CN111585928B - 一种语音信号单边带调制和解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种语音信号单边带调制方法，将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号，所述第一信号为复信号，包括实部和虚部；对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；生成正交载波信号，将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程；本发明还公开了上述语音信号单边带解调方法、调制装置及解调装置。本发明公开的语音信号单边带调制、解调方法容易实现、调试方便、计算量小，可以在低功耗单片机上实现，使得水下通信设备的体积和功耗变小，成本降低。

Description

一种语音信号单边带调制和解调方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种语音信号单边带调制和解调方法及装置。

背景技术

随着海洋资源的不断开发，水下语音通信技术的对于开发海洋资源以及加强国防建设都有着十分重要的作用。通过水声通信技术，可以在水下的环境中，实现水下设备与水下设备，水下设备与基站之间的通信，实时将水下设备的工作情况快速、直接、准确的传达给岸上的基站，对于保障水下人员安全，勘探水下环境等起着重要的作用。

水下通信是利用介质水作为通信信道，而水声信道的特点是可用频率资源有限，通信速率也比较低；语音信号是基带信号，具有低频分量，在水声信道中存在许多相同频率范围的低频分量信号，由于频率范围相同，因此语音信号直接在水中进行传播时，容易受到这些噪声信号的干扰，严重影响语音通信效果，此外用于低频信号发射的设备体积大，不适合做成便携设备。目前实现语音通信主要方式有OFDM、拼音编码和单边带三种；OFDM方式突出优点在于传输速率高，并且能够有效抵抗码间干扰和信道选择性衰落，但必须有语音压缩模块作为辅助，系统相对复杂；拼音编码方式的特点是在通信接收端合成，语言清晰，不易受环境噪声的影响，但是拼音编码技术语料库的建立相对复杂；与这两种方式相比，单边带方式具有功耗较低、实现简便并能较好保留原始语音音色和音调的优势，更加适合便携式水下通信。

单边带调制是将消息的频谱从基带移到一个较高的频率上，且平移后的信号频谱内原有频率分量的相对关系保持不变；可以看作AM调幅信号的一种特殊形式；AM调幅信号由载频和上下边带组成，被传输的消息包含在两个边带内，且每个边带包含完整的消息，顾名思义，单边带信号只包括其中一个边带，即上边带或下边带；单边带调制占用频带资源少，对于水下可用频带资源有限的应用，单边带通信就显得非常有意义。传统的单边带信号的产生使用模拟电路搭建，通常有滤波法、移相法和韦弗法。

所谓滤波法，先利用乘法器对基带信号进行AM调制，设计一个带通滤波器，对调制信号利用滤波器滤出单边带信号，滤波法的原理和方法简单，但存在无法实现陡峭滤波，而且难以被一般的调幅检波器解调的问题；移相法是模仿下列单边带信号的时域公式实现的；Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)+m′(t)·sin(ωt)，m′(t)是m(t)的相移90度信号，首先产生正交的载频信号，然后使用乘法器对基带信号进行正交调制，将正交调制后的信号相加；但是移相法存在原始信号的全频率内相移90度难度大的问题；韦弗法虽然结合了滤波法和移相法这两种技术的优点，不用90度相移调制信号，只需对单一频率的载波进行相移，同时对边带进行滤波，滤波器在低频范围也易满足要求，但是仍存在计算量大，难以用低功耗的单片机实现，设备难以小型便携化的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种语音信号单边带调制方法，该方法容易实现、调试方便、计算量小；同时该方法由于计算量小，可以在低功耗单片机上实现，单位时间内的耗电量小，整体体积变小，可以做成便携式设备使用，因此更适用于水下通信设备。。

本发明的第二个目的是提供一种语音信号单边带解调方法，该方法容易实现、调试方便、计算量小，可以用低功耗的单片机实现。

本发明的第三个目的是提供一种语音信号单边带调制装置。

本发明的第四个目的是提供一种语音信号单边带解调装置。

本发明所采用的第一个技术方案是：一种语音信号单边带调制方法，包括以下步骤：

S1：将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；

S2：将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号，所述第一信号为复信号，包括实部和虚部；

S3：对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；

S4：对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；

S5：生成正交载波信号，将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程。

优选的，步骤S5中是利用以下公式的简化产生上边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)+m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号。

优选的，步骤S5中是利用以下公式的简化产生下边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)-m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号。

优选的，所述步骤S2中使用复杂非线性相位等纹波滤波器函数进行正频率带通滤波以滤除负频率成分。

优选的，所述正交载波信号频率采用与步骤S3中相同的采样率产生，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位。

优选的，所述步骤S3中使用添0法进行升采样。

本发明所采用的第二个技术方案是：一种语音信号单边带解调方法，包括以下步骤：

S1：将已调制单边带信号和解调用载波信号进行相乘得到第四信号；

S2：将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；

S3：将第五信号进行降采样，得到数字化语音基带信号；

S4：将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号。

优选的，所述步骤S1中解调用载波使用调制载波的同相分量，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位。

