一種水下模擬語音通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)*

惠 輝 王宏偉

（北京信息科技大學(xué)理學(xué)院 北京 100192）

1 引言

伴隨著人類海洋活動(dòng)的日漸頻繁，水下通信系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)不僅僅局限于軍事領(lǐng)域，而慢慢拓展到了廣闊的民用領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域中要求對(duì)水下武器進(jìn)行控制指揮通信，例如：沿海岸基指揮中心與水下潛艇的通信，對(duì)于其他水下航行器的監(jiān)測(cè)與導(dǎo)航，艦艇與其他水下作戰(zhàn)平臺(tái)的通信指揮。民用領(lǐng)域中，如水下語音通信、工業(yè)用水下機(jī)器人與海上平臺(tái)的遙控指揮、海底水文信息的采集等等，而這些應(yīng)用無不加大了水下通信的需求。其中又因?yàn)楹Ｋ疄榱夹詫?dǎo)體，電磁波在水下傳播衰減嚴(yán)重，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，而聲波是人類至今已知唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式[1～5]，在海水的通信距離可達(dá)數(shù)十公里之遠(yuǎn)，因而水聲技術(shù)慢慢成為海洋開發(fā)利用的主導(dǎo)技術(shù)之一，其中水下語音通信在海洋科學(xué)考察，海洋資源探測(cè)以及軍事潛艇艦船訓(xùn)練等方面有廣泛的作用。

傳統(tǒng)有線通信方式雖然在傳輸距離與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)，但水下應(yīng)用場(chǎng)景中存在部署困難、部署區(qū)域受限、線纜水密性要求高等明顯缺點(diǎn)，難以大規(guī)模應(yīng)用。而聲波具有良好的水下傳播特性，其中10kHz的聲波在海水中衰減系數(shù)約為0.06dB/m[6]。傳輸?shù)男盘?hào)僅需通過換能器進(jìn)行電、聲的轉(zhuǎn)換即可以輕松發(fā)射，因此水聲通信具有傳輸距離長(zhǎng)，設(shè)備較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本文因此設(shè)計(jì)完成了一套水下模擬語音通信系統(tǒng)，將雙邊帶調(diào)制方法應(yīng)用于水聲語音通信技術(shù)之中，最終對(duì)于該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該語音通信系統(tǒng)能提供較高質(zhì)量的語音通信。

2 理論分析

本語音通信系統(tǒng)采用雙邊帶調(diào)制（Double-sideband modulation ，DSB）技術(shù)，即利用均值為零的模擬基帶信號(hào)m（t）與余弦載波信號(hào)c（t）相乘，從而余弦載波信號(hào)的幅度伴隨基帶信號(hào)做線性變化[7]。假設(shè)輸入的基帶信號(hào)沒有直流分量，我們可以將余弦載波信號(hào)設(shè)為

式中wc為余弦載波角頻率，A為余弦載波的幅度。

模擬基帶信號(hào)m（t）與余弦載波信號(hào)c（t）相乘（如圖1所示）可得：

圖1 DSB調(diào)制器

而最終傳輸至通信系統(tǒng)接收端的已調(diào)信號(hào)將通過相干解調(diào)的方法進(jìn)行解調(diào)，相干解調(diào)的基本框圖如圖2所示。

圖2 相干解調(diào)

其中經(jīng)相干解調(diào)所得信號(hào)Sp(t)為

3 水下模擬語音通信系統(tǒng)總體框架及硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由濕端部分的發(fā)射換能器和水聽器，以及干端部分的語音通信系統(tǒng)硬件模塊組成，系統(tǒng)的總體功能框圖如圖3所示。濕端的發(fā)射換能器與水聽器都使用諧振頻率為300KHz的水聲換能器，該水聲換能器具有寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)和高接收靈敏度的特點(diǎn)，能充分滿足水下模擬語音通信的需求。干端的語音通信系統(tǒng)硬件模塊主要由發(fā)射換能器的發(fā)射電路以及水聽器的接收電路組成，其中發(fā)射電路包含輸入語音信號(hào)的麥克風(fēng)、雙邊帶調(diào)制模塊以及功率放大器。接收電路包含高通濾波器（High Pass Filter，HPF）、相干解調(diào)模塊、帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）以及功率放大模塊等。系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)麥克風(fēng)輸入的本地語音信號(hào)經(jīng)過語音處理后經(jīng)發(fā)射換能器發(fā)射進(jìn)入水聲信道中，此時(shí)水聽器接收到該信號(hào)后再經(jīng)過接收處理播放出去，如此則完成一次工作。

