Цифровой модуль преобразования речи
Цифровой модуль преобразования речи, содержит двухядерный микропроцессор, аудио-кодек, память, а также генератор тактовых импульсов и формирователь сигнала "сброс", подключенные к двухядерному микропроцессору, в состав которого входят соединенные интерфейсом процессор общего назначения - контроллер и цифровой сигнальный процессор, причем последний включает в себя два модема, канальный кодер, канальный декодер, шифратор, дешифратор и вокодер, аудио-кодек выполнен с аудио входом и выходом и модемными входом и выходом, при этом вокодер соединен одним входом с аудио-кодеком, другим входом - с дешифратором, одним выходом - с аудио-кодеком, а другим выходом - с шифратором, который через канальный кодер и один из модемов соединен с входом аудио-кодека, а дешифратор через канальный декодер и другой модем соединен с выходом аудио-кодека, к которому подключен выход управления контроллера, соединенного с памятью. При этом повышена криптостойкость передаваемой информации, с отсутствием признаков вокализации за счет полностью цифрового маскирования сигнала, т.е. повышен уровень ее закрытия, повышено качества передачи и приема речи, упрощена конструкция за счет реализации на унифицированных элементах, а также расширены функциональные возможности для работы в составе аналоговых радиостанций с различными интерфейсами и возможностью адаптации к любому типу радиостанции.
Полезная модель относится к технике связи, в частности к цифровым маскираторам речи и может быть использована для установки в различные портативные, мобильные и стационарные радиостанции в качестве средства засекречивания передаваемой информации.
Известно устройство засекречивания передаваемой информации, содержащее на передающей стороне усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), сумматор, к первому входу которого подключен выход хронизатора, и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а на приемной стороне АЦП, ЦАП и фильтр низкой частоты (ФНЧ), отличающееся тем, что введены на передающей стороне генератор кодовой последовательности, сумматор по модулю два, управляемый ключ и пороговый блок, к входу которого и входу АЦП подключены соответственно первый и второй выходы усилителя, при этом выход АЦП и выход генератора кодовой последовательности подключены к первому и второму входам сумматора по модулю два, первый выход которого подключен к входу генератора кодовой последовательности, а второй выход сумматора по модулю два через ЦАП подключен к второму входу сумматора, выход которого и выход порогового блока подключены соответственно к первому и второму входам управляемого ключа, а на приемной стороне сумматор по модулю два, генератор кодовой последовательности и последовательно соединенные узкополосный фильтр и формирователь сигналов тактовой синхронизации, при этом выход управляемого ключа через канал связи соединен с входами узкополосного фильтра и ФНЧ, выход которого подключен к входу АЦП, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому входу сумматора по модулю два и входу генератора кодовой последовательности, выход которого подключен к второму входу сумматора по модулю два, выход которого соединен с входом ЦАП. Генератор кодовой последовательности выполнен в виде регистра
сдвига, N выходов которого соединены с первыми входами N сумматоров по модулю два, вторые входы которых соединены соответственно с N выходами ключевого коммутатора, при этом выходы N сумматоров по модулю два подключены к входам мажоритарного элемента, выход которого, а также вход регистра сдвига являются соответственно выходом и входом генератора кодовой последовательности. (1)
Недостатком такого устройства является недостаточная надежность кодирования речевой информации, нарушение работоспособности из-за срыва синхронизации, а также высокая остаточная разборчивость кодированной речи. Используемая вокализация речи и передача в аналоговой форме облегчает процесс расшифровки сигнала потенциальным противником.
