采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法?

周躍海　江偉華　陳磊　童峰?

（1廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室廈門361005）（2廈門大學海洋與地球學院廈門361005）

研究報告

采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法?

周躍海1，2江偉華1，2陳磊1，2童峰1，2?

（1廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室廈門361005）（2廈門大學海洋與地球學院廈門361005）

針對水聲信道多徑、時變、多普勒等惡劣傳輸特點對水聲語音通信的嚴重影響，本文采用多通道時間反轉和時頻差分OFDM進行水聲語音通信技術方案設計，該方法首先通過多通道時間反轉進行時間域和空間域多徑聚焦，進而結合時頻差分OFDM調制解調抑制殘留多徑的影響。由于無需采用信道估計和均衡算法，系統實現方便、復雜度低，同時對信道具有一定程度的穩健性。該方法語音壓縮編碼采用混合激勵線性預測編碼。仿真實驗和海試實驗表明了本文方案的有效性。

水下語音通信，多通道時間反轉，時頻差分OFDM

1　引言

隨著海洋開發、資源勘探、水下作業、國防安全等領域對水下語音傳輸的需求日益增多，水聲語音通信技術研究受到各國的高度重視。由于水聲信道具有復雜的時-空-頻變特性，傳統的單邊帶或雙邊帶模擬調制技術進行語音通信［1］，難以克服淺海信道中的時變多徑和時變多普勒的影響，性能受到嚴重限制。

由于OFDM系統具有抗多徑性能較好、頻譜利用率高等特點，采用OFDM系統傳輸語音成為水下高速通信的研究熱點，如Sadeghi S.M.J.［2］等人設計的OFDM調水聲語音通信系統，實驗結果表明在信道較理想的情況下該系統可以獲得不錯的性能；黃李海［3］等人在OFDM系統上采用LDPC信道編碼和語音壓縮MELP算法進行水下語音通信；殷敬偉［4］等人采用差分OFDM結合MELP算法和信道編碼進行水下語音通信。

由于OFDM系統對頻率偏移和相位噪聲比較敏感，水聲信道引入的頻率偏移和相位噪聲會嚴重破壞OFDM子載波正交性。為了克服這一問題，科研工作者采取了一系列的措施：LeiWan［5］等人在快速變化的水聲信道中采用自適應調制和編碼方案，接收端進行OFDM信道估計和解碼以后通過計算信噪比來改變調制和編碼模式；Alain Y.Kibangou［6］等人在OFDM系統上設計了新的OFDM數據格式用來估計多普勒頻移因子和等效信道；馮成旭［7］等人則引入多級緩沖機制和判決反饋機制，提出了新型的判決反饋OFDM頻域均衡算法并進行水池實驗驗證。但是，在隨機時變水聲信道中，上述OFDM信道估計、載波恢復、均衡算法的性能將受到參數設置、算法收斂特性和信噪比等因素的嚴重影響。

時頻差分OFDM技術通過時域、頻域的雙重差分進行調制解調，從而無需進行信道估計、均衡處理即可克服信道一定程度時、頻變化造成的影響，系統復雜度低、適合進行硬件設計實現。但采用時間頻率雙重差分導致頻率、時間利用率下降，影響了傳輸速率；另外，對于時頻差分OFDM系統，考慮到水聲信道較為嚴重的多徑時延擴展，在OFDM符號中如采用長度大于多徑時延擴展的循環前綴將進一步降低有效傳輸速率。

時間反轉技術由于不需要對信道有先驗知識而自適應聚焦多徑，已在水聲通信中得到廣泛的研究和應用［8］，在采用多通道時間反轉實現信道多徑的時間、空間聚焦后，時頻差分OFDM系統只需抑制時反聚焦后殘余多徑的影響，可進一步提高信道適應性能；同時，多徑時反聚焦后，OFDM符號可采用較短的循環前綴以降低時頻差分調制對傳輸速率的影響。

本文采用多通道時間反轉聯合時頻差分OFDM技術進行水聲語音通信系統設計，并采用2.4 kbps MELP語音壓縮編碼進行語音信號的信源編碼［9］，采用卷積編碼進行信道編碼進一步提高了系統的穩定性。仿真實驗和海試實驗表明了該方案的有效性。

2　原理介紹

2.1時頻差分OFDM

時頻差分OFDM方案中，導頻間隔為2，導頻符號插入與前一個數據符號相反的信號，在一個OFDM符號中，數據符號個數和導頻個數都為M。設第i個OFDM符號上第m個子載波上的原始數據符號為經時域差分調制后的數據為進一步進行頻域差分，即第i個符號第m+1個子載波為導頻數據：則有

