语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制方法和系统与流程

本发明涉及激光通信技术领域，适用于大气和水下环境进行语音信号的激光传输，具体涉及一种语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制方法和系统。

背景技术：

随着光通信技术的发展，利用光载波的通信技术因其具有快速响应、抗电磁干扰、移动性强、以及可靠性高等特点，而在进行数据、图像传输的军用和民用等领域有着广泛应用。在战时(野外)及特殊环境(水下)环境下，为快速建立通信链路，及时进行指挥控制，通过语音方式传输指令信息是最有效的手段，它具有极高的实时性和可靠性。然而，目前利用光调制实现语音传输的方式，由于传输的语音信号的信息需进行压缩编码，因而技术实现大多采用复杂的语音识别和复杂的数字化处理过程，占用较大的通信带宽资源，这样采用大功率激光器无法保证语音信息的实时传输，使激光调制能量和传输距离受限。可见，现有激光调制实现传统语音数字化传输的方式不适应军事及特殊环境下语音传输的要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的是现有激光调制过程中存在的语音信号识别和数字化处理复杂、对激光器的大功率高重频发射与能量矛盾、以及信息实时传输无法保证等问题，提供一种语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制方法和系统。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制方法，包括如下步骤：

步骤1、采集语音信息，并对语音信息进行语意特征识别、相似度匹配和字符化编码；

步骤2、对步骤1输出语音信息进行分帧处理，并将语音信息字符化代码分插到不同重频组成串行帧结构,以实现对脉冲激光器的ASK调制；

步骤3、将步骤2输出的语音信息从不归零码转换为归零码，并驱动激光器；

步骤4、激光器受控于可变重频串行输出脉冲信号，并以ASK激光调制方式发射激光。

上述步骤1的具体过程为：

步骤1.1、对采集的非特定人语音信息进行识别预处理，根据识别的语意转换为汉语拼音；

步骤1.2、将步骤1.1所得的汉语拼音与训练模板中的汉语拼音进行相似度匹配，将匹配结果在语音库中查找对应的汉语拼音所对应的汉字；

步骤1.3、将步骤1.2所得的汉字按照ASCII编码以字节形式输出TTL电平的字符型代码，完成语音信号字符化，并将字符化编码的语音信息串行输出。

上述步骤1.3中，每个汉字和字符按照字节编码，其码型为不归零的TTL串行结构形式，采用上位机作为数据指令辅助手段，将字符型数据代码串行输出。

上述步骤2中，信息字符化代码每8位二进制代码与起始位和停止位构成一帧；每一帧的数据长度为11位，其中帧的起始位为2位、帧的数据位设置为8位、帧的停止位为1位。

上述步骤2中，帧的起始位的2位导行码的间隔为每帧的基频，通过设定该基频每帧长度依据重频要求进行变化。

上述步骤4中，激光器采用上升沿触发。

实现上述方法的语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制系统，包括语音信号识别与字符化处理模块、可变重频编码模块、码型转换与激光驱动模块、以及调Q脉冲激光器；

语音信号识别与字符化处理模块完成语音信号采集、语意特征识别、相似度匹配、以及字符化编码；

可变重频编码模块将字符化编码输出的码元信号进行分帧处理，并将语音信息字符化代码分插到不同重频组成串行帧结构,以实现对脉冲激光器的ASK调制；

码型转换与激光驱动模块将可变重频帧码元从不归零码到归零码的转换，并通过逻辑电路驱动调Q脉冲激光器；

调Q脉冲激光器受控于码型转换与激光驱动模块输出的可变重频串行输出脉冲信号，并以ASK激光调制方式发射激光。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过语音识别技术，将语音信号进行字符化处理，简化了传统语音信号数字化的复杂过程，降低基带信号控制速率，减少通信带宽资源占用，在信息量传输要求不大的场合，保证一定的激光输出脉冲能量，增强激光通信的实时性、有效性和灵活性。

