专利名称：变速率语音编码水声数字语音通信的方法
技术领域：
本发明涉及一种水声语音通讯方法，尤其是涉及一种基于水声信道估计结果自适应地进行变速率编码的水声数字语音通信方法。
背景技术：
水声数字语音通信是一种由声波作为信息传输载体、以语音作为联络方式的水下通信技术。水声信道是随机时-空-频变信道，传输带宽窄，多径效应明显且受噪声影响大，信道传播损失随时间、地点和环境不同表现出较大的差异。近年来，自适应调制工作方式开始应用在水声通信中，并引起了广泛关注，其能够根据水声信道估计结果自适应地选择调制方式，从而提供可变的通信速率。水声通信的发展趋势要求语音编码算法压缩率高， 而且尽量能够针对不同的水声信道情况灵活地调整编码速率，即提供可变速率的低速率语音编码。目前针对无线通信的变速率语音编码算法研究较多，但是其平均速率较高，直接应用在水声无线通信中仍然有比较大的难度。目前水下数字语音传输系统中最有代表性的是1994年由法国研制的CELP (Code Excited Linear Prediction，码激励线性预测编码)试验系统，水池试验传输率为6 kb/s, 采用的调制方法为4-DPSK (Differential Phase Shift Keying，差分移相键控)，利用LMS (Least Mean Square，最小均方误差)判决反馈均衡器。另外具有代表性的水下数字语音系统是英国拉夫堡大学研制的“话音通信系统”， 采用DPPM (Digital Pulse Position Modulation，数字脉位调制)实现语音通信，其通信速率为2400 bps。数字语音压缩编码技术在近几十年也有了很大的发展，压缩效率越来越高，编码速率越来越低。但是与无线通信信道相比，水声信道带宽更窄，数据传输速率更低。基于语音识别和语音合成的编码算法可以实现较大的语音压缩比，但是算法本身受语音识别和合成技术的牵制，对不同的说话人、方言等适应能力较差，抗背景噪声的能力较差，很难得到广泛的应用。而且水声信道复杂多变，单一模式的调制方式和固定码率的编码算法已经不能满足实际应用的需求。近年来水声通信得到了快速发展和广泛应用，但水声信道是复杂的时、空、频变的，不利于使用单一数据速率进行通信。并且水声信道对通信的影响体现在声传播的多径效应、多普勒效应以及信道的有限带宽等方面，会使数字信号产生严重的码间干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明采用变速率语音编码手段并结合自适应地调整编码速率的方案，以实现不同水声信道条件下不同编码速率的语音传输，即提出一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，根据信道估计，动态调整子载波的调制方式。为了实现本发明的发明目的，所采用的技术方案为 一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，包括以下步骤数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。依据上述方案，将变速率语音编码技术及0FDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)自适应调制技术应用到水声通信系统中，以实现不同水声信道下高质量的语音通信。发送端根据信道估计器反馈的水声信道信息，自适应地调整OFDM 各子载波的调制方式，以确保系统的误码率要求。同时，变速率语音编码器根据反馈指令按照信道控制速率原理调整到符合系统要求的编码速率，对原始语音信号进行压缩编码。语音编码速率以及系统调制方式都采用自适应调整方案，因此即便在较恶劣的信道环境下也可以实现可靠的水声语音通信。上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，依据信道估计结果，在信道状况较好的子信道上采用较高的编码速率和高阶的调制方式，在信道状况相对较差的子信道上采用相对较低的编码速率和低阶的调制方式，从而，当信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时，采用低阶的调制方式以保证系统的误码率要求。这里的高阶和低阶在本方案中是相对的一对术语。上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述信道估计步骤为每次发送端与接收端建立连接后发送数据前的步骤。所考量的是实时信道估计的复杂度，会占用比较大的系统资源，但本方案并不排除这一手段，只是把开始只进行一次信道估计作为较佳的方案。当然，采用实时通讯有它的可行性。另外一种较佳的方案是，可以设定一个通信周期次数的阈值，当达到这个阈值时，再进行一次信道估计，以响应水声信道变化比较快的特点O上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述数字语音编码步骤采用混合激励线性预测编码方法进行信源编码，语音编码器可以根据反馈信息，自适应地选择编码速率。上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，信道估计采用最小均方误差准则，为信道编码和调整提供较客观的自适应调整参量。上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述数字语音编码步骤采用四种供选择的编码速率，依次为M00bpS、1200bpS、600bpS及300bps，数字语音信号发送端根据反馈的信道估计自适应地选择语音编码速率。
图1为OFDM发送端信号处理流程。图2为OFDM接收端信号处理流程。图3为OFDM自适应系统原理结构框图。
4
图4为本发明一个实施例的结构框图。图5为混合激励编码器结构原理框图。图6为混合激励解码器结构原理框图。
图7为Turbo编码器结构框图。图8为Turbo译码器结构框图。图9为水声换能器发射端硬件架构结构框图。图10为谁能换能器接收端硬件架构结构框图。图11为处理模块硬件结构框图。
具体实施例方式参见说明书附图3和4，一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，包括以下步骤
数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。上述方案主要由变速率语音编码器模块、信道编码模块、自适应调制模块及信道估计模块组合来实现。变速率语音编码模块主要负责语音的压缩编码，与普通的语音编码器不同，它的编码速率是可以自适应调整的；自适应调整模块采用OFDM调制方式并根据实际反馈的信道信息自适应地调整子载波的调制方式；信道估计模块主要负责水声信道特性的估计并将估计结果传送给OFDM自适应调制模块。下面结合说明书附图对上述方案作详细的说明 1.变速率语音编码器
