加密數(shù)字對(duì)講機(jī)設(shè)計(jì)（已處理）

加密數(shù)字對(duì)講機(jī)設(shè)計(jì)通信原理設(shè)計(jì)論文基于DES算法的數(shù)字對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本次設(shè)計(jì)應(yīng)用于對(duì)講機(jī)的背景下。無(wú)線電對(duì)講機(jī)是移動(dòng)通信中的一個(gè)重要分支,其通信方式具有及時(shí)溝通、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)營(yíng)本錢低、不消耗通話費(fèi)用、使用方便等特點(diǎn)。但傳統(tǒng)以模擬信號(hào)傳輸?shù)膶?duì)講機(jī)存在傳輸距離近,信息質(zhì)量差,平安性得不到保障的問(wèn)題。將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的比擬,了解到數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),認(rèn)識(shí)到數(shù)字對(duì)講機(jī)成為未來(lái)對(duì)講機(jī)的開展趨勢(shì),使本次課題研究具有一定的價(jià)值。為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)講機(jī)加密,所設(shè)計(jì)的數(shù)字對(duì)講機(jī)必須滿足高質(zhì)量,低誤碼率的要求。因此以此為性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字對(duì)講機(jī)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程著重于語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化,采用PCM編碼將模擬信號(hào)數(shù)字化。對(duì)信道編碼采用BCH循環(huán)碼,調(diào)制方式為2PSK調(diào)制,和相干解調(diào)方法。然后對(duì)系統(tǒng)的信息傳輸速率,誤碼率進(jìn)行分析,檢驗(yàn)該系統(tǒng)的有效性和可靠性。另一個(gè)研究重點(diǎn)就是在此數(shù)字對(duì)講機(jī)上進(jìn)行語(yǔ)音加密,采用對(duì)稱加密體制的DES算法。綜合兩方面,設(shè)計(jì)出了基于DES算法的數(shù)字對(duì)講機(jī)。該課題的研究對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng),對(duì)稱密碼學(xué)與數(shù)字通信平安的學(xué)習(xí)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞數(shù)字通信語(yǔ)音數(shù)字通信PCM編碼DES對(duì)稱加密目錄第一章緒論 51.1課題研究背景 51.2課題研究?jī)?nèi)容 5第二章對(duì)講機(jī)相關(guān)知識(shí) 62.1對(duì)講機(jī) 62.1.1無(wú)線對(duì)講機(jī)介紹 62.1.2特點(diǎn) 62.2模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 72.2.1模擬信號(hào) 72.2.2數(shù)字信號(hào) 72.3數(shù)字對(duì)講機(jī) 72.3.1數(shù)字對(duì)講機(jī) 72.3.2數(shù)字通信系統(tǒng) 82.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 8第三章數(shù)字對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 103.1通信系統(tǒng)組成及框圖 103.2語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化 113.2.1抽樣 123.2.2量化 123.2.3編碼 153.2.4其他編碼 163.3信道編碼 173.4調(diào)制 183.5系統(tǒng)性能指標(biāo)分析 193.5.1有效性 193.5.2可靠性 203.6設(shè)計(jì)總述 20第四章數(shù)字對(duì)講機(jī)語(yǔ)音加密 214.1密碼原理 214.2分組密碼 214.2.1分組密碼 214.2.2分組密碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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語(yǔ)音加密設(shè)計(jì) 30第五章課題研究心得 31附錄參考文獻(xiàn) 32第一章緒論1.1課題研究背景無(wú)線電對(duì)講機(jī)既是移動(dòng)通信中的一種專業(yè)無(wú)線通信工具,又是一種能滿足人們生活需要的具有消費(fèi)類產(chǎn)品特點(diǎn)的消費(fèi)工具。公眾對(duì)講機(jī)的大量使用,更促進(jìn)了無(wú)線電對(duì)講機(jī)和有線機(jī)一樣成為人們喜愛和依賴的通信工具。而以模擬信號(hào)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)對(duì)講機(jī)存在傳輸距離近,傳輸信息質(zhì)量較差以及平安性不能得到保障等的缺點(diǎn),但以數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膶?duì)講機(jī)卻能克服這些缺點(diǎn),因此數(shù)字對(duì)講機(jī)成為未來(lái)對(duì)講機(jī)技術(shù)開展的必然趨勢(shì)。另一方面無(wú)線對(duì)講機(jī)是以廣闊的空間來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音信息的傳遞,任何人只要借助適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段就可以在不經(jīng)允許的情況下,收聽到對(duì)講機(jī)用戶之間的通話內(nèi)容。不管是有意還是無(wú)意的,都有可能會(huì)使通話內(nèi)容被竊聽泄露。其后果取決于通話者的身份和通話的內(nèi)容。對(duì)于絕大多數(shù)對(duì)講機(jī)用戶來(lái)講,所通話內(nèi)容不在乎被竊聽,即使通話內(nèi)容泄密也不會(huì)有不良的后果,因此對(duì)講機(jī)用戶絕大多數(shù)沒(méi)有要求對(duì)講機(jī)要有保密功能。一般只是為了防止干擾,設(shè)置亞音、數(shù)字亞音而已。但對(duì)于一些在對(duì)講機(jī)中談?wù)摴ぷ鲀?nèi)容、個(gè)人隱私等不希望別人所知道自己講的內(nèi)容的用戶,如政府、公安、商業(yè),平安部門、軍隊(duì)等等,那么希望對(duì)講機(jī)要有保密功能。這就要求對(duì)數(shù)字對(duì)講機(jī)進(jìn)行加密以滿足使用者的保密要求。1.2課題研究?jī)?nèi)容了解無(wú)線對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng),即信源,信源編碼,信道編碼,調(diào)制,解調(diào),信道譯碼,信源譯碼各局部進(jìn)行分析研究。