一种水声通讯器和其信号自动增益控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水声通讯器的信号自动增益控制方法及其装置，涉及水声通讯技术领域。在水声通讯器中增加一组特征波形检测回路与有效数据帧接收回路，通过在有效数据帧发送前额外发送一组特征波形，并根据接收端水声语音通讯器所接收到的特征波形幅值强度计算得到信号衰减度，进而确定有效数据帧接收回路所需的信号放大增益值，实现对接收回路放大增益的动态调整，可有效抑制因信号传输距离过远或传输介质变化，导致接收信号强度不足而无法正常解调的问题，有助于提升水下语音通讯器的最大有效工作距离，改善通话质量，适用于需要在淡水及海水中使用，且通信距离跨度较大的应用场合。场合。

【技术实现步骤摘要】
一种水声通讯器和其信号自动增益控制方法


[0001]本专利技术涉及水声通讯
，具体涉及一种水声通讯器和其信号自动增益控制方法。

技术介绍

[0002]水声通讯过程中，一般使用水声换能器作为电声转换器件，实现声能与电能之间的相互转换。但由于水声换能器的带通频响特性，其实际可用频带有限，只能在较窄的频带内保持足够的电声转换灵敏度，以保证水声通讯的可靠性。因此在实际通讯过程中，往往采用调幅的方式实现通讯数据的远距离传输，将通讯载波频率设置在水声换能器的谐振频率附近，以获得最优的电声转换灵敏度。
[0003]上述调制方法从源头上降低了水声换能器的窄频带特性对于水声通讯有效距离的影响，最大限度提升了原始激发信号的强度。但随着通讯距离的增加，水介质对于声波信号强度的衰减呈指数倍增长，导致远距离下接收到的信号强度越来越微弱，甚至于完全淹没到环境噪声中，无法从中提取出有效通讯数据，限制了水声通讯器的最大有效工作距离。另一方面，由于采用了调幅的方法实现数据通讯，随着通讯距离的增加，信号强度的整体衰减也会导致解调后的数据强度相应地产生衰减，使其更容易受到环境噪声的影响，从而使得解调后的数据还原度受到影响，特别对于语音通信应用，信号强度的衰减还会影响到解调后的语音音量大小，降低语音可懂度。
[0004]针对上述问题，目前常用的方法是在信号接收路中增加信号放大电路，根据通讯距离要求，设置多路不同增益的信号放大器，对原始接收信号进行硬件放大处理，当接收信号强度较高时，使用低增益信号放大器的输出信号作为原始信号进行模数转换及后续的解调处理，反之则利用高增益信号放大器的输出信号作为原始信号。同时，利用软件程序对模数转换后的数据进行归一化处理和软件放大，以提升不同通讯距离下的原始数据强度，保证数据的可还原性及通讯可靠性。
[0005]对于中短距离下的水声通讯，上述方法具有一定的效果。但随着通讯距离增加，远距离通讯时的接收信号强度与近距离通讯时的接收信号强度可能相差上千倍，这就需要设置多路信号放大电路，以防止近距离时信号出现饱和现象，而远距离时则信号强度不足。此外，由于调幅信号的幅值信息包含了有效通讯数据信息，无法使用传统的自动增益控制器进行数据放大处理，而只能使用固定增益的信号放大器，导致信号放大电路的动态特性较差，特别是在水下语音通讯应用中，易出现声音音量不一致的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种水声通讯器和其信号自动增益控制方法，解决远距离水声通讯时使用固定增益导致信号放大后动态特征差、通讯效果不好的问题。
[0007]为解决上述的技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其包括如下步骤：
[0009]作为发射端的水声通讯器发送有效数据帧和用于表征信号衰减度的特征波形，所述特征波形具有预设频率；
[0010]作为接收端的所述水声通讯器接收所述有效数据帧和所述特征波形，并且在所述水声通讯器基于所述特征波形的信号衰减度自动地调整对有效数据帧接收回路的放大增益值后，所述有效数据帧接收回路对所述有效数据帧进行放大处理。
[0011]更进一步的技术方案是上述方法包括如下步骤：
[0012]S1.作为发射端的水声通讯器在发送有效数据帧前，发送一组特征波形用于表征信号衰减度，经过延迟时间后发送有效数据帧，接收端的水声通讯器处于数据接收状态；
[0013]S2.作为接收端的水声通讯器接收特征波形并进行分析计算得到对应的信号衰减度，根据信号衰减度进一步计算得到有效数据帧接收回路中所需的放大增益值；
[0014]S3.在延迟时间内，作为接收端的水声通讯器调整放大增益，接收到有效数据帧后再进行放大处理，保证不同应用环境下信号幅值量级的一致性。
[0015]更进一步的技术方案是所述步骤S2中，作为接收端的所述水声通讯器的模数转换器将接收到的波形信号转换为数字信号，作为接收端的所述水声通讯器的CPU连续读取所述模数转换器的转换结果，并判断接收到的信号频率是否与所述预设频率一致，如果一致则认为接收到的信号中存在特征波形。
[0016]更进一步的技术方案是所述步骤S2中，作为接收端的水声通讯器中的所述特征波形检测回路以保持放大增益为最大值的方式接收所述特征波形。
