基于差分正交频分复用的水下语音通信应【推荐论文】.doc

基于差分正交频分复用的水下语音通信应用研究殷敬伟，王驰，白夜，生雪莉5（哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，哈尔滨 150001）摘要：将差分 OFDM 水声通信技术与混合激励线性预测语音编码技术相结合，设计并实现 差分 OFDM 水下语音通信系统，能够有效地对抗多途干扰，具有低峰均比、高传输速率等 优点，能够满足水下语音通信的速率要求。使用不同编码效率的信道编码，对系统的抗干扰 能力进行了仿真，得到对应的信噪比和误码率的关系曲线，指出了编码效率的损失可提高系10统的鲁棒性。对不同码率卷积码下的差分 OFDM 水下语音通信进行了湖试研究，并在 1/3 码率卷积码下比对采用块状导频的 OFDM 水下语音通信，给出了相应的合成语言效果，验 证了系统的有效性和优越性；在不同通信距离上验证了系统的鲁棒性。关键词：水声通信；差分 OFDM；语音通信；信道编码中图分类号：TB56715Application of Differential Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing in Underwater Speech CommunicationYin Jingwei, Wang Chi, Bai Ye, Sheng Xueli(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory, Harbin 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 the 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 andcompared 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.Keywords: underwateracoustic communication;differentialOFDMtechnique;speech communication; channel coding0引言35水下语音通信技术已从模拟的单边带调制发展到数字语音编码阶段1-3，语音压缩编码 和语音合成技术在水下通信系统中的运用，大大降低了水下语音通信对系统通信速率的要求 3，但受复杂的水声信道环境影响4-5，在接收端语音合成的质量不甚理想，因此，需要水 下语音通信系统具有较高的通信速率的同时又有较强的鲁棒性。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术具有强抗多40径干扰和高频谱利用率等诸多优点4，能够满足目前水下语音通信系统至少 2.4kbps 通信速 率的要求。差分 OFDM 技术采用非相干解调，无需插入导频进行信道估计，节省系统开销基金项目：国家自然科学基金项目(51179034，60802060)，黑龙江省自然科学基金项目(F201109),上海交通 大学海洋工程国家重点实验室开放课题（批准号：1007）,水声技术重点实验室基金资助项目（9140C200801210C2001）和哈尔滨工程大学中央高校基本科研业务费专项基金.作者简介：殷敬伟，（1980-），男，副教授，主要研究方向：水声通信，水声信号处理。E-mail:yinjingwei6，适用于水下语音通信。本文将差分 OFDM 技术与混合激励线性预测（MELP）语音编码 技术7,8相结合，设计差分 OFDM 水下语音通信系统，并在该语音通信系统中选用不同编码 效率的纠错码，对其抗干扰能力进行仿真，给出信噪比与误码率的关系，同时在莲花湖水域45进行了相关的湖试研究，给出了接收信号的合成语音效果，验证了差分语音系统的有效性、 优越性和鲁棒性。1差分 OFDM 基本原理差分 OFDM 采用差分调制解调技术，相比于相干解调技术具有较高的频带利用率，综 合性能也较为优越。本文差分 OFDM 采用四进制差分相移键控（QDPSK）调制方式，利用50本码元载波相对于前一个码元载波的不同相位差携带不同的 2 比特信息。其载波的初始相位 具有四种可能的取值且间隔相等，如 0、 / 2 、 、 3 / 2 ，相位比特映射关系采用 Gray 码形式。针对 OFDM 系统自身数据的块结构特点，存在时域差分和频域差分两种形式，差分OFDM 语音通信系统采用时域差分形式，即在相邻 OFDM 符号间同一子载波上的信息差分55方式。若 i , k 表示编码映射后差分调制前第i 个符号第 k 个子载波的相位信息， i ,k 表示差分 调制后该符号子载波的相位信息，则：发送信号为i ,k = i ,k + i 1, k（1）60S i,k= Ai ,k eji , k（2）考虑水声信道为缓慢时变信道，OFDM 系统的保护间隔大于最大多途拓展，则接收到第 i 个符号第 k 个子载波的信号 Ri ,k 为：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 为信道的频谱响应，i,k= i 1,k， N i,k为高斯白噪声。