CN103971695A - 一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法，涉及水下语音通信。系统设有发射端和接收端；发射端设有麦克风、A/D转换器、声码器、单片机、DSP、D/A转换器、放大器和换能器；接收端设有水听器阵、放大器、A/D转换器、DSP、单片机、声码器、A/D转换器和语音播放器。通信方法：在发射端，用声码器对A/D转换后的输入语音编码，提取语音数据；用单片机读出语音数据发送给DSP，对语音数据编码；用DSP对数据调制，放大后激励换能器发射声波；在接收端，用水听器阵接收声波，有同步后，用DSP对水声信道估计并解调再译码，发送给单片机，同时进行估计；用单片机将所得数据写入声码器，声码器合成的语音播放。
Description
技术领域
本发明涉及水下语音通信，尤其是涉及根据收信噪比及信道译码器输入误比特率(BitError Ratio，简称为BER)自适应调节调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数，基于声码器和数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称为DSP)的一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法。
背景技术
水下语音通信在海洋科学研究、资源勘探、蛙人通信及潜水娱乐等许多方面有着重要应用前景。但由于无线电波和光波在海水介质中衰减很快，因此，只有利用声波才能实现较远距离的水下语音通信。早期的水下语音通信系统一般采用模拟单边带调制技术，如美国海军使用的AN/WQC-2A单边带语音通信机。这种模拟调制的通信方式受海洋水声环境的影响很大，难以克服水声信道的时变强多途干扰及多普勒频移影响，通信接收端输出的语音多数情况下模糊不清。另外，由于采用模拟调制，这种通信方式还存在系统尺寸大、功率利用效率低和不同用户间易串扰等缺陷。近十几年来，随着水声数字通信技术的快速发展，各种不同调制方式、不同通信速率的水声调制解调器不断被研制出来，这就为水下数字语音通信系统的研究与发展提供了重要基础。
水下数字语音通信主要有两种方式：一种是将语音识别、文本编码和低速率的水声跳频通信技术相结合进行通信(许祥滨.抗强多途径干扰的水声数字通信研究厦门.厦门大学博士论文，2003；中国专利CN101257354)；另外一种是将低速率语音压缩编解码和高速率的水声相干通信技术相结合进行通信(郭中源，陈岩，贾宁等.水下数字语音通信系统的研究和实现.声学学报，2008,33(5):409-418)。前者在通信发射端首先通过语音识别方法将输入语音转换成文本，然后对其进行编码，并利用水声跳频通信方法将编码后的数据发送给通信接收端。通信接收端对接收到的水声数据进行译码，生成文本，然后将文本转换成语音进行输出。这种语音通信方式有通信距离远、通信速率要求不高及水声信道适应能力强等优点，但语音质量很大程度上取决于语音识别软件对不同话音的识别能力。另外，通信接收端合成的语音为标准话音，无法分辨出不同的讲话人，该缺陷使得其实际应用受到较大限制。后者在通信发射端首先对输入语音进行参数压缩编码，然后采用水声多进制相移键控(Multi-Phase Shift Keying，简称为MPSK)调制技术将编码后数据发送给通信接收端。通信接收端对水声信号进行相干解调和语音解码，最后合成语音。这种通信方式的主要优点是输出的语音有较高的可懂度、清晰度和自然度，但由于水声信道有相对较大的多径时延，通信接收端通常需使用复杂的自适应时域信道均衡和纠错编码技术，系统实现较为复杂。近年来，随着正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称为OFDM)多载波调制技术在水声通信中的快速发展，提出了一种将该通信技术与语音压缩编解码算法相结合的水下数字语音通信方法(中国专利201010592929)。
虽然上述水下语音通信系统取得了较大进展，但水声信道极其复杂多变，采用单一调制方式很难适应各种不同海洋环境的水声信道。因此，需要将不同调制方式的水声通信和低速率语音压缩编码技术进行糅合，探索出一种具有信道自适应能力的水下语音通信系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有水下语音通信系统的缺点和不足，提供根据收信噪比及信道译码器输入BER自适应调节调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数，基于声码器和DSP的一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法。
