CN108880699A - 一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统及其方法，涉及水声数字语音通信系统。通信系统设有声码器与外围电路、DSP与外围电路、功率放大与匹配电路、前置放大器、带通滤波器、电源管理模块和水声换能器。声码器与DSP之间通过RS232连接和通信；DSP用于对语音编码数据的调制/解调、跳频/解跳、信道编码/解码、帧同步、多普勒频移估计和补偿及与声码器的通信等功能；功率放大与匹配电路用于对发射信号的功率放大和匹配发射换能器阻抗，使输出功率最大；所述带通滤波器滤除水声换能器带外噪声，特别是低频海洋噪声；电源管理模块用于电压的转换和稳压；水声换能器用于电信号与声信号或声信号与电信号之间的转换。

Description

一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统及其方法

技术领域

本发明涉及水声数字语音通信系统，尤其是涉及一种结合频率跳变和多进制频移键控通信技术，对多普勒频移进行准确估计和高效补偿，基于低速率声码器和数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称为DSP)的一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统及其方法。

背景技术

随着海洋科学研究、海洋资源开发和勘探的快速发展，水下语音通信越来越受到人们的重视。传统水下语音通信采用有线方式，接收端输出的语音失真小，具有很高的可懂度、自然度和清晰度，但这种有线方式存在活动范围小和易形成绞缆等缺点，因此应用范围受到较大的限制。利用声波进行水下无线语音通信主要有模拟单边带调制和数字调制两种方式，前者如美国海军现役的AN/WQ-2A单边带语音通信机，后者如采用语音压缩编解码和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称为OFDM)多载波调制技术的水声数字语音通信系统^[1]。由于水声环境中的多途和噪声干扰，模拟调制水下语音通信系统输出的语音质量难以保证，多数情况下模糊不清。而且，由于采用模拟调制方式，系统存在尺寸大、功率利用效率低和不同用户间容易串扰等缺点。水声数字语音通信可克服模拟语音通信的不足，但水声OFDM通信峰均比高，且所有子载波共同分享声功率，每一个子载波获得的声功率较小，因此，只有接收端有较高输入信噪比才能获得可靠通信。基于水声OFDM多载波调制技术的水下语音通信系统难以实现远距离的通信要求。

为解决上述水声OFDM多载波调制数字语音通信系统的不足，文献2提出了一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法^[2]。该方法根据水声信道条件和海洋噪声状况自适应选择OFDM调制或FH-MFSK调制方式，既能保证较高信噪比下的语音质量，又能实现远距、低信噪比下的水下语音通信要求。但在快速移动水下平台中，由于接收和发射器之间的相对运动，信号将被压缩或扩展，导致载波频率发生偏移，即多普勒频移。相对多普勒频移与接收和发射器之间的相对运动速度成正比，与海水中声速成反比。由于海水中声速较小，约1500m/s，不大的相对运动速度就可能导致相对较大的多普勒频移，这对水声数据传输是非常不利的。另外，多普勒频频移会导致水声OFDM通信各子载波间的正交性消失，使得信号的解调变得复杂，数据误码率明显增大，严重影响水声数字语音的通信质量。

为克服现有水声数字语音通信的不足，需要对其原理、方法和技术进行改进和提高，研究一种能克服相对较大多普勒频移，适用于快速移动平台的水下数字语音通信系统。

参见文献：

[1]孙宗鑫，乔钢，马巍，马璐，杨健敏，周锋，冯雪飞，刘淞佐.一种数字式水下语音通信装置及水下语音通信方法，专利(CN201310442083.5)。

[2]刘胜兴，许肖梅，肖沈阳.一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法，专利(CN201410220208.4)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有水声数字语音通信系统的缺点和不足，提供适用于快速移动平台，对多普勒频移进行准确估计和高效补偿，基于低速率声码器和DSP的一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统及其方法。

所述快速移动平台下的水声数字语音通信系统设有声码器与外围电路、DSP与外围电路、功率放大与匹配电路、前置放大器、带通滤波器、电源管理模块和水声换能器；所述声码器与DSP之间通过RS232连接和通信，声码器实现对输入语音的参数压缩编码和接收数据的语音合成等功能；所述DSP用于对语音编码数据的调制/解调、跳频/解跳、信道编码/解码、帧同步、多普勒频移估计和补偿及与声码器的通信等功能；所述功率放大与匹配电路用于对发射信号的功率放大和匹配发射换能器阻抗，使输出功率最大；所述带通滤波器滤除水声换能器带外噪声，特别是低频海洋噪声；所述电源管理模块用于电压的转换和稳压，确保对各功能模块的供电；所述水声换能器用于电信号与声信号或声信号与电信号之间的转换。

