[發(fā)明專利]一種數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置及水下語(yǔ)音通信方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310442083.5
• 申請(qǐng)日: 2013-09-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103457903A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫宗鑫;喬鋼;馬巍;馬璐;楊健敏;周鋒;馬雪飛;劉淞佐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L27/26
• 分類號(hào): H04L27/26;H04L25/02;H04B13/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下通信領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)合了正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)和多邊帶激勵(lì)（MBE）低碼率語(yǔ)音壓縮技術(shù)的數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置及水下語(yǔ)音通信方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了語(yǔ)音壓縮技術(shù)的數(shù)字式水聲語(yǔ)音通信被廣泛的應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，如海洋勘探、水下考古、蛙人間通信、潛艇或艦船與岸基控制臺(tái)之間的通信等。水聲語(yǔ)音通信技術(shù)也經(jīng)歷了模擬到數(shù)字的發(fā)展過(guò)程，在初期的模擬調(diào)制階段為了降低帶寬，水聲通信常使用單邊帶調(diào)制等技術(shù)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展和大規(guī)模集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以其高效計(jì)算能力和靈活的編程方式越來(lái)越受到開(kāi)發(fā)者的青睞，語(yǔ)音通信也逐步的進(jìn)入了以數(shù)字信號(hào)處理器為核心的高速數(shù)字通信時(shí)代，較之于模擬系統(tǒng)，數(shù)字式語(yǔ)音通信系統(tǒng)則體現(xiàn)出了便于加密、易于集成、小型化、信道匹配性強(qiáng)等數(shù)字化處理和機(jī)械尺寸上的優(yōu)越性能。

在水下語(yǔ)音通信裝置的設(shè)計(jì)中存在的不足和難點(diǎn)有：（1）在帶寬資源有限的水聲信道中要進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、大數(shù)據(jù)量的語(yǔ)音壓縮和水聲數(shù)據(jù)通信，增加了語(yǔ)音壓縮編碼和水聲通信算法的實(shí)現(xiàn)難度；（2）通信算法和語(yǔ)音編碼算法實(shí)現(xiàn)為同一硬件平臺(tái)，水聲通信技術(shù)通常使用DSP作為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，而在DSP上同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信算法和語(yǔ)音編碼算法會(huì)消耗大量的資源，必要時(shí)還要犧牲算法的性能來(lái)實(shí)現(xiàn)整體的語(yǔ)音通信功能；（3）水聲信道具有時(shí)-空-頻變等復(fù)雜特性，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮通信算法對(duì)復(fù)雜信道的適應(yīng)能力，沒(méi)有自適應(yīng)功能的水聲語(yǔ)音通信設(shè)備應(yīng)用環(huán)境較局限，實(shí)用性較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種水下通信更穩(wěn)定，能提供多樣信息通信形式，通信算法性能更好的數(shù)字式水下語(yǔ)言通信裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種水下語(yǔ)音通信方法。

本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置包含了語(yǔ)音采集模塊、語(yǔ)音編碼模塊、發(fā)射端語(yǔ)音控制模塊、OFDM調(diào)制模塊、水聲信號(hào)發(fā)射模塊、水聲信號(hào)接收模塊、OFDM解調(diào)模塊、接收端語(yǔ)音控制模塊、語(yǔ)音解碼模塊、語(yǔ)音播放模塊和信道估計(jì)模塊；語(yǔ)音采集模塊從麥克風(fēng)處采得語(yǔ)音信號(hào)，將其傳輸至語(yǔ)音編碼模塊，再將經(jīng)編碼后的語(yǔ)音信號(hào)傳輸至發(fā)射端語(yǔ)音控制模塊，再將加密后的信號(hào)傳輸至OFDM調(diào)制模塊，再經(jīng)過(guò)水聲信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射包含語(yǔ)音信息的水聲信號(hào)；在接收端通過(guò)水聲信號(hào)接收模塊接收到包含語(yǔ)音信息的水聲信號(hào)，將其傳輸至OFDM解調(diào)模塊，再傳輸至接收端語(yǔ)音控制模塊，再將解密后的信號(hào)傳輸至語(yǔ)音解碼模塊，在解碼后最終將語(yǔ)音信號(hào)傳輸至語(yǔ)音播放模塊，通過(guò)揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放；信道估計(jì)模塊，實(shí)時(shí)輸出對(duì)信道的估計(jì)結(jié)果至OFDM調(diào)制模塊、OFDM解調(diào)模塊、發(fā)射端與接收端的語(yǔ)音控制模塊，使該裝置對(duì)信道具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，可根據(jù)對(duì)信道的估計(jì)結(jié)果實(shí)時(shí)地改變通信參數(shù)和壓縮碼率。

本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置，同時(shí)集成了OFDM調(diào)制技術(shù)和MBE語(yǔ)音編碼技術(shù)。將語(yǔ)音信號(hào)的編碼與水聲通信的算法利用不同的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。語(yǔ)音信號(hào)的編碼使用專用的語(yǔ)音壓縮芯片AMBE3000，配合以單片機(jī)進(jìn)行控制；水聲通信中的通信算法使用DSP實(shí)現(xiàn)，配合以Xilinx?FPGA進(jìn)行控制。

本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置可以進(jìn)行語(yǔ)音和文本兩種模式的半雙工水聲通信，通過(guò)語(yǔ)音/文本切換模塊可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換。語(yǔ)音/文本切換模塊連接于發(fā)射端與接收端的語(yǔ)音控制模塊，并利用串口實(shí)現(xiàn)文本通信界面與語(yǔ)音控制模塊之間的連接。

一種利用本發(fā)明的數(shù)字式水下語(yǔ)音通信裝置的語(yǔ)音通信方法，包括如下步驟：

（1）在語(yǔ)音發(fā)射端，使用CODEC對(duì)來(lái)自麥克的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，量化為數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)；

（2）在語(yǔ)音發(fā)射端，用語(yǔ)音編碼模塊對(duì)步驟（1）得到的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼；

（3）在語(yǔ)音發(fā)射端，用發(fā)射端語(yǔ)音控制模塊將步驟（2）中得到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；

（4）在語(yǔ)音發(fā)射端，使用DSP、根據(jù)信道估計(jì)情況對(duì)步驟（3）得到的信號(hào)進(jìn)行OFDM調(diào)制，并將OFDM信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，使用功放和發(fā)射換能器將聲信號(hào)發(fā)射到水聲信道中傳播；

（5）在語(yǔ)音接收端，根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，在水聲信號(hào)接收模塊中對(duì)接收來(lái)的OFDM信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，再使用AD進(jìn)行采樣、量化；

（6）在語(yǔ)音接收端，對(duì)步驟（5）得到的信號(hào)進(jìn)行分析，得到信道估計(jì)的結(jié)果參數(shù)；

（7）在語(yǔ)音接收端，根據(jù)步驟（6）得到的參數(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行OFDM解調(diào)；

（8）在語(yǔ)音接收端，對(duì)步驟（7）得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密；