提取接收信号 Ri,k 的相位信息i ,k= i ,k+ i ,k与其前一符号 Ri 1,k的相位信息相减，完成差分解调，即可得到初始相位信息。i,k i 1,k = (i, k + i ,k ) (i 1,k + i 1,k ) = i ,k i 1,k = i ,k（4）70差分 OFDM 相当于实时信道估计，有效地纠正了信道多途扩展带来的相位偏移。通过设定随机的参考符号，增强语音编码后码字的随机性，从而降低系统的峰均比。2差分 OFDM 水下语音通信系统MELP 语音压缩编码技术采用了混合激励、非周期脉冲、自适应谱增强、脉冲整形滤波 等技术，使得合成语音能更好地拟合自然声音，同时其抗环境噪声能力强、计算复杂度低，75便于硬件实现。OFDM 技术采用并行子载波传输，具有较高的系统传输速率，能够满足经 MELP 语音压缩后的 2.4kbps 语音通信速率要求，所以本文将差分 OFDM 技术与 MELP 语 音编码技术相结合，设计差分 OFDM 水下语音通信系统，系统框图如图 1 所示。图 1 差分 OFDM 水下语音通信系统框图80Fig.1 The block diagram of differential OFDM underwater speech communication系统流程：（1）原始语音信息通过 MELP 语音压缩纠错编码量化成二进制比特信息，如图 2（a） 所示，语音传输速率压缩为 2.4kbps，其中语音参数包括基音周期、子带声强度、抖动系数、85线性预测系数等。（2）对输入的二进制比特信息进行信道编码和交织编码，信道编码采用卷积码或 RS 码；通过串/并转换将编码后的高速串行比特数据流转换成并行的若干低速比特数据流，以 降低时间弥散信道引入的符号间干扰（ISI）。（3）利用公式（1）和（2）完成二进制比特信息到频域信号的差分编码映射过程。90（4）根据傅里叶变换自身性质，将映射后的复数序列共轭对称地加载在 OFDM 符号上， 随后经过 IFFT 变换，将频域信号转换为时域信号。（5）添加循环前缀，使得上一符号的多径分量不会干扰到下一符号，同时保证子载波 间的正交性。（6）在转换后的串行数据流上添加线性调频（LFM）信号作为同步信号，以便于接收95端的多普勒补偿和同步头检测，LFM 信号的时延长度和与串行数据流间的置空间隔视具体 环境参数而定。L（7）经水下信道后，在接收端完成与发射端相反的解码过程，将输出二进制比特信息 进行语音解码得到合成语音，如图 2（b）所示，通过输入、输出二进制比特信息以及合成 语音和原始语音的对比综合分析系统性能。100105(a) 语音编码 (b) 语音解码(a) Speech coding (b) Speech decoding图 2 语音编解码系统框图Fig.2 The block diagram of speech decoding system3仿真研究及湖试3.1 计算机仿真研究利用 Matlab 在计算机上进行仿真，仿真信道为 7 径多途衰落的声信道，如图 3 所示。 信源为经 MELP 语音编码后得到的二进制数据。差分 OFDM 系统参数：采样频率为 48kHz，110频率范围为 28kHz，FFT 调制点数为 4096，子载波数为 513，循环前缀长度为 25ms，调制方式 QDPSK。同步信号采用起始频率为 2kHz、持续时间为 30ms 的线性调频信号；噪声为 带限白噪声。信道编码分别选用编码效率为 33.3%的卷积码（3,1,9），编码效率为 50%的卷 积码（2,1,9）、（2,1,7），编码效率为 60%的 RS 码（15,9）和编码效率为 67.7%的 RS 码（31,22）。纠错码仿真性能结果如图 4 所示。仿真信道冲激响应10.80.6归一化 幅度 0.40.20-0.2-0.4115-0.60 0.005 0.01 0.015 0.020.025时延/ s图 3 仿真信道冲激响应Fig.3 The simulation acoustic channel不同信道编码下的系统性能010-110卷积码（2,1,9） 卷积码（2,1,7） 卷积码（3,1,9） RS码（15,9） RS码（31,22）-2BER10-310-410120-5103 4 5 6 7 8 9 10SNR/ dB图 4 差分 OFDM 系统下不同信道编码的性能比较Fig.4 The relation curves of BER versus SNR in different channel code125如图 4 所示，给出了在仿真信道条件下使用不同编码效率信道编码的信噪比与误码率之间的关系。