盧雪萍 肖慧敏 張 瑜

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

基于超聲波的數(shù)字語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究

盧雪萍 肖慧敏 張 瑜

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，噪聲干擾強(qiáng)烈，為保證緊急情況發(fā)生時(shí)，地面依然能與井下工作人員保持通信，文章介紹了一種基于語音解碼芯片的高壓縮率，采用超聲波傳送數(shù)字語音信號(hào)的方法，重點(diǎn)介紹了以ARM為處理器，采用二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制法，在發(fā)送端將二進(jìn)制的數(shù)字語音信號(hào)調(diào)制成2種不同頻率的超聲波，通過鋼筋傳送，接收端將其解調(diào)還原成語音信號(hào).數(shù)字信號(hào)通過中繼再生后可消除噪音積累，抗干擾能力強(qiáng)，該方法直接傳輸數(shù)字語音信號(hào)，可用于超聲波遠(yuǎn)距離傳送語音.

超聲波，語音通信，語音編解碼，二進(jìn)制頻移鍵控，調(diào)制解調(diào)

0 引言

由于超聲波信號(hào)能躲避電磁波和人耳能聽見的聲波的干擾，不同頻率范圍的超聲波在殺菌消毒、清洗、檢測，控制系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用.雖然低頻超聲波在介質(zhì)中傳播速度慢，但衰減相對較小，因此針對一些特殊環(huán)境，超聲波也用于低速數(shù)字通信系統(tǒng)中[1-3].目前超聲波在語音通信中的應(yīng)用較少，在文獻(xiàn)[4]中提出一種用超聲波傳送語音信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法，利用超聲波傳送語音信號(hào)的單邊帶幅度調(diào)制電路，該種方法將語音信號(hào)加載與高頻超聲波信號(hào)；文獻(xiàn)[5]中提出一種基于DDS基本原理，依托FPGA平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)字調(diào)幅載波的語音信號(hào)調(diào)制方法；這兩種基于超聲波的語音信號(hào)調(diào)制方法都屬于調(diào)幅AM載波，超聲波在介質(zhì)傳送過程中幅度的衰減直接影響通話質(zhì)量，不適合遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境的語音傳送.本文研究一種基于超聲波數(shù)字通信的語音信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，對于特殊環(huán)境的語音通信有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1 超聲波數(shù)字通信系統(tǒng)原理

超聲波通信系統(tǒng)的工作原理是系統(tǒng)中兩個(gè)超聲波換能器通過氣體、液體或者固體媒介耦合在一起，在發(fā)送端首先將要傳輸信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，將要傳送的數(shù)據(jù)調(diào)制成不同頻率的電信號(hào)，然后經(jīng)過一些降低信息冗余度、加密、差錯(cuò)控制技術(shù)和調(diào)制等數(shù)字信號(hào)處理，再對信號(hào)進(jìn)行濾波和功率放大等模擬信號(hào)處理，最后驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)，進(jìn)入信道；接收端是發(fā)送端的逆過程，首先超聲波換能器將收到的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過低噪聲放大，濾波，檢波，然后解調(diào)、信道解碼、解密和信源解碼等過程，最終將信號(hào)從超聲波頻段解調(diào)出來，還原為原始信息.

2 超聲波數(shù)字語音通信關(guān)鍵技術(shù)

目前基于超聲波的語音信息數(shù)字調(diào)頻通信相關(guān)研究很少，因?yàn)樵诔暡〝?shù)字通信中不同頻率的超聲波代表不同的數(shù)字信號(hào)，當(dāng)發(fā)送端的數(shù)字信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，不同頻率的超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳輸需要經(jīng)過一定的時(shí)間后才能穩(wěn)定，因此只能利用超聲波進(jìn)行低速度的數(shù)字通信，但是在語音通信中如果要保證通話質(zhì)量，必須有較高的采樣頻率.高速的語音數(shù)據(jù)流量與低速度的通信之間出現(xiàn)了矛盾，因此高語音壓縮率是實(shí)現(xiàn)超聲波傳送數(shù)字語音信息的前提條件.

TR600芯片是基于正弦激勵(lì)線性預(yù)測的聲碼器算法語音編解碼芯片，編解碼性能優(yōu)于常規(guī)的語音編碼算法，符合我國軍用電臺(tái)算法標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是高語音壓縮率下保證高自然度的語音質(zhì)量；單芯片方式，不需要外部存儲(chǔ)器.TR600語音編解碼器功能包括編碼器和解碼器兩部分.編碼器接受8kHz采樣的16位線性語音數(shù)據(jù)，按照編碼壓縮率要求輸出一組信道數(shù)據(jù)流.反之，解碼器接受一組信道數(shù)據(jù)流，合成為語音數(shù)據(jù).編碼器和解碼器的操作為全雙工的異步操作.語音數(shù)據(jù)來自于外部與TR600匹配的PCM芯片，TR600內(nèi)部的A/D-D/A接口包括PCM數(shù)據(jù)接口和控制接口.由于TR600語音編解碼器的特點(diǎn)即為高壓縮率，而通常A率或μ率的PCM芯片為了減少數(shù)據(jù)量已經(jīng)對采集的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的壓縮，為了最大限度地保證語音質(zhì)量，TR600提供了不同的編碼速率，TR600最低的編碼速度為600bps，75毫秒每幀，每幀的數(shù)據(jù)為45位.

