CN206533360U - 便携式水下数字对讲机通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式水下数字对讲机通信系统，包括信号采集/播放模块，将语音输入信号量化成数字语音信号或还原播放以及对目标节点间的定位信息采集和还原播放；编解码模块，对数字语音信号或定位信号的压缩及解压缩；控制模块，对所述经编解码模块压缩或解压缩后的信号的控制等；调制解调控制模块，对压缩或解压缩后的信号的调制或解调；模拟前端模块，完成换能器端接收信号的输入，放大及采集；数据存储模块，完成对原始数据的存储；本实用新型对水声信道具备自适应能力，而且可以灵活地进行参数配置、模式切换、距离选择、压缩码率切换；解码后的还原语音效果清晰，音色自然，更具备小型化、模块化，便于系统集成，易于移植等优点。

Description

便携式水下数字对讲机通信系统

技术领域

本实用新型涉及一种便携式水下数字对讲机通信系统，特别是涉及数字对讲机语音通信、测距（定位），实现水下蛙人之间通信、水下潜器之间通信、多个节点之间的相互测距等水下作业。

背景技术

近年来，随着人类开发利用海洋资源步伐的加快，水下语音通信系统及方法的研究越来越受到人们的重视，应用领域众多。例如：蛙人通信、水下潜器之间通信、水下通信节点之间的定位等水下作业。

随着数字信号处理技术的迅速发展和大规模集成电路技术的广泛应用，数字信号处理器以其高效计算能力和灵活的编程方式越来越受到开发者的青睐，语音通信也逐步的进入了以数字信号处理器为核心的高速数字通信时代，数字式语音通信系统则体现出了便于加密、小型化、易于集成等数字化处理的优越性能。

本实用新型就是以此为背景，以 AMBE-3000（语音编解码芯片）芯片和TMS320C6455（信号处理器）芯片为主体设计的语音通信系统，实现语音实时通信及水下目标节点的定位。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种通信更稳定的便携式水下数字对讲机通信系统，可完成电源管理、语音采集、语音编解码、语音控制、水声信号发射、水声信号接收、语音播放等功能。

本实用新型提供的便携式水下数字对讲机通信系统的特征在于：所述系统包括：

信号采集/播放模块，包括送话器、编解码器以及扬声器，用于实现对所述送话器的语音输入信号进行量化成数字语音信号，或对由所述编解码器解压缩之后的语音数据进行还原播放或者对目标节点间的定位信息进行采集和还原播放；

编解码模块，用于实现对所述的量化后的数字语音信号或定位信号（目标节点之间的定位信息）的压缩及解压缩功能；

控制模块，用于实现对所述经编解码模块压缩或解压缩后的信号（包括数字语音信号或定位信号）的控制、可编程逻辑器的电源控制及数据交互以及传感器的控制等、工作参数（包括电量、音量、距离、模式）的控制；

调制解调控制模块，包括可编程逻辑器、信号处理器，用于实现对所述编解码模块压缩或解压缩后的信号（包括数字语音信号或定位信号）的调制或解调；

模拟前端模块，包括发射单元和接收单元，该接收单元包括前置放大器，信号调理电路和模数转换器，用以完成换能器端接收信号的输入，放大及采集；该发射单元包括数模转换器，音频功放，变压器，匹配电感及换能器，用以完成经所述调制解调控制模块调制后的调制信号的电与声信号的转换。

数据存储模块，包括可编程逻辑器和存储卡，完成对所述信号采集/播放模块采集到的原始数据（包括发射端的发射信号和送话器输入的采集信号）的存储；

电源管理模块，包括对高压和低压两部分的电源管理，该高压电源可直接给发射机供电，该低压电源主要用于给所述系统的模拟、数字部分提供电源。

进一步的，上述便携式水下数字对讲机通信系统还包括：

传感器：该传感器包括温度传感器/湿度传感器/心电传感器等，主要用来监控本系统的温湿度状态及心率状态等。

存储器：主要是用以存储所述信号处理器中的数据处理中间数据等。

闪存：主要用以固化所述信号处理器中的烧写程序代码，实现信号处理器的脱机自启动功能。

上述本实用新型提供的便携式数字水下对讲机通信系统可以分别实现语音信号和定位信号的发送和接收功能，其工作过程如下：

（一）语音通信过程

发射端：信号采集/播放模块首先从送话器处采集到模拟语音信号，然后将该模拟语音信号量化成数字语音信号，并将该数字语音信号经过编解码模块进行压缩后，送给所述控制模块，该控制模块再将该压缩后的数字语音信号送给所述的调制解调控制模块中的可编程逻辑器，该可编程逻辑器接着将该数字语音信号送给调制解调控制模块中的信号处理器，该信号处理器接收到该数字语音信号后，首先将该数字语音信号进行加密，然后再将该加密后的数字语音信号调制成水声信号，并将该调制完后的水声信号再传给所述的可编程逻辑器，该可编程逻辑器将该水声信号送给所述模拟前端的发射单元进行发射。