无论是 RS 码还是卷积码，编码效率越低，冗余度越大，同等条件下的纠错能力 越强。在满足语音通信对系统通信速率的要求条件下，可选择较低编码效率的纠错码以获得 较高的编码增益，改善系统性能。1301353.2 湖试验证2012 年 8 月在黑龙江省莲花湖水域进行了试验研究，试验水域开阔，水深约 50m。试 验当天晴有多云，微风，浪高约 0.1m，声速梯度分布图如图 5 所示，声速呈负梯度声速分 布。接收船在湖中心锚定，发射船在距岸边约 200m 处锚定，两船相距 406m，收发节点的 换能器吊放深度均约为 6m。系统参数与仿真参数相同，信道编码选用卷积码（3,1,9）和（2,1,9）。块状导频 OFDM 在时域方向插入导频模块进行信道估计，信道估计算法采用最小平方（LS）算法，导频插 入间隔为 4。语音编码体制为 MELP，编码后每帧信息为 54bit，码率为 2.4kbps，语音信息 为“你好中国”。试验信道条件如图 6 所示，第一个主要多途集聚出现在直达声后 2ms 左 右，第二个主要多途集聚在 14ms 左右出现，多途信道环境恶劣。试验结果如表 1 和图 7 所 示。试验水域声速分布图0510深度 /m152025140301450 1455 1460 1465 1470 1475 1480 1485 1490 1495 1500声速/ m/s图 5 声速梯度分布图Fig.5 The distribution map of velocity gradient信道冲激响应10.80.60.4归一化幅度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时延/ s图 6 湖试信道冲激响应Fig.6 The lake acoustic channel表 1 湖试结果Table1. The lake experimental results卷积码形 式通信速率/kbps原始误比特 率纠错后误比特 率差分 OFDM（2,1,9）4.698.75%5.19%差分 OFDM（3,1,9）3.138.14%0块状导频OFDM（3,1,9）2.5411.64%0.79%150155(a)原始语音的合成语音(a)The synthetic speech of original speech(b)1/2 码率卷积码的差分系统的合成语音(b)The synthetic speech of (2, 1, 9) convolution coded speech in differential system(c)1/3 码率卷积码的差分系统的合成语音(c) The synthetic speech of (3 1, 9) convolution coded speech in differential system160165170175180185(d)块状导频系统的合成语音(d) The synthetic speech of (3, 1, 9) convolution coded speech in block pilot added system图 7 接收语音信号的时域波形和语谱图Fig.7 The time-domain waveform and spectrograms of the received speech signal从湖试结果中可以看出，1/3 码率的卷积码的通信速率比 1/2 码率的卷积码低，但却有 较强的纠错能力，误比特率为 0。在使用相同编码效率信道编码的条件下，差分 OFDM 水 下语音通信与采用块状导频的 OFDM 水下语音通信的误比特率相近，但却有更低的原始误 比特率和更高的通信速率。合成语音的时域波形的幅值信息表示语音信号的能量大小，语谱 图上共振峰表达语音信息。从接收语音信号的时域波形和语谱图上来看，差分系统中 1/3 码 率的卷积码的合成语音信号能量与原始语言一样，受语音编码算法限制高频分量有所丢失， 但语音输出在清晰度和自然度上与原始语音并无差别；1/2 码率的卷积码的合成语音中明显 引入了能量相对较高的干扰信号，导致语音输出的清晰度有所降低，自然度遭到了一定的破 坏，但语音内容辨析度上并无明显损失。对于块状导频系统而言，合成语音信号中也有少许 干扰信号存在，尽管不影响语意信息，但其语音输出在清晰度和自然度上略有影响。湖试结 果验证了差分 OFDM 水下语音通信系统的可行性和优越性，同时也说明了编码效率的损失 可以换来通信性能的改善，可根据实际工程需要选择相应的信道编码。为了进一步验证差分 OFDM 水下语音通信系统的鲁棒性，选取新的语音信息为“哈尔 滨工程大学水声工程学院水声信号处理研究室”，分别在 434m，1190m 和 2000m 的通信距 离上进行试验研究，湖试结果如表 2 和图 9 所示。从湖试结果中可以看出，通信距离增加， 接收信噪比降低，误比特率变大。通信距离为 1190 米时，因其当时的通信信道十分良好（如 图 8 所示），误比特率反而有所减低。