CN102386987B - 模拟水下无线语音电磁通信系统 - Google Patents

Abstract

模拟水下无线语音电磁通信系统，它涉及一种水下无线通信系统的实现方法。它的音频信号经麦克风(1)输入，麦克风(1)后端接前置低噪声放大电路(2)，前置低噪声放大电路(2)后端接入带通滤波器(3)，带通滤波器(3)与功率放大器(4)连接，最终经过匹配网络(5)将信号发送到发送天线(C)上；信号接收部分(B)首先通过一级差分放大电路(9)，然后依次接入高通滤波器(10)、二级放大电路(11)、低通滤波器(12)、自动增益控制电路(13)和耳机放大电路(14)，最终还原出语音信号，从耳机(15)中听到实时话音。性能良好，可实现水下近距离低噪声的实时通话功能，采用半双工通信方式。

Description

模拟水下无线语音电磁通信系统

技术领域：

本发明涉及一种水下无线通信系统的实现方法，具体涉及一种基于电流场理论的低噪声、近距离通信的模拟水下无线语音电磁通信系统。

背景技术：

进入21世纪以来，对水下资源的研究和开发已经越来越引起人们的关注，尤其是在水下考察、水下管道、水下设施、防波堤坝、码头的建设及维护过程中以及水下救生、打捞过程中，往往需要潜水员潜到水下进行作业，这样一来水下通信系统也就越来越显出其重要性。目前，为了实现水下通信大多利用有线线缆、声呐以及光传输的方法。而水下电磁场通信与控制方法是对有线线缆、声呐及光传输方法的一种补充，甚至在某些条件下具有他们不可替代的优势。

水下电磁通信可以被应用在一些其他通信方式不太适合传输的环境，比如很高的声呐噪声、具有水下障碍物珊瑚礁等等。水中悬浮物、水草以及其他恶劣的水文环境往往都不会对影响电磁场通信的可靠性，而在接近水底和水面的情况下传输信号还可以被加强，也就是说，传输距离更远。水下电磁通信还可实现“水-土壤-水”模式的穿透通信。众所周知，高频率的电磁波在水中的衰减速度特别快，一般不适用于水下无线传输。另外，为了能够将信号辐射出去，传统低频天线的外形尺寸必须做的很大，所以限制了它的应用场合。

发明内容：

本发明的目的是提供一种模拟水下无线语音电磁通信系统，它能实现水下实时通话半双工通信功能。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它是由信号发送部分A、信号接收部分B、发送天线C、接收天线D组成，信号发送部分A与发送天线C连接，发送天线C与接收天线D连接，接收天线D与信号接收部分B连接；整个系统为模拟系统，其实现方法为：音频信号经麦克风1输入，麦克风1后端接前置低噪声放大电路2，前置低噪声放大电路2后端接入带通滤波器3，带通滤波器3与功率放大器4连接，最终经过匹配网络5将信号发送到发送天线C上；信号接收部分B首先通过一级差分放大电路9，然后依次接入高通滤波器10、二级放大电路11、低通滤波器12、自动增益控制电路13和耳机放大电路14，最终还原出语音信号，从耳机15中听到实时话音。

本发明整套系统安装在密封舱内，系统具体实现方案为：

1、所述的前置低噪声放大电路2由一级同相放大电路与一级反相放大电路级联实现，将由麦克风1输入的信号电压放大；同相放大电路输入阻抗高，作为阻抗变换或隔离级；反相放大电路的优点是性能稳定。同相放大部分起的是前、后级电路的隔离作用，同相放大器具有很高的输入阻抗，对输入信号源的影响很小，信号电压不会有太大的损失；而有时后级电路需要有很高的工作稳定性，故需级联一级性能稳定的反相放大电路。本发明中运算放大器采用美国模拟器件公司的高精度，双运放装的运算放大器。