在此根底設(shè)計(jì)一種無(wú)線數(shù)字對(duì)講機(jī),其性能滿足:(a)傳輸距離大于1000m;b誤碼率;c信息傳輸速率。運(yùn)用DES算法對(duì)編碼形成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單加密,對(duì)接收到的解調(diào)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的譯碼。第二章對(duì)講機(jī)相關(guān)知識(shí)2.1對(duì)講機(jī)2.1.1無(wú)線對(duì)講機(jī)介紹無(wú)線電對(duì)講機(jī),其涵蓋范圍較寬。在這里我們將工作在超短波頻段(VHF30~300MHZ、UHF300~3000MHZ)的無(wú)線電通信設(shè)備都統(tǒng)稱為無(wú)線電對(duì)講機(jī)。實(shí)際上按國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)稱為超短波調(diào)頻無(wú)線機(jī),人們通常將功率小、體積小的手持式的無(wú)線機(jī)叫做“對(duì)講機(jī)〞,以前曾有人稱它為“步談機(jī)〞、“步話機(jī)〞,而將功率大、體積較大的可裝在車(船)等交通工具或固定使用的無(wú)線機(jī)又叫做“電臺(tái)〞,如車載臺(tái)(車載機(jī))、船用臺(tái)、固定臺(tái)、基地臺(tái)、中轉(zhuǎn)臺(tái)等。無(wú)線電對(duì)講機(jī)是移動(dòng)通信中的一個(gè)重要分支。它是一種無(wú)線的可在移動(dòng)中使用的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行通信的終端設(shè)備,可使許多人同時(shí)彼此交流,使許多人能同時(shí)聽到同一個(gè)人說(shuō)話,但是在同一時(shí)刻只能有一個(gè)人講話。這種通信方式和其它通信方式有不同的特點(diǎn):即時(shí)溝通、一呼百應(yīng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)營(yíng)本錢低、不消耗通話費(fèi)用、節(jié)約使用方便,同時(shí)還具有組呼通播、系統(tǒng)呼叫、機(jī)密呼叫等功能。在處理緊急突發(fā)事件中,在進(jìn)行調(diào)度指揮中其作用是其它通信工具所不能替代的。無(wú)線電對(duì)講機(jī)和其它無(wú)線通信工具(如)其市場(chǎng)定位各不相同,難以互相取代。無(wú)線電對(duì)講機(jī)決不是過(guò)時(shí)的產(chǎn)品。它還將長(zhǎng)期使用下去。隨著經(jīng)濟(jì)的開展,社會(huì)的進(jìn)步,人們更關(guān)注自身的平安、工作效率和生活質(zhì)量的提高,對(duì)無(wú)線電對(duì)講機(jī)的需求也將日益增長(zhǎng)。公眾對(duì)講機(jī)的大量使用,更促進(jìn)了無(wú)線電對(duì)講機(jī)和有線機(jī)一樣成為人們喜愛和依的通信工具。2.1.2特點(diǎn)a.對(duì)講機(jī)不受網(wǎng)絡(luò)限制,在網(wǎng)絡(luò)未覆蓋到的地方,對(duì)講機(jī)可以讓使用者輕松溝通;b.對(duì)講機(jī)提供一對(duì)一,一對(duì)多的通話方式,一按就說(shuō),操作簡(jiǎn)單,令溝通更自由,尤其是緊急調(diào)度和集體協(xié)作工作的情況下,這些特點(diǎn)是非常重要的;c.通話本錢低。2.2模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)2.2.1模擬信號(hào)信號(hào)波形模擬隨著信息的變化而變化,模擬信號(hào)其特點(diǎn)是幅度連續(xù)連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)限多個(gè)數(shù)值。模擬信號(hào),其信號(hào)波形在時(shí)間上也是連續(xù)的,因此它又是連續(xù)信號(hào)。模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔T抽樣后的抽樣信號(hào),由于其波形在時(shí)間上是離散的,但此信號(hào)的幅度仍然是連續(xù)的,所以仍然是模擬信號(hào)。、、電視信號(hào)都是模擬信號(hào)。2.2.2數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的,幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小,易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理,所以得到了廣泛的應(yīng)用。2.3數(shù)字對(duì)講機(jī)2.3.1數(shù)字對(duì)講機(jī)數(shù)字對(duì)講機(jī)是采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的數(shù)字對(duì)講機(jī)。數(shù)字對(duì)講機(jī)那么是將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化,要以數(shù)字編碼形式傳播,也就是說(shuō),對(duì)講機(jī)傳輸頻率上的全部調(diào)制均為數(shù)字。只有直接采用數(shù)字信號(hào)處理器的對(duì)講機(jī)才是真正意義上的數(shù)字對(duì)講機(jī),而采用數(shù)字控制信號(hào)的對(duì)講機(jī)(如集群系統(tǒng)的對(duì)講機(jī))那么不屬于數(shù)字對(duì)講機(jī)。數(shù)字對(duì)講機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)。a.可以更好地利用頻譜資源,與蜂窩數(shù)字技術(shù)相似,數(shù)字對(duì)講機(jī)可以在一條指定的信道上如25KHZ裝載更多用戶,提高頻譜利用率,這是一種解決頻率擁擠的解決方案,具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。b.提高話音質(zhì)量。由于數(shù)字通信技術(shù)擁有系統(tǒng)內(nèi)錯(cuò)誤校正功能,和模擬對(duì)講機(jī)相比,可以在一個(gè)范圍更廣泛的信號(hào)環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)更好的語(yǔ)音音頻質(zhì)量,其接收到的音頻噪音會(huì)更少些,聲音更清晰。c.提高和改良語(yǔ)音和數(shù)據(jù)集成,改變控制信號(hào)隨通訊距離增加而降低的弱點(diǎn),與類似集成模擬語(yǔ)音及數(shù)據(jù)系統(tǒng)相比,數(shù)字對(duì)講機(jī)可以提供更好的數(shù)據(jù)處理及界面功能,從而使更多的數(shù)據(jù)應(yīng)用可以被集成到同一個(gè)雙向無(wú)線通訊基站結(jié)構(gòu)中對(duì)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)效勞集成更完善、更加方便。