基于差分正交頻分復(fù)用的水下語音通信應(yīng)【推薦論文】

1、基于差分正交頻分復(fù)用的水下語音通信應(yīng)用研究殷敬偉，王馳，白夜，生雪莉5（哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150001）摘要：將差分 ofdm 水聲通信技術(shù)與混合激勵線性預(yù)測語音編碼技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn) 差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)，能夠有效地對抗多途干擾，具有低峰均比、高傳輸速率等 優(yōu)點，能夠滿足水下語音通信的速率要求。使用不同編碼效率的信道編碼，對系統(tǒng)的抗干擾 能力進行了仿真，得到對應(yīng)的信噪比和誤碼率的關(guān)系曲線，指出了編碼效率的損失可提高系10統(tǒng)的魯棒性。對不同碼率卷積碼下的差分 ofdm 水下語音通信進行了湖試研究，并在 1/3 碼率卷積碼下比對采用塊狀導(dǎo)頻的 ofdm 水

2、下語音通信，給出了相應(yīng)的合成語言效果，驗 證了系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性；在不同通信距離上驗證了系統(tǒng)的魯棒性。關(guān)鍵詞：水聲通信；差分 ofdm；語音通信；信道編碼中圖分類號：tb56715application of differential orthogonal frequency divisionmultiplexing in underwater speech communicationyin jingwei, wang chi, bai ye, sheng xueli(science and technology on underwater acoustic laboratory, harb

3、in engineering university,20harbin 150001)abstract: the differential ofdm technique and mixed excitation linear prediction speech encoding technique are combined in a system. the system could be against multi-interference effectively, has advantages including low papr and high bit rate, and meets th

4、e requirement of underwater speech communication rate. using channel codes with different coding efficiency in25the system, the relation curves of ber versus snr were given, which show that loss of coding efficiency could improve the robustness of the system. （3,1,9）convolution-code was selected and

5、compared with (2,1,9) convolution-code in the differential ofdm system, and pilot-added ofdm system was also compared. the results show the feasibility and utility of the differential system. meanwhile, the experiment for the differential system under different distances testifies the30robustness.ke

6、ywords: underwateracoustic communication;differentialofdmtechnique;speech communication; channel coding0引言35水下語音通信技術(shù)已從模擬的單邊帶調(diào)制發(fā)展到數(shù)字語音編碼階段1-3，語音壓縮編碼 和語音合成技術(shù)在水下通信系統(tǒng)中的運用，大大降低了水下語音通信對系統(tǒng)通信速率的要求 3，但受復(fù)雜的水聲信道環(huán)境影響4-5，在接收端語音合成的質(zhì)量不甚理想，因此，需要水 下語音通信系統(tǒng)具有較高的通信速率的同時又有較強的魯棒性。正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division mult

7、iplexing，ofdm）技術(shù)具有強抗多40徑干擾和高頻譜利用率等諸多優(yōu)點4，能夠滿足目前水下語音通信系統(tǒng)至少 2.4kbps 通信速 率的要求。差分 ofdm 技術(shù)采用非相干解調(diào)，無需插入導(dǎo)頻進行信道估計，節(jié)省系統(tǒng)開銷基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51179034，60802060)，黑龍江省自然科學(xué)基金項目(f201109),上海交通 大學(xué)海洋工程國家重點實驗室開放課題（批準號：1007）,水聲技術(shù)重點實驗室基金資助項目（9140c200801210c2001）和哈爾濱工程大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金.作者簡介：殷敬偉，（1980-），男，副教授，主要研究方向：水聲通信，水聲信號

8、處理。e-mail:6，適用于水下語音通信。本文將差分 ofdm 技術(shù)與混合激勵線性預(yù)測（melp）語音編碼 技術(shù)7,8相結(jié)合，設(shè)計差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)，并在該語音通信系統(tǒng)中選用不同編碼 效率的糾錯碼，對其抗干擾能力進行仿真，給出信噪比與誤碼率的關(guān)系，同時在蓮花湖水域45進行了相關(guān)的湖試研究，給出了接收信號的合成語音效果，驗證了差分語音系統(tǒng)的有效性、 優(yōu)越性和魯棒性。1差分 ofdm 基本原理差分 ofdm 采用差分調(diào)制解調(diào)技術(shù)，相比于相干解調(diào)技術(shù)具有較高的頻帶利用率，綜 合性能也較為優(yōu)越。本文差分 ofdm 采用四進制差分相移鍵控（qd

