加密数字对讲机设计（已处理）

加密数字对讲机设计通信原理设计论文基于DES算法的数字对讲机通信系统设计摘要本次设计应用于对讲机的背景下。无线电对讲机是移动通信中的一个重要分支,其通信方式具有及时沟通、经济实用、运营本钱低、不消耗通话费用、使用方便等特点。但传统以模拟信号传输的对讲机存在传输距离近,信息质量差,平安性得不到保障的问题。将数字信号与模拟信号的比拟,了解到数字通信系统的优势,认识到数字对讲机成为未来对讲机的开展趋势,使本次课题研究具有一定的价值。为了能实现对讲机加密,所设计的数字对讲机必须满足高质量,低误码率的要求。因此以此为性能指标来设计数字对讲机。在系统设计过程着重于语音信号数字化,采用PCM编码将模拟信号数字化。对信道编码采用BCH循环码,调制方式为2PSK调制,和相干解调方法。然后对系统的信息传输速率,误码率进行分析,检验该系统的有效性和可靠性。另一个研究重点就是在此数字对讲机上进行语音加密,采用对称加密体制的DES算法。综合两方面,设计出了基于DES算法的数字对讲机。该课题的研究对数字通信系统,对称密码学与数字通信平安的学习具有一定的指导意义。关键词数字通信语音数字通信PCM编码DES对称加密目录第一章绪论 51.1课题研究背景 51.2课题研究内容 5第二章对讲机相关知识 62.1对讲机 62.1.1无线对讲机介绍 62.1.2特点 62.2模拟信号与数字信号 72.2.1模拟信号 72.2.2数字信号 72.3数字对讲机 72.3.1数字对讲机 72.3.2数字通信系统 82.3.3数字通信系统的主要性能指标 8第三章数字对讲机通信系统设计 103.1通信系统组成及框图 103.2语音信号数字化 113.2.1抽样 123.2.2量化 123.2.3编码 153.2.4其他编码 163.3信道编码 173.4调制 183.5系统性能指标分析 193.5.1有效性 193.5.2可靠性 203.6设计总述 20第四章数字对讲机语音加密 214.1密码原理 214.2分组密码 214.2.1分组密码 214.2.2分组密码的设计准那么 214.2DES算法 224.2.1DES概述 224.2.2DES的加密算法 224.2.3DES的解密算法 304.2.4DES平安性 304.3语音加密设计 30第五章课题研究心得 31附录参考文献 32第一章绪论1.1课题研究背景无线电对讲机既是移动通信中的一种专业无线通信工具,又是一种能满足人们生活需要的具有消费类产品特点的消费工具。公众对讲机的大量使用,更促进了无线电对讲机和有线机一样成为人们喜爱和依赖的通信工具。而以模拟信号传输的传统对讲机存在传输距离近,传输信息质量较差以及平安性不能得到保障等的缺点,但以数字信号传输的对讲机却能克服这些缺点,因此数字对讲机成为未来对讲机技术开展的必然趋势。另一方面无线对讲机是以广阔的空间来进行语音信息的传递,任何人只要借助适当的技术手段就可以在不经允许的情况下,收听到对讲机用户之间的通话内容。不管是有意还是无意的,都有可能会使通话内容被窃听泄露。其后果取决于通话者的身份和通话的内容。对于绝大多数对讲机用户来讲,所通话内容不在乎被窃听,即使通话内容泄密也不会有不良的后果,因此对讲机用户绝大多数没有要求对讲机要有保密功能。一般只是为了防止干扰,设置亚音、数字亚音而已。但对于一些在对讲机中谈论工作内容、个人隐私等不希望别人所知道自己讲的内容的用户,如政府、公安、商业,平安部门、军队等等,那么希望对讲机要有保密功能。这就要求对数字对讲机进行加密以满足使用者的保密要求。1.2课题研究内容了解无线对讲机通信系统,即信源,信源编码,信道编码,调制,解调,信道译码,信源译码各局部进行分析研究。在此根底设计一种无线数字对讲机,其性能满足:(a)传输距离大于1000m;b误码率;c信息传输速率。运用DES算法对编码形成的数字信号进行简单加密,对接收到的解调信号进行相应的译码。第二章对讲机相关知识2.1对讲机2.1.1无线对讲机介绍无线电对讲机,其涵盖范围较宽。在这里我们将工作在超短波频段(VHF30~300MHZ、UHF300~3000MHZ)的无线电通信设备都统称为无线电对讲机。实际上按国家的有关标准应称为超短波调频无线机,人们通常将功率小、体积小的手持式的无线机叫做“对讲机〞,以前曾有人称它为“步谈机〞、“步话机〞,而将功率大、体积较大的可装在车(船)等交通工具或固定使用的无线机又叫做“电台〞,如车载台(车载机)、船用台、固定台、基地台、中转台等。无线电对讲机是移动通信中的一个重要分支。它是一种无线的可在移动中使用的一点对多点进行通信的终端设备,可使许多人同时彼此交流,使许多人能同时听到同一个人说话,但是在同一时刻只能有一个人讲话。