CN202759453U - 适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无线传输技术领域，具体涉及一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统。本传输系统包括如下组成部分：输入端与编码器的输出端相连、输出端与解码器的输入端相连、且与调制解调器以及控制器均双向连接的路由器；用于将调制解调器所输出的中频信号转换成射频信号后输送至电声转换器的发射通道；用于将射频信号和声频信号彼此转换并输出的电声转换器；用于对电声转换器输出的射频信号转换成中频信号后输送至调制解调器的接收通道；用于处理信息和发出控制指令的控制器。本实用新型不但结构简单，投入成本低，而且体积小、重量轻，能够在水中以无线的模式实时传输图像和语音以及各种数据，同时数据传输速率高，通讯质量高。

Description

适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统

技术领域

本实用新型属于无线传输技术领域，具体涉及一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统。

背景技术

水下通讯对于水下探测工作有着十分重要而特殊的意义。

现有技术中，水下探测技术通常分为三种：

其一为潜水员的人工操作，现阶段水底光缆的探测，光缆维护，水库大坝的探测与维护，跨水桥梁的探测与维护，沉船探测与打捞，港口水下警戒反恐，海洋钻井平台的警戒反恐，江河、湖泊、海洋底部探测与考察，这些探测活动大部分通过潜水员的人工操作完成。人工操作有两大难以回避的问题，一则潜水员人数有限，难以及时展开探测工作；二则操作风险极高，极易危及潜水员的生命安全；

其二为用电缆连接的深水通讯设备，这种探测方式降低了水下航行体的机动性，使探测的实际效果受到极大的限制；

其三为水下机器人，对于超过500米的水深区域的探测，潜水员的人工操作和电缆连接的深水通讯设备均无法实现，因此必须借助水下机器人才能开展，但由于水下机器人造价过高，只有特种行业及军事用途时才有财力可用，一般行业则只能望洋兴叹。

由于上述三种技术均存在着难以克服的缺陷，因此使得需要水下探测和维护的企业往往由于不能及时发现安全隐患而造成安全事故、进而造成不可估量的财产损失。但由于深水无线传输不同于地面无线传输，电磁波在水中是难以传输的，因此如何较好地实现深水通讯设备的无线传输问题是一个十分迫切地需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其不但结构简单，投入成本低，而且能够较好地实现深水通讯设备在水下的无线传输问题，同时数据传输速率高，通讯质量高。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，本传输系统包括如下组成部分：

编码器，用于将所收到的视音频模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至路由器；

路由器，所述路由器的输入端与编码器的输出端相连，路由器的输出端与解码器的输入端相连；且所述路由器与调制解调器以及路由器与控制器均为双向连接；

调制解调器，用于对基带信号进行调制并输出中频信号，以及对接收的中频信号进行解调输出基带信号，同时用于向发射通道、接收通道和电声转换器发出同步脉冲；

发射通道，用于将调制解调器所输出的中频信号转换成射频信号后输送至电声转换器；

电声转换器，用于将所述发射通道输出的射频信号转换为便于在水中传输的声频信号，并将接收的声频信号转换为射频信号后输出至接收通道，以及对接收、发送的射频信号进行隔离；