本发明所采用的第三个技术方案是：一种语音信号单边带调制装置，包括：

模数转换单元，用于将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；

负频率滤除单元，用于将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号；

升采样单元，用于对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；

滤波单元，用于对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；

载波生成单元，用于生成正交载波信号；

调制单元，用于将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程。

本发明所采用的第四个技术方案是：一种语音信号单边带解调装置，包括：

解调用载波生成单元，用于生成解调用载波信号；

乘法单元，用于将已调制单边带信号和解调用载波信号进行相乘得到第四信号；

滤波单元，用于将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；

降采样单元，用于将第五信号进行降采样，得到数字化语音基带信号；

数模转换单元，用于将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号。

上述技术方案的有益效果：

(1)本发明公开的语音信号单边带调制方法与滤波法相比，无需实现陡峭滤波，只需经过模数转换、滤波形成复信号、滤波处理及正交相乘简化等步骤即可实现单边带调制，该方法容易实现、调试方便。

(2)本发明公开的语音信号单边带调制方法与移相法相比，通过采用步骤S2中将数字化语音基带信号(实信号)变为复信号的方法，克服了移相法存在原始信号的全频率内相移90度难度大的问题，本发明公开的调制方法容易实现、调试方便。

(3)本发明公开的语音信号单边带调制方法与韦弗法相比，主要通过步骤S5中产生载波信号时选择0度、90度、180度、270度四个相位，使每个周期的四个采样点对于载波信号分别为正弦信号(0，1，0，-1)，余弦信号(1，0，-1，0)，省略本步骤的正弦计算、余弦计算，减小计算量；克服了韦弗法计算量大，难以用低功耗的单片机实现的问题。

(4)本发明公开的调制、解调方法保密性好、实时性高。

(5)本发明公开的解调方法容易实现、计算量小。

(6)本发明公开的调制、解调方法由于计算量小，可以在低功耗单片机上实现，使得通信设备的体积和功耗变小、成本低、可以作为便携式设备使用，更适用于水下通信设备。

附图说明

图1为本发明一种语音信号单边带调制方法的原理示意图。

图2为正频率带通滤波器示意图。

图3为数字化语音基带信号频谱。

图4为第一信号频谱。

图5为第一信号的时域实部/虚部信号图。

图6为第一信号的时域实部/虚部信号局部放大图。

图7为第二信号的频谱。

图8为第三信号的频谱。

图9为上边带调制信号频谱。

图10为本发明一种语音信号单边带解调方法的原理示意图。

图11为第四信号的频谱。

图12为低通滤波器归一化频谱图。

图13为第五信号的频谱。

图14为数字化音频基带信号的时域图。

图15为一种语音信号单边带调制装置。

图16为一种语音信号单边带解调装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种语音信号单边带调制方法，包括以下步骤：

S1：将采集到的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；麦克风输入连接音频CODEC芯片的模拟语音信号输入端，单片机通过I2S接口控制CODEC芯片对模拟语音信号进行采样，设置采样率为8khz，PCM16格式。

S2：将数字化语音基带信号通过正频率带通滤波器滤除负频率成分，仅留正频率成分，形成第一信号，第一信号的频谱信息如图4所示；如图5、图6所示，第一信号的时域信号为复信号，包括实部和虚部两部分；如图3所示，正常的数字化语音基带信号的频谱分为正频率和负频率两部分，两部分完全对称，实信号包括完全对称的正负频率，只有正频率或只有负频率的信号一定是复信号；

正频率带通滤波器使用复杂非线性相位等纹波滤波器函数(matlab标准函数中的cfirpm函数)产生，该正频率带通滤波器为64阶，正频率带通滤波器如图2所示，根据语音信号的特征，正频率带通滤波器通带为250hz～1000hz，50hz以下以及1200hz以上为阻带。

S3：将第一信号中的实部和虚部分别进行升采样处理；数字化语音基带信号的采样率为8khz，使用添0法进行升采样，将采样率为8khz升采样到128khz，提升了16倍，即在原来的两个相邻采样点之间插入15个0，形成128khz的第二信号，第二信号的频谱信息如图7所示，第二信号包括实部和虚部；采用添0法进行升采样简化了计算，减小计算量。

S4：如图7所示，使用升采样处理后形成的第二信号在频域为多个重复的基带频谱，为了只得到一个频谱，将第二信号的实部和虚部通过低通滤波器进行滤波处理，生成只有一个频带的第三信号，第三信号的频谱信息如图8所示，第三信号包括实部和虚部。

