基于DTMF方式的身份識(shí)別及語(yǔ)音自動(dòng)播放系統(tǒng)

1  引言

由于電臺(tái)多采用全透明的傳輸方式，只要頻段相同，就可以接收到同頻段上發(fā)送的語(yǔ)音信號(hào)，這樣就無(wú)法準(zhǔn)確辨別信號(hào)是否有用。帶有語(yǔ)音加密功能的電臺(tái)則可以避免這種情況，但在一些要求保密性高的領(lǐng)域或場(chǎng)所，如軍事領(lǐng)域，攔截者一旦破獲我方的加密信號(hào)，發(fā)出一段誤導(dǎo)性的語(yǔ)音信號(hào)，我方則無(wú)法辨別，可能會(huì)造成一定損失。因此，這里介紹一種基于C8051F單片機(jī)，以DTMF編碼的方式識(shí)別電臺(tái)身份的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，在不改變電臺(tái)原有特性的基礎(chǔ)上，只需和電臺(tái)的擴(kuò)展口連接，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電臺(tái)身份的識(shí)別。即使對(duì)方破解了語(yǔ)音信號(hào)，還可通過(guò)地址編碼來(lái)分辨電臺(tái)的身份。該系統(tǒng)在保密性要求高的場(chǎng)所有一定應(yīng)用前景。

2  系統(tǒng)組成與工作原理

圖1為識(shí)別電臺(tái)身份系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。單片機(jī)選用C8051F020，DTMF單元選用MT8880雙音多頻器，語(yǔ)音存儲(chǔ)播放模塊采用ISD4004，另外還有顯示單元、存儲(chǔ)單元、鍵盤。



電臺(tái)一般都預(yù)留擴(kuò)展接口：音頻輸入、音頻輸出、PTT發(fā)射控制、電源、地。該系統(tǒng)通過(guò)這些接口與電臺(tái)相連，如圖2所示。


系統(tǒng)工作原理：作為發(fā)射機(jī)時(shí)，電臺(tái)按下FTT鍵，PTT從高電平變?yōu)榈碗娖?，并將該信?hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)的中斷程序?qū)⒈緳C(jī)的地址碼通過(guò)數(shù)據(jù)接口送至MT8880，經(jīng)MT8880調(diào)制后送入電臺(tái)的音頻輸入接口，伴隨語(yǔ)音信號(hào)一同發(fā)送。作為接收機(jī)時(shí)需分多種情況，如圖3所示。


接收到語(yǔ)音信號(hào)后，判斷是否有DTMF信號(hào)輸入。如果有，MT8880解碼，解碼后的數(shù)據(jù)傳送給C8051F020，C805117020再判斷此地址是否為預(yù)先規(guī)定的電臺(tái)地址碼。若是，此地址碼在LCD上顯示，否則顯示ERROR；若沒(méi)有DTMF信號(hào)而只有語(yǔ)音信號(hào)，則說(shuō)明此信號(hào)非本網(wǎng)內(nèi)信號(hào)，操作者通過(guò)放音鍵回復(fù)事預(yù)先錄制好的一些語(yǔ)音信號(hào)迷惑對(duì)方。

3  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能可分為DTMF編／解碼和語(yǔ)音存儲(chǔ)播放兩部分。并由主控單元控制。由于該系統(tǒng)由電臺(tái)的蓄電池供電，所以選用低功耗器件。這里主控單元采用C8051F020。它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。C8051F020的時(shí)鐘頻率可達(dá)25 MHz，含有64 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4 352 B的RAM、8個(gè)I／O端口、64根I／O線。

3.1 DTMF編／解碼

DTMF編／解碼器選用MT8880。MT8880C是一個(gè)帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號(hào)收發(fā)器。該器件采用低功耗、高穩(wěn)定性的ISO-CMOS技術(shù)，內(nèi)置1個(gè)帶有可變?cè)鲆娴膬?nèi)部放大器的高性能接收器，1個(gè)帶有脈沖計(jì)數(shù)器的發(fā)射器，以及1個(gè)可訪問(wèn)MT8880內(nèi)部寄存器的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口。其內(nèi)部寄存器包括1個(gè)狀態(tài)寄存器、2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和2個(gè)控制寄存器，其電路如圖4所示。


該系統(tǒng)采用單端輸入方式，IN-為運(yùn)放輸入端，R1與R2調(diào)節(jié)輸入信號(hào)增益。TDNE為音頻輸出，用于發(fā)送DTMF信號(hào)。OSCl為時(shí)鐘／振蕩器輸入端，OSC2為時(shí)鐘輸出端，MT8880采用3.579 5 MHz的工作時(shí)鐘。IRQ／CA為中斷請(qǐng)求信號(hào)，漏極開(kāi)路輸出，當(dāng)有DTMF信號(hào)輸入時(shí)，IRQ／CA向C8051F020發(fā)放兩部分。并由主控單元控制。由于該系統(tǒng)由電臺(tái)的蓄電池供電，所以選用低功耗器件。這里主控單元采用C8051F020。它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。C8051F020的時(shí)鐘頻率可達(dá)25 MHz，含有64 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4 352 B的RAM、8個(gè)I／O端口、64根I／O線。

