時(shí)頻差分OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾 笙,周躍海,童 峰

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

時(shí)頻差分OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾 笙,周躍海,童 峰*

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

時(shí)頻差分OFDM技術(shù)可充分利用時(shí)域、頻域差分調(diào)制抑制時(shí)變多徑水聲信道的影響;同時(shí),系統(tǒng)復(fù)雜度低、無(wú)需采用信道估計(jì)和均衡算法,適于硬件實(shí)現(xiàn).本研究給出了基于浮點(diǎn)型DSP TMS320C6713的時(shí)頻差分OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的總體方案、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性能,結(jié)果表明該系統(tǒng)恢復(fù)出的語(yǔ)音質(zhì)量良好,可以滿足水聲語(yǔ)音通信的要求.

時(shí)頻差分調(diào)制;正交頻分復(fù)用(OFDM);水聲語(yǔ)音通信;數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)由于其高頻譜利用率和強(qiáng)抗干擾能力成為了近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),并取得了一定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為高速水聲語(yǔ)音通信提供了可能.

OFDM系統(tǒng)接收端可采用相干檢測(cè)或差分檢測(cè)的方式,其中相干檢測(cè)方式可達(dá)到較高的通信速率,但在解調(diào)時(shí)需進(jìn)行信道估計(jì)和均衡處理,由于水聲信道復(fù)雜的隨機(jī)時(shí)變特性、多普勒頻移等原因,信道的準(zhǔn)確估計(jì)往往十分困難[1];差分OFDM解調(diào)則利用相鄰兩個(gè)OFDM符號(hào)(時(shí)域差分OFDM)或相鄰子載波(頻域差分OFDM)的相位差值進(jìn)行檢測(cè),具有抗干擾能力強(qiáng)、復(fù)雜度低、適于硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn).

近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)OFDM技術(shù)在水聲通信中的應(yīng)用有了長(zhǎng)足的發(fā)展,蔡惠智等[2]設(shè)計(jì)了采用正交振幅調(diào)制(quadrature amplitude modulation,QAM)、多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制(multiple phase shift keying, MPSK)、差分相移鍵控(differential phase shift keying,DPSK)等多種調(diào)制方式的OFDM水聲通信系統(tǒng),在中國(guó)南海海區(qū)6.6 km的距離上實(shí)現(xiàn)了零誤碼的圖像傳輸,傳輸速率高達(dá)20 kbit/s.趙安邦等[3]研究了基于OFDM編碼的差分解碼技術(shù),通過在時(shí)域上對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行差分解碼,在松花湖上試驗(yàn)中差分OFDM獲得了優(yōu)于常規(guī)OFDM解調(diào)的結(jié)果.Emer等[4]研究多輸入輸出的MIMO-OFDM語(yǔ)音通信系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)表明差分MIMO-OFDM調(diào)制對(duì)系統(tǒng)魯棒性的提高有所幫助.殷敬偉等[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套時(shí)域差分OFDM水下語(yǔ)音通信系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了差分OFDM水下語(yǔ)音通信系統(tǒng)的有效性,并與常規(guī)OFDM方法相比較,體現(xiàn)了差分OFDM技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn).

考慮到水聲信道的隨機(jī)時(shí)頻擴(kuò)展特性,在時(shí)域OFDM差分調(diào)制的基礎(chǔ)上,結(jié)合時(shí)域差分和頻域差分的時(shí)頻差分OFDM技術(shù)可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的信道穩(wěn)健性.本文設(shè)計(jì)了一套采用時(shí)頻差分OFDM調(diào)制以及混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(mixed excitation linear prediction,MELP)語(yǔ)音編碼技術(shù)的水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng),文章給出了系統(tǒng)水下語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思想、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行了海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)在一定的時(shí)變水聲信道條件下能保持良好的通信效果,可滿足水聲語(yǔ)音通信的需求.