接收通道，用于对所述电声转换器输出的射频信号转换成中频信号后输送至调制解调器；

解码器，用于将自路由器传输来的数字信号转换为视音频模拟信号后输出；

控制器，用于处理接收到的信息和发出控制指令，以完成通讯过程。

本实用新型还可以通过以下方式得以进一步实现：

优选的，所述编码器为H.264编码器，所述解码器为H.264解码器。

优选的，所述电声转换器中的压电材料为电声转换效率≥75％的铌酸锂晶体。

进一步的，所述发射通道包括如下单元：

上变频单元，用于将所述调制解调器输出的中频信号变为射频信号，并将射频信号输出至功放单元，并为功放单元提供激励电平；

功放单元，用于将所述上变频单元输出的射频信号的功率放大至设定的辐射功率，然后将射频信号输出至电声转换器。

进一步的，所述接收通道包括如下单元：

滤波单元，用于对所述电声转换器输出的射频信号进行滤波后输出至自动增益放大单元；

自动增益放大单元，用于对所述滤波单元输出的射频信号进行放大后输出至下变频单元；

下变频单元，用于将自动增益放大单元输出的射频信号变为中频信号，并将中频信号输出至低噪放大器；

低噪放大器，用于对下变频单元输出的中频信号进行放大，并为所述调制解调器的解调提供幅度满足要求的输入电平。

优选的，所述调制解调器为基于QAM调制的OFDMA数字载波变换调制解调器。

优选的，所述功放单元为数字式高线性功率放大器。

优选的，所述调制解调器上设有RS232密钥注入口。

本实用新型的有益效果在于：

1、本适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统采用同频双工(TDD)工作模式，不但结构简单，投入成本低，而且体积小、重量轻，能够在水中以无线的模式实时传输图像和语音以及各种数据。

2、本适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统的传输速率≥512kbps，是声纳传输码流量8kbps的60倍，数据传输速率高且通讯质量高。

3、本适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统中的电声转换器中设置有铌酸锂晶体，电声转换效率≥75％。

4、本实用新型中的调制调制器采用1024QAM调制方式，具备OFDM并行1655个子载波传输性能，在工作中调制器可根据动态信道质量，自动动态选择调制结数，如8QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。该调制器采用捷变频率和捷变收发电平软件控制，具备高度智能化。

5、本实用新型中的调制调制器可通过RS232密钥注入口加设128位的密钥码，并可随时更改，保密等级高，同时确保了信息的安全性能。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是发射通道的结构示意图；

图3是接收通道的结构示意图；

图4是调制调制器的结构图；

图5是数字上变频器的结构图；

图6是数字下变频器的结构图；

图7是数字AGC放大器的结构图；

图8是数字高线性功率放大器的结构图。

图中标注符号的含义如下：

10-调制解调器    20-发射通道    21-上变频单元

22-功放单元    30-接收通道    31-滤波单元

32-自动增益放大单元    33-下变频单元    34-低噪放大器

40-电声转换器    50-路由器    60-解码器    70-编码器

80-控制器

具体实施方式

如图1所示，一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，本传输系统包括如下组成部分：

编码器70，用于将所收到的视音频模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至路由器50；

路由器50，所述路由器50的输入端与编码器70的输出端相连，路由器50的输出端与解码器60的输入端相连；且所述路由器50与调制解调器10以及路由器50与控制器80均为双向连接；

调制解调器10，用于对基带信号进行调制并输出中频信号，以及对接收的中频信号进行解调输出基带信号，同时用于向发射通道20、接收通道30和电声转换器40发出同步脉冲；

发射通道20，用于将调制解调器10所输出的中频信号转换成射频信号后输送至电声转换器40；

电声转换器40，用于将所述发射通道20输出的射频信号转换为便于在水中传输的声频信号，并将接收的声频信号转换为射频信号后输出至接收通道30，以及对接收、发送的射频信号进行隔离；

接收通道30，用于对所述电声转换器40输出的射频信号转换成中频信号后输送至调制解调器10；

解码器60，用于将自路由器50传输来的数字信号转换为视音频模拟信号后输出；

控制器80，用于处理接收到的信息和发出控制指令，以完成通讯过程。

优选的，所述编码器70为H.264编码器，所述解码器60为H.264解码器。

H.264编解码器也即全高清H.264编解码器，能够实现全高清低延时H.264编码和解码功能，可以使用标准以太网络和WiFi无线网络传输H.264视频(包括高清电视或计算机图像)、语音、控制(鼠标或键盘)，解码器输出的音视频和控制信号同原始视频信号保持完全同步，可以点对点传输也可以实现多点对多点互联，并可以实现多种信息格式互换。