这种通信方式和其它通信方式有不同的特点:即时沟通、一呼百应、经济实用、运营本钱低、不消耗通话费用、节约使用方便,同时还具有组呼通播、系统呼叫、机密呼叫等功能。在处理紧急突发事件中,在进行调度指挥中其作用是其它通信工具所不能替代的。无线电对讲机和其它无线通信工具(如)其市场定位各不相同,难以互相取代。无线电对讲机决不是过时的产品。它还将长期使用下去。随着经济的开展,社会的进步,人们更关注自身的平安、工作效率和生活质量的提高,对无线电对讲机的需求也将日益增长。公众对讲机的大量使用,更促进了无线电对讲机和有线机一样成为人们喜爱和依的通信工具。2.1.2特点a.对讲机不受网络限制,在网络未覆盖到的地方,对讲机可以让使用者轻松沟通;b.对讲机提供一对一,一对多的通话方式,一按就说,操作简单,令沟通更自由,尤其是紧急调度和集体协作工作的情况下,这些特点是非常重要的;c.通话本钱低。2.2模拟信号与数字信号2.2.1模拟信号信号波形模拟随着信息的变化而变化,模拟信号其特点是幅度连续连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值。模拟信号,其信号波形在时间上也是连续的,因此它又是连续信号。模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号,由于其波形在时间上是离散的,但此信号的幅度仍然是连续的,所以仍然是模拟信号。、、电视信号都是模拟信号。2.2.2数字信号数字信号指幅度的取值是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小,易于有数字电路进行处理,所以得到了广泛的应用。2.3数字对讲机2.3.1数字对讲机数字对讲机是采用数字技术进行设计的数字对讲机。数字对讲机那么是将语音信号数字化,要以数字编码形式传播,也就是说,对讲机传输频率上的全部调制均为数字。只有直接采用数字信号处理器的对讲机才是真正意义上的数字对讲机,而采用数字控制信号的对讲机(如集群系统的对讲机)那么不属于数字对讲机。数字对讲机有许多优点。a.可以更好地利用频谱资源,与蜂窝数字技术相似,数字对讲机可以在一条指定的信道上如25KHZ装载更多用户,提高频谱利用率,这是一种解决频率拥挤的解决方案,具有长远的意义。b.提高话音质量。由于数字通信技术拥有系统内错误校正功能,和模拟对讲机相比,可以在一个范围更广泛的信号环境中,实现更好的语音音频质量,其接收到的音频噪音会更少些,声音更清晰。c.提高和改良语音和数据集成,改变控制信号随通讯距离增加而降低的弱点,与类似集成模拟语音及数据系统相比,数字对讲机可以提供更好的数据处理及界面功能,从而使更多的数据应用可以被集成到同一个双向无线通讯基站结构中对语音和数据效劳集成更完善、更加方便。这三大特点使数字对讲机成为未来对讲机技术开展的必然趋势。2.3.2数字通信系统信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字信号是在时间和幅度上都是离散值的信号,与模拟信号想对应。与模拟通信系统相比,数字通信系统具有以下主要优点:a.抗干扰能力强、无噪声积累在模拟通信中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大,信号在传输过程中不可防止地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加,噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。对于数字通信,由于数字信号的幅值为有限个离散值通常取两个幅值,在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。b.便于加密处理信息传输的平安性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。c.便于存储、处理和交换数字通信的信号形式和计算机所用信号一致,都是二进制代码,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。d.设备便于集成化、微型数字通信采用时分多路复用,不需要体积较大的滤波器。设备中大局部电路是数字电路,可用大规模和超大规模集成电路实现,因此体积小、功耗低。e.便于构成综合数字网和综合业务数字网采用数字传输方式,可以通过程控数字交换设备进行数字交换,以实现传输和交换的综合。