個(gè)CPU負責電源管理、信道管理以及基本的輸人輸出等功能，這種結構使功能軟仵獨立化，在保證系統可靠性的前提下，進(jìn)一步降低了成本，減小了體積，能較好滿(mǎn)足單兵作戰時(shí)的輕便要求。

　　2 系統組成及硬件實(shí)現

　　2．1 系統組成

　　通話(huà)系統為一無(wú)中心自組網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)終端具有同等功能，按通話(huà)功能可組成星形網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，原理及組成如圖1所示。

圖1 通話(huà)系統組成

　　2．2 終端模塊

　　通信終端采用和防毒面具一體化結構，其內部組成包括：電池、電源管理模塊、揚聲器、麥克風(fēng)、聲碼器、語(yǔ)音處理模塊、主控模塊、調制解調器模塊和功放模塊。如圖2所示。

圖2 終端組成

　　各模塊的主要功能如下：電池，為終端提供電源；電源管理模塊，提供電池充電，電池電量分析，在主控模塊的控制為各模塊供電，監測用電情況；揚聲器將電信號轉化為聲音；麥克風(fēng)將聲音轉化為電信號；聲碼器，實(shí)現信號放大，模擬聲音電信號和數字聲音電信號之間的相互轉換，也就是聲音的模／數轉換和數／模轉換器；語(yǔ)音處理模塊，為一具有數字信號處理功能的單片計算機，主要功能有原始語(yǔ)音的降噪處理，語(yǔ)音壓縮編碼，序列轉換，語(yǔ)音解壓縮編碼；主控模塊，主要功能有信道管理，信道編解碼，系統管理；調制解調器，實(shí)現基帶信號和射頻信號的相互轉換；功放模塊，信號的收發(fā)控制，發(fā)射信號的信號放大。

　　2.3 硬件實(shí)現

　　本系統采用雙CPU的解決方案，PIC24FJ16GA004為系統的主控模塊，負責控制通話(huà)音量、通信的頻帶和兩個(gè)終端之間的同步。dsPlC33FJ64GP7O6主要負責語(yǔ)音的壓縮和解壓縮。外接了一個(gè)數／模轉換芯片AD73311，一個(gè)射頻芯片CC1100。AD73311除了負責進(jìn)行數字信號和模擬信號的轉換外，音量的調節也是通過(guò)改變該芯片增益的大小實(shí)現的。CCl100對信號進(jìn)行包處理、調制解調和射頻的收發(fā)。整個(gè)硬件系統中各芯片處理的任務(wù)和芯片之間的連接方式如圖3所示。

　圖3 硬件系統示意圖

　　如圖3所示，發(fā)射過(guò)程如下：數／模芯片AD7331 1對麥克風(fēng)的模擬信號進(jìn)行8 kHz采樣，得到16 b的PCM信號，信號由DCI接口傳輸到dsPlC33FJ64GP706。dsPlC33FJ64GP706以30 ms為一幀進(jìn)行壓縮，并將語(yǔ)音參數經(jīng)過(guò)SPI接口傳輸到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004設定CC1100的載波頻率，當CC1100狀態(tài)穩定后，將語(yǔ)音參數經(jīng)SPI接口傳輸到CC1100。CC1100對語(yǔ)音參數進(jìn)行糾錯編碼和交織編碼，打包之后經(jīng)過(guò)MSK調制到中頻，再經(jīng)過(guò)混頻變成高頻信號，經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送出去。

　　接收過(guò)程與發(fā)送相反：CC1100接收到高頻信號后，進(jìn)行混頻，得到中頻信號；進(jìn)行解調，得到基帶信號；再進(jìn)行解交織和解糾錯編碼得到語(yǔ)音參數，通過(guò)SPI接口發(fā)送到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004接收到clsPlC33FJ64GP706的握手信號后，將語(yǔ)音參數經(jīng)過(guò)SPI接口發(fā)送到dsPlC33FJ64GP706進(jìn)行解壓縮，之后將合成語(yǔ)音經(jīng)過(guò)DCI接口傳輸到AD73311，通過(guò)AD73311將合成語(yǔ)音信號轉換成模擬信號輸出到麥克風(fēng)。

　　3 技術(shù)指標及關(guān)鍵技術(shù)

　　3．1 技術(shù)指標

　　工作頻段：400～460 MHz中某一頻段；調制速率：38．4 Kb／s MSK；編碼方式：4，8 Kb／s ACELP；發(fā)射功率：lO～500 mW五檔可調；接收靈敏度：優(yōu)于-110 dBm；通信距離：滿(mǎn)足電波傳播條件下最大可靠通信距離不小于500 m；工作方式：時(shí)分雙工，點(diǎn)到點(diǎn)，點(diǎn)到多點(diǎn)；跳頻速率：0～100跳／s中慢速跳頻；音頻輸出：最大功率1 W，配有耳機、麥克風(fēng)插孔；安裝方式：防毒面具一體化內置；工作溫度：－20～＋55℃。