這三大特點(diǎn)使數(shù)字對(duì)講機(jī)成為未來(lái)對(duì)講機(jī)技術(shù)開展的必然趨勢(shì)。2.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)是在時(shí)間和幅度上都是離散值的信號(hào),與模擬信號(hào)想對(duì)應(yīng)。與模擬通信系統(tǒng)相比,數(shù)字通信系統(tǒng)具有以下主要優(yōu)點(diǎn):a.抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累在模擬通信中,為了提高信噪比,需要在信號(hào)傳輸過(guò)程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大,信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可防止地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加,噪聲累積越來(lái)越多,以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。對(duì)于數(shù)字通信,由于數(shù)字信號(hào)的幅值為有限個(gè)離散值通常取兩個(gè)幅值,在傳輸過(guò)程中雖然也受到噪聲的干擾,但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí),即在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法,再生成沒(méi)有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號(hào),所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸。b.便于加密處理信息傳輸?shù)钠桨残院捅Ｃ苄栽絹?lái)越重要,數(shù)字通信的加密處理的比模擬通信容易得多,以話音信號(hào)為例,經(jīng)過(guò)數(shù)字變換后的信號(hào)可用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密、解密處理。c.便于存儲(chǔ)、處理和交換數(shù)字通信的信號(hào)形式和計(jì)算機(jī)所用信號(hào)一致,都是二進(jìn)制代碼,因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換,可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。d.設(shè)備便于集成化、微型數(shù)字通信采用時(shí)分多路復(fù)用,不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大局部電路是數(shù)字電路,可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn),因此體積小、功耗低。e.便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)采用數(shù)字傳輸方式,可以通過(guò)程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換,以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外,業(yè)務(wù)和各種非話業(yè)務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。因?yàn)閿?shù)字通信的優(yōu)點(diǎn),所以各國(guó)都在積極開展數(shù)字通信。近來(lái),數(shù)字通信得到迅速開展,正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進(jìn)。但數(shù)字傳輸也有缺點(diǎn),它與模擬信號(hào)傳輸相比,占用傳輸頻帶寬,如傳輸一路數(shù)字化語(yǔ)音信息占64khz的帶寬,而傳輸一路模擬信息只需占4khz的帶寬。同時(shí)數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中,需要嚴(yán)格的同步。隨著數(shù)字集成技術(shù)的開展,各種中、大規(guī)模集成器件的體積不斷減小,加上數(shù)字壓縮技術(shù)的不斷完善,數(shù)字通信設(shè)備體積將會(huì)越來(lái)越來(lái)小。并且隨著微波和衛(wèi)星信道及光線信道的迅速開展(它們有很寬的帶寬),使占用傳輸頻帶寬的矛盾逐漸縮小。因而數(shù)字傳輸?shù)膽?yīng)用日益廣泛。2.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)衡量數(shù)字通信的質(zhì)量指標(biāo),包括信息傳輸?shù)挠行?、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性等。對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng),要求起主導(dǎo)和決定作用的是有效性和可靠性這兩個(gè)指標(biāo),這也是衡量通信系統(tǒng)好壞的兩個(gè)指標(biāo)。有效性是通信系統(tǒng)中傳輸信息速率的表征,二可靠性是通信系統(tǒng)傳輸信息質(zhì)量的表征。傳輸速度越快,有效性越高;傳輸信號(hào)月準(zhǔn)確,可靠性越高。在通信系統(tǒng)中,人們總是希望傳輸信息既快又準(zhǔn)確,既有效又可靠。然而有效性和可靠性兩者卻是矛盾的。所以在一般情況下,依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求采取相對(duì)統(tǒng)一的方法,即在滿足一定可靠性指標(biāo)下,盡量提高消息的傳輸速率,即有效性;或者,在維持一定有效性條件下,盡可能提高系統(tǒng)的可靠性。有效性碼元傳輸速率數(shù)字通信是用有限個(gè)數(shù)字波形來(lái)代表信息的,每秒鐘所傳輸?shù)臄?shù)字波形的數(shù)目就是傳輸速度,即碼元傳輸速度,又可稱為碼元速率或波形速率,有符號(hào)表示,單位為波特(Baud)。消息傳輸速率信道的傳輸效率通常是以每秒所傳輸?shù)男畔⒘慷嗌賮?lái)衡量。信息傳輸速率是指每秒傳送的信息量。信息量的度量單位是“比特〞(bit),一個(gè)二進(jìn)制碼元(一個(gè)“1〞或一個(gè)“0〞)所含的信息量是一個(gè)“比特〞,所以信息傳輸速率的單位是比特/秒bit/s或bps。頻帶利用率數(shù)字通信系統(tǒng)的效率不僅要看它們的信息傳輸速率,還要看傳輸這種信息所占的信道頻帶的寬度。通信系統(tǒng)所占用的頻帶愈寬,傳輸信息的能力應(yīng)該愈大。所以真正用來(lái)衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的有效性指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的傳輸速率。頻帶利用率可以表示為:b.可靠性衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo),具體可用信號(hào)在傳輸過(guò)程中出錯(cuò)的概率來(lái)表述,即用過(guò)失率來(lái)衡量。過(guò)失率越大,可靠性越差。過(guò)失率通常有一下兩種來(lái)表示方法。