另外,业务和各种非话业务都可以实现数字化,构成综合业务数字网。因为数字通信的优点,所以各国都在积极开展数字通信。近来,数字通信得到迅速开展,正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。但数字传输也有缺点,它与模拟信号传输相比,占用传输频带宽,如传输一路数字化语音信息占64khz的带宽,而传输一路模拟信息只需占4khz的带宽。同时数字信号传输过程中,需要严格的同步。随着数字集成技术的开展,各种中、大规模集成器件的体积不断减小,加上数字压缩技术的不断完善,数字通信设备体积将会越来越来小。并且随着微波和卫星信道及光线信道的迅速开展(它们有很宽的带宽),使占用传输频带宽的矛盾逐渐缩小。因而数字传输的应用日益广泛。2.3.3数字通信系统的主要性能指标衡量数字通信的质量指标,包括信息传输的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性等。对于一个通信系统,要求起主导和决定作用的是有效性和可靠性这两个指标,这也是衡量通信系统好坏的两个指标。有效性是通信系统中传输信息速率的表征,二可靠性是通信系统传输信息质量的表征。传输速度越快,有效性越高;传输信号月准确,可靠性越高。在通信系统中,人们总是希望传输信息既快又准确,既有效又可靠。然而有效性和可靠性两者却是矛盾的。所以在一般情况下,依据实际系统要求采取相对统一的方法,即在满足一定可靠性指标下,尽量提高消息的传输速率,即有效性;或者,在维持一定有效性条件下,尽可能提高系统的可靠性。有效性码元传输速率数字通信是用有限个数字波形来代表信息的,每秒钟所传输的数字波形的数目就是传输速度,即码元传输速度,又可称为码元速率或波形速率,有符号表示,单位为波特(Baud)。消息传输速率信道的传输效率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息传输速率是指每秒传送的信息量。信息量的度量单位是“比特〞(bit),一个二进制码元(一个“1〞或一个“0〞)所含的信息量是一个“比特〞,所以信息传输速率的单位是比特/秒bit/s或bps。频带利用率数字通信系统的效率不仅要看它们的信息传输速率,还要看传输这种信息所占的信道频带的宽度。通信系统所占用的频带愈宽,传输信息的能力应该愈大。所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的有效性指标应当是单位频带内的传输速率。频带利用率可以表示为:b.可靠性衡量数字通信系统可靠性的指标,具体可用信号在传输过程中出错的概率来表述,即用过失率来衡量。过失率越大,可靠性越差。过失率通常有一下两种来表示方法。码元过失率在数字通信系统中(尤其是在信道中)存在噪声干扰,接收到的数字码元可能会发生错误,而使通信的可靠性受到影响。对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率Pe来衡量。误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。误码率定义为接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。用公式表示为:信息过失率信息过失率简称误信率,它是指接受错误的信息量在传送信息总量中所占的比例,或者说,它是码元的新西兰在传输系统中被丧失的概率。用表达式可表示为:第三章数字对讲机通信系统设计3.1通信系统组成及框图通信系统由以下几局部组成:信息源(也称发终端)可以把需要传输的消息经过转换变成原始电信号。信息源输出的信号我们通常称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号,其特点是频率较低,信号频谱从零频附近开始,具有低通形式。根据原始电信号的特征,基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号(相应地,信源也分为数字信源和模拟信源。)其由信源决定。发送设备的功能是将信息和信道连接起来,即将信息源转换产生原始电信号(基带信号)再一次变换,使之可以在信道中传输。变换方式是多种多样的,比方调制适用于在需要频谱搬移的场合;对传输数字信号来说,发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。信道是指传送信号的物理性通道,可以是有线的,也可以是无线的,甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源,是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。