所述声码器可采用低速率声码器。

所述快速移动平台下的水声数字语音通信方法，包括以下步骤：

1)在通信发射端，输入语音信号经AIC23芯片转换后进入声码器，声码器对语音进行参数压缩编码，按帧提取语音编码数据；

2)在通信发射端，声码器将步骤1)所得的语音编码数据通过RS232串行通信口发送至DSP；

3)在通信发射端，DSP提取步骤2)所得的有效语音数据，先后对其进行组帧、信道编码、MFSK调制和跳频操作后生成发射信号，在每一帧信号的前后都插入一段长度和起止频率完全相同的线性调频频信号；

4)在通信发射端，DSP将步骤3)所得信号通过D/A转换后输出至功率放大与匹配电路，功率放大后的电信号激励水声换能器发射声波在海水介质中传播；

5)在通信接收端，用水声换能器接收声信号，并将其转换成电信号，电信号经放大和带通滤波后，通过A/D转换器进入DSP；

6)在通信接收端，DSP对步骤5)所得信号进行相关检测，检测是否有同步信号到达，若有同步信号到达，则通过检测两线性调频信号时间差的变化估计多普勒频移，然后采用线性插值方法对接收信号进行多普勒频移的高效补偿；

7)在通信接收端，DSP对步骤6)所得信号进行解跳和解调；

8)在通信接收端，DSP对步骤7)所得数据进行信道解码，解码后数据按照声码器语音编码数据格式进行组帧；

9)在通信接收端，DSP将步骤8)所得数据通过RS232串行通信口发送给声码器，为确保合成语音的实时性和连贯性，采用定时发送方式，定时时间与声码器一帧语音的时长相等；

10)在通信接收端，声码器对步骤9)所得语音编码数据进行解码，合成后的语音通过AIC23芯片转换后输出至耳机播放。

本发明的突出技术效果如下：

(1)适用于快速移动的水下工作平台。在每一帧信号前后都插入一段完全相同的线性调频信号，接收端通过计算两调频信号时差变化估计多普勒频移，采用线性插值方法进行多普勒频移高效补偿。采用MFSK调制通信技术，各子载波的频率间隔较大，接收端使用基于FFT变换的能量检测方法进行解调。系统对补偿后相对较小的多普勒频移不敏感。

(2)具有很强的抗噪声和抗多途能力，通过调整通信频率，可实现10km以上的水下语音通信。采用低速率声码器和频率跳变通信技术，声码器和DSP间通过RS232串行通信口进行通信。

(3)系统便携、稳健、功耗低、价格便宜。语音压缩和合成采用小尺寸的声码器芯片，信号的同步、多普勒频移估计和补偿、调制/解调和信道编码/译码等核心算法都在一块DSP芯片中完成。

(4)系统可升级、易调试和维护性强。

附图说明

图1为本发明所述快速移动平台下的水声数字语音通信系统的结构框图。

图2为WT600F声码器模块电路原理示意图。

图3为前置放大器电路原理示意图。

图4为带通滤波器电路原理示意图。

图5为功率放大与匹配电路原理示意图。

图6为电源管理模块24V转±5V的DC-DC电源转换模块电路原理示意图。

图7为电源管理模块24V XL4015稳压芯片电路原理示意图。

图8为发射的一帧声信号。

图9为DSP软件流程图。

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。

所述快速移动平台下的水声数字语音通信系统的一种具体实施方式如图1所示。系统硬件部分主要包括WT600F声码器、TMS320C6748DSP、功率放大与匹配电路、前置放大器、带通滤波器、电路管理模块和水声换能器等7个部件。通信过程简述如下：语音信号经WT600F压缩编码后生成语音编码数据；通过RS232串行通信口将语音编码数据发送给C6748DSP；DSP提取有效语音编码数据，对其进行组帧、信道编码、调制和跳频处理后生成发射信号；发射信号通过D/A转换器、功率放大和匹配后激励水声换能器发射声波。接收端水声换能器接收到的信号后经放大滤波后进入DSP，DSP对信号进行解调、解跳和信道译码后生成接收数据；DSP对接收数据按语音编码数据格式进行组帧，并以75ms的时间间隔，通过RS232串行通信口以定时发送给WT600F；WT600F合成输出语音。系统为半双工工作方式，通过外接按钮控制收发状态，当按钮按下时，系统处于发射状态，可以向接收端发送语音信号；当按钮弹起时，系统处于接收状态，可以接收发送端发送的语音信号。RS232串行通信口的通信参数为：波特率115200bps，数据位8，停止位1，无校验。

