斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统.pdf

第 43 卷 第 3 期Vol.43,No.32024 年 5 月Journal of Applied AcousticsMay,2024 研究报告 斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统查柯丞1李晨明2曹自平1(1 南京邮电大学通信与信息工程学院南京210000)(2 军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所北京100091)摘要：跨金属无线传输是超声波通信的重要应用场景之一。实际应用中超声波在金属/超声波换能器界面处因反射而造成回波干扰是这类通信系统的天然缺陷。尽管利用回声消除技术能一定程度地克服回波干扰，但这需要调用大量电路硬件或计算资源。该文在超声波跨金属厚壁通信系统中摒弃传统的直射式探头而选用入射角为45的斜射式探头作为超声波发射和接收换能器，由于斜射式探头偏转了超声波在金属信道内的反射路径，从而大幅降低换能器接收到的回波。在不进行回波消除的前提下，以STM32为主控芯片和自制信号调理电路搭建了一套斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统，同时将之与选用直射式探头作为超声波换能器的通信系统进行对比验证。研究表明，在接收信噪比方面斜射式系统(19.52 dB)远优于直射式系统(9.24 dB)，在穿透60 mm的厚铝板时系统实时通信速率达到1.2 Mbit/s，并可实现实时声频传输。关键词：超声波通信；超声波换能器；金属信道；声频无线传输中图法分类号:TN709文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)03-0608-09DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.03.017Through-metal wireless communication system based on obliqueultrasonic transducersZHA Kecheng1LI Chenming2CAO Ziping1(1 School of Communication and Information Engineering Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210000,China)(2 Institute of Quartermaster Engineering&Technology,Institute of System Engineering,Academy of Military Science,Beijing 100091,China)Abstract:Through-metal wireless transmission is one of the important application scenarios of ultrasoniccommunication.In practice,echo interference caused by reflection of ultrasonic waves at the metal/ultrasonictransducer interface is a natural drawback of such communication systems.Although the echo cancellationtechnologies can overcome echo interference to a certain extent,this consumes a large amount of circuit hard-ware or computing resources.In this paper,the traditional probe with vertically incident angle is abandonedin the ultrasonic through-metal communication system and an oblique probe with an incidence angle of 45ischosen as the ultrasonic transmitting and receiving transducers.This type of transducers deflects the reflectionpaths of ultrasonic waves in the metallic channel