专利名称：远距离水声语音通信系统及通信方法
技术领域：
本发明涉及一种远距离水声语音通信系统及通信方法。
背景技术：
与空中无线通信系统不同，水声信道是一个复杂的时-空-频多径信道，信道条件十分恶劣，水声信道的多普勒效应和多径延时效应都要远大于一般的陆地无线通信信道， 所以水下实时水声通信是当前研究的热点和难点课题之一。在水声信道中高速率的传输实时语音流是极其困难的，特别是在长距离传输中，水下通信相比有线通信来说速率非常低， 因为水下通信采用的是声波而非无线电波。近年来，声码器技术被逐渐引进水声通信系统中，通过先进的声码器算法将实时语音流压缩成码率极低的比特流，进而将高速传输转换为低速或者极低速率传输，从而可以有效的解决信道干扰问题，进而提出了一系列水声语音通信系统的设计方法。但是水声通信系统中，传输距离与传输速率是一对相互制约的指标，目前具有较好自然度和鲁棒性的语音压缩算法最低可以将编码速率压缩至300bps左右，这就使得实时的语音流传输在传输距离上受到了一定的制约。目前水声数字语音通信系统都是在编码速率不大于信道速率的基础上进行设计的，这使得水声数字语音通信系统的设计局限于现有的算法，很难突破水下恶劣信道实时语音传输的瓶颈。依前所述，目前水声数字语音通信系统都是在编码速率不大于信道速率的基础上进行设计的。有较好自然度和鲁棒性的非机器合成语音最低可以将编码速率压缩至300bps 左右，而远距离水声通信系统的传输速率常常低于300bps，这就使得实现可靠的远距离水下语音通信变得异常艰难。有学者采用基于语音识别与语音合成的技术实现低于300bps 的语音编码算法，此类算法合成语音机器味重，对不同的说话人适应能力有限，而且对环境噪声和信道误码的鲁棒性很差，很难在实际通信中得到应用。
发明内容
本发明为了克服现有水声通信系统应用在远距离通信时常常无法建立有效连接的问题，提供了一种可靠的远距离水声语音通信系统，同时还提供了一种通信方法。本发明采用以下技术方案
该发明远距离水声语音通信系统，包括通过水声信道进行两方全双工通信的通信模块，一方通信模块包括输入单元、对输入单元所采集的音频信号分段为语音段和静音段的分段单元、对所述语音段进行编码的编码单元和对该编码单元所编码信息发送的发送单元；
另一方通信模块则包括通过所建立的水声信道与所述发送单元通信的接收单元、对该接收单元所接收信息进行解码的解码单元、按照预定算法对解码出的语音段进行段间插入静音段的播放控制单元和对播放控制单元处理过的信号进行播放的播放单元。上述远距离水声语音通信系统，所述分段单元设有能量门限单元，以通过语音段的能量进行静音段与语音段的区分。上述远距离水声语音通信系统，所述编码单元包括标志单元，以对语音段的每一帧进行标志，以区别于相邻语音段。上述远距离水声语音通信系统，所述发送单元及所述接收单元均设有存储缓冲单兀。上述远距离水声语音通信系统，所述发送单元和所述接收单元为基于跳频4FSK 的单元。一种远距离水声语音通信方法，包括对输入处理步骤、通过水声信道进行传输的传输步骤和输出处理步骤，其特征在于所述输入处理步骤包括输入音频信号的步骤、对输入的音频信号分段为语音段和静音段的步骤、对语音段进行编码的编码步骤和对编码步骤所得到编码信息向所建立的水声信道播发的发送步骤；
