CN103310793B - 一种水声实时数字语音通信方法 - Google Patents

Abstract

一种水声实时数字语音通信方法，涉及水声语音通信。在发送端上位机用音频编码器对采集的模拟语音信号压缩得原始数字语音信号，再压缩编码得压缩后的数字语音信号，然后先卷积码编码后交织编码，对所得数据调制得调制信号；在发送端下位机，对调制信号经D/A和放大，将调制信号转换成声波；在接收端下位机，将海洋水声信道中传播的微弱声信号接收转换成电信号控制放大得模拟信号，再对接收到的模拟信号经A/D转换并作FFT变换，检测到同步后，唤醒上位机工作；在接收端上位机，对采集的信号进行解调得解调数据；再对解调数据进行解交织和卷积码译码；然后对所得的数据进行译码合成数字语音信号；将合成数字语音信号还原为模拟语音信号。

Description

一种水声实时数字语音通信方法

技术领域

本发明涉及水声语音通信，特别是涉及一种综合采用改进型低速率语音压缩编码算法---600bps混合激励线性预测(600bpsMixedExcitationLinearPrediction，简称MELP600)算法、卷积码编码算法、交织和五倍分集的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，简称OFDM)多载波调制算法的低功耗水声实时数字语音的通信方法。

背景技术

目前，在水下利用声波进行数字语音通信还处在一个起步阶段，这主要是由于水声信道有限的通信带宽及其时变、空变等特性所决定的。随着现代军事的发展和人类利用和开发海洋步伐的加快，岸基人员与水下平台、水下潜水员间的实时语音传输变得更为迫切。尤其是在水下蛙人潜水、对潜通信等场合，语音通信是最直接的通信手段。对于多径严重的水声信道，其可用频带窄，水声通信的信息传输速率往往只有几百比特到几kbps。因此，为了更直接可靠的传递指挥、命令等重要信息，研究实现水下实时语音通信系统具有重要应用研究价值。

中国专利CN101257354A公开一种利用接收端语音库，根据传输的汉语拼音代码或者汉字发音代码来合成语音信号。公开的方法主要适合应用在远距离通信、对通信速率要求不高的场合，但其通信质量在很大程度上取决于语音识别软件对不同话音的识别能力，且合成语音为标准普通话音，不能分辨出不同讲话人，极大地限制了语音应用场景。

2010年哈尔滨工程大学报道了一种基于AMBE-2000的OFDM水声语音通信系统。这个系统仅在实验室进行了联调实验，取得了较为理想的通话效果。系统使用硬件声码器对系统后期维护和使用性造成不便，欠缺灵活性，同时加大了开发的难度。

2012年伊朗的设拉子大学ShirazUniversity提出基于OFDM语音传输系统的水下移动机器人的设计与实现，完成了一个全数字化的水声信道语音传输系统。该系统在两个机器人的笔记本电脑上基于软件传输和接收语音，对使用者带来了携带的不便，同时也并未实现实时语音通信。

发明内容

为了克服现有的水声语音通信技术存在的不足，本发明旨在提供具有可懂度高、自然度好、实时性强、可靠性强、功耗低、携带便捷、低速率的一种水声实时数字语音通信方法。

本发明包括以下步骤：

1）在通信发送端的上位机，用音频编码器CODEC对话筒采集的模拟语音信号进行无损语音压缩，得原始数字语音信号；

2）在通信发送端的上位机，将步骤1)所得的原始数字语音信号通过改进型低速率语音压缩编码算法MELP600进行低速率压缩编码，得压缩后的数字语音信号；

3）在通信发送端的上位机，对步骤2)所得压缩后的数字语音信号先卷积码编码后交织编码；

4）在通信发送端的上位机，对步骤3)所得数据采用五倍分集的OFDM调制方式，得调制信号；

5）在通信发送端的下位机，对步骤4)所得的调制信号经过D/A转换和功率放大，并最终通过换能器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播；