1 時(shí)頻差分OFDM原理

本文的時(shí)頻差分OFDM方案[6]首先利用相鄰OFDM符號(hào)進(jìn)行時(shí)域差分調(diào)制,然后利用相鄰的子載波攜帶反相數(shù)據(jù)作為導(dǎo)頻進(jìn)行頻域差分,具體原理為:

設(shè)第i個(gè)OFDM符號(hào)上第n個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào),其差分調(diào)制前的數(shù)據(jù)為其中n=0, 2,…,2Nˉ1,φi,n∈{0,2π};經(jīng)過時(shí)域差分調(diào)制后的數(shù)據(jù)為

隨后進(jìn)行頻域差分調(diào)制,相應(yīng)的第n+1個(gè)子載波上為導(dǎo)頻數(shù)據(jù)則有:

進(jìn)一步進(jìn)行頻域差分解調(diào),利用導(dǎo)頻信號(hào)恢復(fù)原始數(shù)據(jù):

利用導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行修正得到:

式中θ項(xiàng)下標(biāo)i、iˉ1對(duì)應(yīng)相鄰的OFDM符號(hào),下標(biāo)n、n+1則對(duì)應(yīng)相鄰的子載波,即θi,n與θi,n+1、θiˉ1,n與θiˉ1,n+1為同一OFDM符號(hào)相鄰子載波的相位偏移,而θi,n與θiˉ1,n、θi,n+1與θiˉ1,n+1為同一子載波相鄰OFDM符號(hào)的相位偏移.

考慮到水聲信道復(fù)雜的時(shí)間頻率雙重?cái)U(kuò)展特性,時(shí)頻差分可通過時(shí)域差分和頻域差分的結(jié)合來消除水聲信道中多徑以及多普勒頻移的影響,當(dāng)然,其付出的代價(jià)是時(shí)頻域均進(jìn)行差分調(diào)制導(dǎo)致時(shí)間利用率和頻率利用率均只有50%,造成了系統(tǒng)有效傳輸效率的下降.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,硬件模塊主要由上位機(jī)、語(yǔ)音輸入輸出控制、數(shù)字信號(hào)處理器微控制單元(digtial signal processing-microcontroller unit, DSP-MCU)開發(fā)板及信號(hào)處理電路組成[7].

圖1 水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 The diagram of system hardware

系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)核心為TMS320C6713處理器,采用STC89LE58單片機(jī)作為DSP系統(tǒng)的擴(kuò)展,主要負(fù)責(zé)DSP系統(tǒng)與上位機(jī)的通信.系統(tǒng)工作時(shí),上位機(jī)通過RS-232串口連接單片機(jī),通過串口發(fā)送指令和輸入輸出語(yǔ)音.語(yǔ)音在DSP系統(tǒng)上完成裝載信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)過程,同時(shí)進(jìn)行AD/DA、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、通用串行數(shù)據(jù)總線(universal asynchronous receiver/transmitter, UART)等配置.以發(fā)射-接收過程為例,上位機(jī)通過串口通信、單片機(jī)控制、語(yǔ)音輸入DSP,在DSP上完成信號(hào)調(diào)制,DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)由功放模塊后輸入換能器發(fā)射.接收端經(jīng)由信道傳輸后信號(hào)經(jīng)由前置放大模塊,帶通濾波電路后由DSP完成AD轉(zhuǎn)換,信號(hào)解調(diào),最后串口上傳至上位機(jī).其中前置放大模塊由AD603芯片完成,帶通濾波電路為MAX274搭建的有源8階切比雪夫帶通濾波器.

為了在語(yǔ)音實(shí)時(shí)處理過程中實(shí)現(xiàn)處理與傳輸同步進(jìn)行,本文采用EDMA(enhanced direct memory access)乒乓緩存搬移緩存數(shù)據(jù).增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問EDMA是DSP中用于快速數(shù)字交換的重要技術(shù),其功能主要用于滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理中的高速傳輸要求.

本文采用的EDMA乒乓緩存技術(shù)即采用兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)處理信號(hào),當(dāng)觸發(fā)EDMA傳輸時(shí),EDMA先在乒緩存區(qū)中讀寫數(shù)據(jù),傳輸完成后進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù),在中斷中將EDMA參數(shù)重載,使得下次觸發(fā)EDMA傳輸時(shí)自動(dòng)在乓緩存區(qū)中進(jìn)行讀寫.同樣地乓緩存區(qū)中數(shù)據(jù)讀寫完成后EDMA傳輸自動(dòng)切換到乒緩存區(qū)中進(jìn)行.如此反復(fù)交替進(jìn)行以保證信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示,左側(cè)虛線框中部分為上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音編碼解碼部分,右側(cè)虛線框中部分為DSP上實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)、信道編碼解碼軟件程序.

