单边带水下语音信号处理平台设计与实现

2014-02-06殷敬伟

中国电子科学研究院学报 2014年5期

韩笑，刘冰，殷敬伟，黄硕

(1. 哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨 150001)

0 引言

单边带通信具有较高的带宽利用率和发射效率，并且拥有稳定的通信效果，普遍应用于海洋科学研究、海洋资源开发、水下军事对抗等领域[1]，载人潜水器“蛟龙”号便是采用的单边带调制技术实现的水声通信[2]。

在某些情况下，会要求潜水员在浅海进行水下作业。在水下能见度有限的条件下，语音通信是最直接、最有效的通信方式。因此，在浅海复杂水声信道环境下，实现高质量的语音通信，是水下工作人员顺利完成既定任务的重要前提[3]。目前实现语音通信主要方式有OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、拼音编码和单边带三种。OFDM方式突出优点在于传输速率高，并且能够有效抵抗码间干扰和信道选择性衰落，但必须有语音压缩模块作为辅助，系统相对复杂[4]。拼音编码方式的特点是在通信接收端合成，语音清晰，不易受环境噪声的影响；但是拼音编码技术语料库的建立相对复杂[5]。与这两种方式相比，单边带方式具有功耗较低、实现简便并能较好保留原始语音音色和音调的优势，更适合浅海中短距离内蛙人之间通信。

下面介绍的水下语音信号处理平台采用了单边带的调制方式。研究内容围绕水下语音信号处理平台的总体设计思想、硬件电路设计和软件算法实现展开，并加以电联调，以及水池实验进行验证。结果表明该平台在较复杂水声环境下能保持良好的通信效果，可以应用于浅海蛙人通信。

1 单边带调制技术原理

目前，单边带调制技术主要有三种：滤波法、移相法、维弗法。

滤波法先加载波产生双边带调制信号，再对其滤波，滤掉上边带或下边带后便可得到单边带调制信号[6]。滤波法是原理最为简单、应用最为常见的方法，其实现原理，如图1所示。其中，H(ω)表示的是滤波器的传输函数。

图1 滤波法单边带信号调制

理想情况下，H(ω)为式(1)或式(2)所示，

(1)

(2)

因此，SSB信号可表示为

VSSB(ω)=VDSB(ω)·H(ω)

(3)

然而在实际中，滤波器在载频ωc处并不能达到式(1)和式(2)中描述的理想情况。任何滤波器都会有一定的过渡带，而且过渡带相对载波频率的归一化的值越小，滤波器实现起来就越难。语音信号在频域的过渡带很小，上述滤波器难以实现。因此，滤波法在某种程度上来说，是有局限性的。

移相法先利用相移网络对载波信号和输入信号分别相移适当相位，再使原始输入信号与原始载波信号、相移后的输入信号与相移后的载波信号分别相乘，最后将两个相乘后的信号相加或相减，抵消一个边带信号，进而获得SSB信号[6]。其原理如图2所示。其中，Hk(w)为相移网络。

图2 移相法单边带信号调制

下面将推导用移相法产生单边带调制信号的过程。语音信号的时域表达式较为复杂，推导比较困难，为了方便起见，先以单频信号为例，然后再推广到一般情况。

设单频信号为m(t)=A0cosω0t，则图2上面支路结果可表示为

V1(t)=A0cosω0t·cosωct

(4)

V2(t)=A0sinω0t·sinωct

(5)

因而可以得到：

VSSB(t)=A0cosω0tcosωct±A0sinω0tsinωct

(6)

当符号为“-”时，是上边带，输出的表达式为

VSSB(t)=A0cos(ω0+ωc)t

(7)

当符号为“+”时，是下边带，输出的表达式为

VSSB(t)=A0cos(ω0-ωc)t

(8)

上述推导结果虽然是基于输入信号为信号的情况，但它具有一定的代表性。这是因为任何输入信号可以当做多个单频信号的和差来处理。

移相法不刻意要求滤波器具有陡峭的过渡带，无论载波频率高低，均可一次实现单边带调制，这是优于滤波法的一个方面。然而，移相法对宽带相移网络Hh(ω)的精度要求非常高。该网络必须对输入信号m(t)的所有频率分量分别精确相移π/2，对此即使做到近似也是很困难的[6]。

维弗法首先使输入信号分别与一对正交预载波(通常使用位于边带正中间的频率)相乘，再对其分别进行低通滤波(截止频率为输入信号最高频率的1/2)，然后用一对正交二级载波把滤波后信号的频谱搬移到理想的位置，最后使两路信号相加或相减完成调制。整个过程如图3所示。

图3 维弗法单边带信号调制

与移相法相同，维弗法的理论推导仍然以单频信号为例。设f(t)=A0cosω0t，ωm为语音信号的最高频率。

下面以二级载波取“+”且y(t)=V13+V23为例，进行推导。先推导上面支路，则有：

(9)

经过低通滤波器，有

(10)

经过二级载波，得到

(11)

同理可得下面支路的推导结果为

(12)

式(11)与式(12)相加，得

(13)

同理可得其他情况的结果，

当二级载波取“+”且y(t)=V13-V23时，

(14)

当二级载波取“-”且y(t)=V13+V23时，

(15)

当二级载波取“-”且y(t)=V13-V23时，

(16)

与移相法推导过程相类似，仍然可以将任意一个输入波形看作许多正弦信号之和，从而得到相应的结果。

维弗法对于滤波器过渡带带宽的要求不苛刻[6]，而且避开了使用相移网络，克服了滤波法和移相法中在实际应用中的缺陷，是目前调制语音信号最理想的单边带调制方法，因此，研究中选取了维弗法来实现单边带水下语音通信。