3.1 DTMF編／解碼

DTMF編／解碼器選用MT8880。MT8880C是一個(gè)帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號(hào)收發(fā)器。該器件采用低功耗、高穩(wěn)定性的ISO-CMOS技術(shù)，內(nèi)置1個(gè)帶有可變?cè)鲆娴膬?nèi)部放大器的高性能接收器，1個(gè)帶有脈沖計(jì)數(shù)器的發(fā)射器，以及1個(gè)可訪問(wèn)MT8880內(nèi)部寄存器的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口。其內(nèi)部寄存器包括1個(gè)狀態(tài)寄存器、2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和2個(gè)控制寄存器，其電路如圖4所示。

該系統(tǒng)采用單端輸入方式，IN-為運(yùn)放輸入端，R1與R2調(diào)節(jié)輸入信號(hào)增益。TDNE為音頻輸出，用于發(fā)送DTMF信號(hào)。OSCl為時(shí)鐘／振蕩器輸入端，OSC2為時(shí)鐘輸出端，MT8880采用3.579 5 MHz的工作時(shí)鐘。IRQ／CA為中斷請(qǐng)求信號(hào)，漏極開(kāi)路輸出，當(dāng)有DTMF信號(hào)輸入時(shí)，IRQ／CA向C8051F020發(fā)出中斷申請(qǐng)。D0～D3為微機(jī)數(shù)據(jù)總線，與TTL兼容，輸出測(cè)得的DTMF信號(hào)和輸入要發(fā)出的DTMF信號(hào)，與C8051F020的I／O接口相連。12引腳CP2端為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，與讀寫控制端R／W配合完成MT8880的讀寫操作，RS0引腳為寄存器選擇，TTL電平兼容。地址碼可由0～9以及A～D組成。由于該系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，地址碼都經(jīng)加密算法。當(dāng)終端作為發(fā)射機(jī)時(shí)，DTMF編／解碼部分把終端的地址碼經(jīng)一定算法加密后，調(diào)制成DTMF信號(hào)，再送入電臺(tái)，便于網(wǎng)內(nèi)其他電臺(tái)識(shí)別。當(dāng)終端作為接收機(jī)時(shí)，DTMF編／解碼部分把所接收的DTMF信號(hào)解調(diào)成數(shù)字碼，再經(jīng)解密算法得到地址碼?？紤]到該系統(tǒng)阻抗與電臺(tái)音頻I／O接口阻抗可能不匹配，應(yīng)在兩者間加入一個(gè)音頻變壓器。

由于MT8880提供的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)接口和6800系列兼容，如果改用其他單片機(jī)控制。必須通過(guò)硬件或軟件的方式模擬其工作時(shí)序。筆者在使用MT8880過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵是為MT8880提供接口時(shí)鐘信號(hào)CP2。其時(shí)鐘周期tCYC的典型值為250 ns，實(shí)際上tCYC在0.167～1 0 s(6 MHz～100 kHz)之間取值，MT8880也仍能正常工作，故tCYC取值范圍較寬，如圖5所示。因此，CP2的產(chǎn)生比較靈活。


該系統(tǒng)中，通過(guò)C8051F020的引腳P1.0與MT8880的引腳CP相連，模擬MT8880所需的工作時(shí)序。

3.2  語(yǔ)音存儲(chǔ)播放

語(yǔ)音存儲(chǔ)播放模塊選用ISD公司的ISD4004。該語(yǔ)音器件采用多電平直接模擬存儲(chǔ)(Chip Corder)專利技術(shù)，聲音無(wú)需經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換和壓縮，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的閃爍存儲(chǔ)器中，從而避免一般固體錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。圖6為語(yǔ)音播放原理電路。語(yǔ)音輸人通過(guò)話筒(MIC)直接與ISD4004的引腳IN+、IN-連接差分驅(qū)動(dòng)輸入。語(yǔ)音輸出端則是通過(guò)LM386放大后連接到電臺(tái)的語(yǔ)音輸出端。系統(tǒng)采用鍵控分段錄放音模式。通過(guò)錄音鍵可錄制10段不同的語(yǔ)音，每段錄音對(duì)應(yīng)鍵盤上一個(gè)按鍵，根據(jù)所接收到的語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)10個(gè)按鍵可播放不同的語(yǔ)音，使用方便、靈活。


4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序基于匯編語(yǔ)言編寫，所有DTMF的收／發(fā)工作均由中斷服務(wù)程序完成。主程序只負(fù)責(zé)初始化程序和鍵盤掃描。圖7為主程序流程。圖8為接收中斷處理程序流程。圖9為發(fā)送中斷處理程序流程。



5  結(jié)束語(yǔ)

在某部隊(duì)項(xiàng)目研制中，成功利用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電臺(tái)身份識(shí)別及語(yǔ)音自動(dòng)播放功能，實(shí)際使用情況證明，該系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單、可靠，取得令人滿意的效果。