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 Flow chart of system implementation

本系統(tǒng)MELP語(yǔ)音編解碼采用的是美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FTR 1024A-1997 2.4 kbit/s MELP編碼,該算法在2.4 kbit/s速率獲得的語(yǔ)音質(zhì)量接近IP電話水平[8]且抗干擾能力強(qiáng).系統(tǒng)MELP語(yǔ)音編解碼部分以軟件形式在上位機(jī)中完成后通過串口與DSP進(jìn)行語(yǔ)音的輸入、輸出.

DSP程序主要包括3個(gè)模塊:串口交互模塊、信息發(fā)射模塊及接收解調(diào)模塊.串口交互模塊用于DSP與語(yǔ)音輸入輸出模塊的通信,接收來自上位機(jī)的控制信息和上傳當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài);信息發(fā)射模塊進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)的調(diào)制及發(fā)射,語(yǔ)音數(shù)據(jù)的調(diào)制主要包含信道編碼和交織編碼,信道編碼采用卷積碼,交織編碼采用等差交織方法;接收解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的解調(diào).各模塊流程如圖3所示.

系統(tǒng)上電初始化完成以后接收解調(diào)模塊開始工作,該模塊主要由EDMA、Mc BSP、TLV320AIC和SRAM構(gòu)成.Mc BSP配置成從模式讀取TLV320 AIC23的采集信號(hào),信號(hào)緩存至DRR0后觸發(fā)EDMA傳輸,當(dāng)乒乓緩存數(shù)組(包括buffer RcvPing和buffer RcvPong)之一寫滿后進(jìn)入EDMA中斷,EDMA啟動(dòng)未滿緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)DSP對(duì)已滿緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào).而DSP解調(diào)完成需上傳數(shù)據(jù)或當(dāng)單片機(jī)下發(fā)指令時(shí),DSP進(jìn)入中斷:前者DSP向單片機(jī)傳輸信息,完成后退出中斷;后者DSP啟動(dòng)對(duì)信息的調(diào)制處理,并利用EDMA乒乓緩存技術(shù)將調(diào)制好的信息通過McBSP的DXR管腳發(fā)送到TLV320 AIC23,TLV320 AIC23啟動(dòng)DA轉(zhuǎn)換將信號(hào)通過發(fā)射電路和換能器發(fā)送到信道中.

信號(hào)的發(fā)射由上位機(jī)指令觸發(fā),進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)后,DSP首先進(jìn)行同步信號(hào)的發(fā)送,同步發(fā)送完成后進(jìn)行信號(hào)調(diào)制,包括信道編碼、時(shí)頻二維差分DQPSK映射及OFDM調(diào)制,其中OFDM調(diào)制通過快速傅里葉逆變換(IFFT)完成.信號(hào)的發(fā)射同樣采用乒乓模式,調(diào)制后數(shù)據(jù)送入乒乓緩存數(shù)組,緩存區(qū)滿后啟動(dòng)EDMA傳輸,同時(shí)DSP繼續(xù)調(diào)制并將調(diào)制數(shù)據(jù)存入未滿的緩存區(qū),如此交替至一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成,隨后進(jìn)行新一幀信號(hào)的調(diào)制和發(fā)送至全部數(shù)據(jù)發(fā)射完成.

圖3 DSP程序框圖Fig.3 Structure of DSP program

4 海試實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖4 實(shí)驗(yàn)海域的時(shí)變信道沖激響應(yīng)Fig.4 Time varying channel response of the trial sea

為了驗(yàn)證本文時(shí)頻差分OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的性能,在廈門五緣灣海域進(jìn)行海試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)海區(qū)平均水深10 m,收發(fā)換能器之間距離820 m,換能器入水深度均為2 m.實(shí)驗(yàn)海域風(fēng)力等級(jí)為3～4,海面有明顯起伏.海試信道的時(shí)變沖激響應(yīng)如圖4所示,從圖中可看出實(shí)驗(yàn)信道有明顯的時(shí)變多徑現(xiàn)象,信道多徑時(shí)延擴(kuò)展約為10 ms,信道引入的多普勒約為2.0 Hz.圖5為系統(tǒng)采用的信號(hào)幀格式,同步信號(hào)為長(zhǎng)度24 ms的線性調(diào)頻信號(hào),同步信號(hào)后接40 ms的空莊信號(hào)作為保護(hù)間隔,隨后是OFDM調(diào)制的信息幀信號(hào),圖中空莊段表示保護(hù)間隔.

