变速率语音编码水声数字语音通信的方法
阅读：54发布：2024-02-22
专利汇可以提供变速率语音编码水声数字语音通信的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种变速率语音编码 水 声数字语音通信的方法，包括以下步骤：数字语音编码；调制，基于 正交 频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音 信号 适应信道估计调制在对应所述子信道的 子载波 上进行传输；信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字 语音信号 发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。依据本发明能够实现不同水声信道条件下不同编码速率的语音传输。，下面是变速率语音编码水声数字语音通信的方法专利的具体信息内容。
1.一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：
数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
2.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，依据信道估计，在信道状况较好的子信道上采用较高的编码速率和高阶的调制方式，在信道状况相对较差的子信道上采用相对较低的编码速率和低阶的调制方式。
3.根据权利要求1所述的速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，所述信道估计步骤为每次发送端与接收端建立连接后发送数据前的步骤。
4.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，所述数字语音编码步骤采用混合激励线性预测编码方法进行信源编码。
5.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，信道估计采用最小均方误差准则。
6.根据权利要求1所述的变速率语音编码水声数字语音通信的方法，其特征在于，所述数字语音编码步骤采用四种供选择的编码速率，依次为2400bps、1200bps、600bps及
300bps，数字语音信号发送端根据反馈的信道估计自适应地选择语音编码速率。
变速率语音编码水声数字语音通信的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水声语音通讯方法，尤其是涉及一种基于水声信道估计结果自适应地进行变速率编码的水声数字语音通信方法。
背景技术
[0002] 水声数字语音通信是一种由声波作为信息传输载体、以语音作为联络方式的水下通信技术。 水声信道是随机时-空-频变信道，传输带宽窄，多径效应明显且受噪声影响大，信道传播损失随时间、地点和环境不同表现出较大的差异。近年来，自适应调制工作方式开始应用在水声通信中，并引起了广泛关注，其能够根据水声信道估计结果自适应地选择调制方式，从而提供可变的通信速率。水声通信的发展趋势要求语音编码算法压缩率高，而且尽量能够针对不同的水声信道情况灵活地调整编码速率，即提供可变速率的低速率语音编码。目前针对无线通信的变速率语音编码算法研究较多，但是其平均速率较高，直接应用在水声无线通信中仍然有比较大的难度。
[0003] 目前水下数字语音传输系统中最有代表性的是1994年由法国研制的CELP (Code Excited Linear Prediction，码激励线性预测编码)试验系统，水池试验传输率为6 kb/s，采用的调制方法为4-DPSK（Differential Phase Shift Keying，差分移相键控），利用LMS（Least Mean Square，最小均方误差）判决反馈均衡器。
[0004] 另外具有代表性的水下数字语音系统是英国拉夫堡大学研制的“话音通信系统”，采用DPPM（Digital Pulse Position Modulation，数字脉位调制）实现语音通信，其通信速率为2400 bps。
[0005] 数字语音压缩编码技术在近几十年也有了很大的发展，压缩效率越来越高，编码速率越来越低。但是与无线通信信道相比，水声信道带宽更窄，数据传输速率更低。基于语音识别和语音合成的编码算法可以实现较大的语音压缩比，但是算法本身受语音识别和合成技术的牵制，对不同的说话人、方言等适应能力较差，抗背景噪声的能力较差，很难得到广泛的应用。而且水声信道复杂多变，单一模式的调制方式和固定码率的编码算法已经不能满足实际应用的需求。
