一種數字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法
【專利摘要】本發明公開了一種數字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法。主要解決水下作業人員之間的信息通信問題。該裝置分別利用不同的硬件平臺實現了語音壓縮編碼和水聲通信，聯合使用了OFDM調制技術和MBE語音壓縮技術，通過信道估計模塊對信道的實時估計可以對信道自適應地改變該裝置的通信參數和壓縮碼率，并提供用戶語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信。該裝置可廣泛應用于各種水下作業，如水下考古、水下潛器之間通信、潛水員之間通信，以及水下作業人員與岸基之間的通信等領域，可實現良好的水下通信，具有較強的實用性。
【專利說明】一種數字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水下通信領域，特別涉及一種結合了正交頻分復用(OFDM)技術和多邊帶激勵(MBE)低碼率語音壓縮技術的數字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著水聲通信技術的發展，結合了語音壓縮技術的數字式水聲語音通信被廣泛的應用于軍事和民用領域，如海洋勘探、水下考古、蛙人間通信、潛艇或艦船與岸基控制臺之間的通信等。水聲語音通信技術也經歷了模擬到數字的發展過程，在初期的模擬調制階段為了降低帶寬，水聲通信常使用單邊帶調制等技術。隨著數字信號處理技術的迅速發展和大規模集成電路技術的廣泛應用，數字信號處理器(DSP)以其高效計算能力和靈活的編程方式越來越受到開發者的青睞，語音通信也逐步的進入了以數字信號處理器為核心的高速數字通信時代，較之于模擬系統，數字式語音通信系統則體現出了便于加密、易于集成、小型化、信道匹配性強等數字化處理和機械尺寸上的優越性能。
[0003]在水下語音通信裝置的設計中存在的不足和難點有:(I)在帶寬資源有限的水聲信道中要進行實時、連續、大數據量的語音壓縮和水聲數據通信，增加了語音壓縮編碼和水聲通信算法的實現難度；(2)通信算法和語音編碼算法實現為同一硬件平臺，水聲通信技術通常使用DSP作為實現平臺，而在DSP上同時實現通信算法和語音編碼算法會消耗大量的資源，必要時還要犧牲算法的性能來實現整體的語音通信功能；(3)水聲信道具有時-空-頻變等復雜特性，設計時要綜合考慮通信算法對復雜信道的適應能力，沒有自適應功能的水聲語音通信設備應用環境較局限，實用性較低。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種水下通信更穩定，能提供多樣信息通信形式，通信算法性能更好的數字式水下語言通信裝置。本發明的目的還在于提供一種水下語音通信方法。
[0005]本發明涉及的數字式水下語音通信裝置包含了語音采集模塊、語音編碼模塊、發射端語音控制模塊、OFDM調制模塊、水聲信號發射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊和信道估計模塊；語音采集模塊從麥克風處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經編碼后的語音信號傳輸至發射端語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調制模塊，再經過水聲信號發射模塊發射包含語音信息的水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調模塊，再傳輸至接收端語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚聲器實現語音播放；信道估計模塊，實時輸出對信道的估計結果至OFDM調制模塊、OFDM解調模塊、發射端與接收端的語音控制模塊，使該裝置對信道具有自適應調節能力，可根據對信道的估計結果實時地改變通信參數和壓縮碼率。[0006]本發明涉及的數字式水下語音通信裝置，同時集成了 OFDM調制技術和MBE語音編碼技術。將語音信號的編碼與水聲通信的算法利用不同的硬件平臺實現。語音信號的編碼使用專用的語音壓縮芯片AMBE3000，配合以單片機進行控制；水聲通信中的通信算法使用DSP實現，配合以Xilinx FPGA進行控制。
