CN103581084A - 一种机械载波语音信号的调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机械载波语音信号的调制解调方法，包括以下步骤：将需要传输的信号转换成调制帧；将调制帧转换成调制波信号；利用正弦载波将调制波信号转换成已调制信号；将已调制信号转换成第一电载波信号，第一电载波信号转换成机械载波信号并发送；机械载波信号在金属管线中传输；接收经金属管线传输后的机械载波信号并转换成第二电载波信号；第二电载波信号经模数转换成数字信号；对数字信号进行解调得到传输信号。本发明用于在调制波信号为高时，通过控制同相载波信号的输出时间以及加入一定时间的反相载波信号，提高了信道数据量容量，从而实现语音信号在金属管线信道中的通信。

Description

一种机械载波语音信号的调制解调方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别地涉及一种机械载波语音信号的调制解调方法。

背景技术

随着现代通信手段的演进，无线，光缆，电缆等数据传输方式都得到了极大的发展，且数据传输速率越来越快，越来越高效。目前调制信号一般为电信号，该电信号通过有线或无线电磁波的方式传输，但是调制电信号较容易受到外界环境的干扰，比较容易造成通信中断。在恶劣环境因素下通信强度达不到，很容易陷入瘫痪，无法传输语音、数据信号。如在矿井下发生坍塌或瓦斯爆炸，发生地震或高层建筑发生火灾等破坏性事故后，常用的语音通信系统将因电力的切断或设备的损坏无法正常工作，语音信号无法传输，常使人员的救援工作陷入困境，浪费宝贵的救援时间与大量的人力物力。

金属管线信道因其较好的抗破坏特性将为以上的通信方式做出补偿。在金属管线中信号将以机械载波信号的形式进行传输，其过程为先将电信号变换成机械载波信号，再利用金属管线的振动来传播机械载波信号，最后在接收端通过将机械载波信号变换成电信号的一种方式来实现基于金属管线的信道传输。但是，由于金属管线的物理特性，机械载波信号在其中传播会产生粘滞效应。而采用传统的信号FSK(Frequency—shift keying，频移键控)调制方法，在调制波信号电平变化，反映到已调制信号在载波信号电平突变到零电平的时候，由于粘滞效应，在接收端，由机械载波信号变换而来的已调制信号却会出现由载波信号电平逐步衰减到零电平。即存在一定的阻尼振荡时间，这必然会带来信号解调时的系统失真，甚至造成系统无法通信。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷，避免造成机械载波语音信号时系统失真，甚至无法工作的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种机械载波语音信号的调制解调方法，在调制信号为高时，通过控制同相载波信号的输出时间以及加入一定时间的反相载波信号，起到了主动消除机械载波信号在金属管线中传播时的粘滞效应而产生的余振现象，大大减少了基于金属管线信道传输信号的系统失真，提高了通信数据容量以及可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种机械载波语音信号的调制解调方法，包括以下步骤：

将需要传输的信号转换成调制帧，其中所述调制帧包括同步字节以及数据；

将调制帧转换成调制波信号，其中调制波的周期T大于用以传输数据的金属管线的最大传输速率周期；

利用正弦载波将所述调制帧转换成已调制信号，其中所述正弦载波的频率与采用的金属管线的谐振频率一致，

当调制波信号为低电平时，已调制波输出零电平；当调制波信号为高时，先输出第一时间周期T1的同相载波信号，紧接着输出第二时间周期T2的反相载波信号，其中第一时间周期T1与第二时间周期T2的总和小于调制波的周期T：

所述已调制信号转换成第一电载波信号；

所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送；

所述机械载波信号在金属管线中传输；

接收经金属管线传输后的机械载波信号并转换成第二电载波信号；

所述第二电载波信号经模数转换成数字信号；

对所述数字信号进行解调得到传输信号，

在单个调制信号电平相同的周期内，检测接收到的信号是否有超过一定阈值的高电平出现，如果有，得到解调信号为高电平，否则为低电平。

优选地，所述金属管线为实心的金属管线。

优选地，所述同步字节为0x01。

优选地，所述正弦载波的产生方法为，产生步进为1HZ的高分辨率的正弦信号，在金属管线的谐振频率大致频率范围内进行扫频，把第一电载波信号的电压、电流相位进行比较，将二者相等时作为金属管线谐振的依据，此时输出的频率点即为载波频率点。

