專利名稱：一種水下數字語音的通信方法
技術領域：
本發明涉及一種通信方法，尤其是涉及一種采用混合激勵線性預測(Mixed ExcitationLinear Prediction，簡稱為MELP)低速率語音編碼改進算法、水聲正交頻分復 用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，簡稱為 OFDM)多載波調制和 Turbo 編 碼相結合的水下數字語音通信方法。
背景技術：
水下語音通信在海洋科考、海洋資源勘探、蛙人通信及潛水娛樂等許多方面有著 重要應用前景，但由于無線電波和光波在海水介質中的衰減速度很快，必須利用聲波才能 實現遠距離的水下通信。早期的水下語音通信設備一般采用模擬單邊帶調制技術，如美國 海軍使用的AN/WQC-2A單邊帶語音通信機。這種模擬調制的通信方式受海洋水聲環境的影 響很大，難以克服淺海水聲信道的時變強多途干擾及多普勒頻移影響，使得語音通信質量 通常難以保證，多數情況下模糊不清。而且，由于采用模擬調制方式，系統功率利用效率相 對較低。近十幾年來，隨著水聲數字通信技術的快速發展，各種不同調制方式、不同通信速 率的水聲調制解調器不斷被研制出來，這就為水下數字語音通信的研究與開發提供了必備 條件和重要基礎。
水下數字語音的通信方法主要有兩種一種是基于文本編碼的水聲數字語音通信 方式；另一種是基于低速率編碼的數字語音通信方式。前者發送端首先通過語音識別方法 將輸入語音轉換成文本，然后對所得文本進行編碼，并利用具有高效水聲抗多途的跳頻擴 譜通信方法將語音數據發送給通信接收機，接收端對接收數據進行文本譯碼，最后合成并 輸出語音。該方式具有通信作用距離遠、通信速率要求不高及信道適應性強等優點，但其 通信質量很大程度上取決于語音識別軟件對不同話音的識別能力，同時合成語音為標準話 音，無法分辨講話人，該缺陷使得其在實際水下語音通信的應用中受到很大限制；后者發送 端首先對輸入語音進行低速率參數壓縮編碼，然后利用具有較高通信速率的多進制相移鍵 空(Multi-Phase SiiftKeying，簡稱為MPSK)調制方法將編碼數據發送給通信接收機，接 收端對接收信號進行相干解調，最后合成并輸出語音。該方式輸出的語音具有較高可懂度、 自然度和清晰度等優點，但由于水聲信道一般有相對較大的多徑時延，因此，其通信接收機 通常需要使用復雜的自適應時域信道均衡和糾錯編碼算法才能實現較可靠的通信。
近年來，水聲OFDM系統由于能夠獲得高速率的數據通信而得到快速發展，并在湖 試和海試中取得了較好的試驗效果。水聲OFDM技術將信道分成N個相互正交的子信道，并 通過延長每個OFDM的符號周期和加入循環前綴等方法來抑制水聲信道的多徑干擾，該特 點使得其在接收端使用簡單的快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，簡稱為FFT)和 頻域信道均衡就可將傳輸信息可靠地恢復出來。若進一步與信道糾錯編碼，如Turbo碼相 結合，則可將系統的誤比特率降至很低。MELP是一種很好的數字語音參數壓縮編碼方法，它 基于傳統的線性預測編碼(Linear Predictive Coding，簡稱為LPC)模型，綜合了多帶激 勵、非周期脈沖、自適應譜增強、殘差諧波處理和脈沖整形濾波等技術優勢，在接收端可以獲得高可懂度、高自然度和高清晰度的合成語音，因此，該算法被美國數字語音協會選為新 的聯邦政府2. 41ApS語音壓縮編碼標準。許祥濱(許祥濱.抗強多途徑干擾的水聲數字語 音通信研究.廈門廈門大學博士畢業論文，200 報道了抗強多途徑干擾的水聲數字語音 通信研究；郭中源等(郭中源，陳巖，賈寧等.水下數字語音通信系統的研究和實現.聲學 學報，2008,33(5) =409-418)報道了水下數字語音通信系統的研究和實現；孫鵬等(孫鵬， 薛豪杰.水下語音通信的DSP實現.聲學技術，2007，2006 (5) :895-898)報道了水下語音 通信的DSP實現。發明內容
本發明的目的在于克服現有水下語音通信技術存在的缺點，采用MELP低速率語 音編碼改進算法、水聲OFDM多載波調制及Turbo編碼相結合方式，提供一種具有高可懂度、 高自然度和高清晰度的水下數字語音的通信方法。
本發明包括以下步驟
1)在通信發射端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的A/D轉換器對輸入 模擬語音進行采樣，得數字語音；
2)在通信發射端，對步驟1)所得的數字語音進行MELP低速率壓縮編碼，得語音數 據，編碼后的語音數據速率為1. 2 2. 4kbps ；
3)在通信發射端，對步驟2、所得的語音數據比特流進行分組及Turbo編碼，得各 組數據，編碼后語音數據速率為2. 4 4. 8kbps ；
4)在通信發射端，對步驟幻所得的每一組數據進行OFDM多載波調制，并通過水聲 換能器將調制后信號轉換成聲波在海洋水聲信道中傳播；
5)在通信接收端，有同步后，對接收信號進行水聲OFDM多載波解調，得解調數據；