在接收端,当接收设备收到由信道中传输的信号进行解调、译码、解码等。它的任务其实是发送设备的一个反过程,从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。受信者(也称信宿或收终端)是将复原的原始电信号转换成相应的消息,同样他也是信息源工作的一个反过程。图中给出的是通信系统的一般模型,按照信道中所传信号的形式不同,可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。通信系统的一般组成如3.1.1所示:图3.1.1通信系统的一般组成数字通信系统的组成框图如图3.1.2所示:图3.1.2数字通信系统的组成框图3.2语音信号数字化语音信号数字化就是将信源送出的模拟信号转化为数字信号,即A/D变换,用一定的数字脉冲组合来表示信号的一定幅度。通常将这种过程称为脉冲编码调制PCM,简称为编码。PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间按连续幅度的抽样信号;量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度得数字信号。编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的PCM码组(话音)是八位码组代表一个抽样值。从通信中的调制概念来看,可以认为PCM编码过程是模拟信号调制一个二进制脉冲序列,载波是脉冲序列,调制改变脉冲序列的有无或“1〞、“0〞,所以PCM称为脉冲编码调制。其过程如图3.2.1所示:图3.2.1脉冲编码调制PCM过程3.2.1抽样抽样定理:如果一个连续信号ft所含有的最高频率不超过fh,那么当抽样频率fs≥2fh时,抽样后得到的离散信号就包含了原信号的全部信息。在语音通信系统中,用3400赫作为最高频率fm已能很好满足用户的要求。考虑到一定的冗余,目前PCM通信规定话音信号的取样频率fs为8000赫,所以取fs=8000Hz。取样周期T=1/fs=1/8000=125us微秒。为了在取样前把话音信号中大于fmfm=3400Hz的频率成分去掉,在取样器要设置一个上限频率为3400赫的低通滤波器,使最高频率限制在3400赫。3.2.2量化量化就是进行“舍零取整〞处理。将抽样信号在某个抽样时间点的瞬时幅度值近似为最接近该点幅值的某个固定整数电平值上就完成了量化。取样量化所得到的取样信号虽在时间上是离散的,但它在幅度取值上仍是连续的,即它可以是输入模拟信号幅值中的任意幅值,或者说可有无限多种取值,它不能用有限个数字来表示,它仍属模拟信号。要想使它成为数字信号,还需把它的取样值进行离散化处理,将幅值为无限多的连续信号,变换成幅值为有限数目的离散信号,这一幅值上离散化处理的过程称为量化。量化就是“分级〞的意思,量化采用类似“四舍五入〞的方法,使每一个取样值用一个相近的幅值来近似。量化方法可分为均匀量化和非均匀量化法。下面分别对这两种量化方法进行分析。均匀量化均匀量化,它把输入的取样值在整个量化范围(-V,+V)内划分为假设干等距离的小间隔,每个小间隔叫做一个量化级。当某一输入的取样值落在某一间隔内时,就用这个间隔内的中间值来近似地表示这个取样值的大小,并以此值输出。在数字通信系统中,衡量量化器性能的主要技术指标是信噪比,即信号功率与量化噪声功率之比值,通常用符号SNR来表示。量化噪声功率计算公式为:输入电平超出(-V,+V)是,成为量化器过载,其噪声称为过载噪声。过载噪声定义为:总噪声为不过载噪声与过载噪声之和:实际语音信号不可防止有局部信号幅度超出量化范围而造成过载。语音信号幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布表示。当信号的有效值很小时,语音信号均匀量化的信噪比为:()图3.2.2语音输入时的SNR特性在实际的语音中,由于不同说话人的音量不同,加上说话人情绪的影响,语音平均功率的变动范围可到达30dB左右。同时由于在通信线路上损耗可达25-30dB。因此,语音信号的均方值变动范围可达40-50dB。一般SNR要大于25dB,为了满足在40-50dB的范围内SNR大于25dB的要求,必须采用n12为的均匀量化器。这样,在抽样频率fs8KHz是,输出的信息速率为96kb/s。根据数字基带传输中奈奎斯特准那么可知,这就要求传输信道的带宽不小于48KHz。