优选地，通过压电陶瓷换能器将所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)在调制信号为高时，通过控制同相载波信号的输出时间以及加入一定时间的反相载波信号，起到了主动消除由机械载波信号在金属管线中传播时的粘滞效应而产生的余振现象，大大减少了基于此信道的系统失真，同时提高了系统通信的信号容量，提高了数据通信速率，使得语音信号可以很好的在金属管线信道中传播，提高了通信的可靠性；

(2)通过与调制方法相适应的解调方法，完善了系统通信链路，提高了通信效率；

(3)采用自动频率跟踪法使得产生的载波信号的频率与金属管线的谐振频率一致，使得系统工作的稳定性得到提高。

附图说明

图1为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调方法中一调制实例的波形图；

图3为与图2对应的解调实例的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1，所示为本发明实施例的一种机械载波语音信号的调制解调方法的步骤流程图，其包括以下步骤：

S101，将需要传输的信号转换成调制帧，其中所述调制帧包括同步字节以及数据；

这些需要传输的信号可以来自于信息采集设备、路由器、交换机等通信设备并通过USB、以太网或RS485接口接入。

S102，将调制帧转换成调制波信号，其中调制波的周期T大于用以传输数据的金属管线的最大传输速率周期；

S103，利用正弦载波将所述调制帧转换成已调制信号，其中所述正弦载波的频率与采用的金属管线的谐振频率一致，当调制波信号为低电平时，已调制波输出零电平；当调制波信号为高时，先输出第一时间周期T1的同相载波信号，紧接着输出第二时间周期T2的反相载波信号，其中第一时间周期T1与第二时间周期T2的总和小于调制波的周期T；在具体应用实例中，可采用以下方式产生正弦载波：产生步进为1HZ的高分辨率的正弦信号，在金属管线的谐振频率大致频率范围内进行扫频，把第一电载波信号的电压、电流相位进行比较，将二者相等时作为金属管线谐振的依据，此时输出的频率点即为载波频率点。

其中T1<T，是因为金属管线的物理粘滞效应，在沿一个方向起振后，金属管线无法立即停振，会有一个阻尼振荡的过程，最终停止振动。如果下一个调制波输出为零电平，那么这样的阻尼振荡势必会对解调过程中的峰值检测带来干扰，带来系统误差。采用T1<T，可以为阻尼振荡预留一定的时间，而且对本周期的峰值检测不产生影响，减小了系统误差。同时T1的具体值的确定需要根据采用的金属管线的物理特性来实际权衡，来为阻尼振荡预留足够的时间。引入反相载波信号输出是为了缩短阻尼振荡的时间，起到主动消除余振的作用。T2的时间也需要根据实际情况下测试结果确定，时间太长的话会引起反相的余振，时间太短的话消除余振的效果可能不太明显，总的时间要求为T1+T2<T。

S104，所述已调制信号转换成第一电载波信号；

S105，所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送；

在具体应用实例中，可通过压电陶瓷换能器将所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送。

S106，所述机械载波信号在金属管线中传输；

其中，金属管线为实心的金属管线，采用如铜，铁等机械强度高的金属材料制成。实心的金属材质具有传递速度快，效率高，远距离传输能量损耗小且具有良好的机械强度，是传输机械振动的良好载体，可以在破坏性事故中具有很强的抗破坏性，能保证信号的传输通道。