在相鄰符號間信道保持穩定、多徑對相鄰子載波引起相位偏移相同的情況下，時頻差分OFDM無須進行信道估計、均衡處理，因而系統實現方便，對信道適應性能較好。但在多徑擴展及時變均較嚴重的水聲信道條件下，上述前提往往無法滿足。

時頻差分OFDM系統采用差分正交相移鍵控（Differential quadrature phase shift keying，DQPSK）調制后第i個OFDM符號經N點IFFT實現后為

式（3）中xi，n表示第i幀輸出的第n個采樣值。相應的第i+1幀輸出的第n個采樣值為

發射信號在時變水聲信道中傳輸，受到L條散射衰落多徑的影響，接收信號為

式（5）中hi，n，l為第i幀第l條多徑信道的沖激響應，wi，n為第i幀的加性高斯白噪聲。

經過FFT變換后為［10］

式（6）中Wi，m為wi，m的頻率響應，Hi（，ml-k）為時變多徑信道hi，n，l的頻率響應，且

式（6）中的αi，m表示接收信號的乘性畸變，βi，m表示子載波間干擾（Inter-carrier interference，ICI）。

2.2采用多通道時間反轉處理的時頻差分OFDM

時反技術具有空時聚焦的特性，在時頻OFDM系統中首先采用多通道垂直陣時反處理進行多徑聚焦，可有效抑制多徑。對于M通道垂直陣時間反轉系統，假設第j個信道的沖激響應為hj（t），第j個信道接收到的信息信號

經過時反處理器后信號為

將各個通道時間反轉處理后的信號疊加構成多通道時間反轉，疊加后的信號為

式（10）中方括號內為垂直陣列各信道響應自相關函數之和，記為q函數［11］。在理想情況下，水聲信道的q函數可近似為沖激函數，從而實現多徑的時空壓縮。時反處理后式（5）中L條散射衰落多徑被大大壓縮為L′條（L′?L），因此時反處理后OFDM符號可采用較短的循環前綴長度，從而減輕時頻差分OFDM系統中時間、頻率利用率低造成的傳輸速率下降。

此時，式（6）中αi，m代表的乘性畸變以及βi，m項所代表的ICI均被有效抑制。時頻差分OFDM系統解調時只需對殘余多徑造成的乘性畸變及ICI進行抑制即可恢復數據。因此，結合多通道時反處理和時頻差分OFDM可提高系統對信道多徑的容忍程度。

3　系統方案

本文將時反技術與時頻差分OFDM結合起來，并采用2.4 kbps混合激勵線性預測（Mixedexcitation linear prdictive，MELP）低比特率數字語音編碼及卷積編碼分別進行信源及信道編碼，構建水聲語音通信系統，時反差分OFDM水聲語音通信系統框圖如圖1所示。

圖1中，在調制端，原始輸入語音通過MELP語音編碼器，輸出的二進制比特流傳輸速率為2.4 kbps。輸出的二進制流進行卷積編碼和交織編碼后，通過串并轉換轉換為若干個并行的低比特數據流，利用DQPSK進行時頻差分編碼，完成二進制比特信息到頻域信號的映射，最后進行IFFT運算實現頻域信號到時域信號的轉換。為了抵抗信道多徑造成的碼間干擾及子載波間的干擾，對調制后的各幀信號添加循環前綴，由于接收端先進行時反處理聚焦多徑，系統可采用較短的循環前綴長度。

在經過并串轉換后的串行數據流上添加線性調頻（Linear frequency modulation，LFM）信號作為同步信號，以便于接收端的同步頭檢測，同時LFM信號還可以作為時反處理的探針信號。在解調端，同步檢測到信號以后，用接收到的探針和本地探針與接收到的信號做時間反轉處理，解調時間反轉后的信號與調制的過程相反。

圖1　時反差分OFDM水聲語音通信系統框圖Fig.1 Block diagram of time-reversal and differential OFDM underwater speech communication

4　仿真與實驗

4.1仿真設計

為了驗證時頻差分OFDM水聲語音通信在時變多徑信道下的性能，利用BELLHOP模型模擬時變信道進行Matlab仿真實驗。仿真中假設海域為開放性海域，海底地形平坦反射系數為1，海面平靜反射系數為-1。水域深度10 m，水域中介質均勻，聲速恒定為1500 m/s。仿真中發射端采用單個換能器，位于水深4 m處；接收端采用小尺度的4陣元垂直接收陣，各陣元分別位于2 m、4 m、6 m、8 m深度處。

為模擬信道時變，仿真實驗中發射陣元位置保持不變，接收陣元由距發射陣元500 m處以10 m/s的速度遠離發射陣元勻速移動（如圖2（a）所示）。圖2（b）為仿真實驗的本征聲線。記發射節點到接收陣列的信道從海面到海底依次為通道1、通道2、通道3、通道4。