Известно также устройство (цифровой модуль) засекречивания передаваемой информации, содержащее на передающей стороне последовательно соединенные блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок прямого быстрого преобразования Фурье, блок замещения частотных составляющих, блок перестановки частотных составляющих, блок обратного быстрого преобразования Фурье, блок цифроаналогового преобразования (ЦАП), а также блок объединения сигналов, блок управления перестановкой частотных составляющих, выход которого подключен к второму входу блока перестановки частотных составляющих, генератор синхросигнала и генератор тактовых импульсов, выходы которого подключены к синхровходам генератора синхросигнала, блока ЦАП, блока обратного быстрого преобразования Фурье, блока управления перестановкой частотных составляющих, блока прямого быстрого преобразователя Фурье и блока АЦП, вход которого является входом устройства, а выход блока объединения сигналов является выходом передающей стороны устройства, а на приемной стороне последовательно соединенные блок АЦП, блок прямого быстрого преобразования Фурье, блок обратной перестановки частотных составляющих, блок обратного замещения частотных составляющих, блок обратного быстрого преобразования Фурье и блок ЦАП, выход которого является выходом устройства, а также блок управления обратной перестановкой частотных составляющих, выход которого
подключен к второму входу блока обратной перестановки частотных составляющих, блок фильтрации, вход которого соединен с входом блока выделения синхросигнала, и генератор тактовых импульсов, к входу которого подключен выход блока выделения синхросигнала, а выходы генератора тактовых импульсов подключены к синхровходам блока АЦП, блока прямого быстрого преобразования Фурье, блока управления обратной перестановкой частотных составляющих, блока обратного быстрого преобразования Фурье и блока ЦАП, отличающееся тем, что в него введены на передающей стороне первый и второй фазовые манипуляторы, блок трансформирования спектра и генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), к входу которого подключен дополнительный выход генератора тактовых импульсов, а выход генератора ПСП подключен к первым входам первого и второго фазовых манипуляторов, к вторым входам которых подключены выходы соответственно блока трансформирования спектра и генератора синхросигнала, при этом выход блока ЦАП подключен к входу блока трансформирования спектра, а выходы первого и второго фазовых манипуляторов к первому и второму входам блока объединения сигналов, а на приемной стороне блок поиска синхросигнала ПСП, генератор ПСП, блок восстановления трансформированного спектра и фазовый манипулятор, первый вход которого соединен с входом блока поиска синхросигнала ПСП и является входом приемной стороны устройства, а выход блока поиска синхросигнала ПСП через генератор ПСП подключен к второму входу фазового манипулятора, выход которого подключен к входу блока фильтрации, выход которого через блок восстановления трансформированного спектра подключен к входу блока АЦП. (2)
Недостатком этого устройства является его низкая криптостойкость передаваемой информации, узость функциональных возможностей, препятствующая работе в составе радиостанций с различными интерфейсами, и аппаратурная сложность... Используемая вокализация речи и передача в цифро-аналоговой форме облегчает процесс расшифровки сигнала потенциальным противником. Высокая вероятность сбоев в работе при потере синхронизации.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного цифрового модуля преобразования речи и расширение арсенала цифровых модулей преобразования речи.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в повышении криптостойкости передаваемой информации, с отсутствием признаков вокализации за счет полностью цифрового маскирования сигнала, т.е. повышении уровня ее закрытия, повышении качества передачи и приема речи, упрощении конструкции за счет реализации на унифицированных элементах, а также расширение функциональных возможностей для работы в составе аналоговых радиостанций с различными интерфейсами и возможностью адаптации к любому типу радиостанции.
Сущность полезной модели состоит в том, что цифровой модуль преобразования речи, содержит двухядерный микропроцессор, аудио-кодек, память, а также генератор тактовых, импульсов и формирователь сигнала "сброс", подключенные к двухядерному микропроцессору, в состав которого входят соединенные интерфейсом процессор общего назначения - контроллер и цифровой сигнальный процессор, причем последний включает в себя два модема, канальный кодер, канальный декодер, шифратор, дешифратор и вокодер, аудио-кодек выполнен с аудио входом и выходом и модемными входом и выходом, при этом вокодер соединен одним входом с аудио-кодеком, другим входом - с дешифратором, одним выходом - с аудио-кодеком, а другим выходом - с шифратором, который через канальный кодер и один из модемов соединен с входом аудио-кодека, а дешифратор через канальный декодер и другой модем соединен с выходом аудио-кодека, к которому подключен выход управления контроллера, соединенного с памятью.
На чертеже фиг.1 изображена блок-схема цифрового модуля преобразования речи, на фиг.2 - внешний вид модуля.
Цифровой модуль преобразования речи содержит установленные на плате двухядерный быстродействующий микропроцессор 1, аудио-кодек 2, состоящий из аналогоцифрового и цифроаналогового преобразователей, память 3, а также генератор 4 тактового сигнала и формирователь 5 сигнала
"сброс", подключенные к двухядерному микропроцессору 1. В состав микропроцессора 1 входят, соединенные внутренним интерфейсом 6 контроллер 7 и цифровой сигнальный процессор 8. Процессор 8 включает в себя два модема 9, 10, канальный кодер 11, канальный декодер 12, шифратор 13, дешифратор 14 и вокодер 15. Аудио-кодек 2 выполнен с аудио входом 16 и аудио выходом 17 и модемными входом 18 и модемным выходом 19. Вокодер 15 соединен одним входом с аудио-кодеком 2, другим входом - с дешифратором, одним выходом - с аудио-кодеком, а другим выходом - с шифратором 13, который через канальный кодер 11 и модем 9 соединен с входом аудио-кодека 2, а дешифратор 14 через канальный декодер 12 и модем 10 соединен с выходом аудио-кодека 2. К аудио-кодеку 2 подключен выход управления контроллера 7, соединенного с памятью 3.
