CN112235054B - 一种全双工水声数字语音通信演示装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种全双工水声数字语音通信演示装置及其方法，涉及水声数字语音通信。装置分通信甲方和乙方，记作U1和U2,硬件结构相同；U1/U2的硬件系统包括语音输入输出设备、声码器及其外围电路、嵌入式CPU及其外围设备、放大滤波电路、电源转换电路、声电转换设备、控制面板和平板电脑，还包括微控制器MCU及其相关电路、漏电保护电路、气泡发生器、声电转换设备升降装置、声挡板、水槽和操作平台，声电转换设备包括4个水声换能器或2个水声换能器、2个水听器；水声换能器带宽分成B1和B2两个子带。实现实时全双工水下语音通信功能。接收合成的语音可懂度、自然度和清晰度高，互动好，装置体积小、价格便宜、可升级、易调试。
Description
技术领域
本发明涉及水声数字语音通信技术领域，尤其是涉及一种全双工水声数字语音通信演示装置及其方法。
背景技术
随着陆地资源的逐渐枯竭，开发海洋变得日益迫切。近年来，国家在海洋研究、勘探和开发等领域的投入越来越大，相应的海洋经济也日益壮大。国内外越来越多的高校和研究机构开始从事海洋研究，并取得了一系列重大科研成果，如2012年，我国自主研制的深水潜器“蛟龙”号马里亚纳海沟最大下潜深度达到7062m，创造了作业型载人潜水器的最深下潜记录(徐芑南，张海燕.蛟龙号载人潜水器的研制及应用，科学，2014,66(2):11-13)。将最新海洋研究成果以科普的形式展现给青少年朋友，对激发他们热爱海洋、关心海洋、献身海洋具有重要意义。目前国内许多科技馆都部署了海洋馆，吸引了众多游客的参观和访问，对展现海洋科技成果，传播海洋知识起到了很大的促进作用。
水声通信技术虽然取得了快速发展，例如，“蛟龙”号可以深海环境中传输语音、图像、数据、文字和命令等信息，通信最大作用距离8～10km，最大传输速率达10千比特/秒(朱敏.蛟龙号载人潜水器声学系统，声学技术，2013,32(6):1-4)，但是，在海洋科技馆中，与水声通信有关的展品却几乎空白。现有的水声通信机由于体积、价格、速率和互动性等原因无法直接应用于科技馆展出。本发明针对海洋科技馆的特殊应用环境，成功研制了一种全双工水声数字语音通信演示装置，在科技馆中得以推广应用，取得了很好的展示效果。
发明内容
本发明的目的在于针对海洋科技馆的应用场景，提供实时、生动的一种全双工水声数字语音通信演示装置及其方法。
所述全双工水声数字语音通信演示装置分通信甲方和乙方，分别记作U1和U2；U1和U2的地位相同，硬件结构相同；U1(或U2)的硬件系统包括语音输入输出设备、声码器及其外围电路、嵌入式CPU及其外围设备、放大滤波电路、电源转换电路、声电转换设备、控制面板和平板电脑等，硬件系统还包括微控制器(MCU)及其相关电路、漏电保护电路、气泡发生器、声电转换设备升降装置、声挡板、水槽和操作平台等，声电转换设备包括4个水声换能器或2个水声换能器、2个水听器；
水声换能器带宽分成B1和B2两个子带；对通信方U1，B1为上行子带，用于发送语音数据，B2为下行子带，用于接收语音数据；而对通信方U2则相反，B2为上行子带，用于发送语音数据，B1为下行子带，用于接收语音数据，实现实时全双工语音通信功能；语音输入输出设备用于拾取和播放语音；声码器实现对语音的参数压缩编码和解码；嵌入式CPU完成水声信号的调制和解调，除主程序外，还包括2个子任务，子任务1用于处理发射声信号，子任务2用于处理接收声信号；MCU实现对气泡发生器、声挡板、升降装置的控制；平板电脑用于播放水声通信相关知识和操作简介等；控制面板为用户和装置之间的操作界面，有通话、干扰1、干扰2和干扰3等4个按钮；嵌入式CPU和MCU之间通过串行口进行通信，嵌入式CPU和声码器之间通过串行口进行通信，MCU和平板电脑之间通过蓝牙进行通信。
一种全双工水声数字语音通信演示方法，包括如下主要步骤：
1)U1麦克风拾取到的语音信号经声码器压缩编码后生成语音编码数据；
2)U1声码器将步骤1)所得的语音数据通过串行通信口传输给U1嵌入式CPU；
3)U1嵌入式CPU子任务1对步骤2)所得的语音数据进行组帧、信道编码和调制，生成发射基带信号；
4)U1嵌入式CPU的子任务1将步骤3)生成的基带信号移频至发射子带B1；
5)U1控制面板中通话按钮按下时，MCU通过串行口和蓝牙将通话状态信息传输给U1嵌入式CPU和平板电脑；U1嵌入式CPU的子任务1通过水声换能器先发射一个探测信号x(t)，间隔一段时间后，再发射步骤4)所得信号，声波在水槽中传播；通话进行一段时间后，通话按钮自动恢复到原先弹起状态，结束语音通信；
6)U2水声换能器(或水听器)将声信号转化为电信号；电信号经放大和带通滤波后，通过A/D转换器进入U2嵌入式CPU；U2带通滤波器的频率范围与子带B1对应；
