一种全双工水声数字语音通信系统及其方法与流程

[0001]
本发明涉及水声通信领域，尤其是涉及基于声码器和数字信号处理器(digital signal processor，简称为dsp)的一种全双工水声数字语音通信系统及其方法。


背景技术：

[0002]
水下语音通信无论在民用，还是军事上都有重要的应用价值。早期水下语音通信主要采用有缆方式，虽然这种通信方式简单高效，且输出的语音有很高的可懂度、自然度和清晰度，但水下作业人员的活动范围受到电缆长度的限制。电缆太长，或在某些复杂海洋环境下有可能形成绞缆或断缆，导致语音通信无法正常进行。
[0003]
近年来，随着海洋研究和开发的不断深入，水下无线语音通信越来越得到人们的重视。由于电磁波和光波在水中的衰减速度很快，因此只能利用声波进行较远距离的水下语音通信。水声语音通信主要有单边带模拟调制和数字调制两种方式，前者如美国海军现役的an/wq-2a单边带语音通信机；英国研制的用于潜艇和水面舰艇之间通信的g732mkii型单边带通信机；后者如郭中源等研制的一种基于混合码激励线性预测语音编码和相干调制的水声数字语音通信系统(郭中源，陈岩，贾宁，郭杰，陈赓，莫福源，马力.水下数字语音通信系统的研究和实现，声学学报，2008，33(5)：409-418)；孙宗鑫等研制的基于语音压缩编解码和正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，简称为ofdm)多载波调制技术的水声数字语音通信系统(孙宗鑫，乔钢，马巍，马璐，杨健敏，周锋，冯雪飞，刘淞佐.一种数字式水下语音通信装置及水下语音通信方法，专利cn201310442083.5)。由于海洋环境的复杂多变特性，存在严重多途和噪声干扰，单边带模拟调制水下语音通信系统输出的语音质量难以保证，多数情况下模糊不清。而且，由于采用模拟调制方式，系统存在尺寸大、功率利用效率低和不同用户间容易串扰等缺点。水声数字语音通信可克服模拟语音通信的不足，但其实现涉及的软硬件相对较复杂。文献3(刘胜兴，许肖梅，肖沈阳.一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法，专利cn201410220208.4)提出了一种信道自适应的水下数字语音通信系统及其方法。该方法根据水声信道条件和海洋噪声状况自适应选择ofdm调制或fh-mfsk调制方式，既能保证较高信噪比下的语音质量，又能实现远距、低信噪比下的水下语音通信要求。
[0004]
虽然水声数字语音通信研究取得了较大进展，但现有的系统大多为半双工工作方式，即某一时刻只能工作发射或接收状态。为克服现有水声数字语音通信系统的不足，本发明将水声换能器的带宽分成3个不同的子带，其中1个子带用于发送语音数据，1个子带用于接收语音数据，1个子带用于估计噪声功率，对自适应信道估计和均衡进行深入研究，成功研制了一种全双工水声数字语音通信系统。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有水声数字语音通信系统的缺点和不足，提供适用于时变水声信道的一种全双工水声数字语音通信系统及其方法。
[0006]
所述全双工水声数字语音通信系统由通信甲、乙两方组成，分别记作u1和u2；u1和u2的地位完全相同，均可独立自主地发送和接收语音信号，实现全双工语音通信功能；水声换能器采用圆管型宽带换能器，其带宽分成b1、b2和b3等3个不同的子带，其中子带b1和b3有相同的带宽w1，b2的带宽为w2；对通信方u1，b1为上行子带，用于发送语音数据，b2为下行子带，用于接收语音数据；而对u2则相反，b2为上行子带，用于发送语音数据，b1为下行子带，用于接收语音数据；子带b3用于估计噪声功率；
[0007]
