一種基于防毒面具的通話系統(tǒng)

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

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

　　因此，開發(fā)一種防毒面具內(nèi)置的小型多功能無線通話終端成為一種必然選擇。本文設(shè)計的小型無線通話系統(tǒng)采用單芯片調(diào)制解調(diào)器，雙CPU結(jié)構(gòu)，全軟件的語音壓縮編碼體系和信 道編碼體系。具有體積小巧、成本低廉、通話距離遠、功能強大等特點，可實現(xiàn)點到多點，點到點的全雙工通話功能，通過軟件功能控制就可滿足軍事應(yīng)用的跳頻、加密、組網(wǎng)等 需求。

　　1 基本功能及設(shè)計要點

　　1．1 系統(tǒng)基本功能

　　本小型通信系統(tǒng)主要解決防毒面具復(fù)雜使用環(huán)境下的短距離通信問題，主要有點到多點和點到點兩項功能。

　　（1）點到多點通話功能。點到多點通話也就是常說的廣播功能，適用于指揮員下達命令，戰(zhàn)斗員向集體報告情況。

　?。?）點到點通話功能。點對點通話就是常說的全雙工對講機功能，系統(tǒng)內(nèi)部成員間可實現(xiàn)任意用戶間的全雙工通話功能。

　　1．2 系統(tǒng)設(shè)計要點

　　通話系統(tǒng)采用一種稱為“代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼” （Algebraic Code Excited lnear Prediction，ACELP）的高壓縮率語音編碼技術(shù)將濾除噪聲后的語

　　音進行壓縮編碼，編碼速率低至4．8 Kb／s，然后通過單芯片調(diào)制解調(diào)器調(diào)制到433 MHz載波上，調(diào)制方式為MSK，調(diào)制速率為38．4 Kb／s。由于采用了高速傳輸，傳輸時間小于對應(yīng)語音采集時間，從而可以將信道分成收和發(fā)兩種時隙，在發(fā)時隙發(fā)送語音編碼，在收時隙接收對方發(fā)送的語音編碼，這就是所謂的時分雙工功能，接收端通過解碼恢復(fù)出發(fā)送傳送的語音信號，從而實現(xiàn)通話功能。

　　為了提高系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，CPU均采用低成本的小型結(jié)構(gòu)。一個CPU專門負責(zé)語音處理，包括降噪、編碼、解碼、濾波等功能；另一個CPU負責(zé)電源管理、信道管理以及基本的輸人輸出等功能，這種結(jié)構(gòu)使功能軟仵獨立化，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，進一步降低了成本，減小了體積，能較好滿足單兵作戰(zhàn)時的輕便要求。

　　2 系統(tǒng)組成及硬件實現(xiàn)

　　2．1 系統(tǒng)組成

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

圖1 通話系統(tǒng)組成

　　2．2 終端模塊

　　通信終端采用和防毒面具一體化結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部組成包括：電池、電源管理模塊、揚聲器、麥克風(fēng)、聲碼器、語音處理模塊、主控模塊、調(diào)制解調(diào)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(jiān)測用電情況；揚聲器將電信號轉(zhuǎn)化為聲音；麥克風(fēng)將聲音轉(zhuǎn)化為電信號；聲碼器，實現(xiàn)信號放大，模擬聲音電信號和數(shù)字聲音電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，也就是聲音的模／數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器；語音處理模塊，為一具有數(shù)字信號處理功能的單片計算機，主要功能有原始語音的降噪處理，語音壓縮編碼，序列轉(zhuǎn)換，語音解壓縮編碼；主控模塊，主要功能有信道管理，信道編解碼，系統(tǒng)管理；調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)基帶信號和射頻信號的相互轉(zhuǎn)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 硬件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用雙CPU的解決方案，PIC24FJ16GA004為系統(tǒng)的主控模塊，負責(zé)控制通話音量、通信的頻帶和兩個終端之間的同步。dsPlC33FJ64GP7O6主要負責(zé)語音的壓縮和解壓縮。外接了一個數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片AD73311，一個射頻芯片CC1100。AD73311除了負責(zé)進行數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換外，音量的調(diào)節(jié)也是通過改變該芯片增益的大小實現(xiàn)的。CCl100對信號進行包處理、調(diào)制解調(diào)和射頻的收發(fā)。整個硬件系統(tǒng)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(tǒng)示意圖