圖3 水下模擬語音通信系統(tǒng)的總體框圖

3.1 水聲換能器

本語音通信系統(tǒng)傳輸部分使用的是諧振頻率為300KHz的水聲換能器，該水聲換能器由1-3型壓電復(fù)合材料[8～12]制作而成。1-3型壓電復(fù)合材料即一維連通的壓電陶瓷小柱平行排列于三維連通的聚合物中所構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，本換能器的壓電陶瓷部分為PZT-5，聚合物部分為環(huán)氧樹脂。首先使用ANSYS有限元仿真軟件設(shè)計(jì)并仿真由1-3型壓電復(fù)合材料制成的換能器敏感元件的結(jié)構(gòu)與尺寸，最終確定1-3型壓電復(fù)合材料長(zhǎng)為100mm，寬為20mm，高為5mm。經(jīng)切割填充法制備的1-3型壓電復(fù)合材料敏感元件如圖4所示。

圖4 1-3型壓電復(fù)合材料敏感元件

制備得到的1-3型壓電復(fù)合材料焊接電極引線后粘接硬質(zhì)泡沫塑料背襯以及金屬后蓋板，經(jīng)固化后灌封聚氨酯防水透聲層，最終制作得到的水聲換能器如圖5所示。

圖5 水聲換能器

通過使用比較法測(cè)試該換能器性能，即使用本換能器與一個(gè)已知參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)換能器進(jìn)行比較，從而測(cè)量出發(fā)送電壓響應(yīng)與接收靈敏度，可得該換能器發(fā)送電壓響應(yīng)最高達(dá)167.3dB，-3dB帶寬可達(dá)65kHz；接收靈敏度最高可達(dá)-183.0dB，-3dB帶寬可達(dá)50kHz，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其中圖（a）為發(fā)送電壓響應(yīng)，圖（b）為接收靈敏度。

圖6 水聲換能器測(cè)量結(jié)果

3.2 發(fā)射電路

水下模擬語音通信系統(tǒng)發(fā)射電路主要負(fù)責(zé)接收外界輸入的語音信號(hào)，輸入的語音信號(hào)通過DSB調(diào)制后再經(jīng)發(fā)射換能器發(fā)射進(jìn)入水聲信道中傳輸。發(fā)射電路主要由輸入語音信號(hào)的麥克風(fēng)、生成300KHz載波信號(hào)的STM32F103RCT6芯片及AD9833信號(hào)發(fā)生器模塊、進(jìn)行DSB調(diào)制的AD835乘法器模塊以及功率放大器組成，其電路原理框圖如圖7所示。

圖7 發(fā)射電路框圖

當(dāng)外界語音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)輸入后，與STM32F103RCT6控制的AD933信號(hào)發(fā)生器生成的300KHz正弦波在AD835乘法器模塊內(nèi)相乘，從而完成DSB調(diào)制，所生成的已調(diào)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后通過發(fā)射換能器發(fā)射進(jìn)入水聲信道中。使用DSB調(diào)制簡(jiǎn)單易行，可以有效提高信號(hào)的調(diào)制效率。

3.3 接收電路

當(dāng)發(fā)射換能器將已調(diào)的語音信號(hào)傳輸入水聲信道后，水聽器接收到該信號(hào)，此時(shí)需要相應(yīng)的接收電路，解調(diào)還原出原始的語音信號(hào)，接收電路原理框圖如圖8所示。

