采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法?

周躍海　江偉華　陳磊　童峰?

（1廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室廈門361005）（2廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院廈門361005）

研究報告

采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法?

周躍海1，2江偉華1，2陳磊1，2童峰1，2?

（1廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室廈門361005）（2廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院廈門361005）

針對水聲信道多徑、時變、多普勒等惡劣傳輸特點對水聲語音通信的嚴(yán)重影響，本文采用多通道時間反轉(zhuǎn)和時頻差分OFDM進(jìn)行水聲語音通信技術(shù)方案設(shè)計，該方法首先通過多通道時間反轉(zhuǎn)進(jìn)行時間域和空間域多徑聚焦，進(jìn)而結(jié)合時頻差分OFDM調(diào)制解調(diào)抑制殘留多徑的影響。由于無需采用信道估計和均衡算法，系統(tǒng)實現(xiàn)方便、復(fù)雜度低，同時對信道具有一定程度的穩(wěn)健性。該方法語音壓縮編碼采用混合激勵線性預(yù)測編碼。仿真實驗和海試實驗表明了本文方案的有效性。

水下語音通信，多通道時間反轉(zhuǎn)，時頻差分OFDM

1　引言

隨著海洋開發(fā)、資源勘探、水下作業(yè)、國防安全等領(lǐng)域?qū)λ抡Z音傳輸?shù)男枨笕找嬖龆?，水聲語音通信技術(shù)研究受到各國的高度重視。由于水聲信道具有復(fù)雜的時-空-頻變特性，傳統(tǒng)的單邊帶或雙邊帶模擬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行語音通信［1］，難以克服淺海信道中的時變多徑和時變多普勒的影響，性能受到嚴(yán)重限制。

由于OFDM系統(tǒng)具有抗多徑性能較好、頻譜利用率高等特點，采用OFDM系統(tǒng)傳輸語音成為水下高速通信的研究熱點，如Sadeghi S.M.J.［2］等人設(shè)計的OFDM調(diào)水聲語音通信系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明在信道較理想的情況下該系統(tǒng)可以獲得不錯的性能；黃李海［3］等人在OFDM系統(tǒng)上采用LDPC信道編碼和語音壓縮MELP算法進(jìn)行水下語音通信；殷敬偉［4］等人采用差分OFDM結(jié)合MELP算法和信道編碼進(jìn)行水下語音通信。

由于OFDM系統(tǒng)對頻率偏移和相位噪聲比較敏感，水聲信道引入的頻率偏移和相位噪聲會嚴(yán)重破壞OFDM子載波正交性。為了克服這一問題，科研工作者采取了一系列的措施：LeiWan［5］等人在快速變化的水聲信道中采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼方案，接收端進(jìn)行OFDM信道估計和解碼以后通過計算信噪比來改變調(diào)制和編碼模式；Alain Y.Kibangou［6］等人在OFDM系統(tǒng)上設(shè)計了新的OFDM數(shù)據(jù)格式用來估計多普勒頻移因子和等效信道；馮成旭［7］等人則引入多級緩沖機(jī)制和判決反饋機(jī)制，提出了新型的判決反饋OFDM頻域均衡算法并進(jìn)行水池實驗驗證。但是，在隨機(jī)時變水聲信道中，上述OFDM信道估計、載波恢復(fù)、均衡算法的性能將受到參數(shù)設(shè)置、算法收斂特性和信噪比等因素的嚴(yán)重影響。

時頻差分OFDM技術(shù)通過時域、頻域的雙重差分進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而無需進(jìn)行信道估計、均衡處理即可克服信道一定程度時、頻變化造成的影響，系統(tǒng)復(fù)雜度低、適合進(jìn)行硬件設(shè)計實現(xiàn)。但采用時間頻率雙重差分導(dǎo)致頻率、時間利用率下降，影響了傳輸速率；另外，對于時頻差分OFDM系統(tǒng)，考慮到水聲信道較為嚴(yán)重的多徑時延擴(kuò)展，在OFDM符號中如采用長度大于多徑時延擴(kuò)展的循環(huán)前綴將進(jìn)一步降低有效傳輸速率。

