防毒面具（Gas Mask）是用來保護人員呼吸器官、眼睛及面部免受毒劑、生物戰劑和放射性微粒和氣溶膠等有毒物質直接傷害的個人防護器材，依其結構和防毒原理分為過濾式 和隔絕式兩種，用途十分廣泛。
由于在佩戴防毒面具時要求與面部緊密結合，隔絕了聲音氣流，阻斷了佩戴人員之間的語言交流。綜觀國內外防毒面具市場，目前無專門通信解決方案，比較好的是為保持正常 交流，采用低聲音損耗的通話膜，一般損耗小于lO dB，僅可滿足簡單環境下近距離的通話需求，如伊拉克的大眼窗防毒面具，面罩通話器采用不銹鋼通話膜，可正常聲音傳輸；其 M85型防毒面具則將內置在頰部的麥克風連接到一個電聲放大器上；某些防毒面具對于通話功能甚至無任何設計考慮。而防毒面具通常使用在煙霧、火災、戰場等復雜環境下，佩戴 人員之間的信息交流受到了嚴重影響：當說話雙方距離較遠時，如十幾米，幾十米，甚至幾百米，無法保證足夠的說話音量，不能對話；在煙霧、火災、戰場等防毒面具常用場合 ，也常常是強背景噪聲場合，不適合語音直接交流；在煙霧、火災、戰場等環境中，肢體語言受到限制，多數情況下成為不可能。
因此，開發一種防毒面具內置的小型多功能無線通話終端成為一種必然選擇。本文設計的小型無線通話系統采用單芯片調制解調器，雙CPU結構，全軟件的語音壓縮編碼體系和信 道編碼體系。具有體積小巧、成本低廉、通話距離遠、功能強大等特點，可實現點到多點，點到點的全雙工通話功能，通過軟件功能控制就可滿足軍事應用的跳頻、加密、組網等 需求。
1 基本功能及設計要點
1．1 系統基本功能
本小型通信系統主要解決防毒面具復雜使用環境下的短距離通信問題，主要有點到多點和點到點兩項功能。
?。?）點到多點通話功能。點到多點通話也就是常說的廣播功能，適用于指揮員下達命令，戰斗員向集體報告情況。
?。?）點到點通話功能。點對點通話就是常說的全雙工對講機功能，系統內部成員間可實現任意用戶間的全雙工通話功能。
1．2 系統設計要點
通話系統采用一種稱為“代數碼本激勵線性預測編碼” （Algebraic Code Excited lnear Prediction，ACELP）的高壓縮率語音編碼技術將濾除噪聲后的語
音進行壓縮編碼，編碼速率低至4．8 Kb／s，然后通過單芯片調制解調器調制到433 MHz載波上，調制方式為MSK，調制速率為38．4 Kb／s。由于采用了高速傳輸，傳輸時間小于對應語音采集時間，從而可以將信道分成收和發兩種時隙，在發時隙發送語音編碼，在收時隙接收對方發送的語音編碼，這就是所謂的時分雙工功能，接收端通過解碼恢復出發送傳送的語音信號，從而實現通話功能。
為了提高系統可靠性，系統采用雙CPU結構，CPU均采用低成本的小型結構。一個CPU專門負責語音處理，包括降噪、編碼、解碼、濾波等功能；另一個CPU負責電源管理、信道管理以及基本的輸人輸出等功能，這種結構使功能軟仵獨立化，在保證系統可靠性的前提下，進一步降低了成本，減小了體積，能較好滿足單兵作戰時的輕便要求。
2 系統組成及硬件實現
2．1 系統組成
通話系統為一無中心自組網絡，每個終端具有同等功能，按通話功能可組成星形網絡和網狀網絡，原理及組成如圖1所示。
圖1 通話系統組成
2．2 終端模塊
通信終端采用和防毒面具一體化結構，其內部組成包括：電池、電源管理模塊、揚聲器、麥克風、聲碼器、語音處理模塊、主控模塊、調制解調器模塊和功放模塊。如圖2所示。
圖2 終端組成
各模塊的主要功能如下：電池，為終端提供電源；電源管理模塊，提供電池充電，電池電量分析，在主控模塊的控制為各模塊供電，監測用電情況；揚聲器將電信號轉化為聲音；麥克風將聲音轉化為電信號；聲碼器，實現信號放大，模擬聲音電信號和數字聲音電信號之間的相互轉換，也就是聲音的模／數轉換和數／模轉換器；語音處理模塊，為一具有數字信號處理功能的單片計算機，主要功能有原始語音的降噪處理，語音壓縮編碼，序列轉換，語音解壓縮編碼；主控模塊，主要功能有信道管理，信道編解碼，系統管理；調制解調器，實現基帶信號和射頻信號的相互轉換；功放模塊，信號的收發控制，發射信號的信號放大。
2.3 硬件實現
本系統采用雙CPU的解決方案，PIC24FJ16GA004為系統的主控模塊，負責控制通話音量、通信的頻帶和兩個終端之間的同步。dsPlC33FJ64GP7O6主要負責語音的壓縮和解壓縮。外接了一個數／模轉換芯片AD73311，一個射頻芯片CC1100。AD73311除了負責進行數字信號和模擬信號的轉換外，音量的調節也是通過改變該芯片增益的大小實現的。CCl100對信號進行包處理、調制解調和射頻的收發。整個硬件系統中各芯片處理的任務和芯片之間的連接方式如圖3所示。
圖3 硬件系統示意圖