Интерфейс 21 предназначен для радиостанциями типа Motorola, интерфейс 22 - с остальными типами радиостанций.
Память 3 выполнена в виде FLASH памяти (ПЗУ MBM29DL800BA-90PBT или аналог AM29DL800BB-70WBI), которая содержит программы для процессора 8 и контроллера 7.
Аудио-кодек - это устройство (TLV320AIC20IPFV), выполняющее функции аналого-цифрового АЦП и цифро-аналогового ЦАП преобразователей.
Контроллер 7 представляет собой ядро ARM-контроллера, выполняющего функции процессора общего назначения. В данном случае ядро контроллера и ядро цифрового сигнального процессора - TMS320VC5470GHKA.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) 8 представляет собой второе ядро микропроцессора 1, в котором реализованы программные модули вокодера, шифратора, дешифратора, канальных кодера и декодера и модема.
Вокодер 15 выполнен в виде помехозащищенного вокодера MELP 2, 4.
Питание оборудования модуля осуществляется формирователем 20 напряжения питания 3,3 V и 1,8 V.
Используемые элементы и микросхемы (элементная база), изображенные на чертежах согласно нормативной системе обозначений, являются стандартными изделиями, применяются в соответствии с публикуемыми каталогами. В частности, в качестве микропроцессора используются серийно выпускаемые микросхемы-микроконтроллеры типа TMS320VC5470. Отечественных аналогов нет.
Общепринятые в отрасли обозначения: ARM - это усовершенствованный процессор с ограниченным набором команд, MELP - вокодер с алгоритмом линейного предсказания со смешанным возбуждением, ТХ - передатчик, RX - приемник, API - ARM порт интерфейс, FLASH - энергонезависимая память ПЗУ).
В работе модуля могут быть задействованы интерфейсы к радиостанциям Motorola и к иным радиостанциям (не Motorola). У радиостанции Моторола наиболее полный и сложный интерфейс, взаимодействующий через порты процессора DSP, у других радиостанций значительно более простой интерфейс, взаимодействующий через порт ARM контроллера, или его вообще нет. Специальный интерфейс к радиостанциям Motorola нужен для взаимодействия модуля с процессором радиостанции с целью управления дисплеем, светодиодной индикацией, звуковыми сигналами, клавиатурой и т.д.
Представленные в блок-схеме на уровне функционального обобщения составные части относятся к цифровым комбинационным автоматам, для которых известны методы синтеза их структуры по содержательному описанию функции (сведениям о функциях, изложенным в описании), т.е. они могут быть синтезированы с помощью известных правил и методов, с помощью которых автоматическое устройство может быть получено по предъявляемым к нему требованиям.
Цифровой модуль преобразования речи работает следующим образом.
В связи с тем, что радиостанции разных производителей имеют различные уровни аудиосигналов, различные точки подключения относительно цепей коррекции радиостанции, различные возможности по управлению и индикации режимов цифровой модуль преобразования речи программируется для работы в конкретной модели радиостанции.
Пользовательское программирование модуля в исполнениях RDM-W и RDM-AW под конкретную модель радиостанции может осуществляться как на предприятии-изготовителе, так и пользователем. При пользовательском программировании определяются конфигурационные параметры: уровни аудиосигналов, ключ, способ включения (импульсный или потенциальный вход), состояние при включении радиостанции, Для пользовательского программирования используется специальный программатор RDM9 и программное обеспечение CONFIG.
Модуль RDM-AW отличается от RDM-W наличием разъема для соединения с переходной колодкой. Переходная колодка входит в состав RDM-AW и служит для исключения пайки проводов на плате модуля.
При подаче питания от формирователя 20 формирователь 5 обеспечивает корректный запуск микропроцессора 1. Генератор 4 тактового сигнала формирует тактовый сигнал, необходимый для работы микропроцессора 1.