7)U2嵌入式CPU的子任务2对步骤6)所得信号进行探测信号的检测，有探测信号后，估计水声信道的冲击响应为：
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其中，h＝[h(0),h(1),…,h(N-1)]T为水声信道的冲击响应；y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]T为接收信号；x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]T为探测信号，X为如下矩阵：
用估计所得的水声信道对后续水声信道进行均衡，然后再进行解调和信道译码；译码输出信息通过串行口发送给声码器；
8)U2声码器对步骤7)所得语音数据进行解码，生成的语音通过扬声器(或耳机)播出；
9)U2麦克风拾取到的语音信号通信过程与U1相同，不同的是U2用子带B2发射声波，U1的带通滤波器与子带B2对应；U1向U2传输语音数据与U2向U1传输语音数据的过程完全独立，实现全双工通信功能；
10)控制面板中通话按钮按下时，MCU点亮通话按钮，并将通话状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；通话进行一段时间后，MCU熄灭通话按钮，并将通话结束状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；
11)控制面板中干扰1按钮按下时，MCU控制气泡发生器产生气泡，同时将干扰1启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放水中气泡对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，干扰1按钮恢复原先弹起状态，气泡发生器停止产生气泡，同时平板电脑恢复原先音视频的播放；
12)控制面板中干扰2按钮按下时，MCU控制将声挡板伸入水槽中，阻挡U1和U2之间的声传播通路，同时将干扰2启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放海洋中船只、鱼群等阻挡物对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，声挡板恢复原位，平板电脑恢复原先音视频的播放；
13)控制面板中干扰3按钮按下时，MCU控制升降装置将U1(或U2)的声电转换设备提升出水面，并声电转换设备提升出水面信息发送给平板电脑；一段时间后，U1(或U2)的声电转换设备恢复原位。
本发明的优点体现在如下几个方面：
1、水声换能器被带宽分成2个子带，对通信一方，如U1，其中一个子带B1用来发送语音数据，另一个子带B2用来接收语音数据，对通信另一方，如U2则相反，子带B2用来发送语音数据，子带B1用来接收语音数据，实现实时全双工水下语音通信功能。
2、采用高质量语音压缩编码技术，接收合成的语音有很高可懂度、自然度和清晰度，能准确分辨不同说话人。
3、具有良好的互动功能，体验者可实时观察到气泡、声挡板和水声换能器提升至水面等因素对水下声传播和声通信的影响，激发青少年朋友热爱海洋、保护海洋和献身海洋的信心和决心。
4、通信核心装置体积小、价格便宜、可升级、易调试和维护性强。
附图说明
图1为一种全双工水声数字语音通信演示装置结构框图。
图2为OFDM多载波调制DSP程序流程图。在图2中，(a)为主程序，(b)为子任务1，(c)为子任务2。
图3为MCU程序流程图。
图4为WT2000声码器模块原理示意图。
图5为WT600F声码器模块原理示意图。
图6为单载波调制DSP程序流程图。在图6中，(a)为主程序，(b)为子任务1，(c)为子任务2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
实施例1：本实施例所述装置分通信甲、乙两方，分布记作U1和U2，U1和U2地位完全相同，都可以独立自主地发送和接收语音信号。水声换能器带宽20～30kHz，分成B1和B2两个子带，B1子带的频率范围20～25kHz，B2子带的频率范围25～30kHz。U1和U2的硬件和软件结构基本相同，不同的是，U1用B1子带发送语音数据，用B2子带接收语音数据；U2则相反，用B2子带发送语音数据，用B1子带接收语音数据。如图1所示，U1和U2的硬件系统主要包括麦克风、耳机、WT2000声码器、TMS320 C6748 DSP、前置放大滤波器、A/D转换器、D/A转换器和水声换能器等。此外，硬件系统还包括水槽、操作界面、STM32 MCU控制器、气泡发生器、声挡板、水声换能器升降装置和平板电脑等。
