CN103595674B - 一种机械载波传输语音信号的调制解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机械载波传输语音信号的调制解调系统包括信号发送控制端、信号传递系统、信号接收控制端，信号传递系统包括发送换能器，接收换能器，以及发送换能器与接收换能器之间固定连接的金属管线，发送换能器将第一电载波信号转换成适应金属管线传输的机械载波信号，接收换能器将金属管线传输过来的机械载波信号转换成第二电载波信号。本发明在调制信号为高时，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，减少了基于金属管线信道传输信号的系统失真，提高了金属管线信道容量，实现了语音信号数据量的传输。

Description

一种机械载波传输语音信号的调制解调系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别地涉及一种机械载波传输语音信号的调制解调系统。

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弥补。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，避免造成以机械载波信号形式在金属管线信道中传输信号时系统失真，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传输语音信号的调制解调系统，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，提高了通信的可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种机械载波传输语音信号的调制解调系统，包括信号发送控制端、信号传递系统、信号接收控制端，所述信号传递系统进一步包括发送换能器，接收换能器，以及发送换能器与接收换能器之间固定连接的金属管线，

所述信号发送控制端用于接收需要传输的信号并将其放大调制转换成第一电载波信号输入至发送换能器，所述发送换能器用于将第一电载波信号转换成适应金属管线传输的机械载波信号，所述接收换能器用于将金属管线传输过来的机械载波信号转换成第二电载波信号，所述信号接收控制端用于接收所述接收换能器输出的第二电载波信号并解调放大成输出信号输出，

其中信号发送控制端的调制过程为利用正弦载波将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；

信号接收控制端的解调过程为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，所述信号发送控制端包括信号输入设备、第一处理模块、FPGA信号调制模块、频率自适应载波产生模块、电压电流信号采集模块、D/A转换模块及功率放大器模块，所述信号输入设备经第一处理模块接入FPGA信号调制模块的一输入端，所述频率自适应载波产生模块输出口接入FPGA信号调制模块的另一输入端；所述FPGA信号调制模块输出经D/A转换模块接入功率放大器模块；所述功率放大器模块输出端口一路接入电压电流信号采集模块，另一路接入金属管线另一端的发送换能器。

优选地，所述频率自适应载波产生模块包括电压电流相位比较模块及高分辨DDS模块，所述电压电流相位比较模块通过比较由电压电流信号采集模块输出的电压、电流相位差，在合理的误差范围内作为输出信号达到金属管线谐振频点的依据，进而控制高分辨率DDS模块产生步进为1Hz的正弦信号，当正弦信号频率达到谐振频点时锁定频率输出作为最终载波信号输出至FPGA信号调制模块。

优选地，所述信号接收控制端包括模拟信号幅度控制模块、A/D转换模块、FPGA信号解调模块、第二音理处理模块、信号功放及信号输出设备，所述模拟信号幅度控制模块输出端经A/D转换模块与FPGA信号解调模块的输入端口相连接；所述第二处理模块输出端口经信号功放接入语音输出设备；所述FPGA信号解调模块的输出端口与第二处理模块输入端口相接。

优选地，所述模拟信号幅度控制模块包括可变增益控制器和可变增益芯片，所述可变增益芯片的输入端连接接收换能器的输出端，所述可变增益芯片的输出端连接所述A/D转换模块的输入端，所述A/D转换模块的一输出端连接所述可变增益控制器的输入端，所述可变增益控制器根据A/D转换模块的输出自动调节可变增益芯片的增益大小。

优选地，所述语音信号发送控制端进一步包括第一通信接口，所述第一通信接口包括第一网络控制器以及与其相连的第一网络接口和/或第一485协议控制器以及与其相连的第一485接口。

优选地，所述信号接收控制端进一步包括第二通信接口，所述第二通信接口包括第二网络控制器以及与其相连的第二网络接口和/或第二485协议控制器以及与其相连的第二485接口。

优选地，所述金属管线为实心的金属管线。

优选地，所述接收换能器和发送换能器为压电陶瓷换能器。

与现有技术采用的通信手段相比，本发明的有益效果如下：

(1)系统采用一定直径的实芯金属管线作为传递介质、以机械载波信号作为载波，进而实现调制高压缩比语音信号的最终传输；该通信链路物理强度高、抗干扰能力极强，不易受环境因素影响导致设备瘫痪；

(2)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，大大减少了基于此信道的系统失真，提高了通信的可靠性；

(3)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；

(4)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系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的一具体应用实例中调制波形的示意图；