接收端：水声信号通过所述模拟前端的接收单元送给所述调制解调控制模块中的可编程逻辑器，由该可编程逻辑器将该水声信号送给所述调制解调控制模块中的信号处理器，由该信号处理器对该水声信号进行解调后生成数字语音信号，并将该解调后的数字语音信号进行解密，该解密后的数字语音信号送给所述可编程逻辑器，由该可编程逻辑器将该数字语音信号送给控制模块，然后该控制模块再将该数字语音信号送给所述编解码模块进行解压缩，该解压缩之后的数字语音信号送至所述采集/播放模块进行还原，然后经扬声器播放。

（二）定位通信过程

发射端：所述的控制模块将该控制模块产生的定位用的定位信号送给所述调制解调控制模块中的可编程逻辑器，由该可编程逻辑器将该定位信号送给该调制解调控制模块中的信号处理器，该信号处理器首先将该定位信号进行加密后，将该加密后的定位信号调制成水声信号，并将该调制完后的水声信号再传给该可编程逻辑器，再由该可编程逻辑器将该水声信号送给所述模拟前端模块的发射单元进行发射。

接收端：水声信号通过所述模拟前端模块的接收单元送给所述可编程逻辑器，然后该可编程逻辑器将该水声信号送给所述信号处理器，接着，该信号处理器对该水声信号进行解调，然后，由该信号处理器将解调后的定位信号进行解密，解密后的该定位信号送给所述可编程逻辑器，接着，该可编程逻辑器将该定位信号送给所述单片机，该单片机通过校验获取到的该定位信号，然后计算水下目标节点的距离。

本实用新型提供的便携式水下数字对讲机通信系统的优点在于：对水声信道具备自适应能力，而且可以灵活地进行参数配置、模式切换、距离选择、压缩码率切换；解码后的还原语音效果清晰，音色自然，更具备小型化、模块化，便于系统集成，易于移植等优点。

附图说明

图1是本实用新型便携式水下数字对讲机通信系统实施例结构示意框图。

具体实施方式

为使公众进一步了解本实用新型所采用之技术、手段及其有益效果，特举实施例并配合附图详细说明如下，相信当可由之得以深入而具体的了解。

图1是本实施例便携式水下数字对讲机通信系统结构框图，该系统可以分别实现水下通信系统的语音信号和定位信号的发送和接收功能，如图1所示，该便携式水下数字对讲机通信系统主要包括电源管理模块、信号采集/播放模块、编解码模块、控制模块、调制解调模块、模拟前端模块及数据存储模块等，其中：

电源管理模块，包括高压、低压两部分电源管理。高压电源可直接给发射端的发射机供电。高压电源降压后得到低压电源，其主要给本实施例系统的模拟、数字部分提供电源。本实施例的电压输入具备宽压范围（24V至36V），可为发射机直接供电，经过分压处理可以为信号处理器、可编程逻辑器及单片机等提供低压供电。

信号采集/播放模块，主要由送话器、编解码器、扬声器构成，用于实现对送话器的语音输入信号进行量化成数字语音信号，或对编解码器解压缩之后的语音数据进行还原播放或者对目标节点间的定位信息进行采集和还原播放。本实施例采用抗噪声送话器，其灵敏度为-66±3dB（1000Hz 0dB=1V/μpar），频率响应为200～4000Hz，阻抗约180欧；编解码器为TLV320AIC12K，它是一款低成本、低功耗、高性能的单通道语音编解码芯片，包含了1路16位A/D和1路16位D/A。TLV320AIC12k实现智能时分多路串行端口（SMARTDM），它是一个同步的4线串行端口，该端口支持连续数据传输模式和动态重新配置模式。TLV320AIC12k可以无缝连接到任何SMARTDM级联装置，形成多通道编解码器；扬声器由D类音频放大器SSM2375构成，其具有高效率、高功率、低谐波失真和低静态电流等优点。

