潛水愛好者的水下數字式對講機

喬月依

設計背景

2017年暑假，我同父母去海南旅游，在旅游期間我體驗過一次水下潛水活動。這次潛水活動使我的腦子里突然浮現一個問題，為什么我在水下跟教練交流只能用手語呢，如果潛水者與教練的距離太遠而導致教練看不清楚手語，是否會導致潛在危險的發生呢？海底環境錯綜復雜，有沒有更安全有效的交流方法保證潛水員的安全？帶著這些問題，我查閱了一些資料，并萌生出設計水下語音呼叫設備的想法。

水下通信原理

無線電波在海水中傳播時會發生嚴重的衰減，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，可以實現較遠距離的傳輸。而且使用聲波作為水聲通信的載體，設備簡單，只需使用水聲換能器將電、聲信號進行轉換即可實現信息傳播。

與目前的其他研究成果不同的是，我們的設計采用了數字式單邊帶水下通信方案，通話的距離更遠、音質更清晰。水下對講機的工作過程是：由麥克錄音，再通過導線傳進處理機。處理機完成通信信號的調制，然后通過換能器轉化成聲音傳輸出去。另外一個換能器接收到水里的聲信號，在處理機里轉換成話音送到耳機里，就能聽到對方的通話。

總體設計方案

作品用聲波作為信息載體，由麥克、耳機、換能器和處理機組成。

將語音輸入和輸出設備（麥克和耳機）、放大電路、語音壓縮模塊、數字處理模塊、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講機，通過對該裝置內部芯片編寫程序使之能夠實現數字單邊帶通信功能。處理后的信號經過發射器轉化成水下的聲波信號發到水中傳播。通過水聽器（一種接收水下聲信號的裝置）接收水中的聲信號，然后傳輸到水聲通信機解調模塊、語音信號解碼模塊，最終能夠通過耳機放出聲音信號。系統設計方案如圖1所示。

信號的處理過程是使用者通過麥克講話，語音采集電路對語音信號進行采集，并對語音編碼，將模擬量轉換為數字量。轉換后的數字量傳遞給數字信號處理器，在處理器內進行調制，調制后的信號經DA轉換為模擬信號，經功放放大后，由換能器發送給水聲信號;接收端采集到水聲信道傳輸的信號后，先經前放電路，對信號調理，AD把調理后的信號采集編碼，由數字信號處理器解調，得到語音信號，經語音采集電路，由揚聲器播放。

電路板的設計與開發

數字信號處理電路

數字信號處理電路是水下對講機的核心，負責完成信號的調制解調、信號采集電路通信、整體系統控制，如收發狀態轉換、功放開關等。為了滿足以上要求，需要具有較高的運算速度。因為單邊帶通信算法作為一種語音信號處理算法，需要系統能夠實時完成調制解調，否則語音信號會變得不連續，嚴重影響通信質量。在教師的指導下，我們選擇了創龍SOM-TL6748核心板，可以滿足上述條件。

數據采集電路

數據采集電路分為2部分：語音采集電路與AD/DA采集電路。語音采集芯片又稱為CODEC芯片，是一種專用于語音量化編碼、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路連接動圈式麥克，可以通過實際外部需求，合理選擇。同時它有內部耳機放大電路，無須在硬件電路再次設計耳放電路。

前放電路

前放電路用于對接收信號放大、濾波，去掉帶外干擾，使接收信號幅度盡量接近AD動態范圍。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。濾波電路由兩級低通與兩級高通搭建而成。低通截止頻率44kHz，高通截止頻率28kHz，濾波電路無增益。

電源模塊

設備由8節NCR18650B鋰電池供電，我們選用了PTN78060W進行電源管理。電壓輸入范圍為7～36V，滿足8節鋰電池供電。

實驗流程與結果分析

設計完成后，我們在水池對整機性能進行測試。使用2套設備進行收發實驗，換能器入水1.2m，間距5m。

單邊帶通信實驗時輸入設備和收聽設備使用頭戴式耳麥。測試語音數字“l”到“10”的原始語音信號如圖2所示。

經過調制后的波形如圖3，可似看到經過發射語音均衡的處理，各數字幅度趨于一致。

接收端解調得到的語音信號如圖4，可以看到與原始信號包絡變化大體一致，只是接收端譜減法使其與原始信號有微小的差別。

水池實驗結果表明，單邊帶語音通信成功，解調出的語音信號質量清晰，語義可辨，在整個通信過程中性能良好。

結論

本作品設計了小型數字式水下對講機，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。其中采用數字器件和數字算法實現了韋弗法的SSB調制，從而實現水下可靠和清晰的語音信號傳輸，作品的設計具有創新性。實驗室的測試和水池實驗驗證了水下對講機可以穩定的工作，通話效果良好。進一步完善設計后，該作品具有很好的應用前景和市場潛力。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

該項目提出了以聲波作為信息載體，設計了數字式對講機，創新性好，實用價值高，可推廣應用。采用數字控制手段和信號調理技術，降低了噪聲，實現了語音信號的清晰、可靠傳輸。建議加入成本測算，為大批量應用提供佐證。后續可繼續算法研究，提高通訊質量。