9、psk）調(diào)制方式，利用50本碼元載波相對于前一個碼元載波的不同相位差攜帶不同的 2 比特信息。其載波的初始相位 具有四種可能的取值且間隔相等，如 0、 / 2 、 、 3 / 2 ，相位比特映射關(guān)系采用 gray 碼形式。針對 ofdm 系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)的塊結(jié)構(gòu)特點，存在時域差分和頻域差分兩種形式，差分ofdm 語音通信系統(tǒng)采用時域差分形式，即在相鄰 ofdm 符號間同一子載波上的信息差分55方式。若 i , k 表示編碼映射后差分調(diào)制前第i 個符號第 k 個子載波的相位信息， i ,k 表示差分 調(diào)制后該符號子載波的相位信息，則：發(fā)送信號為i ,k = i ,k + i 1, k（1）60s i

10、,k= ai ,k eji , k（2）考慮水聲信道為緩慢時變信道，ofdm 系統(tǒng)的保護間隔大于最大多途拓展，則接收到第 i 個符號第 k 個子載波的信號 ri ,k 為：ri ,k= h i,k s i ,k+ n i ,k =ai,k hi ,k e j ( i ,k +i ,k ) +n i ,k（3）65式中， hi ,k= hi,ke ji , k 為信道的頻譜響應(yīng)，i,k= i 1,k， n i,k為高斯白噪聲。提取接收信號 ri,k 的相位信息i ,k= i ,k+ i ,k與其前一符號 ri 1,k的相位信息相減，完成差分解調(diào)，即可得到初始相位信息。i,k i 1,k = (i

11、, k + i ,k ) (i 1,k + i 1,k ) = i ,k i 1,k = i ,k（4）70差分 ofdm 相當(dāng)于實時信道估計，有效地糾正了信道多途擴展帶來的相位偏移。通過設(shè)定隨機的參考符號，增強語音編碼后碼字的隨機性，從而降低系統(tǒng)的峰均比。2差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)melp 語音壓縮編碼技術(shù)采用了混合激勵、非周期脈沖、自適應(yīng)譜增強、脈沖整形濾波 等技術(shù)，使得合成語音能更好地擬合自然聲音，同時其抗環(huán)境噪聲能力強、計算復(fù)雜度低，75便于硬件實現(xiàn)。ofdm 技術(shù)采用并行子載波傳輸，具有較高的系統(tǒng)傳輸速率，能夠滿足經(jīng) melp 語音壓縮后的 2.4kbps 語音通信速率要求，

12、所以本文將差分 ofdm 技術(shù)與 melp 語 音編碼技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。圖 1 差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)框圖80fig.1 the block diagram of differential ofdm underwater speech communication系統(tǒng)流程：（1）原始語音信息通過 melp 語音壓縮糾錯編碼量化成二進制比特信息，如圖 2（a） 所示，語音傳輸速率壓縮為 2.4kbps，其中語音參數(shù)包括基音周期、子帶聲強度、抖動系數(shù)、85線性預(yù)測系數(shù)等。（2）對輸入的二進制比特信息進行信道編碼和交織編碼，信道編碼采用

13、卷積碼或 rs 碼；通過串/并轉(zhuǎn)換將編碼后的高速串行比特數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的若干低速比特數(shù)據(jù)流，以 降低時間彌散信道引入的符號間干擾（isi）。（3）利用公式（1）和（2）完成二進制比特信息到頻域信號的差分編碼映射過程。90（4）根據(jù)傅里葉變換自身性質(zhì)，將映射后的復(fù)數(shù)序列共軛對稱地加載在 ofdm 符號上， 隨后經(jīng)過 ifft 變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域信號。（5）添加循環(huán)前綴，使得上一符號的多徑分量不會干擾到下一符號，同時保證子載波 間的正交性。（6）在轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)流上添加線性調(diào)頻（lfm）信號作為同步信號，以便于接收95端的多普勒補償和同步頭檢測，lfm 信號的時延長度和與串行數(shù)據(jù)流間的

14、置空間隔視具體 環(huán)境參數(shù)而定。l（7）經(jīng)水下信道后，在接收端完成與發(fā)射端相反的解碼過程，將輸出二進制比特信息 進行語音解碼得到合成語音，如圖 2（b）所示，通過輸入、輸出二進制比特信息以及合成 語音和原始語音的對比綜合分析系統(tǒng)性能。100105(a) 語音編碼 (b) 語音解碼(a) speech coding (b) speech decoding圖 2 語音編解碼系統(tǒng)框圖fig.2 the block diagram of speech decoding system3仿真研究及湖試3.1 計算機仿真研究利用 matlab 在計算機上進行仿真，仿真信道為 7 徑多途衰落的聲信道，如圖 3

