基于聲波的通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱玉瓊，楊紅，胡爽策

（武漢工程大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430200）

基于聲波的通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱玉瓊，楊紅，胡爽策

（武漢工程大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430200）

聲波能在水中遠(yuǎn)距離傳播，是水中信息傳輸?shù)闹饕d體，在海洋通信、海洋探測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，聲波通信具有抗電磁干擾性能好、保密性強(qiáng)、設(shè)備生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。使用聲波作為載波進(jìn)行通信，利用計(jì)算機(jī)通用的聲音檢測和發(fā)送功能，以及DASYlab軟件系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)PC-PC的基于聲波的數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了初步的通信實(shí)驗(yàn)。

聲波；數(shù)字通信；DASYlab；信息編碼

空間通信技術(shù)是現(xiàn)在通信技術(shù)的主要發(fā)展方向，比如光通信和無線電[1]。隨著工程和軍事技術(shù)發(fā)展的需求，聲波通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展也在不斷的進(jìn)步。聲波是機(jī)械波，它的傳播的是震動及能量，要靠介質(zhì)，在真空中不能傳播。利用聲波的特性，聲波通信系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于工程短距離測算、管道泄漏檢測、水上通信。在軍事領(lǐng)域中的聲納系統(tǒng)是潛艇和外部聯(lián)系的主要手段[2]。聲波通信可以用于在被金屬完全屏蔽的管道中短距離的傳送信息。為此本文探討使用聲波作為載波進(jìn)行通信的方法，通過計(jì)算機(jī)提供的聲音檢測和發(fā)送功能，設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)兩臺電腦之間簡單的通信功能。

1 聲波通信的基本原理

聲波通信是指將數(shù)據(jù)編碼為聲波信號進(jìn)行傳輸來實(shí)現(xiàn)近距離的點(diǎn)對點(diǎn)及一對多的通信，通信時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送端將數(shù)據(jù)編碼為聲波信號，通過揚(yáng)聲器輸出發(fā)送出來，數(shù)據(jù)接收端打開錄音設(shè)備接收發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將接收到的數(shù)據(jù)解碼為目標(biāo)數(shù)據(jù)。

數(shù)字通信系統(tǒng)克服了模擬通信系統(tǒng)保密性不好，抗干擾能力的缺點(diǎn)，利用誤差修正來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕梢圆捎眉m錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)行信道編碼以增加傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ缃駭?shù)字通信技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，數(shù)字聲波通信統(tǒng)模型如圖1所示：

圖1 數(shù)字聲波通信系統(tǒng)模型

2 聲波通信實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)

2.1 DASYlab軟件介紹

DASYlab由NI公司推出，是一套Windows環(huán)境下的集高速數(shù)據(jù)采集，分析和過程控制于一體的功能強(qiáng)大的組態(tài)化軟件包。它采用圖形化編程環(huán)境，通過連接函數(shù)圖標(biāo)來完成數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、分析、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、控制、觸發(fā)等各種功能控制程序。比起其它利用匯編語言或高級語言（如VB，VC++等）來編寫源代碼實(shí)現(xiàn)分析控制系統(tǒng)的軟件，編程更方便、效率更高。DASYlab支持250多種數(shù)據(jù)采集板/卡、512通道同時(shí)采集，實(shí)時(shí)曲線顯示可達(dá)250 kHz.

2.2 系統(tǒng)硬件驅(qū)動

根據(jù)聲波在空氣中傳輸特性，頻率與傳播衰減的關(guān)系，選擇通信使用信號調(diào)制方式以及載波頻率，利用計(jì)算機(jī)提供的硬件平臺（聲卡和麥克風(fēng)）來完成通信的測試研究。

聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件，有Mic In和Line In兩個(gè)插孔用來連接輸入輸出信號。Line In插孔動態(tài)特性好而且噪聲干擾小，而Mic In插孔由于有前置放大器，會導(dǎo)致信號負(fù)荷過大，且容易引入噪聲，因此本文系統(tǒng)采用Line In。DASYlab對聲音采集的設(shè)置默認(rèn)于其所處的操作系統(tǒng)，本文使用的是最普通的聲卡[3]。

2.3 系統(tǒng)軟件模型

為了研究聲音信道的通信能力，在計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)上利用DASYlab軟件平臺搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究模型，其主要功能是將一二進(jìn)制序列代碼調(diào)制到1KHz的載波上，通過聲卡驅(qū)動加載到聲卡上發(fā)出聲音，該聲音即攜帶了二進(jìn)制的信息[4]。在另一個(gè)程序端，麥克風(fēng)接收到聲音信號后，進(jìn)行檢波和解調(diào)，從而得到發(fā)送端發(fā)出的二進(jìn)制序列，以此完成通信的測試。