S5：无需计算生成载波信号，将第三信号的实部、和虚部与载波信号的正弦信号、余弦信号利用公式(1)的简化方法产生上边带调制信号或利用公式(2)的简化方法产生下边带调制信号，完成单边带调制过程；上边带调制信号频谱信息如图9所示；由于简化，该步骤中的乘法计算量非常小，可以忽略不计；

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)+m′(t)·sin(ωt)  (1)

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)-m′(t)·sin(ωt)  (2)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号(0，1，0，-1)和余弦信号(1，0，-1，0)；

载波信号的生成：由于第三信号为128khz的正交基带信号，调制频率采用32khz，故通过使用128khz的采样率生成32khz的正交载波信号频率sin(f0*t)和cos(f0*t)，为了简化计算量，产生载波信号时选择0度、90度、180度、270度四个相位，使每个周期的四个采样点对于载波信号分别为正弦信号(0，1，0，-1)，余弦信号(1，0，-1，0)，因此将第三信号与正交载波信号相乘产生上边带调制信号或下边带调制信号的过程简化为交错使用第三信号的实部和虚部、第三信号实部和虚部的对应负数即可，这样不仅可以省略本步骤的正弦计算，余弦计算，还可以简化乘法计算，减小计算量。

对本实施例进行计算量分析，进行计算量分析时主要考虑耗费计算资源的过程(正、余弦计算，乘法，加减法等)；由于单片机开发环境没有计算量分析工具，这里使用CCS5.5对计算量进行分析，分析基于芯片平台TI的6000系列6748，使用RUN目录下的CLOCK工具分析计算量；得出的计算量分析基础见表1。

表1基于6748的CCS5.5平台的计算量分析基础

以1s的音频数据处理进行计算量分析，载波频率32khz，调制信号采样率128khz；根据表1中的各计算项对应的计算量来分析本实施例的计算量，分析结果见表2。

表2实施例1中调制的计算量分析

计算项目	计算方法(单个采样点)	计算值
			第一次正频率滤波器	64*2*11+63*2*7＝2290	8000*2290＝18320000
升采样后低通滤波	(64*11+63*7)*2＝2290	128000*2290＝293120000
			生成上边带或下边带	7+11/2＝12.5	128000*7+128000*5.5＝1600000
合计	——	313040000

实施例2

如图10所示，本实施例公开了一种语音信号单边带解调方法，包括以下步骤：

S1：将已调制单边带信号和解调用载波进行相乘得到第四信号；解调用载波使用调制载波的同相分量，128khz采样率，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位，因此每个周期的四个采样点分别为正弦信号(0，1，0，-1)，简化计算量；第四信号的频谱信息如图11所示；

S2：将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；低通滤波器归一化频谱图如图12所示；第五信号的频谱信息如图13所示；

S3：将第五信号进行降采样，使用16个数抽取一个数的方法得到8khz采样率的数字化语音基带信号；数字化音频基带信号的时域信息如图14所示；

S4：将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号(D/A转换)后传到耳机。

单边带解调原理：单边带解调过程为单边带调制的逆过程；本发明解调的实现方法属于相干解调。

以1s的音频数据处理对本实施例进行计算量分析，分析结果见表3。

表3实施例2中解调的计算量分析

实施例3

实施例1中的语音信号单边带调制方法可通过如下语音信号单边带调制装置实现。

如图15所示，一种语音信号单边带调制装置包括模数转换单元、负频率滤除单元、升采样单元、滤波单元、载波生成单元和调制单元，其中：

模数转换单元，用于将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；

负频率滤除单元，用于将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号；

升采样单元，用于对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；

滤波单元，用于对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；

载波生成单元，用于生成正交载波信号；

调制单元，用于将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程。

实施例4

实施例2中的语音信号单边带解调方法可通过如下语音信号单边带解调装置实现。

如图16所示，一种语音信号单边带解调装置，包括解调用载波生成单元、乘法单元、滤波单元、降采样单元和数模转换单元，其中：

解调用载波生成单元，用于生成解调用载波信号；

乘法单元，用于将已调制单边带信号和解调用载波信号进行相乘得到第四信号；

滤波单元，用于将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；

降采样单元，用于将第五信号进行降采样，得到数字化语音基带信号；

数模转换单元，用于将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号。

对比例1

采用韦弗法对语音信号进行调制，使用128khz采样率进行采样，利用一对频率位于边带正中间的正交预载波和基带信号相乘，使一个边带发生折叠，再通过64阶的低通滤波器滤除不必要的频率分量；然后用一对频率相对较高正交二级载波把折叠频谱搬移到合适的位置，再让两路信号相加，完成单边带调制。

以1s的音频数据处理对本对比例进行计算量分析，分析结果见表4。

表4对比例1中调制的计算量分析

对比例2

采用韦弗法对单边带调制信号进行解调，将其中一路已调单边带信号与高频载波相乘得到不同频率的信号，再通过16阶低通滤波器，另一路已调信号与高频的正交相移载波相乘得到的信号进行同样的低通滤波，再把两路信号分别与低频载波相乘相加，恢复原始信号。

