CN111711493B - 具有加密解密能力的水下通信设备及发射器和接收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有加密解密能力的水下通信设备及发射器和接收器，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的第一A/D转换模块、倒谱加密模块、调制模块、第一D/A转换模块和发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收换能器、信号调理电路、第二A/D转换模块、解调电路、倒谱解密模块和第二D/A转换模块。本发明能够有效实现水下模拟通信加密。

Description

具有加密解密能力的水下通信设备及发射器和接收器
技术领域
本发明涉及一种具有加密解密能力的水下通信设备及发射器和接收器。
背景技术
水下通信分为水下数字通信和水下模拟通信两种类型。现有技术中，水下通信加密方法都是针对水下数字通信；然而水下数字通信算法复杂，导致其实现平台相对功耗偏高，体积偏大，不适合便携设备；当前市场便携式水下通信机使用的都是模拟语音通信模式，模拟语音通信机没有加密功能，防窃听保密功能差。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种具有加密解密能力的水下通信设备及发射器和接收器，能够有效实现水下模拟语音通信加密。
基于同一发明构思，本发明具有三个独立的技术方案：
1、一种具有加密解密能力的水下通信设备，包括发射单元和接收单元，
所述发射单元包括依次连接的第一A/D转换模块、倒谱加密模块、调制模块、第一D/A转换模块和发射换能器；
所述接收单元包括依次连接的接收换能器、信号调理电路、第二A/D转换模块、解调电路、倒谱解密模块和第二D/A转换模块。
进一步地，所述倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
进一步地，所述倒谱解密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
进一步地，倒谱解密模块将整体频谱的高低频分量进行反序排列；或者将整体频谱分割成多个子带，倒谱解密模块将各子带的高低频分量进行反序排列。
进一步地，所述发射单元还包括同步信息添加模块，所述同步信息添加模块设于所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间，用于在每两帧数据之间加入同步信息。
进一步地，所述接收单元还包括同步信息解析电路，所述同步信息解析电路设于所述第二A/D转换模块与解调电路之间，用于解析和去除信号中的同步信息。
进一步地，所述同步信息包括LFM线性调频信号。
2、一种水下发射器，所述发射器包括依次连接的第一A/D转换模块、倒谱加密模块、调制模块、第一D/A转换模块和发射换能器；
所述倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
进一步地，所述发射器还包括同步信息添加模块，所述同步信息添加模块设于所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间，用于在两帧数据之间加入同步信息。
3、一种水下接收器，所述接收器包括依次连接的接收换能器、信号调理电路、第二A/D转换模块、解调电路、倒谱解密模块和第二D/A转换模块；
所述倒谱解密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
进一步地，所述接收器还包括同步信息解析电路，所述同步信息解析电路设于所述第二A/D转换模块与解调电路之间，用于去除信号中的同步信息。
本发明具有的有益效果：
本发明发射单元具有第一A/D转换模块，第一A/D转换模块信号输入端接麦克，第一A/D转换模块信号输出端接倒谱加密模块，所述倒谱加密模块信号输出端接调制模块，所述调制模块信号输出端接第一D/A转换模块；第一D/A转换模块信号输出端接发射换能器；接收单元具有接收换能器，所述接收换能器信号输出端接信号调理电路，信号调理电路接第二A/D转换模块，所述第二A/D转换模块信号输出端接解调电路，所述解调电路信号输出端接倒谱解密模块，所述倒谱解密模块接第二D/A转换模块，第二D/A转换模块信号输出端接耳机。本发明通过A/D转换模块将模拟转换成数字信号，再将数字信号通过倒谱加密模块进行加密，加密后通过信号调制发射出去，有效实现了水下模拟通信信号加密，尤其适用于便携式水下语音通信机的通信加密。
本发明倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号，有效保证了加密效果。
本发明所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间设有同步信息添加模块，所述同步信息添加模块用于在两帧数据之间加入同步信息。本发明通过添加同步信息，有效保证接收单元对信号接收的准确率，从而保证水下通信效果。