本方案中编码器采用混合激励线性预测(MELP，Mixed Excitation Linear Prediction)技术作为信源编码方案，语音编码器可以根据反馈信息，自适应地选择编码速率，常用语音编码速率有300bps、600bps、1200bpS、M00bpS。速率判决技术是变速率语音编码中最关键的技术之一，采用信道控制速率技术(CCR，Channel Control Rate)，信道控制速率的基本原理就是在通话过程中根据估计信道质量自适应切换编码速率，在保证语音质量的同时最大限度地发挥系统的效能。MELP算法是以LPC (Linear Predictive Coding，线性预测编码)参数模型为基础，同时新增了多带混合激励、使用非周期脉冲、自适应谱增强技术、脉冲离散滤波和残差谐波处理。在MELP算法中，语音分为3种状态清音、浊音和抖动浊音。当判断输入语音为浊音时，编码器还要决定是浊音还是抖动浊音。浊音时用周期脉冲作为激励，而在抖动浊音时，采用非周期脉冲作为激励。这一措施能够更好地合成介于清、浊音之间的过渡帧和某些周期性不强的浊音帧。
语音频带被分为5个固定的频带0 500Hz，500 IOOOHz，1000 2000Hz， 2000 3000 Hz，3000 4000 Hz，在每个子带上分别对语音进行分析，依据基音搜索的结果和带通浊音度来确定子带的性质(清音、浊音或抖动浊音)。合成时，根据各子带的性质和语音强度对噪声、周期脉冲和非周期脉冲进行滤波求和，结果作为激励源。采用混合激励，可以减少合成语音中的蜂鸣声。在编码部分，编码器对LPC逆滤波得到的残差信号进行傅立叶变换，取其前10次谐波的值，量化后传到对端，用以合成周期脉冲。这样有助于提高合成语音的自然度。算法使用一个基于谱平整的三角脉冲的固定脉冲散布滤波器对合成语音进行后处理。这是考虑到人在发浊音时，气流通过声门裂，产生一系列的声门脉冲，声门脉冲激励声道发声。由于人说话的特点，声门不可能完全关闭，这样，除了主要的声门脉冲以外，还有许多的次要脉冲。它能让激励信号的能量散布于整个基音周期之内。这使合成语音在非共振区与原始语音有更好的波形匹配，有助于消除合成语音中的一些刺耳的噪声。全极点模型削弱了共振峰的特征，使得合成语音同自然语音相比，在基音周期点间的幅度值更小，这将影响合成语音的质量。为了使合成语音与自然语音在共振区有更好的波形上的匹配，引入自适应谱增强滤波器，可以使合成语音更自然。2. OFDM自适应调制
水声通信系统的目的在于高速、可靠地将信源信息经过海洋水声信道传输到信宿。但声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多径效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干扰。为了对抗信道的时变多径衰落特性，本发明 OFDM技术。2. 1 OFDM:
OFDM传输中将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速数据流， 调制到每个子信道上进行传输。正交信号在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此信号衰落可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。OFDM基本原理如说明书附图1和2所示。OFDM具有以下特点
①将高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小多径信道时间弥散所带来的码间干扰；
②OFDM系统中各子信道的频谱相互重叠，从而可以最大限度地利用宝贵的频谱资
源；
③对于子载波数很大的系统，各子信道中的正交调制解调可以采用快速傅里叶变换 (FFT，Fast Fourier Transformation)来实现；
④窄带干扰只能影响到一小部分的子载波，因此OFDM系统在某种程度上可以抵抗窄带干扰；
⑤可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统整体性能。2.2自适应调制
自适应调制系统仅适用于进行双工通信的两个通信实体间。发射机根据预计的信道质量状况选定最优的调制方式进行数据传输。当前信道的质量可以直接由上次传输反馈的信道质量状况代替(对慢变信道)，也可以根据前 N次传输反馈的信道质量信息，根据其变化规律预估计出当前信道质量状况(对于变化连续的快变信道)。当信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时，采用低阶的调制方式以保证系统的误码率要求。不同进制的MPSK(Multiple Phase Shift Keying,多进制数字相位调制又称多相制或多相移键控)和MQAM (Multiple Quadrature Amplitude Modulation，多进制正交幅度调制)信号采用相干解调时，系统误比特率分别为
其中，Jkf为调制阶数
权利要求
1.一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，包括以下步骤数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
2.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，依据信道估计，在信道状况较好的子信道上采用较高的编码速率和高阶的调制方式，在信道状况相对较差的子信道上采用相对较低的编码速率和低阶的调制方式。
3.根据权利要求1所述的速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，所述信道估计步骤为每次发送端与接收端建立连接后发送数据前的步骤。
4.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，所述数字语音编码步骤采用混合激励线性预测编码方法进行信源编码。
5.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，信道估计采用最小均方误差准则。
6.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于， 所述数字语音编码步骤采用四种供选择的编码速率，依次为M00bpS、1200bpS、600bpS及 300bps，数字语音信号发送端根据反馈的信道估计自适应地选择语音编码速率。
全文摘要
本发明公开了一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，包括以下步骤数字语音编码；调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。依据本发明能够实现不同水声信道条件下不同编码速率的语音传输。
文档编号G10L19/00GK102402986SQ20111042874
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者姜竞赛, 李晔, 樊燕红, 郝秋赟, 马晓凤 申请人:山东省计算中心