and significantly reduces the echoes received by the transduc-ers.Without echo cancellation,one through-metal communication system based on these oblique ultrasonictransducers is built with STM32 as the main control chip,which is meanwhile compared with the system basedon vertical ultrasonic transducers.The results show that signal to noise ratio(19.52 dB)of the system based2023-02-25收稿;2023-04-05定稿作者简介:查柯丞(1996),男,江苏常州人,硕士研究生,研究方向:超声波无线通信。通信作者 E-mail:第43卷 第3期查柯丞等：斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统609on oblique ultrasonic transducers is much higher than that(9.24 dB)of the one base vertical ultrasonic transduc-ers.When penetrating the thick 60 mm aluminum plate,the systems communication rate reaches 1.2 Mbit/s.Moreover,it is confirmed that the system can be applied for the wireless real-time transmission of audio signalacross metal.Keywords:Ultrasonic communication;Ultrasonic transducer;Metal channel;Audio wireless transmission0 引言与具有金属屏蔽效应的电磁波相比，超声波在金属中传播时衰减较小，因而面向密闭金属腔体内外间无线通信时是一种理想的信息传输媒介。利用超声波进行跨金属无线通信的设想可追溯至20世纪90年代末，Connor和Welle等在专利中提出了超声波无线通信系统12，尽管他们没有给出完整的理论和相关实验验证，但立即吸引了大量研究者开始这一领域的研究。在超声波跨金属通信的早期研究阶段(2010年前)，所搭建的通信系统往往是采用通断键控(On-offkeying,OOK)、相移键控(Phase-shift keying,PSK)和频移键控(Frequency-shift keying,FSK)等常规调制方法，通信速率一般在数百比特每秒至数十千比特每秒之间3。随后随着正交频分多路复用(Orthogonal frequency divi-sion multiplexing,OFDM)技术的发展，一些研究者在超声波跨金属通信中逐渐引入这一技术，其中尤以Saulnier团队的成果最为突出412，2011年，他们在实验室里搭建的跨金属通信系统其速率已达到17.37 Mbit/s46。考虑到OFDM对频偏敏感和峰均功率比高等不利因素，杨军团队在2014 年开发了基于单载波频域均衡(Single carrier frequencydomain equalization,SC-FDE)的超声波跨金属通信13，他们的研究实现了1.3 Mbit/s的通信速率。基于前人的研究基础，2022年，曹自平团队探索了SC-FDE在超声波跨金属通信中的应用，其实时通信速率达到4 Mbit/s，并实现了实时视频传输14。在现有超声波跨金属无线通信系统的研究报道中，超声波换能器往往选用直射式探头并以对称的方式设置于金属壁的两侧。在这一条件下超声波以垂直的方式进入金属板内部，使得一部分超声波在金属板内来回反射，从而引发发射端和接收端收到多个回波信号。在通信信道中回波会与主脉冲响应信号重叠，这将引起主脉冲响应波形无法被分辨而出现信号串扰，进而极大限制了通信质量和通信速率。针对回波干扰问题，国内外学者开展了大量研究，相关工作可分为回波“硬消除”和“软消除”。在“硬消除”方面，2007年，Primerano等15使用信道建模的方式对信道进行估计，通过预校正滤波器消除回波干扰的措施而改善了通信质量；2017年，田栋16基于系统辨识的办法获得金属信道传递函数，在较好分析回波形成机制的基础上，采用在信道前端添加预校正滤波器的方案来抵消回波。