而且在均匀量化中大信号和小信号的绝对误差相同,而对小信号来说,相对误差(噪声)很大,也就是说信噪比小,不能满足语音信号的传输要求。所以现在的语音通信不选用此种方案。(二)非均匀量化量化间隔不相等的量化器称为非均匀量化器。非线性量化是利用压缩和扩展的方法来实现的。非均匀量化的思路是不同幅值的信号经过具有压缩特性的放大器后对小信号的幅度有较大的放大作用,而对大信号的幅度那么有压缩作用。这样在对经过放大后的取样小信号进行量化时,就使小信号的量化误差相对减少,信噪比得到改善,如果放大作用大,那么改善的程度也大;至于大信号经压缩、量化后,信噪比将降低,结果使话音信号在整个动态范围内的信噪比根本上相差不多,且都能满足规定的要求。在理想的对数量化中,SNR是一常数为:国际上允许采用两种折线形压扩特性:13折线A律压扩特性和15折线u律压扩特性,美采用u律,我国与欧洲规定采用A律。A律对数压缩定义为:其中A为压缩系数,现在的国际标准中取A87.6。理想A律很难做到特性的一致性和稳定性。所以实际中采用折线段来近似表示对数压缩特性,而且可以采用数字化技术,比拟容易实现;一致性与稳定性。如图3.2.3所示用13折线A律对数压缩特性。图3.2.3A律13折线示意图图3.2.3只画出了输入信号为正时的情况。输入信号幅度的归一化范围是(0,1),被分成不均匀的8个区间,每个区间的长度以2倍递增。其划分方法为:取0-1/128作为第一区间,取1/128-1/64,为第二区间,取1/64-1/32作为第三区间,一次下去,知道1/2-1为第8区间。输出信号幅度的归一化范围那么均匀的分成8个区间。分别与输入信号幅度相对应。第一区间为0-1/8,第二区间为1/8-2/8,点三区间为2/8-3/8,……,直到第八区间7/8-1。将坐标(1/128,1/8)与原点相连,再将(1/64,2/8)点与(1/128,1/8)点相连,(1/32,3/8)点与(1/64,2/8),……。这样就可以做出由8段直线连成的一条折现。由于第一、二区间内的直线斜率相等,所以实际上只有7段直线。当输入信号为负时,压缩特性对原点奇对称,负方向也有7段线段(图中未画出)。由于负方向第一段与正方向第一段斜率相同,因此,共有13段折线。即在总的输入信号的动态范围内为13段,而每一段内量化电平是等间隔的,那么可认为在每一段内是均匀量化,只是输入输出的关系有所不同。采用13折线近似A律压缩特性后,其SNR与输入幅度的关系。如图3.2.4所示。图3.2.4正弦输入SNR曲线(13折线近似)3.2.3编码模拟信号经过取样和量化以后,在时间上和幅度取值上都变成了离散的数字信号。在PCM中,把量化后信号电平值转换成二进制码组的过程称为编码。常见的二进制编码又自然二进制编码NBC;折叠二进制码组FBC;格雷二进制码组RBC。由于在当信道传输中有误码时,折叠码由此产生的失真误差功率最小,所以PCM通信中采用折叠码。图3.2.5反映了不同编码规律时SNR与输入电平的关系。图3.2.5不同编码规律时SNR与输入电平的关系如果量化级数为N,那么信号幅度上有N个取值,形成有N个电平值的多电平码。但这种具有N个电平值的多电平码信号在传输过程中会受到各种干扰,并会产生畸变和衰减,接收端难以正确识别和接收。如果信号是二进制码,那么只要接收端能识别出是“1〞码还是“0〞码即可。所以二进制码具有抗干扰能力强的优点,且容易产生,在数字通信中,一般都采用二进制码。量化级为N时,那么量化离散值共有N个。将每个离散值用一组二进制码表示。这一组二进制码的位数为L,那么有2L=N。L为码字位数,如:23=8,将多电平码变成二进制码的过程称为编码,N为量化级数。在PCM编码中,用八位码组代表一个抽样值。8位码的具体排列入下:第一位码表示信号的极性,“1〞代表正极性,“0〞代表负极性。第2至4位码表示信号绝对值处在哪个折线段,3位码共可表示8段落。在A律13折线近似时,000、001共同表示第一折线。也就是说M2M3M4代表8个段落的起始电平值。第5至8位码表示任一段落内的16个量化电平值,在每段内量化电平是等间隔分布的。但量化间隔大小是随每段落序号的增加而已2倍递增的。A律正输入值编码表如下所示。量化段号 极性码 数值范围(△) 段落码 段落起始值(△) 量化间隔△i(△) 段内码权值(△)a7a6 a5 a4 a3 a2 a1 a01 0/1 0~16 0 0 0 0 1 8 4 2 12 0/1 16~31 0 0 1 16 1 8 4 2 13 0/1 32~63 0 1 0 32 2 16 8 4 24 0/1 64~127 0 1 1 64 4 32 16 8 45 0/1 128~255 1 0 0 128 8 64 32 16 86 0/1 256~511 1 0 1 256 16 128 64 32 167 0/1 512~1023 1 1 0 512 32 256 128 64 328 0/1 1024~2047 1 1 1 1024 64 512 256 128 64表3.2.613折线A律二进制编码值(256级,8比特)3.2.4其他编码a.