S107，接收经金属管线传输后的机械载波信号并转换成第二电载波信号；

机械载波信号转第二电载波信号同样可采用压电换能器进行。

S108，所述第二电载波信号经模数转换成数字信号；

S109，对所述数字信号进行解调得到传输信号，

在单个调制信号电平相同的周期内，检测接收到的信号是否有超过一定阈值的高电平出现，如果有，得到解调信号为高电平，否则为低电平。

其中阀值是介于最大幅度值和零电平之间的一个值。最大幅度值是接收到的信号经过限幅后得到的最大幅度值。

通过以上方法，在调制信号为高时，通过控制同相载波信号的输出时间以及加入一定时间的反相载波信号，起到了主动消除由机械载波信号在金属管线中传播时的粘滞效应而产生的余振现象，大大减少了基于此信道的系统失真。，同时提高了系统通信的信号容量，提高了数据通信速率，使得语音信号可以很好的在金属管线信道中传播，提高了通信的可靠性，此方法尤其适合应用在传输速率为1—2Kbit／S的语音信号中。

参看图2为采用图1所示的机械载波语音信号的调制解调方法的中的一应用实例中调制方法的波形示意图。所述调制帧就是待调制的信号，它以帧的形式进行封装。每一帧包括同步字节和数据。每一帧长度可以根据需求进行改变。同步字节以0x01为例，也可以不限定为0x01，但0x01的实际效果要好些，因此图中以0x01为例进行说明。数据可以是用户需要传送的二进制信息。载波就是与所采用的金属引线的物理谐振频率一致的正弦信号。已调制波信号就是经过调制之后的输出信号。由它经过换能器后转换成机械载波信号，在金属引线中进行传递。当调制波信号为低时，已调制波输出零电平；当调制波信号为高时，先输出一定时间的同相载波信号，假设时间为T1，紧接着输出一定时间的反相载波信号，假设时间为T2。T1<T，T2<T，T1+T2<T。其中T为单个调制波信号的周期。

与图2相对应，参看图3是对应的解调方法的波形示意图。接收到的已调制波中的阀值是介于接收波幅度值和零电平之间的一个值。记录下一个调制信号周期内的最大幅值，高于阀值时，认为该周期内接收的信号为高。低于此阀值时，认为该周期内接收的信号为低。解调时，采用轮询同步字节，同步字节匹配了以后，保存接下来的数据字节。在每一帧检测完毕后，又重新开始轮询同步字节，就这样，不断地对接收到的已调制波信号进行检测，完成整个解调过程，得到解调信号，例如图中示意的为解调同步字节0x01，则得到如下的波形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机械载波语音信号的调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

将需要传输的信号转换成调制帧，其中所述调制帧包括同步字节以及数据；

将调制帧转换成调制波信号，其中调制波的周期T大于用以传输数据的金属管线的最大传输速率周期；

利用正弦载波将所述调制帧转换成已调制信号，其中所述正弦载波的频率与采用的金属管线的谐振频率一致，

当调制波信号为低电平时，已调制波输出零电平；当调制波信号为高时，先输出第一时间周期T1的同相载波信号，紧接着输出第二时间周期T2的反相载波信号，其中第一时间周期T1与第二时间周期T2的总和小于调制波的周期T：

所述已调制信号转换成第一电载波信号；

所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送；

所述机械载波信号在金属管线中传输；

接收经金属管线传输后的机械载波信号并转换成第二电载波信号；

所述第二电载波信号经模数转换成数字信号；

对所述数字信号进行解调得到传输信号，

在单个调制信号电平相同的周期内，检测接收到的信号是否有超过一定阈值的高电平出现，如果有，得到解调信号为高电平，否则为低电平。

2.根据权利要求1所述的机械载波语音信号的调制解调方法，其特征在于，所述金属管线为实心的金属管线。

3.根据权利要求1所述的机械载波语音信号的调制解调方法，其特征在于，所述同步字节为0x01。

4.根据权利要求1所述的机械载波语音信号的调制解调方法，其特征在于，所述正弦载波的产生方法为，产生步进为1HZ的高分辨率的正弦信号，在金属管线的谐振频率大致频率范围内进行扫频，把第一电载波信号的电压、电流相位进行比较，将二者相等时作为金属管线谐振的依据，此时输出的频率点即为载波频率点。

5.根据权利要求1至4任一所述的机械载波语音信号的调制解调方法，其特征在于，通过压电陶瓷换能器将所述第一电载波信号转换成机械载波信号并发送。

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