表 2 不同通信距离下的湖试结果通信距离/m接收信噪 比/dB原始误比特 率纠错后误比特 率43416.96.97%0.31%119015.56.0%0.17%200013.012.81%1.66%Table2. The lake experimental results in different distances10.80.60.4幅度0.20-0.2-0.4-0.6-0.800.010.020.030.040.050.06时间/s190图 8 1190 米处通信距离的信道冲激响应Fig.8 The acoustic channel in the distance of 1190 meters0.8原始语音信 号的时域波形原始语音 信号的语谱图10.60.40.90.80.2幅度 0-0.2-0.4-0.60.70.60.5频率 /Hz0.40.30.2-0.80.1-10 1 2 3 4 5 6700. 5 1 1.5 2 2.5 3采样点4x 10采样点4x 10(a)原始语音的合成语音(a)The synthetic speech of original speech合成语音的时域波形（通信距离434m）1合成语音的语谱图（通信距离434m）10.80.90.60.80.40.70.2频率/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采样点4x 10(b)通信距离 434m 接收信号的合成语音采样点4x 10(b)The synthetic speech of the received speech in 434 meters distance10.80.60.40.2幅度0-0.2-0.4-0.6-0.8-1合成语音的时域波形（通信距离1190m）0123456710.90.80.7频率/4kHz0.60.50.40.30.20.10合成语音的语谱图（通信距离1190m）0.5 1 1.5 2 2.53采样点4x 10(c)通信距离 1190m 接收信号的合成语音采样点4x 10200(c)The synthetic speech of the received speech in 1190 meters distance10.80.60.4合成语音的时域波形（通信距离2000m）10.90.80.7合成语音的语谱图（通信距离2000m）0.2频率 /4kHz0.6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 3采样点4x 10采样点4x 10205(d)通信距离 2000m 接收信号的合成语音(d)The synthetic speech of the received speech in 2000 meters distance图 9 不同通信距离接收语音信号的时域波形和语谱图Fig.9 The time-domain waveform and spectrograms of the received speech signal in different distances210215220从接收语音信号的时域波形和语谱图上来看，接收信噪比的降低引入了能量相对较高的干扰信号，一定程度上影响了语音输出的清晰度和自然度，但语音内容辨析度上并无明显损 失。实验结果验证了该系统在 2000m 通信距离内均有稳定的通信能力。4结论本文将差分 OFDM 技术与 MELP 语音编码技术相结合，设计出差分 OFDM 水下语音通 信系统，将不同编码效率的纠错码应用该系统中，计算机仿真给出了不同信噪比下的纠错能 力比较，编码效率越低，冗余度越大，同等条件下的纠错能力越强。受水下信道通信带宽窄 的影响，差分 OFDM 水下语音通信系统应尽可能选用编码效率较高的信道编码，但考虑实 际工程应用和指标要求，可在满足水下语音通信速率的基本要求下，选择冗余度适当的纠错 编码已达到通信速率与语音辨析度上的平衡。湖试结果验证了 2.4kbps 差分水下语音通信系统的可行性和有效性，同时也说明了差分 OFDM 水下语音通信系统比采用块状导频的 OFDM 水下语音通信系统具有更加优越的性 能。参考文献 (References)2252301 Proakis J G，Sozer E M，Rice J A，etcShallow water acoustic networksJCommunications Magazine，2001，39(11)：114-1192 Hayri Sari ，Bryan WoodwardUnderwater acoustic voice communication using digital pulse positionmodulationC/ OCEANS '97. 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