Аналоговый речевой сигнал с радиостанции через вход 16 (in) (аналоговый вход) поступает на аудио-кодек 2, с помощью которого преобразуется в цифровую форму - цифровой поток данных 64 kbps. Оцифрованный сигнал поступает на вход вокодера 15, где с помощью алгоритма сжатия речи Mixed Excitation Linear Prediction (MELP) (осуществляется линейное предсказание со смешанным возбуждением) производится понижение битовой скорости цифрового потока преобразование в низкоскоростной цифровой поток 2400 bps. Далее шифратором 13 производится шифрование с помощью алгоритма ГОСТ 28147-89, а в канальном кодере 11 - помехоустойчивое избыточное кодирование (error corr - коррекция ошибок), которое предусматривает введение в состав передаваемого цифрового потока дополнительной (избыточной) информации. При этом скорость информационного потока увеличивается до 4800 bps. С помощью модема 9 сигнал передается в аудио-кодек 2 и производится преобразование цифрового сигнала в аналоговый сигнал с использованием модуляции QPSK на поднесущей 1800 Гц, пригодный для передачи по радиоканалу на выходе 19 (ТХ - передатчик радиостанции). Модуляция QPSK на поднесущей содержит частотно
модулированную компоненту и позволяет использовать модулятор и частотный детектор обычной ЧМ радиостанции. Использование поднесущей не требует использования низких частот (менее 300 Гц) и исключает необходимость доработки модулятора и базового оборудования радиостанции. Передаваемый в виде "белого шума" зашифрованный сигнал имеет свыше четырех миллиардов (2 32) возможных цифровых ключей и практически не может быть расшифрован лицами, не имеющими информации о параметрах кодирования и битовой скорости.
Аналоговый сигнал, принимаемый радиостанцией, поступает в абонентском модуле на вход 18 (RX - приемник радиостанции) аудио-кодека 2, с помощью которого преобразуется в цифровую форму. Обработка принимаемого сигнала для качественного восстановления речи с разборчивостью по ГОСТ 16600-72 происходит в обратной последовательности.
Оцифрованный сигнал поступает на другой вход вокодера 15. Приемная часть модема 10 выделяет из сигнала информационную составляющую, канальным декодером 12 производится канальное декодирование, дешифратором 14 производится дешифрование с помощью ключа, известного только правомерному пользователю. Вокодером 15 осуществляется восстановление аудио сигнала из цифрового потока. Аудио сигнал преобразуется в аналоговую форму с помощью аудио-кодека 2 и поступает на радиостанцию по выходу 17. Восстановленная речь имеет высокое качество звучания.
В процессе обработки сигналов ARM-контроллер 7 осуществляет программное управление аудио-кодеком 2 и процессором 8, в том числе производит загрузку через интерфейс 6 программы из памяти 3 в процессор 8, а также контролирует порядок их взаимодействия с радиостанцией. Контроллер 7 обеспечивает различные уровни доступа радиостанций с абонентскими модулями. Для программирования пользовательских параметров используется программное обеспечение CONFIG.
Формирователь 20 обеспечивает необходимые уровни питающих напряжений для всех устройств 1-19.
Таким образом создан эффективный цифровой модуль преобразования речи и расширен арсенал цифровых модулей преобразования речи.
При этом повышена криптостойкость передаваемой информации, с отсутствием признаков вокализации за счет полностью цифрового маскирования сигнала, т.е. повышен уровень ее закрытия, повышено качества передачи и приема речи, упрощена конструкция за счет реализации на унифицированных элементах, а также расширены функциональные возможности для работы в составе аналоговых радиостанций с различными интерфейсами и возможностью адаптации к любому типу радиостанции.
Источники информации:
1 RU №2038701, 1995.
2 RU №2050698, 1995 (прототип).
Цифровой модуль преобразования речи, содержащий двухядерный микропроцессор, аудиокодек, память, а также генератор тактовых импульсов и формирователь сигнала "сброс", подключенные к двухядерному микропроцессору, в состав которого входят соединенные интерфейсом процессор общего назначения - контроллер и цифровой сигнальный процессор, причем последний включает в себя два модема, канальный кодер, канальный декодер, шифратор, дешифратор и вокодер, аудиокодек выполнен с аудиовходом и выходом и модемными входом и выходом, при этом вокодер соединен одним входом с аудиокодеком, другим входом - с дешифратором, одним выходом - с аудиокодеком, а другим выходом - с шифратором, который через канальный кодер и один из модемов соединен с входом аудиокодека, а дешифратор через канальный декодер и другой модем соединен с выходом аудиокодека, к которому подключен выход управления контроллера, соединенного с памятью.