所述全双工水声数字语音通信演示装置软件分DSP软件和MCU软件。DSP软件负责语音数据的收集、信道估计和均衡、OFDM调制/解调和信道编码/译码等功能，分主程序和两个子任务，其中子任务1负责发送水声信号处理，子任务2负责接收水声信号处理，程序流程图如图2所示；MCU软件用于和操作界面的交互、控制气泡产生和关闭、声挡板的收放和水声换能器的升降等功能，程序流程图如图3所示。
所述全双工水声数字语音通信演示装置的通信过程简述如下：通信方U1麦克风拾取到的语音信号经WT2000声码器编码后生成语音编码数据，语音数据通过串行口发送给C6748 DSP；DSP的子任务1提取有效语音数据，对其进行信道编码和OFDM调制多载波调制，生成发射基带信号；基带信号移频至发射子带B1的频率范围。通话按钮按下时，通过D/A转换器首先发射一段线性调频信号作探测信号，间隔一段时间后，再输出OFDM调制信号；发射电信号激励水声换能器发射声波在水槽中传播。通信方U2的水声换能器将接收到的声信号转换成电信号，并将该电信号经与子带B1对应的带通滤波器滤波后输入U2DSP；U2DSP子任务2进行探测信号检测，有探测信号后，采用正交匹配追踪压缩感知算法对公式(1)的水声信道冲击响应进行估计，并根据估计结果进行后续OFDM解调和信道译码；译码后输出硬判决信息通过串行口发送给WT2000声码器。WT2000声码器合成的语音通过耳机输出。U2拾取到的语音信号与U1的通信过程基本相同，不同的是，U2发射信号使用子带B2，U1的带通滤波器频率范围与子带B2对应。WT2000声码器和DSP之间串行通信参数为：波特率115200bps，数据位8，停止位1，无校验。
所述全双工水声数字语音通信演示装置的MCU控制过程简述如下：通话按钮按下时，MCU点亮通话按钮，并通过串行口和蓝牙将通话状态信息分别发送给DSP和平板电脑，开启定时器1，定时器1超时后，MCU熄灭通话按钮，并将通话结束状态信息发送给DSP和平板电脑；干扰1按钮按下时，MCU点亮干扰1按钮，启动气泡发生器产生气泡，并通过串行口和蓝牙将干扰1开启状态信息分别发送给DSP和平板电脑，开启定时器2，定时器2超时后，MCU熄灭干扰1按钮，关闭气泡发生器，并将干扰1关闭状态信息发送给DSP和平板电脑。干扰2按钮按下时，MCU点亮干扰2按钮，并启动声挡板置入水中，并通过串行口和蓝牙将干扰2开启状态信息分别发送给DSP和平板电脑，开启定时器3，定时器3超时后，MCU熄灭干扰2按钮，并启动将声阻挡板恢复原位，将干扰2关闭状态信息发送给DSP和平板电脑；干扰3按钮按下时，MCU点亮干扰3按钮，并启动升降装置将水声换能器提升至水面，并通过串行口和蓝牙将干扰3开启状态信息分别发送给DSP和平板电脑，开启定时器4，定时器4超时后，MCU熄灭干扰3按钮，并启动升降装置将水声换能器恢复原位，将干扰3关闭状态信息发送给DSP和平板电脑。MCU程序流程图如图3所示。
WT2000声码器是一种速率可变、基于多带激励的高性能语音压缩编解码芯片，外部结构如图4所示。WT2000声码器的速率语音编解码软件，无需外部存储器，可以同时实现语音的压缩和合成，在2000bps速率下合成输出很高质量的语音。WT2000声码器提供UART接口，用户通过该接口可实现语音编码数据的读出和写入。
实施例2：所述水声数字语音通信演示装置实施方案二硬件结构与方案一基本相同，不同的是用WT600F声码器替代WT2000声码器。所述WT600F声码器是一款低速率声码器芯片，如图5所示。WT600F声码器内置语音编解码软件，无需外部存储器，可以同时实现语音的压缩和合成，在600bps速率下合成输出较高质量的语音。WT600F声码器提供UART接口，用户通过该接口可实现语音编码数据的读出和写入。WT600F声码器读出和写入的数据格式如表1所示。表1中，第5-9字节，以及第10字节中的高5为语音编码数据，其余字节为帧头、命令符、长度和CRC校验等，因此有效语音编码数据45bits。
表1 WT600F声码器帧结构
| Header_1 | Head_2 | CMD | LEN | DATA | CRC |
| B1 | B2 | B3 | B4 | B5-B15 | B16 |
所述水声数字语音通信演示装置MCU软件与方案一相同；DSP软件采用单载波调制方式，接收端采用DFE判决反馈均衡器进行接收。DSP软件的程序流程图如图6所示。
Claims (2)
1.一种全双工水声数字语音通信演示装置，其特征在于分通信甲方和乙方，分别记作U1和U2；U1或U2的硬件系统包括语音输入输出设备、声码器及其外围电路、嵌入式CPU及其外围设备、放大滤波电路、电源转换电路、声电转换设备、控制面板和平板电脑，硬件系统还包括微控制器MCU及其相关电路、漏电保护电路、气泡发生器、声电转换设备升降装置、声挡板、水槽和操作平台，声电转换设备包括4个水声换能器或2个水声换能器、2个水听器；