碼元過(guò)失率在數(shù)字通信系統(tǒng)中(尤其是在信道中)存在噪聲干擾,接收到的數(shù)字碼元可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤,而使通信的可靠性受到影響。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)主要用誤碼率Pe來(lái)衡量。誤碼率的定義的接收端收到的錯(cuò)誤碼元數(shù)在發(fā)送端發(fā)出總碼元數(shù)中所占的比例。誤碼率定義為接收端收到的錯(cuò)誤碼元數(shù)在發(fā)送端發(fā)出總碼元數(shù)中所占的比例。用公式表示為:信息過(guò)失率信息過(guò)失率簡(jiǎn)稱誤信率,它是指接受錯(cuò)誤的信息量在傳送信息總量中所占的比例,或者說(shuō),它是碼元的新西蘭在傳輸系統(tǒng)中被喪失的概率。用表達(dá)式可表示為:第三章數(shù)字對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1通信系統(tǒng)組成及框圖通信系統(tǒng)由以下幾局部組成:信息源(也稱發(fā)終端)可以把需要傳輸?shù)南⒔?jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成原始電信號(hào)。信息源輸出的信號(hào)我們通常稱為基帶信號(hào)。所謂基帶信號(hào)是指沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制(進(jìn)行頻譜搬移和變換)的原始電信號(hào),其特點(diǎn)是頻率較低,信號(hào)頻譜從零頻附近開始,具有低通形式。根據(jù)原始電信號(hào)的特征,基帶信號(hào)可分為數(shù)字基帶信號(hào)和模擬基帶信號(hào)(相應(yīng)地,信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。)其由信源決定。發(fā)送設(shè)備的功能是將信息和信道連接起來(lái),即將信息源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生原始電信號(hào)(基帶信號(hào))再一次變換,使之可以在信道中傳輸。變換方式是多種多樣的,比方調(diào)制適用于在需要頻譜搬移的場(chǎng)合;對(duì)傳輸數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō),發(fā)送設(shè)備又常常包含信源編碼和信道編碼等。信道是指?jìng)魉托盘?hào)的物理性通道,可以是有線的,也可以是無(wú)線的,甚至還可以包含某些設(shè)備。圖中的噪聲源,是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。在接收端,當(dāng)接收設(shè)備收到由信道中傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)其實(shí)是發(fā)送設(shè)備的一個(gè)反過(guò)程,從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)來(lái)。受信者(也稱信宿或收終端)是將復(fù)原的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息,同樣他也是信息源工作的一個(gè)反過(guò)程。圖中給出的是通信系統(tǒng)的一般模型,按照信道中所傳信號(hào)的形式不同,可進(jìn)一步具體化為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般組成如3.1.1所示:圖3.1.1通信系統(tǒng)的一般組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成框圖如圖3.1.2所示:圖3.1.2數(shù)字通信系統(tǒng)的組成框圖3.2語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化就是將信源送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),即A/D變換,用一定的數(shù)字脈沖組合來(lái)表示信號(hào)的一定幅度。通常將這種過(guò)程稱為脈沖編碼調(diào)制PCM,簡(jiǎn)稱為編碼。PCM主要包括抽樣、量化與編碼三個(gè)過(guò)程。抽樣是把連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間按連續(xù)幅度的抽樣信號(hào);量化是把離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間離散幅度得數(shù)字信號(hào)。編碼是將量化后的信號(hào)編碼形成一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的PCM碼組(話音)是八位碼組代表一個(gè)抽樣值。從通信中的調(diào)制概念來(lái)看,可以認(rèn)為PCM編碼過(guò)程是模擬信號(hào)調(diào)制一個(gè)二進(jìn)制脈沖序列,載波是脈沖序列,調(diào)制改變脈沖序列的有無(wú)或“1〞、“0〞,所以PCM稱為脈沖編碼調(diào)制。其過(guò)程如圖3.2.1所示:圖3.2.1脈沖編碼調(diào)制PCM過(guò)程3.2.1抽樣抽樣定理:如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)ft所含有的最高頻率不超過(guò)fh,那么當(dāng)抽樣頻率fs≥2fh時(shí),抽樣后得到的離散信號(hào)就包含了原信號(hào)的全部信息。在語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,用3400赫作為最高頻率fm已能很好滿足用戶的要求?？紤]到一定的冗余,目前PCM通信規(guī)定話音信號(hào)的取樣頻率fs為8000赫,所以取fs=8000Hz。取樣周期T=1/fs=1/8000=125us微秒。為了在取樣前把話音信號(hào)中大于fmfm=3400Hz的頻率成分去掉,在取樣器要設(shè)置一個(gè)上限頻率為3400赫的低通濾波器,使最高頻率限制在3400赫。3.2.2量化量化就是進(jìn)行“舍零取整〞處理。將抽樣信號(hào)在某個(gè)抽樣時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)幅度值近似為最接近該點(diǎn)幅值的某個(gè)固定整數(shù)電平值上就完成了量化。取樣量化所得到的取樣信號(hào)雖在時(shí)間上是離散的,但它在幅度取值上仍是連續(xù)的,即它可以是輸入模擬信號(hào)幅值中的任意幅值,或者說(shuō)可有無(wú)限多種取值,它不能用有限個(gè)數(shù)字來(lái)表示,它仍屬模擬信號(hào)。要想使它成為數(shù)字信號(hào),還需把它的取樣值進(jìn)行離散化處理,將幅值為無(wú)限多的連續(xù)信號(hào),變換成幅值為有限數(shù)目的離散信號(hào),這一幅值上離散化處理的過(guò)程稱為量化。量化就是“分級(jí)〞的意思,量化采用類似“四舍五入〞的方法,使每一個(gè)取樣值用一個(gè)相近的幅值來(lái)近似。量化方法可分為均勻量化和非均勻量化法。下面分別對(duì)這兩種量化方法進(jìn)行分析。