一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统的制作方法

本实用新型涉及水声通信技术领域，具体涉及一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统。

背景技术：

随着陆地资源的急剧消耗，能源等战略物资的匮乏，各个国家都加大了对海洋资源的开发和利用，在不断深入开发的过程中，水下语音通信越来越受到人们的重视。水下工作人员在水下复杂的环境中需要实时和其他工作点或岸基指挥人员进行语音沟通来协同工作，同时把自身状态报告给指挥人员。

目前只能通过船基水声电话与水下潜水员通话，水下潜水员无法与岸上指挥员进行语音通话。此外，当前水下语音通信可使用有线通信或是无线电通信，有线通信携带不方便，无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大，最远只能达到几十米的通信距离。这两种技术都有一定的局限性。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统，采用浮标作为通信基站进行通信中继，能够实现岸基指挥员与水下潜水员的长距离语音通信，同时通过便携式水下电话终端与潜水员潜水装备的集成，使便携式水下电话终端携带更为方便，从而提高了系统的易用性。

本实用新型提供的一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统，包括浮标基站和便携式水下电话终端；所述便携式水下电话终端以所述浮标基站为中继与卫星进行电话通信；

所述浮标基站包括浮标体、基站主机、无线电通信设备、综合业务网关及基站换能器；所述基站主机、无线电通信设备及综合业务网关水密封装在浮标体内；所述综合业务网关与所述基站主机及所述无线电通信设备之间电气连接，通过所述无线电通信设备建立与卫星的无线通信连接；所述基站主机与换能器通过设置在浮标体上的水密连接器电气连接；

所述便携式水下电话终端包括防水面罩、终端主机、终端换能器和电池组；所述终端主机分别与所述防水面罩、所述终端换能器及所述电池组电气连接；

所述防水面罩上设置有耳机、麦克风和PTT按钮，所述耳机、麦克风和PTT 按钮与所述终端主机电气连接；

所述浮标基站和便携式水下电话终端之间采用水声通信方式进行通信。

进一步地，所述基站主机包括发射部分和接收部分；

发射部分，包括模拟语音接口、差分转单端电路、模拟预处理电路、放大电路、基站主机MCU、平滑滤波器和换能器功放；模拟语音接口、差分转单端电路、模拟预处理和放大电路依次相连后接入基站主机MCU的第二AD转换器，基站主机MCU的第二DA转换器依次连接平滑滤波器和换能器功放后接入所述基站换能器；

接收部分，包括模拟信号接口、模拟预处理电路、放大电路、所述基站主机MCU、平滑滤波器、单端转差分电路及模拟语音接口；所述基站换能器、模拟信号接口、模拟预处理电路和放大电路依次相连后接入基站主机MCU的第一 AD转换器，基站主机MCU的第一DA转换器依次连接平滑滤波器、单端转差分电路和所述模拟语音接口后接入所述综合业务网关。

进一步地，所述终端主机包括发射部分和接收部分；

发射部分，包括预处理电路、放大电路、终端主机MCU、平滑滤波器及换能器功放；预处理电路和放大电路连接后接入终端主机MCU的第二AD转换器，终端主机MCU的第二DA转换器依次连接平滑滤波器和换能器功放后接入所述终端换能器；

接收部分，包括模拟预处理电路、放大电路、所述终端主机MCU及平滑滤波器；模拟预处理电路与放大电路连接后接入终端主机MCU的第一AD转换器，终端主机MCU的第一DA转换器连接平滑滤波器后接入耳机功放；

终端主机MCU进一步连接语音芯片，语音芯片接入耳机功放，语音芯片预存语音菜单。

进一步地，所述终端主机外测设置两金属触点和绝缘帽，所述两个金属触点分别与所述终端主机MCU连接；所述终端主机MCU根据两个金属触点间的连接状态关闭或启动便携式水下电话终端；所述连接状态包括两个金属触点通过水作为导体的连通状态，以及其中一个金属触点被绝缘帽盖住而相互隔离的状态。

