水下语音通信系统的实时实现*

姜卫东 李 霞

(海军指挥学院信息系1) 南京 211800)(东南大学信息科学与工程学院2) 南京 210096)

1 引言

随着开发和利用海洋步伐的加快,水下数字通信技术研究越来越受到人们的重视[1～2]。尤其是在水下蛙人潜水、饱和潜水、对潜通信等场合,语音通信是最直接的通信手段。利用声波进行水下数字语音通讯就必须对语音信息进行大幅度的压缩,即通过语音进行信源压缩编码实现高速的水声通信。采用数字化的语音压缩编码方法能够将数据率压缩到1.2～9.6kbps左右甚至更低,因而在水下实现中远程数字语音通讯已成为可能。

线性预测编码方法的主要贡献在于用它来给出语音的基本模型的精确性和较高的压缩率,该算法已经广泛应用于水下数字语音传输系统,其中有代表性的是法国研制的码激励线性预测(CELP)实验系统,该语音通信系统利用CELP编码算法对语音进行压缩,能以6kbps的数据率进行实时水池语音通信,采用的调制方法为4-DPSK。

英国Loughborough大学[3]提出了一种应用于水下语音通信的新技术。语音信号采用线性预测编码,数字脉冲位置调制[4～5]技术,该系统在水池进行了试验,已经取得初步效果。本文在分析G.723.1编解码算法的基础上,设计了基于G.723.1编解码算法的水下语音通信系统,对水声通信系统中的发射和接收部分进行了实时实现研究,通过仿真,完成了编码调制、均衡和解调在硬件系统上的实时实现。

2 G.723.1编解码算法

对语音数字信号进行压缩,可提高传输效率以及传输的安全性。常见的语音编码算法有线性预测编码、多脉冲激励线性预测编码等。

ITU-T G.723.1协议是多媒体通讯终端标准H.324的重要组成部分,有5.3kbps[6]和6.3kbps[7]两种数码率,并可在语音帧的边缘进行切换。帧内采用线性预测分析合成技术编码,6.3kbps声码器的激励信号采用多脉冲最大似然量化,5.3kbps声码器的激励信号采用代数码本激励线性预测技术量化。G.723.1的解码也按帧进行。

图1和图2分别为编码器及解码器的原理框图[8]。从线路上来的压缩语音码流首先被分解为各个部分,然后分别进行线谱对解码和插值,得到该帧的线谱对参数,再将其转换为线性预测系数,即为合成滤波器系数。然后进行基因和激励脉冲解码,得到合成滤波器的激励信号,即线性预测的参差信号。最后对解码后的激励信号进行基音后置滤波后输入到线性预测合成滤波器中得到合成的语音信号,再将该信号经过共振峰后置滤波和增益控制后输出,形成最终的语音信号。

3 水下语音通信系统的实现

根据G.723.1编解码算法的原理,本系统在详细仿真的基础上,进行了相应的硬件实现。采用的实现框图如图3所示。数据发射功能主要由一片数字信号处理器TMS320C5402来完成。水声通信的信息传送通常是按“帧”来进行的,本系统中数据帧的结构如图4所示。

图3 水下语音通信系统方框图

图4 数据帧格式

帧同步信号与学习码之间需有一定的时间间隔Td,其长度要大于信道的最大时延扩展,以免帧同步信号的多途影响自适应均衡器的收敛。本文使用的帧同步信号是线性调频脉冲,接收端使用拷贝相关器对其进行检测,从而为后面的数据接收提供采样定时。

在本系统中,数据接收处理功能也是由一片数字信号处理器TMS320C5402来完成的。首先,对由C5402的#0号缓冲串口接收到的数据帧信号不断地作拷贝相关运算,找到相关峰以确定数据的起始位置,作相应的延迟后,进行均衡器的学习,当均衡器经过学习码的学习达到收敛后,对传送的数据信息进行解调、均衡和解码等处理,最后将处理后的数字比特信息以字节为单位送到语音编码器中,由语音编码器对数字信息进行解压缩,最终恢复出语音信息。

图5 接收信号的频谱图

图5为发射机与接收机相距1公里时的接收数据的频谱图,图6为对接收数据进行同步检测的相关峰,图7为解调后的恢复信号的星座图。

从数据的处理结果中可以看到,本系统能很好地完成数据的发送、接收及处理,图7表明通过系统的均衡及相位补偿技术能较好地恢复原发送数据。

4 结语

本文设计了水下语音通信系统,对水声通信系统中的发射和接收部分进行了实时实现研究,并在仿真试验基础上,完成了编码调制、均衡和解调在硬件系统上的实时实现。通过对试验数据的处理验证了本系统的可行性。如何更有效地提高信息的压缩效率为大数据量、高速率的水声通信提供支持还有待于今后的继续研究。

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