時間反轉(zhuǎn)技術(shù)由于不需要對信道有先驗知識而自適應(yīng)聚焦多徑，已在水聲通信中得到廣泛的研究和應(yīng)用［8］，在采用多通道時間反轉(zhuǎn)實現(xiàn)信道多徑的時間、空間聚焦后，時頻差分OFDM系統(tǒng)只需抑制時反聚焦后殘余多徑的影響，可進(jìn)一步提高信道適應(yīng)性能；同時，多徑時反聚焦后，OFDM符號可采用較短的循環(huán)前綴以降低時頻差分調(diào)制對傳輸速率的影響。

本文采用多通道時間反轉(zhuǎn)聯(lián)合時頻差分OFDM技術(shù)進(jìn)行水聲語音通信系統(tǒng)設(shè)計，并采用2.4 kbps MELP語音壓縮編碼進(jìn)行語音信號的信源編碼［9］，采用卷積編碼進(jìn)行信道編碼進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實驗和海試實驗表明了該方案的有效性。

2　原理介紹

2.1時頻差分OFDM

時頻差分OFDM方案中，導(dǎo)頻間隔為2，導(dǎo)頻符號插入與前一個數(shù)據(jù)符號相反的信號，在一個OFDM符號中，數(shù)據(jù)符號個數(shù)和導(dǎo)頻個數(shù)都為M。設(shè)第i個OFDM符號上第m個子載波上的原始數(shù)據(jù)符號為經(jīng)時域差分調(diào)制后的數(shù)據(jù)為進(jìn)一步進(jìn)行頻域差分，即第i個符號第m+1個子載波為導(dǎo)頻數(shù)據(jù)：則有

在相鄰符號間信道保持穩(wěn)定、多徑對相鄰子載波引起相位偏移相同的情況下，時頻差分OFDM無須進(jìn)行信道估計、均衡處理，因而系統(tǒng)實現(xiàn)方便，對信道適應(yīng)性能較好。但在多徑擴(kuò)展及時變均較嚴(yán)重的水聲信道條件下，上述前提往往無法滿足。

時頻差分OFDM系統(tǒng)采用差分正交相移鍵控（Differential quadrature phase shift keying，DQPSK）調(diào)制后第i個OFDM符號經(jīng)N點IFFT實現(xiàn)后為

式（3）中xi，n表示第i幀輸出的第n個采樣值。相應(yīng)的第i+1幀輸出的第n個采樣值為

發(fā)射信號在時變水聲信道中傳輸，受到L條散射衰落多徑的影響，接收信號為

式（5）中hi，n，l為第i幀第l條多徑信道的沖激響應(yīng)，wi，n為第i幀的加性高斯白噪聲。

經(jīng)過FFT變換后為［10］

式（6）中Wi，m為wi，m的頻率響應(yīng)，Hi（，ml-k）為時變多徑信道hi，n，l的頻率響應(yīng)，且

式（6）中的αi，m表示接收信號的乘性畸變，βi，m表示子載波間干擾（Inter-carrier interference，ICI）。

2.2采用多通道時間反轉(zhuǎn)處理的時頻差分OFDM

時反技術(shù)具有空時聚焦的特性，在時頻OFDM系統(tǒng)中首先采用多通道垂直陣時反處理進(jìn)行多徑聚焦，可有效抑制多徑。對于M通道垂直陣時間反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，假設(shè)第j個信道的沖激響應(yīng)為hj（t），第j個信道接收到的信息信號

經(jīng)過時反處理器后信號為

將各個通道時間反轉(zhuǎn)處理后的信號疊加構(gòu)成多通道時間反轉(zhuǎn)，疊加后的信號為

式（10）中方括號內(nèi)為垂直陣列各信道響應(yīng)自相關(guān)函數(shù)之和，記為q函數(shù)［11］。在理想情況下，水聲信道的q函數(shù)可近似為沖激函數(shù)，從而實現(xiàn)多徑的時空壓縮。時反處理后式（5）中L條散射衰落多徑被大大壓縮為L′條（L′?L），因此時反處理后OFDM符號可采用較短的循環(huán)前綴長度，從而減輕時頻差分OFDM系統(tǒng)中時間、頻率利用率低造成的傳輸速率下降。