自适应差分脉码调制(ADPCM)现有的PCM编码需要采用64Kb/s的A律对数压扩的方法,才能符合长途传输语音的质量标准。在最简单的二进制基带传输系统中,传送64Kb/s数字信号的最小频带理论值为32kHz。而模拟单边带多路载波占用的频带仅4kHz。故PCM占用频带要比模拟单边带通信系统宽很多。因此,在频带宽度严格受限的传输系统中,能传送的PCM路数要比模拟单边带通信方式传送的路数少得多。所以努力降低数字化语音数码率,以提高数字通信系统的频带利用率是很重要的。多年来大量的研究说明,自适应差分脉码调制时语音压缩编码中复杂度最低的一种方法,它能在32kb/s数码率上到达64kb/s数码率的语音质量要求。ADPCM是在差分脉码调制DPCM根底上逐步开展起来的,ADPCM的主要改良是量化器与预测器均采用自适应方式,即量化器与预测器能根据输入信号的统计特性自适应于最正确或接近于最正确参数状态。仅对两个相邻抽样幅值的差值进行编码,那么由于差值信号变化较小,可大大地减少量化级数,从而减少编码的位数。这样,在相同传输速率下,可以成倍地提高信道的传输容量。对模拟话音信号按照8000Hz/s抽样,话音信号的变化范围是±3v,假设采用8位二进制数PCM编码,量化为256级,每级约23.4mv。假定相邻抽样差值变化范围是±0.1v,把其化分为16个均匀量化级,每级为12.5m,然后使用4位二进制数进行编码。编码后的数据发送速率仅需要4bit×800032Kb/s,比采用PCM编码的64Kb/s速率降低一半,效率提高一倍。 自适应差分脉码调制可以作为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方式。而且CCITTG.721提出了能和已有的PCM数字网兼容的32kb/sADPCM算法。目前主要用于扩充现有PCM信道到传输容量。技术较为复杂,语音质量较PCM编码又所逊色。故在此通信系统中不采用此编码方式。b.增量调制(△M)对与语音信号,如果抽样速率很高,抽样间隔很小,那么相邻样点之间的幅度变化不会很大,相邻抽样值的相对大小同样能反映模拟信号的变化规律。假设将这些差值编码传输,同样可传输模拟信号所含的信息,此差值为增量,其值可正可负。所以称这种用差值编码进行通信的方式为增量调制,简称△M。如果两个前后抽样差值为正就编为“1〞码;差值为负就编为“0〞码。因此,“1〞和“0〞代表的是信号相对于前一时刻的增减,不代表信号的绝对值。增量调制的框图如图3.2.7增量调制编码器图3.2.8增量调制解调器增量编码在同样的语音质量要求下,PCM系统的数码率为64kHz,因此要求最小信道带宽为32kHz。而采用增量编码系统时,抽样速率至少为100kHz,最小带宽为50kHz。通常增量编码在速率采用32kHz或16kHz时,语音质量比PCM差。所以增量编码一般适用于小容量的直线通信。PCM编码是现在的编码中技术最为成熟的一种编码方式,是一种最简单、最方便的编码方法。经过编码后的数字信号就是数字音频信号。是未经压缩的音频信号。目前此种编码技术在国际上得到广泛的应用。所以本设计的通信系统采用此种编码方式。3.3信道编码在实际信道传输数字信号的过程中,引起传输过失的根本原因在于信道内存在的噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰。为提高数字传输系统的可靠性,需需要采用过失控制编码,对可能或已经出现的过失进行控制。过失控制编码是在信息序列上附加上一些监督码元,利用这些冗余的码元,使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号;过失控制译码那么利用这些规律性来鉴别传输过程是否发生错误,或进而纠正错误。过失控制编码的种类有许多,其中用的比拟多的有分组码、循环码、卷积码。线性分组码是把k个比特的序列编成n个比特的码组,每个码组的(n-k)个校验位仅与本码组的k个信息位有关,而与其他码组无关。为了到达一定的纠错能力和编码效率,分组码的码组长度通常都比拟大。编译时会产生延时,随着n的增加而现行增加。卷积码把k个信息比特编成n个比特,但k和n通常很小,特别适宜于以串行形式传输信息,延时小。