一种水下模拟语音通信系统的实现*

惠 辉 王宏伟

（北京信息科技大学理学院 北京 100192）

1 引言

伴随着人类海洋活动的日渐频繁，水下通信系统的研发已经不仅仅局限于军事领域，而慢慢拓展到了广阔的民用领域。军事领域中要求对水下武器进行控制指挥通信，例如：沿海岸基指挥中心与水下潜艇的通信，对于其他水下航行器的监测与导航，舰艇与其他水下作战平台的通信指挥。民用领域中，如水下语音通信、工业用水下机器人与海上平台的遥控指挥、海底水文信息的采集等等，而这些应用无不加大了水下通信的需求。其中又因为海水为良性导体，电磁波在水下传播衰减严重，很难实现远距离通信，而声波是人类至今已知唯一能在水中远距离传播的能量形式[1～5]，在海水的通信距离可达数十公里之远，因而水声技术慢慢成为海洋开发利用的主导技术之一，其中水下语音通信在海洋科学考察，海洋资源探测以及军事潜艇舰船训练等方面有广泛的作用。

传统有线通信方式虽然在传输距离与传输的实时性方面都有巨大的优势，但水下应用场景中存在部署困难、部署区域受限、线缆水密性要求高等明显缺点，难以大规模应用。而声波具有良好的水下传播特性，其中10kHz的声波在海水中衰减系数约为0.06dB/m[6]。传输的信号仅需通过换能器进行电、声的转换即可以轻松发射，因此水声通信具有传输距离长，设备较为简单的优点。本文因此设计完成了一套水下模拟语音通信系统，将双边带调制方法应用于水声语音通信技术之中，最终对于该系统进行测试，该语音通信系统能提供较高质量的语音通信。

2 理论分析

本语音通信系统采用双边带调制（Double-sideband modulation ，DSB）技术，即利用均值为零的模拟基带信号m（t）与余弦载波信号c（t）相乘，从而余弦载波信号的幅度伴随基带信号做线性变化[7]。假设输入的基带信号没有直流分量，我们可以将余弦载波信号设为

式中wc为余弦载波角频率，A为余弦载波的幅度。

模拟基带信号m（t）与余弦载波信号c（t）相乘（如图1所示）可得：

图1 DSB调制器

而最终传输至通信系统接收端的已调信号将通过相干解调的方法进行解调，相干解调的基本框图如图2所示。

图2 相干解调

其中经相干解调所得信号Sp(t)为

3 水下模拟语音通信系统总体框架及硬件实现

本文设计的系统主要由湿端部分的发射换能器和水听器，以及干端部分的语音通信系统硬件模块组成，系统的总体功能框图如图3所示。湿端的发射换能器与水听器都使用谐振频率为300KHz的水声换能器，该水声换能器具有宽带、高发送电压响应和高接收灵敏度的特点，能充分满足水下模拟语音通信的需求。干端的语音通信系统硬件模块主要由发射换能器的发射电路以及水听器的接收电路组成，其中发射电路包含输入语音信号的麦克风、双边带调制模块以及功率放大器。接收电路包含高通滤波器（High Pass Filter，HPF）、相干解调模块、带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）以及功率放大模块等。系统工作时，经麦克风输入的本地语音信号经过语音处理后经发射换能器发射进入水声信道中，此时水听器接收到该信号后再经过接收处理播放出去，如此则完成一次工作。

图3 水下模拟语音通信系统的总体框图

3.1 水声换能器

本语音通信系统传输部分使用的是谐振频率为300KHz的水声换能器，该水声换能器由1-3型压电复合材料[8～12]制作而成。1-3型压电复合材料即一维连通的压电陶瓷小柱平行排列于三维连通的聚合物中所构成的压电复合材料，本换能器的压电陶瓷部分为PZT-5，聚合物部分为环氧树脂。首先使用ANSYS有限元仿真软件设计并仿真由1-3型压电复合材料制成的换能器敏感元件的结构与尺寸，最终确定1-3型压电复合材料长为100mm，宽为20mm，高为5mm。经切割填充法制备的1-3型压电复合材料敏感元件如图4所示。

图4 1-3型压电复合材料敏感元件

制备得到的1-3型压电复合材料焊接电极引线后粘接硬质泡沫塑料背衬以及金属后盖板，经固化后灌封聚氨酯防水透声层，最终制作得到的水声换能器如图5所示。

图5 水声换能器

通过使用比较法测试该换能器性能，即使用本换能器与一个已知参数的标准换能器进行比较，从而测量出发送电压响应与接收灵敏度，可得该换能器发送电压响应最高达167.3dB，-3dB带宽可达65kHz；接收灵敏度最高可达-183.0dB，-3dB带宽可达50kHz，测试结果如图6所示，其中图（a）为发送电压响应，图（b）为接收灵敏度。

