专利名称：一种水下数字语音的通信方法
技术领域：
本发明涉及一种通信方法，尤其是涉及一种采用混合激励线性预测(Mixed ExcitationLinear Prediction，简称为MELP)低速率语音编码改进算法、水声正交频分复 用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，简称为 OFDM)多载波调制和 Turbo 编 码相结合的水下数字语音通信方法。
背景技术：
水下语音通信在海洋科考、海洋资源勘探、蛙人通信及潜水娱乐等许多方面有着 重要应用前景，但由于无线电波和光波在海水介质中的衰减速度很快，必须利用声波才能 实现远距离的水下通信。早期的水下语音通信设备一般采用模拟单边带调制技术，如美国 海军使用的AN/WQC-2A单边带语音通信机。这种模拟调制的通信方式受海洋水声环境的影 响很大，难以克服浅海水声信道的时变强多途干扰及多普勒频移影响，使得语音通信质量 通常难以保证，多数情况下模糊不清。而且，由于采用模拟调制方式，系统功率利用效率相 对较低。近十几年来，随着水声数字通信技术的快速发展，各种不同调制方式、不同通信速 率的水声调制解调器不断被研制出来，这就为水下数字语音通信的研究与开发提供了必备 条件和重要基础。
水下数字语音的通信方法主要有两种一种是基于文本编码的水声数字语音通信 方式；另一种是基于低速率编码的数字语音通信方式。前者发送端首先通过语音识别方法 将输入语音转换成文本，然后对所得文本进行编码，并利用具有高效水声抗多途的跳频扩 谱通信方法将语音数据发送给通信接收机，接收端对接收数据进行文本译码，最后合成并 输出语音。该方式具有通信作用距离远、通信速率要求不高及信道适应性强等优点，但其 通信质量很大程度上取决于语音识别软件对不同话音的识别能力，同时合成语音为标准话 音，无法分辨讲话人，该缺陷使得其在实际水下语音通信的应用中受到很大限制；后者发送 端首先对输入语音进行低速率参数压缩编码，然后利用具有较高通信速率的多进制相移键 空(Multi-Phase SiiftKeying，简称为MPSK)调制方法将编码数据发送给通信接收机，接 收端对接收信号进行相干解调，最后合成并输出语音。该方式输出的语音具有较高可懂度、 自然度和清晰度等优点，但由于水声信道一般有相对较大的多径时延，因此，其通信接收机 通常需要使用复杂的自适应时域信道均衡和纠错编码算法才能实现较可靠的通信。
近年来，水声OFDM系统由于能够获得高速率的数据通信而得到快速发展，并在湖 试和海试中取得了较好的试验效果。水声OFDM技术将信道分成N个相互正交的子信道，并 通过延长每个OFDM的符号周期和加入循环前缀等方法来抑制水声信道的多径干扰，该特 点使得其在接收端使用简单的快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，简称为FFT)和 频域信道均衡就可将传输信息可靠地恢复出来。若进一步与信道纠错编码，如Turbo码相 结合，则可将系统的误比特率降至很低。MELP是一种很好的数字语音参数压缩编码方法，它 基于传统的线性预测编码(Linear Predictive Coding，简称为LPC)模型，综合了多带激 励、非周期脉冲、自适应谱增强、残差谐波处理和脉冲整形滤波等技术优势，在接收端可以获得高可懂度、高自然度和高清晰度的合成语音，因此，该算法被美国数字语音协会选为新 的联邦政府2. 41ApS语音压缩编码标准。许祥滨(许祥滨.抗强多途径干扰的水声数字语 音通信研究.厦门厦门大学博士毕业论文，200 报道了抗强多途径干扰的水声数字语音 通信研究；郭中源等(郭中源，陈岩，贾宁等.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)报道了水下数字语音通信系统的研究和实现；孙鹏等(孙鹏， 薛豪杰.水下语音通信的DSP实现.声学技术，2007，2006 (5) :895-898)报道了水下语音 通信的DSP实现。发明内容
本发明的目的在于克服现有水下语音通信技术存在的缺点，采用MELP低速率语 音编码改进算法、水声OFDM多载波调制及Turbo编码相结合方式，提供一种具有高可懂度、 高自然度和高清晰度的水下数字语音的通信方法。
本发明包括以下步骤
1)在通信发射端，用采样频率5 8kHz，精度12 16bits的A/D转换器对输入 模拟语音进行采样，得数字语音；
2)在通信发射端，对步骤1)所得的数字语音进行MELP低速率压缩编码，得语音数 据，编码后的语音数据速率为1. 2 2. 4kbps ；
3)在通信发射端，对步骤2、所得的语音数据比特流进行分组及Turbo编码，得各 组数据，编码后语音数据速率为2. 4 4. 8kbps ；
4)在通信发射端，对步骤幻所得的每一组数据进行OFDM多载波调制，并通过水声 换能器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播；