进一步地，所述防水面罩为无源设备。

有益效果：

(1)本实用新型通过引入浮标进行通信中继，可形成包括电话通信终端、浮标基站、卫星和岸基指挥终端的通信链路，即便携式水下电话终端可以将语音发送到浮标基站，再由浮标基站转发给卫星，通过卫星的中继，将话音传送给岸基指挥员，同时，岸基指挥员下达的话音指令也能通过卫星发送给浮标基站，再转发给电话通信终端，从而大大拓展了水下蛙人和指挥员的空间通信距离，增加了新的业务方式；

(2)通过将电话通信终端的耳机等设备集成到潜水员的防水面罩中，以及在水下电话终端的主机上设置固定装置，可实现便携式水下电话终端与潜水员装备的有效集成，从而使便携式水下电话终端携带更为方便。

附图说明

图1为基于浮标基的便携式水下电话通信系统结构图。

图2为浮标基站原理框图。

图3为语音通信上行过程示意图。

图4为语音通信下行过程示意图。

图5为便携式水下电话终端原理框图。

图6为浮标基站工作流程示意图。

图7为便携式水下电话终端工作流程示意图。

其中，1-金属点。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统及方法，其基本思想是：在便携式水下电话终端和岸基电话终端之间，采用浮标作为通信基站进行通信中继，构建由便携式水下电话终端、浮标基站、卫星和岸基电话终端组成的通信链路，实现岸基指挥员与水下潜水员的长距离语音通信。同时，通过便携式水下电话终端与潜水员潜水装备的集成，使便携式水下电话终端携带更为方便。

实施例1：

本实施例说明了基于浮标基的便携式水下电话通信系统的结构与功能。

基于浮标基的便携式水下电话通信系统包括浮标基站和便携式水下电话终端，其结构及连接关系如图1所示，浮标基站与便携式水下电话终端之间通过换能器转换成的声信号进行通信，浮标基站与卫星之间采用无线电通信。

(1)浮标基站的结构与功能。

浮标基站包括浮标体、基站主机、无线电通信设备、综合业务网关、换能器、电池组和水密连接器，其结构及连接关系如图2所示。浮标基站的外形结构包括水面部分和水下部分，其中，浮标基水下电话设备主机、无线电通信设备、综合业务网关和电池组封闭安装在水面部分的浮标体内，水下部分为换能器，换能器和浮标体内电路之间通过电缆连接。浮标基站各部分的功能和结构如下所述：

基站主机：该设备负责声音信号与电信号的处理与转换，浮标基水下电话设备主机与综合业务网关之间，通过电缆分别传输模拟语音信号、标识语音信号起始结束指令的数字信号，其中起始结束指令通过RS-422数据接口传输；浮标基水下电话设备主机与换能器之间使用电缆连接。

无线电通信设备：该设备负责与卫星之间无线电信号的收发，无线电通信设备与综合业务网关通过电缆连接。

综合业务网关：该设备负责浮标基水下电话设备主机与无线电通信设备之间的信号转换与控制。

换能器：该设备负责电声能量转换。水密连接器：该设备负责与电缆插头相匹配，保证电缆连接的水密性。

本实用新型提供的便携式水下电话终端的终端主机采用滤波法实现单边带调制与解调，其结构如图2所示，下面分别说明各部分的功能与结构：

主处理器采用MCU，选用意法半导体公司的STM32F429处理器,主频为 180MHz。

发射部分：

发射部分包括模拟语音接口、差分转单端电路、模拟预处理电路、放大电路、基站主机MCU、平滑滤波器和换能器功放；模拟语音接口、差分转单端电路、模拟预处理和放大电路依次相连后接入基站主机MCU的第二AD转换器，基站主机MCU的第二DA转换器依次连接平滑滤波器和换能器功放后接入所述基站换能器。