3 數(shù)字語音調(diào)制解調(diào)的基本原理

本系統(tǒng)中采用2FSK二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制方法，發(fā)送端的處理器接收語音編碼芯片輸出的數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)加載于換能器.選取換能器的中心頻率f為40KHz，2FSK信號(hào)頻率偏離為2KHz，利用要傳輸?shù)恼Z音信號(hào)數(shù)字0和1分別控制處理器產(chǎn)生38KHz和42KHz兩種不同頻率的超聲波信號(hào)；經(jīng)過介質(zhì)傳輸后的超聲波通過放大濾波等處理后輸入到接收端處理器，接收端根據(jù)輸入信號(hào)的頻率將超聲波解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過TR600解碼，還原為語音信號(hào).

3.1產(chǎn)生2FSK調(diào)制信號(hào)的方法

發(fā)送端產(chǎn)生精確、穩(wěn)定的超聲波信號(hào)是調(diào)制過程的關(guān)鍵技術(shù).本系統(tǒng)中發(fā)送端和接收端采用的處理器芯片是STM32F103VE，最高工作頻率為72MHz，內(nèi)部的4個(gè)可編程定時(shí)模塊均有輸入捕獲和PWM信號(hào)產(chǎn)生功能.發(fā)送端處理器將數(shù)字語音信號(hào)調(diào)制為超聲波的原理框圖如圖1(a)所示.STM32F103芯片內(nèi)部有5個(gè)串行通信接口，語音芯片與處理器之間采取串行通信方式，TR600通過串口1將語音數(shù)據(jù)傳送給處理器，而后處理器通過串行通信接口2的發(fā)送端TX2以10位的數(shù)據(jù)格式往外發(fā)送語音數(shù)據(jù)，同時(shí)將此數(shù)據(jù)引回外部中斷口EXT1.處理器內(nèi)部的中斷硬件系統(tǒng)具備邊沿檢測的功能，語音數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)變化形成的上升沿和下降沿將會(huì)引起處理器產(chǎn)生中斷.在中斷服務(wù)程序中，主控制器將會(huì)根據(jù)上升沿或者下降沿來判斷此時(shí)語音信號(hào)的值，利用可編程定時(shí)器的PWM功能，產(chǎn)生不同的方波信號(hào).在本系統(tǒng)中規(guī)定數(shù)據(jù)位的值為0時(shí)產(chǎn)生38KHz超聲波信號(hào)，數(shù)據(jù)位的值為1時(shí)產(chǎn)生42KHz超聲波信號(hào)，因此語音信號(hào)被調(diào)制為38KHz和42KHz兩種頻率的超聲波信號(hào).超聲波調(diào)制波形示意圖如圖1(b)所示.

超聲波通信系統(tǒng)中通常產(chǎn)生正弦或者類似正弦超聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)換能器，普通單片機(jī)的頻率無法控制所要求的波形精度，一般都采用ARM芯片與DDS芯片或者采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)DDS直接頻率合成，然后通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)不同頻率正弦波信號(hào)[6,7].本系統(tǒng)充分利用CPU內(nèi)部邊沿檢測硬件模塊以及可編程定時(shí)器.處理器芯片內(nèi)部強(qiáng)大的硬件功能既減少了CPU軟件處理任務(wù)，也保證了輸出超聲波脈沖的實(shí)時(shí)性和精確度.CPU直接輸出超聲方波，減少了DDS以及D/A轉(zhuǎn)換芯片.由于周期方波頻譜的離散性和高次諧波的收斂性，實(shí)驗(yàn)證明，超聲方波經(jīng)過傳輸和接收端濾波處理后，將保留同頻率正弦基波.