[0006] 近年来水声通信得到了快速发展和广泛应用，但水声信道是复杂的时、空、频变的，不利于使用单一数据速率进行通信。并且水声信道对通信的影响体现在声传播的多径效应、多普勒效应以及信道的有限带宽等方面，会使数字信号产生严重的码间干扰。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明采用变速率语音编码手段并结合自适应地调整编码速率的方案，以实现不同水声信道条件下不同编码速率的语音传输，即提出一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，根据信道估计，动态调整子载波的调制方式。
[0008] 为了实现本发明的发明目的，所采用的技术方案为：一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，包括以下步骤：
数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
[0009] 依据上述方案，将变速率语音编码技术及OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）自适应调制技术应用到水声通信系统中，以实现不同水声信道下高质量的语音通信。发送端根据信道估计器反馈的水声信道信息，自适应地调整OFDM各子载波的调制方式，以确保系统的误码率要求。同时，变速率语音编码器根据反馈指令按照信道控制速率原理调整到符合系统要求的编码速率，对原始语音信号进行压缩编码。语音编码速率以及系统调制方式都采用自适应调整方案， 因此即便在较恶劣的信道环境下也可以实现可靠的水声语音通信。
[0010] 上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，依据信道估计结果，在信道状况较好的子信道上采用较高的编码速率和高阶的调制方式，在信道状况相对较差的子信道上采用相对较低的编码速率和低阶的调制方式，从而，当信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时，采用低阶的调制方式以保证系统的误码率要求。这里的高阶和低阶在本方案中是相对的一对术语。
[0011] 上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述信道估计步骤为每次发送端与接收端建立连接后发送数据前的步骤。所考量的是实时信道估计的复杂度，会占用比较大的系统资源，但本方案并不排除这一手段，只是把开始只进行一次信道估计作为较佳的方案。当然，采用实时通讯有它的可行性。另外一种较佳的方案是，可以设定一个通信周期次数的阈值，当达到这个阈值时，再进行一次信道估计，以响应水声信道变化比较快的特点。
[0012] 上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述数字语音编码步骤采用混合激励线性预测编码方法进行信源编码，语音编码器可以根据反馈信息，自适应地选择编码速率。
[0013] 上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，信道估计采用最小均方误差准则，为信道编码和调整提供较客观的自适应调整参量。
[0014] 上述变速率语音编码水声数字语音通信的方法，所述数字语音编码步骤采用四种供选择的编码速率，依次为2400bps、1200bps、600bps及300bps，数字语音信号发送端根据反馈的信道估计自适应地选择语音编码速率。附图说明
[0015] 图1为OFDM发送端信号处理流程。
[0016] 图2为OFDM接收端信号处理流程。
[0017] 图3为OFDM自适应系统原理结构框图。
[0018] 图4为本发明一个实施例的结构框图。
[0019] 图5为混合激励编码器结构原理框图。
[0020] 图6为混合激励解码器结构原理框图。
[0021] 图7为Turbo编码器结构框图。
[0022] 图8为Turbo译码器结构框图。
[0024] 图10为谁能换能器接收端硬件架构结构框图。
[0025] 图11为处理模块硬件结构框图。
具体实施方式
[0026] 参见说明书附图3和4，一种变速率语音编码水声数字语音通信的方法，包括以下步骤：数字语音编码，数字语音信号发送端基于变速率语音编码方法适应信道估计对待传输数字语音进行编码；
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
