一種數字加密集群手機的設計

2019-11-03 09:33:52

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

孟維曉　王北松　沙學軍　　[摘要]：本文結合實際開發研究工作，給出一種數字加密集群系統手機的軟硬件設計方案。手機硬件基礎是一種半雙工對講機，利用其射頻部分、鍵盤、液晶顯示器，自行設計邏輯部分、數字加密模塊的電路和程序，使之成為一種兼備普通對講機功能的專用數字加密集群手機。

　　[關鍵詞]：集群　數字加密　差錯控制

1　概　　述

　　目前，專用無線移動通信系統還沒有實現數字話音，而對于模擬話音，如何防止被竊聽一直是人們研究的課題。模擬加密方式通常是通過對模擬話音的移相技術來實現加密，然而，它的最大弱點是很容易找到解密的辦法，因此這種加密方式僅僅適用于一般的專用通信領域。對于具有特殊業務的專用部門，它不但需要對話音加密，而且還要經常性地更換密鑰，以不被找到解密的辦法，這種要求只有數字加密方式可以做到。話音數字加密辦法是首先將模擬話音數字化，然后與數字密鑰進行特定的邏輯運算，再轉化為模擬信號，進行發送；接收方正好是它的逆過程。這就需要系統的基站和移動臺的密鑰要保持高度一致，而如何確保密鑰更換的有效性和可靠性，是另外一個值得研究的問題。

　　基于這種要求設計出的陸地專用無線移動交換系統是一種可對話音實行數字加密，并能實現每次通話使用不同密鑰的集群通信系統。配合系統設計的手持機是以調度通信為主，兼備電話和尋呼功能，且明／密話兼容的便攜移動通信設備。設計的意圖是以一種現有的對講機為硬件基礎，用自行研制的手持機信令與邏輯控制板替換原有的邏輯控制板，用自行開發的控制軟件完全替代原有的控制軟件并附加保密模塊，完成頻率合成控制、鍵盤掃描、場強檢測、液晶顯示等原有功能和完成信令編解碼、保密通信以及專用調度通信系統特有的功能。

2　信令與邏輯控制板硬件電路設計

　　設備主體采用當今市場上技術成熟、性能價格比高、鍵盤功能齊全、便于加入集群控制的VHF／UHF調頻半雙工對講機，該對講機可以內設最多16個頻點，外部進行高／低功率選擇、同頻／異頻切換、具有夜視燈開關。

　　硬件改造時手機原有高頻部分不做改動，原有的邏輯控制完全由自行設計的電路替換，替換后的邏輯控制單元電路原理框圖如圖1所示。保密模塊作為一個獨立單元存在。

圖1　信令與邏輯控制電路原理框圖

2.1　功能設計

　　該集群系統手持機完全符合改進的陸地無線移動通信MPT－1327信令標準，采用快速移頻鍵控FFSK，信息速率1200bit／s。軟件完成射頻部分的控制、數字信令的收發、鍵盤等外部設備的操作檢測、BCH編碼的前向糾檢錯、工作密鑰的接收和重復碼五取三大數判決等工作，并使其具有良好的可擴充性。手持機除了具備電話、調度、尋呼、回呼、模式切換、遇忙排隊自動回叫、無線二次撥號等常規功能外，還具備動態臨時編組、正常與故障開放、身份碼任意改變、遙斃遙開、自動漫游登記、存貯顯示撥號、自動重撥、脫網頻對講等特殊功能。　　邏輯單元的功能：手機的邏輯控制圍繞四位單片機uPD75316A展開，完成鍵盤掃描和液晶顯示，進行信令的發送和接收處理，控制電臺的工作頻率合成、工作狀態，檢測外部條件，執行EEPROM的讀、寫與保密模塊的通信，還同時完成數字信令的軟件差錯控制，工作密鑰、短密鑰的接收與容錯處理等。

2.2　器件選擇

　　(1)單片微處理機。uPD75P316A單片機是日本電氣公司(NEC)生產的，適合于便攜儀器設備嵌入式控制的微處理器。該單片機具有I／O口多，省電，片內帶有16K字節ROM等特點。除此之外，uPD75316A四位單片機十分適合對液晶顯示器的控制驅動和對鍵盤的掃描，這樣原對講機已有的液晶顯示器和鍵盤可直接方便地用于新的邏輯控制電路中。CPU的輸入輸出口可以完成對外部狀態的口檢測、位檢測、外部邏輯的控制。

　　(2)可電擦除式的數據存儲器。手持機的一些關鍵性數據存儲在掉電不丟失數據的可電擦除的存儲器中。通過比較選擇了EEPROM uPD6254，它與CPU的通信是串行方式，片選選定后，串行時鐘、串行數據的時序與CPU的串行通信口一致。手機入網對應的一組頻率由鍵盤編程直接鍵入后存入EEPROM中，CPU的串行通信口同時服務于頻率合成器的控制，頻率合成靠一串約定的串行碼字，碼字由CPU從EEPROM中讀出并通過固定的運算公式運算得到。

　　(3)調制解調芯片。信令的收發和差錯控制由CML公司的MPT1327專用FFSK調制解調芯片FX429完成。FX429的數據口線與鍵盤掃描線復用，外圍器件的連接詳見參考文獻［1］有關FX429的數據手冊。

