基于声波的通信实验系统设计

朱玉琼，杨红，胡爽策

（武汉工程大学，机电工程学院，湖北武汉430200）

基于声波的通信实验系统设计

朱玉琼，杨红，胡爽策

（武汉工程大学，机电工程学院，湖北武汉430200）

声波能在水中远距离传播，是水中信息传输的主要载体，在海洋通信、海洋探测等领域有广阔的应用前景。同时，声波通信具有抗电磁干扰性能好、保密性强、设备生产成本低等优点。使用声波作为载波进行通信，利用计算机通用的声音检测和发送功能，以及DASYlab软件系统，构建了一个PC-PC的基于声波的数字通信实验平台，并进行了初步的通信实验。

声波；数字通信；DASYlab；信息编码

空间通信技术是现在通信技术的主要发展方向，比如光通信和无线电[1]。随着工程和军事技术发展的需求，声波通信系统技术的发展也在不断的进步。声波是机械波，它的传播的是震动及能量，要靠介质，在真空中不能传播。利用声波的特性，声波通信系统可广泛应用于工程短距离测算、管道泄漏检测、水上通信。在军事领域中的声纳系统是潜艇和外部联系的主要手段[2]。声波通信可以用于在被金属完全屏蔽的管道中短距离的传送信息。为此本文探讨使用声波作为载波进行通信的方法，通过计算机提供的声音检测和发送功能，设计软件实现两台电脑之间简单的通信功能。

1 声波通信的基本原理

声波通信是指将数据编码为声波信号进行传输来实现近距离的点对点及一对多的通信，通信时，数据发送端将数据编码为声波信号，通过扬声器输出发送出来，数据接收端打开录音设备接收发送的数据，然后将接收到的数据解码为目标数据。

数字通信系统克服了模拟通信系统保密性不好，抗干扰能力的缺点，利用误差修正来提高数据传输的可靠性，可以采用纠错编码技术进行信道编码以增加传输的可靠性。如今数字通信技术的发展突飞猛进，数字声波通信统模型如图1所示：

图1 数字声波通信系统模型

2 声波通信实验平台实现

2.1 DASYlab软件介绍

DASYlab由NI公司推出，是一套Windows环境下的集高速数据采集，分析和过程控制于一体的功能强大的组态化软件包。它采用图形化编程环境，通过连接函数图标来完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等各种功能控制程序。比起其它利用汇编语言或高级语言（如VB，VC++等）来编写源代码实现分析控制系统的软件，编程更方便、效率更高。DASYlab支持250多种数据采集板/卡、512通道同时采集，实时曲线显示可达250 kHz.

2.2 系统硬件驱动

根据声波在空气中传输特性，频率与传播衰减的关系，选择通信使用信号调制方式以及载波频率，利用计算机提供的硬件平台（声卡和麦克风）来完成通信的测试研究。

声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件，有Mic In和Line In两个插孔用来连接输入输出信号。Line In插孔动态特性好而且噪声干扰小，而Mic In插孔由于有前置放大器，会导致信号负荷过大，且容易引入噪声，因此本文系统采用Line In。DASYlab对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡[3]。

2.3 系统软件模型

为了研究声音信道的通信能力，在计算机的硬件基础上利用DASYlab软件平台搭建了一个实验研究模型，其主要功能是将一二进制序列代码调制到1KHz的载波上，通过声卡驱动加载到声卡上发出声音，该声音即携带了二进制的信息[4]。在另一个程序端，麦克风接收到声音信号后，进行检波和解调，从而得到发送端发出的二进制序列，以此完成通信的测试。

2.3.1 划分功能模块

根据系统设计要求及DASYlab提供的函数模块，将系统划分成：数据采集、滤波、频谱分析、预检测显示、实时显示、报警指示、异常回放、数理模型定位分析、文件存储等功能模块。

2.4 软件程序仿真

2.4.1 声音信号采样

数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户面前。该模块还提供保存所有或部分数据以及转到信号分析模块的功能。数据采集过程分为三步：①初始化/配置声卡；②采样；③释放声卡。

2.4.2 声音信号滤波与频谱分析

本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，方法为：经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用Dasylab的强大的数字信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、FFT运算处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。由于取样信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行FFT变换之前，要先进行滤波处理。

3 声波通信实验

3.1 实验模型

为了研究声音信道的通信能力，在计算机的硬件基础上利用Dasylab软件平台搭建了一个实验研究模型，其主要实现将一二进制序列代码调制到1KHz的载波上，通过声卡驱动加载到声卡上发出声音，该声音即携带了二进制的信息。再另一个程序端，麦克风接收到声音信号后，进行检波和解调，从而得到发送端发出的二进制序列[5]。以此完成一次通信的测试。

3.1.1 发送端模型

发送端模型如图2所示，由两个序列发生器、波谱分析端和音频信号端组成。第一个序列发生器Generator01产生二进制的信号，作为信源。第二个序列发生器Generator00的功能是载波调制。Analog Out00端为波谱分析端主要用来显示序列发生器端传来的波形信号。Y/t Chart00端为音频信号端用来实时显示序列发生器传来的音频信号。

图2 发送端模型

3.1.2 接收端模型

接收端模型乳突所示，利用DASYlab提供的麦克风驱动模块，直接获得接收到的音频信号，通过一个比较模块来实现检波，为了提高抗干扰能力，比较模块的没有采用过零比较而是设定一个阈值，这样小的音频干扰将被去掉。检波完的信号即可送入低通滤波器进行解调，从而得到二进制的编码信号。接收端模型如图3所示。

图3 接收端模型

3.2 通信能力测试

运行该模型后，图形如下图4所示：

图4 发送端发出的调制波

在接收端，直接由麦克风接收到的信息在信道中加入了声波的杂波干扰后，麦克风会接收到带干扰杂波，接着对杂波进行检波解调，最后得到整形后的波形如图5所示：

图5 整形后得到的波形图

4 结束语

水声通信虽然发展相比于无线电通信还处于起步阶段，但是毋庸置疑由于人类对海洋激增的渴求将会有巨大的发展空间。由于声音信道容易受到各种噪声的干扰，如何提高系统的抗噪声能力，保证通信的质量，增大通讯距离等还需要进一步探究。

[1]吴清华.水声通信及其军事应用研究[J].声学技术，2009，28（2）：228－230.

[2]李志刚.近钻头短距离声波通信[J].中国石油大学学报（自然科学版），2010，34（2）：62－65.

[3]沈保锁.现代通信原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[4]侯伟.声信号分析及无线通信网络在管道声发射泄漏检测中的研究与应用[J].中国新技术新产品，2009（3）：28-30. [5]闫萍，郭勇.基于DASYLab的数据采集系统软件平台的设计与实现[J].仪器仪表与分析测，2003（2）：15-1.

Communication Experiment System Design Based on Acoustic Wave

ZHU Yu-qiong，YANG Hong，HU Shuang-ce
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan Hubei 430200，China）

Acoustic wave，which can be spread over a long distance in water，have broad application prospects in marine communication，marine exploration and other fields.And the acoustic wave communication has many advantages，such as good resistance to electromagnetic interference performance，strong confidentiality，low cost. This paper has discussed the method of using acoustic wave as a carrier for communication.With the computer common voice detection and send function and DASYlab system，we have built a PC-PC digital communication experiment platform based on acoustic wave and have carried on the preliminary communication experiment.

acoustic wave；digital communication；DASYlab；information coding.

TQ027

A

1672-545X（2017）03-0264-03

2016-12-21

朱玉琼（1990-），女，湖北襄阳人，硕士研究生在读，研究方向：机械设备智能监控。