專利名稱：一種水下數(shù)字語音的通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(yù)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(fù) 用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，簡稱為 OFDM)多載波調(diào)制和 Turbo 編 碼相結(jié)合的水下數(shù)字語音通信方法。
背景技術(shù)：
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(yīng)用前景，但由于無線電波和光波在海水介質(zhì)中的衰減速度很快，必須利用聲波才能 實現(xiàn)遠距離的水下通信。早期的水下語音通信設(shè)備一般采用模擬單邊帶調(diào)制技術(shù)，如美國 海軍使用的AN/WQC-2A單邊帶語音通信機。這種模擬調(diào)制的通信方式受海洋水聲環(huán)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(zhì)量 通常難以保證，多數(shù)情況下模糊不清。而且，由于采用模擬調(diào)制方式，系統(tǒng)功率利用效率相 對較低。近十幾年來，隨著水聲數(shù)字通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種不同調(diào)制方式、不同通信速 率的水聲調(diào)制解調(diào)器不斷被研制出來，這就為水下數(shù)字語音通信的研究與開發(fā)提供了必備 條件和重要基礎(chǔ)。
水下數(shù)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(shù)字語音通信 方式；另一種是基于低速率編碼的數(shù)字語音通信方式。前者發(fā)送端首先通過語音識別方法 將輸入語音轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)發(fā)送給通信接收機，接收端對接收數(shù)據(jù)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(yīng)性強等優(yōu)點，但其 通信質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用中受到很大限制；后者發(fā)送 端首先對輸入語音進行低速率參數(shù)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(diào)制方法將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送給通信接收機，接 收端對接收信號進行相干解調(diào)，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(yōu)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(fù)雜的自適應(yīng)時域信道均衡和糾錯編碼算法才能實現(xiàn)較可靠的通信。
近年來，水聲OFDM系統(tǒng)由于能夠獲得高速率的數(shù)據(jù)通信而得到快速發(fā)展，并在湖 試和海試中取得了較好的試驗效果。水聲OFDM技術(shù)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(huán)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(fù)出來。若進一步與信道糾錯編碼，如Turbo碼相 結(jié)合，則可將系統(tǒng)的誤比特率降至很低。MELP是一種很好的數(shù)字語音參數(shù)壓縮編碼方法，它 基于傳統(tǒng)的線性預(yù)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(yīng)譜增強、殘差諧波處理和脈沖整形濾波等技術(shù)優(yōu)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(shù)字語音協(xié)會選為新 的聯(lián)邦政府2. 41ApS語音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。許祥濱(許祥濱.抗強多途徑干擾的水聲數(shù)字語 音通信研究.廈門廈門大學(xué)博士畢業(yè)論文，200 報道了抗強多途徑干擾的水聲數(shù)字語音 通信研究；郭中源等(郭中源，陳巖，賈寧等.水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)的研究和實現(xiàn).聲學(xué) 學(xué)報，2008,33(5) =409-418)報道了水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)；孫鵬等(孫鵬， 薛豪杰.水下語音通信的DSP實現(xiàn).聲學(xué)技術(shù)，2007，2006 (5) :895-898)報道了水下語音 通信的DSP實現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有水下語音通信技術(shù)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(diào)制及Turbo編碼相結(jié)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(shù)字語音的通信方法。
本發(fā)明包括以下步驟
1)在通信發(fā)射端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的A/D轉(zhuǎn)換器對輸入 模擬語音進行采樣，得數(shù)字語音；
2)在通信發(fā)射端，對步驟1)所得的數(shù)字語音進行MELP低速率壓縮編碼，得語音數(shù) 據(jù)，編碼后的語音數(shù)據(jù)速率為1. 2 2. 4kbps ；
3)在通信發(fā)射端，對步驟2、所得的語音數(shù)據(jù)比特流進行分組及Turbo編碼，得各 組數(shù)據(jù)，編碼后語音數(shù)據(jù)速率為2. 4 4. 8kbps ；
4)在通信發(fā)射端，對步驟幻所得的每一組數(shù)據(jù)進行OFDM多載波調(diào)制，并通過水聲 換能器將調(diào)制后信號轉(zhuǎn)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(diào)，得解調(diào)數(shù)據(jù)；
