CN102820933A

CN102820933A - 一种用于水下对讲机的水声modem

Info

Publication number: CN102820933A
Application number: CN2012102996319A
Authority: CN
Inventors: 王斌; 朱昌平; 单鸣雷; 陈澄; 谢希; 李永强; 陈秉岩; 张秀平; 韩庆邦; 高远; 汤一彬; 殷澄; 李建
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种用于水下对讲机的水声MODEM，可以将已编码的数字语音数据在水下进行传输。以单片机MSP430F149作为数据处理核心，2FSK调制解调方式，使用已量产的小体积的收发一体式超声波换能器和常用的调制解调芯片，12V锂电池供电，配备RS-232标准的串行接口。整机最大功耗为210mW，最高数据传输速率为2.4kbps，最长有效通信距离为300m，误码率低、实时性好。由于此水声MODEM具备成本低、功耗低、体积小的特点，适合用于水下对讲机。此水声MODEM可以连接语音处理器，透明传输已编码的语音数据，保证潜水工作人员之间可靠的语音通信。

Description

一种用于水下对讲机的水声MODEM

技术领域

本发明涉及一种用于水下对讲机的水声MODEM，属于水声通信技术领域。

背景技术

潜水作业过程中，水下人员与水面人员的通话、水下人员之间的通话常使用基于声波通信原理的无线水下对讲机，由于水声通信技术的复杂性，水下对讲机所使用水声MDOEM的成本较高，且体积较大，显然这对于市场中已量产的面罩式水下对讲机的设计是不利的。本发明公开的一种水声MODEM具有成本低、功耗低、体积小的特点，非常适合用于量产的水下对讲机。

由于海洋环境条件的复杂多变，如多径干扰等时变、频变、空变随机特性,使得声音信号在海洋信道中的传递存在着强烈的畸变和涨落。同时，水下声信道的环境噪声、有限频带、传输时延大等特点又极大地降低了水声通信的有效性。水下通信系统分为非相干通信系统和相干通信系统。非相干方式抗信道起伏能力强，接收端易于解调，且算法稳定性好。相干方式带宽利用率、通信速率都较高，但是相干信号的解调需要载波精确的同步，这在恶劣的水下声信道中是不易实现的。根据水下对讲机系统通信速率低、工作环境随机且复杂的特点，本发明使用了非相干通信系统。非相干通信系统多采用FSK的调制解调方式，基于能量检测的非相干FSK方式的最大优点是通信的可靠性高。由于水声信道的混响与起伏特性，信号的相位与幅度都收到严重的畸变。而基于能量检测的FSK方式对相位的畸变是不敏感的。而且对于非相干方式解调而言，通过正交双通道的处理，随机相位抖动是可以在基带得以消除的。FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。2FSK方式则是用两个不同频率的载波代表数字信号中的两个电平，也就是说，将“1”和“0”这两个不同符号所对应的消息载荷在两个不同的信号频率上。当表示传号“1”时，发送频率为f₁的余弦信号；当表示空号“0”时，则发送频率为f₂的余弦信号，而它们的幅度却是一样的。一个相位离散的2FSK信号可以看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之和。2FSK信号的时域表达式为：

其中，ω₁＝2πf₁，ω₂＝2πf₂，g(t)是持续时间为T_s的矩形脉冲。

由于相位离散的2FSK信号可以看成两个2ASK信号之和，所以，其频谱表达式为两个2ASK信号的频谱之和。2FSK信号的频域表达式为：

S_{2 FSK} (f) = S_{2 ASK} (f) + S_{2 ASK} (f)

= \frac{T_{s}}{16} [{| Saπ (f - f_{1}) T_{s} |}^{2} + {| Saπ (f + f_{1}) T_{s} |}^{2} + {| Saπ (f - f_{2}) T_{s} |}^{2} + {| Saπ (f + f_{2}) T_{s} |}^{2}]

+ \frac{1}{16} [δ (f - f_{1}) + δ (f + f_{1}) + δ (f - f_{2}) + δ (f + f_{2})] - - - (2)

2FSK的理论误码率与信噪比的关系式为：

P_{b} = \frac{1}{2} e^{- \frac{ξ}{{2 N}_{0}}} - - - (3)

发明内容

为了解决现有技术中水声调制解调器体积较大、造价昂贵、功耗较高，不适合应用于水下对讲机的问题，本发明提供了一种低成本低功耗小体积，便于携带且能够保证长时间通信的的水声调制解调器，

