专利名称：一种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于水下对讲机的水下语音实时传输系统，属于水声通信技术领域。
背景技术：
目前，尽管数字语音技术在水下已经得到广泛的应用，但由于水声信道的通信带宽有限及其时变、空变等特性的影响，要在水中进行数字语音通信就必须对语音信息进行压缩和编码，降低传输所需的比特率。传统的水声调制解调器成本高、功耗较高且体积大。一般的通信系统多采用FSK数字调制解调方式，但因其设备复杂抗干扰能力差且误码率较高，并不适合语音的水下传输。所以，采用DPSK数字调制解调方式比较合适。传统的DPSK信号解调有两种方法。一种是相干解调法，又称极性比较-码反变换法。它需要提取相干载波，最后通过码反变换(去差分)器将相对码变换成绝对码。但此方式需要得到同频同相的载波，这在实现上较为复杂，成本也相对较高。另一种方法称为相位比较法或差分解调法，采用这种方法不需要恢复本地载波，只需将DPSK信号延时一个码元间隔，然后再与DPSK信号本身相乘。相乘的结果反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波后可直接抽样判决恢复出原始数字信息，该方法的实现较为简单。
发明内容
为了解决现有水下对讲机的体积大、功耗大、误码率较高以及实时性困难的问题，本发明提供了一种用于水下对讲机的水下语音实时传输系统，该传输系统具有成本低、功耗小和效率高的特点，适合50米及以上的短距离水下作业时的语音实时传输，本发明在能水下连续工作100小时以上，在水声通信方面具有良好的应用前景。为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是一种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于，包括用于发送和接受语音信号的麦克风；与所述麦克风相连接用于将语音信号转换成语音数据流的A/D转换器；用于对语音数据流进行编码和解码的声码器，所述声码器两端分别为编码器和解码器，所述编码器与A/D转换器相连接，将信源数据流转化成信道数据；与所述声码器相连接并控制声码器工作的MCU核心处理器；与所述编码器相连接用于将信道数据转化为DPSK信号的DPSK信号调制器；与DPSK信号调制器连接用于将已调制信号的电压进行放大的电压放大器；用于发射和接收超声波的超声换能器；所述电压放大器和超声换能器之间设有一用于切换超声换能器的发射、接收模式的电子切换开关；
用于接收超声换能器的电信号进行放大并连接电子切换开关的信号放大器；与信号放大器相连接用于将已放大的接收信号滤波的带通滤波器；
与带通滤波器相连接用于将已滤波的接收信号解调并与声码器的解码器相连接的DPSK信号解调器；用于将声码器解码输出的信源数据转换为语音数据流的D/A转换器，所述的D/A转换器与麦克风相连接。进一步的技术方案是所述麦克风为单通道的麦克风。所述A/D转换器采用16位A/D转换芯片LTC1865。所述D/A转换器采用16位D/A转换芯片MAX5631。所述声码器为AMBE-1000声码器。所述MCU核心控制器采用单片机MSP430F149。所述DPSK信号调制器和DPSK信号解调器均采用CMX869芯片。所述电压放大器和信号放大器均采用AD620芯片。所述超声换能器的中心频率为32kHz。所述电子切换开关采用⑶4051芯片，公共端口连接超声换能器，两个选择端口分别连接电压放大器和信号放大器。所述带通滤波器采用MAX275芯片。本发明的有益 效果是本发明在整体设计上最大程度地减少了不可靠器件的使用数量，在语音压缩编解码部分用了集成编解码芯片，在调制解调方面选用集成芯片，换能器选用市场上常用的小型防水收发一体换能器。本发明具有成本低、功耗小和效率高的特点，适合短距离水下作业时的语音实时传输。
图1是本发明的结构示意框图；图2是本发明的侧视图；图3是本发明的后视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。首先在水下的一端，放置一套水声语音实时传输装置I。如图1，该系统已经放入水中。需要传输语音时，系统内部的A/D转换器7对麦克风8采集到的语音模拟信号进行采样，经过A/D转换器将转换后得到的信源数据流传送到声码器10中，声码器10两端分别为编码器和解码器，编码器对该数据流进行编码，转换成信道数据流，再送入DPSK信号调制器5。DPSK信号调制器5将信道数据转化成DPSK电信号，即进行DPSK调制。电压放大器4对接收到的DPSK电信号进行电压放大。该信号通过电子切换开关3切换后，驱动超声换能器2，超声换能器2将电信号转化为超声波从水中发射出去。在水下另一端，将另一套水声语音实时传输系统以同样的方式放置在水下，超声换能器2接收到水声信道中的超声波后，将声波信号转化为电信号，电信号再送入与之相连的信号放大器13，信号经放大后，送入带通滤波器12，带通滤波器12可以滤除声波在水下传播过程中附加的环境噪声以及其他无用的谐振频率信号，保证电信号转变为清晰稳定的DPSK信号，并将DPSK信号送入DPSK信号解调器11，DPSK信号解调器11将DPSK信号转换为信道数据，即完成了解调，解调后的信道数据送入声码器10中，声码器10的解码器对数据解码，还原成信源数据流，再通过D/A转换器9还原成语音信号，通过耳机8播放。到此，本套系统完成了一次完整的通信过程。本发明涉及的水声语音实时传输系统的通信方式是半双工通信。图2所不为水声语音实时传输系统的侧视图。水声语音实时传输系统的实物包括一个单通道耳麦8，一个内部封装电路板和电池的主机14，一个用于发射和接收超声波的超声换能器2，在主机14的机身上有3个用于指示系统工作状态的状态指示灯15。其中，一个指示灯是电源指示灯，当系统电源打开时，电源指示灯常亮，当电池电量不足时，电源指示灯闪烁，提示需要充电；一个指示灯是数据传输指示灯，当系统正在进行数据处理工作时，数据传输指示灯闪烁；一个指示灯是工作异常指示灯，由于本发明涉及的水声语音实时传输系统具有数据检错功能，当系统检测到传输的数据连续出现大量错误时，工作异常指示灯闪烁，提示水下传输信道出现问题，不适于通信。图3所不为水声M ODEM的后视图，实物的后面包括了耳麦插孔16和一个总电源开关17，耳麦插孔与机箱14内的与语音处理器连接，构成语音实时传输系统，即可用于水下
