CN113132021B - 一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统及方法，水下音频光通信系包括光信号发射系统和光信号接收系统，光信号发射系统包括音频输入设备、发射电路模块和发光器件；光信号接收系统包括光接收模块、接收电路模块和音频输出设备，光接收模块包括第一光接收器件和第二光接收器件，第一光接收器件和第二光接收器件用于接收来自不同方位的光信号，音频输出设备包括第一声道和第二声道，所述接收电路模块用于将第一光接收器件或第二光接收器接收的光信号转化为通过第一声道或第二声道播放的电信号。本发明接收系统右耳声道接右边光电二极管对应的信号，即可以通过左右声道的声音辨别信号的方向，增强了水下通信的方向感。

Description

一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统，属于通信和信息技术领域。
背景技术
传统水下声学通信技术存在通信速率低、时延高、带宽窄、设备体型大、功耗和费用高等诸多缺点, 且无法有效地提高通信传输速率; 此外, 电磁波在水下衰减非常严重,无法在水下实现长距离高速通信。随着人类对海洋资源的进一步探索和开发, 水下高速、便捷、实时、稳定的通信是当前亟待解决的难题。
可见光通信技术的应用和发展, 为解决这一通信难题提供了新的技术方案。由于水下可见光通信技术采用可见光波作为通信载体, 其具有以下特点： (1) 频谱资源和传输带宽非常广, 可以实现以往水下无法完成的图像、视频等高速大数据信息传输；(2) 可见光受水下复杂环境和电磁波干扰影响较小；(3) 可见光频谱资源巨大且可免认证使用,不受无线电频谱资源限制；(4) 对人体无任何辐射伤害, 环境友好, 绿色环保； (5) 光波束方向性强, 信息传输安全, 保密性高；(6) 通信设备体积小, 易于实现, 成本低廉。基于上述诸多优势, 可见光通信技术十分适合作为短距离水下无线通信手段。
然而，基于光通信的水下音频通信也存在一定的问题，由于水下环境的复杂性，潜水员在水下不能像在陆上听声辨别声源方位，即水下方向感不强，这也是水下音频通信需要考虑的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统及方法，能够协助识别声源方向，增强水下通信的方向感。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统，包括光信号发射系统和光信号接收系统，其特征在于：所述光信号发射系统包括音频输入设备、发射电路模块和发光器件，所述音频输入设备用于输入语音信号，所述发射电路模块用于将所述音频输入设备输入的语音信号转化为控制所述发光器件的控制信号；所述光信号接收系统包括光接收模块、接收电路模块和音频输出设备，所述光接收模块包括第一光接收器件和第二光接收器件，所述第一光接收器件和第二光接收器件用于接收来自不同方位的光信号，所述音频输出设备包括第一声道和第二声道，所述接收电路模块用于将所述第一光接收器件或第二光接收器接收的光信号转化为通过所述第一声道或第二声道播放的电信号。
本发明的工作原理为：
音频输入设备(麦克风)将语音信号输入，进入发射电路模块进行放大，然后分多路驱动多组LED发出随输入信号变化的光信号，实现光通信。当这些光信号被接收端的光电二极管接收到，转化为电信号，进入接收电路模块进行解调并放大，然后信号进入音频输出设备(双声道耳机)，如果是左侧的光电二极管接收到的光信号，则左声道能听到语音信号；如果是右侧的光电二极管接收到的光信号，则右声道能听到语音信号。
有益效果：
1.本发明接收系统左右两侧光电二极管分别通过接收电路模块后将语音信号送至耳机的左右声道加强了水下通信的方向感，能有效避免因悬浮状态和昏暗环境导致的水下眩晕；其次，多个潜水员在水下语音交流时，该系统能协助识别声源方向。
2. 本发明发射端接收端都配置了多组LED和光电二极管，增强了光信号的强度，提高了信噪比。
附图说明
图1为本发明一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统中发射系统框图；
图2为本发明一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统中接收系统框图；
图3为接收电路的左路信号放大电路；
图4为接收电路的右路信号放大电路；
图5为接收电路的音频放大电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明包括发射系统和接收系统。图1为本发明发射系统框图，如图1所示，发射系统包括：
音频输入设备，可以是麦克风等能将语音信号转化为电信号的设备；
发射电路模块，包括第一级信号放大电路和多组LED驱动电路，其中LED驱动电路主体为跨导放大器；例如可以采用CREE XPE系列蓝光LED，配合LM324运算放大器搭建的跨导放大器。
LED组，若干能发出光信号的LED。
首先，语音信号经过音频输入设备转换为电信号进入发射电路模块，经过第一级信号放大电路后分至多路LED驱动电路中经由各路跨导放大器放大后驱动LED发出光信号，实现了发射功能。
如图2所示，接收系统包括：
左右两组光电二极管，即将光信号转化为电信号的元器件；
接收电路模块，包括左路信号放大电路、右路信号放大电路及音频放大电路。其中左路信号放大电路包括左光电二极管和左放大电路，左光电二极管接左放大电路，输出接左耳。其中右路信号放大电路包括右光电二极管和右放大电路，右光电二极管接右放大电路，输出接右耳。
左路信号放大电路如图3所示，D1为光电二极管，连接至放大器U1的第6引脚即(-)端，在放大器U1的第5引脚即(+)端接电阻R1和电容C1。放大器U1的第6引脚即(-)端和输出端之间分别连接电阻R2和电容C2，图中，V1、V2和V3为高电平电压。
右路信号放大电路如图4所示，D2为光电二极管，连接至放大器U2的第2引脚即(-)端，在放大器U2的第3引脚即(+)端接电阻R4和电容C3。放大器U2的第2引脚即(-)端和输出端之间分别连接电阻R5和电容C4，图中，V4、V5和V6为高电平电压。
音频放大电路如图5所示。左路信号放大电路的输出端A与音频放大电路的输入端A端相连，并通过R3、C5、RP1、R7、R8、C7和C6连接至音频放大器，音频放大器最后将信号输出至音频输出设备的左声道。右路信号放大电路的输出端B与音频放大电路的输入端B端相连，并通过R6、C9、RP2、R9、R10、C10和C11连接至音频放大器，音频放大器最后将信号输出至音频输出设备的右声道。在本实施例中，音频放大器采用IC芯片。
音频输出设备，可以是立体声双声道耳机等设备。
首先，光信号经过光电二极管转换为电信号，输入至接收电路模块，经过信号放大电路放大后输出至音频输出设备，再转换为语音信号被人耳接收。如果信号被左侧的光电二极管接收，则最后信号输出至耳机左声道，如果信号被右侧的光电二极管接收，则最后信号输出至耳机右声道。
为了实现左右侧光电二极管方向增益不同，本发明提供两种实现方法：一是使用倾斜角度不同的光电二极管，使得左侧光电二极管对于右边的信号增益更低，右侧光电二极管对于左边的信号增益更低；二是使用不对称透镜，使得左侧的光电二极管只接收到左侧的光信号，右侧的光电二极管只接收到右侧的光信号。
综上所述，通过左右声道声音的区别，水下人员可以分辨出光信号的来源，即声源的方向，本发明有效提高了水下语音通信的方向感。