调制，基于正交频分复用将预定的水声信道分成若干正交的子信道，将编码后的数字语音信号适应信道估计调制在对应所述子信道的子载波上进行传输；
信道估计，对所述子信道进行信道估计，反馈给数字语音信号发送端，使所述数字语音编码步骤响应该信道估计进行变速率编码；
解调，基于正交频分复用解调出相应数字语音信号；
解码，同步于所述数字语音编码步骤，匹配解码出数字语音信号。
[0027] 上述方案主要由变速率语音编码器模块、信道编码模块、自适应调制模块及信道估计模块组合来实现。变速率语音编码模块主要负责语音的压缩编码，与普通的语音编码器不同，它的编码速率是可以自适应调整的；自适应调整模块采用OFDM调制方式并根据实际反馈的信道信息自适应地调整子载波的调制方式；信道估计模块主要负责水声信道特性的估计并将估计结果传送给OFDM自适应调制模块。
[0028] 下面结合说明书附图对上述方案作详细的说明：1.变速率语音编码器：
本方案中编码器采用混合激励线性预测（MELP，Mixed Excitation Linear Prediction）技术作为信源编码方案，语音编码器可以根据反馈信息，自适应地选择编码速率，常用语音编码速率有300bps、600bps、1200bps、2400bps。速率判决技术是变速率语音编码中最关键的技术之一，采用信道控制速率技术（CCR，Channel Control Rate），信道控制速率的基本原理就是在通话过程中根据估计信道质量自适应切换编码速率，在保证语音质量的同时最大限度地发挥系统的效能。
本方案中编码器采用混合激励线性预测（MELP，Mixed Excitation Linear Prediction）技术作为信源编码方案，语音编码器可以根据反馈信息，自适应地选择编码速率，常用语音编码速率有300bps、600bps、1200bps、2400bps。速率判决技术是变速率语音编码中最关键的技术之一，采用信道控制速率技术（CCR，Channel Control Rate），信道控制速率的基本原理就是在通话过程中根据估计信道质量自适应切换编码速率，在保证语音质量的同时最大限度地发挥系统的效能。
[0029] MELP算法是以LPC (Linear Predictive Coding，线性预测编码)参数模型为基础 ，同时新增了多带混合激励、使用非周期脉冲、自适应谱增强技术、脉冲离散滤波和残差谐波处理。在MELP算法中，语音分为3种状态：清音、浊音和抖动浊音。当判断输入语音为浊音时，编码器还要决定是浊音还是抖动浊音。浊音时用周期脉冲作为激励，而在抖动浊音时，采用非周期脉冲作为激励。这一措施能够更好地合成介于清、浊音之间的过渡帧和某些周期性不强的浊音帧。
[0030] 语音频带被分为5个固定的频带 0～500Hz，500～1000Hz，1000～2000Hz，2000～3000 Hz，3000～4000 Hz，在每个子带上分别对语音进行分析，依据基音搜索的结果和带通浊音度来确定子带的性质(清音、浊音或抖动浊音)。合成时，根据各子带的性质和语音强度对噪声、周期脉冲和非周期脉冲进行滤波求和，结果作为激励源。采用混合激励，可以减少合成语音中的蜂鸣声。
[0031] 在编码部分，编码器对LPC逆滤波得到的残差信号进行傅立叶变换，取其前10次谐波的值，量化后传到对端，用以合成周期脉冲。这样有助于提高合成语音的自然度。
[0032] 算法使用一个基于谱平整的三角脉冲的固定脉冲散布滤波器对合成语音进行后处理。这是考虑到人在发浊音时，气流通过声门裂，产生一系列的声门脉冲，声门脉冲激励声道发声。由于人说话的特点，声门不可能完全关闭，这样，除了主要的声门脉冲以外，还有许多的次要脉冲。它能让激励信号的能量散布于整个基音周期之内。这使合成语音在非共振区与原始语音有更好的波形匹配，有助于消除合成语音中的一些刺耳的噪声。
[0033] 全极点模型削弱了共振峰的特征，使得合成语音同自然语音相比，在基音周期点间的幅度值更小，这将影响合成语音的质量。为了使合成语音与自然语音在共振区有更好的波形上的匹配，引入自适应谱增强滤波器，可以使合成语音更自然。
[0034] 2 .OFDM自适应调制:水声通信系统的目的在于高速、可靠地将信源信息经过海洋水声信道传输到信宿。但声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多径效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干扰。为了对抗信道的时变多径衰落特性，本发明OFDM 技术。