15、所示。 信源為經(jīng) melp 語音編碼后得到的二進制數(shù)據(jù)。差分 ofdm 系統(tǒng)參數(shù)：采樣頻率為 48khz，110頻率范圍為 28khz，fft 調(diào)制點數(shù)為 4096，子載波數(shù)為 513，循環(huán)前綴長度為 25ms，調(diào)制方式 qdpsk。同步信號采用起始頻率為 2khz、持續(xù)時間為 30ms 的線性調(diào)頻信號；噪聲為 帶限白噪聲。信道編碼分別選用編碼效率為 33.3%的卷積碼（3,1,9），編碼效率為 50%的卷 積碼（2,1,9）、（2,1,7），編碼效率為 60%的 rs 碼（15,9）和編碼效率為 67.7%的 rs 碼（31,22）。糾錯碼仿真性能結(jié)果如圖 4 所示。仿真信道沖激響應(yīng)10.8

16、0.6歸一化 幅度 0.40.20-0.2-0.4115-0.60 0.005 0.01 0.015 0.020.025時延/ s圖 3 仿真信道沖激響應(yīng)fig.3 the simulation acoustic channel不同信道編碼下的系統(tǒng)性能010-110卷積碼（2,1,9） 卷積碼（2,1,7） 卷積碼（3,1,9） rs碼（15,9） rs碼（31,22）-2ber10-310-410120-5103 4 5 6 7 8 9 10snr/ db圖 4 差分 ofdm 系統(tǒng)下不同信道編碼的性能比較fig.4 the relation curves of ber versus snr

17、 in different channel code125如圖 4 所示，給出了在仿真信道條件下使用不同編碼效率信道編碼的信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。無論是 rs 碼還是卷積碼，編碼效率越低，冗余度越大，同等條件下的糾錯能力 越強。在滿足語音通信對系統(tǒng)通信速率的要求條件下，可選擇較低編碼效率的糾錯碼以獲得 較高的編碼增益，改善系統(tǒng)性能。1301353.2 湖試驗證2012 年 8 月在黑龍江省蓮花湖水域進行了試驗研究，試驗水域開闊，水深約 50m。試 驗當(dāng)天晴有多云，微風(fēng)，浪高約 0.1m，聲速梯度分布圖如圖 5 所示，聲速呈負梯度聲速分 布。接收船在湖中心錨定，發(fā)射船在距岸邊約 200m 處錨

18、定，兩船相距 406m，收發(fā)節(jié)點的 換能器吊放深度均約為 6m。系統(tǒng)參數(shù)與仿真參數(shù)相同，信道編碼選用卷積碼（3,1,9）和（2,1,9）。塊狀導(dǎo)頻 ofdm 在時域方向插入導(dǎo)頻模塊進行信道估計，信道估計算法采用最小平方（ls）算法，導(dǎo)頻插 入間隔為 4。語音編碼體制為 melp，編碼后每幀信息為 54bit，碼率為 2.4kbps，語音信息 為“你好中國”。試驗信道條件如圖 6 所示，第一個主要多途集聚出現(xiàn)在直達聲后 2ms 左 右，第二個主要多途集聚在 14ms 左右出現(xiàn)，多途信道環(huán)境惡劣。試驗結(jié)果如表 1 和圖 7 所 示。試驗水域聲速分布圖0510深度 /m152025140301450

19、 1455 1460 1465 1470 1475 1480 1485 1490 1495 1500聲速/ m/s圖 5 聲速梯度分布圖fig.5 the distribution map of velocity gradient信道沖激響應(yīng)歸一化幅度0.20-0.2-0.4-0.6-0.8145-10 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045時延/ s圖 6 湖試信道沖激響應(yīng)fig.6 the lake acoustic channel表 1 湖試結(jié)果table1. the lake experimental re

20、sults卷積碼形 式通信速率/kbps原始誤比特 率糾錯后誤比特 率差分 ofdm（2,1,9）4.698.75%5.19%差分 ofdm（3,1,9）3.138.14%0塊狀導(dǎo)頻ofdm（3,1,9）2.5411.64%0.79%150155(a)原始語音的合成語音(a)the synthetic speech of original speech(b)1/2 碼率卷積碼的差分系統(tǒng)的合成語音(b)the synthetic speech of (2, 1, 9) convolution coded speech in differential system(c)1/3 碼率卷積碼的差分系統(tǒng)

21、的合成語音(c) the synthetic speech of (3 1, 9) convolution coded speech in differential system160165170175180185(d)塊狀導(dǎo)頻系統(tǒng)的合成語音(d) the synthetic speech of (3, 1, 9) convolution coded speech in block pilot added system圖 7 接收語音信號的時域波形和語譜圖fig.7 the time-domain waveform and spectrograms of the received speech

