一种水下数字通信系统的硬件设计

摘 要

针对水下通信及甚低频工作的特点，本文根据水下电流场通信的原理和系统设计中的一些参数，选择合适的芯片，在此基础上完成了一种水下数字通信系统硬件电路的设计。

【关键词】水下通信 数字通信 硬件设计

1 系统组成和总体框图

正如一般的数字通信系统，水下数字通信系统也包括发射系统、信道和接收系统三个部分，整个系统的总体框图如图1所示。

发射系统的主要任务是把原始话音信号转变成电信号送入A/D，A/D对输入的模拟信号进行采样量化，然后输入到AMBE-2000进行压缩编码，形成低码率的数字信号，调制部分是根据海水信道的特点和要求把压缩编码后的数字信号以适当的方式调制到一定频率的载波上，最后送往发射机，经天线发送出去。

接收系统对信号的处理过程基本与发射系统一一对应，是一个相反的过程，主要包括接收信号的预处理放大、滤波、自增益控制、信号的解调，然后输入到AMBE-2000进行解压缩，D/A数模转换，最后重建原始语音信号。

2 AD73311芯片与AMBE-2000芯片连接电路的设计

2.1 声码器芯片的特点

系统设计时，为了获得最好的通信效果，则信号的载波频率最好选在甚低频段，这样就使得通信带宽变得比较窄。而要保证水下通话的语音质量，就要求对语音进行A/D变换时尽量提高采样数据，如此一来，较高的语音采样和有限的带宽就成一对矛盾因素。为了解决以上问题，本方案考虑使用声码器芯片对采样后的语音数据进行进一步的压缩编码，减小信息的冗余度，降低传输比特率或存储空间。

声码器芯片考虑选用美国DVSI（Digital Voice System Inc）公司的AMBE-2000。这是一款适应性强、高性能、单芯片的语音压缩编解码器，它能在低速率下提供优良的语音质量。

AMBE-2000的主要参数和特点如下：

（1）具有高品质的语音质量，抗比特错误和背景噪声；

（2）低成本，无需外部存储器；

（3）压缩数据速率为2.0kbps～9.6kbps，可软件调节；

（4）纠错速率范围为50bps～7.2kbps；

（5）具有VAD/CNI功能；

（6）具有DTMF信号检测和产生功能；

（7）低功耗（3.3V供电时，功率仅65mW；休眠式时仅0.11mW）；

（8）工作温度范围：-40℃～+100℃；

（9）具有语音激活检测和舒适噪声插入功能；

（10）16ms的回音消除模功能；

（11）双音多频的检测和产生；

（12）最小的算法处理延迟。

AMBE-2000可以看作由两个独立的单元组成：编码器和解码器。编码器接收语音采样数据流（16位线性、8位A律、8位μ律），对其进行压缩编码，在给定的速率下，输出信道数据。相反，解码器接收信道数据流，然后合成语音数据流。编码器和解码器的时序是完全异步的。芯片基本工作原理如图2。

2.2 AD/DA芯片的特点

AD芯片选用的是AD公司推出的16位线性AD芯片AD73311，该芯片与声码器芯片AMBE-2000连接方便，是一款低成本，低功耗的通用模拟前端。可同时完成两路信号的转换，一路为模/数转换，一路为数/模转换。采样频率和输入输出增益均可通过编程来改变，并且可以同时允许8个芯片的级联。目前，该芯片广泛应用于语音信号处理、无线个人通信、电话以及数据通信等领域中。

该芯片的内部结构如图3所示。

从结构图可以看出，AD73311由输入可编程增益放大器、模拟Σ-Δ调制器、抗混叠数字滤波抽取器、反镜像数字滤波内插器、数字Σ-Δ调制器、1bit数/模转换器、开关电容低通滤波器、连续时间低通滤波器和输出可编程增益放大器等部分组成。

AD73311通过串行口与处理器接口，传送的是16位数据。在发送和接收模式时，数据都是以串行时钟速率（SCLK）来传送的。由于串口的输入和输出采用了一个共同的串行寄存器，因此，AD73311与主处理器之间的通信都是由编解码自身发起，这样可以有效避免被送往编解码器的信息被编解码ADC的输出值所破坏。

AD73311有五种工作模式，分别为：程序模式、数据模式、混合模式、模拟环路模式、数字环路模式。其中前三种是正常的工作模式，后两种是调试模式，仅在调试时使用。五种工作模式由内部的控制寄存器A中的四位（CRA：0～3）控制。

程序模式：AD73311启动或重置后即工作于程序模式，此时AD73311串行口输入的数据将作为命令字以初始化内部控制寄存器组，之后AD73311根据初始化命令字进入相应的工作模式，在此之前AD73311串行口输出的码字是无效的。

数据模式：此时AD73311串行口输出的是A/D转换的16位数据，输入的是D/A转换的16位数据。AD73311一旦进入数据模式，就不能再得到控制信息，所以就永远处于这一模式，除非重启动。这时硬件上可采用发送接收帧同步信号同步方式。