图6 水声换能器测量结果

3.2 发射电路

水下模拟语音通信系统发射电路主要负责接收外界输入的语音信号，输入的语音信号通过DSB调制后再经发射换能器发射进入水声信道中传输。发射电路主要由输入语音信号的麦克风、生成300KHz载波信号的STM32F103RCT6芯片及AD9833信号发生器模块、进行DSB调制的AD835乘法器模块以及功率放大器组成，其电路原理框图如图7所示。

图7 发射电路框图

当外界语音信号经麦克风输入后，与STM32F103RCT6控制的AD933信号发生器生成的300KHz正弦波在AD835乘法器模块内相乘，从而完成DSB调制，所生成的已调信号经功率放大器放大后通过发射换能器发射进入水声信道中。使用DSB调制简单易行，可以有效提高信号的调制效率。

3.3 接收电路

当发射换能器将已调的语音信号传输入水声信道后，水听器接收到该信号，此时需要相应的接收电路，解调还原出原始的语音信号，接收电路原理框图如图8所示。

图8 接收电路框图

当水听器接收到水声信道中的已调信号后，首先通过一个频率为250KHz的高通滤波器，滤除传输中混杂的低频干扰噪声。处理后的信号与STM32F103RCT6控制的AD9833信号发生器产生的300KHz正弦波在AD835乘法器模块内相乘，从而完成相干解调。乘法器输出的信号传输至一个中心频率范围为10Hz～40KHz的带通滤波器提取出我们所需要的语音信号。最后解调出的语音信号经过功率放大器放大后，通过连接的扬声器播放。

4 水下模拟语音通信系统测试

4.1 水池试验环境

为验证制作完成的水下模拟语音通信系统能否正常工作，在实验室水池进行了试验。测试试验场景布置示意图如图9所示，实际场景如图10所示。发射换能器与水听器分别置于水池两端，分别连接发射电路与接收电路，其中换能器入水50cm，发射换能器与水听器间距约为2m。

图9 试验场景布置示意图

图10 实际试验场地

4.2 水下模拟语音通信测试

人能感知的声音频率范围在20Hz～20kHz，实验随机选取一首歌作为输入的语音信号，其中所采用输入设备为麦克风，而收听设备为额定功率15W的2.5寸全频喇叭扬声器，原始语音信号经示波器测试后如图11所示。

图11 输入的音频信号

STM32F103RCT6控制的AD9833信号发生器生成的300kHz载波信号如图12所示，输入的语音信号与载波信号经过乘法器DSB调制后的波形经示波器测试后如图13所示，可以看到经过调制之后，语音信号的幅度信息已经搭载到了300kHz载波信号上。

图12 300kHz载波信号

图13 DSB已调信号

水听器接收电路接收到的传输信号如图14所示，可以看到经由水声信道传输至水听器的信号因多途效应及环境噪声的影响而出现了大量的毛刺。本水下模拟语音通信系统使用高通滤波器滤除信号中存在的低频噪声干扰，经处理后的信号再与STM32F103RCT6控制的AD9833信号发生器生成的300KHz正弦波相干解调。经乘法器输出的信号再通过带通滤波器提取所需的语音信号，所提取的语音信号如图15所示。

图14 水听器接收的信号

图15中，上端黄色信号为本模拟语音通信系统还原的音频信号，下端绿色信号为输入的原始音频信号，可以看到还原的音频信号与原始音频信号的包络变化大致一样，只是因水声信道本身存在的多径效应以及噪声干扰使其与原始语音信号存在一定的差别。接收电路还原的音频信号经扬声器播放，可清晰分辨语音，满足水下模拟语音通信系统的要求。

图15 提取的语音信号

5 结语

本文针对水声通信的基本要求，基于DSB调制及相干解调实现了水声通信。设计制作并使用谐振频率为300kHz的水声换能器，设计了该换能器的发射及接收电路，实现了一个实时的水下模拟语音通信系统。在实验室水池内测试本系统，语音通信质量良好，达到了设计的目标。测试结果表明该系统可以用来实现较高质量（可以清晰分辨语音）的实时模拟语音通信。

现在本系统还需要在不同的测试环境下做进一步的测试和改进，也需要进一步加强语音通信质量，以减小水声信道多径效应和噪声的影响。