编码后的k个码元既与前段信息有关,还与其余各段信息有关。卷积码的纠错能力随N增大而增大,过失率降低,但卷积码至今尚未找到如此严密的数学手段。而BCH循环码具有纠多个随机错误的能力,而且有严密的代数结构,是目前研究得最为透彻的一类码。它的生成多项式g(D)与最小码距之间有密切的关系,人们可以根据所要求的纠错能力t,很容易地构造出BCH码。它们的译码也比拟容易实现,是线性分组码中应用的最为普遍的一类码。故本设计采用BCH码作为信道编码方式。在二进对称及加性高斯白噪声信道,且用BPSK调制时,误比特率为:假设先进行(n,k)码纠错编码,然后再BPSK调制,此时的误比特率为:3.4调制为了使数字信号在带通信道中传输,必须用数字信号对载波进行调制。传输数字信号时也有三种根本调制方式:幅值键控、频移键控和相移键控。它们分别对应于用正弦的幅度、频率和相位来传输数字基带信号,可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。二进制幅度键控中调制中载波幅度随着调制信号而变化。最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断。2ASK信号的频谱宽度是二进制基带信号的二倍。二进制频移键控中载波频率随着调制信号1或0而变,1对应于载波频率f1,0对应于载波频率f2.二进制频移键控已调信号可以看成是两个不同载频的幅度键控已调信号之和,因此它的频带宽度是两倍基带信号的带宽与f2-f1的绝对值之和。二进制相移键控中,载波的相位随着调制信号1或0而改变,分别对应0度和180度。二进制相移键控是抑制载波的双边带调制,解调时必须采用相干解调。二进制差分相移键控是利用载波相位传送数字信息的方法,成为相对调制,是用前后码元的相对相位变化传送数字信息。首先对数字基带信号进行差分编码,即由绝对码变为差分码,然后再进行绝对调相。在二进制数字调制时,接收端解调可以采用非相干解调,也可以采用相干解调,它们的抗噪声性能不同,误码性能也不同。下列图为不同调制方式下误比特率曲线。图3.4.1二进制调制方式下误比特率曲线对以上四种调制进行比拟。从抗加性白噪声上讲,相干2PSK性能最好,2FSK次之,2ASK最差。从频带利用率上看,2PSK和2ASK性能一样,2FSK调制系统最差。从对信道特性变化的敏感程度上看,2ASK调制系统最差。就设备的复杂度而言,2ASK、2PSK及2FSK发端设备的复杂度相差不多。对于同一种调制方式,相干解调时的接收设备比非相干解调的接收设备复杂;同为非相干解调时,2DPSK的接收设备最复杂,2FSK次之,2ASK的设备最简单。所以,如果抗噪声性能是主要的,那么应考虑相干2PSK和2DPSK,而2ASK最不可取;如果带宽是主要的因素,那么应考虑相干2PSK、2DPSK以及2ASK,而2FSK最不可取;如果设备的复杂性是一个必须考虑的重要因素,那么非相干方式比相干方式更为适宜。综上,在本次设计中选用2PSK调制方式。3.5系统性能指标分析3.5.1有效性a.码元传输速率在采用的PCM编码中,采用的抽样速率为8kHz,用八位码组代表一个抽样值,码元传输速率为:b.消息传输速率由香农公式:CWlog2(1+s/n),在给定性噪比的情况下可以计算出单位时间内信道上所能传输的最大信息量(即信道容量)。采用的是二进制传输,所以消息的传输速率为:频带利用率频带利用率可以表示为:3.5.2可靠性a.信道编码产生的误码率在2PSK调制下,对语音信号传输中进行信道编码时,由于插入监督码元,采用BCH循环码,在相同信息比特率情况下,行道中需要传输的符号速率增加为n/k倍,因此误比特率变为:数字调制产生的误码率不同的调制方法,和解调的方法对系统的误码率的影响是不同的。本系统中采用的是2PSK调制和相干解调,其信道误比特率特性公式为:由于有纠错编码的影响,所以最终的误码特性为:3.6设计总述对数字对讲机设计的概括如下。通过话筒、麦克风等产生的语音信号其频率范围在300-3400Hz,平均功率的动态范围在30dB左右。用PCM编码中的A律13折线编码,将模拟信号转化为数字信号。语音信号数字化是本次设计局部的关键。它改善了传统对讲机模拟信号传输质量差的问题。信道编码采用的是BCH循环码,可以根据所要求的纠错能力t,构造出BCH码。信源编码和信道编码在实现上可以使用专门的芯片,也可以在DSP中用软件实现编码。相应的在接收端中的信源解码和信源译码也可以按照使用的编码原那么在DSP中实现或专用的芯片中实现。信号的调制采用2PSK调制方式,接收采用相干解调。