在“软消除”方面，2014年，Pujari等17使用最小均方(Least mean square,LMS)算法设计并实现了一种基于现场可编程逻辑门阵列(Field programmablegate array,FPGA)的自适应回声抵消滤波器；2015年，田义德等18提出一种有指导信号的均衡技术，利用基于LMS的自适应均衡器辨识出信道回波传递函数，使用软消除方法实现回波的消除；2018年，于伟健等19通过在自适应滤波器中使用LMS算法模拟回声路径，然后在输入信号中减去回声信号，从而实现回声消除的目的。若是再次审视跨金属超声波无线通信系统的基本构成，就会发现超声波换能器除了可以选用常规的直射式探头外还可选用斜射式探头。而一旦选用斜射式探头，超声波在换能器/金属界面上的反射将会与原入射路线形成较大偏离角而远离原入射路线，从而换能器所接收的回波将大幅降低。由于回波的大量减少，一个选用斜射式探头的跨金属超声波无线通信系统在利用较高频率超声波进行较高速率通信时，回波消除就不再是一个必须选项而减少大量硬件或软件资源的占用。基于以上分析，本文选用入射角为45的斜射式探头作为超声波换能器，以60 mm厚的铝板作为金属信道，在不进行回波消除和不利用专用信号处理设备的前提下，基于单片机和自制信号调理电路，采用二进制振幅键控(Amplitude shift keying,2ASK)调制方式搭建了一套斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统，同时将之与选用直射式探头作为超声波换能器的通信系统进行对比验证。结果表明，在接收信噪比(Signal to noise ratio,SNR)方面斜射式系统(dB)远优于直射式系统(dB)，其实时通信速率可达1.2 Mbit/s。6102024 年 5 月1 超声换能器的特性本文选用5 MHz作为超声波的工作频率，选用60 mm的金属铝板作为被超声波穿透的金属介质，选用分别由广州多浦乐电子科技有限公司和汕头市超声检测科技有限公司生产的斜射式和直射式压电超声波换能器。斜射式和直射式换能器的型号分别为A5P1313A45和5Z20N，其实物如图1(a)和图1(b)所示，其中斜射式换能器的超声波倾斜角为45。(a)?(b)?图1超声波换能器Fig.1 Ultrasonic transducers斜射式和直射式换能器的安装方式分别如图2(a)和图2(b)所示。对于斜射式换能器，发射端和接收端之间的连线与金属铝板表面法线成一定倾角的方式；对于直射式换能器，发射端和接收端之间的连线与金属铝板表面法线重合，即对称分布在金属板的两侧。在本文的所有实验中都选用了甘油作为超声波耦合剂，以排空换能器与金属板表面之间的空气从而提高超声波的透射效率。斜射式和直射式换能器所产生超声波在金属铝板中的传播路径同样分别由图2(a)和图2(b)示意表示。考虑到室温条件下声波在铝中的纵波和横波声速分别约为6300 m/s和3080 m/s，经计算可知5 MHz的超声波在铝中的纵波和横波波长分别约为1.2 mm和0.6 mm，由此可知斜射式超声波在金属铝板中板波传播现象相对较弱，大量超声波可穿透金属/换能器界面，同时还有大量超声波会在金属/换能器界面发生反射。由图2(a)可知，斜射式超声波在界面发生反射时反射路径不再与入射或透射路径重合，因此无论是发射端或接收端的换能器，它们接收到由反射波再次透射而形成的回波将急剧下降，这表明在跨金属通信系统中使用斜射式超声波来避免回波干扰是可能的。对于直射式超声波在金属铝板中传播路径，由图2(b)可知，超声波在界面发生反射时反射路径会与入射或透射路径发生重合，因此形成的回波而成为了超声波跨金属通信系统的噪声。(a)?(b)?图2超声波换能器安装方法及超声波在金属中传播路径Fig.2Schematic diagram of transducer mountingmethod and ultrasonic transmission in metal为了验证上述关于斜射式和直射式超声波在金属中传播时的回波分析，本文开展了回波测试实验。测试方法为：由发射端超声波换能器、60 mm厚金属铝板、接收端超声波换能器组成一个简易的超声波传输链路，在发送端施加一个幅度为10 V、宽度为100 ns(换能器谐振频率对应的一半周期)的单位电脉冲信号，观测和记录接收端产生的电信号。图3(a)为斜射式换能器接收到的信号，可以看出信号经过传输链路后幅度值发生了较大的衰减，不过能够观察到的回波数量仅有一个，且该回波相对于初级脉冲而言其相对强度并不高。较大的信号衰减一方面是因为5 MHz的超声波在金属介质中传播时会形成较快的衰减，另一方面是因为斜射进入金属的超声波会有一部分在金属内部进行横向传播，这使得透射后进入接收端换能器的超声波在强度上有了较大减少。图3(b)为直射式换能器接收到的信号，可以看出信号的衰减程度相对斜射式换能器而言有较为明显的减轻，不过能够观察到的回波数量有两个，与斜射式换能器相比，该回波相对于其初级脉冲的相对强度更高。