[0017]更进一步的技术方案是作为接收端的所述水声通讯器判断接收到特征波形时，如果经所述模数转换器转换后的信号幅值出现了饱和，则CPU自动降低可编程增益放大器的放大增益，直至信号幅值不再饱和为止。
[0018]更进一步的技术方案是所述所述特征波形为连续等幅正弦波信号，所述特征波形的所述预设频率与作为发射端的所述水声通讯器信道频率一致，周期不低于20个信号周期，信号幅值不低于1V。
[0019]更进一步的技术方案是所述信号衰减度计算公式如下：
[0020]k＝AsG0/A0Gs
[0021]其中，k为信号衰减度；As为信号幅值不再饱和时的信号幅值；Gs为信号幅值不再饱和时特征波形检测回路中可编程增益放大器的放大增益；G0为开阔水域下发射端和接收端水声通讯器相距1米时，刚好使特征波形模数转换后的信号幅值不出现饱和时，特征波形检测回路中可编程增益放大器的放大增益值；A0为G0对应的信号幅值。
[0022]更进一步的技术方案是所述有效数据帧接收回路中所需的放大增益值计算公式如下：
[0023]G＝1/k
[0024]其中，G为放大增益值，k为信号衰减度。
[0025]更进一步的技术方案是所述延时时间内，作为发射端的所述水声通讯器不发送任何数据，保持静音状态。
[0026]更进一步的技术方案是所述水声通讯器既可以作为发射端也可以作为接收端，所述水声通讯器的包括：
[0027]换能器；
[0028]信号发射回路，其中所述信号发射回路被可通信地连接于所述换能器，其中当所述水声通讯器作为发射端时，所述水声通讯器的所述信号发射回路通过所述换能器发射有效数据帧和用于表征信号衰减度的特征波形至作为接收端的另一所述水声通讯器；
[0029]特征波形检测回路，其中所述特征波形回路被可通信地连接于所述换能器，当所述水声通讯器作为接收端时，所述特征波形检测回路对接收到来自接收端的所述水声通讯器的所述特征波形进行放大滤波处理，并转化为数字信号；
[0030]有效数据帧接收回路，其中所述有效数据帧接收回路被可通信地连接于所述换能器，所述有效数据帧接收回路对接收到的有效数据帧进行放大滤波处理，并转化为数字信号；以及
[0031]CPU，其中所述CPU被可通信地连接于所述特征波形检测回路和所述有效数据帧接收回路，当所述水声通讯器作为接收端时，在所述CPU基于所述特征波形的信号衰减度自动地调整对有效数据帧接收回路的放大增益值后，所述有效数据帧接收回路对所述有效数据帧进行放大处理。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过在有效数据帧发送前额外发送一组特征波形，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：作为发射端的水声通讯器发送有效数据帧和用于表征信号衰减度的特征波形，所述特征波形具有预设频率；作为接收端的所述水声通讯器接收所述有效数据帧和所述特征波形，并且在所述水声通讯器基于所述特征波形的信号衰减度自动地调整对有效数据帧接收回路的放大增益值后，所述有效数据帧接收回路对所述有效数据帧进行放大处理。2.根据权利要求1所述的一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于，其中在上述方法中进一步包括如下步骤：S1.作为发射端的水声通讯器在发送有效数据帧前，发送一组特征波形用于表征信号衰减度，经过延迟时间后发送有效数据帧，作为接收端的水声通讯器处于数据接收状态；S2.作为接收端的水声通讯器接收特征波形并进行分析计算得到对应的信号衰减度，根据信号衰减度进一步计算得到有效数据帧接收回路中所需的放大增益值；S3.在延迟时间内，作为接收端的水声通讯器调整放大增益，接收到有效数据帧后再进行放大处理。3.根据权利要求1所述的一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，作为接收端的所述水声通讯器的模数转换器将接收到的波形信号转换为数字信号，作为接收端的所述水声通讯器的CPU连续读取所述模数转换器的转换结果，并判断接收到的信号频率是否与所述预设频率一致，如果一致则认为接收到的信号中存在特征波形。4.根据权利要求3所述的一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于，其中在所述步骤S2中，作为接收端的所述水声通讯器中的所述特征波形检测回路以保持放大增益为最大值的方式接收所述特征波形。5.根据权利要求4所述的一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于，其中作为接收端的所述水声通讯器判断接收到特征波形时，如果经所述模数转换器转换后的信号幅值出现了饱和，则CPU自动降低可编程增益放大器的放大增益，直至信号幅值不再饱和为止。6.根据权利要求1所述的一种水声通讯器的信号自动增益控制方法，其特征在于：所述所述特征波形为连续等幅正弦波信号，所述特征波形的所述预设频率与作为发射端的所述水声通讯器信道频率一致，周期不低于20...

【专利技术属性】
技术研发人员：何俊，
申请(专利权)人：云南保利天同水下装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：