一种水声通信设备及方法与流程

本发明实施例涉及水声通信技术领域，具体涉及一种水声通信设备及方法。

背景技术

水声通信是目前为止水下进行远距离无线通信的唯一可行的通信方式。

绝大多数水下无线组网应用场景(如水下潜器的组网)对移动性、海洋复杂环境的适应性、节能性(采用电池供电)等方面有较高要求。为了满足上述要求，因此有必要提供一种体积小、灵活性高、低功耗且具备组网功能的水声通信设备。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种水声通信设备及方法。

有鉴于此，第一方面，本发明实施例提供一种水声通信设备，包括：水声换能器、主控板、前级放大器、功率放大器和电源装置；

所述电源装置分别与所述水声换能器、主控板、前级放大器和功率放大器连接，用于供电；

所述水声换能器的输出端与前级放大器的输入端连接；所述水声换能器的输入端与功率放大器的输出端连接；

所述主控板分别与所述前级放大器的输出端和功率放大器的输入端连接；

所述主控板、前级放大器、功率放大器和电源装置层叠设置组成多层电路板堆叠结构。

可选的，所述主控板包括数模转换器、模数转换器、dsp处理器和外部通信接口；

所述模数转换器的输入端与所述前级放大器输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述dsp处理器连接；

所述数模转换器的输入端与所述dsp处理器连接，所述数模转换器的输出端与所述功率放大器的输入端连接；

所述dsp处理器还与所述外部通信接口连接。

可选的，所述dsp处理器包括调制解调模块和第一通信模块；

所述调制解调模块与所述第一通信模块连接；

所述调制解调模块还分别与所述模数转换器、数模转换器和外部通信接口连接。

可选的，所述主控板还包括：

arm处理器，所述arm处理器分别与所述第一通信模块、所述外部通信接口连接。

可选的，所述arm处理器包括网络协议栈模块和第二通信模块；

所述网络协议栈模块与所述第二通信模块连接；

所述网络协议栈模块还与外部通信接口连接；

所述第二通信模块还与所述第一通信模块连接。

可选的，所述网络协议栈模块包括：协议子模块、交换机模块和调制解调驱动器；

所述交换机模块分别与所述协议子模块和调制解调驱动器连接；

所述调制解调驱动器与所述调制解调模块连接。

第二方面，本发明实施例还提供一种水声通信方法，应用于水声通信设备，所述水声通信方法包括：点对点通信方法；

所述点对点通信方法包括：

水声换能器接收水声信号，并将水声信号转化为电信号；

前级放大器对所述电信号进行功率放大；

主控板对所述功率放大后的电信号进行处理并发送至外部设备；

所述点对点通信方法还包括：

主控板接收外部设备发送的原始信息并处理，得到电信号；

功率放大器对得到的电信号进行功率放大；

水声换能器将所述功率放大后的电信号转化为水声信号并发射。

可选的，主控板对所述功率放大后的电信号进行处理，包括：

所述主控板上的模数转换器对所述功率放大后的电信号进行模数转换，得到数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调和解析得到有效数据；

所述主控板上的外部通信接口将所述有效数据发送至外部设备。

可选的，主控板接收外部设备发送的原始信息并处理，包括：

所述主控板上的外部通信接口接收外部设备发送的原始信息；

所述主控板上的dsp处理器对原始信息进行编码和调制，得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器对所述数字信号进行数模转换，得到模拟信号，并将所述模拟信号发送至所述功率放大器。

可选的，所述水声通信方法还包括：组网通信方法；

所述组网通信方法包括：

所述主控板上的外部通信接口接收外部设备发送的原始信息；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对所述原始信息进行压缩、拆分、编码、封装处理得到独立的数据包；

所述主控板上的dsp处理器对所述数据包进行调制得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器将所述数字信号转换成模拟信号；

所述功率放大器对所述模拟信号进行功率放大；

所述水声换能器将功率放大后的所述模拟信号转化成水声信号并发射。

可选的，所述组网通信方法还包括：

水声换能器将接收的水声信号转化为电信号；

所述前级放大器对电信号进行功率放大；

所述主控板上的模数转换器将功率放大后的电信号转换成数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对解调后的数字信号进行解析；