信号SNR可通过公式(1)进行计算：SNR=20lg(VS/VN),(1)其中，VS为信号幅度，VN为噪声幅度。由公式(1)计算可知：直射式换能器和斜射式换能器接收信号SNR分别约为9.24 dB和19.52 dB。信号的衰减程度可反映出功率传输的效率，这对以能量传输为目第43卷 第3期查柯丞等：斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统611的的系统而言极为重要，但在一个以信号传输为目的的系统中SNR则是更为重要的指标，因为高SNR更利于信号的解调从而提高数据通信质量。上述实验结果意味着，斜射式换能器更利于跨金属的传输数据。对于斜射式超声波的信号衰减问题，在应用时可在接收端加入信号放大模块以进行功率补偿。00.050.10-0.2-0.100.10.05088-0.18463-0.05856-0.11085(a)?00.050.10-0.6-0.4-0.200.20.4?/V?/V?/ms?/ms-0.1455-0.20017-0.458660.265410.02534-0.03676(b)?图3斜射式换能器和直射式换能器接收回波对比Fig.3 Comparison of received echoes of obliqueand direct beam transducers2系统组成本文所设计的斜射式超声波跨金属无线通信系统，其基本结构如图4所示。与课题组之前基于FPGA模块所实现的“跨金属厚壁的视频超声无线通信系统”相比14，在此选用STM32作为控制器，该控制器与FPGA相比，其体积更小、功耗更低。本研究中在信号放大模块上选用功耗更低的OPA690芯片来替代之前的ADA4870芯片，从而不需要额外添加散热金属片来进行降温，这进一步缩小了系统的体积。超声波换能器选用了工作频率为5 MHz的斜射式探头。系统的左半部分为发送端，主要包括声频采集模块、编码调制模块、信号放大模块、电压跟随模块和超声波发送换能器；右半部分为接收端，包括接收换能器、前置自适应放大模块(Automatic gain control,AGC)、电压跟随模块、包络解调模块、数模转换模块和声频输出模块等。此外，为了验证斜射式超声波换能器在缓解回波干扰上的实际效果，本文还把上述系统中斜射式超声波换能器换成同样工作频率为5 MHz的直射式超声波换能器，并进行相同条件的跨金属无线通信实验。3系统调试3.1系统发送端调试本通信系统采用单工的通信方式，信号源为通过声频线从手机中采集的模拟声频信号，通过单片机STM32芯片自带的模拟数字转换器(Analog-to-digital converter,ADC)将模拟声频信号转为采样率为857 kHz、量化电平数为8的数字信号。由于基带信号频率较低，不适合直接用于传输，因此还加入了数字调制的环节。本系统中由STM32控制直接数字式频率合成(Direct digital synthesizer,DDS)?CD4066ADCSTM32DDS?AGC?STM32DAC?图4超声波透金属无线通信系统Fig.4 Ultrasonic through-metal wireless communication system6122024 年 5 月模块产生频率为5 MHz的正弦信号作为载波，同时由单片机输出的双晶管逻辑(Transistor-transistorlogic,TTL)电平控制CD4066模拟开关，从而得到一路2ASK调制方式的已调信号。如图5所示，当基带信号为高电平时，输出频率为5 MHz的载波；当基带信号为低电平时，输出载波幅度为0。051015-0.500.51.01.52.0?/V?/s-4-2024?/V图5基带信号和2ASK调制信号Fig.5Baseband signal and 2ASK modulationsignal考虑到基带信号2ASK调制后经滤波电路等输出后的功率较小，不足以驱动超声波换能器，为了保证信号的接收质量，本系统中在发送前端设计一个10倍的信号放大电路。同时在该信号放大电路的后端加入一个电压跟随电路，以实现与换能器形成良好阻抗匹配而提高系统的带载能力。3.2系统接收端调试当发送端的调试信号在经由发送端斜射式超声波换能器、金属铝板和接收端斜射式超声波换能器所组成的通信链路后，在接收端所获取的原始信号如图6(a)所示，可以看出信号的峰峰值衰减到600 mV左右，不过信号的“0”和“1”波形没有发生较大的失真。较大的信号衰减一方面是因为5 MHz的超声波在金属介质中传播时会形成较快的衰减，另一方面是因为斜射进入金属的超声波会有一部分在金属内部进行横向传播，这使得透射后进入接收端换能器的超声波在强度上有了较大减少。