u1和u2的硬件部分由语音输入输出设备、低速率声码器及其外围电路、dsp及其外围电路、功率放大器及其匹配电路、前置放大器、带通滤波器、电源管理模块、水声换能器和水听器等部件组成；语音输入输出设备用于拾取和播放语音，声码器实现对语音的参数压缩编码和解码；dsp除主程序外，还包括两个子任务，其中子任务1实现发射水声信号处理，包括信道编码和ofdm调制等，子任务2实现接收水声信号处理，包括同步、多普勒频移估计和补偿、自适应信道估计和均衡、信道译码等功能；每一帧信号包括1个同步头、n个ofdm符号，其中第1个ofdm符号传输的全为导频符号，第2至第n个ofdm符号传输的全为语音数据符号。
[0008]
所述全双工水声数字语音通信方法，包括如下步骤：
[0009]
1)u1麦克风拾取到的语音信号输入低速率声码器，声码器对语音信号进行参数压缩编码，按帧提取语音编码数据；
[0010]
2)u1声码器将步骤1)所得语音编码数据通过rs232串行口传输至dsp；
[0011]
3)u1dsp的子任务1对步骤2)所得的语音数据进行组帧、信道编码、符号映射、插入导频符号和ifft变换等生基带信号，在每一帧信号的前后都插入一段长度和起止频率完全相同的调频信号；每一帧信号中包括n个ofdm符号，第1个ofdm符号中全为导频符号，其余n-1个ofdm符号全为语音数据符号；
[0012]
4)u
1 dsp的子任务1将步骤3)所得基带信号移频至子带b1的频率范围；
[0013]
5)u1dsp的子任务1将步骤4)所得信号通过d/a转换器输出至功率放大器，功率放大后的电信号激励水声换能器发射声波在水声信道中传播；
[0014]
6)u2水听器将接收到的声信号转化为电信号，电信号经放大和带通滤波后，通过a/d转换器进入dsp；带通滤波器的频率范围设置为(f
1-w1/2)～(f1+w1/2+w2)，其中，f1为子带b1的中心频率；
[0015]
7)u2dsp的子任务2对步骤6)所得信号进行同步信号检测；有同步后，通过检测两调频信号时间差的变化估计多普勒频移，然后采用线性插值方法对接收信号进行多普勒频移补偿；
[0016]
8)u2dsp的子任务2对步骤7)所得信号进行fft反变换，并根据第1个ofdm符号的fft变换值y1(k)和导频符号s(k)估计水声信道转移函数为：
[0017][0018]
其中，k1为子带b1的子信道数；n
f
＝nf1/f
s
；f
s
为采样频率，n为fft变换长度；根据公式(1)估计第2个ofdm符号各子信道的接收符号为：
[0019][0020]
第2个ofdm符号的噪声功率估计为：
[0021][0022]
其中，y2(k)为第2个ofdm符号的fft变换；n2＝nf2/f
s
，f2为子带b2的中心频率；k2为子带b2的子信道数；对进行符号解映射，生成的软信息和噪声功率w一起输入信道译码器；信道译码器输出码字经符号映射后生成s
′
(k)，s
′
(k)反馈至水声信道估计器，估计新的水声信道转移函数为：
[0023][0024]
根据公式(4)对第3个ofdm符号各子信道的符号进行均衡和解调；按照同样的方法，直到解调出所有n-1个ofdm符号传输的语音数据；信道译码器输出信息经硬判决后通过rs232串行口发送给声码器；
[0025]
9)声码器对步骤8)所得语音编码数据进行解码，生成后的语音信号通过扬声器(或耳机)播放；
[0026]
10)u2麦克风拾取到的语音信号通信过程与u1完全相同，不同的是u2用于发射语音数据的子带为b3，因此，u1对应的带通滤波器频率范围为(f
3-w1/2-w2)～(f3+w1/2)，其中，n
f
＝nf3/f
s
，f3为子带b3的中心频率；
[0027]
11)语音信号从u1传输到u2和从u2传输到u1的通信过程完全独立，实现全双工通信功能。
[0028]
本发明是结合低速率语音压缩编解码和正交频分复用多载波调制通信技术，基于声码器和数字信号处理器的实时全双工水声数字语音通信系统及其方法。与现有技术相比，本发明的突出优点如下：