此時，式（6）中αi，m代表的乘性畸變以及βi，m項所代表的ICI均被有效抑制。時頻差分OFDM系統(tǒng)解調(diào)時只需對殘余多徑造成的乘性畸變及ICI進(jìn)行抑制即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。因此，結(jié)合多通道時反處理和時頻差分OFDM可提高系統(tǒng)對信道多徑的容忍程度。

3　系統(tǒng)方案

本文將時反技術(shù)與時頻差分OFDM結(jié)合起來，并采用2.4 kbps混合激勵線性預(yù)測（Mixedexcitation linear prdictive，MELP）低比特率數(shù)字語音編碼及卷積編碼分別進(jìn)行信源及信道編碼，構(gòu)建水聲語音通信系統(tǒng)，時反差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中，在調(diào)制端，原始輸入語音通過MELP語音編碼器，輸出的二進(jìn)制比特流傳輸速率為2.4 kbps。輸出的二進(jìn)制流進(jìn)行卷積編碼和交織編碼后，通過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為若干個并行的低比特數(shù)據(jù)流，利用DQPSK進(jìn)行時頻差分編碼，完成二進(jìn)制比特信息到頻域信號的映射，最后進(jìn)行IFFT運算實現(xiàn)頻域信號到時域信號的轉(zhuǎn)換。為了抵抗信道多徑造成的碼間干擾及子載波間的干擾，對調(diào)制后的各幀信號添加循環(huán)前綴，由于接收端先進(jìn)行時反處理聚焦多徑，系統(tǒng)可采用較短的循環(huán)前綴長度。

在經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)流上添加線性調(diào)頻（Linear frequency modulation，LFM）信號作為同步信號，以便于接收端的同步頭檢測，同時LFM信號還可以作為時反處理的探針信號。在解調(diào)端，同步檢測到信號以后，用接收到的探針和本地探針與接收到的信號做時間反轉(zhuǎn)處理，解調(diào)時間反轉(zhuǎn)后的信號與調(diào)制的過程相反。

圖1　時反差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of time-reversal and differential OFDM underwater speech communication

4　仿真與實驗

4.1仿真設(shè)計

為了驗證時頻差分OFDM水聲語音通信在時變多徑信道下的性能，利用BELLHOP模型模擬時變信道進(jìn)行Matlab仿真實驗。仿真中假設(shè)海域為開放性海域，海底地形平坦反射系數(shù)為1，海面平靜反射系數(shù)為-1。水域深度10 m，水域中介質(zhì)均勻，聲速恒定為1500 m/s。仿真中發(fā)射端采用單個換能器，位于水深4 m處；接收端采用小尺度的4陣元垂直接收陣，各陣元分別位于2 m、4 m、6 m、8 m深度處。

為模擬信道時變，仿真實驗中發(fā)射陣元位置保持不變，接收陣元由距發(fā)射陣元500 m處以10 m/s的速度遠(yuǎn)離發(fā)射陣元勻速移動（如圖2（a）所示）。圖2（b）為仿真實驗的本征聲線。記發(fā)射節(jié)點到接收陣列的信道從海面到海底依次為通道1、通道2、通道3、通道4。

圖3為仿真實驗的信道響應(yīng)，由于接收陣列以10 m/s的速度遠(yuǎn)離發(fā)射端運動，因此各通道信道響應(yīng)表現(xiàn)出了明顯的時變現(xiàn)象和多徑擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。

圖2　仿真實驗設(shè)計示意圖和本征聲線Fig.2 The schematic diagram of simulation and the eigenray

4.2仿真實驗結(jié)果與分析

為了驗證時頻差分OFDM水聲語音通信在時變信道下的性能，系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)采用表1參數(shù)設(shè)置。仿真實驗比較了單通道與多通道、時反與未做時反處理、時域差分頻域差分與時頻差分對系統(tǒng)性能的影響。

