采用時間反轉的調頻水聲語音通信方法

吳燕藝,李劍汶,童　峰

(廈門大學 海洋與地球學院,水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建廈門361102)

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采用時間反轉的調頻水聲語音通信方法

吳燕藝,李劍汶,童峰*

(廈門大學 海洋與地球學院,水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建廈門361102)

摘要：調頻語音通信技術具有抗干擾性能好、易于實現的特點,但在水聲信道多徑條件下調頻體制傳輸的水聲語音質量受到嚴重影響．針對此問題在調頻語音通信體制下引入時間反轉處理,通過抑制多徑效應聚焦能量提高信號信噪比,改善調頻水聲語音通信性能,并采用客觀語音質量評估 (perceptual evaluation of speech quality,PESQ)方法對調頻水聲語音通信質量進行評估．海洋試驗證明,時間反轉處理可有效提高調頻水聲語音通信系統性能．

關鍵詞：水聲語音通信;調頻;時間反轉;多徑信道

水聲語音通信在海洋工程、軍事訓練、海洋開發、搜救、水下觀光、潛水作業等場合有著廣泛的應用．單邊帶水聲語音通信是最早的水聲語音通信手段,如美國海軍水聲實驗室研制的水下電話[1]．但在復雜時空變化特性、強多徑、強噪聲等惡劣水聲信道條件下,單邊帶調制性能受到了嚴重的限制．針對單邊帶技術的缺點,數字體制水聲語音通信技術得到廣泛研究．法國碼激勵線性預測實驗系統,采用四進制差分相移鍵控(4-differential phase shift keying,4-DPSK)調制和最小均方算法 (判決反饋均衡器)[2].陳冰等[3]采用正交頻分復用技術(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)設計出適用于水聲信道環境的實時語音通信系統.殷敬偉等[4]設計并實現一套時域差分OFDM水下語音通信系統,并與常規OFDM方法相比較,體現了差分OFDM具有的優點.曾堃等[5]基于時頻差分OFDM設計了水聲語音通信系統．但是,OFDM、正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)等數字調制技術雖具有高頻譜利用率、強抗干擾能力等優點,但OFDM對多普勒頻移和相位噪聲敏感，子載波的正交性容易被破壞，QPSK需要嚴格的載波同步，容易受碼間干擾影響，造成通信性能下降.同時,數字通信體制的語音通信都需配合聲碼器或語音識別器,增加了系統的復雜度,且在高誤碼情況下會導致語音完全損失．

調頻水聲語音通信技術具有良好的通信效果,如調制效率高、抗噪性能好等特點[6],特別是在較低信噪比條件下可充分利用人耳的噪聲抑制能力提高語音通信效果．黃紹[7]設計了一套調頻水聲語音通信系統．但在多徑條件下,調頻體制對于多徑效應的抵抗能力較弱,嚴重影響通信性能．在傳統模擬調頻調制解調過程中會產生噪聲干擾,一定程度影響水聲語音通信．本研究考慮多徑信道下的水聲語音通信需求,在傳統調頻語音通信體制內引入時間反轉技術以改善系統性能．

時間反轉技術可有效抑制多徑效應,通過聚焦多徑提升水聲語音通信系統性能．目前在數字體制通信系統中,為了對抗信道中的多徑效應,時間反轉技術在QPSK、OFDM等數字水聲通信體制中得到廣泛研究和應用[8-9],但在調頻體制中的應用尚不多見．

本研究在調頻水聲通信中引入時間反轉處理,對調頻解調后的語音信號進行時間反轉處理,即在語音頻帶內進行時間反轉處理,保留了模擬調頻解調體制實現簡單特點的同時,利用時間反轉處理改善語音質量．