[0035] 2.1 OFDM:OFDM传输中将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号在接收端采用相关技术来分开， 这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此信号衰落可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。OFDM基本原理如说明书附图1和2所示。
[0036] OFDM具有以下特点：① 将高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小多径信道时间弥散所带来的码间干扰；
② OFDM系统中各子信道的频谱相互重叠，从而可以最大限度地利用宝贵的频谱资源；
③ 对于子载波数很大的系统，各子信道中的正交调制解调可以采用快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transformation）来实现；
④ 窄带干扰只能影响到一小部分的子载波，因此OFDM系统在某种程度上可以抵抗窄带干扰；
⑤ 可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统整体性能。
② OFDM系统中各子信道的频谱相互重叠，从而可以最大限度地利用宝贵的频谱资源；
③ 对于子载波数很大的系统，各子信道中的正交调制解调可以采用快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transformation）来实现；
④ 窄带干扰只能影响到一小部分的子载波，因此OFDM系统在某种程度上可以抵抗窄带干扰；
⑤ 可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统整体性能。
[0037] 2.2 自适应调制：自适应调制系统仅适用于进行双工通信的两个通信实体间。发射机根据
预计的信道质量状况选定最优的调制方式进行数据传输。当前信道的质量可以直接由上次传输反馈的信道质量状况代替(对慢变信道)，也可以根据前 次传输反馈的信道质量信息，根据其变化规律预估计出当前信道质量状况(对于变化连续的快变信道)。当信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时，采用低阶的调制方式以保证系统的误码率要求。不同进制的MPSK(Multiple Phase Shift Keying,多进制数字相位调制又称多相制或多相移键控)和MQAM（Multiple Quadrature Amplitude Modulation，多进制正交幅度调制)信号采用相干解调时，系统误比特率分别为：
；
；
其中， 为调制阶数，SNR为信噪比， 为互补误差函数，且 ；
； 。
预计的信道质量状况选定最优的调制方式进行数据传输。当前信道的质量可以直接由上次传输反馈的信道质量状况代替(对慢变信道)，也可以根据前 次传输反馈的信道质量信息，根据其变化规律预估计出当前信道质量状况(对于变化连续的快变信道)。当信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时，采用低阶的调制方式以保证系统的误码率要求。不同进制的MPSK(Multiple Phase Shift Keying,多进制数字相位调制又称多相制或多相移键控)和MQAM（Multiple Quadrature Amplitude Modulation，多进制正交幅度调制)信号采用相干解调时，系统误比特率分别为：
；
；
其中， 为调制阶数，SNR为信噪比， 为互补误差函数，且 ；
； 。
[0038] 所以，当信噪比确定时, 选择不同调制阶数的MPSK 和MQAM, 会有不同的误码特性。发送端可根据各个子带的信噪比来自适应选择不同的调制方式和调制阶数, 从而使系统达到最小的误码特性。
[0039] 自适应调制系统根据信道状况选择调制方式，因此自适应调制的实现需要如下步骤:① 信道质量估计
自适应调制是在信道状况质量估计的基础上进行的，要合理选择信号传输采用的调制方式，必须保证信道质量估计的可靠性。
自适应调制是在信道状况质量估计的基础上进行的，要合理选择信号传输采用的调制方式，必须保证信道质量估计的可靠性。
[0040] ② 传输的参数选择根据预计的信道状况，选择合适的传输参数进行传输。本发明自适应调制的工作主要放在调制方式的选择上。
[0041] ③ 接收端调制方式同步接收端只有采用相应的解调方式，才能正确解调接收到的信号。调制方式的同步可以通过传输信令或使用盲检测的方法得到。本发明采用传输信令的方式。