所述主控板上的外部通信接口将解析出的数据发送给外部设备。

可选的，所述组网通信方法还包括：中继通信方法；

所述中继通信方法包括：

水声换能器将接收的水声信号转化为电信号；

所述前级放大器对电信号进行功率放大；

所述主控板上的模数转换器将功率放大后的电信号转换成数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对解调后的数字信号进行解析，然后进行再次封装，得到数据包；

所述主控板上的dsp处理器对所述数据包进行调制得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器将数字信号转换成模拟信号；

所述功率放大器对所述模拟信号进行功率放大；

所述水声换能器将功率放大后的所述模拟信号转化成水声信号并发射。

相比现有技术，本发明实施例提出的一种水声通信设备，主控板、前级放大器、功率放大器和电源装置层叠设置组成多层电路板堆叠结构，具备体积小、重量轻、节约安装空间的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水声通信设备结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种主控板的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种主控板的示意图；

图4为本发明实施例提供的dsp处理器和arm处理器的示意图；

图5为本发明实施例提供的点对点通信的接收方法流程图；

图6为本发明实施例提供的点对点通信的发送方法流程图；

图7为本发明实施例提供的组网通信的发送方法流程图；

图8为本发明实施例提供的组网通信的接收方法流程图；

图9为本发明实施例提供的中继通信方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1为本发明实施例提供的一种水声通信设备结构示意图，所述水声通信设备包括：

水声换能器1、主控板2、电源装置3、前级放大器4和功率放大器5；

所述电源装置3分别与所述水声换能器1、主控板2、前级放大器4和功率放大器5连接，用于供电；

所述水声换能器1的输出端通过前级放大器4与所述主控板2的输入端连接；所述水声换能器1的输入端通过功率放大器5与所述主控板2的输出端连接；

所述水声换能器1，用于将水声信号转化为电信号和将电信号转化为水声信号；

所述前级放大器4与所述水声换能器1连接，用于接收所述水声换能器1发送的电信号，并对所述电信号进行功率放大；

所述主控板2与所述前级放大器4连接，接收经所述前级放大器4放大后的电信号；

所述功率放大器5与所述主控板2连接，接收所述主控板2发送的信号，并对所述信号进行功率放大；

所述水声换能器1与所述功率放大器5连接，接收所述功率放大器5发送的信号，并发射所述信号；

所述主控板2、前级放大器4、功率放大器5和电源装置3层叠设置组成多层电路板堆叠结构。

这种多层电路板堆叠结构，体积较小，节约安装空间。

进一步的，在某些实施例中，所述多层电路板堆叠结构为多层圆形电路板堆叠结构，例如：考虑到水声通信设备大量应用于水下无人无缆潜水器，水下无人无缆潜水器大部分都是类圆柱形状且空间有限，本申请提供的水声通信设备的电路板结构可以采用多层圆形电路板堆叠结构，能够大大减少设备安装体积。

进一步的，参照图2在某些实施例中，主控板2包括数模转换器210、模数转换器220、dsp处理器230和外部通信接口240；所述dsp处理器为数字信号处理器(digitalsignalprocessor)。

所述模数转换器220的输入端与所述前级放大器4连接，输出端依次与dsp处理器230和外部通信接口240连接；所述模数转换器220接收所述前级放大器4发送的信号，对信号进行模数转化，并将模数转换后的信号发送至dsp处理器230，dsp处理器230对信号进行解调并解析出有效数据，最后通过外部通信接口240将有效数据发送至外部设备。

所述数模转换器210的输入端依次与dsp处理器230和外部通信接口240连接，输出端与所述功率放大器5连接；外部通信接口240接收外部设备发送的原始信息，将原始信息发送至dsp处理器230，dsp处理器230对原始信息进行编码和调制得到数字信号，把数字信号发送至数模转换器210，数模转换器210对数字信号进行数模转换，将数模转换后的模拟信号发送至功率放大器5进行功率放大，将功率放大后的模拟信号发送至水声换能器1，由水声换能器1发射出去。