均勻量化均勻量化,它把輸入的取樣值在整個(gè)量化范圍(-V,+V)內(nèi)劃分為假設(shè)干等距離的小間隔,每個(gè)小間隔叫做一個(gè)量化級(jí)。當(dāng)某一輸入的取樣值落在某一間隔內(nèi)時(shí),就用這個(gè)間隔內(nèi)的中間值來(lái)近似地表示這個(gè)取樣值的大小,并以此值輸出。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,衡量量化器性能的主要技術(shù)指標(biāo)是信噪比,即信號(hào)功率與量化噪聲功率之比值,通常用符號(hào)SNR來(lái)表示。量化噪聲功率計(jì)算公式為:輸入電平超出(-V,+V)是,成為量化器過(guò)載,其噪聲稱為過(guò)載噪聲。過(guò)載噪聲定義為:總噪聲為不過(guò)載噪聲與過(guò)載噪聲之和:實(shí)際語(yǔ)音信號(hào)不可防止有局部信號(hào)幅度超出量化范圍而造成過(guò)載。語(yǔ)音信號(hào)幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布表示。當(dāng)信號(hào)的有效值很小時(shí),語(yǔ)音信號(hào)均勻量化的信噪比為:()圖3.2.2語(yǔ)音輸入時(shí)的SNR特性在實(shí)際的語(yǔ)音中,由于不同說(shuō)話人的音量不同,加上說(shuō)話人情緒的影響,語(yǔ)音平均功率的變動(dòng)范圍可到達(dá)30dB左右。同時(shí)由于在通信線路上損耗可達(dá)25-30dB。因此,語(yǔ)音信號(hào)的均方值變動(dòng)范圍可達(dá)40-50dB。一般SNR要大于25dB,為了滿足在40-50dB的范圍內(nèi)SNR大于25dB的要求,必須采用n12為的均勻量化器。這樣,在抽樣頻率fs8KHz是,輸出的信息速率為96kb/s。根據(jù)數(shù)字基帶傳輸中奈奎斯特準(zhǔn)那么可知,這就要求傳輸信道的帶寬不小于48KHz。而且在均勻量化中大信號(hào)和小信號(hào)的絕對(duì)誤差相同,而對(duì)小信號(hào)來(lái)說(shuō),相對(duì)誤差(噪聲)很大,也就是說(shuō)信噪比小,不能滿足語(yǔ)音信號(hào)的傳輸要求。所以現(xiàn)在的語(yǔ)音通信不選用此種方案。(二)非均勻量化量化間隔不相等的量化器稱為非均勻量化器。非線性量化是利用壓縮和擴(kuò)展的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。非均勻量化的思路是不同幅值的信號(hào)經(jīng)過(guò)具有壓縮特性的放大器后對(duì)小信號(hào)的幅度有較大的放大作用,而對(duì)大信號(hào)的幅度那么有壓縮作用。這樣在對(duì)經(jīng)過(guò)放大后的取樣小信號(hào)進(jìn)行量化時(shí),就使小信號(hào)的量化誤差相對(duì)減少,信噪比得到改善,如果放大作用大,那么改善的程度也大;至于大信號(hào)經(jīng)壓縮、量化后,信噪比將降低,結(jié)果使話音信號(hào)在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信噪比根本上相差不多,且都能滿足規(guī)定的要求。在理想的對(duì)數(shù)量化中,SNR是一常數(shù)為:國(guó)際上允許采用兩種折線形壓擴(kuò)特性:13折線A律壓擴(kuò)特性和15折線u律壓擴(kuò)特性,美采用u律,我國(guó)與歐洲規(guī)定采用A律。A律對(duì)數(shù)壓縮定義為:其中A為壓縮系數(shù),現(xiàn)在的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中取A87.6。理想A律很難做到特性的一致性和穩(wěn)定性。所以實(shí)際中采用折線段來(lái)近似表示對(duì)數(shù)壓縮特性,而且可以采用數(shù)字化技術(shù),比擬容易實(shí)現(xiàn);一致性與穩(wěn)定性。如圖3.2.3所示用13折線A律對(duì)數(shù)壓縮特性。圖3.2.3A律13折線示意圖圖3.2.3只畫出了輸入信號(hào)為正時(shí)的情況。輸入信號(hào)幅度的歸一化范圍是(0,1),被分成不均勻的8個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度以2倍遞增。其劃分方法為:取0-1/128作為第一區(qū)間,取1/128-1/64,為第二區(qū)間,取1/64-1/32作為第三區(qū)間,一次下去,知道1/2-1為第8區(qū)間。輸出信號(hào)幅度的歸一化范圍那么均勻的分成8個(gè)區(qū)間。分別與輸入信號(hào)幅度相對(duì)應(yīng)。第一區(qū)間為0-1/8,第二區(qū)間為1/8-2/8,點(diǎn)三區(qū)間為2/8-3/8,……,直到第八區(qū)間7/8-1。將坐標(biāo)(1/128,1/8)與原點(diǎn)相連,再將(1/64,2/8)點(diǎn)與(1/128,1/8)點(diǎn)相連,(1/32,3/8)點(diǎn)與(1/64,2/8),……。這樣就可以做出由8段直線連成的一條折現(xiàn)。由于第一、二區(qū)間內(nèi)的直線斜率相等,所以實(shí)際上只有7段直線。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí),壓縮特性對(duì)原點(diǎn)奇對(duì)稱,負(fù)方向也有7段線段(圖中未畫出)。由于負(fù)方向第一段與正方向第一段斜率相同,因此,共有13段折線。即在總的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)為13段,而每一段內(nèi)量化電平是等間隔的,那么可認(rèn)為在每一段內(nèi)是均勻量化,只是輸入輸出的關(guān)系有所不同。采用13折線近似A律壓縮特性后,其SNR與輸入幅度的關(guān)系。如圖3.2.4所示。圖3.2.4正弦輸入SNR曲線(13折線近似)3.2.3編碼模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣和量化以后,在時(shí)間上和幅度取值上都變成了離散的數(shù)字信號(hào)。在PCM中,把量化后信號(hào)電平值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程稱為編碼。常見的二進(jìn)制編碼又自然二進(jìn)制編碼NBC;折疊二進(jìn)制碼組FBC;格雷二進(jìn)制碼組RBC。由于在當(dāng)信道傳輸中有誤碼時(shí),折疊碼由此產(chǎn)生的失真誤差功率最小,所以PCM通信中采用折疊碼。圖3.2.5反映了不同編碼規(guī)律時(shí)SNR與輸入電平的關(guān)系。圖3.2.5不同編碼規(guī)律時(shí)SNR與輸入電平的關(guān)系如果量化級(jí)數(shù)為N,那么信號(hào)幅度上有N個(gè)取值,形成有N個(gè)電平值的多電平碼。但這種具有N個(gè)電平值的多電平碼信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到各種干擾,并會(huì)產(chǎn)生畸變和衰減,接收端難以正確識(shí)別和接收。如果信號(hào)是二進(jìn)制碼,那么只要接收端能識(shí)別出是“1〞碼還是“0〞碼即可。所以二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),且容易產(chǎn)生,在數(shù)字通信中,一般都采用二進(jìn)制碼。