圖3為仿真實驗的信道響應，由于接收陣列以10 m/s的速度遠離發射端運動，因此各通道信道響應表現出了明顯的時變現象和多徑擴展結構。

圖2　仿真實驗設計示意圖和本征聲線Fig.2 The schematic diagram of simulation and the eigenray

4.2仿真實驗結果與分析

為了驗證時頻差分OFDM水聲語音通信在時變信道下的性能，系統調制解調采用表1參數設置。仿真實驗比較了單通道與多通道、時反與未做時反處理、時域差分頻域差分與時頻差分對系統性能的影響。

表1　仿真實驗參數設置Table 1 The parameters of simulation

圖3　仿真信道沖激響應Fig.3 The channel impulse response of simulation

圖4給出了三種不同差分方式在不同信噪比下的信噪比-誤碼率曲線，采用DQPSK調制解調方式，不同的信噪比信號由理想信號和高斯白噪聲信號疊加而成。對比圖中通道1頻域差分OFDM、時域差分OFDM和時頻差分OFDM對應的曲線，從圖中可以看出，時變信道條件下，時頻差分OFDM檢測表現了最優的性能，時域差分OFDM檢測次之，頻域差分OFDM檢測性能最差，可見時頻差分OFDM具有更強的抗多徑、抗噪聲能力。

圖4同時給出了單通道未時反的時頻差分OFDM與多通道時反的時頻差分OFDM信噪比誤碼率曲線，從圖中可以看出，在4 dB～8 dB多通道時反的時頻差分OFDM系統對應的誤碼率比單通道未時反的時頻差分OFDM對應的誤碼率低，實驗結果說明，由于受信道時變、多徑及噪聲的影響，時反前各通道接收信號解調原始誤碼嚴重，采用時反處理后接收信號的干擾得到有效抑制，接收信號的信噪比得到提高，誤碼率下降。仿真結果表明，采用多通道時反的時頻差分OFDM可以有效抑制干擾，降低誤碼率，提高OFDM系統的魯棒性。

圖4　仿真信道下的誤碼率曲線Fig.4 The SNR-to-BER curve of simulation

4.3海試實驗設置

為了驗證時反時頻差分OFDM水聲語音通信在時變信道下的性能，于2014年1月15日在廈門市五緣灣海域進行了實驗。圖5（a）給出了系統收發布放示意圖，圖5（a）中A為發射換能器，B1～B4為4陣元垂直接收陣，換能器之間距離1.5 m。發射換能器A布放深度為5 m，接收陣列中B1布放深度為1.5 m，收發換能器之間距離820 m。設接收陣列各陣元接收信號通道從上到下分別為通道1、通道2、通道3、通道4。海試實驗的參數如表1所示，與仿真實驗不同的是為了進一步降低誤碼率，海試實驗中采用卷積碼作為信道編碼，卷積碼的表達式為（2，1，7）。本文海上試驗系統的幀同步信號采用長度為25 ms、頻率范圍13～18 kHz的線性調頻信號。由于采用時頻差分調制和信道編碼，試驗系統的等效數據傳輸速率1.6 kbps，低于所采用的語音MELP編碼速率2.4 kbps，因此無法支持實時語音通信。但考慮到水聲信道自身具有的傳輸時延較長，以及實際語音通信應用的有效語音之間存在明顯的靜音段，本文系統可支持一般應用中準實時水下語音通信。

圖5（b）給出了實驗海區的聲速梯度曲線。實驗時天氣晴朗，風力較大，海面受陽光和風力的作用形成了表面混合層；在4 m～6 m深度，聲速呈現微弱負梯度；在深度大于6 m后呈微弱正梯度。

圖5　換能器布放示意圖和聲速曲線Fig.5 Deployment of the transducers and sound speed gradient

4.4海試實驗結果

圖6給出了通道1、通道3的連續時間信道沖激響應。從圖6中可以看出，信道沖激響應存在明顯多徑擴展和時變特性，不同通道的多徑結構明顯不同。利用單頻信號測得的信道引入的多普勒頻移約為-2.0 Hz。

圖6　實驗海域連續時間信道響應Fig.6 Continuous time channel response

對各通道接收信號按原始信噪比（10.28 dB）進行解調，結果如表2所示。從表2中可以看出，若對接收信號僅進行時域差分檢測，由于信道時變多徑及多普勒頻移的影響，解調誤碼率較高；而采用時頻差分OFDM解調各通道誤碼率明顯下降，信道特性較好的通道4誤碼率甚至降低了一個數量級。可見由于時域差分編碼在兩個相鄰的OFDM符號間進行，時域差分OFDM解調只能應對相鄰OFDM符號間的畸變，無法處理OFDM符號內的畸變，即子載波間的干擾。而時頻差分OFDM解調的方案由于增加了頻域差分參考，因此在處理時變信道造成的碼間干擾（Inter-symbol interference，ISI）及ICI方面更有優勢。