进一步的，在某些实施例中，所述前级放大器4和所述模数转换器220之间设置有低通滤波器，用于滤除带外的噪声和干扰信号。

进一步的，在某些实施例中，所述数模转换器与所述功率放大器之间设置有低通/带通滤波器，用于滤波。

进一步的，参照图3，在某些实施例中，所述主控板2还包括arm处理器250，arm处理器250为advancedriscmachines，是一个32位元精简指令集；

所述arm处理器250分别与所述dsp处理器230、所述外部通信接口240连接。

进一步的，参照图4，在某些实施例中，所述dsp处理器230包括相互连接的调制解调模块231和第一通信模块232；

所述arm处理器250包括相互连接的网络协议栈模块251和第二通信模块252；

所述网络协议栈模块251与所述外部通信接口240连接；

所述第二通信模块252还与所述第一通信模块232连接。

进一步的，在某些实施例中，所述网络协议栈模块251包括：协议子模块、交换机模块和调制解调驱动器；

所述交换机模块分别与所述协议子模块和调制解调驱动器连接；

所述调制解调驱动器与所述调制解调模块231连接。

进一步的，在某些实施例中，所述网络协议栈模块251包括：协议子模块、交换机模块和调制解调驱动器；

所述交换机模块分别与所述协议子模块和调制解调驱动器连接；

所述调制解调驱动器与所述dsp处理器230通信连接。

进一步的，在某些实施例中，所述协议子模块包括：mac层协议单元、网络层协议单元、传输层协议单元和应用层协议单元。

每个协议单元中的多个协议可以同时进行，因此可以把每个协议单元想象为有各自功能的协议池。当初始化一个协议子模块时，要明确其连接的下一层的协议。例如，一个动态的路由模块能确认uw-aloha作为mac层协议单元的协议。不像传统的基于只能与上下层进行通信的层结构，网络协议栈模块251允许一层协议单元与其他层协议单元通过交换机模块直接通信(跨层通信)。例如，应用层协议单元可以向网络层协议单元发送消息以请求信息，如果网络层协议单元能够处理这个消息，就会作出相应的响应，否则就会丢弃这个请求。

进一步的，所述交换机模块可从其他模块接收信息，并将信息转发给相应的接收机，这个接收机可以是协议子模块，也可以是调制解调驱动器。网络协议栈模块中交换机模块以外的其他模块通过网络套接字连接到交换机模块，交换机模块充当接受客户端连接的服务器，客户端包括协议子模块和调制解调驱动器。通过这种方式，同一层协议单元的多个协议可以并行运行，从而来组成不同的协议包，单个协议的故障对整个网络协议栈模块的影响降到最低，一个协议可以不对其他协议干扰而进行替换或重启，兼顾了灵活性和安全性。网络协议栈模块通过共享内存来实现跨层通信，共享内存由交换机模块初始化，在网络协议栈模块之间共享，可存放各层协议单元和调制解调驱动器的重要参数信息。存储在共享内存中的参数应该是那些频繁访问的参数。例如，一个模块可通过对交换机模块和共享内存的访问来请求调制解调驱动器中的信噪比信息。

进一步的，在某些实施例中，所述dsp处理器230还包括：

收发切换开关，用于切换所述水声换能器1的工作状态，所述工作状态包括接收状态和发送状态；

配置模块，用于为所述调制解调模块231提供配置信息；

算法模块，用于为所述调制解调模块231提供算法。

进一步的，在某些实施例中，所述网络协议栈模块251还包括远程控制子模块，所述远程控制子模块分别与所述协议子模块、交换机模块和调制解调驱动器通信连接；

所述远程控制模块接收用户发送的命令；

所述远程控制模块包括命令解释器(ci)、命令过滤器(cf)以及一系列命令处理器(ch)。

所述ci负责解释命令，如果没有发现语法错误，则将其传递给cf。所述远程控制模块中的命令遵循与一般linux命令相同的格式，通常由两部分组成：命令名称及由空格分隔的参数。如果参数中有空格，则参数必须由一对引号分隔。