所述输出处理步骤包括从水声信道接受信息的接收步骤、对接收步骤所接收的信息进行解码的解码步骤、按照预定算法对解码步骤解码出的语音段进行段间插入静音段的播放控制步骤和对播放控制步骤处理过的信号进行播放的播放步骤。上述远距离水声语音通信方法，所述对输入的音频信号分段为语音段和静音段的步骤设有静音门限值，如果当前帧的能量值小于静音门限值，且连续相邻多帧的值均小于静音门限值，则该多帧信号组成静音段。上述远距离水声语音通信方法，所述编码步骤包括对每一语音段的每一帧进行标志的步骤，以使当前语音段区别于相邻语音段。上述远距离水声语音通信方法，在所述发送步骤和接收步骤均设有对数据进行缓冲的步骤，以保证数据传输的连续性。上述远距离水声语音通信方法，所述发送步骤和接收步骤采用4FSK调制解调方法。依据本发明，通过把音频信号区分为静音段和语音段的方式，进而只对语音段进行编码传输的方案，减少了码流总量，信道占用率低，使得在水声信道这种窄带传输信道情形下的传输可靠性增强，从而可以建立有效的连接。另外，由于带宽比较窄，有效侦听范围窄，可以提高通信过程中的有效防侦听问题。
图1为音频存储转发语音通信系统架构框图。图2为音频存储转发工作流程图。图3为拥有4个独立语音段的语音段频谱图。图4为存储转发语音通信系统延时变化频谱示意图。图5为一种远距离水声语音通信的终端架构图。图6 (a)为MELPE编码器原理框图。图6 (b)为MELPE解码器原理框图。
具体实施例方式本发明的重点在于语音信号的分段，也就是区分成静音段和语音段，只对语音段进行编码传输。本发明所依赖的硬件架构是现在公知的远距离水声数字语音通信终端，参见说明书附图5，其基本结构是其终端含有一高速数字信号处理器，如附图5所示的TI公司的 TMS320Vc5509A,图中虚线框内为处理器，该处理器连接水声换能器，以建立与其他远距离水声数字语音通信终端的水声信道，同时该处理器还连接有音频采集装置及A/D采样电路，以获取数字音频信号，并连接有音频输出装置及D/A转换电路，以把经水声换能器接收到的音频信号播放出来。依据上述结构，本发明的基本结构实际上是在上述结构上实现的，那么本发明的基本方案是一种远距离水声语音通信系统，包括通过水声信道进行两方全双工通信的通信模块，一方通信模块包括输入单元、对输入单元所采集的音频信号分段为语音段和静音段的分段单元、对所述语音段进行编码的编码单元和对该编码单元所编码信息发送的发送单元；
另一方通信模块则包括通过所建立的水声信道与所述发送单元通信的接收单元、对该接收单元所接收信息进行解码的解码单元、按照预定算法对解码出的语音段进行段间插入静音段的播放控制单元和对播放控制单元处理过的信号进行播放的播放单元。两方通信模块的基本架构是一样的，都应当包括输入单元同时包括诸如输出单元，只是为了叙述上的方便，依据数据的处理过程描述了整个语音通信系统的结构，另一方通信模块作为输入端，那么所说的一方通信模块就成了输出端。首先关于语音分段方案
依据本发明，提出一种基于存储转发的方案，参见说明书附图1，图1中，编码器与解码器对应同一种语音编码解码算法，信道传输速率通常低于该算法的编码速率。语音分段的基本功能包括1)通过将输入语音分成语音段和静音段，对静音段不编码传输，从而减少系统发送的码流总量；2)向同一语音段的所有语音帧插入标志比特。播放控制单元的基本功能则是利用接受码流中的分段标志比特，来控制语音的分段播放。参见说明书附图2，是基于存储转发的工作流程，独立的语音段是指被静音段隔离开的语音段。再如说明书附图3所示，实际上，此类通信技术要考虑三个关键的因素，一是如何对语音进行分段处理，二是收发终端的缓存空间尺寸问题，三是通话延时问题，下面就这三个关键问题进行详细分析。第一，为了减少系统发送的码流总量，将输入语音分成语音段和静音段，对静音段不传输，而只对语音段进行传输，这就需要一个分段单元。由于解码端接收到的只有语音帧而没有静音帧，因此需要一些额外的信息来确保解码端能够正确区分各帧所属的语音段信息，这就需要由标志单元来处理，以对语音段的每一帧进行标志，以区别于相邻语音段。 可以采用插入标志位的方法，基本方案是对每个语音帧编码码流增加一个比特的分段标志位，属于同一语音段的各语音帧分段标志位相同，以静音段为间隔，相邻的不同语音段中各帧的标志位不同，分别为‘0’和‘1’。