一般在实际中调制和发射都在一个调制发射器中实现。本次设计的另一个研究重点在于对数字对讲机进行加密。即在语音信号数字化环节之后对数字信号加密,再将加密的数字信号进行PSK调制,然后发射出去。对接收到的相干解调信号解密,将解密后的信号译码,即产生需要的消息。关于这一环节在第四章做具体研究分析。第四章数字对讲机语音加密4.1密码原理所谓加密,就是将正常情况下可懂的文件数据输入密码机,由密码机变成不可懂的乱码,即将“明文〞变成“密文〞;所谓解密,就是上述过程的逆过程,即将“密文〞变成“明文〞。进行明密变换的法那么,称为密码的体制。指示这种变换的参数,称为密钥。它们是密码编制的重要组成局部。密码体制的根本类型可以分为四种:错乱??按照规定的图形和线路,改变明文字母或数码等的位置成为密文;代替??用一个或多个代替表将明文字母或数码等代替为密文;密本??用预先编定的字母或数字密码组,代替一定的词组单词等变明文为密文;加乱??用有限元素组成的一串序列作为乱数,按规定的算法,同明文序列相结合变成密文。按照密码算法所使用的加密秘钥与解密密钥是否相同,能否由加密过程推导出解密过程或由解密过程推导出解密过程而将密码体制分为对称密码体制和非对称密码体制。4.2分组密码4.2.1分组密码分组密码是将明文消息编码表示后的数字(简称明文数字)序列,划分成长度为n的组(可看成长度为n的矢量),每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字(简称密文数字)序列.分组密码的优点是:明文信息良好的扩展性,对插入的敏感性,不需要密钥同步,较强的适用性,适合作为加密标准。分组密码的缺点是:加密速度慢,错误扩散和传播。4.2.2分组密码的设计准那么扩散和扰乱是影响密码平安的主要因素。扩散的目的是让明文中的单个数字影响密文中的多个数字,从而使明文的统计特征在密文中消失,相当于明文的统计结构被扩散。扰乱是指让密钥与密文的统计信息之间的关系变得复杂,从而增加通过统计方法进行攻击的难度。扰乱可以通过各种代换算法实现。分组密码算法实际上就是密钥控制下,通过某个置换来实现对明文分组的加密变换。为了保证密码算法的平安强度,对密码算法的要求如下。a.分组长度足够大当分组长度较小时,分组密码类似于古典的代替密码,它仍然保存了明文的统计信息,这种统计信息将给攻击者留下可乘之机,攻击者可以有效地穷举明文空间,得到密码变换本身。b.密钥量足够大分组密码的密钥所确定密码变换只是所有置换中极小一局部。如果这一局部足够小,攻击者可以有效地穷举明文空间所确定所有的置换。这时,攻击者就可以对密文进行解密,以得到有意义的明文。c.密码变换足够复杂使攻击者除了穷举法以外,找不到其他快捷的破译方法。4.2DES算法4.2.1DES概述DES算法为密码体制中的对称密码体制,又被成为美国数据加密标准,是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。明文按64位进行分组,密钥长64位,密钥事实上是56位参与DES运算(第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位,使得每个密钥都有奇数个1)分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。4.2.2DES的加密算法DES利用两个根本操作实现加密:替换(也称为混淆)与变换(也称为扩散)。DES共16步,每一步称为一轮,每一轮重复替换与变换操作。下面为DES中的主要步骤:a.将64bit明文分组送入初始值换IP函数;b将明文进行初始置换;c初始置换产生转块的两半,假设为左明文LPT和右明文RPT;d左明文与右明文经过16轮加密过程;e将左明文与右明文重接起来,对组成的块进行最终置换FP;f这个过程的结果得到16bit密文DES加密过程的框图:图4.2.1DES的主要步骤详细算法如下:初始置换和最终置换初始置换是在第一轮加密之前进行的,目的是将原明文块的位进行移位,采用如图4.2.2所示的初始置换表,在第五步进行的最终转换时初始置换的逆置换,采用如图4.2.3所示的逆初始置换表。图4.2.2初始置换(IP)图4.2.3最终转换(FP)IP完成之后,将得到的64bit置换文本块的分成两半,各32bit,左块称为左明文(LPT),右块称为右明文(RPT),然后对这块进行16轮操作。b.DES的一轮DES一轮框图如图4.2.4所示:图4.24DES的一轮第一步:密钥变换DES的最初64bit密钥通过放弃每个第八位而得到56bit密钥。每一轮从这56bit密钥产生不同的48bit子密钥