本发明所述同步信息采用LFM线性调频信号，所述LFM线性调频信号的脉宽为50ms；所述同步信息采用LFM线性调频信号和空闲信号；所述LFM线性调频信号的脉宽为50ms，所述空闲信号的时长为50ms；发射单元中，第一A/D模块的采样频率为8khz；所述调制模块将信号进行单边带调制到32khz的载频上；第一D/A转换模块、第二A/D转换模块的采样率为138.5khz。本发明通过上述参数的选择，有效保证水下加密通信的可靠性，同时，有效节省水下频率资源。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是添加同步信息后的数据帧格式图；
图3是同步数据解析提取源数据流程框图；
图4是原始语音时域信号示意图；
图5是图4时域信号转换成的频域信号示意图；
图6是图5频带整体翻转后的频域信号示意图；
图7是图6频域信号转换成的时域信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
如图1所示，具有加密解密能力的水下通信设备由发射单元和接收单元组成。所述发射单元具有第一A/D转换模块，第一A/D转换模块信号输入端接麦克，第一A/D转换模块信号输出端接倒谱加密模块，所述倒谱加密模块信号输出端接调制模块，所述调制模块信号输出端接第一D/A转换模块；第一D/A转换模块信号输出端接发射换能器；
所述接收单元具有接收换能器，所述接收换能器信号输出端接信号调理电路，信号调理电路接第二A/D转换模块，所述第二A/D转换模块信号输出端接解调电路，所述解调电路信号输出端接倒谱解密模块，所述倒谱解密模块接第二D/A转换模块，第二D/A转换模块信号输出端接耳机。
发射单元中，所述倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。倒谱解密模块将整体频谱的高低频分量进行反序排列；或者将整体频谱分割成多个子带，倒谱解密模块将各子带的高低频分量进行反序排列。
接收单元中，所述倒谱解密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
工作过程如下：
发射单元：
A/D转换。麦克信号首先通过第一A/D转换模块转换为数字信号，由于水声信号频谱资源紧缺，水下语音通信以听懂信息为主旨。因此本实施例中，第一A/D转换模块采样率8khz足以满足要求。
倒谱加密。倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。如图4至图7所示，数字信号经过倒谱加密模块进行加密，该模块主要将信号的300hz～3400hz频段的信息进行高低频互换；该模块，数据需要进行分包处理，每包(帧)数据长度为8192个采样点，每包(帧)数据单独进行傅里叶转换为频域信号，频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，然后反傅里叶变换转换为同等长度的时域信号。
信号调制。信号经过倒谱加密后进行单边带调制到32khz的载频上，本实施例中使用下边带。
发射信号。调制信号经第一D/A转换模块进行D/A转换，经功率放大后，通过发射换能器进行水声信号发射。
接收单元：
信号调理。接收换能器接收的水声信号经信号调理电路进行信号放大滤波，再经第二A/D转换模块进行A/D转换。
信号解调。将接收的信号通过解调电路进行信号单边带解调。
倒谱解密。通过倒谱解密模块进行倒谱解密，倒谱解密模块采用与上述发射单元倒谱加密相同的方法进行解密，先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。将信号的300hz～3400hz频段的信息进行高低频互换；每包(帧)数据长度为8192个采样点，每包(帧)数据单独进行傅里叶转换为频域信号，频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，然后反傅里叶变换转换为同等长度的时域信号。
信号播放。倒谱解密后的信号通过第二D/A转换模块转换为模拟语音基带信号通过耳机播放。
实施例二：
实施例二与实施例一的区别在于增加同步信息添加模块和同步信息解析模块，其余结构、工作过程同实施例一。通过添加同步信息，能够有效保证接收单元对信号接收的准确率，从而进一步改善水下通信效果。
如图1所示，发射单元中，所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间设有同步信息添加模块，所述同步信息添加模块用于在两帧数据之间加入同步信息。相应地，接收单元中，所述第二A/D转换模块与解调电路之间设有同步信息解析电路，所述同步信息解析电路用于去除信号中的同步信息。
所述同步信息采用LFM线性调频信号和空闲信号；所述LFM线性调频信号的脉宽为50ms，所述空闲信号的时长为50ms。
工作过程如下：