这样在解码端进行播放控制，在两个语音段之间插入适当的静音时间，可以完整的恢复编码端的语音信息，对应于所述编码单元和解码单元以及播放控制单元。插入静音时间没有严格的要求，只要能够区分开个语音段即可，正常的语速及停顿结合即可，据此容易设置。第二，基于存储转发的语音通信系统的终端缓存空间尺寸基于存储转发的语音通信系统中，由于语音编码速率要高于信道传输速率，编码端需要缓存空间存放尚未发送出去的比特流，而解码端需要一个独立语音段的所有编码比特流接收完毕后才可以进行解码播放，因此也需要缓存空间存放待解码的比特流。因此，设置相适应的存储缓冲单元也就变得必要。 从说话者开始讲话，整个话音用语音段和静音段表示为
权利要求
1.一种远距离水声语音通信系统，包括通过水声信道进行两方全双工通信的通信模块，其特征在于，一方通信模块包括输入单元、对输入单元所采集的音频信号分段为语音段和静音段的分段单元、对所述语音段进行编码的编码单元和对该编码单元所编码信息发送的发送单元；另一方通信模块则包括通过所建立的水声信道与所述发送单元通信的接收单元、对该接收单元所接收信息进行解码的解码单元、按照预定算法对解码出的语音段进行段间插入静音段的播放控制单元和对播放控制单元处理过的信号进行播放的播放单元。
2.根据权利要求1所述的远距离水声语音通信系统，其特征在于，所述分段单元设有能量门限单元，以通过语音段的能量进行静音段与语音段的区分。
3.根据权利要求1或2所述的远距离水声语音通信系统，其特征在于，所述编码单元包括标志单元，以对语音段的每一帧进行标志，以区别于相邻语音段。
4.根据权利要求1所述的远距离水声语音通信系统，其特征在于，所述发送单元及所述接收单元均设有存储缓冲单元。
5.根据权利要求1所述的远距离水声语音通信系统，其特征在于，所述发送单元和所述接收单元为基于跳频4FSK的单元。
6.一种远距离水声语音通信方法，包括对输入处理步骤、通过水声信道进行传输的传输步骤和输出处理步骤，其特征在于所述输入处理步骤包括输入音频信号的步骤、对输入的音频信号分段为语音段和静音段的步骤、对语音段进行编码的编码步骤和对编码步骤所得到编码信息向所建立的水声信道播发的发送步骤；所述输出处理步骤包括从水声信道接受信息的接收步骤、对接收步骤所接收的信息进行解码的解码步骤、按照预定算法对解码步骤解码出的语音段进行段间插入静音段的播放控制步骤和对播放控制步骤处理过的信号进行播放的播放步骤。
7.根据权利要求6所述的远距离水声语音通信方法，其特征在于，所述对输入的音频信号分段为语音段和静音段的步骤设有静音门限值，如果当前帧的能量值小于静音门限值，且连续相邻多帧的值均小于静音门限值，则该多帧信号组成静音段。
8.根据权利要求6或7所述的远距离水声语音通信方法，其特征在于，所述编码步骤包括对每一语音段的每一帧进行标志的步骤，以使当前语音段区别于相邻语音段。
9.根据权利要求6所述的远距离水声语音通信方法，其特征在于，在所述发送步骤和接收步骤均设有对数据进行缓冲的步骤，以保证数据传输的连续性。
10.根据权利要求6所述的远距离水声语音通信方法，其特征在于，所述发送步骤和接收步骤采用4FSK调制解调方法。
全文摘要
本发明公开了一种远距离水声语音通信系统及通信方法，通过把音频信号区分为静音段和语音段的方式，进而只对语音段进行编码传输的方案，减少了码流总量，信道占用率低，使得在水声信道这种窄带传输信道情形下的传输可靠性增强，从而可以建立有效的连接。另外，由于带宽比较窄，有效侦听范围窄，可以提高通信过程中的有效防侦听问题。
文档编号H04B13/02GK102255672SQ201110198028
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者姜竞赛, 李晔, 樊燕红, 郝秋贇, 马晓凤 申请人:山东省计算中心