基于DTMF方式的身份识别及语音自动播放系统

1  引言

由于电台多采用全透明的传输方式，只要频段相同，就可以接收到同频段上发送的语音信号，这样就无法准确辨别信号是否有用。带有语音加密功能的电台则可以避免这种情况，但在一些要求保密性高的领域或场所，如军事领域，拦截者一旦破获我方的加密信号，发出一段误导性的语音信号，我方则无法辨别，可能会造成一定损失。因此，这里介绍一种基于C8051F单片机，以DTMF编码的方式识别电台身份的系统。该系统使用简单，在不改变电台原有特性的基础上，只需和电台的扩展口连接，便可实现对电台身份的识别。即使对方破解了语音信号，还可通过地址编码来分辨电台的身份。该系统在保密性要求高的场所有一定应用前景。

2  系统组成与工作原理

图1为识别电台身份系统结构图。单片机选用C8051F020，DTMF单元选用MT8880双音多频器，语音存储播放模块采用ISD4004，另外还有显示单元、存储单元、键盘。



电台一般都预留扩展接口：音频输入、音频输出、PTT发射控制、电源、地。该系统通过这些接口与电台相连，如图2所示。


系统工作原理：作为发射机时，电台按下FTT键，PTT从高电平变为低电平，并将该信号送入单片机，单片机的中断程序将本机的地址码通过数据接口送至MT8880，经MT8880调制后送入电台的音频输入接口，伴随语音信号一同发送。作为接收机时需分多种情况，如图3所示。


接收到语音信号后，判断是否有DTMF信号输入。如果有，MT8880解码，解码后的数据传送给C8051F020，C805117020再判断此地址是否为预先规定的电台地址码。若是，此地址码在LCD上显示，否则显示ERROR；若没有DTMF信号而只有语音信号，则说明此信号非本网内信号，操作者通过放音键回复事预先录制好的一些语音信号迷惑对方。

3  系统硬件设计

整个系统根据功能可分为DTMF编／解码和语音存储播放两部分。并由主控单元控制。由于该系统由电台的蓄电池供电，所以选用低功耗器件。这里主控单元采用C8051F020。它是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容。C8051F020的时钟频率可达25 MHz，含有64 KB片内Flash程序存储器，4 352 B的RAM、8个I／O端口、64根I／O线。

3.1 DTMF编／解码

DTMF编／解码器选用MT8880。MT8880C是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号收发器。该器件采用低功耗、高稳定性的ISO-CMOS技术，内置1个带有可变增益的内部放大器的高性能接收器，1个带有脉冲计数器的发射器，以及1个可访问MT8880内部寄存器的标准微处理器接口。其内部寄存器包括1个状态寄存器、2个数据寄存器和2个控制寄存器，其电路如图4所示。


该系统采用单端输入方式，IN-为运放输入端，R1与R2调节输入信号增益。TDNE为音频输出，用于发送DTMF信号。OSCl为时钟／振荡器输入端，OSC2为时钟输出端，MT8880采用3.579 5 MHz的工作时钟。IRQ／CA为中断请求信号，漏极开路输出，当有DTMF信号输入时，IRQ／CA向C8051F020发放两部分。并由主控单元控制。由于该系统由电台的蓄电池供电，所以选用低功耗器件。这里主控单元采用C8051F020。它是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容。C8051F020的时钟频率可达25 MHz，含有64 KB片内Flash程序存储器，4 352 B的RAM、8个I／O端口、64根I／O线。

3.1 DTMF编／解码

DTMF编／解码器选用MT8880。MT8880C是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号收发器。该器件采用低功耗、高稳定性的ISO-CMOS技术，内置1个带有可变增益的内部放大器的高性能接收器，1个带有脉冲计数器的发射器，以及1个可访问MT8880内部寄存器的标准微处理器接口。其内部寄存器包括1个状态寄存器、2个数据寄存器和2个控制寄存器，其电路如图4所示。

该系统采用单端输入方式，IN-为运放输入端，R1与R2调节输入信号增益。TDNE为音频输出，用于发送DTMF信号。OSCl为时钟／振荡器输入端，OSC2为时钟输出端，MT8880采用3.579 5 MHz的工作时钟。IRQ／CA为中断请求信号，漏极开路输出，当有DTMF信号输入时，IRQ／CA向C8051F020发出中断申请。D0～D3为微机数据总线，与TTL兼容，输出测得的DTMF信号和输入要发出的DTMF信号，与C8051F020的I／O接口相连。12引脚CP2端为系统时钟输入，与读写控制端R／W配合完成MT8880的读写操作，RS0引脚为寄存器选择，TTL电平兼容。地址码可由0～9以及A～D组成。由于该系统应用领域的特殊性，地址码都经加密算法。当终端作为发射机时，DTMF编／解码部分把终端的地址码经一定算法加密后，调制成DTMF信号，再送入电台，便于网内其他电台识别。当终端作为接收机时，DTMF编／解码部分把所接收的DTMF信号解调成数字码，再经解密算法得到地址码。考虑到该系统阻抗与电台音频I／O接口阻抗可能不匹配，应在两者间加入一个音频变压器。

由于MT8880提供的标准微机接口和6800系列兼容，如果改用其他单片机控制。必须通过硬件或软件的方式模拟其工作时序。笔者在使用MT8880过程中发现，关键是为MT8880提供接口时钟信号CP2。其时钟周期tCYC的典型值为250 ns，实际上tCYC在0.167～1 0 s(6 MHz～100 kHz)之间取值，MT8880也仍能正常工作，故tCYC取值范围较宽，如图5所示。因此，CP2的产生比较灵活。


该系统中，通过C8051F020的引脚P1.0与MT8880的引脚CP相连，模拟MT8880所需的工作时序。

3.2  语音存储播放

语音存储播放模块选用ISD公司的ISD4004。该语音器件采用多电平直接模拟存储(Chip Corder)专利技术，声音无需经A／D转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，从而避免一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。图6为语音播放原理电路。语音输人通过话筒(MIC)直接与ISD4004的引脚IN+、IN-连接差分驱动输入。语音输出端则是通过LM386放大后连接到电台的语音输出端。系统采用键控分段录放音模式。通过录音键可录制10段不同的语音，每段录音对应键盘上一个按键，根据所接收到的语音信号，通过10个按键可播放不同的语音，使用方便、灵活。


4  系统软件设计

系统程序基于汇编语言编写，所有DTMF的收／发工作均由中断服务程序完成。主程序只负责初始化程序和键盘扫描。图7为主程序流程。图8为接收中断处理程序流程。图9为发送中断处理程序流程。



5  结束语

在某部队项目研制中，成功利用上述系统实现了电台身份识别及语音自动播放功能，实际使用情况证明，该系统接口简单、可靠，取得令人满意的效果。