Claims (9)

1.一种带有方向感辅助功能的水下音频光通信系统，包括光信号发射系统和光信号接收系统，其特征在于：所述光信号发射系统包括音频输入设备、发射电路模块和发光器件，所述音频输入设备用于输入语音信号，所述发射电路模块用于将所述音频输入设备输入的语音信号转化为控制所述发光器件的控制信号；所述光信号接收系统包括光接收模块、接收电路模块和音频输出设备，所述光接收模块包括第一光接收器件和第二光接收器件，所述第一光接收器件和第二光接收器件用于接收来自不同方位的光信号，所述音频输出设备包括第一声道和第二声道，所述接收电路模块用于将所述第一光接收器件或第二光接收器接收的光信号转化为通过所述第一声道或第二声道播放的电信号；
所述第一声道为左声道，所述第一光接收器件设置在左侧用于接收左侧的光信号，所述接收电路模块用于将左侧的光信号转化为通过所述左声道播放的电信号；所述第二声道为右声道，所述第二光接收器件设置在右侧用于接收右侧的光信号，所述接收电路模块用于将右侧的光信号转化为通过所述右声道播放的电信号。
2.根据权利要求1所述的水下音频光通信系统，其特征在于：所述发光器件为多路。
3.根据权利要求1或2所述的水下音频光通信系统，其特征在于：所述发光器件为发光二极管。
4.根据权利要求1所述的水下音频光通信系统，其特征在于：所述第一光接收器件和第二光接收器件的增益不同。
5.根据权利要求1所述的水下音频光通信系统，其特征在于：所述第一光接收器件和第二光接收器件为光电二极管。
6.根据权利要求5所述的水下音频光通信系统，其特征在于：使用倾斜角度不同的光电二极管，使得左侧光电二极管对于右边的信号增益更低，右侧光电二极管对于左边的信号增益更低。
7.根据权利要求5所述的水下音频光通信系统，其特征在于：使用不对称透镜，使得左侧的光电二极管只接收到左侧的光信号，右侧的光电二极管只接收到右侧的光信号。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述水下音频光通信系统的水下音频光通信方法，其特征在于，包括：
将声音信号转化为通过发光器件发出的光信号；
根据接收到光信号的光接收器件的位置，控制与所述光接收器件位置对应的声道发出语音信号。
9.根据权利要求8所述的水下音频光通信方法，其特征在于，控制与所述光接收 器件位置对应的声道发出语音信号的方法是：左侧的光电二极管接收到光信号，则左声道发出语音信号；右侧的光电二极管接收到光信号，则右声道发出语音信号。
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