2、所述的带通滤波器3由一级高通滤波器和一级低通滤波器级联实现，高通滤波器的通带截止频率为300Hz，阻带频率50Hz；低通滤波器的截止频率为3.4KHz；两滤波器一起将信号带宽限定在音频范围内，并且有效的抑制了50HZ的工频干扰；滤波器均选用切比雪夫型滤波器以获取更加陡峭的滚降，更快的衰减。

3、所述的功率放大器4采用新型大功率音频放大集成电路芯片的典型音频功放电路连接方式，该芯片具有输出功率大(连续输出功率68W)；失真度小(总失真加噪声＜0.03％)；保护功能(包括过压保护、过热保护、电流限制、温度限制、开关电源时的扬声器冲击保护、静噪功能)齐全等优点；此外功率放大器电路接成BTL电路形式，电源利用率高、输出功率大。本发明中的匹配网络5采用变压器实现。

4、所述的一级差分放大电路9中的运算放大器采用超低噪声、低失真，单运放芯片，将信号进行初级放大；一级差分放大电路9选择差动比例放大电路实现，差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大；如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的，二级放大电路11进一步将信号放大100倍。

5、所述的自动增益控制电路13可增加接收机的动态范围；当输入信号增大时，自动增益控制电路13自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，自动增益控制电路13自动增大放大器的增益，以使自动增益控制输出信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小，从而增加了接收机的动态范围。

本发明中自动增益控制电路13放大器动态范围大于50dB，输出波形的失真非常小，并具有启动快、缓慢衰减等优点。电路输入信号在10mV～10V范围内变化时，输出信号基本稳定在1.2V。

6、所述的耳机放大电路14选用美国模拟器件公司的双运放、高性能、低噪声运算放大器芯片，该芯片噪声性能好、输出驱动能力强、特别适合应用在高品质和专业音响设备中，耳机放大电路14采用基本同相放大电路，同相放大电路输入阻抗高，接收端的高通滤波器10和低通滤波器12与发送端的相同。

7、所述的发送天线C、接收天线D均选用电偶极子天线对，选用半双工通话方式。

8、所述的电流场理论是指由于海水中存在大量自由离子，海水是一种良导体，当发射天线放入水中时由于极板间存在电势差，产生一个电场，在某一瞬间该电场为准静电场，于是可推导公式得到接收端天线极板间电势差。

本发明是比较有发展前景的一种近距离水下通信形式。水下电流场通信系统是低噪声系统，完全可实现近距离的水下无线通信，而且由于水下的电噪声非常低，与水声通信相比，利用水下电流场实现水下近距离的无线通信具有一定的优势。水下电流场通信在近距离浅海通信中的优势体现在以下几点：

(1)电流场通信不存在由于水下温度或密度变化以及障碍物引起的反射和折射，水声通信存在的多径效应和盲区等方面的问题，传输信号稳定，不会因为海水分层而突然中断。

(2)水声信道是一个复杂的时变空变信道，往往会产生传播损失、随机起伏及多径传播现象。与水声通信相比，水下电流场通信是低噪声系统，原则上在不增加功率的条件下，增加电流，可以扩大有效通信范围。