所述信道自适应的水下数字语音通信系统设有通信发射端和通信接收端；
所述通信发射端设有麦克风、麦克风输出信号A/D转换器、发射可变速率声码器、发射单片机电路、发射数字信号处理器(DSP)、数字信号D/A转换器、功率放大器和水声换能器；所述麦克风的输出端接麦克风输出信号A/D转换器的输入端，麦克风输出信号A/D转换器的输出端接发射可变速率声码器的输入端，发射可变速率声码器通过异步串行通信与发射单片机电路连接，发射单片机电路通过异步串行通信与发射数字信号处理器(DSP)连接，发射数字信号处理器(DSP)的输出端接数字信号D/A转换器的输入端，数字信号D/A转换器的输入端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端接水声换能器；
所述通信接收端设有水听器阵、前置放大器、前放A/D转换器、接收数字信号处理器(DSP)、接收单片机电路、接收可变速率声码器、接收声码器信号A/D转换器和语音播放器；所述水听器阵的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接前放A/D转换器的输入端，前放A/D转换器的输出端接接收数字信号处理器(DSP)的输入端，接收数字信号处理器(DSP)通过异步串行通信与接收单片机电路连接，接收单片机电路通过异步串行通信与接收可变速率声码器连接，接收可变速率声码器的输出端接接收声码器信号A/D转换器的输入端，接收声码器信号A/D转换器的输出端接语音播放器，由语音播放器播放语音。
所述信道自适应的水下数字语音通信系统的通信方法，包括以下步骤：
1)在通信发射端，用速率可变声码器对A/D转换后的输入语音进行编码，提取出对应的语音参数数据；
2)在通信发射端，用单片机读出步骤1)所得的语音参数数据，并将读出的语音参数数据发送给DSP；
3)在通信发射端，用DSP对步骤2)所得的语音数据进行码率1/2的信道纠错编码，并根据当前码率对校验比特进行删余；
4)在通信发射端，用DSP对步骤3)所得的数据进行调制，调制方式为OFDM多载波调制或跳频移频键控(Frequency Hopping-Multiple Frequency Shift keying,简称为FH-MFSK)调制，具体由通信接收端的反馈信息确定(初始设为OFDM调制)；
5)对步骤4)所得调制信号先进行功率放大，后激励水声换能器向海水介质发射声波；
6)在通信接收端，用水听器阵接收海水介质中的声波，有同步后，用DSP对水声信道的传输特性和接收信噪比进行估计，并进行相应的解调处理；
7)在通信接收端，用DSP对步骤6)所得数据进行信道译码，将译码后数据发送给单片机，同时对信道译码器的输入BER进行估计；
8)在通信接收端，用单片机将步骤7)所得的数据写入可变速率声码器，声码器合成的语音通过耳机或扬声器进行播放；
9)在通信接收端，根据步骤6)所得的接收信噪比和步骤7)所得的BER自适应调节调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数，并将更新后的参数反馈给通信发射端；
10)在通信发射端，根据通信接收端的反馈信息自适应更新调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数。
本发明的优点体现在如下几个方面：
1)有很强的水声信道自适应能力。在良好信道条件下采用OFDM调制和较高速率的语音压缩编解码算法，使得通信接收端合成的语音具有高可懂度、高清晰度和较高自然度；在恶劣信道条件下采用FH-MFSK调制和极低速率的语音压缩编码算法，确保通信接收端合成的语音有较高的质量，能分辨出不同的讲话人。
2)适用范围广，既可用于浅海较短距离的水下语音通信，亦可用于深海10km以上的中长距离水下语音通信。
3)系统尺寸小、功耗低及价格便宜。语音压缩和合成采用小尺寸的声码器芯片；水声信号的调制/解调、信道估计/均衡、信道编码/译码和同步等处理在一块DSP芯片中实现。
4)系统易升级、调试及可维护性强。除必要的外围部件外，系统的核心技术均采用芯片或DSP软件的方法实现。
附图说明
图1为信道自适应的水下数字语音通信系统结构框图。
图2为WT600A声码器管脚图。
图3为信道自适应的水下数字语音通信系统原理图。
图4为水声OFDM调制解调原理图。
图5为水声FH-MFSK调制解调原理。