语首通/[目。为实现低成本低功耗的目的，本发明涉及的水声语音实时传输系统使用低功耗的AMBE-1000声码器作为语音信号处理核心，其MCU核心处理器采用低功耗单片机MSP430F149，使系统控制在低功耗的前提下也能够保证其性能。语音编解码方面，采用先进多带激励语音压缩编解码技术，保证了语音信号传输的实时性。调制解调方面，使用了集成的DPSK调制芯片和解调芯片，既降低了对MCU性能的要求，也降低MCU成本，同时又提高了系统的可靠性和稳定性，保证系统长期稳定的工作。本发明涉及的水声语音传输系统中，DPSK调制解调器的设计选用CML公司生产的CMX869芯片。本发明涉及的水声语音实时传输系统采用DPSK的调制解调方式，分别使用O和π两个相位分别表示传号“I”和空号“O”。电压放大器和信号放大器米用Analog Devices公司的AD620芯片。AD620是一款低成本的精密仪表放大器，通过外接一个上拉电阻可以实现增益控制，其增益可调范围为I 10000 ;放大噪声小，信号放大后不易失真；体积小、功耗低，因而非常适合应用在电池供电的便携式设备中。带通滤波器电路的设计使用了 MAX275芯片。在通信系统调制场合，一般采用有源滤波器或者开关电容滤波器来实现。后者尽管速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势，但前者的输出噪声比开关电容滤波器低，动态特性更好，更适合去除信号中的杂波干扰。MAX275是MAXIM公司推出的模拟集成有源滤波器，由两个二阶单元组成，可以实现四阶滤波器。其中心频率范围可达300KHZ，且在允许的温度范围内，频率精度可达土 1%以内，总的谐波失真好于_89dB。此外，MAX275采用连续时间电路设计滤波器，则无时钟混叠和时钟噪声现象。该滤波器可以用一个+5V的单电源电压供电，或者一个±5V的双电源供电,在电源上显不出极大的可变性。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于，包括 用于发送和接受语音信号的麦克风； 与所述麦克风相连接用于将语音信号转换成语音数据流的A/D转换器； 用于对语音数据流进行编码和解码的声码器，所述声码器两端分别为编码器和解码器，所述编码器与A/D转换器相连接，将信源数据转化成信道数据； 与所述声码器相连接并控制声码器工作的MCU核心处理器； 与所述编码器相连接用于将信道数据转化为DPSK信号的DPSK信号调制器； 与DPSK信号调制器连接用于将已调制信号的电压进行放大的电压放大器； 用于发射和接收超声波的超声换能器； 所述电压放大器和超声换能器之间设有一用于切换超声换能器的发射、接收模式的电子切换开关； 用于接收超声换能器的电信号进行放大并连接电子切换开关的信号放大器； 与信号放大器相连接用于将已放大的接收信号滤波的带通滤波器； 与带通滤波器相连接用于将已滤波的接收信号解调并与声码器的解码器相连接的DPSK信号解调器； 用于将声码器解码输出的信源数据转换为语音数据流的D/A转换器，所述的D/A转换器与麦克风相连接。
2.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述麦克风为单通道的麦克风。
3.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述A/D转换器采用16位A/D转换芯片LTC1865。
4.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述D/A转换器采用16位D/A转换芯片MAX5631。
5.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述声码器为AMBE-1000声码器。
6.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述MCU核心控制器采用单片机MSP430F149。
7.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述DPSK信号调制器和DPSK信号解调器均采用CMX869芯片。
8.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述电压放大器和信号放大器均米用AD620芯片。
9.根据权利要求1所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述超声换能器的中心频率为32kHz。
10.根据权利要求1-9中任一所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，其特征在于所述电子切换开关采用CD4051芯片，公共端ロ连接超声换能器，两个选择端ロ分别连接电压放大器和信号放大器。
11.根据权利要求10所述的ー种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统,其特征在于所述带通滤波器采用MAX275芯片。
全文摘要
本发明公开了一种用于水下对讲机的水声语音实时传输系统，可以实现语音信号的实时采集、传输和播放。以AMBE-1000声码器为语音信号处理核心，使用低功耗的DPSK调制解调芯片和已量产化的小型收发一体式超声波换能器。本发明成本低、功耗低、体积小、效率高，适合于水下对讲机；采用先进多带激励语音编解码算法(AMBE)，保障语音信号的实时高效传输。
文档编号H04B13/02GK103051389SQ201310002539
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者赵超慧, 汤一彬, 王斌, 高远, 韩苏, 陈秀云, 赵立新, 杨纯, 朱昌平 申请人:河海大学常州校区