　　如圖3所示，發(fā)射過程如下：數(shù)／模芯片AD7331 1對麥克風(fēng)的模擬信號進行8 kHz采樣，得到16 b的PCM信號，信號由DCI接口傳輸?shù)絛sPlC33FJ64GP706。dsPlC33FJ64GP706以30 ms為一幀進行壓縮，并將語音參數(shù)經(jīng)過SPI接口傳輸?shù)絇IC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004設(shè)定CC1100的載波頻率，當CC1100狀態(tài)穩(wěn)定后，將語音參數(shù)經(jīng)SPI接口傳輸?shù)紺C1100。CC1100對語音參數(shù)進行糾錯編碼和交織編碼，打包之后經(jīng)過MSK調(diào)制到中頻，再經(jīng)過混頻變成高頻信號，經(jīng)天線發(fā)送出去。

　　接收過程與發(fā)送相反：CC1100接收到高頻信號后，進行混頻，得到中頻信號；進行解調(diào)，得到基帶信號；再進行解交織和解糾錯編碼得到語音參數(shù)，通過SPI接口發(fā)送到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004接收到clsPlC33FJ64GP706的握手信號后，將語音參數(shù)經(jīng)過SPI接口發(fā)送到dsPlC33FJ64GP706進行解壓縮，之后將合成語音經(jīng)過DCI接口傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/AD73311">AD73311，通過AD73311將合成語音信號轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)；接收靈敏度：優(yōu)于-110 dBm；通信距離：滿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：時分雙工，點到點，點到多點；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(nèi)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)具有實現(xiàn)簡單，抗干擾，抗截獲能力強的特點，被廣泛應(yīng)用于軍事通信系統(tǒng)中。由于本系統(tǒng)通信距離較近，屬短距離戰(zhàn)術(shù)通信，發(fā)射功率小，不易被 截獲，無需采用高速率跳頻，只需采用10～100跳／s的調(diào)速就可實現(xiàn)良好的抗干擾性能。

　　低速率語音編碼技術(shù) 通常的PCM語音編碼速率為64 Kb／g，不適合軍事通信窄帶化要求，更不能適應(yīng)跳頻通信的要求，本系統(tǒng)使用了一種4．8 Kb／sACELP語音壓縮編碼。該編碼 方式目前已被應(yīng)用于歐洲TETRA地域通信系統(tǒng)中，語音編碼質(zhì)量超過美軍FS10l6的CELP編碼，是目前語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現(xiàn)。

　　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(yīng)造成聲音渾濁，終端內(nèi)置噪聲抑制模塊，模塊采用獨特降噪算法，可將壓縮前的語音恢復(fù)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(xù)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，這樣可顯著提高接收靈敏度，提高 系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　時分雙工技術(shù) 終端將信道時間分成不同的時隙，收發(fā)雙方占用不同的時隙實現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換，配合頻率跳變技術(shù)，切換速度達每秒幾十到上百次，實現(xiàn)全雙工功能。完全擺脫“按鍵 講話”所帶來的不方便。時分雙工是一種成本較低且可靠性很高的雙工實現(xiàn)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(jié)論

　　通信終端的通話可靠性主要取決于如下條件。

　　（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)的正確傳輸。PIC24FJ16GA004與dsPlC33FJ64GP706之間通過SPI傳輸數(shù)據(jù)，SPI可以實現(xiàn)雙工通信，所以在進行數(shù)據(jù)傳輸時，必須確保雙方的數(shù)據(jù)都已經(jīng)準各好。 PIC24FJ16GA004通過在接收CC1100數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)滿后將OutBuffer置1，表明自己的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，dsPlC33FJ64GP706中的數(shù)據(jù)準各好后，通過UART傳輸握手信號24_Ok，當 PIC24FJ16GA004檢測到這兩個信號都為1時，就可以保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。PIC24FJ16GA004和CC1100之間只有SPI接口，但是可以通過該接口讀取CC1100的狀態(tài)信息，這樣就可以 保證在進行數(shù)據(jù)傳輸前，CC1100已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)或者CC1100中的數(shù)據(jù)已經(jīng)準各好。可以避免CC1100因未達到穩(wěn)定狀態(tài)造成數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

　?。?）終端之間的握手。CC1100的包結(jié)構(gòu)中提供了前導(dǎo)和同步頭。本系統(tǒng)使用了32 b的前導(dǎo)數(shù)據(jù)和32 b的同步頭。在終端接收的過程中，檢測到有規(guī)律的前導(dǎo)信號，就開始進行數(shù) 據(jù)匹配，當同步頭被正確匹配后，就知道后面?zhèn)鬏數(shù)氖怯行?shù)據(jù)。實現(xiàn)了兩個終端之間的握手。

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

　　基于防毒面具的通話系統(tǒng)，其核心部分是終端通信模塊的硬件實現(xiàn)。本系統(tǒng)通過語音編碼技術(shù)和跳頻技術(shù)等以軟代硬的設(shè)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，通話終端體積小巧，使用靈活，可完全滿足防毒面具裝載和攜帶輕便需求。