表1　仿真實驗參數(shù)設(shè)置Table 1 The parameters of simulation

圖3　仿真信道沖激響應(yīng)Fig.3 The channel impulse response of simulation

圖4給出了三種不同差分方式在不同信噪比下的信噪比-誤碼率曲線，采用DQPSK調(diào)制解調(diào)方式，不同的信噪比信號由理想信號和高斯白噪聲信號疊加而成。對比圖中通道1頻域差分OFDM、時域差分OFDM和時頻差分OFDM對應(yīng)的曲線，從圖中可以看出，時變信道條件下，時頻差分OFDM檢測表現(xiàn)了最優(yōu)的性能，時域差分OFDM檢測次之，頻域差分OFDM檢測性能最差，可見時頻差分OFDM具有更強的抗多徑、抗噪聲能力。

圖4同時給出了單通道未時反的時頻差分OFDM與多通道時反的時頻差分OFDM信噪比誤碼率曲線，從圖中可以看出，在4 dB～8 dB多通道時反的時頻差分OFDM系統(tǒng)對應(yīng)的誤碼率比單通道未時反的時頻差分OFDM對應(yīng)的誤碼率低，實驗結(jié)果說明，由于受信道時變、多徑及噪聲的影響，時反前各通道接收信號解調(diào)原始誤碼嚴(yán)重，采用時反處理后接收信號的干擾得到有效抑制，接收信號的信噪比得到提高，誤碼率下降。仿真結(jié)果表明，采用多通道時反的時頻差分OFDM可以有效抑制干擾，降低誤碼率，提高OFDM系統(tǒng)的魯棒性。

圖4　仿真信道下的誤碼率曲線Fig.4 The SNR-to-BER curve of simulation

4.3海試實驗設(shè)置

為了驗證時反時頻差分OFDM水聲語音通信在時變信道下的性能，于2014年1月15日在廈門市五緣灣海域進(jìn)行了實驗。圖5（a）給出了系統(tǒng)收發(fā)布放示意圖，圖5（a）中A為發(fā)射換能器，B1～B4為4陣元垂直接收陣，換能器之間距離1.5 m。發(fā)射換能器A布放深度為5 m，接收陣列中B1布放深度為1.5 m，收發(fā)換能器之間距離820 m。設(shè)接收陣列各陣元接收信號通道從上到下分別為通道1、通道2、通道3、通道4。海試實驗的參數(shù)如表1所示，與仿真實驗不同的是為了進(jìn)一步降低誤碼率，海試實驗中采用卷積碼作為信道編碼，卷積碼的表達(dá)式為（2，1，7）。本文海上試驗系統(tǒng)的幀同步信號采用長度為25 ms、頻率范圍13～18 kHz的線性調(diào)頻信號。由于采用時頻差分調(diào)制和信道編碼，試驗系統(tǒng)的等效數(shù)據(jù)傳輸速率1.6 kbps，低于所采用的語音MELP編碼速率2.4 kbps，因此無法支持實時語音通信。但考慮到水聲信道自身具有的傳輸時延較長，以及實際語音通信應(yīng)用的有效語音之間存在明顯的靜音段，本文系統(tǒng)可支持一般應(yīng)用中準(zhǔn)實時水下語音通信。

圖5（b）給出了實驗海區(qū)的聲速梯度曲線。實驗時天氣晴朗，風(fēng)力較大，海面受陽光和風(fēng)力的作用形成了表面混合層；在4 m～6 m深度，聲速呈現(xiàn)微弱負(fù)梯度；在深度大于6 m后呈微弱正梯度。