表2　解調誤碼率Table 2 The bit error ratio

結合時反處理的結果也證明了這一點。對接收各通道信號進行時間反轉處理，然后分別進行時域差分OFDM解調及時頻差分OFDM解調，前者解調誤碼率為36.26%，后者誤碼率為3.70%。對比時反處理前后差分解調的結果，可以看出結合時反處理后，時頻差分OFDM解調的性能比時域差分OFDM解調有更明顯的改善，這是因為時反處理使數據信號和導頻信號的多徑得到了聚焦，時頻差分調制解調只需抑制殘余多徑的影響。

海試中接收端不同解調處理方案得到的語音效果也反映性能比較結果。時域差分OFDM解調對應的系統誤碼率較高，語音無法解碼恢復；時頻差分OFDM解調時反處理前后語音恢復情況如圖7～9所示，圖7為理想語音，比較圖7和圖8，從圖中可以看出，通道3合成語音有明顯的語音缺失，同時引入了能量較高的干擾信號，語音輸出不清晰；比較圖7和圖9采用多通道時反后解調合成語音波形與原始語音解碼合成語音相差不大，語音輸出的清晰度與自然度亦無明顯損失。可見，多通道被動時間反轉技術與時頻差分OFDM通信結合，可以有效抵抗信道一定程度的時變、多徑對水聲語音通信性能的影響。

圖7　原始語音Fig.7 The original speech

圖8　通道3時頻差分OFDM解調后合成語音Fig.8 The synthetic speech of channel 3

圖9　時反結合時頻差分OFDM解調后合成語音Fig.9 The synthetic speech after time-reversal receiver

值得注意的是，OFDM屬于長碼，在快速變化的水聲信道中，符號間的時間相關性難以保證，影響通信系統的性能，本文的仿真實驗和海試實驗的誤碼率都說明了這一點，如本文海試實驗中，在-2 Hz的頻偏和10.28 dB信噪比下，經過多通道時間反轉處理后誤碼率為3.7%，如果采用多普勒補償，誤碼率將會下降，通信性能將會提升。

5　結論

本文采用多通道時間反轉與時頻差分OFDM相結合，利用時間反轉的自適應聚焦特性聚焦多徑，結合時頻差分OFDM調制解調進一步聚焦多徑和克服多普勒頻移。仿真實驗表明本文方案可提高水聲語音通信系統的信道魯棒性。海試結果表明，采用多通道時間反轉的時頻差分OFDM水聲語音通信系統接收語音音質清晰、波形恢復質量較好，語譜信息完整，接近原始語音。仿真和海上試驗表明，無需采用信道估計和均衡處理，本文技術方案具有對水聲信道一定程度時變多徑的容忍能力，可用于進行水聲語音通信系統的低復雜度實現。本文采用卷積碼作為信道編碼，其性能不如LDPC和turbo碼，在后續工作中將采用LDPC和turbo碼作為信道編碼提升通信系統的性能；同時，本文接收陣列采用4個通道略顯不夠，未能完全發揮空間增益，在后續的工作中將采用更多的陣元進行驗證。

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Underwater acoustic speech communication using time reversal and time-frequency differential OFDM methods

ZHOU Yuehai1，2JIANG Weihua1，2CHEN Lei1，2TONG Feng1，2
（1 Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technique of the Ministry of Education，Xiamen University，Xiamen 361005，China）（2 College of Ocean&Earth Sciences，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

The difficulties of underwater acoustic channel，i.e.，multipath，time varying and Doppler shifting pose significant challenges to underwater acoustic speech communication.In this paper，multi-channel time reversal is incorporated with time-frequency differential orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）technology to design an underwater acoustic speech communication system，which enables time-frequency domain focusing of multipath by multi-channel time reversal，as well as suppressing of the residual multipath with time-frequency differential OFDM.Thus the employment of complicated channel estimation and equalization are avoided to facilitate the low complexity system implementation.In addition，the mixed-excitation linear predictive（MELP）is employed for speech encoding.The simulation and sea trial demonstrate the effectiveness of the method at presence of time varying multipath underwater acoustic channel.

Underwater acoustic speech communication，Multi-path time reversal，Time-frequency differential OFDM

TN929.3

A

1000-310X（2015）04-0283-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.001

2014-10-10收稿；2014-12-30定稿

?國家自然科學基金資助項目（11274259）

周躍海（1987-），男，福建連城人，博士研究生，研究方向：水聲信號處理。?

E-mail：ftong@xmu.edu.cn