水声换能器带宽分成B1和B2两个子带；对通信方U1，B1为上行子带，用于发送语音数据，B2为下行子带，用于接收语音数据；而对通信方U2则相反，B2为上行子带，用于发送语音数据，B1为下行子带，用于接收语音数据，实现实时全双工语音通信功能；语音输入输出设备用于拾取和播放语音；声码器实现对语音的参数压缩编码和解码；嵌入式CPU完成水声信号的调制和解调，除主程序外，还包括2个子任务，子任务1用于处理发射声信号，子任务2用于处理接收声信号；MCU实现对气泡发生器、声挡板、升降装置的控制；平板电脑用于播放水声通信相关知识和操作简介；控制面板为用户和装置之间的操作界面，有通话、干扰1、干扰2和干扰3四个按钮；嵌入式CPU和MCU之间通过串行口进行通信，嵌入式CPU和声码器之间通过串行口进行通信，MCU和平板电脑之间通过蓝牙进行通信。
2.一种全双工水声数字语音通信演示方法，其特征在于包括如下步骤：
1)U1麦克风拾取到的语音信号经声码器压缩编码后生成语音编码数据；
2)U1声码器将步骤1)所得的语音数据通过串行通信口传输给U1嵌入式CPU；
3)U1嵌入式CPU子任务1对步骤2)所得的语音数据进行组帧、信道编码和调制，生成发射基带信号；
4)U1嵌入式CPU的子任务1将步骤3)生成的基带信号移频至发射子带B1；
5)U1控制面板中通话按钮按下时，MCU通过串行口和蓝牙将通话状态信息传输给U1嵌入式CPU和平板电脑；U1嵌入式CPU的子任务1通过水声换能器先发射一个探测信号x(t)，间隔一段时间后，再发射步骤4)所得信号，声波在水槽中传播；通话进行一段时间后，通话按钮自动恢复到原先弹起状态，结束语音通信；
6)U2水声换能器或水听器将声信号转化为电信号；电信号经放大和带通滤波后，通过A/D转换器进入U2嵌入式CPU；U2带通滤波器的频率范围与子带B1对应；
7)U2嵌入式CPU的子任务2对步骤6)所得信号进行探测信号的检测，有探测信号后，估计水声信道的冲击响应为：
argmin||y-Xh|| (1)
其中，h＝[h(0),h(1),…,h(N-1)]T为水声信道的冲击响应；y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]T为接收信号；x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]T为探测信号，X为如下矩阵：
用估计所得的水声信道对后续水声信道进行均衡，然后再进行解调和信道译码；译码输出信息通过串行口发送给声码器；
8)U2声码器对步骤7)所得语音数据进行解码，生成的语音通过扬声器或耳机播出；
9)U2麦克风拾取到的语音信号通信过程与U1相同，不同的是U2用子带B2发射声波，U1的带通滤波器与子带B2对应；U1向U2传输语音数据与U2向U1传输语音数据的过程完全独立，实现全双工通信功能；
10)控制面板中通话按钮按下时，MCU点亮通话按钮，并将通话状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；通话进行一段时间后，MCU熄灭通话按钮，并将通话结束状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；
11)控制面板中干扰1按钮按下时，MCU控制气泡发生器产生气泡，同时将干扰1启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放水中气泡对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，干扰1按钮恢复原先弹起状态，气泡发生器停止产生气泡，同时平板电脑恢复原先音视频的播放；
12)控制面板中干扰2按钮按下时，MCU控制将声挡板伸入水槽中，阻挡U1和U2之间的声传播通路，同时将干扰2启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放海洋中船只、鱼群阻挡物对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，声挡板恢复原位，平板电脑恢复原先音视频的播放；
13)控制面板中干扰3按钮按下时，MCU控制升降装置将U1或U2的声电转换设备提升出水面，并声电转换设备提升出水面信息发送给平板电脑；一段时间后，U1或U2的声电转换设备恢复原位。
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2020
- 2020-10-15 CN CN202011104436.7A patent/CN112235054B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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