所述WT600F声码器是一款低速率声码器芯片，如图2所示。WT600F内置语音编解码软件，无需外部存储器，可以同时实现语音的压缩和合成，在600bps速率下合成输出较高质量的语音。WT600F通过UART与MCU连接通信，用户可以通过UART接口实现语音编码数据的读出和写入。WT600F与MCU之间以定长帧进行通信，帧长16字节，每75ms输出和接收一帧语音编码数据，WT600F声码器帧结构如表1所示，在表1中，第5～9字节以及第10字节中的高5为语音编码数据，其余字节为帧头、命令符、长度和CRC校验等，因此有效语音编码数据45bits。

表1

Header_1	Head_2	CMD	LEN	DATA	CRC
						B1	B2	B3	B4	B5-B15	B16

所述前置放大器采用极品运放OPA227构成的二级同相比例放大电路，如图3所示。OPA227增益带宽积为8MHz，具有极低噪声、极低漂移和极高的精度，开环增益140dB以上，输出能力50mA，自带电流保护，不易烧毁，具有极好的直流和交流特性。同相比例放大电路可以通过改变与放大器输入负极相连的两个电阻的阻值实现放大倍数的改变。第一级放大倍数为11倍，第二级放大倍数为26倍，总放大倍数可以达到近300倍。第二级反馈电阻采用电位器，实现系统的增益可调，以达到最佳的输出电压，方便后级滤波器处理。带通滤波器选用Chebyshev滤波器，通带带宽范围10～20kHz，与换能器带宽相适应。具体设计参数为：中心频率为15kHz，带宽为10kHz，通带增益为0dB，最大衰减为-2dB，通带纹波为0.01dB；阻带带宽为17kHz，衰减为-20dB。最终炫动低噪声精密运放ADA4004-4来搭建滤波器，其原理图如图4所示。

所述功率放大与匹配电路如图5所示，其中功率放大采用TPA3118音频芯片，在24V的电压下可为8Ω的单声道负载提供最大50W的功率，效率高于90％。TPA3118的开关频率通过设置后高达1.2MHz，可以有效避免AM干扰。同时TPA3118芯片集成自我保护电路，包括过压、欠压、过温、直流检测和短路，可以有效避免烧毁。在功率放大器的输出和水声换能器的输入之间并联接入一块电感，实现换能器和功放电阻抗之间的匹配，增大水声换能器向水介质中辐射的声功率。

所述水声数字语音通信系统采用24V锂电池供电，需提供稳定的24V和±5V直流电压，前者为功率放大与匹配电路供电，后者为WT600F声码器、C6748DSP、前置放大器和带通滤波器等供电。24V转±5V的DC-DC电源转换模块采用TI公司的TPS5430宽输入降压芯片，最高输出电流可达到3A，转换效率高达95％，具体电路如图6所示。24V的稳压采用XL4015稳压芯片，具体的电路如图7。XL4015通过改变两个电阻的大小，可以实现电压的调整，最高可输出5A的大电流，非常适合大功率功放电路使用。

所述水声数字语音通信系统在每一帧信号前后20ms位置处都插入一段线性调频信号，线性调频信号的时长10ms，起止频率分别为12和18kHz，如图8所示。记离散化表示的线性调频信号为x(n),n＝0,1,…,N-1,其中N＝T₁F_s为线性调频信号离散化后的点数，T₁和F_s分别为线性调频信号长度和系统的采样频率。系统接收端输入的信号为y(n)，则x(n)和y(n)的互相关函数为：

DSP根据(1)式对接收信号y(n)进行互相关检测，当r(m)＞R，其中R为预先设定的某一阈值，则同步信号到达，搜索并记录下互相关系数r(m)为最大的时刻N₀，同时搜索并记录下N₀+(T₀-ΔT_max)F_s至N₀+(T₀+ΔT_max)F_s时刻范围内r(m)为最大的时刻N₁，其中T₀为发射信号中两线性调频信号之间的时间差，ΔT_max为经过水声信道后，时间差T₀被压缩或扩展的最大可能时长。经过水声信道后，两线性调频信号之间的时间差扩展为T₀′＝(N₁-N₀)/F_s，则相对多普勒频移为

若β＞0，则信号经水声信道后被压缩，需要对其进行扩展补偿；若β＜0，则信号经水声信道后被扩展，需要对其进行压缩补偿；若β＝0，则信号经水声信道后长度保持不变，无需进行多普勒频移补偿。为减少计算复杂度，多普勒频移采用线性插值方法进行补偿。设需要补偿的时刻为t′，其邻近时刻t₁和t₂的值分别为y₁和y₂，则t′时刻的值为