2.3　保密模塊的工作原理

　　保密模塊自身也是一個由微處理器控制的智能工作單元，處于被動工作狀態，完成對調制模擬音頻信號的數字加密和對解調數字加密信號的解密。對話音信號加解密的密鑰主體由主密鑰、工作密鑰和短密鑰三部分組成。主密鑰長時間更換一次，由網絡管理員從手機外部注鑰口注入。工作密鑰短時間更換一次，由系統以無線信令方式下發，全體手機共同接收。為了可靠起見，系統采用重復碼，即全部信息發送五遍，然后接收的手持機按五取三大數位判決方法，實現工作密鑰的差錯控制。短密鑰在每次通密話之前下發，使得任意兩次通話的密鑰都不一樣。CPU接收到的工作密鑰和短密鑰仍然要通過串行口傳送給保密模塊，串行口復用由片選線和多路模擬開關4053完成切換。

3　信令與邏輯控制板程序設計

3.1　微處理器資源的分配

　　(1)程序存儲空間(ROM)。共16K字節，程序利用12K字節。

　　(2)數據存儲空間(RAM)。4個區共1024×4位，現已利用3個區。

　　(3)輸入輸出口線。已經全部利用，部分口線復用，并充分利用LCD驅動功能。

　　(4)定時器。1個基本內部定時器，1個定時器／事件計數器，1個時鐘產生器，已經全部利用。

　　(5)中斷功能。

　　中斷0，外部中斷，沒有外部觸發，靠內部軟件強行置位。主要用于鍵盤處理時雙方協調工作；

　　中斷1，外部中斷，下降沿觸發，用于信令收發過程中，FX429中斷服務程序；

　　中斷2，鍵盤中斷，本CPU專門為鍵盤掃描而設計此中斷功能，應用起來十分方便；

　　基本內部定時器中斷，用于程序散轉處理的基本定時；

　　定時器／事件計數器中斷，貫穿于程序運行的始終；

　　串行口中斷，在保密模塊通信過程中使用。

　　(6)2kHz頻率方波輸出，用于各種提示音調的產生。

3.2　資源復用情況的說明

　　(1)部分RAM字節在分時操作情況下復用。

　　(2)PORT4和PORT5既用作FX429數據輸入輸出口，又用作鍵盤掃描的輸入口，這里的分時操作以FX429數據輸入輸出為優先，FX429的讀寫操作是在中斷中完成，而兩次中斷至少為6.67ms，可以用來處理鍵盤操作。

　　(3)功率控制口與手動信道旋鈕檢測口復用，手動信道旋鈕檢測口只有在對電臺進行出廠測試轉換信道時使用，而功率控制口只有在電臺發射時使用，二者不會沖突。

　　(4)場強檢測與鍵盤讀入的口線復用，二者分別在兩個子程序中使用，是兩個互不相干的獨立進程，復用不會出現沖突的問題。

3.3　主要程序流程

　　(1)接通手機電源，手持機就開始檢測保密機是否正常工作，正常工作則檢查工作密鑰號，正確則開始不斷的檢索信令信道(頻道按遞增或遞減方向改變)，在收到特定信號后，停留在檢索到該信號的某一信道，并把此信道作為信令信道，準備接收和發射信令，若預定時間內未能捕捉到，則轉入故障開放；檢查工作密鑰號不正確則顯示ERROR。

　　(2)手機停在信令信道后，處于守侯狀態，等待起呼與被呼。

　　(3)在主呼的請求信令和被呼的可用性檢查信令中，均包含用戶當前的密鑰號，系統比較如與當前密鑰不符，系統下發GTC轉換信道后先重發工作密鑰，用戶接收正確后傳給保密模塊，進行正常通話。短密鑰在發GTC信令或摘機確認信令時傳送給用戶。

　　(4)手機發出主呼叫，在5秒內收到基地臺發來的信道指令則跳到基地臺分配的話音信道，如果沒有收到信道分配指令或收到的信令與自己的本機標識碼不同，就繼續尋找信令信道。在信令信道上守侯時，如果接到含有本機碼的信令，便能夠跳到通話信道并振鈴。

　　(5)在振鈴后的30秒內按下PTT時，被叫停止振鈴，進入通話狀態，振鈴超過30秒，被叫仍沒有按下PTT，手機自動停止振鈴并跳回信令信道。

　　(6)無線用戶主呼時，明／密話由主呼方控制；有線用戶主呼時，工作在密話狀態。

　　(7)手機主呼有線并跳到話音信道后，按鍵發碼，可以聽到各種撥號音。

　　(8)通話結束后，按LAMP鍵拆線。按鍵時，不需按下PTT。

　　(9)在信令信道上守侯時，可以進行模式切換，進入尋呼模式。

　　手機控制軟件有四大部分，即主程序、事件子程序、信令處理程序和工作密鑰處理程序。由于文章篇幅所限，僅給出主程序(見圖2)和工作密鑰處理(見圖3)兩個主要流程。

圖2　主程序流程圖

圖3　密鑰處理流程

4　結　論

　　整個手持機的軟件設計和調試工作已經全部結束。經過了實驗室內，在仿真系統上的運行、測試，并通過了現場長時間試運行考機，說明該設計方案的合理性以及軟硬件設計的正確性和可靠性，能夠完成預定的功能，達到了預期的設計目標。

作者單位：哈爾濱工業大學

參考文獻

1　CML Integrated Circuit Data Book,Edition3，1994.

　　2　uPD75308 4-BIT SINGLE-CHip MICROCOMPUTER

USERS MANUAL.Date Published，October，1993.

　　3　張毅剛等.MCS－51單片機應用設計.哈爾濱工業大學，1990.8.

摘自《移動通信在線》

上一篇：CDMA與3G技術最新進展

下一篇：無線網絡技術：現狀與發展