一种基于防毒面具的通话系统

　　防毒面具（Gas Mask）是用来保护人员呼吸器官、眼睛及面部免受毒剂、生物战剂和放射性微粒和气溶胶等有毒物质直接伤害的个人防护器材，依其结构和防毒原理分为过滤式 和隔绝式两种，用途十分广泛。

　　由于在佩戴防毒面具时要求与面部紧密结合，隔绝了声音气流，阻断了佩戴人员之间的语言交流。综观国内外防毒面具市场，目前无专门通信解决方案，比较好的是为保持正常 交流，采用低声音损耗的通话膜，一般损耗小于lO dB，仅可满足简单环境下近距离的通话需求，如伊拉克的大眼窗防毒面具，面罩通话器采用不锈钢通话膜，可正常声音传输；其 M85型防毒面具则将内置在颊部的麦克风连接到一个电声放大器上；某些防毒面具对于通话功能甚至无任何设计考虑。而防毒面具通常使用在烟雾、火灾、战场等复杂环境下，佩戴 人员之间的信息交流受到了严重影响：当说话双方距离较远时，如十几米，几十米，甚至几百米，无法保证足够的说话音量，不能对话；在烟雾、火灾、战场等防毒面具常用场合 ，也常常是强背景噪声场合，不适合语音直接交流；在烟雾、火灾、战场等环境中，肢体语言受到限制，多数情况下成为不可能。

　　因此，开发一种防毒面具内置的小型多功能无线通话终端成为一种必然选择。本文设计的小型无线通话系统采用单芯片调制解调器，双CPU结构，全软件的语音压缩编码体系和信 道编码体系。具有体积小巧、成本低廉、通话距离远、功能强大等特点，可实现点到多点，点到点的全双工通话功能，通过软件功能控制就可满足军事应用的跳频、加密、组网等 需求。

　　1 基本功能及设计要点

　　1．1 系统基本功能

　　本小型通信系统主要解决防毒面具复杂使用环境下的短距离通信问题，主要有点到多点和点到点两项功能。

　　（1）点到多点通话功能。点到多点通话也就是常说的广播功能，适用于指挥员下达命令，战斗员向集体报告情况。

　　（2）点到点通话功能。点对点通话就是常说的全双工对讲机功能，系统内部成员间可实现任意用户间的全双工通话功能。

　　1．2 系统设计要点

　　通话系统采用一种称为“代数码本激励线性预测编码” （Algebraic Code Excited lnear Prediction，ACELP）的高压缩率语音编码技术将滤除噪声后的语

　　音进行压缩编码，编码速率低至4．8 Kb／s，然后通过单芯片调制解调器调制到433 MHz载波上，调制方式为MSK，调制速率为38．4 Kb／s。由于采用了高速传输，传输时间小于对应语音采集时间，从而可以将信道分成收和发两种时隙，在发时隙发送语音编码，在收时隙接收对方发送的语音编码，这就是所谓的时分双工功能，接收端通过解码恢复出发送传送的语音信号，从而实现通话功能。

　　为了提高系统可靠性，系统采用双CPU结构，CPU均采用低成本的小型结构。一个CPU专门负责语音处理，包括降噪、编码、解码、滤波等功能；另一个CPU负责电源管理、信道管理以及基本的输人输出等功能，这种结构使功能软仵独立化，在保证系统可靠性的前提下，进一步降低了成本，减小了体积，能较好满足单兵作战时的轻便要求。

　　2 系统组成及硬件实现

　　2．1 系统组成

　　通话系统为一无中心自组网络，每个终端具有同等功能，按通话功能可组成星形网络和网状网络，原理及组成如图1所示。

图1 通话系统组成

　　2．2 终端模块

　　通信终端采用和防毒面具一体化结构，其内部组成包括：电池、电源管理模块、扬声器、麦克风、声码器、语音处理模块、主控模块、调制解调器模块和功放模块。如图2所示。

图2 终端组成

　　各模块的主要功能如下：电池，为终端提供电源；电源管理模块，提供电池充电，电池电量分析，在主控模块的控制为各模块供电，监测用电情况；扬声器将电信号转化为声音；麦克风将声音转化为电信号；声码器，实现信号放大，模拟声音电信号和数字声音电信号之间的相互转换，也就是声音的模／数转换和数／模转换器；语音处理模块，为一具有数字信号处理功能的单片计算机，主要功能有原始语音的降噪处理，语音压缩编码，序列转换，语音解压缩编码；主控模块，主要功能有信道管理，信道编解码，系统管理；调制解调器，实现基带信号和射频信号的相互转换；功放模块，信号的收发控制，发射信号的信号放大。

　　2.3 硬件实现

　　本系统采用双CPU的解决方案，PIC24FJ16GA004为系统的主控模块，负责控制通话音量、通信的频带和两个终端之间的同步。dsPlC33FJ64GP7O6主要负责语音的压缩和解压缩。外接了一个数／模转换芯片AD73311，一个射频芯片CC1100。AD73311除了负责进行数字信号和模拟信号的转换外，音量的调节也是通过改变该芯片增益的大小实现的。CCl100对信号进行包处理、调制解调和射频的收发。整个硬件系统中各芯片处理的任务和芯片之间的连接方式如图3所示。