3.2解調(diào)2FSK信號(hào)

接收端換能器接收的正弦超聲波經(jīng)過放大濾波、過零檢測后恢復(fù)為38K和42K交替的矩形波，信號(hào)輸入至接收端處理器STM32F103的定時(shí)器輸入端口，芯片內(nèi)部的定時(shí)器具有捕捉功能，通過邊沿捕捉能計(jì)算輸入信號(hào)的頻率，根據(jù)被檢波的頻率還原輸出語音數(shù)字信號(hào)流從I/O口PB1輸出，如果測得的信號(hào)頻率不屬于有效的頻率信號(hào)38KHz或者42KHz，則將進(jìn)行修正處理.發(fā)送端與接收端處理器中的串行接口UART2設(shè)置為相同的工作方式及波特率，當(dāng)被還原的語音數(shù)字信號(hào)引回至處理器的串行接口UART2的接收端RX2時(shí)，接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送端串行接口UART2的TX2端送出的數(shù)據(jù)相同，因此能正確解調(diào)；而后處理器又通過串行接口UART1與TR600芯片進(jìn)行串行通信，由TR600解碼語音信號(hào)的解碼.接收端超聲波信號(hào)解調(diào)原理圖及波形示意圖如圖2所示

適時(shí)準(zhǔn)確檢測超聲波頻率也是解調(diào)超聲波的關(guān)鍵技術(shù)，控制器芯片STM32F103VE工作頻率為72MHz，內(nèi)部可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為72MHz，對于中心頻率為40KHz左右的超聲波而言，測頻誤差約為1/2000，能準(zhǔn)確測量38KHz與42KHz方波信號(hào).在解調(diào)過程中也充分利用處理器內(nèi)部的定時(shí)模塊，測頻工作主要由硬件完成，響應(yīng)及時(shí)減少CPU工作任務(wù).

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

發(fā)送端和接收端處理器中的串行接口以及TR600的編解碼工作在全雙工方式，兩終端之間可以實(shí)現(xiàn)雙向語音通信.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，系統(tǒng)中連接超聲波換能器的鋼筋直徑為10 mm，單向長度為1 000 m.終端1和終端2的調(diào)制解調(diào)模塊處于全雙工方式，超聲波調(diào)制模塊包括超聲波信號(hào)的產(chǎn)生及功率驅(qū)動(dòng)；超聲波解調(diào)模塊包括放大、濾波、檢波以及測頻解調(diào).終端1將語音數(shù)據(jù)調(diào)制為超聲波驅(qū)動(dòng)換能器，同時(shí)通過串行接口UART3的發(fā)送端TX3將未調(diào)制的語音數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機(jī)；終端2首先解調(diào)接收的超聲波語音信號(hào)，然后按同樣的調(diào)制方法，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)調(diào)制為超聲波通過另外一條通道傳輸回終端1，終端1繼而將接收的超聲波解調(diào)后再發(fā)送給PC上位機(jī)，PC上位機(jī)將經(jīng)過兩次調(diào)制解調(diào)及鋼筋傳送后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并記錄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù).

實(shí)驗(yàn)過程中，終端1以1 200bps速率模擬發(fā)送語音數(shù)據(jù)，每75ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)為7個(gè)字節(jié)，包含1個(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)和6個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)24小時(shí)測試，PC上位機(jī)適時(shí)檢測記錄，經(jīng)過多次測試，誤碼率幾乎為0；當(dāng)發(fā)送端波特率較高時(shí)，誤碼率比較大..

該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果TR600選擇低速編解碼方式，75毫秒每幀，每幀的數(shù)據(jù)為45位，并以9 600bps波特率與控制器進(jìn)行通信，控制器以1 200bps調(diào)制/解調(diào)超聲波語音信號(hào)，則75ms內(nèi)處理器可以完成一幀語音數(shù)據(jù)的收/發(fā)與超聲波調(diào)制/解調(diào)，經(jīng)1 000m鋼筋傳輸，超低的誤碼率將能保證正常的通話質(zhì)量.

5 結(jié)束語

對于煤礦井下通信而言,對語音編碼方式的選擇應(yīng)具有較高的抗干擾、抗誤碼性能;通話質(zhì)量高,編碼速率要盡可能低，所占用的帶寬最小,可獲得較高的比特可靠性.因此本文研究的數(shù)字語音調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)可以與TR600語音編解碼芯片構(gòu)成超聲波數(shù)字語音通信系統(tǒng)，將應(yīng)用于煤礦通信系統(tǒng)中，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，由鋼筋作為超聲波載體的通信系統(tǒng)牢固可靠，地面依然能與井下工作人員保持通信，便于積極開展有效的搜救工作.

[1]雷鳴靂，馮祖仁.超聲傳感器調(diào)制特性及收發(fā)電路研究[J].國外電子測量技術(shù),2007(04):15-23.

[2]張坤鵬,王子樑,孫俊清.基于ATmega單片機(jī)的超聲波數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,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]蔣錕林.用超聲波傳送語音信號(hào)的實(shí)現(xiàn)[J]電聲技術(shù)，2011,35(01):40-42.

[5]葉志強(qiáng).超聲波語音通信的調(diào)制器設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[6]李娜.基于ARM9的數(shù)字超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)[D]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[7]李雙利.一種適用于井下通信的FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[D]中南大學(xué)，2011.

2014-03-26

盧雪萍(1976-)，女，湖北應(yīng)城人，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測與控制.

TN912.31

A

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

(責(zé)任編輯王海雷)