基于超声波的数字语音调制解调技术研究

卢雪萍 肖慧敏 张 瑜

(绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000)

基于超声波的数字语音调制解调技术研究

卢雪萍 肖慧敏 张 瑜

(绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000)

矿井下工作环境复杂，噪声干扰强烈，为保证紧急情况发生时，地面依然能与井下工作人员保持通信，文章介绍了一种基于语音解码芯片的高压缩率，采用超声波传送数字语音信号的方法，重点介绍了以ARM为处理器，采用二进制频移键控调制法，在发送端将二进制的数字语音信号调制成2种不同频率的超声波，通过钢筋传送，接收端将其解调还原成语音信号.数字信号通过中继再生后可消除噪音积累，抗干扰能力强，该方法直接传输数字语音信号，可用于超声波远距离传送语音.

超声波，语音通信，语音编解码，二进制频移键控，调制解调

0 引言

由于超声波信号能躲避电磁波和人耳能听见的声波的干扰，不同频率范围的超声波在杀菌消毒、清洗、检测，控制系统中都有广泛的应用.虽然低频超声波在介质中传播速度慢，但衰减相对较小，因此针对一些特殊环境，超声波也用于低速数字通信系统中[1-3].目前超声波在语音通信中的应用较少，在文献[4]中提出一种用超声波传送语音信号的实现方法，利用超声波传送语音信号的单边带幅度调制电路，该种方法将语音信号加载与高频超声波信号；文献[5]中提出一种基于DDS基本原理，依托FPGA平台，进行数字调幅载波的语音信号调制方法；这两种基于超声波的语音信号调制方法都属于调幅AM载波，超声波在介质传送过程中幅度的衰减直接影响通话质量，不适合远距离、复杂环境的语音传送.本文研究一种基于超声波数字通信的语音信号调制解调技术，对于特殊环境的语音通信有重要的应用价值.

1 超声波数字通信系统原理

超声波通信系统的工作原理是系统中两个超声波换能器通过气体、液体或者固体媒介耦合在一起，在发送端首先将要传输信息转换成数字电信号，将要传送的数据调制成不同频率的电信号，然后经过一些降低信息冗余度、加密、差错控制技术和调制等数字信号处理，再对信号进行滤波和功率放大等模拟信号处理，最后驱动超声波换能器，将电信号转换成超声波信号，进入信道；接收端是发送端的逆过程，首先超声波换能器将收到的超声波转换成电信号，经过低噪声放大，滤波，检波，然后解调、信道解码、解密和信源解码等过程，最终将信号从超声波频段解调出来，还原为原始信息.

2 超声波数字语音通信关键技术

目前基于超声波的语音信息数字调频通信相关研究很少，因为在超声波数字通信中不同频率的超声波代表不同的数字信号，当发送端的数字信号发生改变时，不同频率的超声波经过介质传输需要经过一定的时间后才能稳定，因此只能利用超声波进行低速度的数字通信，但是在语音通信中如果要保证通话质量，必须有较高的采样频率.高速的语音数据流量与低速度的通信之间出现了矛盾，因此高语音压缩率是实现超声波传送数字语音信息的前提条件.

TR600芯片是基于正弦激励线性预测的声码器算法语音编解码芯片，编解码性能优于常规的语音编码算法，符合我国军用电台算法标准，其特点是高语音压缩率下保证高自然度的语音质量；单芯片方式，不需要外部存储器.TR600语音编解码器功能包括编码器和解码器两部分.编码器接受8kHz采样的16位线性语音数据，按照编码压缩率要求输出一组信道数据流.反之，解码器接受一组信道数据流，合成为语音数据.编码器和解码器的操作为全双工的异步操作.语音数据来自于外部与TR600匹配的PCM芯片，TR600内部的A/D-D/A接口包括PCM数据接口和控制接口.由于TR600语音编解码器的特点即为高压缩率，而通常A率或μ率的PCM芯片为了减少数据量已经对采集的语音数据进行了一定的压缩，为了最大限度地保证语音质量，TR600提供了不同的编码速率，TR600最低的编码速度为600bps，75毫秒每帧，每帧的数据为45位.

3 数字语音调制解调的基本原理

本系统中采用2FSK二进制频移键控的调制方法，发送端的处理器接收语音编码芯片输出的数字信号，将其转换成超声波信号加载于换能器.选取换能器的中心频率f为40KHz，2FSK信号频率偏离为2KHz，利用要传输的语音信号数字0和1分别控制处理器产生38KHz和42KHz两种不同频率的超声波信号；经过介质传输后的超声波通过放大滤波等处理后输入到接收端处理器，接收端根据输入信号的频率将超声波解调为数字信号，然后经过TR600解码，还原为语音信号.

3.1产生2FSK调制信号的方法

发送端产生精确、稳定的超声波信号是调制过程的关键技术.本系统中发送端和接收端采用的处理器芯片是STM32F103VE，最高工作频率为72MHz，内部的4个可编程定时模块均有输入捕获和PWM信号产生功能.发送端处理器将数字语音信号调制为超声波的原理框图如图1(a)所示.STM32F103芯片内部有5个串行通信接口，语音芯片与处理器之间采取串行通信方式，TR600通过串口1将语音数据传送给处理器，而后处理器通过串行通信接口2的发送端TX2以10位的数据格式往外发送语音数据，同时将此数据引回外部中断口EXT1.处理器内部的中断硬件系统具备边沿检测的功能，语音数据流中的数据变化形成的上升沿和下降沿将会引起处理器产生中断.在中断服务程序中，主控制器将会根据上升沿或者下降沿来判断此时语音信号的值，利用可编程定时器的PWM功能，产生不同的方波信号.在本系统中规定数据位的值为0时产生38KHz超声波信号，数据位的值为1时产生42KHz超声波信号，因此语音信号被调制为38KHz和42KHz两种频率的超声波信号.超声波调制波形示意图如图1(b)所示.