图6为不同码率时，LDPC译码器输入输出BER关系图。
图7为水声信道自适应流程图。
图8为水池实验所的语音信号波形图，其中(a)为原始语音；(b)为WT600A声码器速率2400bps时通信接收机合成的语音；(c)为WT600A声码器速率600bps时通信接收机合成的语音。
图9为图8语音信号对应的时频分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
参见图1，所述信道自适应的水下数字语音通信系统实施例设有通信发射端1和通信接收端2。
所述通信发射端1设有麦克风11、麦克风输出信号A/D转换器12、发射可变速率声码器13、发射单片机电路14、发射数字信号处理器(DSP)15、数字信号D/A转换器16、功率放大器17和水声换能器18；所述麦克风11的输出端接麦克风输出信号A/D转换器12的输入端，麦克风输出信号A/D转换器12的输出端接发射可变速率声码器13的输入端，发射可变速率声码器13通过异步串行通信与发射单片机电路14连接，发射单片机电路14通过异步串行通信与发射数字信号处理器(DSP)15连接，发射数字信号处理器(DSP)15的输出端接数字信号D/A转换器16的输入端，数字信号D/A转换器16的输入端接功率放大器17的输入端，功率放大器17的输出端接水声换能器18。
所述通信接收端2设有水听器阵21、前置放大器22、前放A/D转换器23、接收数字信号处理器(DSP)24、接收单片机电路25、接收可变速率声码器26、接收声码器信号A/D转换器27和语音播放器28；所述水听器阵21的输出端接前置放大器22的输入端，前置放大器22的输出端接前放A/D转换器23的输入端，前放A/D转换器23的输出端接接收数字信号处理器(DSP)24的输入端，接收数字信号处理器(DSP)24通过异步串行通信与接收单片机电路25连接，接收单片机电路25通过异步串行通信与接收可变速率声码器26连接，接收可变速率声码器26的输出端接接收声码器信号A/D转换器27的输入端，接收声码器信号A/D转换器27的输出端接语音播放器28，由语音播放器播放语音。
所述语音播放器可采用耳机或扬声器等。
所述信道自适应的水下数字语音通信系统的通信方法，包括以下步骤：
1)在通信发射端，用速率可变声码器对A/D转换后的输入语音进行编码，提取出对应的语音参数数据；
2)在通信发射端，用单片机读出步骤1)所得的语音参数数据，并将读出的语音参数数据发送给DSP；
3)在通信发射端，用DSP对步骤2)所得的语音数据进行码率1/2的信道纠错编码，并根据当前码率对校验比特进行删余；
4)在通信发射端，用DSP对步骤3)所得的数据进行调制，调制方式为OFDM多载波调制或跳频移频键控(Frequency Hopping-Multiple Frequency Shift keying,简称为FH-MFSK)调制，具体由通信接收端的反馈信息确定(初始设为OFDM调制)；
5)对步骤4)所得调制信号先进行功率放大，后激励水声换能器向海水介质发射声波；
6)在通信接收端，用水听器阵接收海水介质中的声波，有同步后，用DSP对水声信道的传输特性和接收信噪比进行估计，并进行相应的解调处理；
7)在通信接收端，用DSP对步骤6)所得数据进行信道译码，将译码后数据发送给单片机，同时对信道译码器的输入BER进行估计；
8)在通信接收端，用单片机将步骤7)所得的数据写入可变速率声码器，声码器合成的语音通过耳机或扬声器进行播放；
9)在通信接收端，根据步骤6)所得的接收信噪比和步骤7)所得的BER自适应调节调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数，并将更新后的参数反馈给通信发射端；
10)在通信发射端，根据通信接收端的反馈信息自适应更新调制方式、声码器速率和信道编码码率等参数。
所述水下数字语音通信系统的一种实施方式采用WT600A声码器(如图2)、C8051单片机和C6713DSP。WT600A是一款基于混合激励线性预测扩展(Mixed Excitation LinearPrediction extended，简称为MELPe)算法的声码器芯片，其结合了混合激励和多带等特点，可以很好地模拟自然语音特征，合成出高质量的语音。WT600A内置语音编解码软件，无需外部存储器，可同时实现语音的压缩编码和合成。支持600bps、1200bps和2400bps三种语音编码速率，编码速率可通过芯片的外部管脚或与之相连的微处理器进行设置。C8051单片机与WT600A声码器之间通过UART进行通信，实现对语音编码数据的读出和写入，及对声码器参数的设置。DSP与C8051单片机通过UART进行通信，完成语音数据的调制/解调、信道纠错编码/解码、同步、水声信道估计和均衡等处理。作通信发射机使用时，DSP通过D/A转换输出调制信号，该信号经功率放大后激励水声换能器向水介质发射声波；作通信接收机使用时，DSP通过A/D转换输入来自水听器阵的接收声信号。