[0029]
1、水声换能器带宽分成b1，b2和b3等3个不同的子带，子带b1和b3用于传输语音数据，子带b2用于估计噪声功率。语音信号从u1传输到u2和从u1传输到u2的过程完全独立，实现实时全双工通信功能。
[0030]
2、采用先进的低速率语音压缩编码、ofdm多载波通信、自适应信道估计和跟踪技术，系统时延小，适应快速时变水声信道环境，接收端合成的语音有很高可懂度、自然度和清晰度。
[0031]
3、系统便携、稳健、功耗低、价格便宜。语音压缩编码解码采用小尺寸的声码器芯片，信号的同步、多普勒频移估计和补偿、自适应信道估计和均衡、调制/解调和信道编码/译码等核心算法都在一块dsp芯片中完成。
[0032]
4、系统可升级、易调试和维护性强。
附图说明
[0033]
图1为一种全双工水声数字语音通信系统结构框图。
[0034]
图2为wt600f声码器模块。
[0035]
图3为前置放大器原理示意图。
[0036]
图4为带通滤波器原理示意图。
[0037]
图5为功率放大和匹配器原理示意图。
[0038]
图6为电源管理模块原理示意图。
[0039]
图7为dsp程序流程图。
[0040]
图8为发射信号帧结构。
[0041]
图9为水声信道估计和均衡结构。
具体实施方式
[0042]
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0043]
所述全双工水声数字语音通信系统如图1所示。系统分通信甲、乙两方，记作u1和u2。u1和u2有相同的硬件结构，主要包括麦克风、耳机、wt600f声码器、tms320 c6748 dsp、功率放大和匹配器、前置放大器、带通滤波器、电路管理模块、水声换能器和水听器等部件。水声换能器带宽20～30khz，分成20～24khz，24～26khz和26～30khz等3个子带，通信方u1使用20～24khz的子带发射信号，26～30khz的子带接收信号；通信方u2使用26～30khz的子带发射信号，20～24khz的子带接收信号，24～26khz的子带用于估计噪声功率。通信过程简述如下：通信方u1麦克风拾取到的语音信号经wt600f声码器编码后，通过rs232串行口发送给c6748dsp；dsp提取有效语音编码数据，对其进行ldpc编码、插入导频符号、ifft变换及组帧后生成基带传输信号；基带传输信号移频至发射子带20～24khz的频率范围，并通过d/a转换生成发射信号；发射信号激励水声换能器辐射声波在水声信道中传播。通信方u2水听器将接收到的声信号转换为电信号；电信号经通带为20～26khz的模拟带通滤波器滤波并放大后进入dsp；dsp对接收信号进行同步检测、多普勒频移估计和补偿、fft变换、信道估计和均衡和ldpc译码后生成接收数据；dsp对接收数据按语音编码数据格式进行组帧，并通过rs232串行口以定时发送给wt600f；wt600f合成的语音信号通过或耳机输出。通信方u2麦克风拾取到的语音信号通信过程与上述流程大体相同，不同的是u2发射信号的子带为26-30khz，相应的，甲方带通滤波器的通带应设置为24～30khz。声码器和dsp之间串行通信参数为：波特率115200bps，数据位8，停止位1，无校验。
[0044]
所述wt600f声码器是一款低速率声码器芯片，如图2所示。wt600f声码器内置语音编解码软件，无需外部存储器，可以同时实现语音的压缩和合成，在600bps速率下合成输出较高质量的语音。wt600f声码器提供uart接口，用户通过该接口可实现语音编码数据的读出和写入。wt600f声码器读出和写入的数据格式如表1所示。表1中，第5～9字节，以及第10字节中的高5为语音编码数据，其余字节为帧头、命令符、长度和crc校验等，因此有效语音编码数据45bits。
[0045]
表1 wt600f声码器帧结构
[0046]