编解码模块，主要由声码器构成，用于实现对经信号采集/播放模块量化后的数字语音信号或定位信号（目标节点之间的定位信息）的压缩及解压缩功能。本实施例的编解码模块由DVSI公司的AMBE3000声码器构成,其在速率低至2000bps时仍保持相当好的语音质量，它可以在半双工和全双工状态工作，另外，AMBE3000具有2kbps～9.6kbps、步进50bps可控的编码速率，可变的前向纠错速率为50bps～7.2kbps，可以改善误码传输。

控制模块，主要由单片机构成，用于实现对所述编解码模块的压缩或解压缩后的信号（包括数字语音信号或定位信号）输出的控制、可编程逻辑器的电源控制及数据交互以及传感器的控制等、工作参数（包括电量、音量、距离、模式）的控制。本实施例的单片机为TI生产的MSP430系列的单片机，具有25MHZ的16位的RISC、3通道的DMA、2组USCI多功能通用串口等特点。

调制解调控制模块，主要由可编程逻辑器、信号处理器等构成，用于实现对所述编解码模块压缩或解压缩后的信号（包括数字语音信号或定位信号）的的调制或解调。本实施例中的可编程逻辑器由Lattice公司生产的FPGA构成，型号是ECP3-70EA-484，主要完成信号采集，传感器信号采集，发射机控制以及辅助计算的工作。ECP3-70EA-484采用BGA封装使得它的体积更小，信号完整性更高，FPGA的规模达到了67K逻辑单元，并带有128个18×18的增强型DSP单元；信号处理器采用由TI生产的定点信号处理器TMS320C6455。其中，该定点信号处理器TMS320C6455包括：一片ST公司生产的S29AL032D70TA的NORflash，容量是32Mbit，位宽是8位；2片MICRON公司生产的MT47H64M16HR 的DDR2，单片容量是1024Mbit，位宽是16位；子卡模块具备400脚的HPC接口。

模拟前端模块，主要包括发射单元和接收单元。接收单元由前置放大器，信号调理电路和模数转换器构成，用以完成换能器端接收信号的输入，放大及采集。发射单元由数模转换器，音频功放，变压器，匹配电感及换能器构成，用以完成经所述调制解调控制模块调制后的调制信号的电与声信号的转换。本实施例的模拟前端模块采用前置放大电路、带通滤波器和自动增益电路（AGC），还有后级的ADC模数转换器组成，模拟前端模块采用正负电源供电。带通滤波器的运放采用AD8656运算放大器实现，自动增益电路使用VCA810实现。而后部的模数转换器ADC采用ADI公司生产的AD7980实现。ADC由FPGA采用SPI串行总线控制。整个模拟前端模块的功耗小于260mW。

数据存储模块，主要由所述调制解调控制模块中的可编程逻辑器和存储卡构成，用于完成对所述信号采集/播放模块采集到的原始数据（包括发射端的发射信号和送话器输入的采集信号）的存储。

以上本实施例中电源管理模块、信号采集/播放模块、编解码模块、控制模块、调制解调模块、模拟前端模块及数据存储模块等，均可采用目前现有之技术实现，故此处不作赘述。

进一步的，图1所示的上述便携式水下数字对讲机通信系统还设置传感器，存储器以及闪存等。该传感器包括温度传感器/湿度传感器/心电传感器等，主要用来监控本系统的温湿度状态及心率状态等。存储器主要是用以存储所述信号处理器中的数据处理中间数据等。而闪存则主要可用以固化所述信号处理器中的烧写程序代码，实现信号处理器的脱机自启动功能。

上述实施例提供的便携式数字水下对讲机通信系统在作为语音信号的发射端或者接收端时以及在作为定位信号的发射端或者接收端时的实施过程如下所述：

（一）语音通信实施过程

发射端：信号采集/播放模块首先从抗噪声送话器处采集到模拟语音信号，然后将该模拟语音信号量化成数字语音信号，并将该数字语音信号经过AMBE3000声码器进行压缩后，通过串口送给MSP430单片机，该MSP430单片机再通过串行总线将该压缩后的数字语音信号送给所述的调制解调控制模块中的ECP3-70EA-484可编程逻辑器，该ECP3-70EA-484可编程逻辑器接着通过多通道缓冲串口将该数字语音信号送给调制解调控制模块中的信号处理器TMS320C6455，该TMS320C6455信号处理器接收到该数字语音信号后，首先将该数字语音信号进行加密，然后再将该加密后的数字语音信号调制成水声信号，并将该调制完后的水声信号再通过多通道缓冲串口传给所述的可编程逻辑器ECP3-70EA-484，该可编程逻辑器将该水声信号送给所述模拟前端的发射单元进行发射。

