水下語音通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)*

姜衛(wèi)東 李 霞

(海軍指揮學(xué)院信息系1) 南京 211800)(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2) 南京 210096)

1 引言

隨著開發(fā)和利用海洋步伐的加快,水下數(shù)字通信技術(shù)研究越來越受到人們的重視[1～2]。尤其是在水下蛙人潛水、飽和潛水、對(duì)潛通信等場(chǎng)合,語音通信是最直接的通信手段。利用聲波進(jìn)行水下數(shù)字語音通訊就必須對(duì)語音信息進(jìn)行大幅度的壓縮,即通過語音進(jìn)行信源壓縮編碼實(shí)現(xiàn)高速的水聲通信。采用數(shù)字化的語音壓縮編碼方法能夠?qū)?shù)據(jù)率壓縮到1.2～9.6kbps左右甚至更低,因而在水下實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程數(shù)字語音通訊已成為可能。

線性預(yù)測(cè)編碼方法的主要貢獻(xiàn)在于用它來給出語音的基本模型的精確性和較高的壓縮率,該算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下數(shù)字語音傳輸系統(tǒng),其中有代表性的是法國研制的碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(CELP)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該語音通信系統(tǒng)利用CELP編碼算法對(duì)語音進(jìn)行壓縮,能以6kbps的數(shù)據(jù)率進(jìn)行實(shí)時(shí)水池語音通信,采用的調(diào)制方法為4-DPSK。

英國Loughborough大學(xué)[3]提出了一種應(yīng)用于水下語音通信的新技術(shù)。語音信號(hào)采用線性預(yù)測(cè)編碼,數(shù)字脈沖位置調(diào)制[4～5]技術(shù),該系統(tǒng)在水池進(jìn)行了試驗(yàn),已經(jīng)取得初步效果。本文在分析G.723.1編解碼算法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于G.723.1編解碼算法的水下語音通信系統(tǒng),對(duì)水聲通信系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分進(jìn)行了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)研究,通過仿真,完成了編碼調(diào)制、均衡和解調(diào)在硬件系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

2 G.723.1編解碼算法

對(duì)語音數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮,可提高傳輸效率以及傳輸?shù)陌踩浴３Ｒ姷恼Z音編碼算法有線性預(yù)測(cè)編碼、多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼等。

ITU-T G.723.1協(xié)議是多媒體通訊終端標(biāo)準(zhǔn)H.324的重要組成部分,有5.3kbps[6]和6.3kbps[7]兩種數(shù)碼率,并可在語音幀的邊緣進(jìn)行切換。幀內(nèi)采用線性預(yù)測(cè)分析合成技術(shù)編碼,6.3kbps聲碼器的激勵(lì)信號(hào)采用多脈沖最大似然量化,5.3kbps聲碼器的激勵(lì)信號(hào)采用代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)技術(shù)量化。G.723.1的解碼也按幀進(jìn)行。

圖1和圖2分別為編碼器及解碼器的原理框圖[8]。從線路上來的壓縮語音碼流首先被分解為各個(gè)部分,然后分別進(jìn)行線譜對(duì)解碼和插值,得到該幀的線譜對(duì)參數(shù),再將其轉(zhuǎn)換為線性預(yù)測(cè)系數(shù),即為合成濾波器系數(shù)。然后進(jìn)行基因和激勵(lì)脈沖解碼,得到合成濾波器的激勵(lì)信號(hào),即線性預(yù)測(cè)的參差信號(hào)。最后對(duì)解碼后的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行基音后置濾波后輸入到線性預(yù)測(cè)合成濾波器中得到合成的語音信號(hào),再將該信號(hào)經(jīng)過共振峰后置濾波和增益控制后輸出,形成最終的語音信號(hào)。

3 水下語音通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)G.723.1編解碼算法的原理,本系統(tǒng)在詳細(xì)仿真的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)。采用的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)發(fā)射功能主要由一片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C5402來完成。水聲通信的信息傳送通常是按“幀”來進(jìn)行的,本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 水下語音通信系統(tǒng)方框圖

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

幀同步信號(hào)與學(xué)習(xí)碼之間需有一定的時(shí)間間隔Td,其長度要大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展,以免幀同步信號(hào)的多途影響自適應(yīng)均衡器的收斂。本文使用的幀同步信號(hào)是線性調(diào)頻脈沖,接收端使用拷貝相關(guān)器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),從而為后面的數(shù)據(jù)接收提供采樣定時(shí)。

在本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)接收處理功能也是由一片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C5402來完成的。首先,對(duì)由C5402的#0號(hào)緩沖串口接收到的數(shù)據(jù)幀信號(hào)不斷地作拷貝相關(guān)運(yùn)算,找到相關(guān)峰以確定數(shù)據(jù)的起始位置,作相應(yīng)的延遲后,進(jìn)行均衡器的學(xué)習(xí),當(dāng)均衡器經(jīng)過學(xué)習(xí)碼的學(xué)習(xí)達(dá)到收斂后,對(duì)傳送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解調(diào)、均衡和解碼等處理,最后將處理后的數(shù)字比特信息以字節(jié)為單位送到語音編碼器中,由語音編碼器對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行解壓縮,最終恢復(fù)出語音信息。

圖5 接收信號(hào)的頻譜圖

圖5為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相距1公里時(shí)的接收數(shù)據(jù)的頻譜圖,圖6為對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行同步檢測(cè)的相關(guān)峰,圖7為解調(diào)后的恢復(fù)信號(hào)的星座圖。

從數(shù)據(jù)的處理結(jié)果中可以看到,本系統(tǒng)能很好地完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及處理,圖7表明通過系統(tǒng)的均衡及相位補(bǔ)償技術(shù)能較好地恢復(fù)原發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了水下語音通信系統(tǒng),對(duì)水聲通信系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分進(jìn)行了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)研究,并在仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上,完成了編碼調(diào)制、均衡和解調(diào)在硬件系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。如何更有效地提高信息的壓縮效率為大數(shù)據(jù)量、高速率的水聲通信提供支持還有待于今后的繼續(xù)研究。

[1]朱曉明,程恩,伊錦旺.水下無線多點(diǎn)通信系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(20):192～194

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[6]Telecommunication standardization sector of ITU-T.dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3 kbit/s[S]

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