对于1途水声信道，经补偿后的接收信号长度与发送信号长度完全相同。但在多途水声信道中，不同途径到达信号的多普勒频移可能并不完全相同，会出现剩余多普勒频移现象。系统采用4FSK调制，码元周期2.5ms，频率间隔为400Hz，接收端采用基于FFT变换的能量检测方法进行非相干解调，对剩余多普勒频移不太敏感，一般可实现10^-2～10^-3的较低误比特率。采用信道纠错编码可将误比特率进一步降低至10^-3～10^-4。

除语音压缩编解码在WT600F声码器中实现外，所述水声数字语音通信系统的软件操作都在C6748DSP中实现，主要包括同步、多普勒频移估计和补偿、信道编解码、调制/解调、跳频和解跳等功能。软件采用基于StarterWare的裸机编程，主程序流程如图9所示，图中Length表示接收到的有效语音数据长度。WT600F每75ms向DSP发送一帧语音编码数据，数据格式如表1，其中B5-B9和B10的高5位，共45bits为有效语音数据。DSP接收到语音编码数据后，抽取出有效语音数据，按270bits组成一帧方式进行数据的传输。所述系统为半双工工作方式，DSP通过查询GPIO管脚98状态来判决软件处于发射，还是接收状态。除主程序外，软件还包括串口、发射接收信号和定时等3个中断处理程序。在系统处于发射状态时，串口中断处理程序接收来自WT600F声码器的语音编码数据；发射接收信号中断处理程序完成将发送信号通过D/A转换器输出至功率放大和匹配器。在系统处于接收状态时，串口中断处理程序将数据发送给WT600F声码器；发射接收信号中断处理程序接收来自A/D的输入信号；定时中断程序实现按75ms为周期将语音数据发送给WT600F声码器。

Claims (3)

1.一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统，其特征在于设有声码器与外围电路、DSP与外围电路、功率放大与匹配电路、前置放大器、带通滤波器、电源管理模块和水声换能器；所述声码器与DSP之间通过RS232连接和通信，声码器用于对输入语音的参数压缩编码和接收数据的语音合成；所述DSP用于对语音编码数据的调制/解调、跳频/解跳、信道编码/解码、帧同步、多普勒频移估计和补偿及与声码器的通信功能；所述功率放大与匹配电路用于对发射信号的功率放大和匹配发射换能器阻抗；所述带通滤波器滤除水声换能器带外噪声；所述电源管理模块用于电压的转换和稳压；所述水声换能器用于电信号与声信号或声信号与电信号之间的转换。

2.如权利要求1所述一种快速移动平台下的水声数字语音通信系统，其特征在于所述声码器采用低速率声码器。

3.快速移动平台下的水声数字语音通信方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在通信发射端，输入语音信号经AIC23芯片转换后进入声码器，声码器对语音进行参数压缩编码，按帧提取语音编码数据；

2)在通信发射端，声码器将步骤1)所得的语音编码数据通过RS232串行通信口发送至DSP；

3)在通信发射端，DSP提取步骤2)所得的有效语音数据，先后对其进行组帧、信道编码、MFSK调制和跳频操作后生成发射信号，在每一帧信号的前后都插入一段长度和起止频率完全相同的线性调频频信号；

4)在通信发射端，DSP将步骤3)所得信号通过D/A转换后输出至功率放大与匹配电路，功率放大后的电信号激励水声换能器发射声波在海水介质中传播；

5)在通信接收端，用水声换能器接收声信号，并将其转换成电信号，电信号经放大和带通滤波后，通过A/D转换器进入DSP；

6)在通信接收端，DSP对步骤5)所得信号进行相关检测，检测是否有同步信号到达，若有同步信号到达，则通过检测两线性调频信号时间差的变化估计多普勒频移，然后采用线性插值方法对接收信号进行多普勒频移的高效补偿；

7)在通信接收端，DSP对步骤6)所得信号进行解跳和解调；

8)在通信接收端，DSP对步骤7)所得数据进行信道解码，解码后数据按照声码器语音编码数据格式进行组帧；

9)在通信接收端，DSP将步骤8)所得数据通过RS232串行通信口发送给声码器，为确保合成语音的实时性和连贯性，采用定时发送方式，定时时间与声码器一帧语音的时长相等；

10)在通信接收端，声码器对步骤9)所得语音编码数据进行解码，合成后的语音通过AIC23芯片转换后输出至耳机播放。