　　3.2 關(guān)鍵技術(shù)

　　跳頻通信技術(shù) 跳頻通信技術(shù)具有實(shí)現簡(jiǎn)單，抗干擾，抗截獲能力強的特點(diǎn)，被廣泛應用于軍事通信系統中。由于本系統通信距離較近，屬短距離戰術(shù)通信，發(fā)射功率小，不易被 截獲，無(wú)需采用高速率跳頻，只需采用10～100跳／s的調速就可實(shí)現良好的抗干擾性能。

　　低速率語(yǔ)音編碼技術(shù) 通常的PCM語(yǔ)音編碼速率為64 Kb／g，不適合軍事通信窄帶化要求，更不能適應跳頻通信的要求，本系統使用了一種4．8 Kb／sACELP語(yǔ)音壓縮編碼。該編碼 方式目前已被應用于歐洲TETRA地域通信系統中，語(yǔ)音編碼質(zhì)量超過(guò)美軍FS10l6的CELP編碼，是目前語(yǔ)音壓縮效果最好的一種高效算法，可保證跳頻通信的可靠實(shí)現。

　　噪聲抑制技術(shù) 當人戴上防毒面具后，由于防毒面具的振蕩回聲效應造成聲音渾濁，終端內置噪聲抑制模塊，模塊采用獨特降噪算法，可將壓縮前的語(yǔ)音恢復到清晰狀態(tài)。

　　交織編碼及前向糾錯技術(shù) 交織編碼可將信道中的突發(fā)干擾所造成的連續錯誤分散到一定的碼段中，然后再采用糾錯技術(shù)糾正這些錯誤的編碼，這樣可顯著(zhù)提高接收靈敏度，提高 系統的抗干擾能力。

　　時(shí)分雙工技術(shù) 終端將信道時(shí)間分成不同的時(shí)隙，收發(fā)雙方占用不同的時(shí)隙實(shí)現收發(fā)轉換，配合頻率跳變技術(shù)，切換速度達每秒幾十到上百次，實(shí)現全雙工功能。完全擺脫“按鍵 講話(huà)”所帶來(lái)的不方便。時(shí)分雙工是一種成本較低且可靠性很高的雙工實(shí)現方式，可保證終端的低成本和使用靈活性。

　　4 可靠性分析及結論

　　通信終端的通話(huà)可靠性主要取決于如下條件。

　?。?）內部數據的正確傳輸。PIC24FJ16GA004與dsPlC33FJ64GP706之間通過(guò)SPI傳輸數據，SPI可以實(shí)現雙工通信，所以在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，必須確保雙方的數據都已經(jīng)準各好。 PIC24FJ16GA004通過(guò)在接收CC1100數據的緩沖區滿(mǎn)后將OutBuffer置1，表明自己的數據已經(jīng)準備好，dsPlC33FJ64GP706中的數據準各好后，通過(guò)UART傳輸握手信號24_Ok，當 PIC24FJ16GA004檢測到這兩個(gè)信號都為1時(shí)，就可以保證數據能夠正確傳輸。PIC24FJ16GA004和CC1100之間只有SPI接口，但是可以通過(guò)該接口讀取CC1100的狀態(tài)信息，這樣就可以 保證在進(jìn)行數據傳輸前，CC1100已經(jīng)處于穩定狀態(tài)或者CC1100中的數據已經(jīng)準各好?？梢员苊釩C1100因未達到穩定狀態(tài)造成數據丟失，保證數據的正確傳輸。

　?。?）終端之間的握手。CC1100的包結構中提供了前導和同步頭。本系統使用了32 b的前導數據和32 b的同步頭。在終端接收的過(guò)程中，檢測到有規律的前導信號，就開(kāi)始進(jìn)行數 據匹配，當同步頭被正確匹配后，就知道后面傳輸的是有效數據。實(shí)現了兩個(gè)終端之間的握手。

　?。?）信道的同步。兩個(gè)終端以時(shí)分復用的方式占用信道，相互之間預留了5 ms的保護時(shí)隙。為了防止兩個(gè)終端由于晶振精度誤差帶來(lái)的影響，在傳輸過(guò)程中，以主叫方的時(shí)鐘為 基準，每30 ms同步一次，使誤差不會(huì )累積，保證了兩個(gè)終端之間不會(huì )同時(shí)占用信道，防止發(fā)生干擾，減小誤碼率。

　　基于防毒面具的通話(huà)系統，其核心部分是終端通信模塊的硬件實(shí)現。本系統通過(guò)語(yǔ)音編碼技術(shù)和跳頻技術(shù)等以軟代硬的設計方法有效解決了信息準確和信息保密的需求，大大降 低了制造成本，便于推廣使用。同時(shí)，通話(huà)終端體積小巧，使用靈活，可完全滿(mǎn)足防毒面具裝載和攜帶輕便需求。