水聲語音通信的性能評估,主要通過計算語音信噪比,從能量方面進行評估,計算方便,但未考慮語音聽感、可懂度等．語音質量包括兩個方面內容:清晰度和自然度．語音質量評估是一個極其復雜的問題,從評價的主體上講可分為兩大類:主觀評價和客觀評價．目前,國內外使用較多的主觀評價方法有:平均意見分(mean opinion score,MOS)、音韻字可懂度測量(diagnostic rhyme test,DRT)和滿意度測量(diagnostic acceptability measure,DAM)[10]．主觀評價主要靠人對語音質量的感覺,但是費時費力費錢,而且靈活度不夠,受人的主觀影響較大．

為了克服信噪比評估和語音主觀評價的缺點,本研究采用客觀評價方法進行質量評估．客觀語音質量評估(perceptual evaluation of speech quality,PESQ)方法[11]是國際電信同盟(International Telecommunications Union,ITU)于2001年采用感知語音質量測量(perceptual speech quality measure,PSQM)的感知模型和感知分析測試系統(perceptual analysis measurement system,PAMS)的延時校準方法形成的,PESQ算法采用改進型認知模型技術和聽覺模型技術,充分考慮端到端的網絡時延,因此對通信時延、環境噪聲等有較好的魯棒性[12],可以用于測評不同類型的網絡,已成為了ITU的語音評價標準．為了量化體現信號質量的改善程度,本研究采用PESQ客觀語音質量評估算法對時間反轉處理前后的海試解調語音進行質量評估．

1調頻水聲語音通信原理

頻率調制[13]可以用式(1)表達:

eθ(t)=A0cos[ω0t+φ(t)+φ0],

(1)

其中,A0為載波振幅,φ0是調角波的初始相角,φ(t)+φ0是調角波的順時相角．對于調頻波[13],則:

(2)

其中,g(τ)是調制信號,Kf是調制靈敏度(rad/(s·V))．將式(2)代入式(1),假設起始相位角為0,則調頻信號的表達式[13]為:

(3)

若g(t)=A1cos(Ωt),并將g(t)代入式(1)和式(3)即得:

A0cos[ω0t+mfsin(Ωt)],

(4)

其中mf為調頻指數，

(5)

由式(5)可得,對于單音調頻波調制指數mf反比于調制角頻率Ω．

在調頻調制過程中,調頻信號由于非線性調制造成了其頻譜結構中具有新的邊頻成分且在有效調制帶寬兩側成對稱分布．這一特性使得調頻信號具有較強的抗干擾能力,可以抵抗信道中的干擾[6]．在接收端,解調過程中限幅器的應用使得調頻體制對調頻信號在信道傳播過程中產生的畸變具有一定的抑制．本文采用非線性解調電路,由于非線性電路的特點[14]使得調頻信號的解調過程的頻率捕獲效應更加明顯,這一特點可以加強調頻體制系統的抗多徑性能．

2時間反轉技術

時間反轉處理[15]可簡單描述如下:

設水聲信道的沖激響應為h(t),發射的水聲語音信號包含語音信息s(t)和探針信號p(t),s(t)和p(t)經過信道后可得:

sr=s(t)?h(t)+ns(t),

pr(t)=p(t)?h(t)+np(t).

其中ns(t)、np(t)為信道中的噪聲干擾．提取接收到的探針信號pr(t)，經過時間反轉處理得到pr(-t)，pr(-t)將被存放在時間反轉存儲器中,該過程稱為預處理過程．將接收信號sr(t)與時間反轉后的探針信號pr(-t)作卷積可得預處理器輸出信號:

r(t)=s(t)?h(t)?p(-t)?h(-t)+n(t).