2、通过语音信号的实时控制，采用可变重频调制驱动激光发射技术有利于通信信息的安全，降低了技术和设备复杂度。

3、具有保密性好、实时性高、通信链路简单的特点，可以运用于大气和水下光通信范畴，在军事战场指挥和海洋水下目标作业控制实际应用中有重要价值。

附图说明

图1为语音控制的可变重频激光调制系统框图。

图2为语音信号字符化过程原理框图。

图3为语音识别字符化处理软件流程。

图4为3重频的指令信号帧波形图。

具体实施方式

针对战时(如野外)及特殊环境(如水下)下，通过语音方式传输指令形式快速、简单、直接，但需要考虑实时性、可靠性、以及激光通信系统在开放信道信号传输安全性的通信特点，本发明利用激光跳频技术，通过语音信息加载于不同重频帧组成的编码来控制激光器发射，保证一定的激光脉冲能量，只要通信双方按照约定的激光跳频通信协议，可完成必要的激光无线语音信息通信，通信双方的信息安全和保密性即可得到一定的保障，使开放信道环境下的通信与控制技术更具实用性。

参见图1，一种语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制系统，主要由语音信号识别与字符化处理模块、可变重频编码模块、码型转换与激光驱动模块、以及调Q脉冲激光器组成。

语音信号识别与字符化处理模块完成语音信号采集、预处理、相似度匹配、以及字符化处理及码元输出。语音信号字符化编码模块采用LD3320语音芯片完成语音信号采集、预处理、相似度匹配、字符化编码和结果输出，每个汉字和字符按照字节编码，其码型为不归零的TTL串行结构形式，将字符型数据代码输入到可变重频编码模块中。语音信号字符化过程是先对采集的非特定人语音信息进行识别预处理，根据识别的语意转换为汉语拼音，然后与训练模板中的汉语拼音进行相似度匹配，将匹配结果在语音库中查找对应的汉语拼音所对应的汉字，最后把结果汉字按照ASCII编码以字节形式输出TTL电平的字符型代码，完成语音信号字符化。将非特定人的语音信号进行识别后直接转化为字符型编码，该编码速率较低，适合于驱动大功率激光器，有利于获得较高的激光发射脉冲能量；这种语音信号字符化转换方式降低了传统语音信号数字化的复杂过程，减少通信带宽资源占用。上位机作为数据指令传输的辅助手段。

可变重频编码模块完成对语音字符化编码信号进行分帧处理，按照一定的重频变化规则构建串行传输结构，以实现对脉冲激光器的ASK调制。可变重频编码模块以单片机为核心，实现对字符化编码的语音信息的分帧处理，将语音信号字符化代码分插到不同重频组成串行帧结构；每帧为11位编码长度，其中2位导行码(其间隔确定每帧基频)，8位字符化数据位和1位停止位，输出码型为不归零的TTL串行结构形式。通信中采用可变重频的编码结构，按照一定的重频变化规则对语音信息进行分帧处理，输出适合驱动大功率激光器串行码元，实现激光的ASK调制；这种帧结构是一种非定长的帧格式，即信号传输的帧长可变，设定每帧开始2位为高电平的导频码，其脉冲间隔代表控制激光器的重复基频，依据脉冲间隔确定码元宽度和每帧的“0”和“1”代码，当基频不同所构成的数据帧长度也不同。通过可变帧长的激光跳频方法使激光发射输出频率按照一定规律变化，降低截获概率，有利于保密通信。

码型转换与激光驱动模块用于提供一种适合驱动激光器的码型，提高大功率激光驱动能力，其输出的可变重频串行语音帧脉冲信号控制调Q激光器输出激光。码型转换采用软件完成可变重频帧码元从不归零码到归零码的转换，并采用逻辑电路输出提高激光器驱动能力，以得到适合驱动大功率脉冲激光器的重频脉冲信号。通过输出TTL电平来驱动激光器实现ASK激光调制。

调Q脉冲激光器完成语音激光信号的发射。Nd:YAG调Q脉冲固体激光器(上升沿触发)受控于可变重频串行输出脉冲信号，以ASK激光调制方式发射激光的变化与帧脉冲对应。

