喬月依

設(shè)計(jì)背景

2017年暑假，我同父母去海南旅游，在旅游期間我體驗(yàn)過(guò)一次水下潛水活動(dòng)。這次潛水活動(dòng)使我的腦子里突然浮現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，為什么我在水下跟教練交流只能用手語(yǔ)呢，如果潛水者與教練的距離太遠(yuǎn)而導(dǎo)致教練看不清楚手語(yǔ)，是否會(huì)導(dǎo)致潛在危險(xiǎn)的發(fā)生呢？海底環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，有沒(méi)有更安全有效的交流方法保證潛水員的安全？帶著這些問(wèn)題，我查閱了一些資料，并萌生出設(shè)計(jì)水下語(yǔ)音呼叫設(shè)備的想法。

水下通信原理

無(wú)線電波在海水中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，傳輸距離十分有限，而聲波在水中的傳播性能就好得多，頻率范圍在1Hz至50kHz之間的聲波在水中的衰減較少，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳輸。而且使用聲波作為水聲通信的載體，設(shè)備簡(jiǎn)單，只需使用水聲換能器將電、聲信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)信息傳播。

與目前的其他研究成果不同的是，我們的設(shè)計(jì)采用了數(shù)字式單邊帶水下通信方案，通話的距離更遠(yuǎn)、音質(zhì)更清晰。水下對(duì)講機(jī)的工作過(guò)程是：由麥克錄音，再通過(guò)導(dǎo)線傳進(jìn)處理機(jī)。處理機(jī)完成通信信號(hào)的調(diào)制，然后通過(guò)換能器轉(zhuǎn)化成聲音傳輸出去。另外一個(gè)換能器接收到水里的聲信號(hào)，在處理機(jī)里轉(zhuǎn)換成話音送到耳機(jī)里，就能聽(tīng)到對(duì)方的通話。

總體設(shè)計(jì)方案

作品用聲波作為信息載體，由麥克、耳機(jī)、換能器和處理機(jī)組成。

將語(yǔ)音輸入和輸出設(shè)備（麥克和耳機(jī)）、放大電路、語(yǔ)音壓縮模塊、數(shù)字處理模塊、換能器及電池等部件組裝成一種可被潛水者佩戴的小型水下對(duì)講機(jī)，通過(guò)對(duì)該裝置內(nèi)部芯片編寫程序使之能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字單邊帶通信功能。處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射器轉(zhuǎn)化成水下的聲波信號(hào)發(fā)到水中傳播。通過(guò)水聽(tīng)器（一種接收水下聲信號(hào)的裝置）接收水中的聲信號(hào)，然后傳輸?shù)剿曂ㄐ艡C(jī)解調(diào)模塊、語(yǔ)音信號(hào)解碼模塊，最終能夠通過(guò)耳機(jī)放出聲音信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

信號(hào)的處理過(guò)程是使用者通過(guò)麥克講話，語(yǔ)音采集電路對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)語(yǔ)音編碼，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳遞給數(shù)字信號(hào)處理器，在處理器內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)功放放大后，由換能器發(fā)送給水聲信號(hào);接收端采集到水聲信道傳輸?shù)男盘?hào)后，先經(jīng)前放電路，對(duì)信號(hào)調(diào)理，AD把調(diào)理后的信號(hào)采集編碼，由數(shù)字信號(hào)處理器解調(diào)，得到語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)語(yǔ)音采集電路，由揚(yáng)聲器播放。

電路板的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

數(shù)字信號(hào)處理電路

數(shù)字信號(hào)處理電路是水下對(duì)講機(jī)的核心，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、信號(hào)采集電路通信、整體系統(tǒng)控制，如收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、功放開(kāi)關(guān)等。為了滿足以上要求，需要具有較高的運(yùn)算速度。因?yàn)閱芜厧ㄐ潘惴ㄗ鳛橐环N語(yǔ)音信號(hào)處理算法，需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)完成調(diào)制解調(diào)，否則語(yǔ)音信號(hào)會(huì)變得不連續(xù)，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。在教師的指導(dǎo)下，我們選擇了創(chuàng)龍SOM-TL6748核心板，可以滿足上述條件。

數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路分為2部分：語(yǔ)音采集電路與AD/DA采集電路。語(yǔ)音采集芯片又稱為CODEC芯片，是一種專用于語(yǔ)音量化編碼、集AD/DA于一體的采集芯片。我們選擇了TI公司生產(chǎn)的TLV320AIC3104。該芯片有6路輸入、6路輸出，其中4路用于連接駐極體式麥克，2路連接動(dòng)圈式麥克，可以通過(guò)實(shí)際外部需求，合理選擇。同時(shí)它有內(nèi)部耳機(jī)放大電路，無(wú)須在硬件電路再次設(shè)計(jì)耳放電路。

前放電路

前放電路用于對(duì)接收信號(hào)放大、濾波，去掉帶外干擾，使接收信號(hào)幅度盡量接近AD動(dòng)態(tài)范圍。前放電路含儀表放大、放大與濾波3部分。放大濾波電路由2片ADA4841-2芯片搭建而成。放大采用負(fù)反饋反相放大電路，同相端輸入偏置，保證輸出范圍正確。濾波電路由兩級(jí)低通與兩級(jí)高通搭建而成。低通截止頻率44kHz，高通截止頻率28kHz，濾波電路無(wú)增益。

電源模塊

設(shè)備由8節(jié)NCR18650B鋰電池供電，我們選用了PTN78060W進(jìn)行電源管理。電壓輸入范圍為7～36V，滿足8節(jié)鋰電池供電。

實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果分析

設(shè)計(jì)完成后，我們?cè)谒貙?duì)整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試。使用2套設(shè)備進(jìn)行收發(fā)實(shí)驗(yàn)，換能器入水1.2m，間距5m。

單邊帶通信實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入設(shè)備和收聽(tīng)設(shè)備使用頭戴式耳麥。測(cè)試語(yǔ)音數(shù)字“l(fā)”到“10”的原始語(yǔ)音信號(hào)如圖2所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)制后的波形如圖3，可似看到經(jīng)過(guò)發(fā)射語(yǔ)音均衡的處理，各數(shù)字幅度趨于一致。

接收端解調(diào)得到的語(yǔ)音信號(hào)如圖4，可以看到與原始信號(hào)包絡(luò)變化大體一致，只是接收端譜減法使其與原始信號(hào)有微小的差別。

水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單邊帶語(yǔ)音通信成功，解調(diào)出的語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量清晰，語(yǔ)義可辨，在整個(gè)通信過(guò)程中性能良好。

結(jié)論

本作品設(shè)計(jì)了小型數(shù)字式水下對(duì)講機(jī)，與大型的通信聲吶相比，具有體積小、功耗低、話音清晰、使用方便的特點(diǎn)。其中采用數(shù)字器件和數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)了韋弗法的SSB調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)水下可靠和清晰的語(yǔ)音信號(hào)傳輸，作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試和水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水下對(duì)講機(jī)可以穩(wěn)定的工作，通話效果良好。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)后，該作品具有很好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目提出了以聲波作為信息載體，設(shè)計(jì)了數(shù)字式對(duì)講機(jī)，創(chuàng)新性好，實(shí)用價(jià)值高，可推廣應(yīng)用。采用數(shù)字控制手段和信號(hào)調(diào)理技術(shù)，降低了噪聲，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的清晰、可靠傳輸。建議加入成本測(cè)算，為大批量應(yīng)用提供佐證。后續(xù)可繼續(xù)算法研究，提高通訊質(zhì)量。