(3)水下通信需要波长很长的电磁波，为了得到一定的辐射功率，就需要庞大的天线系统。电流场通信方式既实现了无线通信又不必架设庞大的天线，简便而具有相当的灵活性。

(4)此外基于电流场理论的通信系统语音清晰度高，没有回响。在存在暗礁、海藻、水下介质分层情况下，仍能实现穿透通信。

附图说明：

图1为本发明的系统方框图；

图2为本发明中电偶极子电场强度示意图；

图3为本发明中麦克到前置低噪声放大电路的原理图；

图4为本发明中高通滤波器(HPF)电路原理图；

图5为本发明中低通滤波器(LPF)电路原理图；

图6为本发明中功率放大器原理图；

图7为本发明中匹配网络电路原理图；

图8为本发明中一级放大电路原理图；

图9为本发明中二级放大电路原理图；

图10为本发明中自动增益控制电路原理图；

图11为本发明中耳机放大电路原理图；

图12为本发明的工作流程图。

具体实施方式：

参照图1-12，本具体实施方式采用以下技术方案：它是由信号发送部分A、信号接收部分B、发送天线C、接收天线D组成，信号发送部分A与发送天线C连接，发送天线C与接收天线D连接，接收天线D与信号接收部分B连接；整个系统为模拟系统，其实现方法为：音频信号经麦克风1输入，麦克风1后端接前置低噪声放大电路2，前置低噪声放大电路2后端接入带通滤波器3，带通滤波器3与功率放大器4连接，最终经过匹配网络5将信号发送到发送天线C上；信号接收部分B首先通过一级差分放大电路9，然后依次接入高通滤波器10、二级放大电路11、低通滤波器12、自动增益控制电路13和耳机放大电路14，最终还原出语音信号，从耳机15中听到实时话音。

如图12，本具体实施方式的工作流程如下：第1步根据所需实现的水下无线通信功能要求，进行整个系统框图的设计与确定；第2步进行各功能模块的设计与仿真工作，分别对各功能模块进行详细的电路设计，并通过Multisim软件对设计电路逐一仿真，以验证设计的正确性；第3步进行天线的设计与制作，发送和接收天线均采用电偶极子天线；第4步是制板、焊接和调试工作，利用Altium Designer软件绘制电路原理图，生成其PCB图并得到最终的电路板，再通过焊接、调试等工作完成本发明的制作；第5步通过海上实验证明所发明的通信系统的可行性与实用性，并得到该系统的各项技术指标。

本具体实施方式的详细实现方法如下：

1、麦克风1选用2k左右的高阻抗麦克风。前置低噪声放大电路2(如图3)由一级同相放大电路与一级反相放大电路级联实现，将由麦克风1输入的信号电压放大。同相放大部分起的是前、后级电路的隔离作用，同相放大器具有很高的输入阻抗，对输入信号源的影响很小，信号电压不会有太大的损失；而有时后级电路需要有很高的工作稳定性，故需级联一级性能稳定的反相放大电路。前置低噪声放大电路2中还应包括麦克的偏置电路，以及消除电路自激震荡的补偿电路。放大倍数Au＝(1+R6/R5)×(R2/R3)＝3.3×2.7＝11.6，因此信号经前置放大电路处理，电压被放大约12倍左右，电压变为几百毫伏至一伏范围。前置低噪声放大电路2运放芯片选用LM324芯片，双运放实现。

2、带通滤波器3由一级高通滤波器级联一级低通滤波器实现。高通滤波器10(如图4)的通带截止频率为300Hz，阻带频率50Hz，高通滤波器10为四阶、有源滤波器，双运放实现，选用LM324芯片；低通滤波器12(如图5)的截止频率为3.4KHz，为八阶、有源滤波器，四运放实现，选用LM324芯片；两滤波器一起将信号带宽限定在音频范围内，并且有效的抑制了50HZ的工频干扰。均选用切比雪夫型有源滤波器以获取更加陡峭的滚降，更快的衰减。

3、功率放大器4(如图6)采用新型大功率音频放大集成电路芯片LM3886的典型音频功放电路连接方式，该芯片具有输出功率大(连续输出功率68W)；失真度小(总失真加噪声＜0.03％)；保护功能(包括过压保护、过热保护、电流限制、温度限制、开关电源时的扬声器冲击保护、静噪功能)齐全等优点。此外功率放大器4电路接成BTL电路形式，输出功率大，负载上得到的功率为OTL电路的四倍，电源利用率高(理论为78.5％)。输入信号分别从LM3886的同相和反相端输入，同相放大增益为：1+R3/R5＝1+47/4.7＝11；反相放大增益为；R82/R81＝51.7/4.3＝11。即两路输入信号均被放大11倍，输出大小相等、相位相反的两路信号。功放电路前连接一个划动变阻器，以便随时更改放大倍数。