调Q脉冲激光器采用适合大气传输窗口的1.06μm波长红外激光，通信中肉眼视觉无法识别，具有一定的隐蔽性；同时选择窄脉冲输出的激光器可提高瞬时功率，有利于获取较大的激光脉冲能量。利用语音进行实时控制大功率激光器实现通信调制，适用于大气信道或海气信道的无线通信传输方式。

采用上述系统所实现的语音信号字符化编码控制的可变重频激光调制方法，包括如下步骤：

(1)语音识别与字符化处理模块是通过LD3320语音模块采集非特定人的说话声音指令，然后进行语意特征识别、相似度匹配和字符化编码(ASCII)，通过软件将汉字和字符按照字节分组编码，对识别结果以速率低于100bps的串行数据代码(TTL电平)输出到单片机。采用上位机作为数据指令辅助手段，输出字符型数据代码串行送单片机处理，图2所示为字符化过程框图，图3为软件实现流程。

语音信号字符化是将语音信号的内容转换为可供计算机识别的字符或者文本。人们常用的汉字有6000多个，不同的汉字对应的汉语拼音可以是相同的，即同音字，没有同音字的汉字共1268个。每一个汉字、字母及符号在计算机系统都对应一个标准的ASCII码，人们在进行语音通信交流时，往往并不关注具体的汉字，而是根据听到的声音去判断出语意。如果将语音对应的汉语拼音建立一个语音库，那么通过语音识别，将读取到的语音信号与语音库中的汉语拼音进行匹配，如果匹配成功，则得到语音的汉字所对应的汉语拼音，完成了识别过程。得到识别结果后，再次将拼音转换成汉字，即可实现语音信号的字符化，根据识别结果，可以通过软件设置，将识别后得到的结果所对应的汉语拼音或者汉字进行数据传输，此时，完成了语音到文本数据/字符化的处理。经过字符化处理的语音信号，将其进行数字传输时，所包含的编码数据大大降低，在接收端如果需要恢复出语音信号，只需要将收到的二进制代码与语音库中对应的声母、韵母和音调进行还原合成，便可恢复出语音。语音信号直接进行数字化，则数据速率为64Kbit/s，而语音信号字符化以后的数据速率低于100bps，因此，语音信号字符化技术将语音信号转换为其汉语拼音相对应的二进制代码，可实现极低的数据编码速率，节约了带宽资源。

(2)可变重频编码模块由单片机电路系统控制对语音识别模块送达的字符化数据进行信息分帧处理，将语音代码(对应每个汉字的ASCII)每8位二进制代码与起始位和停止位构成一帧，每帧分配一个基频，每一帧的数据长度为11bit，帧的起始位为2个1码元(其间隔为重频频率)，数据位设置为8bit，帧尾以1个1码元为帧结束标志，11bit数据的码元间隔为该帧所用的频率。指令代码经过分帧处理后，输出的可变长的数据帧编码送码型转换及驱动电路；通过每帧设定的2位导频码及可变间隔，使每帧长度依据重频要求进行变化。基频点数和频率根据通信要求可实时设置，图4波形给出一个3基频实验范例，图中发送“东经18北纬20”指令，MCU通过串口接收到对应的语音字符化数据0xB6 0xAB 0xBE 0xAD 0x31 0x38 0xB1 0xB1 0xCE 0xB3 0x32 0x30后分别插入10Hz、15Hz、20Hz基频中，图中由每帧前两个码元间隔确定基频，从左到右的频率分别为10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz，波形显示相邻帧之间有较长的帧间隔(大于最长码元间隔)，以便识别下一帧的数据。

(3)码型变换与驱动电路模块将可变重频编码模块送达的TTL不归零编码转换为适合于驱动大功率激光器归零编码，以对1.06μm波长上升沿触发的激光器进行ASK调制。

本发明能够降低语音信号识别及数字化处理的复杂过程，减少带宽资源占用，实现低速编码以获得较高的激光脉冲能量，具有保密性好、实时性高、通信链路简单的特点。