以1s的音频数据处理对本对比例进行计算量分析，分析结果见表5。

表5对比例2中解调的计算量分析

通过对比实施例1和对比例1，可以得出本发明公开的调制方法计算量(313040000)比韦弗法调制的计算量(2044100000)小，采用本发明公开的调制方法计算量大幅度下降，可以在低功耗单片机上实现，使得水下通信设备的体积和功耗变小、成本降低。

通过对比实施例2和对比例2，可以得出本发明公开的解调方法计算量(37216000)比韦弗法解调的计算量(228224000)小，采用本发明公开的解调方法计算量大幅度下降，可以在低功耗单片机上实现，使得通信设备的体积和功耗变小、成本降低。

本发明公开的语音信号单边带调制方法与滤波法相比，无需实现陡峭滤波，只需经过模数转换、形成复信号、滤波处理及正交相乘等步骤即可实现单边带调制，该方法容易实现、调试方便。

本发明公开的语音信号单边带调制方法与移相法相比，通过采用步骤S2中将数字化语音基带信号(实信号)变为复信号的方法，克服了移相法存在原始信号的全频率内相移90度难度大的问题。

本发明公开的语音信号单边带调制方法与韦弗法相比，主要通过步骤S5中产生载波信号时选择0度、90度、180度、270度四个相位，使每个周期的四个采样点对于载波信号分别为正弦信号(0，1，0，-1)，余弦信号(1，0，-1，0)，省略本步骤的正弦计算、余弦计算，以及乘法计算，减小计算量；克服了韦弗法计算量大，难以用低功耗的单片机实现的问题。

本发明公开的语音信号单边带调制、解调方法容易实现、调试方便、保密性好、实时性高、计算量小；同时该方法由于计算量小，可以在低功耗单片机上实现，使得通信设备的体积和功耗变小、成本降低、可以作为便携式设备使用，更适用于水下通信设备。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种语音信号单边带调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；

S2：将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号，所述第一信号为复信号，包括实部和虚部；

S3：对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；

S4：对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；

S5：生成正交载波信号，将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程；

其中，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位；

利用以下公式的简化产生上边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)+m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号；

利用以下公式的简化产生下边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)-m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号。

2.根据权利要求1所述的一种语音信号单边带调制方法，其特征在于，所述步骤S2中使用复杂非线性相位等纹波滤波器函数进行正频率带通滤波以滤除负频率成分。

3.根据权利要求1所述的一种语音信号单边带调制方法，其特征在于，所述正交载波信号频率采用与步骤S3中相同的采样率产生。

4.根据权利要求1所述的一种语音信号单边带调制方法，其特征在于，所述步骤S3中使用添0法进行升采样。

5.一种语音信号单边带解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将由权利要求1所述的一种语音信号单边带调制方法产生的已调制单边带信号和解调用载波信号进行相乘得到第四信号；

S2：将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；

S3：将第五信号进行降采样，得到数字化语音基带信号；

S4：将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号；

其中，步骤S1中解调用载波信号使用调制载波的同相分量，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位。

6.一种语音信号单边带调制装置，其特征在于，包括：

模数转换单元，用于将待处理的模拟语音信号转换为数字化语音基带信号；

负频率滤除单元，用于将所述数字化语音基带信号滤除负频率成分，生成第一信号；

升采样单元，用于对第一信号的实部和虚部分别进行升采样处理，生成第二信号；

滤波单元，用于对第二信号进行低通滤波处理，生成第三信号；

载波生成单元，用于生成正交载波信号；

调制单元，用于将第三信号与正交载波信号相乘以产生上边带调制信号或下边带调制信号，完成单边带调制过程；

其中，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位；

利用以下公式的简化产生上边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)+m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号；

利用以下公式的简化产生下边带调制信号：

Sm(t)＝m(t)·cos(ωt)-m′(t)·sin(ωt)

式中，m(t)、m′(t)分别为第三信号的实部和虚部；sin(ωt)和cos(ωt)分别为载波信号的正弦信号和余弦信号。

7.一种语音信号单边带解调装置，其特征在于，包括：

解调用载波生成单元，用于生成解调用载波信号；解调用载波信号使用调制载波的同相分量，产生载波时选择0度、90度、180度、270度四个相位；

乘法单元，用于将由权利要求6所述的一种语音信号单边带调制装置产生的已调制单边带信号和解调用载波信号进行相乘得到第四信号；

滤波单元，用于将第四信号通过低通滤波器进行滤波处理，得到第五信号；

降采样单元，用于将第五信号进行降采样，得到数字化语音基带信号；

数模转换单元，用于将数字化语音基带信号转换为模拟语音信号。

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