4、匹配网络5(如图7)的作用主要是使负载的阻抗与信源的内阻进行匹配，从而使负载上所获得的电功率是最大的。当负载不能满足时，就需要在输出端加设匹配网络或电路。本具体实施方式中利用变压器进行阻抗变换，变压器是能量传输元件，除因本身的损耗降低一些效率外，不会带来其他能量的损失。阻抗匹配时，在不计变压器损耗的条件下，输入阻抗/输出阻抗的开方等于输入输出端的匝数比，等于输入输出电压之比：

$\sqrt{\frac{Z_1}{Z_2}}=\frac{N_1}{N_2}=\frac{U_1}{U_2}---\left(1\right)$

其中，Z₁、Z₂分别为输入和输出端的阻抗；N₁、N₂分别为输入和输出端的匝数；U₁、U₂分别为是如何输出端的电压。

经海上实验测得海水实际阻抗约为0.2Ω/m(与天线极板面积大小、海水电导率)有关，实验中收发天线两极板均相距5m，阻抗为0.2Ω/m×5＝1Ω。因此由公式(1)可得出变压器初级线圈与次级线圈所缠绕的匝数比应该为2∶1。

5、一级差分放大电路9(如图8)中的运算放大器采用超低噪声、低失真，单运放芯片AD797，将信号进行初级放大。一级差分放大电路9选择差动比例放大电路实现，差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，可以有效抑制共模干扰。在使用时，R10＝R24；R11＝R25；R12＝R20，误差小于1％，即电阻要精密且匹配，否则将给放大倍数带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。经计算，在输入为差模信号时，本具体实施方式中仪表放大器的电压放大倍数Au＝(1+2R12/R14)×(R11/R10)＝210，电路增益的调节可以通过改变R14阻值实现。

6、二级放大电路11(如图9)选用低噪声集成运放芯片AD797构建反相放大电路，将已经过滤波的输入端信号进一步放大100倍左右。

7、自动增益控制电路13(如图10)，采用典型音频自动增益控制电路(音频AGC)，音频AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增大时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以使AGC输出信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。从而增加了接收机的动态范围。动态范围大于50dB，输出波形的失真非常小，并具有启动快、缓慢衰减等优点。电路输入信号在10mV～10V范围内变化时，输出信号基本稳定在1.2V。自动增益控制电路可增加接收机的动态范围。

8、耳机放大电路14(如图11)将经过放大、滤波处理的信号进一步放大，并匹配负载。选用美国模拟器件公司的双运放、高性能、低噪声运算放大器芯片NE5532。放大电路采用基本同相放大电路，放大倍数为4.9倍，放大倍数可调。

9、信号接收端的高通滤波器10与低通滤波器12与发送端相同。

10、发送天线C、接收天线D采用电偶极子天线，电偶极子天线选择用不锈钢板制作，因为其导电性和防腐蚀性都很好。利用导线连接两对不锈钢板(尺寸为30cm×60cm)的方式制作出了最简易的偶极子天线接收、发送电极，信道7为海水。

参照图2，所述的电流场理论是指由于海水中存在大量自由离子，海水是一种良导体，当发射天线放入水中时由于极板间存在电势差，产生一个电场。一般而言，当电流或电场随时间发生变化时，传导电流和位移电流就必须同时考虑到。但是在时间变化很小的情况下，位移电流是可以被忽略掉的。在媒介中的位移电流相对于电介质，海水的电导率要大得多，因此在海水中位移电流可以被忽略，主要以传导电流为主。当导体中存在稳定电流的时候，电流场和电磁场的关系就如同传导电流与位移电流的关系一样，在某些情况下电磁场也是可以被忽略掉的。电磁波的产生和传播是由于电流场的变化引起的，海水中的电流场在某一瞬间可看作准静电场，于是可推导公式得到接收端天线极板间电势差：