圖8 接收電路框圖

當(dāng)水聽器接收到水聲信道中的已調(diào)信號(hào)后，首先通過一個(gè)頻率為250KHz的高通濾波器，濾除傳輸中混雜的低頻干擾噪聲。處理后的信號(hào)與STM32F103RCT6控制的AD9833信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的300KHz正弦波在AD835乘法器模塊內(nèi)相乘，從而完成相干解調(diào)。乘法器輸出的信號(hào)傳輸至一個(gè)中心頻率范圍為10Hz～40KHz的帶通濾波器提取出我們所需要的語音信號(hào)。最后解調(diào)出的語音信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后，通過連接的揚(yáng)聲器播放。

4 水下模擬語音通信系統(tǒng)測(cè)試

4.1 水池試驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證制作完成的水下模擬語音通信系統(tǒng)能否正常工作，在實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)景布置示意圖如圖9所示，實(shí)際場(chǎng)景如圖10所示。發(fā)射換能器與水聽器分別置于水池兩端，分別連接發(fā)射電路與接收電路，其中換能器入水50cm，發(fā)射換能器與水聽器間距約為2m。

圖9 試驗(yàn)場(chǎng)景布置示意圖

圖10 實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)地

4.2 水下模擬語音通信測(cè)試

人能感知的聲音頻率范圍在20Hz～20kHz，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取一首歌作為輸入的語音信號(hào)，其中所采用輸入設(shè)備為麥克風(fēng)，而收聽設(shè)備為額定功率15W的2.5寸全頻喇叭揚(yáng)聲器，原始語音信號(hào)經(jīng)示波器測(cè)試后如圖11所示。

圖11 輸入的音頻信號(hào)

STM32F103RCT6控制的AD9833信號(hào)發(fā)生器生成的300kHz載波信號(hào)如圖12所示，輸入的語音信號(hào)與載波信號(hào)經(jīng)過乘法器DSB調(diào)制后的波形經(jīng)示波器測(cè)試后如圖13所示，可以看到經(jīng)過調(diào)制之后，語音信號(hào)的幅度信息已經(jīng)搭載到了300kHz載波信號(hào)上。

圖12 300kHz載波信號(hào)

圖13 DSB已調(diào)信號(hào)

水聽器接收電路接收到的傳輸信號(hào)如圖14所示，可以看到經(jīng)由水聲信道傳輸至水聽器的信號(hào)因多途效應(yīng)及環(huán)境噪聲的影響而出現(xiàn)了大量的毛刺。本水下模擬語音通信系統(tǒng)使用高通濾波器濾除信號(hào)中存在的低頻噪聲干擾，經(jīng)處理后的信號(hào)再與STM32F103RCT6控制的AD9833信號(hào)發(fā)生器生成的300KHz正弦波相干解調(diào)。經(jīng)乘法器輸出的信號(hào)再通過帶通濾波器提取所需的語音信號(hào)，所提取的語音信號(hào)如圖15所示。

圖14 水聽器接收的信號(hào)

圖15中，上端黃色信號(hào)為本模擬語音通信系統(tǒng)還原的音頻信號(hào)，下端綠色信號(hào)為輸入的原始音頻信號(hào)，可以看到還原的音頻信號(hào)與原始音頻信號(hào)的包絡(luò)變化大致一樣，只是因水聲信道本身存在的多徑效應(yīng)以及噪聲干擾使其與原始語音信號(hào)存在一定的差別。接收電路還原的音頻信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器播放，可清晰分辨語音，滿足水下模擬語音通信系統(tǒng)的要求。

圖15 提取的語音信號(hào)

5 結(jié)語

本文針對(duì)水聲通信的基本要求，基于DSB調(diào)制及相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)了水聲通信。設(shè)計(jì)制作并使用諧振頻率為300kHz的水聲換能器，設(shè)計(jì)了該換能器的發(fā)射及接收電路，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)的水下模擬語音通信系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室水池內(nèi)測(cè)試本系統(tǒng)，語音通信質(zhì)量良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以用來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量（可以清晰分辨語音）的實(shí)時(shí)模擬語音通信。

現(xiàn)在本系統(tǒng)還需要在不同的測(cè)試環(huán)境下做進(jìn)一步的測(cè)試和改進(jìn)，也需要進(jìn)一步加強(qiáng)語音通信質(zhì)量，以減小水聲信道多徑效應(yīng)和噪聲的影響。