量化級(jí)為N時(shí),那么量化離散值共有N個(gè)。將每個(gè)離散值用一組二進(jìn)制碼表示。這一組二進(jìn)制碼的位數(shù)為L(zhǎng),那么有2L=N。L為碼字位數(shù),如:23=8,將多電平碼變成二進(jìn)制碼的過(guò)程稱為編碼,N為量化級(jí)數(shù)。在PCM編碼中,用八位碼組代表一個(gè)抽樣值。8位碼的具體排列入下:第一位碼表示信號(hào)的極性,“1〞代表正極性,“0〞代表負(fù)極性。第2至4位碼表示信號(hào)絕對(duì)值處在哪個(gè)折線段,3位碼共可表示8段落。在A律13折線近似時(shí),000、001共同表示第一折線。也就是說(shuō)M2M3M4代表8個(gè)段落的起始電平值。第5至8位碼表示任一段落內(nèi)的16個(gè)量化電平值,在每段內(nèi)量化電平是等間隔分布的。但量化間隔大小是隨每段落序號(hào)的增加而已2倍遞增的。A律正輸入值編碼表如下所示。量化段號(hào) 極性碼 數(shù)值范圍(△) 段落碼 段落起始值(△) 量化間隔△i(△) 段內(nèi)碼權(quán)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折線A律二進(jìn)制編碼值(256級(jí),8比特)3.2.4其他編碼a.自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)現(xiàn)有的PCM編碼需要采用64Kb/s的A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)的方法,才能符合長(zhǎng)途傳輸語(yǔ)音的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制基帶傳輸系統(tǒng)中,傳送64Kb/s數(shù)字信號(hào)的最小頻帶理論值為32kHz。而模擬單邊帶多路載波占用的頻帶僅4kHz。故PCM占用頻帶要比模擬單邊帶通信系統(tǒng)寬很多。因此,在頻帶寬度嚴(yán)格受限的傳輸系統(tǒng)中,能傳送的PCM路數(shù)要比模擬單邊帶通信方式傳送的路數(shù)少得多。所以努力降低數(shù)字化語(yǔ)音數(shù)碼率,以提高數(shù)字通信系統(tǒng)的頻帶利用率是很重要的。多年來(lái)大量的研究說(shuō)明,自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制時(shí)語(yǔ)音壓縮編碼中復(fù)雜度最低的一種方法,它能在32kb/s數(shù)碼率上到達(dá)64kb/s數(shù)碼率的語(yǔ)音質(zhì)量要求。ADPCM是在差分脈碼調(diào)制DPCM根底上逐步開展起來(lái)的,ADPCM的主要改良是量化器與預(yù)測(cè)器均采用自適應(yīng)方式,即量化器與預(yù)測(cè)器能根據(jù)輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)于最正確或接近于最正確參數(shù)狀態(tài)。僅對(duì)兩個(gè)相鄰抽樣幅值的差值進(jìn)行編碼,那么由于差值信號(hào)變化較小,可大大地減少量化級(jí)數(shù),從而減少編碼的位數(shù)。這樣,在相同傳輸速率下,可以成倍地提高信道的傳輸容量。對(duì)模擬話音信號(hào)按照8000Hz/s抽樣,話音信號(hào)的變化范圍是±3v,假設(shè)采用8位二進(jìn)制數(shù)PCM編碼,量化為256級(jí),每級(jí)約23.4mv。假定相鄰抽樣差值變化范圍是±0.1v,把其化分為16個(gè)均勻量化級(jí),每級(jí)為12.5m,然后使用4位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼。編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送速率僅需要4bit×800032Kb/s,比采用PCM編碼的64Kb/s速率降低一半,效率提高一倍。 自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制可以作為長(zhǎng)途傳輸中一種新型的國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方式。而且CCITTG.721提出了能和已有的PCM數(shù)字網(wǎng)兼容的32kb/sADPCM算法。目前主要用于擴(kuò)充現(xiàn)有PCM信道到傳輸容量。技術(shù)較為復(fù)雜,語(yǔ)音質(zhì)量較PCM編碼又所遜色。故在此通信系統(tǒng)中不采用此編碼方式。b.增量調(diào)制(△M)對(duì)與語(yǔ)音信號(hào),如果抽樣速率很高,抽樣間隔很小,那么相鄰樣點(diǎn)之間的幅度變化不會(huì)很大,相鄰抽樣值的相對(duì)大小同樣能反映模擬信號(hào)的變化規(guī)律。假設(shè)將這些差值編碼傳輸,同樣可傳輸模擬信號(hào)所含的信息,此差值為增量,其值可正可負(fù)。所以稱這種用差值編碼進(jìn)行通信的方式為增量調(diào)制,簡(jiǎn)稱△M。如果兩個(gè)前后抽樣差值為正就編為“1〞碼;差值為負(fù)就編為“0〞碼。因此,“1〞和“0〞代表的是信號(hào)相對(duì)于前一時(shí)刻的增減,不代表信號(hào)的絕對(duì)值。增量調(diào)制的框圖如圖3.2.7增量調(diào)制編碼器圖3.2.8增量調(diào)制解調(diào)器增量編碼在同樣的語(yǔ)音質(zhì)量要求下,PCM系統(tǒng)的數(shù)碼率為64kHz,因此要求最小信道帶寬為32kHz。而采用增量編碼系統(tǒng)時(shí),抽樣速率至少為100kHz,最小帶寬為50kHz。通常增量編碼在速率采用32kHz或16kHz時(shí),語(yǔ)音質(zhì)量比PCM差。所以增量編碼一般適用于小容量的直線通信。PCM編碼是現(xiàn)在的編碼中技術(shù)最為成熟的一種編碼方式,是一種最簡(jiǎn)單、最方便的編碼方法。經(jīng)過(guò)編碼后的數(shù)字信號(hào)就是數(shù)字音頻信號(hào)。是未經(jīng)壓縮的音頻信號(hào)。目前此種編碼技術(shù)在國(guó)際上得到廣泛的應(yīng)用。所以本設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)采用此種編碼方式。3.3信道編碼在實(shí)際信道傳輸數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中,引起傳輸過(guò)失的根本原因在于信道內(nèi)存在的噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串?dāng)_。為提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性,需需要采用過(guò)失控制編碼,對(duì)可能或已經(jīng)出現(xiàn)的過(guò)失進(jìn)行控制。過(guò)失控制編碼是在信息序列上附加上一些監(jiān)督碼元,利用這些冗余的碼元,使原來(lái)不規(guī)律的或規(guī)律性不強(qiáng)的原始數(shù)字信號(hào)變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號(hào);過(guò)失控制譯碼那么利用這些規(guī)律性來(lái)鑒別傳輸過(guò)程是否發(fā)生錯(cuò)誤,或進(jìn)而糾正錯(cuò)誤。