当发送端的调试信号在经由发送端直射式超声波换能器、金属铝板和接收端直射式超声波换能器所组成的通信链路后，在接收端所获取的原始信号如图6(b)所示。可以看出信号的衰减程度相对较小，峰峰值仅衰减到2.4 V 左右，不过信号的“0”和“1”波形却发生了较为剧烈的失真，信号受回波噪声干扰的影响相较于图6(a)更严重。信号的衰减程度对于一个以能量传输为目的的系统而言反映了其功率传输的效率，但在一个以信号传输为目的的系统中，更少的噪声干扰更利于信号的解调从而提高数据通信质量，因此斜射式换能器更利于跨金属传输数据。对于斜射式超声波的能量衰减问题，本文在接收端加入了信号放大模块以对信号进行前置放大，从而弱化其对通信质量的影响。?/s?/s(a)?(b)?051015-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.01.21.40.23498-0.35941051015-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.01.21.4?/V?/V1.03306-1.27003图6接收端超声波换能器接收到的原始信号对比Fig.6 Comparison of raw signals received by ul-trasonic transducers在超声波跨金属无线通信的实际应用中，每次通信时环境因素包括温度和湿度等可能发生变化，这使得超声波换能器的阻抗值和系统的阻抗匹配程度会发生波动，因此在进行码元判决时需要不断调整电位器将参考电压调整至误码率最低的位置，才能达到最佳的解调效果，这对实际操作十分不便。因此本通信系统在接收端增加了AGC电路，可以第43卷 第3期查柯丞等：斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统613在一定范围内自适应调整信号放大倍数保持接收端信号幅度恒定，降低正确判决的难度。AGC电路的结构如图7所示，主要分为增益受控放大和控制电压形成电路两部分，其具体工作原理是：电压比较器将输出电压U 与参考电压Vref进行比较，从而改变输出波形的占空比，经过整流滤波后得到直流信号，在一定的范围内，根据控制电压与增益系数的线性关系，由减法电压调整电路将直流调整到此范围内得到控制电压Uc从而控制增益系数20。当输出电压较大时得的控制电压也较大，经过负反馈后减小原输出电压；当输出电压较小时，得到的控制电压也较小，经过负反馈后增大原输出电压，从而达到自适应放大的效果。AD603?RC?LM393?UcUVref图7AGC原理框图Fig.7 Schematic block diagram of AGC图8为接收端信号经由AGC电路自适应增益后的信号波形。可以看出，采用斜射式换能器和直射式换能器条件下信号峰峰值均稳定在5 V左右。同时还可以看出，使用斜射式换能器时接收信号轮廓更清晰，受回波干扰更小，SNR较高，这利于信号的正确解调。经公式(1)计算可知，使用斜射式换能器时信号SNR为19.52 dB，而使用直射式换能器时信号SNR为9.24 dB，即斜射式换能器的信号SNR高于直射式换能器的信号SNR约10 dB。需要指出的是，采用斜射式换能器提高信号 SNR的效果与本课题组曾采用单载波时域均衡技术提高信号 SNR的效果相当14，在使用单载波时域均衡技术条件下接收信号SNR 由原来的10.46 dB提升到了19.08 dB。对于接收端2ASK信号的解调，本文出于降低功耗和减小设备体积的考虑选择包络检波法。解调电路由检波二极管、低通滤波电路和电压比较电路组成。检波过程实质上是信号通过二极管向负载电容C 充电和负载电容C 对负载电阻R放电的过程，本实验选用R=50 和C=47 nF，计算得到低通滤波器截止频率约为1.5 MHz。得到的包络信号经电压比较器判决后，得到TTL信号。图9是发送端发送的原始TTL信号和接收端还原出信号的对比，由于信号在系统中的传输会产生一定的时延，051015-3-2-10123?/V?/V?/s?/s2.34107-2.624680.12992-0.39315(a)?051015-3-2-10123-0.979050.70563-2.580532.22389(b)?图8接收端信号经由AGC放大后的信号对比Fig.8 The receiving end signal amplified by AGC0102030400246810?/V?/s-6-4-2024?/V图9发送端原始信号和接收端还原出的信号对比Fig.9Comparison between the original signaland the restored signal6142024 年 5 月解调后的TTL信号的相位有一定的滞后。最后基带信号由STM32控制PCF8591T模块进行数字模拟转换器(Digital-to-analog converter,DAC)还原，还原出模拟声频信号，经功放进一步放大后输出到外部的音响播放声频。