圖5 信號(hào)幀格式Fig.5 Signal frame format

實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:信號(hào)采樣頻率為96 k Hz,保護(hù)間隔長(zhǎng)度為10.67 ms,信道編碼采用(2,1, 7)的卷積編碼并進(jìn)行交織,交織深度為7;FFT點(diǎn)數(shù)為4 096,OFDM符號(hào)周期為42.9 ms,OFDM調(diào)制點(diǎn)數(shù)為2 048,子載波數(shù)為200,子載波間隔23.4 Hz,幀長(zhǎng)度為586.7 ms,循環(huán)前綴長(zhǎng)度為10.67 ms,調(diào)制方式為時(shí)頻二維差分DQPSK編碼,導(dǎo)頻數(shù)為100,換能器工作帶寬為13～18 k Hz,有效傳輸速率為3.75 kbit/s.

實(shí)驗(yàn)中在上位機(jī)進(jìn)行MELP壓縮編碼后輸入DSP,進(jìn)行信道編碼,OFDM調(diào)制后經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后送入發(fā)射電路;在接收端經(jīng)過前置放大,濾波處理后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入DSP進(jìn)行OFDM解調(diào)、信道解碼,并將解調(diào)后數(shù)據(jù)通過串口上傳上位機(jī)進(jìn)行MELP語(yǔ)音解碼.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

海試實(shí)驗(yàn)發(fā)射的源語(yǔ)音內(nèi)容為“語(yǔ)音編碼的實(shí)驗(yàn)”,語(yǔ)音波形及聲譜圖如圖6(a)和(b)所示,接收端恢復(fù)的語(yǔ)音時(shí)域波形及聲譜圖如圖6(c)和(d)所示.從恢復(fù)語(yǔ)音的時(shí)域波形及聲譜圖(圖6(c)和(d))可以看出通過該水聲語(yǔ)音系統(tǒng)傳輸?shù)恼Z(yǔ)音質(zhì)量良好,接收語(yǔ)音清晰.實(shí)驗(yàn)中測(cè)得通信誤碼率為1.5%.通過該次海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此水聲語(yǔ)音系統(tǒng)的性能,能夠在一定的時(shí)變多徑信道條件下正常工作,完成水聲語(yǔ)音通信任務(wù).

5 結(jié) 論

針對(duì)水聲信道復(fù)雜的時(shí)間頻率擴(kuò)展特性,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采用時(shí)頻差分OFDM、MELP語(yǔ)音編碼、卷積信道編碼的水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)以改善水聲通信系統(tǒng)性能的穩(wěn)健性,同時(shí)由于時(shí)頻差分OFDM解調(diào)無(wú)需采用信道估計(jì)及均衡處理,本文方案適于進(jìn)行系統(tǒng)的低復(fù)雜度硬件實(shí)現(xiàn).在廈門五緣灣海域進(jìn)行的海試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠,在水下作業(yè)等領(lǐng)域具有良好的潛在應(yīng)用前景.

圖6 海試實(shí)驗(yàn)發(fā)射、接收語(yǔ)音波形及聲譜圖Fig.6 The original speech and the received speech of the proposed communication system

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Design and Implementation of Time Frequency Differential OFDM Underwater Voice Communication System

ZENG Kun,ZHOU Yue-hai,TONG Feng*
(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

:Time-frequency differential orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)technology can make full use of time and frequency domain differential modulation to overcome the impact of time-varying underwater acoustic channel,with low implementation complexity as well as no need for channel estimation and equalization algorithm.This paper introduces the overall scheme design, hardware design,and software algorithm of the processing platform of underwater speech communication based on digital signal processing(DSP)TMS320C6713.Sea trial is conducted to test the performance,which shows that the quality of voice communication is satisfactory.The system has the potential to be used in the practical underwater applications to meet the requirements of underwater voice communication.

time-frequency differential modulation;orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);underwater speech communication;digital signal processing(DSP)

TN 929.3

A

0438-0479(2015)03-0404-05

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.020

2014-09-23 錄用日期:2014-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(11274259)

*通信作者:ftong@xmu.edu.cn

曾堃,周躍海,童峰.時(shí)頻差分OFDM水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,54(3): 404-408.

:Zeng Kun,Zhou Yuehai,Tong Feng.Design and implementation of time frequency differential OFDM underwater voice communication system[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):404-408.(in Chinese)