6）在通信接收端的下位机，通过换能器将海洋水声信道中传播的微弱声信号接收转换成电信号并经过低噪自动增益控制AGC放大滤波，得模拟信号；

7）在通信接收端的下位机，对步骤6)接收到的模拟信号经过A/D转换并作FFT变换，检测到同步后，唤醒上位机工作；

8）在通信接收端的上位机，对步骤7)采集的信号进行五倍分集的OFDM多载波解调，得解调数据；

9）在通信接收端的上位机，对步骤8)所得的解调数据进行解交织和卷积码译码；

10）在通信接收端的上位机，对步骤9)所得的数据进行改进型低速率语音压缩编码算法MELP600译码，合成数字语音信号；

11）在通信接收端的上位机，用音频编码器CODEC将步骤10)所得的合成数字语音信号还原为模拟语音信号，并通过耳机播放。

在步骤1）中，所述音频编码器可选用采样频率为8kHz，采样量化精度为16bits的TLV320AIC23B(以下简称AIC23B)音频编码器CODEC。

在步骤5）中，所述换能器可采用10～15kHz换能器。

在步骤6）中，所述换能器可采用10～15kHz换能器。

在步骤11）中，所述音频编码器可选用采样频率为8kHz，采样量化精度为16bits的TLV320AIC23B(以下简称AIC23B)音频编码器CODEC。

本发明具有以下突出优点：

1)有效对抗水声多径信道，具有较强的抗频率选择性衰落、抗多径干扰的特点；

2)系统通信速率低，在仅有600bps的低速率下可以达到良好的实时通信效果；

3)采用自动增益控制AGC有效地适应了不同距离的通信可靠同步；

4)上位机和下位机协调工作，实现系统低功耗工作。

该发明集成在双DSP处理器系统中，具有功耗低、体积小、重量轻、码率低、实时性强、灵活方便等特点，特别适用于水下微型载体和水下潜水员作业时进行无线语音通信。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意框图。

图2为MELP600编码器原理结构图。

图3为MELP600解码器原理结构图。

图4为(2,1,3)卷积码编码器结构图。

图5为发送信号帧结构图。

图6为发送端上位机DSP6416工作流程。

图7为图7发送端下位机DSP6747工作流程。

图8为接收端下位机DSP6747工作流程。

图9为接收端上位机DSP6416工作流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

系统框图如图1所示。通信发送端的上位机通过话筒将语音声信号转换为电信号，用采样频率为8kHz，采样量化精度为16bits的AIC23B音频编码器CODEC对话筒采集的模拟语音信号进行无损语音压缩，得原始数字语音信号，即语音码流。

为减少语音码流的冗余信息，产生低速码流，采用低速率语音压缩算法MELP600，有效地降低了信源端产生的信息速率。图2、图3所示分别为MELP600编码器、解码器原理结构图，MELP600算法是建立在传统的二元激励LCP模型基础上，采用了混合激励、非周期脉冲、自适应谱增强、脉冲整形滤波和傅氏级数幅度值等五项新技术，使得合成语音能更好地拟合自然语音。本实施例根据语音信号的短时平稳特性，MELP600算法以标准2.4kbpsMELP连续3帧组成一个超帧，每个子帧的帧长从标准的22.5ms增加到30ms，超帧帧长为90ms，用54bit量化一个超帧，编码码率为54bit/90ms=600bps。

受可用比特数的限制，在有限的可用比特数内只能量化那些对合成语音质量影响较大的参数：LSP参数、清浊音判决和基音周期、增益、子带清浊和同步信息位。相对其他参数而言，傅里叶幅度仅为了提高合成语音的自然度，对可懂度和清晰度影响较小，因此编码端不传输该参数。当解码端判定当前子帧为浊音帧，则采用固定码字代替傅里叶幅度，非周期抖动标志位在解码端全部置零，各参数比特分配情况如表1。

为克服水声信道复杂特性，降低语音数据在水声信道中传输时的误码率，保证接收端重建语音信号的质量，本实施例对MELP600编码器输出的语音数据进行先卷积编码后交织编码。采用的(2，1，3)卷积码的码率为1/2，其生成矩阵为[57]。图4所示为(2，1，3)卷积码编码器结构图，卷积码实现简单，实时性好。

表1各参数比特分配表

参数	量化比特数
		基音周期和清浊音判决	3+6=9
LSP	34
		增益	5+3=8
子带清浊	2
		同步	1
总结	54

本实施例追求的是良好的鲁棒性，卷积码纠错性能需要在百分之一的误码容限之内才能表现出来，于是本发明使用五倍分集的OFDM调制方式解决信道衰落问题，将信道译码前的误码率降低至百分之一以下。OFDM以其频谱利用率很高、抗多径干扰与频率选择性衰落能力强以及基于离散傅立叶变换的OFDM有快速算法等特点，易用DSP实现。本实施例根据水声信道的特点，构建的基带OFDM通信系统帧格式见图5。帧同步信号与数据之间需有一定的保护间隔，其长度要大于信道的最大时延扩展，以免帧同步信号的多径效应影响数据。系统采用粗、细两级同步，两级同步信号都采用1024点的线性调频LFM信号。接收端采用拷贝相关器进行粗、细同步信号的检测，从而保证OFDM系统准确的定时同步。本实施例的信息调制采用QPSK映射方式。

卷积码编码后的信息码流经过OFDM调制到系统频带上，已调信号从通信发送端的上位机传送至下位机，加上同步头信息成帧后经由D/A转换，功率放大，并最终通过10～15kHz换能器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播。