4 系统测试本系统用金属铝板作为通信信道来进行通信测试，通信系统实物如图10所示，测试时所用到的设备主要包括示波器和计算机，其中计算机对信号进行监测并计算误码率。图10超声波跨金属通信实物图Fig.10Photo of ultrasonic through-metal com-munication system通常对误码率的计算方式有两种，一种是通过示波器观察接收信号的SNR进行间接计算，另一种则是通过串口助手收发数据，并统计错误比特数，获得实际的误码率。当使用包络检波的方式对2ASK信号进行解调时，在SNR较大的情况下，误码率可通过公式(2)计算：Pe=14erfc(r/4)+12er4,(2)其中，r为SNR。由上文计算结果可得，本系统使用斜射式换能器在1 Mbit/s速率下穿过60 mm铝板时，接收信号的SNR约为19.52 dB，代入公式(2)计算得到误码率Pe 4.24 103。另一方面，通过实验测试实际误码率进行验证，测试方法为发送端用串口助手以1 MHz的速率发送图片，接收端通过串口助手还原图片数据并与发送端数据进行对比，测得丢包率为0，误码率为0，实际误码率远低于间接计算值。同时也测试了系统在更高速率下的通信性能，如表1所示。由表1可以看出，采用斜射式换能器时本超声通信系统的速率可以一定程度提升到近1.2 Mbit/s，在速率超过1.2 Mbit/s时，系统误码率迅速上升。因此可以认为本系统能以超过1 Mbit/s的速率穿过60 mm厚的金属壁进行声频传输。在同样的条件下，使用直射式换能器以1 Mbit/s的速率进行通信时，测得的误码率为4.543%，相较于斜射式换能器的实际误码率有明显的增加。实验结果表明，使用斜射式换能器进行数据传输时，可以在不进行均衡的情况下减少回波干扰，提高了系统的通信质量。表1通信速率对误码率的影响Table 1Effect of communication rate onbit error rate波特率/(bits1)错误比特数接收比特数误码率/%11520000108011760003.6251051080.36312000002.253 1061082.25313200005.035 1061085.035需要指出的是，在超声波跨金属无线通信的相关研究报道中，超声波换能器往往选用直射式探头并以对称的方式设置于金属壁的两侧，所采用的调制方法包括最初所采用的OOK、PSK和FSK等常规调制方法，包括后来使用的频分复用技术正交振幅调制(Quadrature amplitude modulation,QAM)和OFDM等，还包括近年来发展的单载波频域均衡以及单载波时域均衡等。表2为前人具有代表性的研究成果以及本文工作的相关参数对比21。从这些文献中可以发现，当使用单载波调制方案和ASK调制方式时，除了Primerano团队、杨军团队和曹自平团队的成果外，一般情况下通信速率在数百比特每秒至数十千比特每秒之间。需要指出的是，Primerano团队在系统的发射端中设计了预失真滤波器，杨军团队和曹自平团队分别使用频域均衡和时域均衡技术，而这些技术环节的添加目的正是用来解决回波在信道中产生的噪声。毫无疑问，预失真滤波器、频域均衡和时域均衡技术都在一定程度上增加了通信系统的复杂性，这显著提升了系统的硬件和软件成本。本文在不采用包括回波消除和均衡技术在内的任何噪声抑制技术下，仅基于斜射式超声波换能器且在实时实验条件下实现了1.2 Mbit/s的通信速率，该通信速率与采用预失真滤波器、频域均衡和时域均衡等技术后的通信速率相近或处于同一数量级。第43卷 第3期查柯丞等：斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统615表2各研究团队的研究数据比较Table 2 Comparison of research data from various groups研究团队时间换能器种类 介质种类 介质厚度/mm 中心频率传输方案调制方式传输速率其他Saulnier200622直射式钢152.41 MHz单载波ASK500 bit/s200723钢571 MHz单载波ASK55 kbit/s201156钢63.54 MHzOFDM多种17.37 Mbit/s2012710钢404 MHzMIMO-OFDM多种700 Mbit/s理论计算201612混凝土700200 kHzOFDM多种50 kbit/s理论计算Martin200721铝741 kHz单载波OOK1 kbit/s实时实现200821铝73 MHz单载波OOK1 kbit/s实时实现Primerano200715钢6.356.8 MHz单载波OOK1 Mbit/s添加预失真滤波器，离线实现200924钢6.356.8 