发射单元：
信号调制之后，发射信号之前，进行同步信息添加。如图2所示，为了方便接收端准确找到每包(帧)信号进行倒谱解密处理，信号经过倒谱加密模块和调制模块之后，在信号放大发射之前，需要添加同步信息；同步信息在每包数据开始之前添加，考虑到浅海水声信道的复杂性，同步信息采用LFM线性调频进行同步，这里LFM脉宽50ms，频谱宽度33khz～35khz；考虑到水声多径效应，同步头和调制数据之间添加50ms的空闲信号(IDLE)。
原始一包(帧)调制数据为8192个采样点，第一A/D转换模块采样率8khz对应基带音频时间1.024s；添加100ms的同步信息后，基带音频时间压缩到0.924s，因此32khz的调制频谱扩展到34.6khz的调制频率，对应的第一D/A转换模块的采样率从128khz提升为138.5khz。因此上述添加同步信息时，LFM信号和IDLE信号的采样率都是按照138.5khz生成的。
接收单元：
信号调理之后，信号解调之前进行同步信息解析。第二A/D转换模块的采样率为138.5khz。如图3所示，同步信息解析模块根据发射单元采用的同步信息的编码方法进行同步信息解析，解析后去除同步信息，提取相应调制后的数据包转入信号解调模块；同步使用的是LFM信号，因此同步信息位置的确定可以使用相关的方法进行LFM位置的确定。首先，根据接收的水声信号、LFM拷贝信号计算相关系数，当相关系数连续超过门限且第一次达到峰值时，确定同步信息的LFM数据头位置，从该数据头位置起计数，13850个采样点后，连续取131072个采样点数据为一包(帧)源数据，完成同步信息解析。
本发明通过A/D转换模块将模拟转换成数字信号，再将数字信号通过倒谱加密模块进行加密，加密后通过信号调制发射出去，有效实现了水下模拟通信信号加密，尤其适用于便携式水下通信机的通信加密。
本发明利用倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号，有效保证了加密效果。
本发明在调制模块与第一D/A转换模块之间设有同步信息添加模块，所述同步信息添加模块用于在两帧数据之间加入同步信息。本发明通过添加同步信息，能够有效保证接收单元对信号接收的准确率，从而进一步改善水下通信效果。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种具有加密解密能力的水下通信设备，包括发射单元和接收单元，其特征在于：
所述发射单元包括依次连接的第一A/D转换模块、倒谱加密模块、调制模块、第一D/A转换模块和发射换能器；
所述接收单元包括依次连接的接收换能器、信号调理电路、第二A/D转换模块、解调电路、倒谱解密模块和第二D/A转换模块；
所述倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号；
所述倒谱解密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号；
倒谱解密模块将整体频谱的高低频分量进行反序排列；或者将整体频谱分割成多个子带，倒谱解密模块将各子带的高低频分量进行反序排列；
所述调制模块将信号进行单边带调制到32khz的载频上。
2.根据权利要求1所述的水下通信设备，其特征在于：所述发射单元还包括同步信息添加模块，所述同步信息添加模块设于所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间，用于在每两帧数据之间加入同步信息。
3.根据权利要求2所述的水下通信设备，其特征在于：所述接收单元还包括同步信息解析电路，所述同步信息解析电路设于所述第二A/D转换模块与解调电路之间，用于解析和去除信号中的同步信息。
4.根据权利要求2或3所述的水下通信设备，其特征在于：所述同步信息包括LFM线性调频信号。
5.一种水下发射器，其特征在于：
所述发射器包括依次连接的第一A/D转换模块、倒谱加密模块、调制模块、第一D/A转换模块和发射换能器；
所述倒谱加密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
6.根据权利要求5所述的水下发射器，其特征在于：所述发射器还包括同步信息添加模块，所述同步信息添加模块设于所述调制模块与所述第一D/A转换模块之间，用于在两帧数据之间加入同步信息。
7.一种水下接收器，其特征在于：
所述接收器包括依次连接的接收换能器、信号调理电路、第二A/D转换模块、解调电路、倒谱解密模块和第二D/A转换模块；
所述倒谱解密模块先将时域信号转换成频域信号，然后将频域信号频谱的高低频分量进行反序排列，最后反转换成同等长度的时域信号。
8.根据权利要求7所述的水下接收器，其特征在于：所述接收器还包括同步信息解析电路，所述同步信息解析电路设于所述第二A/D转换模块与解调电路之间，用于去除信号中的同步信息。
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