如圖3所示，發射過程如下：數／模芯片AD7331 1對麥克風的模擬信號進行8 kHz采樣，得到16 b的PCM信號，信號由DCI接口傳輸到dsPlC33FJ64GP706。dsPlC33FJ64GP706以30 ms為一幀進行壓縮，并將語音參數經過SPI接口傳輸到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004設定CC1100的載波頻率，當CC1100狀態穩定后，將語音參數經SPI接口傳輸到CC1100。CC1100對語音參數進行糾錯編碼和交織編碼，打包之后經過MSK調制到中頻，再經過混頻變成高頻信號，經天線發送出去。
接收過程與發送相反：CC1100接收到高頻信號后，進行混頻，得到中頻信號；進行解調，得到基帶信號；再進行解交織和解糾錯編碼得到語音參數，通過SPI接口發送到PIC24FJ16GA004。PIC24FJ16GA004接收到clsPlC33FJ64GP706的握手信號后，將語音參數經過SPI接口發送到dsPlC33FJ64GP706進行解壓縮，之后將合成語音經過DCI接口傳輸到AD73311，通過AD73311將合成語音信號轉換成模擬信號輸出到麥克風。
3 技術指標及關鍵技術
3．1 技術指標
工作頻段：400～460 MHz中某一頻段；調制速率：38．4 Kb／s MSK；編碼方式：4，8 Kb／s ACELP；發射功率：lO～500 mW五檔可調；接收靈敏度：優于-110 dBm；通信距離：滿足電波傳播條件下最大可靠通信距離不小于500 m；工作方式：時分雙工，點到點，點到多點；跳頻速率：0～100跳／s中慢速跳頻；音頻輸出：最大功率1 W，配有耳機、麥克風插孔；安裝方式：防毒面具一體化內置；工作溫度：－20～＋55℃。
3.2 關鍵技術
跳頻通信技術 跳頻通信技術具有實現簡單，抗干擾，抗截獲能力強的特點，被廣泛應用于軍事通信系統中。由于本系統通信距離較近，屬短距離戰術通信，發射功率小，不易被 截獲，無需采用高速率跳頻，只需采用10～100跳／s的調速就可實現良好的抗干擾性能。
低速率語音編碼技術 通常的PCM語音編碼速率為64 Kb／g，不適合軍事通信窄帶化要求，更不能適應跳頻通信的要求，本系統使用了一種4．8 Kb／sACELP語音壓縮編碼。該編碼 方式目前已被應用于歐洲TETRA地域通信系統中，語音編碼質量超過美軍FS10l6的CELP編碼，是目前語音壓縮效果最好的一種高效算法，可保證跳頻通信的可靠實現。
噪聲抑制技術 當人戴上防毒面具后，由于防毒面具的振蕩回聲效應造成聲音渾濁，終端內置噪聲抑制模塊，模塊采用獨特降噪算法，可將壓縮前的語音恢復到清晰狀態。
交織編碼及前向糾錯技術 交織編碼可將信道中的突發干擾所造成的連續錯誤分散到一定的碼段中，然后再采用糾錯技術糾正這些錯誤的編碼，這樣可顯著提高接收靈敏度，提高 系統的抗干擾能力。
時分雙工技術 終端將信道時間分成不同的時隙，收發雙方占用不同的時隙實現收發轉換，配合頻率跳變技術，切換速度達每秒幾十到上百次，實現全雙工功能。完全擺脫“按鍵 講話”所帶來的不方便。時分雙工是一種成本較低且可靠性很高的雙工實現方式，可保證終端的低成本和使用靈活性。
4 可靠性分析及結論
通信終端的通話可靠性主要取決于如下條件。
（1）內部數據的正確傳輸。PIC24FJ16GA004與dsPlC33FJ64GP706之間通過SPI傳輸數據，SPI可以實現雙工通信，所以在進行數據傳輸時，必須確保雙方的數據都已經準各好。 PIC24FJ16GA004通過在接收CC1100數據的緩沖區滿后將OutBuffer置1，表明自己的數據已經準備好，dsPlC33FJ64GP706中的數據準各好后，通過UART傳輸握手信號24_Ok，當 PIC24FJ16GA004檢測到這兩個信號都為1時，就可以保證數據能夠正確傳輸。PIC24FJ16GA004和CC1100之間只有SPI接口，但是可以通過該接口讀取CC1100的狀態信息，這樣就可以 保證在進行數據傳輸前，CC1100已經處于穩定狀態或者CC1100中的數據已經準各好。可以避免CC1100因未達到穩定狀態造成數據丟失，保證數據的正確傳輸。
?。?）終端之間的握手。CC1100的包結構中提供了前導和同步頭。本系統使用了32 b的前導數據和32 b的同步頭。在終端接收的過程中，檢測到有規律的前導信號，就開始進行數 據匹配，當同步頭被正確匹配后，就知道后面傳輸的是有效數據。實現了兩個終端之間的握手。
?。?）信道的同步。兩個終端以時分復用的方式占用信道，相互之間預留了5 ms的保護時隙。為了防止兩個終端由于晶振精度誤差帶來的影響，在傳輸過程中，以主叫方的時鐘為 基準，每30 ms同步一次，使誤差不會累積，保證了兩個終端之間不會同時占用信道，防止發生干擾，減小誤碼率。
基于防毒面具的通話系統，其核心部分是終端通信模塊的硬件實現。本系統通過語音編碼技術和跳頻技術等以軟代硬的設計方法有效解決了信息準確和信息保密的需求，大大降 低了制造成本，便于推廣使用。同時，通話終端體積小巧，使用靈活，可完全滿足防毒面具裝載和攜帶輕便需求。