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：包括：

一个用于发射和接收超声波的超声换能器，

一个用于切换超声换能器的发射、接收模式的电子切换开关，

用于将已调制信号的电压进行放大并连接电子切换开关的电压放大电器，

用于将二进制信号转化为2FSK信号并传输给电压放大器的FSK信号调制器，

用于接收超声换能器的电信号进行放大并连接电子切换开关的信号放大器，

与信号放大器连接用于将已放大的接收信号滤波的带通滤波器，

与带通滤波器连接用于将已滤波的接收信号解调的FSK信号解调器，

用于处理MODEM数据并与FSK信号调制器、FSK信号解调器相连的核心处理器，

用于核心处理器与其他设备进行数据通信的串行接口。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述超声换能器的中心频率为32kHz。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述电子切换开关采用MAX4602芯片，公共端口连接超声换能器，两个选择端口分别连接电压放大器和信号放大器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述电压放大器采用AD620芯片，接收2FSK信号的电压进行放大，以驱动超声换能器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述FSK信号调制器采用XR2206芯片，将核心处理器输出的二进制信号转换为2FSK信号，并连接电压放大器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述信号放大器采用AD620芯片，对接收到的信号进行放大，并连接带通滤波器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述带通滤波器采用MAX275芯片，将已放大的接收信号进行滤波，并连接FSK信号解调器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述FSK信号解调器采用XR2211芯片，将滤波后的2FSK信号还原为二进制信号，并送入核心处理器。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述核心处理器采用单片机MSP430F149，拥有与外界通信的串行接口。

前述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述串行接口采用RS-232标准的串行接口，共三个针脚，分别为TXD，RXD和GND，可以连接PC机对水声MODEM进行调试，或连接语音处理器组成水下对讲机。

本发明的有益效果是：由于此水声MODEM具备成本低、功耗低、体积小的特点，适合用于水下对讲机。此水声MODEM可以连接语音处理器，透明传输已编码的语音数据，保证潜水工作人员之间可靠的语音通信，并且能够减小水下对讲机的整机重量，方便水下作业人员的携带。

附图说明

图1为本发明一种用于水下对讲机的水声MODEM的结构示意图。

图2为本发明一种用于水下对讲机的水声MODEM的实物的侧视图。

图3为本发明一种用于水下对讲机的水声MODEM的实物的后视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

首先在水下的一端将一台水声MODEM 1放入水中，通过串口10与一台语音处理器相连。如图1所示，水声MODEM 1完全置于水下，并通过串口10与语音处理器连接。语音处理器将已压缩编码的语音数据通过串口向与水声MODEM 1发送数据，数据经串口10传送至微处理器9中，微处理器9先将数据存入缓冲区，再对数据分批进行打包，组成数据帧，然后进行编码，再将编码后的二进制数据表示为电信号的形式，送入FSK信号调制器5。FSK信号调制器5将二进制电信号转化为2FSK电信号，即进行了调制。调制后的电信号传送至电压放大器4，电压放大器4将2FSK信号的电压进行放大，通过电子切换开关3后，驱动超声换能器2，超声换能器2将电信号转化为超声波在水中发射出去。在水下另一端，将另一台水声MODEM 1也以同样的方式连接一台语音处理器并置于水下，超声换能器2接收到水中的超声波后，将声波信号转化为电信号，电信号送入与之相连的信号放大器6，信号经放大后，送入带通滤波器7，带通滤波器7可以将声波在水下传播过程中附加的环境噪声以及其他无用的谐振频率信号滤除，使得电信号变为较稳定、清晰的2FSK信号，并送入FSK信号解调器8，FSK信号解调器8将2FSK信号转换为二进制电信号，即完成了解调，解调后的二进制信号送入微处理器9中，微处理器9将数据解码，还原数据帧，将数据帧拆包，对数据进行组合，实现了数据还原，并通过串口10将数据送入语音处理器，语音处理器可以将发送的语音进行还原。到此，语音处理器通过这种低水声MODEM完成了一次通信过程。本发明涉及的水声MODEM的通信方式是全双工通信。