[0007]本發明涉及的數字式水下語音通信裝置可以進行語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信，通過語音\文本切換模塊可以實現兩種工作模式的切換。語音\文本切換模塊連接于發射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實現文本通信界面與語音控制模塊之間的連接。
[0008]一種利用本發明的數字式水下語音通信裝置的語音通信方法，包括如下步驟:
[0009]( I)在語音發射端，使用CODEC對來自麥克的語音信號進行采樣，量化為數字語音信號;
[0010](2)在語音發射端，用語音編碼模塊對步驟(I)得到的數字語音信號進行壓縮編碼；
[0011](3)在語音發射端，用發射端語音控制模塊將步驟(2)中得到的語音數據進行加密；
[0012](4)在語音發射端，使用DSP、根據信道估計情況對步驟(3)得到的信號進行OFDM調制，并將OFDM信號進行放大和濾波，使用功放和發射換能器將聲信號發射到水聲信道中傳播；
[0013](5)在語音接收端，根據信道估計的結果，在水聲信號接收模塊中對接收來的OFDM信號進行濾波、放大，再使用AD進行采樣、量化；
[0014](6)在語音接收端，對步驟(5)得到的信號進行分析，得到信道估計的結果參數；
[0015](7)在語音接收端，根據步驟(6)得到的參數對接收信號進行OFDM解調；
[0016](8)在語音接收端，對步驟(7)得到的數據進行解密；
[0017](9)在語音接收端，使用語音解碼模塊對步驟(8)中得到的數據進行解壓縮；
[0018](10)在語音接收端，使用CODEC將步驟(9)得到的數據進行DA轉換，并通過揚聲器播放輸出語音。
[0019]一種利用本發明的數字式水下語音通信裝置的文本通信方法，包括如下步驟:
[0020]I)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，信道估計模塊針對文本通信對信道進行估計，根據估計結果將調制參數重置；
[0021]2)在文本發射端，將所要發送的文本信息通過串口發送到發射端語音控制模塊，發射端語音控制模塊接收到后再發送給OFDM調制模塊；
[0022]3)在文本發射端，OFDM調制模塊根據信道估計的結果將接收到的文本數據進行加密和調制；
[0023]4)在文本發射端，水聲信號發送模塊將信號放大后通過功放和換能器發送到水聲信道中；
[0024]5)在文本接收端，水聲信號接收模塊對接收來的水聲信號進行放大濾波和AD轉換；
[0025]6)在文本接收端，信道估計模塊對接收的信號進行分析，得到此時對信道估計的結果參數；[0026]7)在文本接收端，OFDM解調模塊根據估計的信道參數將信號解密和解調，并將數據發送給接收端語音控制模塊；
[0027]8)在文本接收端，接收端語音控制模塊使用串口將收到的數據在通信界面中顯
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[0028]本發明具有以下突出的優點:
[0029](I)語音通信裝置對信道有自適應能力，通過對信道估計的結果調節通信參數和語音壓縮碼率；
[0030](2)采用MBE語音壓縮算法，接收端解碼后的語音語義清晰，音色自然；
[0031](3)語音通信設備具有語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信；
[0032](4)可以使用計算機對本裝置進行監測和控制，便于系統集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1本發明實施例的結構框圖；
[0034]圖2輸入的語音信號圖；
[0035]圖3AMBE3000語音壓縮數據幀格式表；
[0036]圖4單片機與FPGA數據包通信格式表；
[0037]圖50FDM信號接收端濾波器參數配置表；
[0038]圖6經過AMBE3000解壓縮后恢復的語音信號圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明的實施方式做進一步描述:
[0040]如圖1所示，本發明實施例的水下語音通信裝置可以分為如下幾個模塊:語音采集模塊、語音編碼模塊、發射端語音控制模塊、OFDM調制模塊、水聲信號發射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊、信道估計模塊；實現水下語音通信功能的模塊流程為:語音采集模塊從麥克風處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經編碼后的語音信號傳輸至語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調制模塊，再經過水聲信號發射模塊發射水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調模塊，再傳輸至語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚聲器實現語音播放；信道估計模塊，可實時輸出對信道的估計結果，至OFDM調制模塊、OFDM解調模塊、發射端與接收端的語音控制模塊，用于改變通信參數與壓縮碼率；