超声波通信系统中通常产生正弦或者类似正弦超声波信号驱动换能器，普通单片机的频率无法控制所要求的波形精度，一般都采用ARM芯片与DDS芯片或者采用FPGA芯片实现DDS直接频率合成，然后通过D/A转换实现不同频率正弦波信号[6,7].本系统充分利用CPU内部边沿检测硬件模块以及可编程定时器.处理器芯片内部强大的硬件功能既减少了CPU软件处理任务，也保证了输出超声波脉冲的实时性和精确度.CPU直接输出超声方波，减少了DDS以及D/A转换芯片.由于周期方波频谱的离散性和高次谐波的收敛性，实验证明，超声方波经过传输和接收端滤波处理后，将保留同频率正弦基波.

3.2解调2FSK信号

接收端换能器接收的正弦超声波经过放大滤波、过零检测后恢复为38K和42K交替的矩形波，信号输入至接收端处理器STM32F103的定时器输入端口，芯片内部的定时器具有捕捉功能，通过边沿捕捉能计算输入信号的频率，根据被检波的频率还原输出语音数字信号流从I/O口PB1输出，如果测得的信号频率不属于有效的频率信号38KHz或者42KHz，则将进行修正处理.发送端与接收端处理器中的串行接口UART2设置为相同的工作方式及波特率，当被还原的语音数字信号引回至处理器的串行接口UART2的接收端RX2时，接收的数据与发送端串行接口UART2的TX2端送出的数据相同，因此能正确解调；而后处理器又通过串行接口UART1与TR600芯片进行串行通信，由TR600解码语音信号的解码.接收端超声波信号解调原理图及波形示意图如图2所示

适时准确检测超声波频率也是解调超声波的关键技术，控制器芯片STM32F103VE工作频率为72MHz，内部可编程定时器计数频率为72MHz，对于中心频率为40KHz左右的超声波而言，测频误差约为1/2000，能准确测量38KHz与42KHz方波信号.在解调过程中也充分利用处理器内部的定时模块，测频工作主要由硬件完成，响应及时减少CPU工作任务.

4 实验测试分析

发送端和接收端处理器中的串行接口以及TR600的编解码工作在全双工方式，两终端之间可以实现双向语音通信.实验装置如图3所示，系统中连接超声波换能器的钢筋直径为10 mm，单向长度为1 000 m.终端1和终端2的调制解调模块处于全双工方式，超声波调制模块包括超声波信号的产生及功率驱动；超声波解调模块包括放大、滤波、检波以及测频解调.终端1将语音数据调制为超声波驱动换能器，同时通过串行接口UART3的发送端TX3将未调制的语音数据发送给PC上位机；终端2首先解调接收的超声波语音信号，然后按同样的调制方法，将解调后的数据调制为超声波通过另外一条通道传输回终端1，终端1继而将接收的超声波解调后再发送给PC上位机，PC上位机将经过两次调制解调及钢筋传送后的数据与原数据进行比较并记录错误数据的个数.

实验过程中，终端1以1 200bps速率模拟发送语音数据，每75ms发送一帧数据，每帧数据为7个字节，包含1个标识字节和6个数据字节.实验系统连续24小时测试，PC上位机适时检测记录，经过多次测试，误码率几乎为0；当发送端波特率较高时，误码率比较大..

该系统的实验结果表明，如果TR600选择低速编解码方式，75毫秒每帧，每帧的数据为45位，并以9 600bps波特率与控制器进行通信，控制器以1 200bps调制/解调超声波语音信号，则75ms内处理器可以完成一帧语音数据的收/发与超声波调制/解调，经1 000m钢筋传输，超低的误码率将能保证正常的通话质量.

5 结束语

对于煤矿井下通信而言,对语音编码方式的选择应具有较高的抗干扰、抗误码性能;通话质量高,编码速率要尽可能低，所占用的带宽最小,可获得较高的比特可靠性.因此本文研究的数字语音调制解调系统可以与TR600语音编解码芯片构成超声波数字语音通信系统，将应用于煤矿通信系统中，当紧急情况发生时，由钢筋作为超声波载体的通信系统牢固可靠，地面依然能与井下工作人员保持通信，便于积极开展有效的搜救工作.

[1]雷鸣雳，冯祖仁.超声传感器调制特性及收发电路研究[J].国外电子测量技术,2007(04):15-23.

[2]张坤鹏,王子樑,孙俊清.基于ATmega单片机的超声波数字识别系统设计[J].自动化与仪表,2008(7):72-75

[3]Michio IRIE.Ultrasonic Signal Communication Device,Communication Device,Communication Device for Divers,Communication System,and Communication Method.U.5.patent,2009/0279389,2009-04-30.

[4]蒋锟林.用超声波传送语音信号的实现[J]电声技术，2011,35(01):40-42.

[5]叶志强.超声波语音通信的调制器设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[6]李娜.基于ARM9的数字超声波发生器的设计[D]哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[7]李双利.一种适用于井下通信的FSK调制解调技术研究[D]中南大学，2011.

2014-03-26

卢雪萍(1976-)，女，湖北应城人，主要研究方向为自动检测与控制.

TN912.31

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1008-293X(2014)08-0026-04

(责任编辑王海雷)