語(yǔ)音通信是人與人交流的最直接手段。隨著人們對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用，岸基人員與水下平臺(tái)、水下潛水員間的實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸變得更為迫切。對(duì)于多徑嚴(yán)重的水聲信道，其可用頻帶窄，水聲通信的信息傳輸速率往往只有幾百比特每秒到幾千比特每秒。因此，為了更直接可靠地傳遞指揮、命令等重要信息，研究實(shí)現(xiàn)水下實(shí)時(shí)數(shù)字語(yǔ)音通信機(jī)具有重要價(jià)值。

    本文在已經(jīng)構(gòu)建好的LDPC-OFDM水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入語(yǔ)音壓縮算法MELP，在ARM+DSP嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了水下實(shí)時(shí)數(shù)字語(yǔ)音通信樣機(jī)。該樣機(jī)有別于國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)通信機(jī)，無(wú)需PC機(jī)參與即可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且用軟件語(yǔ)音壓縮算法取代硬件聲碼器，大大提高了系統(tǒng)的靈活性，降低了開(kāi)發(fā)成本。水池實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)字語(yǔ)音通信樣機(jī)設(shè)計(jì)方案合理可行，并取得了滿意的語(yǔ)音通信效果。
1 關(guān)鍵技術(shù)
    本文設(shè)計(jì)的水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)主要由語(yǔ)音編解碼模塊、語(yǔ)音壓縮解壓縮模塊、信道糾錯(cuò)編解碼模塊、OFDM調(diào)制解調(diào)模塊以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。發(fā)送端通過(guò)話筒將語(yǔ)音聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)由CODEC編碼成為數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，即語(yǔ)音碼流。通過(guò)語(yǔ)音壓縮模塊減少語(yǔ)音碼流的冗余信息，產(chǎn)生低速碼流，壓縮后需要經(jīng)過(guò)信道糾錯(cuò)編碼，以提高系統(tǒng)傳輸可靠性。之后將信息碼流經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制到系統(tǒng)頻帶上，已調(diào)信號(hào)加上同步信號(hào)成幀后送入發(fā)射換能器經(jīng)過(guò)信道發(fā)射出去。接收部分將接收到的微弱信號(hào)經(jīng)由低噪放大電路送至A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，后經(jīng)發(fā)送端的一系列逆過(guò)程完成語(yǔ)音信號(hào)的還原播放。

    本實(shí)時(shí)數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)主要包括OFDM調(diào)制解調(diào)、信道編碼及語(yǔ)音壓縮三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)
    OFDM以其頻譜利用率高、抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)以及基于離散傅立葉變換的OFDM有快速算法、OFDM采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)、易用DSP實(shí)現(xiàn)[1]等優(yōu)點(diǎn)而成為水聲通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)水聲信道的特點(diǎn)，構(gòu)建的基帶OFDM通信系統(tǒng)幀格式如圖2所示。