[0041]本發明涉及的數字式水下語音通信裝置，同時集成了 OFDM調制技術和MBE語音編碼技術。將語音信號的編碼與水聲通信的算法利用不同的硬件平臺實現。語音信號的編碼使用專用的語音壓縮芯片AMBE3000，配合以單片機進行控制；水聲通信處理平臺中通信算法使用DSP實現，配合以Xilinx FPGA進行控制。
[0042]本發明涉及的數字式水下語音通信裝置可以進行語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信，通過語音\文本切換模塊可以實現兩種工作模式的切換。語音\文本切換模塊，連接于發射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實現文本通信界面與語音控制模塊之間的連接。[0043]語音通信系統支持語音和文本兩種通信模式，首先介紹語音通信的實施方式。
[0044](I)語音通信裝置具有對信道自適應的功能，由信道估計模塊完成。信道估計模塊中，DSP對信道進行估計并重置合適的調制參數和編碼參數，同時將編碼參數發送給發射端語音控制模塊，以此來控制碼率；
[0045](2)人類的語音信號頻率在4KHz以下，故此語音采集模塊中對輸入的模擬語音信號進行04KHz到4KHz的低通濾波和2?3倍放大，輸入的語音信號是內容為數字I?20的女聲信號，如圖2所示，CODEC對濾波放大后的信號進行采樣頻率為SKHz的采樣并以16bit的精度量化為數字語音信號；
[0046](3)語音編碼模塊中AMBE3000根據信道估計的結果對AD采樣量化后的數字信號進行MBE壓縮編碼，編碼后的語音速率范圍是2.0?4.0kbps，該語音壓縮碼率較適用于水聲信道的信息傳輸；
[0047](4)語音信號處理板上使用單片機對AMBE3000的碼率和數據進行控制，作為發射端語音控制模塊。單片機通過AMBE3000的PPT接口按照AMBE3000數據幀格式將壓縮后數據接收并存儲，AMBE3000數據幀格式如圖3所示。接收一幀數據完成后，單片機要按照與FPGA之間的數據包格式逐包發送給水聲通信處理平臺，單片機與FPGA之間的數據通信格式如圖4所示；
[0048](5)以DSP為實現平臺的OFDM調制模塊根據信道估計模塊得到的調制參數對語音數據包進行加密處理和OFDM調制；
[0049](6) OFDM發送模塊將調制后的OFDM信號通過DA輸出，并進行通帶頻率為7?14KHz的帶通濾波和2倍放大，推動功放和發射換能器將OFDM信號發送至水聲信道中；
[0050](7) OFDM接收模塊中的接收換能器將對方語音裝置發至水聲信道的OFDM信號檢測、同步并接收，并進行濾波放大、轉換為差分信號并加入偏置電壓。OFDM接收模塊中的放大濾波使用0PA348實現，參數配置如圖5所示，經過處理后的模擬信號再由AD以頻率48KHz進行采樣，量化為ISbit精度的并行數字信號給下一模塊；
[0051](8)信道估計模塊對接收到的信號進行分析，得到此時對信道估計的參數；
[0052](9)0FDM解調模塊根據分析結果對AD采集后的信號進行解密和解調，并將解調后的數據通過串口發送給接收端語音控制模塊；
[0053](10)接收端語音控制模塊通過串口解調后的語音數據按照圖3所示的格式進行接收,接收完一包后按照圖3所示的數據幀格式發送給AMBE3000 ；
[0054](11)語音解碼模塊通過PPT 口將數據接收，同時對語音數據進行解碼；
[0055](12)語音播放模塊中的CODEC對解碼后的數據進行DA轉換，然后將模擬的語音信號通過音頻播放設備輸出，語音播放模塊中恢復出的語音信號如圖6所示。
[0056]語音通信裝置除了語音通信外還可以進行更低碼率的文本通信，實施方式如下:
[0057]I)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，此時信道估計模塊會針對文本通信對信道進行估計，同樣將所需的調制參數重置；
[0058]2)使用串口調試助手等上位機軟件將所要發送的數據通過擴展串口發送到發射端單片機語音控制模塊，單片機收到數據后將進行發送；
[0059]3) OFDM調制模塊根據信道估計的結果將接收到的文本數據進行加密和調制；