来自卫星的下行语音信息，通过模拟语音接口接收，经过差分转单端电路，生成单端信号，该单端信号经过模拟预处理和放大电路将小信号变换为大信号，然后经过基站主机MCU的A/D转换器转换为数字信号，再经过基站主机MCU 的单边带调制把数字化的语音信号调制到某一频率的载波上，然后通过基站主机MCU的D/A转换成模拟单边带信号，再经过平滑滤波器进行滤波处理，最后通过换能器功放驱动换能器把电信号转换成声信号发射出去。

接收部分：

接收部分包括模拟信号接口、模拟预处理电路、放大电路、所述基站主机MCU、平滑滤波器、单端转差分电路及模拟语音接口；所述基站换能器、模拟信号接口、模拟预处理电路和放大电路依次相连后接入基站主机MCU的第一 AD转换器，基站主机MCU的第一DA转换器依次连接平滑滤波器、单端转差分电路和所述模拟语音接口后接入所述综合业务网关。

来自便携式水下电话终端的上行声信号，通过换能器转换成电信号，经过由模拟信号接口、模拟预处理和放大电路组成的信号调理电路完成信号处理，再通过基站主机MCU的A/D转换变成数字信号，再经过基站主机MCU对接收到的信号进行单边带解调，最后通过基站主机MCU的D/A还原出语音信号，再经过平滑滤波、单端转差分电路进行处理，最后通过模拟语音接口传输至综合业务网关。

综合业务网关将信号传输给无线电通信设备，由无线电通信设备连接天通S 卫星收发器，通过便携式水下电话终端输出的模拟语音中包含的语音信号的起始和结束指示，可以实现数据传输的开始和结束，如图3和图4所示。

(2)便携式水下电话终端的结构与功能。

便携式水下电话终端包括防水面罩、终端主机、换能器和电池组；防水面罩内置麦克风、防水PTT按键及耳机；终端主机的工作原理如图5所示。

发射部分：

发射部分包括预处理电路、放大电路、终端主机MCU、平滑滤波器及换能器功放；预处理电路和放大电路连接后接入终端主机MCU的第二AD转换器，终端主机MCU的第二DA转换器依次连接平滑滤波器和换能器功放后接入所述终端换能器。

通过麦克把声音信号转换成模拟语音信号，然后经过模拟预处理和放大电路将小信号变换为大信号，然后经过终端主机MCU的A/D转换成为数字信号，再经过终端主机MCU的单边带调制把数字化的语音信号调制到某一频率的载波上，然后通过终端主机MCU的D/A转换成为模拟单边带信号，最后通过换能器功放驱动换能器将电信号转换成声信号发射出去。

接收部分：

接收部分包括模拟预处理电路、放大电路、所述终端主机MCU及平滑滤波器；模拟预处理电路与放大电路连接后接入终端主机MCU的第一AD转换器，终端主机MCU的第一DA转换器连接平滑滤波器后接入耳机功放。

换能器把接收到的声信号转换成电信号，经过模拟预处理和放大电路将小信号变换为大信号，然后经过终端主机MCU的A/D转换变成数字信号，再通过终端主机MCU对接收到的信号进行单边带解调，最后通过终端主机MCU的 D/A还原出模拟信号，经过平滑滤波电路进行处理，通过耳机功放驱动耳机转换为声音信号。

终端主机MCU进一步连接语音芯片，语音芯片接入耳机功放，语音芯片预存语音菜单。

实施例2：

本实施例说明了基于浮标基的便携式水下电话通信方法。

(1)基于浮标基的便携式水下电话通信系统中浮标基站的工作流程，具体如下：

步骤一：默认信道工作或通过指令切换至其他信道，设置浮标基站的工作频道，或在选择在默认频道工作。

步骤二：进入接收状态，在经过步骤一设置频道后，浮标基站即可进入接收状态，通过接收综合业务网关发来的PTT ON指令即可进入发射状态，收到综合业务网关发来的PTT OFF指令即可进入到接收状态，从而实现半双工收发状态的切换。