過(guò)失控制編碼的種類有許多,其中用的比擬多的有分組碼、循環(huán)碼、卷積碼。線性分組碼是把k個(gè)比特的序列編成n個(gè)比特的碼組,每個(gè)碼組的(n-k)個(gè)校驗(yàn)位僅與本碼組的k個(gè)信息位有關(guān),而與其他碼組無(wú)關(guān)。為了到達(dá)一定的糾錯(cuò)能力和編碼效率,分組碼的碼組長(zhǎng)度通常都比擬大。編譯時(shí)會(huì)產(chǎn)生延時(shí),隨著n的增加而現(xiàn)行增加。卷積碼把k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特,但k和n通常很小,特別適宜于以串行形式傳輸信息,延時(shí)小。編碼后的k個(gè)碼元既與前段信息有關(guān),還與其余各段信息有關(guān)。卷積碼的糾錯(cuò)能力隨N增大而增大,過(guò)失率降低,但卷積碼至今尚未找到如此嚴(yán)密的數(shù)學(xué)手段。而BCH循環(huán)碼具有糾多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的能力,而且有嚴(yán)密的代數(shù)結(jié)構(gòu),是目前研究得最為透徹的一類碼。它的生成多項(xiàng)式g(D)與最小碼距之間有密切的關(guān)系,人們可以根據(jù)所要求的糾錯(cuò)能力t,很容易地構(gòu)造出BCH碼。它們的譯碼也比擬容易實(shí)現(xiàn),是線性分組碼中應(yīng)用的最為普遍的一類碼。故本設(shè)計(jì)采用BCH碼作為信道編碼方式。在二進(jìn)對(duì)稱及加性高斯白噪聲信道,且用BPSK調(diào)制時(shí),誤比特率為:假設(shè)先進(jìn)行(n,k)碼糾錯(cuò)編碼,然后再BPSK調(diào)制,此時(shí)的誤比特率為:3.4調(diào)制為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸,必須用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)也有三種根本調(diào)制方式:幅值鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。它們分別對(duì)應(yīng)于用正弦的幅度、頻率和相位來(lái)傳輸數(shù)字基帶信號(hào),可以看成是模擬線性調(diào)制和角調(diào)制的特殊情況。二進(jìn)制幅度鍵控中調(diào)制中載波幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化。最簡(jiǎn)單的形式是載波在二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)1或0的控制下通或斷。2ASK信號(hào)的頻譜寬度是二進(jìn)制基帶信號(hào)的二倍。二進(jìn)制頻移鍵控中載波頻率隨著調(diào)制信號(hào)1或0而變,1對(duì)應(yīng)于載波頻率f1,0對(duì)應(yīng)于載波頻率f2.二進(jìn)制頻移鍵控已調(diào)信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的幅度鍵控已調(diào)信號(hào)之和,因此它的頻帶寬度是兩倍基帶信號(hào)的帶寬與f2-f1的絕對(duì)值之和。二進(jìn)制相移鍵控中,載波的相位隨著調(diào)制信號(hào)1或0而改變,分別對(duì)應(yīng)0度和180度。二進(jìn)制相移鍵控是抑制載波的雙邊帶調(diào)制,解調(diào)時(shí)必須采用相干解調(diào)。二進(jìn)制差分相移鍵控是利用載波相位傳送數(shù)字信息的方法,成為相對(duì)調(diào)制,是用前后碼元的相對(duì)相位變化傳送數(shù)字信息。首先對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼,即由絕對(duì)碼變?yōu)椴罘执a,然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制時(shí),接收端解調(diào)可以采用非相干解調(diào),也可以采用相干解調(diào),它們的抗噪聲性能不同,誤碼性能也不同。下列圖為不同調(diào)制方式下誤比特率曲線。圖3.4.1二進(jìn)制調(diào)制方式下誤比特率曲線對(duì)以上四種調(diào)制進(jìn)行比擬。從抗加性白噪聲上講,相干2PSK性能最好,2FSK次之,2ASK最差。從頻帶利用率上看,2PSK和2ASK性能一樣,2FSK調(diào)制系統(tǒng)最差。從對(duì)信道特性變化的敏感程度上看,2ASK調(diào)制系統(tǒng)最差。就設(shè)備的復(fù)雜度而言,2ASK、2PSK及2FSK發(fā)端設(shè)備的復(fù)雜度相差不多。對(duì)于同一種調(diào)制方式,相干解調(diào)時(shí)的接收設(shè)備比非相干解調(diào)的接收設(shè)備復(fù)雜;同為非相干解調(diào)時(shí),2DPSK的接收設(shè)備最復(fù)雜,2FSK次之,2ASK的設(shè)備最簡(jiǎn)單。所以,如果抗噪聲性能是主要的,那么應(yīng)考慮相干2PSK和2DPSK,而2ASK最不可取;如果帶寬是主要的因素,那么應(yīng)考慮相干2PSK、2DPSK以及2ASK,而2FSK最不可取;如果設(shè)備的復(fù)雜性是一個(gè)必須考慮的重要因素,那么非相干方式比相干方式更為適宜。綜上,在本次設(shè)計(jì)中選用2PSK調(diào)制方式。3.5系統(tǒng)性能指標(biāo)分析3.5.1有效性a.碼元傳輸速率在采用的PCM編碼中,采用的抽樣速率為8kHz,用八位碼組代表一個(gè)抽樣值,碼元傳輸速率為:b.消息傳輸速率由香農(nóng)公式:CWlog2(1+s/n),在給定性噪比的情況下可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?即信道容量)。采用的是二進(jìn)制傳輸,所以消息的傳輸速率為:頻帶利用率頻帶利用率可以表示為:3.5.2可靠性a.信道編碼產(chǎn)生的誤碼率在2PSK調(diào)制下,對(duì)語(yǔ)音信號(hào)傳輸中進(jìn)行信道編碼時(shí),由于插入監(jiān)督碼元,采用BCH循環(huán)碼,在相同信息比特率情況下,行道中需要傳輸?shù)姆?hào)速率增加為n/k倍,因此誤比特率變?yōu)?數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生的誤碼率不同的調(diào)制方法,和解調(diào)的方法對(duì)系統(tǒng)的誤碼率的影響是不同的。本系統(tǒng)中采用的是2PSK調(diào)制和相干解調(diào),其信道誤比特率特性公式為:由于有糾錯(cuò)編碼的影響,所以最終的誤碼特性為:3.6設(shè)計(jì)總述對(duì)數(shù)字對(duì)講機(jī)設(shè)計(jì)的概括如下。通過(guò)話筒、麥克風(fēng)等產(chǎn)生的語(yǔ)音信號(hào)其頻率范圍在300-3400Hz,平均功率的動(dòng)態(tài)范圍在30dB左右。用PCM編碼中的A律13折線編碼,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化是本次設(shè)計(jì)局部的關(guān)鍵。