所述水下数字语音通信方法原理如图3，通信接收端根据水声信道状态和通信接收端信道译码器输入BER自适应调节声码器速率、信道编码器码率和调制方式等参数，并将更新信息反馈给通信发射端。通信发射端由速率可变语音压缩编码器(如WT600A声码器)、码率可调低密度校验码(Low Density Parity Check code,简称LDPC码)和调制方式可变调制器等组成。通信接收端由对应的解调器、译码器和语音合成器等组成。系统提供水声OFDM多载波调制和水声FH-MFSK调制两种通信方式。通常，水声OFDM调制与较高速率的声码器相结合，适用于较近通信距离和较高信噪比时的应用，确保接收端合成的语音有较高的可懂度、清晰度和自然度；水声FH-MFSK调制方式与低速率的声码器相结合，适用于中长通信距离和较低信噪比时的应用，确保接收端合成的语音有较高的质量，能分辨出不同的讲话人。
水声OFDM调制的基本原理如图4。通信发射端主要包括串/并(S/P)转换、IFFT(InverseFast Fourier Transform,简称为IFFT)变换、插入循环前缀(Cyclic Prefix，简称为CP)和并/串(P/S)转换等4个步骤；通信接收端对应地包括串/并(S/P)转换、去除循环前缀、FFT变换和并/串(P/S)转换等4个步骤。为确保系统在快速时变水声信道中的鲁棒性，通信发射端在每个OFDM符号中插入一定数量的导频，通信接收端根据该导频，采用正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit，简称为OMP)压缩感知算法对水声信道进行估计和均衡。另外，在通信接收机和发射机产生相对运动，或信道边界容易变化的应用中，通信接收端对多普勒频移进行估计和补偿。
水声FH-MFSK调制的基本原理如图5。通信发射端主要由MFSK调制和跳频2个步骤组成；通信接收端则由对应的解跳和MFSK解调2个步骤组成。跳频图案是通信发射端和接收端可以共同查询或预知的一组频率数据。在时钟节拍的作用下，通信发射端根据跳频图案的频率顺序发射对应的水声信号；有同步后，通信接收端采用与发送端相同的跳频图案进行解调。因此，跳频图案设计的好坏直接影响水声FH-MFSK调制的通信性能。但由于水声信道，特别是水声换能器的带宽很窄，当采用水声FH-MFSK调制进行水下语音数据传输时，可使用的频点数目很少，必然会导致系统误比特性能的损失。为弥补这一损失，系统采用LDPC码进行纠错。
所述LDPC码为码率可变的二进制规则LDPC码，码率从低到高分别为1/2、2/3、3/4和4/5。为确保通信可靠同时降低LDPC码的存储容量，采用删除校验比特的方法实现LDPC码码率的变化。在通信发射端，先用较低码率对待传输信息比特进行LDPC编码，在传输过程中，根据当前要求的码率对校验比特进行删余，删余后所得的校验比特和信息比特组成符号进行传输。在通信接收端，首先根据当前要求的码率进行校验比特插入，然后再进行较低码率的LDPC译码。译码采用较为常用的置信度传播(Belief Propagation，简称为BP)算法。
上述WT600A声码器能容忍的随机BER为10-3～10-4，因此，为确保语音通信的质量，要求LDPC译码后输出BER小于10-4。为达到这一要求，不同码率LDPC码译码时要求的输入BER各不相同。如图5中，码率1/2时，要求输入的BER小于0.098；而码率4/5时，要求输入的BER小于0.015。通信接收端对LDPC码译码器输入BER进行估计，并根据估计结果自适应更新LDPC码的码率。