5)在通信接收端，有同步后，对接收信号进行水声OFDM多载波解调，得解调数据；
6)在通信接收端，对步骤幻所得的解调数据进行Turbo译码；
7)在通信接收端，对步骤6)所得的数据进行MELP译码，合成数字语音；
8)在通信接收端，用采样频率5 8kHz，精度12 16bits的D/A转换器将步骤 7)所得的数字语音转换成模拟语音，并通过扬声器输出。
本发明具有以下突出优点
1)语音编码速率低，可实现水下语音的实时双向通信。
2)具有很强的抗水声信道多径干扰能力。
3)具有很强的抗海洋噪声干扰和抗信道突发错误能力，系统误比特率极低。
4)接收端合成的语音具有很高的可懂度和清晰度，能准确分辨不同的说话人。
5)实现方便简单，既可基于个人电脑(Personal Computer，简称为PC)的实现方 式，又可基于数字信号处理器(Digital Signal I^rocessor，简称为DSP)的实现方式，或两 者相结合方式。其中基于DSP的实现方式具有便携、实时和节能等优点。
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为MELP编码结构图。
图3为Turbo编码结构图。
图4为OFDM多载波调制图。
图5为OFDM多载波解调图。
图6为Turbo译码结构图。
图7为MELP解码结构图
图8为发送端A/D转换器采集所得语音信号波形图。在图8中，横坐标为时间(s)， 纵坐标为归一化幅度。
图9为接收端MELP译码器合成所得语音信号波形。在图9中，横坐标为时间(s)， 纵坐标为归一化幅度。
图10为发送端语音信号对应时频分布图。在图10中，横坐标为时间(S)，纵坐标 为频率(kHz)。
图11为接收端合成语音信号对应的时频分布图。在图11中，横坐标为时间(S)， 纵坐标为频率(kHz)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细描述。
如图1所示，模拟语音首先通过A/D转换进入DSP(或PC)。由于人的语音主要频 率成分集中在4kHz以下，因此，采样频率设为8kHz就能保证语音基本无失真，为提高语音 信号的分辨率，采样精度设为16bits。MELP编码器对语音信号进行参数压缩编码，包括参 数提取和参数量化两个步骤，如图2。2. 4kbps MELP标准编码器按180个样点5ms)为 一帧提取语音参数，这些参数包括基音周期、子带清/浊音判断、线性预测系数和非周期标 志等，总共量化为M比特。鉴于语音信号的短时稳定性，采用组合帧的方式可以在2. 4kbps MELP标准编码算法基础上构建更低速率的数字语音编码器。1.21ApS MELP编码器选择连 续3帧语音帧组成超帧，每个子帧为180个样点，参数提取方法与2. 4kbps MELP标准编码 器相同，3个子帧相同的参数采用联合矢量量化，1. 2kbps MELP比特分配参见表1。
表 权利要求
1. 一种水下数字语音的通信方法，其特征在于包括以下步骤1)在通信发射端，用采样频率5 8kHz，精度12 16bits的A/D转换器对输入模拟 语音进行采样，得数字语音；2)在通信发射端，对步骤1)所得的数字语音进行MELP低速率压缩编码，得语音数据， 编码后的语音数据速率为1. 2 2. 4kbps ；3)在通信发射端，对步骤幻所得的语音数据比特流进行分组及Turbo编码，得各组数 据，编码后语音数据速率为2. 4 4. 8kbps ；4)在通信发射端，对步骤幻所得的每一组数据进行OFDM多载波调制，并通过水声换能 器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播；5)在通信接收端，有同步后，对接收信号进行水声OFDM多载波解调，得解调数据；6)在通信接收端，对步骤幻所得的解调数据进行Turbo译码；7)在通信接收端，对步骤6)所得的数据进行MELP译码，合成数字语音；8)在通信接收端，用采样频率5 8kHz，精度12 16bits的D/A转换器将步骤7)所 得的数字语音转换成模拟语音，并通过扬声器输出。
全文摘要
一种水下数字语音的通信方法，涉及一种通信方法。在通信发射端，用A/D转换器对输入模拟语音采样得数字语音；在通信发射端，对数字语音进行MELP低速率压缩编码得语音数据；在通信发射端，对语音数据比特流进行分组及Turbo编码得各组数据；在通信发射端，对每一组数据进行OFDM多载波调制，并通过水声换能器将调制后信号转换成声波在海洋水声信道中传播；在通信接收端，有同步后，对接收信号进行水声OFDM多载波解调得解调数据；在通信接收端，对解调数据进行Turbo译码；在通信接收端，对数据进行MELP译码，合成数字语音；在通信接收端，用D/A转换器将数字语音转换成模拟语音，并通过扬声器输出。
文档编号H04L27/26GK102034480SQ201010592929
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘胜兴, 许肖梅 申请人:厦门大学