在通信接收端的下位机DSP6747实现AGC自动功率增益控制，根据接收模拟信号的大小，自动调整放大倍数，使得接收信号在一个相对平稳的幅度，本实施例可以根据不同通信距离的长短自适应调整接收放大倍数保证正常可靠的唤醒，提高了系统的使用灵活性。同步唤醒采用如下方法：

使用3个连续单频正弦信号：A*sin(2*pi*Fi*t)，每个单频持续512点，其中A为单频信号的幅度，在DSP中取为3.3v/2，单频信号的频率Fi分别为11kHz、12kHz、13kHz，在通信接收端的下位机运用FFT求得接收信号的频谱，当按照正确顺序接收到上述3个单频的其中两个便断定同步信号到来。

检测获得同步信号时立即唤醒通信接收端的上位机DSP6416工作，并把同步后的数据上传至上位机做基带五倍分集的OFDM解调。经过海洋水声信道传输引起一些连续突发性错误，运用事先约定的交织算法的逆过程解交织，打乱连续性错误。

卷积码译码算法可以纠正解交织后的随机错误，并将误码率降低至千分之一以下，达到MELP600语音解压的误码容限，解压所得数字合成语音通过AIC23B音频编码器CODEC完成语音信号的还原并由耳机播放。

以TMS320C6747和TMS320C6416双DSP为核心构建了系统通信机，对于音频接口的编程控制和双DSP的SPI接口间的通信实现，都引入ping-pong缓存机制，确保数据流的流畅传输。按照图6和7(发送端)，图8和9(接收端)上位机和下位机的流程工作，通过实验主观测试表明：在浅海短距离5km以内的不同距离下通信，接收端合成的语音具有很高的可懂度，能够分辨出不同的说话人，并具有良好的自然度，语音通信的MOS分基本在2.2分上下。同时，通信机采用下位机唤醒上位机工作的模式，因此在语音通信时上位机才工作，将系统的整体功耗降到最低。

Claims (5)

1.一种水声实时数字语音通信方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在通信发送端的上位机，用音频编码器CODEC对话筒采集的模拟语音信号进行无损语音压缩，得原始数字语音信号；

2)在通信发送端的上位机，将步骤1)所得的原始数字语音信号通过改进型低速率语音压缩编码算法MELP600进行低速率压缩编码，得压缩后的数字语音信号；

3)在通信发送端的上位机，对步骤2)所得压缩后的数字语音信号先卷积码编码后交织编码；

4)在通信发送端的上位机，对步骤3)所得数据采用五倍分集的OFDM调制方式，得调制信号并发送，所述通信发送端的上位机休眠；

5)在通信发送端的下位机，对步骤4)所得的调制信号经过D/A转换和功率放大，并最终通过换能器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播；

6)在通信接收端的下位机，通过换能器将海洋水声信道中传播的微弱声信号接收转换成电信号并经过低噪自动增益控制AGC放大滤波，得模拟信号；

7)在通信接收端的下位机，对步骤6)接收到的模拟信号经过A/D转换并作FFT变换，检测到同步后，唤醒上位机工作；其中，所述唤醒上位机工作的方法包括：使用3个连续单频正弦信号：A*sin(2*pi*Fi*t)，每个单频持续512点，其中A为单频信号的幅度，在DSP中取为3.3v/2，单频信号的频率Fi分别为11kHz、12kHz、13kHz，在通信接收端的下位机运用FFT求得接收信号的频谱，当按照正确顺序接收到上述3个单频的其中两个时便断定同步信号到来；

8)在通信接收端的上位机，对步骤7)采集的信号进行五倍分集的OFDM多载波解调，得解调数据；

9)在通信接收端的上位机，对步骤8)所得的解调数据进行解交织和卷积码译码；

10)在通信接收端的上位机，对步骤9)所得的数据进行改进型低速率语音压缩编码算法MELP600译码，合成数字语音信号；

11)在通信接收端的上位机，用音频编码器CODEC将步骤10)所得的合成数字语音信号还原为模拟语音信号，并通过耳机播放。

2.如权利要求1所述一种水声实时数字语音通信方法，其特征在于在步骤1)中，所述音频编码器选用采样频率为8kHz，采样量化精度为16bits的TLV320AIC23B音频编码器CODEC。

3.如权利要求1所述一种水声实时数字语音通信方法，其特征在于在步骤5)中，所述换能器采用10～15kHz换能器。

4.如权利要求1所述一种水声实时数字语音通信方法，其特征在于在步骤6)中，所述换能器采用10～15kHz换能器。

5.如权利要求1所述一种水声实时数字语音通信方法，其特征在于在步骤11)中，所述音频编码器选用采样频率为8kHz，采样量化精度为16bits的TLV320AIC23B音频编码器CODEC。