它改善了傳統(tǒng)對(duì)講機(jī)模擬信號(hào)傳輸質(zhì)量差的問(wèn)題。信道編碼采用的是BCH循環(huán)碼,可以根據(jù)所要求的糾錯(cuò)能力t,構(gòu)造出BCH碼。信源編碼和信道編碼在實(shí)現(xiàn)上可以使用專門的芯片,也可以在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)編碼。相應(yīng)的在接收端中的信源解碼和信源譯碼也可以按照使用的編碼原那么在DSP中實(shí)現(xiàn)或?qū)Ｓ玫男酒袑?shí)現(xiàn)。信號(hào)的調(diào)制采用2PSK調(diào)制方式,接收采用相干解調(diào)。一般在實(shí)際中調(diào)制和發(fā)射都在一個(gè)調(diào)制發(fā)射器中實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)研究重點(diǎn)在于對(duì)數(shù)字對(duì)講機(jī)進(jìn)行加密。即在語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化環(huán)節(jié)之后對(duì)數(shù)字信號(hào)加密,再將加密的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行PSK調(diào)制,然后發(fā)射出去。對(duì)接收到的相干解調(diào)信號(hào)解密,將解密后的信號(hào)譯碼,即產(chǎn)生需要的消息。關(guān)于這一環(huán)節(jié)在第四章做具體研究分析。第四章數(shù)字對(duì)講機(jī)語(yǔ)音加密4.1密碼原理所謂加密,就是將正常情況下可懂的文件數(shù)據(jù)輸入密碼機(jī),由密碼機(jī)變成不可懂的亂碼,即將“明文〞變成“密文〞;所謂解密,就是上述過(guò)程的逆過(guò)程,即將“密文〞變成“明文〞。進(jìn)行明密變換的法那么,稱為密碼的體制。指示這種變換的參數(shù),稱為密鑰。它們是密碼編制的重要組成局部。密碼體制的根本類型可以分為四種:錯(cuò)亂??按照規(guī)定的圖形和線路,改變明文字母或數(shù)碼等的位置成為密文;代替??用一個(gè)或多個(gè)代替表將明文字母或數(shù)碼等代替為密文;密本??用預(yù)先編定的字母或數(shù)字密碼組,代替一定的詞組單詞等變明文為密文;加亂??用有限元素組成的一串序列作為亂數(shù),按規(guī)定的算法,同明文序列相結(jié)合變成密文。按照密碼算法所使用的加密秘鑰與解密密鑰是否相同,能否由加密過(guò)程推導(dǎo)出解密過(guò)程或由解密過(guò)程推導(dǎo)出解密過(guò)程而將密碼體制分為對(duì)稱密碼體制和非對(duì)稱密碼體制。4.2分組密碼4.2.1分組密碼分組密碼是將明文消息編碼表示后的數(shù)字(簡(jiǎn)稱明文數(shù)字)序列,劃分成長(zhǎng)度為n的組(可看成長(zhǎng)度為n的矢量),每組分別在密鑰的控制下變換成等長(zhǎng)的輸出數(shù)字(簡(jiǎn)稱密文數(shù)字)序列.分組密碼的優(yōu)點(diǎn)是:明文信息良好的擴(kuò)展性,對(duì)插入的敏感性,不需要密鑰同步,較強(qiáng)的適用性,適合作為加密標(biāo)準(zhǔn)。分組密碼的缺點(diǎn)是:加密速度慢,錯(cuò)誤擴(kuò)散和傳播。4.2.2分組密碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么擴(kuò)散和擾亂是影響密碼平安的主要因素。擴(kuò)散的目的是讓明文中的單個(gè)數(shù)字影響密文中的多個(gè)數(shù)字,從而使明文的統(tǒng)計(jì)特征在密文中消失,相當(dāng)于明文的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)被擴(kuò)散。擾亂是指讓密鑰與密文的統(tǒng)計(jì)信息之間的關(guān)系變得復(fù)雜,從而增加通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行攻擊的難度。擾亂可以通過(guò)各種代換算法實(shí)現(xiàn)。分組密碼算法實(shí)際上就是密鑰控制下,通過(guò)某個(gè)置換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)明文分組的加密變換。為了保證密碼算法的平安強(qiáng)度,對(duì)密碼算法的要求如下。a.分組長(zhǎng)度足夠大當(dāng)分組長(zhǎng)度較小時(shí),分組密碼類似于古典的代替密碼,它仍然保存了明文的統(tǒng)計(jì)信息,這種統(tǒng)計(jì)信息將給攻擊者留下可乘之機(jī),攻擊者可以有效地窮舉明文空間,得到密碼變換本身。b.密鑰量足夠大分組密碼的密鑰所確定密碼變換只是所有置換中極小一局部。如果這一局部足夠小,攻擊者可以有效地窮舉明文空間所確定所有的置換。這時(shí),攻擊者就可以對(duì)密文進(jìn)行解密,以得到有意義的明文。c.密碼變換足夠復(fù)雜使攻擊者除了窮舉法以外,找不到其他快捷的破譯方法。4.2DES算法4.2.1DES概述DES算法為密碼體制中的對(duì)稱密碼體制,又被成為美國(guó)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn),是1972年美國(guó)IBM公司研制的對(duì)稱密碼體制加密算法。明文按64位進(jìn)行分組,密鑰長(zhǎng)64位,密鑰事實(shí)上是56位參與DES運(yùn)算(第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位,使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1)分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組的加密方法。4.2.2DES的加密算法DES利用兩個(gè)根本操作實(shí)現(xiàn)加密:替換(也稱為混淆)與變換(也稱為擴(kuò)散)。DES共16步,每一步稱為一輪,每一輪重復(fù)替換與變換操作。下面為DES中的主要步驟:a.將64bit明文分組送入初始值換IP函數(shù);b將明文進(jìn)行初始置換;c初始置換產(chǎn)生轉(zhuǎn)塊的兩半,假設(shè)為左明文LPT和右明文RPT;d左明文與右明文經(jīng)過(guò)16輪加密過(guò)程;e將左明文與右明文重接起來(lái),對(duì)組成的塊進(jìn)行最終置換FP;f這個(gè)過(guò)程的結(jié)果得到16bit密文DES加密過(guò)程的框圖:圖4.2.1DES的主要步驟詳細(xì)算法如下:初始置換和最終置換初始置換是在第一輪加密之前進(jìn)行的,目的是將原明文塊的位進(jìn)行移位,采用如圖4.2.2所示的初始置換表,在第五步進(jìn)行的最終轉(zhuǎn)換時(shí)初始置換的逆置換,采用如圖4.2.3所示的逆初始置換表。圖4.2.2初始置換(IP)圖4.2.3最終轉(zhuǎn)換(FP)IP完成之后,將得到的64bit置換文本塊的分成兩半,各32bit,左塊稱為左明文(LPT),右塊稱為右明文(RPT),然后對(duì)這塊進(jìn)行16輪操作。b.DES的一輪DES一輪框圖如圖4.2.4所示:圖4.24DES的一輪第一步:密鑰變換DES的最初64bit密鑰通過(guò)放棄每個(gè)第八位而得到56bit密鑰。每一輪從這56bit密鑰產(chǎn)生不同的48bit子密鑰