优选的，所述电声转换器40中的压电材料为电声转换效率≥75％的铌酸锂晶体。

进一步的，如图2所示，所述发射通道20包括如下单元：

上变频单元21，用于将所述调制解调器10输出的中频信号变为射频信号，并将射频信号输出至功放单元22，并为功放单元22提供激励电平；

功放单元22，用于将所述上变频单元21输出的射频信号的功率放大至设定的辐射功率，然后将射频信号输出至电声转换器40。

进一步的，如图3所示，所述接收通道30包括如下单元：

滤波单元31，用于对所述电声转换器40输出的射频信号进行滤波后输出至自动增益放大单元32；

自动增益放大单元32，用于对所述滤波单元31输出的射频信号进行放大后输出至下变频单元33；

下变频单元33，用于将自动增益放大单元32输出的射频信号变为中频信号，并将中频信号输出至低噪放大器34；

低噪放大器34，用于对下变频单元33输出的中频信号进行放大，并为所述调制解调器10的解调提供幅度满足要求的输入电平。

优选的，所述调制解调器10为基于QAM调制的OFDMA数字载波变换调制解调器。

调制解调器10向发射通道20发出的同步脉冲，由发射通道20中的上变频单元21和功放单元22接收；调制解调器10向接收通道30发出的同步脉冲，由接收通道30中的滤波单元31、自动增益放大单元32、下变频单元33和低噪放大器34接收。

优选的，所述功放单元22为数字式高线性功率放大器。

优选的，所述调制解调器上设有RS232密钥注入口。

下面结合图1～6对本实用新型作进一步详细阐述。

本实用新型为双工型，含接收、发射为一体。

如图1所示，工作时，本实用新型在水下设备和岸基接收设备上各安装一套。安装在水下设备的本实用新型通过编码器70也即H.264编码器接收水下摄像头摄入的模拟图像，所述模拟图像由H.264编码器数字化形成512Kbps的数据流，该数据流由路由器50也即智能路由器送入100KHZ模拟带宽、可传输1Mbps码流的调制解调器10也即OFDM调制器进行数字调制，然后由发射通道20送至电声转换器40处以将电信号转换为便于在水中传输的声频信号；岸基接收设备上的电声转换器40将此声频信号转换为电信号，岸基接收设备上的接收通道30解调制为数据流，再由岸基接收设备上的路由器50送入60也即解码器H.264解码器解码解压，软件视频消噪后输出模拟图像，每秒25帧。

水下设备上的控制器和岸基接收设备上的控制器80控制水上水下设备的数据交换，进而控制水下设备的工作姿态，最终完成通讯过程。

如图2所示，发射通道20：调制解调器10将输入的基带信号利用码分多址的方式调制在经傅里叶对单载波分解的1655个子载波上，形成频分复用的OFDM制式，输出一个30.56MHZ的已调波信号。同时由原子钟振荡产生自由时控脉冲，控制整机的收发转换，上变频单元21将IF信号转变为RF信号并放大RF信号至0dbm，功放单元22也即数字式高线性功率放大器将0dbm的信号放大至40dbm经电声转换器40发射，占空比为1∶1。

如图3所示，接收通道30：电声转换器40接收的同频空间信号经过通道滤波，以提高抗干扰能力，由低噪并具有AGC功能的运算放大器为下变频单元33提供-10dbm的入口电平，下变频单元33将RF信号变为IF信号，电平为-5dbm～-10dbm输入解调器解调为基带信号，该基带信号再由智能路由器按IP地址分配至终端。

如图4所示，所述的调制解调器10为基于正交幅度调制(QAM)调制的正交频分多址(OFDMA)数字网络载波变换调制解调器。OFDMA调制采用多址接入方式以解决多个用户共用信道的问题，是一种正交的OFDM调制，也即将一个载波由傅里叶变换的模式形成1655个子载波，基带信号按码分多址的方式分配调制在子载波上，这样每个子载波所携带的数据量就只有7Kbps，有利于在传输过程克服多径干扰和多普勒频移，该调制信号并携带有向前向后纠错的索罗门码和卷积交织码，这些措施的采取可使传输过程的误码率高达10^-9以上。而解调过程为调制过程的逆向运算。同时本调制解调器设有RS232密钥注入口，可加128位的密钥码并随机更改，确保了传输信息的安全。本调制解调器由原子钟产生的时控脉冲控制整机收发转换，实现双工。且本调制解调器能智能侦测传输链路的质量状况，并智能加载传输数据量，满负荷可传输100Mbps数据，处于国际领先水平。