图3为与图2对应的解调波形的结构示意图；

图4为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的一具体应用实例结构示意图；

图5为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的又一具体应用实例结构示意图；

图6为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的信号接收控制端的一结构示意图；

图7为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的的信号接收控制端的又一结构示意图；

图8为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的又一具体应用实例结构示意图；

图9为本发明实施例的机械载波语音信号的调制解调系统的信号接收控制端的又一结构示意图。

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。

参考图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系统的结构示意图，其包括信号发送控制端10、信号传递系统20、信号接收控制端30，所述信号传递系统20进一步包括发送换能器201，接收换能器203，以及发送换能器201与接收换能器203之间固定连接的金属管线202，信号发送控制端10用于接收需要传输的信号并将其放大调制转换成第一电载波信号输入 至发送换能器201，发送换能器201用于将模拟电信号转换成适应金属管线202传输的机械载波信号，接收换能器203用于将金属管线202传输过来的机械载波信号转换成第二电载波信号，所述信号接收控制端30用于接收接收换能器203输出的第二电载波信号并解调放大成语音输出信号输出，其中信号发送控制端10的调制过程为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；相应的信号接收控制端30的解调过程为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。其中阈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。通过以上结构以及调制解调方式实现的机械载波传输语音信号的调制解调系统采用一定直径的实心金属管线作为信号传递介质、以机械载波信号作为载波，进而实现调制高压缩比语音信号的最终传输，该通信链路物理强度高、抗干扰能力极强，不易受环境因素影响导致设备瘫痪，同时在调制信号为高时，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，大大减少了基于此信道的系统失真，提高了通信的可靠性；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，提高了金属管线信道容量，尤其适合速率为1-2Kbit/S的语音信号的传输，实现了语音信号数据量的传输。

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。

参看图2为采用图1所示的以机械载波形式在金属管线信道中传输语音信号的调制解调系统中的一应用实例中调制过程的波形示意图。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。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。

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阈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，高于阈值时，认为该周期内接收的信号为高。低于此阈值时，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。

在一具体应用实例中，机械载波语音信号的调制解调系统的信号发送控制端的结构示意图参见图4，信号发送控制端10包括信号输入设备101、第一处理模块102、FPGA信号调制模块103、频率自适应载波产生模块104、电压电流信号采集模块105、D/A转换模块106及功率放大器模块107，所述信号输入设备101经第一处理模块102接入FPGA信号调制模块103的一输入端，频率自适应载波产生模块输出口接入FPGA信号调制模块103的另一输入端，FPGA信号调制模块103输出经D/A转换模块106接入功率放大器模块107，功率放大器模块107输出端口一路接入电压电流信号采集模块105，另一路接入金属管线202另一端的发送换能器201。由信号输入设备101输入模拟信号，经第一处理模块102先转换成数字信号再压缩输出压缩后的信号，经FPGA信号调制模块103输出调制信号，FPGA信号调制模块103的工作过程如下：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。调制后的信号经D/A转换模块106转换成模拟信号，再经功率放大器107放大处理后的模拟信号一路送至发送换能器转换成机械载波信号，另一路送至电压电流采集模块105转换成数字信号输出给频率自适应载波产生模块，再由频率自适应载波产生模块输出正弦载波信号送至FPGA信号调整模块另一输入端。

参见图5，在图2具体应用实例的基础上的又一具体应用实例的基础上，信号发送控制端的频率自适应载波产生模块104进一步包括电压电流相位比较 模块1041及高分辨DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)模块1042，电压电流相位比较模块1041通过比较由电压电流信号采集模块105输出的电压、电流相位差，在合理的误差范围内作为输出信号达到金属管线谐振频点的依据，进而控制高分辨率DDS模块1042产生步进为1Hz的正弦信号，当正弦信号频率达到谐振频点时锁定频率输出作为最终载波信号输出至FPGA信号调制模块103。

在一具体应用实例中，机械载波语音信号的调制解调系统的信号接收控制端的结构示意图参见图6，信号接收控制端30包括模拟信号幅度控制模块301、A/D转换模块302、FPGA信号解调模块303、第二音频处理模块304、语音功放305及语音输出设备306，所述模拟信号幅度控制模块301输出端经A/D转换模块302与FPGA信号解调模块303的输入端口相连接；所述第二音频处理模块304输出端口经语音功放305接入语音输出设备；所述FPGA信号解调模块303的输出端口与第二音频处理模块304输入端口相接。接收换能器将接收到的机械载波信号转换成模拟电信号输入到模拟信号幅度控制模块，输出最佳幅度的模拟信号送入A/D转换模块换成数字信号输出给FPGA信号解调模块，解调后的数字信号经第二音频处理模块解压并转换成模拟语音信号送入语音功放模块放大处理，放大后的模拟语音信号送入语音输出设备输出语音信号。

参见图7，在图6具体应用实例的基础上的又一具体应用实例的基础上，信号接收控制端30的模拟信号幅度控制模块301进一步包括可变增益控制器3011和可变增益芯片3012，可变增益芯片3012的输入端连接接收换能器203的输出端，所述可变增益芯片3012的输出端连接所述A/D转换模块302的输入端，A/D转换模块302的一输出端连接所述可变增益控制器3011的输入端，可变增益控制器3011根据A/D转换模块302的输出自动调节可变增益芯片3011的增益大小。