如图2所示，在均匀介质中相距为d的电偶极子电流为I₀，则在距离为r点处产生的电场强度为：

E＝E_r+E_θ+E_φ                (2)

对于均匀介质来说，

$E_r=\frac{I_{0}d\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\σ}{r}^3}\stackrel{\→}{r}---\left(4\right)$

$E_{\mathrm{\θ}}=\frac{I_{0}d\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π\σ}{r}^3}\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

其中，r为到观测点的距离，θ为方位角，

为单位方向向量。

当观测点位于电偶极子对称轴上的时候，也就是

时，此时电场强度为

$E=E_{\mathrm{\θ}}=\frac{I_{0}d}{4\mathrm{\π\σ}{r}^3}---\left(6\right)$

因此，相距为d′的接收电极的电压差为：

$V=\underset{0}{\overset{d^{\′}}{\∫}}\mathrm{Eds}=\frac{I_{0}d{d}^{\′}}{4\mathrm{\π\σ}{r}^3}---\left(7\right)$

以上就是电流场与接收电压的关系式，利用以上关系式即可恢复出所传送的信息。增大通信距离的方法有很多种。接收电极的电压差与发射电极的电流成正比，与发送端和接收端偶极子的极间间距d，d′成正比，因此，增大发射电极的电流和收发偶极子的极间间距，都可以增大通信距离。

本具体实施方式性能良好，可实现水下近距离低噪声的实时通话功能，采用半双工通信方式。

Claims (2)

1.模拟水下无线语音电磁通信系统，所述系统采用电偶极子天线作为发射天线和接收天线，整个系统是由信号发送部分(A)、信号接收部分(B)、发送天线(C)、接收天线(D)组成，信号发送部分(A)与发送天线(C)连接，发送天线(C)与接收天线(D)连接，接收天线(D)与信号接收部分(B)连接；整个系统为模拟系统，其实现方法为：音频信号经麦克风(1)输入，麦克风(1)后端接前置低噪声放大电路(2)，前置低噪声放大电路(2)后端接入带通滤波器(3)，带通滤波器(3)与功率放大器(4)连接，最终经过匹配网络(5)将信号发送到发送天线(C)上；信号接收部分(B)首先通过一级差分放大电路(9)，然后依次接入高通滤波器(10)、二级放大电路(11)、低通滤波器(12)、自动增益控制电路(13)和耳机放大电路(14)，最终还原出语音信号，从耳机(15)中听到实时话音，其特征在于：所述的通信系统安装在密封舱内，系统具体实现方案为：

(1)、所述的前置低噪声放大电路(2)由一级同相放大电路与一级反相放大电路级联实现，将由麦克风(1)输入的信号电压放大；

(2)、所述的高通滤波器(10)的通带截止频率为300Hz，阻带频率50Hz；低通滤波器的截止频率为3.4KHz；两滤波器一起将信号带宽限定在音频范围内，并且有效的抑制了50Hz的工频干扰；滤波器均选用切比雪夫型滤波器以获取更加陡峭的滚降，更快的衰减；

(3)、所述的功率放大器(4)电路采用BTL音频功放电路连接形式，匹配网络(5)采用变压器实现；

(4)、所述的一级差分放大电路(9)中的运算放大器采用超低噪声、低失真，单运放芯片，将信号进行初级放大；一级差分放大电路(9)选择差动比例放大电路实现，差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大；如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的，二级放大电路(11)进一步将信号放大100倍；

(5)、所述的自动增益控制电路(13)可增加接收机的动态范围；当输入信号增大时，自动增益控制电路(13)自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，自动增益控制电路(13)自动增大放大器的增益；

(6)、所述的耳机放大电路(14)采用基本同相放大电路；

(7)、发送天线(C)、接收天线(D)采用电偶极子天线。

2.根据权利要求1所述的模拟水下无线语音电磁通信系统，其特征在于所述的电偶极子天线选择用不锈钢板制作，信道(7)为海水。

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