其中n(t)即為預處理器輸出的干擾噪聲．為了還原原始信號s(t),探針信號p(t)必須具有良好的自相關性,使得p(t)?p(-t)也近似于δ(t),最終可以得到時間反轉處理后的信號:

目前,時間反轉已經在數字通信體制如QPSK和OFDM中得到廣泛的研究和應用[16],但在調頻體制中的應用尚不多見,本研究在調頻體制中引入時間反轉技術對抗水聲信道中的多徑效應,提升系統性能．

3調頻水聲語音通信方案

調頻體制雖然已被運用在水聲語音通信之中,但由于其對于水聲信道中的多徑效應抵抗較差,同時在調頻調制解調過程中會產生邊頻分量，一定程度上增加了系統噪聲對語音解調質量的影響.這都是在水聲語音通信中需要解決的問題．本文中針對調頻體制的缺點,提出利用時間反轉技術應對上述問題以改善系統性能,方案流程圖如圖1所示,發射端部分主要包括語音信號輸入和信號調制兩部分,接收端部分主要包括解調電路和信號處理兩部分．

圖1　調頻水聲語音通信系統流程圖Fig.1The process of frequency modulation underwater acoustic voice communication system

在接收端,從換能器接收到的信號經過放大濾波等前置處理以后,再經過非線性解調,解調語音一路可供直接輸出,另外一路送入數字處理器完成時間反轉處理過程,即:首先通過同步定位將探針和信號取出來,并保存；接著將探針信號反轉,并與解調語音做卷積計算；最終得到經過多徑聚焦的語音輸出．

由于是基于調頻語音通信系統進行時間反轉處理,本系統無需采用聲碼器,系統復雜度較低,易于實現;同時系統保留一路模擬解調輸出,可在數字處理器工作異常情況下作為備份輸出,增加冗余性．

表1　調制參數設置

Tab.1　System parameters of frequency modulation system modulation

載波頻率/kHz換能器帶寬/kHz探針長度/ms語音長度/s間隔長度/ms調制帶寬/kHz調制靈敏度探針采樣率/kHz語音采樣率/kHz調制方式2520～30505.37033322～282×π×300084DDS調制

4海洋試驗結果及分析

4.1試驗環境

為了驗證本文調頻水聲語音通信系統的性能,在廈門市五緣灣海域進行了海洋試驗．海域為半封閉結構,平均水深約為10 m,發射、接收換能器放置深度均為3 m左右,接收、發射換能器之間距離1 km左右．圖2為試驗海域聲速梯度曲線．

圖2　聲速梯度Fig.2Sound speed gradient

4.2試驗系統設置

發射信號調制具體參數設置如表1所示．信號調制部分采用直接數字式頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)數字調制實現,由ARM7-LPC2138和AD9851完成．DDS在頻率轉換時間、相位連續性、頻率分辨率等各方面性能指標遠遠超過了傳統頻率合成技術水平,提供了優于模擬信號源的性能．

頻率調制信號由語音頻帶探針和語音信號組成．語音頻帶探針為線性掃頻(linear frequency modulation,LFM)信號,掃頻范圍500～1 500 Hz,采樣率8 kHz,長度50 ms．語音信號在探針信號之后,兩者保護間隔為333 ms,試驗語音內容為“廈門大學正在進行語音測試”,采樣率4 kHz,長度5.370 s．

試驗系統解調采用非線性解調電路[15],解調語音信號送入PC中進行時間反轉處理,由于時間反轉處理只需處理解調語音,可以采用較低的采樣率從而有效降低運算復雜度,方便進行嵌入式實現．本方案中時間反轉處理的數據傳輸速率為4 kbit/s．

為了進行性能評估比較,在同信道下進行OFDM水聲語音通信試驗[8]．OFDM語音通信系統采樣率為96 kHz,FFT點數為4 096,循環前綴長度為10.67 ms,子載波個數為200．采用2.4 kbit/s混合激勵線性預測(mixed-excitation linear predictive,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．

由于OFDM語音通信試驗的傳輸語音內容為“語音編碼的實驗”,與本方案傳輸的語音內容不同．為了評估系統語音通信性能,本研究采用PESQ對兩種方法的水聲語音通信質量進行量化評估．

