語音通信是人與人交流的最直接手段。隨著人們對海洋資源的開發(fā)利用，岸基人員與水下平臺、水下潛水員間的實時語音傳輸變得更為迫切。對于多徑嚴(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，研究實現(xiàn)水下實時數(shù)字語音通信機(jī)具有重要價值。

    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，加入語音壓縮算法MELP，在ARM+DSP嵌入式平臺上實現(xiàn)了水下實時數(shù)字語音通信樣機(jī)。該樣機(jī)有別于國內(nèi)外已實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)通信機(jī)，無需PC機(jī)參與即可實現(xiàn)人機(jī)交互，并且用軟件語音壓縮算法取代硬件聲碼器，大大提高了系統(tǒng)的靈活性，降低了開發(fā)成本。水池實驗表明，該數(shù)字語音通信樣機(jī)設(shè)計方案合理可行，并取得了滿意的語音通信效果。
1 關(guān)鍵技術(shù)
    本文設(shè)計的水聲語音通信系統(tǒng)主要由語音編解碼模塊、語音壓縮解壓縮模塊、信道糾錯編解碼模塊、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)送端通過話筒將語音聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)由CODEC編碼成為數(shù)字語音信號，即語音碼流。通過語音壓縮模塊減少語音碼流的冗余信息，產(chǎn)生低速碼流，壓縮后需要經(jīng)過信道糾錯編碼，以提高系統(tǒng)傳輸可靠性。之后將信息碼流經(jīng)過OFDM調(diào)制到系統(tǒng)頻帶上，已調(diào)信號加上同步信號成幀后送入發(fā)射換能器經(jīng)過信道發(fā)射出去。接收部分將接收到的微弱信號經(jīng)由低噪放大電路送至A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號，后經(jīng)發(fā)送端的一系列逆過程完成語音信號的還原播放。

    本實時數(shù)字語音通信系統(tǒng)主要包括OFDM調(diào)制解調(diào)、信道編碼及語音壓縮三個關(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來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)、易用DSP實現(xiàn)[1]等優(yōu)點而成為水聲通信領(lǐng)域的研究熱點之一。根據(jù)水聲信道的特點，構(gòu)建的基帶OFDM通信系統(tǒng)幀格式如圖2所示。

    幀同步信號與數(shù)據(jù)之間需有一定的保護(hù)間隔，其長度要大于信道的最大時延擴(kuò)展，以免幀同步信號的多徑效應(yīng)影響數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用粗、細(xì)兩級同步。粗同步信號采用DDS(Direct Digital Synthesis)直接數(shù)字合成技術(shù)產(chǎn)生5個單頻信號；細(xì)同步信號采用線性調(diào)頻信號。接收端最先通過捕獲電路獲得粗同步，然后采用拷貝相關(guān)器進(jìn)行細(xì)同步信號的檢測，從而保證OFDM系統(tǒng)有準(zhǔn)確的定時同步。該系統(tǒng)信息調(diào)制采用QPSK映射方式。詳見參考文獻(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，為增加信號在信道中傳輸?shù)目煽啃裕仨毑捎眉m錯編碼技術(shù)。本系統(tǒng)中采用糾錯編碼技術(shù)有兩個目的：一是解決由信道白噪聲所產(chǎn)生的隨機(jī)性差錯；二是解決由脈沖干擾所引起的突發(fā)性差錯。目前，信道糾錯編碼方案中比較好的兩種選擇是Turbo碼和低密度奇偶校驗碼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考慮，本系統(tǒng)采用一種新型的水下數(shù)據(jù)傳輸糾錯編碼QC-LDPC(Quasi Cyclic LDPC碼，也稱準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼)。在LDPC譯碼過程中，使用Normalized BP-based算法，不僅硬件實現(xiàn)簡單，而且在效率和性能方面也都具有一定的優(yōu)勢[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水聲通信的實時語音傳輸?shù)於肆己玫幕A(chǔ)。
1.3 語音壓縮
      美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)MELP2.4(Mixed Excited Linear Prediction 2.4 kb/s)具有出色的語音質(zhì)量和低速的壓縮比特流等優(yōu)點，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。該算法中一幀語音長度為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]。實驗表明，在嵌入式上移植經(jīng)過優(yōu)化之后的MELP2.4算法完全可以滿足實際的工程需要。該算法對誤碼率的容忍度是10-3[6]，在此容限下保證恢復(fù)出來的語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)的水下實時語音數(shù)字通信系統(tǒng)，并在Matlab平臺上進(jìn)行仿真研究和水池實驗，驗證了該水聲通信系統(tǒng)方案的可行性。
2 樣機(jī)實現(xiàn)
2.1 硬件實現(xiàn)
    本文構(gòu)建的實時語音通信系統(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)語音采集播放、語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)音頻信號的編解碼，攝像頭完成圖像采集功能，顯示屏則實現(xiàn)圖像的還原顯示和系統(tǒng)的誤碼統(tǒng)計結(jié)果顯示等。在硬件接口設(shè)計上，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SPI協(xié)議實現(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，另一個多通道緩沖串口McBSP0用于控制D/A和A/D。

2.2 軟件實現(xiàn)
    在軟件設(shè)計上，語音采集、播放部分采用具有阻塞讀寫功能的ALSA音頻編程體系實現(xiàn)對語音幀的準(zhǔn)確可靠采集、播放。MELP語音幀逐幀壓縮，每87幀封裝成一個語音數(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。接收端一旦檢測到DDS粗同步信號，DSP就啟動A/D接收，繼而完成OFDM解調(diào)和LDPC信道糾錯譯碼，譯碼后還原的語音數(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。整個過程不斷地循環(huán)流水工作。系統(tǒng)按語音數(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 水池實驗結(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實驗室水池進(jìn)行試驗。水池布設(shè)：長=4.3 m，寬=2.9 m，高=2.0 m；采用柱形換能器完成信號的發(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)送信號波形，下部分為經(jīng)過信道傳輸后的接收信號在低信噪比下恢復(fù)的語音信號時域波形圖。從圖上可以看出，接收信號具有較低的信噪比，受水池四壁反射的影響，信道多徑干擾嚴(yán)重。對比收發(fā)信號可知，接收信號呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，有用信號基本上淹沒在噪聲中，經(jīng)過信道糾錯譯碼后可實現(xiàn)無誤碼傳輸。通過實時通話試聽測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有良好的實時性和語音恢復(fù)性能，并且能分辨出不同說話人的聲音。

    設(shè)計并實現(xiàn)了基于OFDM的水下實時數(shù)字語音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.4 kb/s。通過水池試驗，測試了該系統(tǒng)語音通信的實時性和語音可懂度性能，實時語音通信效果理想，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。今后將通過海試進(jìn)一步測試驗證該系統(tǒng)的性能。
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