[0060]4)同樣OFDM發送模塊將信號發送到水聲信道中；[0061 ] 5) OFDM接收模塊對信號進行放大濾波和AD轉化；
[0062]6)信道估計模塊對接收到的信號進行文本通信模式下的分析，得到此時對信道估計的參數；
[0063]7) OFDM解調模塊根據分析結果將信號解密、解調，并將數據發送給單片機；
[0064]8)單片機使用擴展的串口將收到的數據以文本形式顯示。
[0065]上述的語音通信裝置經過了大量的水池試驗和湖上試驗，湖上試驗中，語音通信距離大于4km，誤碼率小于5%，在語音接收端接收到的語音音質清晰，音色自然，辨識度較高，可以分辨出不同的說話人。
【權利要求】
1.一種數字式水下語音通信裝置，其特征在于:包含語音采集模塊、語音編碼模塊、發射端語音控制模塊、OFDM調制模塊、水聲信號發射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊和信道估計模塊；語音采集模塊從麥克風處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經編碼后的語音信號傳輸至發射端語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調制模塊，再經過水聲信號發射模塊發射包含語音信息的水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調模塊，再傳輸至接收端語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚聲器實現語音播放；信道估計模塊，實時輸出對信道的估計結果至OFDM調制模塊、OFDM解調模塊、發射端與接收端的語音控制模塊，用于改變通信參數與壓縮碼率。
2.如權利要求1所述的數字式水下語音通信裝置，其特征在于:還包含語音\文本切換模塊，語音\文本切換模塊連接于發射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實現文本通信用戶界面與語音控制模塊之間的連接。
3.一種利用如權利要求1所述的數字式水下語音通信裝置的水下語音通信方法，其特征在于包含如下步驟: (O在語音發射端，使 用CODEC對來自麥克的語音信號進行采樣，量化為數字語音信號; (2)在語音發射端，用語音編碼模塊對步驟(I)得到的數字語音信號進行壓縮編碼； (3)在語音發射端，用語音控制模塊將步驟(2)中得到的語音數據進行加密； (4)在語音發射端，使用DSP、根據信道估計情況對步驟(3)得到的信號進行OFDM調制，并將OFDM信號進行放大和濾波，使用功放和發射換能器將聲信號發射到水聲信道中傳播； (5)在語音接收端，根據信道估計的結果，在水聲信號接收模塊中對接收來的OFDM信號進行濾波、放大，再使用AD進行采樣、量化； (6)在語音接收端，對步驟(5)得到的信號進行分析，得到信道估計的結果參數； (7)在語音接收端，根據步驟(6)得到的參數對接收信號進行OFDM解調； (8)在語音接收端，對步驟(7)得到的數據進行解密； (9)在語音接收端，使用語音解碼模塊對步驟(8)中得到的數據進行解壓縮； (10)在語音接收端，使用CODEC將步驟(9)得到的數據進行DA轉換，并通過揚聲器播放輸出。
4.根據權利要求3所述的水下語音通信方法，其特征在于包含如下步驟: 1)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，信道估計模塊針對文本通信對信道進行估計，根據估計結果將調制參數重置； 2)在文本發射端，將所要發送的文本信息通過串口發送到語音控制模塊，語音控制模塊接收到后再發送給OFDM調制模塊； 3)在文本發射端，OFDM調制模塊根據信道估計的結果將接收到的文本數據進行加密和調制； 4)在文本發射端，水聲信號發送模塊將信號放大后通過功放和換能器發送到水聲信道中； 5)在文本接收端，水聲信號接收模塊對接收來的水聲信號進行放大濾波和AD轉換；6)在文本接收端，信道估計模塊對接收的信號進行分析，得到此時對信道估計的結果參數； 7)在文本接收端，OFDM解調模塊根據估計的信道參數將信號解密和解調，并將數據發送給語音控制模塊； 8)在文本接收端，語 音控制模塊使用串口將收到的數據在通信界面中顯示。
【文檔編號】H04L25/02GK103457903SQ201310442083
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】孫宗鑫, 喬鋼, 馬巍, 馬璐, 楊健敏, 周鋒, 馬雪飛, 劉淞佐 申請人:哈爾濱工程大學