[0042] 参见说明书附图3所示的OFDM自适应系统的原理可知，要使整个系统获得良好的性能，关键在于信道估计器和自适应比特、功率分配器两个部分。信道估计器对信道状态信息的估计越准确，自适应比特、功率分配器的性能才能得到真正的发挥。下面对信道估计和自适应比特、功率分配进行说明。
[0043] 2.3 信道估计：根据水声传播的声线理论，可以采用时变的抽头延时线模型来表示水声多径信道：
；
其中， 为第 条多径的衰落， 为第 条多径的多径时延， 可以用零均
值高斯随机过程来表示，它受水面反射、水底地貌、盐度、温度、压力、水流和船体运动等多种因素的影响。
；
其中， 为第 条多径的衰落， 为第 条多径的多径时延， 可以用零均
值高斯随机过程来表示，它受水面反射、水底地貌、盐度、温度、压力、水流和船体运动等多种因素的影响。
[0044] 循环前缀是OFDM系统中，消除码间干扰的一种有效方法，循环前缀的引入使得系统的接收信号 变成了发送信号与信道冲激响应 的循环卷积：；
其中， 为输入信号， 为加性高斯白噪声。假设OFDM的循环前缀长度大于信道冲激响应的长度，并且系统同步良好，那么通过多径衰落信道之后的OFDM接收信号的前后符号之间将不存在码间干扰。发送信号 的特定子信道上传输的是事先已知的导频信息 ，从接收信号 中可以将这些导频信号 提取出来，从而得到导频子载波上的信道响应 ，再由 插值得到全部子载波上完整的信道响应
。这样，发送数据 就可以通过在每个子载波上做一个单抽头、复系数的频域均衡器而简单地恢复出来，即：
；
其中， 是信道响应 的估计值。信道估计实现策略是通过滤波的方法来得到信道的频率响应，本方案采用最小均方误差意义上的最佳滤波器---维纳滤波器。
其中， 为输入信号， 为加性高斯白噪声。假设OFDM的循环前缀长度大于信道冲激响应的长度，并且系统同步良好，那么通过多径衰落信道之后的OFDM接收信号的前后符号之间将不存在码间干扰。发送信号 的特定子信道上传输的是事先已知的导频信息 ，从接收信号 中可以将这些导频信号 提取出来，从而得到导频子载波上的信道响应 ，再由 插值得到全部子载波上完整的信道响应
。这样，发送数据 就可以通过在每个子载波上做一个单抽头、复系数的频域均衡器而简单地恢复出来，即：
；
其中， 是信道响应 的估计值。信道估计实现策略是通过滤波的方法来得到信道的频率响应，本方案采用最小均方误差意义上的最佳滤波器---维纳滤波器。
[0045] 2.4 OFDM比特分配：Peter S．chow提出了一种近似于注水算法的次优功率最小化自适应比特分配算法――chow算法。chow算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特的。它的优化准则是在维持目标误比特率的前提下，使系统的性能余量最大。算法主要由三个步骤完成：确定使系统性能达到最优门限，确定各个子载波的调制方式。调整各个子载波的功率。本方案采用chow算法进行自适应比特及功率的分配。
[0046] 3 .信道编码：水声信道可用频带窄，具有强多途、高噪声，同时伴有明显的随机包络起伏。这些特性使水声信道具有典型的频率选择性衰落和时间选择性衰落的特点。信号经过复杂的水声信道会出现随机错误和突发错误。因此需要加入信道编码进行错误纠正。
[0047] 现在常见的信道编码按照对信息码元的处理方法不同，可以分为卷积码、Turbo码以及卷积码。Turbo码应用了香农编码定理中的随机性编译码条件，巧妙地将卷积码和随机交织器相结合，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码，得到了接近香农极限的性能。
[0048] 在编码效率为0.6时可以纠正信道错误概率为6%以下的错误信息，在编码效率为0.33到0.4时可以纠正信道错误概率为7%以下的错误信息。在水声通信可接受的信噪比范围内(10~20dB)，Turbo码具有良好的性能，通信系统的错误比特率小于 。因此本方案中采用Turbo码作为系统的差错控制方案。
[0049] 参见说明书附图4，OFDM自适应调制模块主要包含信道估计模块及子带功率分配模块。系统首先进行信道估计，各子带根据信道估计结果选择不同的调制方式并进行功率分配，同时变速率语音编码器根据信道估计器的反馈信息确定对应的语音压缩速率。发送端确定各子带调制方式后通过信令信息将调制方式告知接收端，接收端收到信息后再发送反馈信息给发送端，发送端确定接收端解调方式同步之后开始发送信号。