header_1head_2cmdlendatacrcb1b2b3b4b5-b15b16
[0047]
所述前置放大器采用极品运放opa227构成的二级同相比例放大电路，如图3所示。opa227增益带宽积为8mhz，具有极低噪声、极低漂移和极高的精度，开环增益140db以上，输
出能力50ma，自带电流保护，不易烧毁，具有极好的直流和交流特性。同相比例放大电路可以通过改变与放大器输入负极相连的两个电阻的阻值实现放大倍数的改变。第一级放大倍数为11倍，第二级放大倍数为26倍，总放大倍数可以达到近300倍。第二级反馈电阻采用电位器，实现系统的增益可调，以达到最佳的输出电压，方便后级滤波器处理。带通滤波器选用chebyshev滤波器，通带带宽范围u1为24～30khz，乙方为20～26khz。其余计参数为：通带增益为0db，最大衰减为-2db，通带纹波为0.01db；阻带带宽为17khz，衰减为-20db。最终炫动低噪声精密运放ada4004-4来搭建滤波器，其原理图如图4所示。
[0048]
所述功率放大及匹配器如图5所示。功放采用tpa3118音频芯片，在24v的电压下可为8欧的单声道负载提供最大50w的功率，效率高于90％。tpa3118的开关频率通过设置后高达1.2mhz，可以有效避免am干扰。同时tpa3118芯片集成自我保护电路，包括过压，欠压，过温，直流检测和短路，可以有效避免烧毁。在功率放大器的输出和水声换能器的输入之间并联接入一块电感，实现换能器和功放电阻抗之间的匹配，增大水声换能器向水介质中辐射的声功率。
[0049]
所述水声数字语音通信系统采用24v锂电池供电，需提供稳定的24v和
±
5v直流电压，前者为功率放大和匹配器供电，后者为wt600f声码器、c6748 dsp、前置放大器和带通滤波器等供电。24v转
±
5v的dc-dc电源转换模块采用ti公司的tps5430宽输入降压芯片，最高输出电流可达到3a，转换效率高达95％，具体电路如图6(a)所示。24v的稳压采用xl4015稳压芯片，具体的电路如图6(b)。xl4015通过改变两个电阻的大小，可以实现电压的调整，最高可输出5a的大电流，非常适合大功率功放电路使用。
[0050]
除语音压缩编解码在wt600f声码器中实现外，所述全双工水声数字语音通信系统的其余程序和算法，包括信号同步、多普勒频移估计和补偿、调制/解调、信道估计和均衡、ldpc编译码等都在一块dsp中实现。程序流程如图7所示，除主程序外，还包括两个子任务，其中子任务1实现语音数据的发送处理，子任务2实现语音数据的接收处理。图8为发射信号的帧结构，在每一帧信号前后均插入一段完全相同的调频信号，通过检测两调频信号时间间隔变化可估计信道多普勒频移，并据此进行多普勒频移补偿。图8中第1个ofdm符号传输的为导频符号，其余3个ofdm符号传输的为语音数据。图9为水声信道估计和均衡结构。设fft变换后的输出符号，即图9中的信道输入符号为y
i
(k)(i＝1,2,3,4,k＝n
f-k1/2,
…
,n
f
,
…
,n
f
+k1/2-1)，对u1，n
f
＝nf3/f
s
，对u2，n
f
＝nf1/f
s
，其中，f1＝22khz，f3＝28khz。每一个ofdm符号对应的信道转移函数h
i
(k)估计为：
[0051][0052]
其中
[0053][0054]
其中，s(k)为导频符号，s
′
(k)为ldpc译码器输出码字经符号映射后反馈至信道估计器的符号。水声信道转移函数在两个连续的ofdm符号间可认为保持不变，则接收符号估计为：
[0055][0056]
经符号解映射后，获得每个传输比特的软信息，该软信息输入ldpc译码器。ldpc译码器输出码字和信息，码字经符号映射后反馈至水声信道估计器，作下一时刻水声信道估计的导频符号使用。信息比特通过rs232串行口发送给wt600f声码器，声码器解码后生成的语音通过耳机播出。