4.3試驗結果

調頻水聲語音通信試驗結果如圖3所示,其中圖3(a)和(b)分別為原始語音波形圖和時頻圖,圖3(c)和(d)為調頻解調后語音波形圖和時頻圖,圖3(e)和(f)為經過時間反轉處理后的語音時域波形和時頻圖．由于淺海信道的多徑效應,從語音波形圖中看出,解調后的語音信號存在著明顯的噪聲干擾和時、頻擴展現象,極大地影響了解調語音的質量,降低了語音通信性能．圖4為利用探針信號得到的信道響應,可以看出信道存在明顯多徑分量．

圖3　語音波形與時頻圖Fig.3The waveform and spectrogram of speech

圖4　利用探針獲取的信道響應Fig.4Channel response obtained by probe

通過圖3(a)、(c)、(e)方框內的波形對比可知,經過時間反轉處理后,語音幅度得到了明顯增強;從圖3(b)、(d)、(f)中方框內的時頻特征比較結果可以明顯看出,傳輸過程中因多徑信道導致的語音頻譜擴散效應得到了明顯的抑制．

PESQ語音質量客觀評價方法的滿分為4.50,試驗中調頻解調語音得分為2.23,經過時間反轉處理后語音得分為2.78;由于試驗信道多徑較為明顯,同一信道下的OFDM語音通信糾錯后的誤碼率為11.87%,對應的OFDM體制接收語音的PESQ質量評估得分為2.35．

由此可發現,從PESQ得分反映,在海洋試驗信道多徑較為明顯的情況下,時間反轉處理前調頻方法傳輸語音質量稍差于OFDM水聲語音通信質量,但經過本研究的時間反轉處理后語音質量得到改善從而優于OFDM方法．

通過PESQ方法對語音進行質量評估可得出,時間反轉處理能有效提高多徑信道下的調頻水聲語音通信質量．同時,PESQ方法提供了從語音質量角度量化評價語音通信系統性能的評估手段．

5結論

本研究針對多徑條件下傳統水聲語音通信系統性能下降的問題,通過在調頻語音通信體制中引入了時間反轉聚焦多徑能量,提高系統對于多徑效應的適應性．海上語音通信試驗結果表明,所提出時間反轉調頻水聲語音通信方案的語音通信性能良好,在多徑條件下解調語音質量較高．

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512006

收稿日期：2015-12-05錄用日期：2016-01-22

基金項目：國家自然科學基金(11274259,11574258)；福建省中青年教師教育科研項目(JA14008)

*通信作者：ftong@xmu.edu.cn

中圖分類號:TN 912.3

文獻標志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)04-0570-05

Frequency Modulation Underwater Acoustic Voice Communication Technology with Time Reversal

WU Yanyi,LI Jianwen,TONG Feng*

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,College of Ocean & Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Abstract:As the underwater acoustic channel is a hostile channel with serious time varying, multipath effect, high-noise among others, research and design of the high performance underwater acoustic voice communication is highly challenging. Frequency modulation (FM) technology bears strong anti-jamming ability, which is convenient to be implemented. However, the communication performance of FM is seriously affected under the underwater channel with multipath, high-background noise among others. For the purpose of improving the underwater voice communication performance under multipath conditions, this paper introduces the time-reversal mirror technology to the design of underwater FM voice communication system, which can concentrate multipath and improve signal-to-noise ratio (SNR). Finally, this paper adopts the PESQ to evaluate the FM underwater speech quality. Via the sea trial experiment, time-reversal mirror technology can improve the communication performance of the proposed system.

Key words:underwater acoustic voice communication;frequency modulation (FM);time reversal;multipath channel

引文格式：吳燕藝,李劍汶,童峰.采用時間反轉的調頻水聲語音通信方法[J].廈門大學學報(自然科學版)，2016,55(4)：570-574.

Citation：WU Y Y,LI J W,TONG F．Frequency modulation underwater acoustic voice communication technology with time reversal[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：570-574．(in Chinese)