[0050] 输入语音经语音编码器压缩编码后，进入信道编码模块进行纠错编码，然后被分配到各子信道上，按照不同调制方式调制后，再进行IFFT(Inverse Fast Fouriar Transform，快速傅里叶反变换)运算并插入保护间隔，最后发送到水声信道，在接收端进行一系列与发送端对应的逆操作即可得到输出语音。
[0051] 对于变速率语音编码器的设计，参见说明书附图5和6，采用混合激励线性预测技术作为信源编码方案，设置四种编码速率，即2400bps、1200bps、600bps及300bps，发送端语音编码器根据反馈指令自适应地选择语音编码速率。
[0052] 2400bps语音编码器采用单帧编码，帧长为22.2ms，每帧包含180个采样点，每帧编码为54比特，具体的参数量化比特分配见表1所示，具体算法可参考《A 1200/2400 bps coding suite based on MELP》。
[0053] 表1. 2400bps声码器比特分配方案参数 浊音清音
线谱对频率 25 25
基音周期、全局清浊音 7 7
能量 8 8
子带清浊度 4 -
傅里叶幅度 8 -
非周期标志 1 -
纠错位 - 13
同步位 1 1
总计 54 54
基于MELP模型的1200bps声码器算法采用三帧联合编码方案，超帧长67.5 ms，总的量化比特为81个比特，其比特分配方案见表2所示，具体算法可参考《A 1200 bps coder based on MELP》。
线谱对频率 25 25
基音周期、全局清浊音 7 7
能量 8 8
子带清浊度 4 -
傅里叶幅度 8 -
非周期标志 1 -
纠错位 - 13
同步位 1 1
总计 54 54
基于MELP模型的1200bps声码器算法采用三帧联合编码方案，超帧长67.5 ms，总的量化比特为81个比特，其比特分配方案见表2所示，具体算法可参考《A 1200 bps coder based on MELP》。
[0054] 表2 1200bps声码器比特分配方案线谱频率（LSF，Line Spectrum Frequency）参数采用了量化、插值方案。以全浊模式为例，第三帧的线谱频率参数矢量LSF3采用25比特的多级矢量量化，然后用本超帧和上一超帧量化的参数矢量LSF3插值预测参数矢量LSF1和LSF2，预测得到的余量采用14 比特的多级矢量量化器进行联合量化。预测系数用4比特的码本进行量化。总共采用了43比特来量化LSF参数。
[0055] 600bps声码器中，由三个连续语音帧组成一个超级帧，子帧帧长为25ms，一个超级帧帧长为75ms，用45bit量化一个超级帧。由于量化比特数限制，选择对混合激励声码器的线谱频率参数、基音周期参数、带通浊音度参数以及能量参数进行量化，伪周期标记参数在解码端全部置零。参数的量化比特分配如表3所示，具体算法可参考电声技术(2004年第10期)《一种基于MELP的高质量的0.6kb/s语音编码算法》。
[0056] 表3. 600bps声码器比特分配方案参数 比特数
线谱频率参数 24
能量参数 8
全带清浊+基音周期 9
同步 1
子带清浊判决参数 3
总计 45
300bps声码器中，每8个语音帧组成一个超级帧，参数的量化以超级帧为单位进行。每个超级帧时长180ms，共计采用54比特进行量化传输。具体参数的量化比特分配如表4所示。具体算法可参考电声技术(2010第12期)《高质量300bit/s声码器算法》表4 300bps声码器比特分配方案
参数 分配比特数
带通浊音度参数 5
基音周期参数 10
能量参数 8
线谱频率参数 31
总计 54
OFDM自适应调制:
OFDM自适应调制模块包含信道估计器，比特功率分配器以及子带调制解调器。本发明中系统传输频带范围选为13kHz-18kHz，系统带宽为5kHz，子载波数设置为128。子带调制解调模块根据信道特性自适应地选择调制方式以提高系统整体性能，本系统采用MPSK或MQAM调制方式，在信道状况较好的子信道上，采用高阶的调制方式，在信道状况较差的子信道上，采用低阶的调制方式。调制方式确定后，对子载波比特功率进行自适应分配，本系统采用传统的chow算法。
线谱频率参数 24
能量参数 8
全带清浊+基音周期 9
同步 1
子带清浊判决参数 3
总计 45
300bps声码器中，每8个语音帧组成一个超级帧，参数的量化以超级帧为单位进行。每个超级帧时长180ms，共计采用54比特进行量化传输。具体参数的量化比特分配如表4所示。具体算法可参考电声技术(2010第12期)《高质量300bit/s声码器算法》表4 300bps声码器比特分配方案
参数 分配比特数
带通浊音度参数 5
基音周期参数 10
能量参数 8
线谱频率参数 31
总计 54
OFDM自适应调制:
OFDM自适应调制模块包含信道估计器，比特功率分配器以及子带调制解调器。本发明中系统传输频带范围选为13kHz-18kHz，系统带宽为5kHz，子载波数设置为128。子带调制解调模块根据信道特性自适应地选择调制方式以提高系统整体性能，本系统采用MPSK或MQAM调制方式，在信道状况较好的子信道上，采用高阶的调制方式，在信道状况较差的子信道上，采用低阶的调制方式。调制方式确定后，对子载波比特功率进行自适应分配，本系统采用传统的chow算法。
[0057] 信道估计是本系统中比较关键部分，子载波调制方式的选择都依赖于信道估计器所得的结果。本系统中在特定子信道上传输导频信息，从接收信号中提取经过信道衰落后的导频信息，通过滤波方法得到导频子载波上的信道响应，然后通过插值，得到全部子载波上的信道响应，系统采用最小均方误差意义上的最佳滤波器维纳滤波器来实现。
[0058] 信道编码:本系统信道编码模块采用Turbo码，编码器的组成如图5所示，主要由分量编码器、交织器、删余矩阵和复接器构成。分量码的最佳选择是递归系统卷积码，通常两个分量码采用相同的生成矩阵。信息序列作为系统输出送至复接器，同时送入分量编码器1，得到校验序列1。信息序列交织后送入分量编码器2得到校验序列2。为得到较高的码率，将两个校验序列经过删余矩阵后再复接获得码字，经过调制后发射。参见说明书附图7。
[0059] Turbo码获得优异性能的根本原因是采用了迭代译码，通过分量译码器之间软信息的交换来提高译码性能，其译码原理如图8所示。接收端的接收序列经过串并转换之后可以得到系统接收信息序列、分量译码器1的接收校验序列和分量译码器2的接收校验序列。若其中某些校验比特在编码过程中通过删余矩阵被删除，则在接收校验序列的相应位置以0来填充。以上三个接收序列经过信道置信度 加权后作为系统信息序列和校验信息送入译码器。分量译码器1输出的对数似然比经交织后作为分量译码器2的先验信息，分量译码器2输出的对数似然比经解交织后作为分量译码器1的先验信息。随着迭代次数的增加，两个分量译码器得到的外部信息值对译码性能提高的作用越来越小，在达到一定迭代次数后，译码性能不再提高。这时分量译码器2的输出对数似然比经过解交织后再进行硬判决即得到译码输出。
[0060] 本系统采用的Turbo码码率为 ，译码迭代次数设置为5，交织长度设置为1000bits。
[0061] 4. 硬件实现:硬件系统由输入输出模块、变速率语音编解码模块、OFDM自适应调制解调模块和发射接收模块实现。输入输出模块主要完成语音信号的采集和播放，由音频编解码芯片、麦克风和扬声器组成；变速率语音编解码模块实现语音编解码功能，对实时语音流进行压缩和解压缩，OFDM自适应调制解调模块用于完成信号的调制、解调算法；其中声码器模块和OFDM自适应调制解调模块算法可以统一嵌入到高性能的DSP芯片中实现，例如采用TI公司的TMS320VC5509A高速数字信号处理器实现。发射接收模块由水声换能器实现，其作用是将电信号和声波进行互相转换，可根据水下信道环境选择相应带宽的水声换能器产品。系统硬件架构框图如图9和10所示。
[0062] 变速率语音编解码模块和OFDM自适应调制解调模块是核心处理模块，主要完成算法处理功能，采用高性能的DSP芯片实现，本发明中采用TI公司的TMS320VC5509A高速数字信号处理器实现，以TMS320VC5509A为核心组成的处理模块硬件系统如图11所示。
[0063] 算法处理部分硬件系统由数字信号处理模块、存储器模块、电源模块、晶振电路、复位电路组成。数字信号处理模块是整个系统的核心模块，负责变速率语音编解码算法和OFDM自适应调制解调算法的处理和控制；存储器模块由SDRAM和FLASH组成，为系统提供程序运行的空间和实现程序的固化，保证系统上电后稳定运行、掉电后程序能够永久保存；电源模块为整个硬件平台提供稳定可靠的电源，保证系统稳定可靠运行；晶振电路负责为整个硬件系统提供稳定可靠的时钟信号；复位电路完成系统的复位功能。
[0064] 以上方案将变速率语音编码技术及OFDM自适应调制技术应用到水声通信系统中，以实现不同水声信道下高质量的语音通信。发送端根据信道估计器反馈的水声信道信息，自适应地调整OFDM各子载波的调制方式，以确保系统的误码率要求。同时，变速率语音编码器根据反馈指令按照信道控制速率原理调整到符合系统要求的编码速率，对原始语音信号进行压缩编码。语音编码速率以及系统调制方式都采用自适应调整方案， 因此即便在较恶劣的信道环境下也可以实现可靠的水声语音通信。
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