22、 signal從湖試結(jié)果中可以看出，1/3 碼率的卷積碼的通信速率比 1/2 碼率的卷積碼低，但卻有 較強的糾錯能力，誤比特率為 0。在使用相同編碼效率信道編碼的條件下，差分 ofdm 水 下語音通信與采用塊狀導(dǎo)頻的 ofdm 水下語音通信的誤比特率相近，但卻有更低的原始誤 比特率和更高的通信速率。合成語音的時域波形的幅值信息表示語音信號的能量大小，語譜 圖上共振峰表達語音信息。從接收語音信號的時域波形和語譜圖上來看，差分系統(tǒng)中 1/3 碼 率的卷積碼的合成語音信號能量與原始語言一樣，受語音編碼算法限制高頻分量有所丟失， 但語音輸出在清晰度和自然度上與原始語音并無差別；1/2 碼率的卷積碼的合

23、成語音中明顯 引入了能量相對較高的干擾信號，導(dǎo)致語音輸出的清晰度有所降低，自然度遭到了一定的破 壞，但語音內(nèi)容辨析度上并無明顯損失。對于塊狀導(dǎo)頻系統(tǒng)而言，合成語音信號中也有少許 干擾信號存在，盡管不影響語意信息，但其語音輸出在清晰度和自然度上略有影響。湖試結(jié) 果驗證了差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，同時也說明了編碼效率的損失 可以換來通信性能的改善，可根據(jù)實際工程需要選擇相應(yīng)的信道編碼。為了進一步驗證差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)的魯棒性，選取新的語音信息為“哈爾 濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院水聲信號處理研究室”，分別在 434m，1190m 和 2000m 的通信距 離上進行試

24、驗研究，湖試結(jié)果如表 2 和圖 9 所示。從湖試結(jié)果中可以看出，通信距離增加， 接收信噪比降低，誤比特率變大。通信距離為 1190 米時，因其當(dāng)時的通信信道十分良好（如 圖 8 所示），誤比特率反而有所減低。表 2 不同通信距離下的湖試結(jié)果通信距離/m接收信噪 比/db原始誤比特 率糾錯后誤比特 率43416.96.97%0.31%119015.56.0%0.17%200013.012.81%1.66%table2. the lake experimental results in different distances幅度0.20-0.2-0.4-0.6-0.800.01

25、0.020.030.040.050.06時間/s190圖 8 1190 米處通信距離的信道沖激響應(yīng)fig.8 the acoustic channel in the distance of 1190 meters0.8原始語音信 號的時域波形原始語音 信號的語譜圖0.80.2幅度 0-0.2-0.4-0.5頻率 /hz-0.80.1-10 1 2 3 4 5 6700. 5 1 1.5 2 2.5 3采樣點4x 10采樣點4x 10(a)原始語音的合成語音(a)the synthetic speech of original speech

26、合成語音的時域波形（通信距離434m）1合成語音的語譜圖（通信距離434m）0.2頻率/4k hz0.6幅度0 0.5-0.20.4-0.40.3-0.60.2-0.80.1-10 1 2 3 4 5 6700.5 1 1.5 2 2.5 3195采樣點4x 10(b)通信距離 434m 接收信號的合成語音采樣點4x 10(b)the synthetic speech of the received speech in 434 meters distance0.2幅度0-0.2-0.4-0.6-0.8-1合成語音的時域波形（通信距離11

27、90m）01234567頻率/4khz0合成語音的語譜圖（通信距離1190m）0.5 1 1.5 2 2.53采樣點4x 10(c)通信距離 1190m 接收信號的合成語音采樣點4x 10200(c)the synthetic speech of the received speech in 1190 meters distance合成語音的時域波形（通信距離2000m）合成語音的語譜圖（通信距離2000m）0.2頻率 /4khz0.6幅度0 0.5-0.20.4-0.40.3-0.60.2-0.8

28、0.1-10 1 2 3 4 5 6700.5 1 1.5 2 2.5 3采樣點4x 10采樣點4x 10205(d)通信距離 2000m 接收信號的合成語音(d)the synthetic speech of the received speech in 2000 meters distance圖 9 不同通信距離接收語音信號的時域波形和語譜圖fig.9 the time-domain waveform and spectrograms of the received speech signal in different distances210215220從接收語音信號的時域波形和語譜圖上來看，接收信噪比的降低引入了能量相對較高的干擾信號，一定程度上影響了語音輸出的清晰度和自然度，但語音內(nèi)容辨析度上并無明顯損 失。實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)在 2000m 通信距離內(nèi)均有穩(wěn)定的通信能力。4結(jié)論本文將差分 ofdm 技術(shù)與 melp 語音編碼技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出差分 ofdm 水下語音通 信系統(tǒng)，將不同編碼效率的糾錯碼應(yīng)用該系統(tǒng)中，計算機仿真給出了不同信噪比下的糾錯能 力比較，編碼效率越低，冗余度越大，同等條件下的糾錯能力越強。受水下信道通信帶寬窄 的影響，差分 ofdm 水下語音通信系統(tǒng)應(yīng)盡可能選用編碼效率較高的信道編碼，但考慮實 際工程應(yīng)用和指標要求，可在滿足水下