如图5、6所示，上变频单元21包括上变频器，下变频单元33包括下变频器。所述上、下变频器为频率转移件，将IF变为RF或将RF变为IF。上、下变频器采用一个高稳定恒温本振源，这样使变频器下变时的IF信号不会产生频率漂移而超过解调器的捕捉范围造成误码。上变频器有放大器为功放单元22提供电平匹配，下变频器与低噪放大器34相连为解调器提供电平匹配。

如图7所示，所述自动增益放大单元32也即数字AGC放大器，该部件的功能是将接收到的空间微弱信号，在抑制噪声的状态放大至下变频器所需的电平，同时运算放大器具有100db的AGC功能，可在接收电平产生大的波动时稳定输出。

所述低噪放大器34为数字中频低噪放大器，也即为缓冲击低噪放大器，以隔离抑制下变频器带来的噪声，并为调制解调器10提供足够的电平需求。

OFDM调制方式的无线传输对通道有极高的相位噪声和线性保真要求。如图8所示，所述功放单元22采用数字高线性功率放大器，数字高线性功率放大器是产生信号非线性失真的主要部件，该组件末级采用高线性菲利浦公司生产的MS555场效应管，该管动态范围大，线性输出能力强，并采用3db微带分配合成技术，使该组件在额定功率输出时交互调指标达55db以上。在整机使用时该组件功率回退10DB，确保整机线性技术指标。

Claims (8)

1.一种适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于本传输系统包括如下组成部分：

编码器(70)，用于将所收到的视音频模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至路由器(50)；

路由器(50)，所述路由器(50)的输入端与编码器(70)的输出端相连，路由器(50)的输出端与解码器(60)的输入端相连；且所述路由器(50)与调制解调器(10)以及路由器(50)与控制器(80)均为双向连接；

调制解调器(10)，用于对基带信号进行调制并输出中频信号，以及对接收的中频信号进行解调输出基带信号，同时用于向发射通道(20)、接收通道(30)和电声转换器(40)发出同步脉冲；

发射通道(20)，用于将调制解调器(10)所输出的中频信号转换成射频信号后输送至电声转换器(40)；

电声转换器(40)，用于将所述发射通道(20)输出的射频信号转换为便于在水中传输的声频信号，并将接收的声频信号转换为射频信号后输出至接收通道(30)，以及对接收、发送的射频信号进行隔离；

接收通道(30)，用于对所述电声转换器(40)输出的射频信号转换成中频信号后输送至调制解调器(10)；

解码器(60)，用于将自路由器(50)传输来的数字信号转换为视音频模拟信号后输出；

控制器(80)，用于处理接收到的信息和发出控制指令，以完成通讯过程。

2.根据权利要求1所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于：所述编码器(70)为H.264编码器，所述解码器(60)为H.264解码器。

3.根据权利要求1所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于：所述电声转换器(40)中的压电材料为电声转换效率≥75％的铌酸锂晶体。

4.根据权利要求1或2或3所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于所述发射通道(20)包括如下单元：

上变频单元(21)，用于将所述调制解调器(10)输出的中频信号变为射频信号，并将射频信号输出至功放单元(22)，并为功放单元(22)提供激励电平；

功放单元(22)，用于将所述上变频单元(21)输出的射频信号的功率放大至设定的辐射功率，然后将射频信号输出至电声转换器(40)。

5.根据权利要求1或2或3所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于所述接收通道(30)包括如下单元：

滤波单元(31)，用于对所述电声转换器(40)输出的射频信号进行滤波后输出至自动增益放大单元(32)；

自动增益放大单元(32)，用于对所述滤波单元(31)输出的射频信号进行放大后输出至下变频单元(33)；

下变频单元(33)，用于将自动增益放大单元(32)输出的射频信号变为中频信号，并将中频信号输出至低噪放大器(34)；

低噪放大器(34)，用于对下变频单元(33)输出的中频信号进行放大，并为所述调制解调器(10)的解调提供幅度满足要求的输入电平。

6.根据权利要求1或2或3所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于：所述调制解调器(10)为基于QAM调制的OFDMA数字载波变换调制解调器。

7.根据权利要求4所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于：所述功放单元(22)为数字式高线性功率放大器。

8.根据权利要求6所述的适用于水下工况的同频双向视音频、数据传输系统，其特征在于：所述调制解调器上设有RS232密钥注入口。

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