    幀同步信號(hào)與數(shù)據(jù)之間需有一定的保護(hù)間隔，其長(zhǎng)度要大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，以免幀同步信號(hào)的多徑效應(yīng)影響數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用粗、細(xì)兩級(jí)同步。粗同步信號(hào)采用DDS(Direct Digital Synthesis)直接數(shù)字合成技術(shù)產(chǎn)生5個(gè)單頻信號(hào)；細(xì)同步信號(hào)采用線性調(diào)頻信號(hào)。接收端最先通過(guò)捕獲電路獲得粗同步，然后采用拷貝相關(guān)器進(jìn)行細(xì)同步信號(hào)的檢測(cè)，從而保證OFDM系統(tǒng)有準(zhǔn)確的定時(shí)同步。該系統(tǒng)信息調(diào)制采用QPSK映射方式。詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。
1.2 信道編碼
    在水聲通信中的信道是高噪聲、多徑干擾嚴(yán)重的環(huán)境，為增加信號(hào)在信道中傳輸?shù)目煽啃裕仨毑捎眉m錯(cuò)編碼技術(shù)。本系統(tǒng)中采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)有兩個(gè)目的：一是解決由信道白噪聲所產(chǎn)生的隨機(jī)性差錯(cuò)；二是解決由脈沖干擾所引起的突發(fā)性差錯(cuò)。目前，信道糾錯(cuò)編碼方案中比較好的兩種選擇是Turbo碼和低密度奇偶校驗(yàn)碼LDPC(Low Density Parity Check)，理論已經(jīng)證明利用迭代譯碼的LDPC碼性能接近Shannon限[3]，并且具有較好的抗突發(fā)噪聲的特性?；谝陨蠋c(diǎn)考慮，本系統(tǒng)采用一種新型的水下數(shù)據(jù)傳輸糾錯(cuò)編碼QC-LDPC(Quasi Cyclic LDPC碼，也稱準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼)。在LDPC譯碼過(guò)程中，使用Normalized BP-based算法，不僅硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且在效率和性能方面也都具有一定的優(yōu)勢(shì)[4]。前期研究表明加入LDPC信道編碼的OFDM水聲通信系統(tǒng)的誤碼率可低至10-3以下。這為OFDM水聲通信的實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸?shù)於肆己玫幕A(chǔ)。
1.3 語(yǔ)音壓縮
      美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)MELP2.4(Mixed Excited Linear Prediction 2.4 kb/s)具有出色的語(yǔ)音質(zhì)量和低速的壓縮比特流等優(yōu)點(diǎn)，并考慮到LDPC-OFDM水聲通信系統(tǒng)的傳輸速率，因此將其應(yīng)用在本文構(gòu)建的系統(tǒng)中。該算法中一幀語(yǔ)音長(zhǎng)度為22.5 ms，編碼后每幀包含54 bit，最后補(bǔ)充2 bit至56 bit以便于字節(jié)傳輸[5]。實(shí)驗(yàn)表明，在嵌入式上移植經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的MELP2.4算法完全可以滿足實(shí)際的工程需要。該算法對(duì)誤碼率的容忍度是10-3[6]，在此容限下保證恢復(fù)出來(lái)的語(yǔ)音具有良好的可懂度和較好的自然度。而加入LDPC信道編碼的OFDM調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率大于2.4 kb/s，可以很好地與該語(yǔ)音壓縮算法相匹配。
    綜合上述關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了基于LDPC-OFDM技術(shù)的水下實(shí)時(shí)語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)，并在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究和水池實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該水聲通信系統(tǒng)方案的可行性。
2 樣機(jī)實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件實(shí)現(xiàn)
    本文構(gòu)建的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信系統(tǒng)以ARM+DSP雙核處理器為核心搭建而成。DSP采用TMS320DM642處理器芯片，它具有優(yōu)越的數(shù)字信號(hào)處理能力，其主頻高達(dá)600 MHz，最大指令執(zhí)行速度是4 800 MIPS，主要負(fù)責(zé)LDPC碼的信道編譯碼、OFDM信號(hào)調(diào)制解調(diào)等工作。嵌入式系統(tǒng)則采用ARM架構(gòu)的S3C2440芯片，它的主頻為400 MHz，主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音采集播放、語(yǔ)音壓縮編解碼以及其他數(shù)據(jù)、圖像等多媒體數(shù)據(jù)的采集、控制等工作。圖3所示為OFDM水聲通信樣機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。其中，CODEC負(fù)責(zé)音頻信號(hào)的編解碼，攝像頭完成圖像采集功能，顯示屏則實(shí)現(xiàn)圖像的還原顯示和系統(tǒng)的誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示等。在硬件接口設(shè)計(jì)上，ARM處理器S3C2440內(nèi)置的I2S總線接口直接外接16 bit的立體聲CODEC，收、發(fā)兩端的ARM與DSP之間通過(guò)SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的高速傳輸，ARM自帶SPI接口，DSP則采用兼容SPI協(xié)議的多通道緩沖串口McBSP1，另一個(gè)多通道緩沖串口McBSP0用于控制D/A和A/D。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)
    在軟件設(shè)計(jì)上，語(yǔ)音采集、播放部分采用具有阻塞讀寫功能的ALSA音頻編程體系實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音幀的準(zhǔn)確可靠采集、播放。MELP語(yǔ)音幀逐幀壓縮，每87幀封裝成一個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀經(jīng)由SPI協(xié)議傳送給DSP完成LDPC信道編碼和OFDM調(diào)制并進(jìn)行D/A發(fā)送，保證發(fā)送端數(shù)據(jù)流的流水線傳輸發(fā)送。接收端一旦檢測(cè)到DDS粗同步信號(hào)，DSP就啟動(dòng)A/D接收，繼而完成OFDM解調(diào)和LDPC信道糾錯(cuò)譯碼，譯碼后還原的語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀經(jīng)由SPI協(xié)議傳送至ARM并進(jìn)行逐幀解壓播放。整個(gè)過(guò)程不斷地循環(huán)流水工作。系統(tǒng)按語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀方式傳輸，以保證收、發(fā)兩端數(shù)據(jù)流連續(xù)有序地傳送。收發(fā)ARM、DSP的程序流程如圖4～圖7所示。

3 水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本系統(tǒng)于2012年7月9日在廈門大學(xué)水聲通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行試驗(yàn)。水池布設(shè)：長(zhǎng)=4.3 m，寬=2.9 m，高=2.0 m；采用柱形換能器完成信號(hào)的發(fā)射和接收，收發(fā)換能器相距3.6 m，其在水池中呈等深度吊放，離水面1.0 m。
    圖8上部分所示為發(fā)送信號(hào)波形，下部分為經(jīng)過(guò)信道傳輸后的接收信號(hào)在低信噪比下恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形圖。從圖上可以看出，接收信號(hào)具有較低的信噪比，受水池四壁反射的影響，信道多徑干擾嚴(yán)重。對(duì)比收發(fā)信號(hào)可知，接收信號(hào)呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，有用信號(hào)基本上淹沒(méi)在噪聲中，經(jīng)過(guò)信道糾錯(cuò)譯碼后可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼傳輸。通過(guò)實(shí)時(shí)通話試聽(tīng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有良好的實(shí)時(shí)性和語(yǔ)音恢復(fù)性能，并且能分辨出不同說(shuō)話人的聲音。

    設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OFDM的水下實(shí)時(shí)數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.4 kb/s。通過(guò)水池試驗(yàn)，測(cè)試了該系統(tǒng)語(yǔ)音通信的實(shí)時(shí)性和語(yǔ)音可懂度性能，實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信效果理想，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。今后將通過(guò)海試進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 范庭琿.基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的水聲語(yǔ)音通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息(科學(xué)教研)，2008(10)：55-56.
[2] 王德清.OFDM高速水聲通信系統(tǒng)的DSP實(shí)現(xiàn)及同步技術(shù)研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2005.
[3] MACKAY D J C，NEAL R M.Good codes based on very  sparse matrices[C].Cryptography and Coding 5th IMA  Conference，Cirencester，UK.1995：100-111.
[4] 白櫟旸.LDPC碼及其在淺海OFDM水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究和DSP實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué)，2011.
[5] DANIEL E J，TEAGUE K A.Federal standard 2.4 kb/s  MELP over IP[C].Proceedings of the 43rd IEEE Midwest  Symposium on Circuits and Systems，2000：568-571.
[6] 杜利剛.基于MELP的水聲語(yǔ)音傳輸及語(yǔ)音隱蔽通信的研究和實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué)，2011.