潜水爱好者的水下数字式对讲机

乔月依

设计背景

2017年暑假，我同父母去海南旅游，在旅游期间我体验过一次水下潜水活动。这次潜水活动使我的脑子里突然浮现一个问题，为什么我在水下跟教练交流只能用手语呢，如果潜水者与教练的距离太远而导致教练看不清楚手语，是否会导致潜在危险的发生呢？海底环境错综复杂，有没有更安全有效的交流方法保證潜水员的安全？带着这些问题，我查阅了一些资料，并萌生出设计水下语音呼叫设备的想法。

水下通信原理

无线电波在海水中传播时会发生严重的衰减，传输距离十分有限，而声波在水中的传播性能就好得多，频率范围在1Hz至50kHz之间的声波在水中的衰减较少，可以实现较远距离的传输。而且使用声波作为水声通信的载体，设备简单，只需使用水声换能器将电、声信号进行转换即可实现信息传播。

与目前的其他研究成果不同的是，我们的设计采用了数字式单边带水下通信方案，通话的距离更远、音质更清晰。水下对讲机的工作过程是：由麦克录音，再通过导线传进处理机。处理机完成通信信号的调制，然后通过换能器转化成声音传输出去。另外一个换能器接收到水里的声信号，在处理机里转换成话音送到耳机里，就能听到对方的通话。

总体设计方案

作品用声波作为信息载体，由麦克、耳机、换能器和处理机组成。

将语音输入和输出设备（麦克和耳机）、放大电路、语音压缩模块、数字处理模块、换能器及电池等部件组装成一种可被潜水者佩戴的小型水下对讲机，通过对该装置内部芯片编写程序使之能够实现数字单边带通信功能。处理后的信号经过发射器转化成水下的声波信号发到水中传播。通过水听器（一种接收水下声信号的装置）接收水中的声信号，然后传输到水声通信机解调模块、语音信号解码模块，最终能够通过耳机放出声音信号。系统设计方案如图1所示。

信号的处理过程是使用者通过麦克讲话，语音采集电路对语音信号进行采集，并对语音编码，将模拟量转换为数字量。转换后的数字量传递给数字信号处理器，在处理器内进行调制，调制后的信号经DA转换为模拟信号，经功放放大后，由换能器发送给水声信号;接收端采集到水声信道传输的信号后，先经前放电路，对信号调理，AD把调理后的信号采集编码，由数字信号处理器解调，得到语音信号，经语音采集电路，由扬声器播放。

电路板的设计与开发

数字信号处理电路

数字信号处理电路是水下对讲机的核心，负责完成信号的调制解调、信号采集电路通信、整体系统控制，如收发状态转换、功放开关等。为了满足以上要求，需要具有较高的运算速度。因为单边带通信算法作为一种语音信号处理算法，需要系统能够实时完成调制解调，否则语音信号会变得不连续，严重影响通信质量。在教师的指导下，我们选择了创龙SOM-TL6748核心板，可以满足上述条件。

数据采集电路

数据采集电路分为2部分：语音采集电路与AD/DA采集电路。语音采集芯片又称为CODEC芯片，是一种专用于语音量化编码、集AD/DA于一体的采集芯片。我们选择了TI公司生产的TLV320AIC3104。该芯片有6路输入、6路输出，其中4路用于连接驻极体式麦克，2路连接动圈式麦克，可以通过实际外部需求，合理选择。同时它有内部耳机放大电路，无须在硬件电路再次设计耳放电路。

前放电路

前放电路用于对接收信号放大、滤波，去掉带外干扰，使接收信号幅度尽量接近AD动态范围。前放电路含仪表放大、放大与滤波3部分。放大滤波电路由2片ADA4841-2芯片搭建而成。放大采用负反馈反相放大电路，同相端输入偏置，保证输出范围正确。滤波电路由两级低通与两级高通搭建而成。低通截止频率44kHz，高通截止频率28kHz，滤波电路无增益。

电源模块

设备由8节NCR18650B锂电池供电，我们选用了PTN78060W进行电源管理。电压输入范围为7～36V，满足8节锂电池供电。

实验流程与结果分析

设计完成后，我们在水池对整机性能进行测试。使用2套设备进行收发实验，换能器入水1.2m，间距5m。

单边带通信实验时输入设备和收听设备使用头戴式耳麦。测试语音数字“l”到“10”的原始语音信号如图2所示。

经过调制后的波形如图3，可似看到经过发射语音均衡的处理，各数字幅度趋于一致。

接收端解调得到的语音信号如图4，可以看到与原始信号包络变化大体一致，只是接收端谱减法使其与原始信号有微小的差别。

水池实验结果表明，单边带语音通信成功，解调出的语音信号质量清晰，语义可辨，在整个通信过程中性能良好。

结论

本作品设计了小型数字式水下对讲机，与大型的通信声呐相比，具有体积小、功耗低、话音清晰、使用方便的特点。其中采用数字器件和数字算法实现了韦弗法的SSB调制，从而实现水下可靠和清晰的语音信号传输，作品的设计具有创新性。实验室的测试和水池实验验证了水下对讲机可以稳定的工作，通话效果良好。进一步完善设计后，该作品具有很好的应用前景和市场潜力。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

该项目提出了以声波作为信息载体，设计了数字式对讲机，创新性好，实用价值高，可推广应用。采用数字控制手段和信号调理技术，降低了噪声，实现了语音信号的清晰、可靠传输。建议加入成本测算，为大批量应用提供佐证。后续可继续算法研究，提高通讯质量。