2 硬件设计

水下语音通信系统主要包括发射部分、信道传播部分和接收部分，其总体框架如图4所示。

图4 水下语音通信系统框图

发送端用话筒实现语音信号的声电转换，将原始语音信息转变成电信号送入AD中进行模数变换，产生的数字信号送入单边带调制模块调制到一定频率的载波上，最后经过D/A转换成模拟声信号后送往功率放大模块放大，经由发射换能器转化为声信号；接收端与发送端是一个相反的过程，信道传输的接收信号经放大、滤波、增益控制和AD采样过程后，实现信号的解调，最后通过D/A回放语音信号。

单边带调制解调是整个通信系统的关键。由于单边带调制与解调互为逆过程，下面仅以调制过程为例介绍。单边带水下语音通信的实现框图，如图5所示。主要包括信号处理模块、A/D和D/A模块和电源模块三个部分。

图5 硬件框图

原始音频信号首先进入TLV320AIC23(以下简称AIC23)由模拟信号转换成数字信号，然后被送入TMS320VC5509A(以下简称VC5509A)进行单边带调制，最后经AIC23转换成模拟信号作为调制信号输出。VC5509A是TI公司生产的一款16位定点的DSP芯片。芯片内置多个特定功能的模块，如I2C、McBSP、DMA等。在与其配置的寄存器中预先赋值，便可根据要求启动相应的功能，方便快捷，执行效率高。I2C模块用于配置AIC23，McBSP模块用于VC5509A和AIC23之间的数据传输，而DMA模块则用于VC5509A片内数据传输。

AIC23是TI公司推出的一款Codec芯片，集成了较高性能的A/D模块和D/A模块，这两个模块具有多种采样频率，非常适合采集转换语音信号。AIC23还设有专门与DSP配合的接口，方便与DSP配合使用。

单边带水下语音信号处理平台，采用电池供电。AIC23和VC5509A都具有较低功耗，与采用其他器件相比，在电池电量一定的情况下，采用该芯片能够使信号处理平台维持更长的工作时间。

3 软件设计

软件实现方案如图6所示。

图6 发射部分软件实现框图

程序首先对PLL、I2C、DMA、McBSP等片内外设进行设置；然后控制AIC23对语音进行采集和预处理；接着又通过McBSP将数字信号录入，DMA0对数据进行乒乓操作，与此同时CPU对数据进行单边带调制处理；最后由DMA1将调制后的信号通过McBSP进行输出[7]。

采取的数据传输形式为乒乓数据传输形式。其优势在于，能使数据缓冲与数据处理同时进行，从而实现整个数据流的无缝传输。乒乓数据传输流程为：首先设置一个标志位Flag，根据Flag的奇偶性将输入数据分配到两个缓冲区PING或者PONG。当Flag为奇数时，数据被存入缓冲区PING，同时缓冲区PONG中数据被送进处理器运算处理。同理当Flag为偶数时，数据被存入缓冲区PONG，同时缓冲区PING中数据被送进处理器运算处理。

低通滤波器在实现单边带调制解调的过程中起着至关重要的作用，该研究使用MATLAB软件中的FDAtool工具箱对数字滤波器进行设计。实际应用中，由滤波器设计得到的系数将被量化到有限位数实现。如果字长不够长，容易使滤波效果变差。特别是用直接型实现高阶的IIR滤波器时，甚至会出现无法滤波的情况。因此，高阶IIR滤波器，通常采用级联形式。

在C语言实现数字滤波的过程中，C55x Dsplib库的运用能使程序代码简化并提高运行效率。该研究采用了C55x Dsplib库函数中的iircas5滤波器函数。需要注意的一点是，iircas5滤波器函数的输入、输出和滤波器系数必须都是DATA类型，而由MATLAB设计出的滤波器系数是双精度浮点型，这就需要我们在使用前对其进行必要的转换，使其成为Q15格式的数。

4 实验分析

为了验证单边带水下语音信号处理平台的可靠性，对其进行电联调实验。将事先录制好的语音文件导入Cool Editer软件，观察其时域波形，如图7所示。

图7 原始语音信号时域波形图

从整个语音信号中截取一段(所有截取信号的位置都与本段音频截取位置相对应)，使用MATLAB对其时频分析，得到结果如图8所示，图中红色部分代表语音信号能量较为集中，可以看出，语音信号的能量主要集中在5 kHz以下。

图8 原始语音信号截取部分的时频分析图

将实验电路板作为发射端，把PC机中录制完成的语音文件通过音频线输入实验板，实验板音频输出端接入PC机，使用Cool Editer软件录制其时域波形如图9所示。

图9 调制信号时域波形图

截取其中一段音频进行时频分析，得到如图10所示结果。可以看出，经过调制后的信号能量集中在6 k～9 kHz之间，产生了明显的频谱搬移的现象，信号调制成功。

图10 调制信号中截取部分的时频分析图

将实验电路板作为接收端，把PC机中录制完成语音文件的调制音频文件通过音频线输入实验板，将经过解调的信号接入PC机，录制时域波形如图11所示。

图11 解调信号时域波形图

截取其中一段音频进行时频分析，得到如图12所示结果。可以看出，信号能量集中在4 kHz以下，与原始信号能量分布基本相同。

图12 解调信号中截取部分的时频分析

使用耳机收听解调后的语音信号，能清楚收听到与原始语音信号相同的内容，电联调测试结果验证了该语音平台硬件电路以及调制和解调算法的正确性。

为了进一步验证单边带水下语音信号处理平台在实际水声信道中的工作性能，于哈尔滨工程大学信道水池进行了水池实验研究。发射换能器和水听器均吊放于水下约2 m处，二者之间距离约为4 m。实验时所用到的发射换能器和接收水听器,如图13和图14所示，其中发射换能器频带范围2～8 kHz；接收水听器为B&K公司的8105。