图2所示为水声MODEM的侧视图。水声MODEM实物包括一个内部封装电路板和电池的主机11，一个用于发射和接收超声波的超声换能器2，在主机11的机身上有3个用于指示水声MODEM工作状态的状态指示灯12。其中，一个指示灯是电源指示灯，当水声MODEM电源打开时，电源指示灯常亮，当电池电量不足时，电源指示灯闪烁，提示需要充电；一个指示灯是数据传输指示灯，当水声MODEM正在进行数据处理工作时，数据传输指示灯闪烁；一个指示灯是工作异常指示灯，由于本发明涉及的水声MODEM具有数据检错功能，当水声MDOEM检测到传输的数据连续出现大量错误时，工作异常指示灯闪烁，提示水下传输信道出现问题，不适于通信。

图3所示为水声MODEM的后视图，实物的后面包括了一个总电源开关13，和一个串行接口14，三个引脚分别是TXD，RXD和GND。串行接口14可以与语音处理器连接，组成水下语音对讲机，也可以与PC机连接用于调试开发或其他水下通信作业。

为实现低成本低功耗的目的，本发明涉及的水声MDOEM使用MSP430系列超低功耗单片机作为数据处理核心，在低功耗的前提下能够保证性能够强。数据编码方面，使用软件代替硬件，降低成本。调制解调方面，使用了集成的FSK调制芯片和解调芯片，既降低了对MCU性能的要求，降低MCU成本，同时由提高了系统的可靠性和稳定性，保证系统长期稳定的工作。本发明涉及的水声MODEM中，FSK调制电路的设计选用EXAR公司生产的XR2206芯片，XR2206是一种单片集成函数发生器电路，能产生高稳定度和高精度的正弦波、方波、三角波等。这些输出信号可受外加电压控制，从而可以实现频移键控（FSK），其工作频率范围为0.01Hz~1MHz，适何于MODEM的设计使用。本发明涉及的水声MODEM采用2FSK的调制解调方式，分别使用32kHz和33.4kHz两个频率表示传号“1”和空号“0”。FSK解调电路使用EXAR公司生产的XR2211芯片。该芯片是一款集成锁相环（PLL）芯片，典型应用于FSK解调，能够解调0.01Hz~300kHz频率的信号，可接受电压峰峰值为10mV~3V的信号。电压放大电路和信号放大电路使用Analog Devices公司的AD620芯片。AD620是一款低成本、高精度的仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1~10000，此外AD620采用8引脚封装，相比分立元件设计的电路在尺寸上大幅减少，且功耗也显著降低，最大工作电流仅1.3mA，因而非常适合电池供电的便携设备的应用。带通滤波器电路的设计使用了MAX275芯片。在中低频场合，一般是采用有源滤波器或者由分立元件组成的调谐电路来实现。后者尽管具有较高的选择性和性价比，但是使用集成芯片可以使整机更容易实现小型化。普通的有源滤波器由运算放大器和R、C组成，实现容易，但是参数调整困难，而且元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。MAX275是MAXIM公司推出的模拟集成有源滤波器，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。滤波器的中心频率从100Hz~300kHz，对于32kHz的电信号可放大1~400倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：包括：

一个用于发射和接收超声波的超声换能器，

用于核心处理器与其他设备进行数据通信的串行接口。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述超声换能器的中心频率为32kHz。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述电子切换开关采用MAX4602芯片，公共端口连接超声换能器，两个选择端口分别连接电压放大器和信号放大器。

4.根据权利要求3所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述电压放大器采用AD620芯片，接收2FSK信号的电压进行放大，以驱动超声换能器。

5.根据权利要求4所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述FSK信号调制器采用XR2206芯片，将核心处理器输出的二进制信号转换为2FSK信号，并连接电压放大器。

6.根据权利要求5所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述信号放大器采用AD620芯片，对接收到的信号进行放大，并连接带通滤波器。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述带通滤波器采用MAX275芯片，将已放大的接收信号进行滤波，并连接FSK信号解调器。

8.根据权利要求7所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述FSK信号解调器采用XR2211芯片，将滤波后的2FSK信号还原为二进制信号，并送入核心处理器。

9.根据权利要求8所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述核心处理器采用单片机MSP430F149，拥有与外界通信的串行接口。

10.根据权利要求9所述的一种用于水下对讲机的水声MODEM，其特征在于：所述串行接口采用RS-232标准的串行接口，共三个针脚，分别为TXD，RXD和GND，可以连接PC机对水声MODEM进行调试，或连接语音处理器组成水下对讲机。