进一步的，在其他的具体应用实例中，参见图8，信号发送控制端10可进一步包括第一通信接口108，所述第一通信接口108包括第一网络控制器1081 以及与其相连的第一网络接口1082和/或第一485协议控制器1083以及与其相连的第一485接口1084。与此类似，参见图9信号接收控制端30也可进一步包括第二通信接口307，所述第二通信接口307包括第二网络控制器3071以及与其相连的第二网络接口3072和/或第二485协议控制器3073以及与其相连的第二485接口3074。通信接口主要实现将数据传输给上位机、实现人机界面，便于管理中心对整个系统的管理和监控。

本领域的技术人员应该可以理解的是，以上对本发明实施例中的各模块的实施若采用组合以上实施例中模块形成了具备语音传输功能的系统，皆认为涵盖在本发明专利的保护范围内。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 (9)

1.一种机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，包括信号发送控制端(10)、信号传递系统(20)、信号接收控制端(30)，所述信号传递系统(20)进一步包括发送换能器(201)，接收换能器(203)，以及发送换能器(201)与接收换能器(203)之间固定连接的金属管线(202)，

所述信号发送控制端(10)用于接收需要传输的信号并将其放大调制转换成第一电载波信号输入至发送换能器(201)，所述发送换能器(201)用于将第一电载波信号转换成适应金属管线(202)传输的机械载波信号，所述接收换能器(203)用于将金属管线(202)传输过来的机械载波信号转换成第二电载波信号，所述信号接收控制端(30)用于接收所述接收换能器(203)输出的第二电载波信号并解调放大成输出信号输出，

其中信号发送控制端(10)的调制过程为利用正弦载波将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；

信号接收控制端(30)的解调过程为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，其中阈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。

2.根据权利要求1所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述信号发送控制端(10)包括信号输入设备(101)、第一处理模块(102)、FPGA信号调制模块(103)、频率自适应载波产生模块(104)、电压电流信号采集模块(105)、D/A转换模块(106)及功率放大器模块(107)，所述信号输入设备(101)经第一处理模块(102)接入FPGA信号调制模块(103)的一输入端，所述频率自适应载波产生模块输出口接入FPGA信号调制模块(103)的另一输入端；所述FPGA信号调制模块(103)输出经D/A转换模块(106)接入功率放大器模块(107)；所述功率放大器模块(107)输出端口一路接入电压电流信号采集模块(105)，另一路接入金属管线另一端的发送换能器(201)。

3.根据权利要求2所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述频率自适应载波产生模块(104)包括电压电流相位比较模块(1041)及高分辨DDS模块(1042)，所述电压电流相位比较模块(1041)通过比较由电压电流信号采集模块(105)输出的电压、电流相位差，在合理的误差范围内作为输出信号达到金属管线谐振频点的依据，进而控制高分辨率DDS模块(1042)产生步进为1Hz的正弦信号，当正弦信号频率达到谐振频点时锁定频率输出作为最终载波信号输出至FPGA信号调制模块(103)。

4.根据权利要求1至3任一所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述信号接收控制端(30)包括模拟信号幅度控制模块(301)、A/D转换模块(302)、FPGA信号解调模块(303)、第二处理模块(304)、信号功放(305)及信号输出设备(306)，所述模拟信号幅度控制模块(301)输出端经A/D转换模块(302)与FPGA信号解调模块(303)的输入端口相连接；所述第二处理模块(304)输出端口经信号功放(305)接入语音输出设备；所述FPGA信号解调模块(303)的输出端口与第二处理模块(304)输入端口相接。

5.根据权利要求4所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述模拟信号幅度控制模块(301)包括可变增益控制器(3011)和可变增益芯片(3012)，所述可变增益芯片(3012)的输入端连接接收换能器(203)的输出端，所述可变增益芯片(3012)的输出端连接所述A/D转换模块(302)的输入端，所述A/D转换模块(302)的一输出端连接所述可变增益控制器(3011)的输入端，所述可变增益控制器(3011)根据A/D转换模块(302)的输出自动调节可变增益芯片(3011)的增益大小。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述语音信号发送控制端(10)进一步包括第一通信接口(108)，所述第一通信接口(108)包括第一网络控制器(1081)以及与其相连的第一网络接口(1082)和/或第一485协议控制器(1083)以及与其相连的第一485接口(1084)。

7.根据权利要求1或2或3或5所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述信号接收控制端(30)进一步包括第二通信接口(307)，所述第二通信接口(307)包括第二网络控制器(3071)以及与其相连的第二网络接口(3072)和/或第二485协议控制器(3073)以及与其相连的第二485接口(3074)。

8.根据权利要求1所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述金属管线为实心的金属管线。

9.根据权利要求1所述的机械载波传输语音信号的调制解调系统，其特征在于，所述接收换能器和发送换能器为压电陶瓷换能器。