水下語音通信系統的實時實現*

姜衛東 李 霞

(海軍指揮學院信息系1) 南京 211800)(東南大學信息科學與工程學院2) 南京 210096)

1 引言

隨著開發和利用海洋步伐的加快,水下數字通信技術研究越來越受到人們的重視[1～2]。尤其是在水下蛙人潛水、飽和潛水、對潛通信等場合,語音通信是最直接的通信手段。利用聲波進行水下數字語音通訊就必須對語音信息進行大幅度的壓縮,即通過語音進行信源壓縮編碼實現高速的水聲通信。采用數字化的語音壓縮編碼方法能夠將數據率壓縮到1.2～9.6kbps左右甚至更低,因而在水下實現中遠程數字語音通訊已成為可能。

線性預測編碼方法的主要貢獻在于用它來給出語音的基本模型的精確性和較高的壓縮率,該算法已經廣泛應用于水下數字語音傳輸系統,其中有代表性的是法國研制的碼激勵線性預測(CELP)實驗系統,該語音通信系統利用CELP編碼算法對語音進行壓縮,能以6kbps的數據率進行實時水池語音通信,采用的調制方法為4-DPSK。

英國Loughborough大學[3]提出了一種應用于水下語音通信的新技術。語音信號采用線性預測編碼,數字脈沖位置調制[4～5]技術,該系統在水池進行了試驗,已經取得初步效果。本文在分析G.723.1編解碼算法的基礎上,設計了基于G.723.1編解碼算法的水下語音通信系統,對水聲通信系統中的發射和接收部分進行了實時實現研究,通過仿真,完成了編碼調制、均衡和解調在硬件系統上的實時實現。

2 G.723.1編解碼算法

對語音數字信號進行壓縮,可提高傳輸效率以及傳輸的安全性。常見的語音編碼算法有線性預測編碼、多脈沖激勵線性預測編碼等。

ITU-T G.723.1協議是多媒體通訊終端標準H.324的重要組成部分,有5.3kbps[6]和6.3kbps[7]兩種數碼率,并可在語音幀的邊緣進行切換。幀內采用線性預測分析合成技術編碼,6.3kbps聲碼器的激勵信號采用多脈沖最大似然量化,5.3kbps聲碼器的激勵信號采用代數碼本激勵線性預測技術量化。G.723.1的解碼也按幀進行。

圖1和圖2分別為編碼器及解碼器的原理框圖[8]。從線路上來的壓縮語音碼流首先被分解為各個部分,然后分別進行線譜對解碼和插值,得到該幀的線譜對參數,再將其轉換為線性預測系數,即為合成濾波器系數。然后進行基因和激勵脈沖解碼,得到合成濾波器的激勵信號,即線性預測的參差信號。最后對解碼后的激勵信號進行基音后置濾波后輸入到線性預測合成濾波器中得到合成的語音信號,再將該信號經過共振峰后置濾波和增益控制后輸出,形成最終的語音信號。

3 水下語音通信系統的實現

根據G.723.1編解碼算法的原理,本系統在詳細仿真的基礎上,進行了相應的硬件實現。采用的實現框圖如圖3所示。數據發射功能主要由一片數字信號處理器TMS320C5402來完成。水聲通信的信息傳送通常是按“幀”來進行的,本系統中數據幀的結構如圖4所示。

圖3 水下語音通信系統方框圖

圖4 數據幀格式

幀同步信號與學習碼之間需有一定的時間間隔Td,其長度要大于信道的最大時延擴展,以免幀同步信號的多途影響自適應均衡器的收斂。本文使用的幀同步信號是線性調頻脈沖,接收端使用拷貝相關器對其進行檢測,從而為后面的數據接收提供采樣定時。

在本系統中,數據接收處理功能也是由一片數字信號處理器TMS320C5402來完成的。首先,對由C5402的#0號緩沖串口接收到的數據幀信號不斷地作拷貝相關運算,找到相關峰以確定數據的起始位置,作相應的延遲后,進行均衡器的學習,當均衡器經過學習碼的學習達到收斂后,對傳送的數據信息進行解調、均衡和解碼等處理,最后將處理后的數字比特信息以字節為單位送到語音編碼器中,由語音編碼器對數字信息進行解壓縮,最終恢復出語音信息。

圖5 接收信號的頻譜圖

圖5為發射機與接收機相距1公里時的接收數據的頻譜圖,圖6為對接收數據進行同步檢測的相關峰,圖7為解調后的恢復信號的星座圖。

從數據的處理結果中可以看到,本系統能很好地完成數據的發送、接收及處理,圖7表明通過系統的均衡及相位補償技術能較好地恢復原發送數據。

4 結語

本文設計了水下語音通信系統,對水聲通信系統中的發射和接收部分進行了實時實現研究,并在仿真試驗基礎上,完成了編碼調制、均衡和解調在硬件系統上的實時實現。通過對試驗數據的處理驗證了本系統的可行性。如何更有效地提高信息的壓縮效率為大數據量、高速率的水聲通信提供支持還有待于今后的繼續研究。

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[7]王仁華,徐超,戴禮榮.ITU-T G.723.1雙速率語音編解碼器定點DSP實現[J].信號處理,1997,9(13):199～206

[8]劉嘉勇,方勇,朱立東,等.一種低碼率聲碼器系統的設計及實現[J].四川大學學報,1996,36(3):112～117