接收端：水声信号通过所述模拟前端的接收单元送给调制解调模块中的可编程逻辑器ECP3-70EA-484，由该可编程逻辑器ECP3-70EA-484将该水声信号通过多通道缓冲串口送给所述调制解调控制模块中的信号处理器TMS320C6455，由该TMS320C6455信号处理器对该水声信号进行解调后生成数字语音信号，并将该解调后的数字语音信号进行解密，该解密后的数字语音信号通过多通道缓冲串口送给所述可编程逻辑器ECP3-70EA-484，由该可编程逻辑器将该数字语音信号通过串行总线送给MSP430单片机，然后该MSP430单片机再通过串口将该数字语音信号送给所述AMBE3000声码器进行解压缩，该解压缩之后的数字语音信号送至语音采集/播放模块进行还原，然后经扬声器播放。

（二）定位通信实施过程

发射端：所述的MSP430单片机通过串行总线将该MSP430单片机产生的定位用的定位信号送给调制解调控制模块中的ECP3-70EA-484可编程逻辑器，由该可编程逻辑器ECP3-70EA-484通过多通道缓冲串口将该定位信号送给调制解调控制模块中的信号处理器TMS320C6455，该TMS320C6455信号处理器首先将该定位信号进行加密后，将该加密后的定位信号调制成水声信号，并将该调制完后的水声信号再通过多通道缓冲串口传给该可编程逻辑器ECP3-70EA-484，再由该可编程逻辑器将该水声信号送给所述模拟前端模块的发射单元进行发射。

接收端：水声信号通过模拟前端模块的接收单元送给可编程逻辑器ECP3-70EA-484，然后可编程逻辑器ECP3-70EA-484将水声信号通过多通道缓冲串口送给信号处理器TMS320C6455，接着，信号处理器TMS320C6455对该水声信号进行解调，然后，信号处理器将解调后的定位信号进行解密，解密后的定位信号通过多通道缓冲串口送给可编程逻辑器，接着，可编程逻辑器将该定位信号通过串行总线送给MSP430单片机，MSP430单片机通过校验获取到的定位信号，然后计算水下目标节点的距离。

Claims (4)

1.一种便携式水下数字对讲机通信系统，其特征在于：所述系统包括：

信号采集/播放模块，包括送话器、编解码器以及扬声器，用于实现对所述送话器的语音输入信号进行量化成数字语音信号，或对由所述编解码器解压缩之后的语音数据进行还原播放或者对目标节点间的定位信息进行采集和还原播放；

编解码模块，用于实现对所述的量化后的数字语音信号或定位信号的压缩及解压缩功能；

控制模块，用于实现对所述经编解码模块压缩或解压缩后的信号的控制、可编程逻辑器的电源控制及数据交互以及传感器的控制、工作参数的控制；

调制解调控制模块，包括可编程逻辑器、信号处理器，用于实现对所述编解码模块压缩或解压缩后的信号的调制或解调；

模拟前端模块，包括发射单元和接收单元，该接收单元包括前置放大器，信号调理电路和模数转换器，用以完成换能器端接收信号的输入，放大及采集；该发射单元包括数模转换器，音频功放，变压器，匹配电感及换能器，用以完成经所述调制解调控制模块调制后的调制信号的电与声信号的转换；

数据存储模块，包括可编程逻辑器和存储卡，完成对所述信号采集/播放模块采集到的原始数据的存储；

电源管理模块，包括对高压和低压两部分的电源管理，该高压电源可直接给发射机供电，该低压电源主要用于给所述系统的模拟、数字部分提供电源。

2.根据权利要求1所述的便携式水下数字对讲机通信系统，其特征在于：所述系统还包括传感器。

3.根据权利要求1所述的便携式水下数字对讲机通信系统，其特征在于：所述系统还包括存储器。

4.根据权利要求1所述的便携式水下数字对讲机通信系统，其特征在于：所述系统还包括闪存。