　图3 硬件系统示意图

　　如图3所示，发射过程如下：数／模芯片AD7331 1对麦克风的模拟信号进行8 kHz采样，得到16 b的PCM信号，信号由DCI接口传输到dsPlC33FJ64GP706。dsPlC33FJ64GP706以30 ms为一帧进行压缩，并将语音参数经过SPI接口传输到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004设定CC1100的载波频率，当CC1100状态稳定后，将语音参数经SPI接口传输到CC1100。CC1100对语音参数进行纠错编码和交织编码，打包之后经过MSK调制到中频，再经过混频变成高频信号，经天线发送出去。

　　接收过程与发送相反：CC1100接收到高频信号后，进行混频，得到中频信号；进行解调，得到基带信号；再进行解交织和解纠错编码得到语音参数，通过SPI接口发送到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004接收到clsPlC33FJ64GP706的握手信号后，将语音参数经过SPI接口发送到dsPlC33FJ64GP706进行解压缩，之后将合成语音经过DCI接口传输到AD73311，通过AD73311将合成语音信号转换成模拟信号输出到麦克风。

　　3 技术指标及关键技术

　　3．1 技术指标

　　工作频段：400～460 MHz中某一频段；调制速率：38．4 Kb／s MSK；编码方式：4，8 Kb／s ACELP；发射功率：lO～500 mW五档可调；接收灵敏度：优于-110 dBm；通信距离：满足电波传播条件下最大可靠通信距离不小于500 m；工作方式：时分双工，点到点，点到多点；跳频速率：0～100跳／s中慢速跳频；音频输出：最大功率1 W，配有耳机、麦克风插孔；安装方式：防毒面具一体化内置；工作温度：－20～＋55℃。

　　3.2 关键技术

　　跳频通信技术 跳频通信技术具有实现简单，抗干扰，抗截获能力强的特点，被广泛应用于军事通信系统中。由于本系统通信距离较近，属短距离战术通信，发射功率小，不易被 截获，无需采用高速率跳频，只需采用10～100跳／s的调速就可实现良好的抗干扰性能。

　　低速率语音编码技术 通常的PCM语音编码速率为64 Kb／g，不适合军事通信窄带化要求，更不能适应跳频通信的要求，本系统使用了一种4．8 Kb／sACELP语音压缩编码。该编码 方式目前已被应用于欧洲TETRA地域通信系统中，语音编码质量超过美军FS10l6的CELP编码，是目前语音压缩效果最好的一种高效算法，可保证跳频通信的可靠实现。

　　噪声抑制技术 当人戴上防毒面具后，由于防毒面具的振荡回声效应造成声音浑浊，终端内置噪声抑制模块，模块采用独特降噪算法，可将压缩前的语音恢复到清晰状态。

　　交织编码及前向纠错技术 交织编码可将信道中的突发干扰所造成的连续错误分散到一定的码段中，然后再采用纠错技术纠正这些错误的编码，这样可显着提高接收灵敏度，提高 系统的抗干扰能力。

　　时分双工技术 终端将信道时间分成不同的时隙，收发双方占用不同的时隙实现收发转换，配合频率跳变技术，切换速度达每秒几十到上百次，实现全双工功能。完全摆脱“按键 讲话”所带来的不方便。时分双工是一种成本较低且可靠性很高的双工实现方式，可保证终端的低成本和使用灵活性。

　　4 可靠性分析及结论

　　通信终端的通话可靠性主要取决于如下条件。

　　（1）内部数据的正确传输。PIC24FJ16GA004与dsPlC33FJ64GP706之间通过SPI传输数据，SPI可以实现双工通信，所以在进行数据传输时，必须确保双方的数据都已经准各好。 PIC24FJ16GA004通过在接收CC1100数据的缓冲区满后将OutBuffer置1，表明自己的数据已经准备好，dsPlC33FJ64GP706中的数据准各好后，通过UART传输握手信号24_Ok，当 PIC24FJ16GA004检测到这两个信号都为1时，就可以保证数据能够正确传输。PIC24FJ16GA004和CC1100之间只有SPI接口，但是可以通过该接口读取CC1100的状态信息，这样就可以 保证在进行数据传输前，CC1100已经处于稳定状态或者CC1100中的数据已经准各好。可以避免CC1100因未达到稳定状态造成数据丢失，保证数据的正确传输。

　　（2）终端之间的握手。CC1100的包结构中提供了前导和同步头。本系统使用了32 b的前导数据和32 b的同步头。在终端接收的过程中，检测到有规律的前导信号，就开始进行数 据匹配，当同步头被正确匹配后，就知道后面传输的是有效数据。实现了两个终端之间的握手。

　　（3）信道的同步。两个终端以时分复用的方式占用信道，相互之间预留了5 ms的保护时隙。为了防止两个终端由于晶振精度误差带来的影响，在传输过程中，以主叫方的时钟为 基准，每30 ms同步一次，使误差不会累积，保证了两个终端之间不会同时占用信道，防止发生干扰，减小误码率。

　　基于防毒面具的通话系统，其核心部分是终端通信模块的硬件实现。本系统通过语音编码技术和跳频技术等以软代硬的设计方法有效解决了信息准确和信息保密的需求，大大降 低了制造成本，便于推广使用。同时，通话终端体积小巧，使用灵活，可完全满足防毒面具装载和携带轻便需求。