6)在通信接收端，對步驟幻所得的解調(diào)數(shù)據(jù)進行Turbo譯碼；
7)在通信接收端，對步驟6)所得的數(shù)據(jù)進行MELP譯碼，合成數(shù)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(zhuǎn)換器將步驟 7)所得的數(shù)字語音轉(zhuǎn)換成模擬語音，并通過揚聲器輸出。
本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點
1)語音編碼速率低，可實現(xiàn)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(fā)錯誤能力，系統(tǒng)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(zhǔn)確分辨不同的說話人。
5)實現(xiàn)方便簡單，既可基于個人電腦(Personal Computer，簡稱為PC)的實現(xiàn)方 式，又可基于數(shù)字信號處理器(Digital Signal I^rocessor，簡稱為DSP)的實現(xiàn)方式，或兩 者相結(jié)合方式。其中基于DSP的實現(xiàn)方式具有便攜、實時和節(jié)能等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明實施例的原理示意圖。
圖2為MELP編碼結(jié)構(gòu)圖。
圖3為Turbo編碼結(jié)構(gòu)圖。
圖4為OFDM多載波調(diào)制圖。
圖5為OFDM多載波解調(diào)圖。
圖6為Turbo譯碼結(jié)構(gòu)圖。
圖7為MELP解碼結(jié)構(gòu)圖
圖8為發(fā)送端A/D轉(zhuǎn)換器采集所得語音信號波形圖。在圖8中，橫坐標(biāo)為時間(s)， 縱坐標(biāo)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(biāo)為時間(s)， 縱坐標(biāo)為歸一化幅度。
圖10為發(fā)送端語音信號對應(yīng)時頻分布圖。在圖10中，橫坐標(biāo)為時間(S)，縱坐標(biāo) 為頻率(kHz)。
圖11為接收端合成語音信號對應(yīng)的時頻分布圖。在圖11中，橫坐標(biāo)為時間(S)， 縱坐標(biāo)為頻率(kHz)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細描述。
如圖1所示，模擬語音首先通過A/D轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)為16bits。MELP編碼器對語音信號進行參數(shù)壓縮編碼，包括參 數(shù)提取和參數(shù)量化兩個步驟，如圖2。2. 4kbps MELP標(biāo)準(zhǔn)編碼器按180個樣點5ms)為 一幀提取語音參數(shù)，這些參數(shù)包括基音周期、子帶清/濁音判斷、線性預(yù)測系數(shù)和非周期標(biāo) 志等，總共量化為M比特。鑒于語音信號的短時穩(wěn)定性，采用組合幀的方式可以在2. 4kbps MELP標(biāo)準(zhǔn)編碼算法基礎(chǔ)上構(gòu)建更低速率的數(shù)字語音編碼器。1.21ApS MELP編碼器選擇連 續(xù)3幀語音幀組成超幀，每個子幀為180個樣點，參數(shù)提取方法與2. 4kbps MELP標(biāo)準(zhǔn)編碼 器相同，3個子幀相同的參數(shù)采用聯(lián)合矢量量化，1. 2kbps MELP比特分配參見表1。
表 權(quán)利要求
1. 一種水下數(shù)字語音的通信方法，其特征在于包括以下步驟1)在通信發(fā)射端，用采樣頻率5 8kHz，精度12 16bits的A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬 語音進行采樣，得數(shù)字語音；2)在通信發(fā)射端，對步驟1)所得的數(shù)字語音進行MELP低速率壓縮編碼，得語音數(shù)據(jù)， 編碼后的語音數(shù)據(jù)速率為1. 2 2. 4kbps ；3)在通信發(fā)射端，對步驟幻所得的語音數(shù)據(jù)比特流進行分組及Turbo編碼，得各組數(shù) 據(jù)，編碼后語音數(shù)據(jù)速率為2. 4 4. 8kbps ；4)在通信發(fā)射端，對步驟幻所得的每一組數(shù)據(jù)進行OFDM多載波調(diào)制，并通過水聲換能 器將調(diào)制后信號轉(zhuǎn)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(diào)，得解調(diào)數(shù)據(jù)；6)在通信接收端，對步驟幻所得的解調(diào)數(shù)據(jù)進行Turbo譯碼；7)在通信接收端，對步驟6)所得的數(shù)據(jù)進行MELP譯碼，合成數(shù)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(zhuǎn)換器將步驟7)所 得的數(shù)字語音轉(zhuǎn)換成模擬語音，并通過揚聲器輸出。
全文摘要
一種水下數(shù)字語音的通信方法，涉及一種通信方法。在通信發(fā)射端，用A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬語音采樣得數(shù)字語音；在通信發(fā)射端，對數(shù)字語音進行MELP低速率壓縮編碼得語音數(shù)據(jù)；在通信發(fā)射端，對語音數(shù)據(jù)比特流進行分組及Turbo編碼得各組數(shù)據(jù)；在通信發(fā)射端，對每一組數(shù)據(jù)進行OFDM多載波調(diào)制，并通過水聲換能器將調(diào)制后信號轉(zhuǎn)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(diào)得解調(diào)數(shù)據(jù)；在通信接收端，對解調(diào)數(shù)據(jù)進行Turbo譯碼；在通信接收端，對數(shù)據(jù)進行MELP譯碼，合成數(shù)字語音；在通信接收端，用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字語音轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者劉勝興, 許肖梅 申請人:廈門大學(xué)