6)在通信接收端，對步驟幻所得的解調數據進行Turbo譯碼；
7)在通信接收端，對步驟6)所得的數據進行MELP譯碼，合成數字語音；
8)在通信接收端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的D/A轉換器將步驟 7)所得的數字語音轉換成模擬語音，并通過揚聲器輸出。
本發明具有以下突出優點
1)語音編碼速率低，可實現水下語音的實時雙向通信。
2)具有很強的抗水聲信道多徑干擾能力。
3)具有很強的抗海洋噪聲干擾和抗信道突發錯誤能力，系統誤比特率極低。
4)接收端合成的語音具有很高的可懂度和清晰度，能準確分辨不同的說話人。
5)實現方便簡單，既可基于個人電腦(Personal Computer，簡稱為PC)的實現方 式，又可基于數字信號處理器(Digital Signal I^rocessor，簡稱為DSP)的實現方式，或兩 者相結合方式。其中基于DSP的實現方式具有便攜、實時和節能等優點。
圖1為本發明實施例的原理示意圖。
圖2為MELP編碼結構圖。
圖3為Turbo編碼結構圖。
圖4為OFDM多載波調制圖。
圖5為OFDM多載波解調圖。
圖6為Turbo譯碼結構圖。
圖7為MELP解碼結構圖
圖8為發送端A/D轉換器采集所得語音信號波形圖。在圖8中，橫坐標為時間(s)， 縱坐標為歸一化幅度。
圖9為接收端MELP譯碼器合成所得語音信號波形。在圖9中，橫坐標為時間(s)， 縱坐標為歸一化幅度。
圖10為發送端語音信號對應時頻分布圖。在圖10中，橫坐標為時間(S)，縱坐標 為頻率(kHz)。
圖11為接收端合成語音信號對應的時頻分布圖。在圖11中，橫坐標為時間(S)， 縱坐標為頻率(kHz)。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作詳細描述。
如圖1所示，模擬語音首先通過A/D轉換進入DSP(或PC)。由于人的語音主要頻 率成分集中在4kHz以下，因此，采樣頻率設為8kHz就能保證語音基本無失真，為提高語音 信號的分辨率，采樣精度設為16bits。MELP編碼器對語音信號進行參數壓縮編碼，包括參 數提取和參數量化兩個步驟，如圖2。2. 4kbps MELP標準編碼器按180個樣點5ms)為 一幀提取語音參數，這些參數包括基音周期、子帶清/濁音判斷、線性預測系數和非周期標 志等，總共量化為M比特。鑒于語音信號的短時穩定性，采用組合幀的方式可以在2. 4kbps MELP標準編碼算法基礎上構建更低速率的數字語音編碼器。1.21ApS MELP編碼器選擇連 續3幀語音幀組成超幀，每個子幀為180個樣點，參數提取方法與2. 4kbps MELP標準編碼 器相同，3個子幀相同的參數采用聯合矢量量化，1. 2kbps MELP比特分配參見表1。
表 權利要求
1. 一種水下數字語音的通信方法，其特征在于包括以下步驟1)在通信發射端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的A/D轉換器對輸入模擬 語音進行采樣，得數字語音；2)在通信發射端，對步驟1)所得的數字語音進行MELP低速率壓縮編碼，得語音數據， 編碼后的語音數據速率為1. 2 2. 4kbps ；3)在通信發射端，對步驟幻所得的語音數據比特流進行分組及Turbo編碼，得各組數 據，編碼后語音數據速率為2. 4 4. 8kbps ；4)在通信發射端，對步驟幻所得的每一組數據進行OFDM多載波調制，并通過水聲換能 器將調制后信號轉換成聲波在海洋水聲信道中傳播；5)在通信接收端，有同步后，對接收信號進行水聲OFDM多載波解調，得解調數據；6)在通信接收端，對步驟幻所得的解調數據進行Turbo譯碼；7)在通信接收端，對步驟6)所得的數據進行MELP譯碼，合成數字語音；8)在通信接收端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的D/A轉換器將步驟7)所 得的數字語音轉換成模擬語音，并通過揚聲器輸出。
全文摘要
一種水下數字語音的通信方法，涉及一種通信方法。在通信發射端，用A/D轉換器對輸入模擬語音采樣得數字語音；在通信發射端，對數字語音進行MELP低速率壓縮編碼得語音數據；在通信發射端，對語音數據比特流進行分組及Turbo編碼得各組數據；在通信發射端，對每一組數據進行OFDM多載波調制，并通過水聲換能器將調制后信號轉換成聲波在海洋水聲信道中傳播；在通信接收端，有同步后，對接收信號進行水聲OFDM多載波解調得解調數據；在通信接收端，對解調數據進行Turbo譯碼；在通信接收端，對數據進行MELP譯碼，合成數字語音；在通信接收端，用D/A轉換器將數字語音轉換成模擬語音，并通過揚聲器輸出。
文檔編號H04L27/26GK102034480SQ201010592929
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者劉勝興, 許肖梅 申請人:廈門大學