MHz单载波8-PAM6 Mbit/s离线实现20102527钢6.356.8 MHzOFDMm-QAM30 Mbit/sMoss20092830铝1.61 MHz单载波PAM115 kbit/s离线实现Graham200931钢12.71 MHz单载波QPSK1 Mbit/s离线实现201132钢25.41 MHz单载波QPSK1 Mbit/s杨军201413钢40500 kHz单载波m-QAM1.3 Mbit/s离线实现曹自平202214铝5010 MHz单载波ASK4 Mbit/s实时实现本工作2023斜射式铝605 MHz单载波2ASK(OOK)1.2 Mbit/s实时实现另外，通过实验对本系统的资源占用进行测试，由于在实际应用场景中，发送端需置于密闭金属腔内，因此主要考虑发送端的功耗，用万用表测得在工作状态，发送端电池输出电压约为10.8 V，输出电流约为82 mA，可得发送端消耗功率约为0.886 W，整体功耗较低，系统体积相较文献14也大幅度缩小，更利于实际应用。5 结论本实验搭建了一套斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统，该系统具有复杂度低、软硬件成本小和实时通信等优点。在跨越厚度为60 mm金属的铝板时系统的通信速率达到1 Mbit/s以上，同时还成功进行了高质量声频的传输。由于采用简单的2ASK调制且不需进行均衡处理或回波消除，系统对硬件电路和计算资源要求低，从而设备所需占用的空间和所需消耗的功耗都较低，适合在较小的密闭金属腔内长时间稳定运行。与文献中其他采用相同调制方式的系统相比，通信速率得到显著提升，这可归因于斜射式换能器大幅度降低了回波干扰的影响。本文还以选用直射式换能器的通信系统为参照进行对比实验，研究表明，在接收SNR方面斜射式系统(19.52 dB)远优于没有采用回波消除技术的直射式系统(9.24 dB)，在跨金属无线通信领域有较好的应用前景。参考文献1 Connor D J,Cummings G F,Star M J.Acoustic trans-former with non-piezoelectric core:U.S.,5594705P.1997-01-14.2 Welle R P.Ultrasonic data communication system:U.S.5982297P.1999-11-09.3 曾武.用于金属密闭容器的超声通信系统研制 D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.4 Lawry T J,Wilt K R,Ashdown J D,et al.A high-performance ultrasonic system for the simultaneous trans-mission of data and power through solid metal barriersJ.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Fre-quency Control,2012,60(1):194203.5 Lawry T.A high performance system for wireless trans-mission of power and data through solid metal enclo-suresD.Troy:Rensselaer Polytechnic Institute,2011.6 Lawry T J,Saulnier G J,Ashdown J D,et al.Penetration-free system for transmission of data and power throughsolid metal barriersC/2011-MILCOM 2011 MilitaryCommunications Conference.IEEE,2011:389395.7 Ashdown J D,Liu L,Saulnier G J,et al.High-rateultrasonic through-wall communications using MIMO-OFDMJ.IEEE Transactions on Communications,2018,66(8):33813393.8 Scarton H A,Saulnier G,Wilt K,et al.Digital acous-tic communications through solidsJ.The Journal of the6162024 年 5 月Acoustical Society of 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