2.3.1 劃分功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及DASYlab提供的函數(shù)模塊，將系統(tǒng)劃分成：數(shù)據(jù)采集、濾波、頻譜分析、預(yù)檢測顯示、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警指示、異常回放、數(shù)理模型定位分析、文件存儲等功能模塊。

2.4 軟件程序仿真

2.4.1 聲音信號采樣

數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)用戶設(shè)置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)及其頻譜特性以直觀的圖形方式呈現(xiàn)于用戶面前。該模塊還提供保存所有或部分?jǐn)?shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)到信號分析模塊的功能。數(shù)據(jù)采集過程分為三步：①初始化/配置聲卡；②采樣；③釋放聲卡。

2.4.2 聲音信號濾波與頻譜分析

本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，方法為：經(jīng)過采樣，使連續(xù)時(shí)間信號變?yōu)殡x散時(shí)間信號，然后利用Dasylab的強(qiáng)大的數(shù)字信號處理的功能，對采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFT運(yùn)算處理，就可得到信號的幅度譜、相位譜以及功率譜。由于取樣信號中混疊有噪聲信號，為了消除干擾，在進(jìn)行FFT變換之前，要先進(jìn)行濾波處理。

3 聲波通信實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為了研究聲音信道的通信能力，在計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)上利用Dasylab軟件平臺搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究模型，其主要實(shí)現(xiàn)將一二進(jìn)制序列代碼調(diào)制到1KHz的載波上，通過聲卡驅(qū)動加載到聲卡上發(fā)出聲音，該聲音即攜帶了二進(jìn)制的信息。再另一個(gè)程序端，麥克風(fēng)接收到聲音信號后，進(jìn)行檢波和解調(diào)，從而得到發(fā)送端發(fā)出的二進(jìn)制序列[5]。以此完成一次通信的測試。

3.1.1 發(fā)送端模型

發(fā)送端模型如圖2所示，由兩個(gè)序列發(fā)生器、波譜分析端和音頻信號端組成。第一個(gè)序列發(fā)生器Generator01產(chǎn)生二進(jìn)制的信號，作為信源。第二個(gè)序列發(fā)生器Generator00的功能是載波調(diào)制。Analog Out00端為波譜分析端主要用來顯示序列發(fā)生器端傳來的波形信號。Y/t Chart00端為音頻信號端用來實(shí)時(shí)顯示序列發(fā)生器傳來的音頻信號。

圖2 發(fā)送端模型

3.1.2 接收端模型

接收端模型乳突所示，利用DASYlab提供的麥克風(fēng)驅(qū)動模塊，直接獲得接收到的音頻信號，通過一個(gè)比較模塊來實(shí)現(xiàn)檢波，為了提高抗干擾能力，比較模塊的沒有采用過零比較而是設(shè)定一個(gè)閾值，這樣小的音頻干擾將被去掉。檢波完的信號即可送入低通濾波器進(jìn)行解調(diào)，從而得到二進(jìn)制的編碼信號。接收端模型如圖3所示。

圖3 接收端模型

3.2 通信能力測試

運(yùn)行該模型后，圖形如下圖4所示：

圖4 發(fā)送端發(fā)出的調(diào)制波

在接收端，直接由麥克風(fēng)接收到的信息在信道中加入了聲波的雜波干擾后，麥克風(fēng)會接收到帶干擾雜波，接著對雜波進(jìn)行檢波解調(diào)，最后得到整形后的波形如圖5所示：

圖5 整形后得到的波形圖

4 結(jié)束語

水聲通信雖然發(fā)展相比于無線電通信還處于起步階段，但是毋庸置疑由于人類對海洋激增的渴求將會有巨大的發(fā)展空間。由于聲音信道容易受到各種噪聲的干擾，如何提高系統(tǒng)的抗噪聲能力，保證通信的質(zhì)量，增大通訊距離等還需要進(jìn)一步探究。

[1]吳清華.水聲通信及其軍事應(yīng)用研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2009，28（2）：228－230.

[2]李志剛.近鉆頭短距離聲波通信[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（2）：62－65.

[3]沈保鎖.現(xiàn)代通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[4]侯偉.聲信號分析及無線通信網(wǎng)絡(luò)在管道聲發(fā)射泄漏檢測中的研究與應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（3）：28-30. [5]閆萍，郭勇.基于DASYLab的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表與分析測，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

朱玉瓊（1990-），女，湖北襄陽人，碩士研究生在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)備智能監(jiān)控。