[发明专利]一种全双工水声数字语音通信演示装置及其方法

权利要求书

1.一种全双工水声数字语音通信演示装置，其特征在于分通信甲方和乙方，分别记作U₁和U₂；U₁或U₂的硬件系统包括语音输入输出设备、声码器及其外围电路、嵌入式CPU及其外围设备、放大滤波电路、电源转换电路、声电转换设备、控制面板和平板电脑，硬件系统还包括微控制器MCU及其相关电路、漏电保护电路、气泡发生器、声电转换设备升降装置、声挡板、水槽和操作平台，声电转换设备包括4个水声换能器或2个水声换能器、2个水听器；

水声换能器带宽分成B₁和B₂两个子带；对通信方U₁，B₁为上行子带，用于发送语音数据，B₂为下行子带，用于接收语音数据；而对通信方U₂则相反，B₂为上行子带，用于发送语音数据，B₁为下行子带，用于接收语音数据，实现实时全双工语音通信功能；语音输入输出设备用于拾取和播放语音；声码器实现对语音的参数压缩编码和解码；嵌入式CPU完成水声信号的调制和解调，除主程序外，还包括2个子任务，子任务1用于处理发射声信号，子任务2用于处理接收声信号；MCU实现对气泡发生器、声挡板、升降装置的控制；平板电脑用于播放水声通信相关知识和操作简介；控制面板为用户和装置之间的操作界面，有通话、干扰1、干扰2和干扰3四个按钮；嵌入式CPU和MCU之间通过串行口进行通信，嵌入式CPU和声码器之间通过串行口进行通信，MCU和平板电脑之间通过蓝牙进行通信。

2.一种全双工水声数字语音通信演示方法，其特征在于包括如下步骤：

1)U₁麦克风拾取到的语音信号经声码器压缩编码后生成语音编码数据；

2)U₁声码器将步骤1)所得的语音数据通过串行通信口传输给U₁嵌入式CPU；

3)U₁嵌入式CPU子任务1对步骤2)所得的语音数据进行组帧、信道编码和调制，生成发射基带信号；

4)U₁嵌入式CPU的子任务1将步骤3)生成的基带信号移频至发射子带B₁；

5)U₁控制面板中通话按钮按下时，MCU通过串行口和蓝牙将通话状态信息传输给U₁嵌入式CPU和平板电脑；U₁嵌入式CPU的子任务1通过水声换能器先发射一个探测信号x(t)，间隔一段时间后，再发射步骤4)所得信号，声波在水槽中传播；通话进行一段时间后，通话按钮自动恢复到原先弹起状态，结束语音通信；

6)U₂水声换能器或水听器将声信号转化为电信号；电信号经放大和带通滤波后，通过A/D转换器进入U₂嵌入式CPU；U₂带通滤波器的频率范围与子带B₁对应；

7)U₂嵌入式CPU的子任务2对步骤6)所得信号进行探测信号的检测，有探测信号后，估计水声信道的冲击响应为：

argmin||y-Xh|| (1)

其中，h＝[h(0),h(1),…,h(N-1)]^T为水声信道的冲击响应；y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]^T为接收信号；x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T为探测信号，X为如下矩阵：

用估计所得的水声信道对后续水声信道进行均衡，然后再进行解调和信道译码；译码输出信息通过串行口发送给声码器；

8)U₂声码器对步骤7)所得语音数据进行解码，生成的语音通过扬声器或耳机播出；

9)U₂麦克风拾取到的语音信号通信过程与U₁相同，不同的是U₂用子带B₂发射声波，U₁的带通滤波器与子带B₂对应；U₁向U₂传输语音数据与U₂向U₁传输语音数据的过程完全独立，实现全双工通信功能；

10)控制面板中通话按钮按下时，MCU点亮通话按钮，并将通话状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；通话进行一段时间后，MCU熄灭通话按钮，并将通话结束状态信息发送给嵌入式CPU和平板电脑；

11)控制面板中干扰1按钮按下时，MCU控制气泡发生器产生气泡，同时将干扰1启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放水中气泡对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，干扰1按钮恢复原先弹起状态，气泡发生器停止产生气泡，同时平板电脑恢复原先音视频的播放；

12)控制面板中干扰2按钮按下时，MCU控制将声挡板伸入水槽中，阻挡U₁和U₂之间的声传播通路，同时将干扰2启动状态信息发送给平板电脑，平板电脑播放海洋中船只、鱼群阻挡物对声传播和声通信影响机制的音视频；一段时间后，声挡板恢复原位，平板电脑恢复原先音视频的播放；

13)控制面板中干扰3按钮按下时，MCU控制升降装置将U₁或U₂的声电转换设备提升出水面，并声电转换设备提升出水面信息发送给平板电脑；一段时间后，U₁或U₂的声电转换设备恢复原位。