在通信发射端，发射每一帧信号之前，先发射两组线性调频脉冲信号。在通信接收端，通过捕获该两组线性调频脉冲信号进行通信同步和多普勒频移估计。有同步后，对输入信号的信噪比(Signal to Noise Ratio，简称为SNR)进行估计。若SNR大于12dB且当前为FH-MFSK调制，则将其更新为OFDM多载波调制，同时将LDPC码码率更新为1/2，WT600A声码器速率更新为2400bps；否则，若SNR小于10dB且当前为OFDM多载波调制，则将其更新为FH-MFSK调制，同时将LDPC码码率更新为2/3，WT600A声码器速率更新为600bps；否则，若SNR在10～12dB范围内，则保持当前调制方式、LDPC码码率和WT600A声码器速率等参数不变。若当前参数无需更新，对后续接收信号进行解调、LDPC译码和BER估计。若BER大于0.05，将LDPC码率更新为1/2；否则，若BER大于0.03，将LDPC码率更新为2/3；否则，若BER大于0.015，将LDPC码率更新为3/4；否则，将LDPC码率更新为4/5。通信接收端每次对上述参数进行更新时，都应及时反馈给通信发射端。通信发射端根据接收到的反馈信息及时对当前调制方式、LDPC码码率和WT600A声码器速率等参数进行更新，下一帧语音数据按新的参数进行调制和编码。通信接收端的自适应流程详见图7。
从图8和图9可以发现，当WT600A声码器速率为2400bps时，通信接收端合成的语音时域波形与原始语音基本相同，时频图上低频成分能很好恢复，高频段出现少许噪声。主观测试表明合成的语音有很高的可懂度、清晰度和较高的自然度。当WT600A声码器速率为600bps时，通信接收端合成的语音时域波形与原始语音非常相似，但在某些局部幅度稍有变化，时频图上低频成分能很好恢复，高频段出现一定噪声。主观测试表明合成的语音有较高的可懂度，能分辨出不同的讲话人。
Claims (2)
1.一种信道自适应的水下数字语音通信系统，其特征在于所述信道自适应的水下数字语音通信系统设有通信发射端和通信接收端；
所述通信发射端设有麦克风、麦克风输出信号A/D转换器、发射可变速率声码器、发射单片机电路、发射数字信号处理器、数字信号D/A转换器、功率放大器和水声换能器；所述麦克风的输出端接麦克风输出信号A/D转换器的输入端，麦克风输出信号A/D转换器的输出端接发射可变速率声码器的输入端，发射可变速率声码器通过异步串行通信与发射单片机电路连接，发射单片机电路通过异步串行通信与发射数字信号处理器连接，发射数字信号处理器的输出端接数字信号D/A转换器的输入端，数字信号D/A转换器的输入端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端接水声换能器；
所述通信接收端设有水听器阵、前置放大器、前放A/D转换器、接收数字信号处理器、接收单片机电路、接收可变速率声码器、接收声码器信号A/D转换器和语音播放器；所述水听器阵的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接前放A/D转换器的输入端，前放A/D转换器的输出端接接收数字信号处理器(DSP)的输入端，接收数字信号处理器通过异步串行通信与接收单片机电路连接，接收单片机电路通过异步串行通信与接收可变速率声码器连接，接收可变速率声码器的输出端接接收声码器信号A/D转换器的输入端，接收声码器信号A/D转换器的输出端接语音播放器，由语音播放器播放语音。
2.如权利要求1所述信道自适应的水下数字语音通信系统的通信方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在通信发射端，用速率可变声码器对A/D转换后的输入语音进行编码，提取出对应的语音参数数据；
2)在通信发射端，用单片机读出步骤1)所得的语音参数数据，并将读出的语音参数数据发送给DSP；
3)在通信发射端，用DSP对步骤2)所得的语音数据进行码率1/2的信道纠错编码，并根据当前码率对校验比特进行删余；
4)在通信发射端，用DSP对步骤3)所得的数据进行调制，调制方式为OFDM多载波调制或跳频移频键控调制，具体由通信接收端的反馈信息确定，初始设为OFDM调制；
5)对步骤4)所得调制信号先进行功率放大，后激励水声换能器向海水介质发射声波；
6)在通信接收端，用水听器阵接收海水介质中的声波，有同步后，用DSP对水声信道的传输特性和接收信噪比进行估计，并进行相应的解调处理；
7)在通信接收端，用DSP对步骤6)所得数据进行信道译码，将译码后数据发送给单片机，同时对信道译码器的输入BER进行估计；
8)在通信接收端，用单片机将步骤7)所得的数据写入可变速率声码器，声码器合成的语音通过耳机或扬声器进行播放；
9)在通信接收端，根据步骤6)所得的接收信噪比和步骤7)所得的BER自适应调节调制方式、声码器速率和信道编码码率，并将更新后的参数反馈给通信发射端；
10)在通信发射端，根据通信接收端的反馈信息自适应更新调制方式、声码器速率和信道编码码率。
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