混合模式：此时16位码字可能是控制字，也可能是数据。码字的最高位MSB用来标识这个码字是控制命令字（MSB=1）还是数据（MSB=0，低15位是有效数据）。在混合模式下，数字信号处理器（DSP）可以根据系统的运行状况适时改变AD73311的工作参数。这时硬件上可采用发送接收帧同步信号异步方式，便于DSP的自主控制。

2.3 AD73311芯片与AMBE-2000电路的设计

在应用AMBE-2000进行系统设计时，必须考虑三个问题：A/D-D/A芯片的选择；信道接口的选择和语音、FEC速率。

AD73311电路的设计为：芯片的左边为模拟输入输出接口，模拟输入接口采用的是单端方式，经麦克风输入的模拟语音信号较小，因此，在AD73311之前需要加一级运放。AD73311输出端的最小负载电阻为150Ω，由于使用的喇叭的电阻较小，所以在喇叭之前加一级运放作为功率放大用。AD73311的右边与AMBE-2000的数字接口，RESET为复位端，SCLK为串行时钟输出端；SDO、SDOF为串行数据输出端和同步信号端；SDI、SDIF为串行数据输入端和同步信号端；SE为串行端口使能端，MCLK为外部主频时钟输入端。

AMBE-2000的电路根据设计要求接高/低电平（注意：引脚不管接高电平，还是低电平都应有一个独立的10KΩ的上拉或者下拉电阻，以防止强电流通过这些引脚，损坏芯片）。CODEC_SEL0（Pin84）和CODEC_SEL1（Pin85）两个引脚需要根据选用的AD芯片进行相应的配置。在本系统中，选用的是16位线性AD芯片AD73311，因此，Pin84和Pin85应配置为10B，采用硬件配置，无需进行软件操作。

AD73311与AMBE-2000的连接电路采用比较常用的接法，连接关系见图4。从图中可以看出，AD73311与AMBE-2000通过串口进行通信。AD73311的数据输入、输出端分别与AMBE-2000编译码串口的编译码器数据发送、接收端相连。AD芯片的帧同步脉冲端与声码器编译码串口的帧同步脉冲端相连。AD芯片的串口时钟端SCLK与声码器编译码串口的数据传输时钟相连。串口的帧同步脉冲和时钟信号由AD73311提供。主时钟由晶振芯片产生，频率为16.384MHz。

3 AT89S52控制单元的设计

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52新增的这些功能，将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。因此，AT89S52作为水下数字通信系统的主控芯片，可以满足控制、处理信息的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强，性价比高。

4 2ASK调制、解调电路的设计

调制电路的设计采用二进制振幅键控方式（2ASK），其某一种符号用（“1”或“0”）用有没有电压来表示。要想实现该调制方式，就需要采用数字键控法，通过一个开关电路（即HEF4066芯片组成）实现，如图5。

其中，载波信号由单片机的P1.0口提供，而数字信号通过单片机的串口输出，通过4066这个开关电路，输出2ASK信号。数字信号起到一个控制开关电路的作用，信号为“1”时，开关打开，载波信号能够通过，而数字信号为“0”时，开关关闭，载波不能通过。因此，数字信号可以用载波信号的有无来表示。

ASK解调电路主要由包络检波电路、LC滤波电路、LM324电路组成、4011整形电路组成，如图6。

2ASK信号的解调就是将载波信号的有无变成相应的二进制码元“1”和“0”。在解调时，2ASK信号先经过包络检波解调出数字信号，再经过滤波和放大电路，输出的信号送入4011比较器进行比较，当输入信号幅度大于比较电平时，比较电路输出一个逻辑高电平“1”。信号幅度小于比较电平时，比较电路输出一个逻辑低电平“0”，即通过整形电路变成单片机可以识别的方波信号，解调主要通过硬件的方法实现。

二极管峰值包络检波器有二极管D5和R79、C27低通滤波器组成。在大信号检波时（一般大于0.5V），二极管处于受控的开关状态。在设计过程中要注意R、C的值要选择得恰当，过大过小都可能引起电路的不正常工作。

5 结论

水下数字通信系统的硬件是由AD、DA、声码器、单片机、滤波电路、AGC电路、放大电路和调制解调电路等组成。各个模块根据芯片的性能参数进行了选择，并设计了各个芯片的电路。具体功能为：AD73311主要完成模数、数模转换；AMBE-2000声码器对数字数据进行压缩及解压缩；单片机提供时钟，并对数据进行处理和控制；滤波电路选用带通滤波；AGC电路能够保证电路的稳定；放大电路包括低噪声放大电路、功率放大电路和运放电路；调制采用2ASK，解调采用包络检波。

参考文献

[1]耿富录.现代模拟信号处理技术与应用[M].北京：国防工业出版社，1990.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术（第二版本）[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]陈明等著.声表面波传感器[M].西北工业大学出版社，1997（11）.

作者单位

海军702厂 上海市 200434