所述cf从ci接收翻译过的命令后，检查该命令的正确性，消除对水声通信设备正常操作有害的命令，并将其转发给相应的ch去执行。

每个所述ch负责一个命令，ch负责运行收到的命令。

远程控制模块中的ci及cf能消除无效的命令。

不同的远程控制模块间进行命令交换时，属于发送方的远程控制模块输入一个命令给ci，经ci解释后，传给cf，经cf过滤后传给命令归一化器，命令归一化器将命令格式统一后发送给属于接收方的远程控制模块，然后属于接收方的远程控制模块的cf对命令再进行过滤，最后传给相应的ch来执行该命令。命令格式的统一消除了冗余空间，降低了网络流量。

本申请实施例提供的水声通信设备具有双核(dsp和arm核)处理器，集成度高，且具有很好的灵活性和组网功能。

采用本发明实施例提供的水声通信设备进行水声通信时，所述水声通信的方法包括：点对点通信方法和组网通信方法；

进一步的，参照图5，当水声通信设备处于接收状态时，所述点对点通信方法包括：

水声换能器接收水声信号，并将水声信号转化为电信号；

前级放大器对所述电信号进行功率放大；

主控板对所述功率放大后的电信号进行处理并发送至外部设备。

具体的，所述主控板对所述功率放大后的电信号进行处理，包括：

所述主控板上的模数转换器对所述功率放大后的电信号进行模数转换，得到数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调和解析得到有效数据；

所述主控板上的外部通信接口将所述有效数据发送至外部设备。

所述点对点通信方法还包括：前级放大器对所述电信号进行功率放大之后，通过低通滤波器对所述功率放大后的电信号进行滤波，滤除带外的噪声和干扰信号。

进一步的，参照图6，当水声通信设备处于发送状态时，所述点对点通信方法包括：

主控板接收外部设备发送的原始信息并处理，得到电信号；

功率放大器对得到的电信号进行功率放大；

水声换能器将所述功率放大后的电信号转化为水声信号并发射。

具体的，所述主控板接收外部设备发送的原始信息并处理，包括：

所述主控板上的外部通信接口接收外部设备发送的原始信息；

所述主控板上的dsp处理器对原始信息进行编码和调制，得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器对所述数字信号进行数模转换，得到模拟信号，并将所述模拟信号发送至所述功率放大器。

所述点对点通信方法还包括：将所述模拟信号发送至所述功率放大器之前，通过低通/带通滤波器对所述模拟信号进行滤波。

进一步的，参照图7，当所述水声通信设备处于发送状态时，所述组网通信方法包括：

所述主控板上的外部通信接口接收外部设备发送的原始信息；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对所述原始信息进行压缩、拆分、编码、封装处理得到独立的数据包；

所述主控板上的dsp处理器对所述数据包进行调制得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器将所述数字信号转换成模拟信号；

所述功率放大器对所述模拟信号进行功率放大；

所述水声换能器将功率放大后的所述模拟信号转化成水声信号并发射。

进一步的，参照图8，当所述水声通信设备处于接收状态时，所述组网通信方法包括：

水声换能器将接收的水声信号转化为电信号；

所述前级放大器对电信号进行功率放大；

所述主控板上的模数转换器将功率放大后的电信号转换成数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对解调后的数字信号进行解析；

所述主控板上的外部通信接口将解析出的数据发送给外部设备。

进一步的，参照图9，所述组网通信的中继通信方法包括：

水声换能器将接收的水声信号转化为电信号；

所述前级放大器对电信号进行功率放大；

所述主控板上的模数转换器将功率放大后的电信号转换成数字信号；

所述主控板上的dsp处理器对所述数字信号进行解调；

所述主控板上的arm处理器中的网络协议栈模块对解调后的数字信号进行解析，然后进行再次封装，得到数据包；

所述主控板上的dsp处理器对所述数据包进行调制得到数字信号；

所述主控板上的数模转换器将数字信号转换成模拟信号；

所述功率放大器对所述模拟信号进行功率放大；

所述水声换能器将功率放大后的所述模拟信号转化成水声信号并发射。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。