步骤三：通话，进入接收状态后，即浮标基站可以接收或发送通话语音信号。

步骤四：收回设备，当通信结束后，即可关闭设备。

(2)基于浮标基的便携式水下电话通信系统中便携式水下电话终端，其内部通过程序控制语音芯片实现语音菜单，即通过PTT按键操作和从耳机收听语音播报的菜单选项实现人机交互，达到设置内部工作参数的目的，其工作流程，具体如下：

步骤一：终端主机连接面罩，启动便携式水下电话终端，使得终端主机与语音芯片连接。

步骤二：换能器入水自动开机，换能器采用入水自动开机的设置。

步骤三：播报电池电量，语音系统播报当前电池组的剩余电量。

步骤四：设置发射方式：终端主机利用语音芯片中预存的语音菜单，通过耳机进行语音播报，提示设置所述便携式水下电话终端发射方式，并根据防水面罩中反馈的信息，确定用户选定的发射方式；

发射方式分为语音模式和按键模式，语音模式即VOX，通过采集人说话的语音音量，从而判断是否超过内部门限，超过门限即可认为是人在说话，进而开启发射；按键模式为PTT按键控制发射还是接收，长按PTT按键1秒以上认为是请求发射，从而进入发射状态，松开PTT按键0.5秒即进入接收状态。

步骤五：设置频道：

终端主机利用语音芯片中预存的语音菜单，通过耳机进行语音播报，提示设置所述便携式水下电话终端的通信频道，并根据防水面罩中PTT按键的状态，确定用户选定的通信频道。

步骤六：设置音量：设置面罩内耳机收听的音量。

终端主机利用语音芯片中预存的语音菜单，通过耳机进行语音播报，提示设置所述防水面罩内耳机收听的音量，并根据PTT按钮状态确定用户选定的收听音量。音量分为两档“高”和“低”，通过设置程序内部的信号放大系数实现。

步骤七：设置噪声抑制：

终端主机利用语音芯片中预存的语音菜单，通过耳机进行语音播报，提示所述防水面罩内是否开启静噪功能，并根据PTT按钮状态确定用户的选择。

设置噪声抑制即设置耳机的静噪功能，通过语音菜单将水下终端设置为“噪声抑制开”，这样只有对方发射时，才能听到对方讲话，对方不发射时耳机处于静音状态，这样可以一定程度降低功耗；当设置为“噪声抑制关”时，对方发射时能听到对方说话，对方不发射时能听到接收的噪声，这样的好处是，对于不熟悉设备的使用者可以判断机器是否正常上电及正常工作。

步骤八：通话，当完成以上设置后，便携式水下电话终端处于正常工作状态，可以进行正常通话。

步骤九：收回设备，即设备回收，即潜水员携带设备返回水面，设备自动关机。

此外，终端主机外测设置两金属触点和绝缘帽，所述两个金属触点分别与所述终端主机MCU连接；所述终端主机MCU根据两个金属触点间的连接状态关闭或启动便携式水下电话终端；所述连接状态包括两个金属触点通过水作为导体的连通状态，以及其中一个金属触点被绝缘帽盖住而相互隔离的状态。

当便携式水下电话终端入水后，由于两个金属点之间通过水作为导体建立了通路，此时，终端主机MCU检测到两个金属点之间的电流信号，则终端主机 MCU启动便携式水下电话终端；当重新启动便携式水下电话终端时，则需要使用绝缘帽将任意一个金属点盖住，使该金属点与水隔离，此时由两个金属点和水建立的通路断开，终端主机MCU检测到两个金属点之间没有电流信号，则终端主机MCU关闭便携式水下电话终端，当将绝缘帽取下时，由两个金属点和水建立的通路重新联通，则终端主机MCU控制便携式水下电话终端再次启动。因此，可以实现在设备出现异常时，不用返回水面即可实现设备重新上电。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。