圖5　換能器布放示意圖和聲速曲線Fig.5 Deployment of the transducers and sound speed gradient

4.4海試實驗結(jié)果

圖6給出了通道1、通道3的連續(xù)時間信道沖激響應(yīng)。從圖6中可以看出，信道沖激響應(yīng)存在明顯多徑擴(kuò)展和時變特性，不同通道的多徑結(jié)構(gòu)明顯不同。利用單頻信號測得的信道引入的多普勒頻移約為-2.0 Hz。

圖6　實驗海域連續(xù)時間信道響應(yīng)Fig.6 Continuous time channel response

對各通道接收信號按原始信噪比（10.28 dB）進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，若對接收信號僅進(jìn)行時域差分檢測，由于信道時變多徑及多普勒頻移的影響，解調(diào)誤碼率較高；而采用時頻差分OFDM解調(diào)各通道誤碼率明顯下降，信道特性較好的通道4誤碼率甚至降低了一個數(shù)量級。可見由于時域差分編碼在兩個相鄰的OFDM符號間進(jìn)行，時域差分OFDM解調(diào)只能應(yīng)對相鄰OFDM符號間的畸變，無法處理OFDM符號內(nèi)的畸變，即子載波間的干擾。而時頻差分OFDM解調(diào)的方案由于增加了頻域差分參考，因此在處理時變信道造成的碼間干擾（Inter-symbol interference，ISI）及ICI方面更有優(yōu)勢。

表2　解調(diào)誤碼率Table 2 The bit error ratio

結(jié)合時反處理的結(jié)果也證明了這一點。對接收各通道信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理，然后分別進(jìn)行時域差分OFDM解調(diào)及時頻差分OFDM解調(diào)，前者解調(diào)誤碼率為36.26%，后者誤碼率為3.70%。對比時反處理前后差分解調(diào)的結(jié)果，可以看出結(jié)合時反處理后，時頻差分OFDM解調(diào)的性能比時域差分OFDM解調(diào)有更明顯的改善，這是因為時反處理使數(shù)據(jù)信號和導(dǎo)頻信號的多徑得到了聚焦，時頻差分調(diào)制解調(diào)只需抑制殘余多徑的影響。

海試中接收端不同解調(diào)處理方案得到的語音效果也反映性能比較結(jié)果。時域差分OFDM解調(diào)對應(yīng)的系統(tǒng)誤碼率較高，語音無法解碼恢復(fù)；時頻差分OFDM解調(diào)時反處理前后語音恢復(fù)情況如圖7～9所示，圖7為理想語音，比較圖7和圖8，從圖中可以看出，通道3合成語音有明顯的語音缺失，同時引入了能量較高的干擾信號，語音輸出不清晰；比較圖7和圖9采用多通道時反后解調(diào)合成語音波形與原始語音解碼合成語音相差不大，語音輸出的清晰度與自然度亦無明顯損失?？梢?，多通道被動時間反轉(zhuǎn)技術(shù)與時頻差分OFDM通信結(jié)合，可以有效抵抗信道一定程度的時變、多徑對水聲語音通信性能的影響。

圖7　原始語音Fig.7 The original speech

圖8　通道3時頻差分OFDM解調(diào)后合成語音Fig.8 The synthetic speech of channel 3

圖9　時反結(jié)合時頻差分OFDM解調(diào)后合成語音Fig.9 The synthetic speech after time-reversal receiver

值得注意的是，OFDM屬于長碼，在快速變化的水聲信道中，符號間的時間相關(guān)性難以保證，影響通信系統(tǒng)的性能，本文的仿真實驗和海試實驗的誤碼率都說明了這一點，如本文海試實驗中，在-2 Hz的頻偏和10.28 dB信噪比下，經(jīng)過多通道時間反轉(zhuǎn)處理后誤碼率為3.7%，如果采用多普勒補償，誤碼率將會下降，通信性能將會提升。

5　結(jié)論

本文采用多通道時間反轉(zhuǎn)與時頻差分OFDM相結(jié)合，利用時間反轉(zhuǎn)的自適應(yīng)聚焦特性聚焦多徑，結(jié)合時頻差分OFDM調(diào)制解調(diào)進(jìn)一步聚焦多徑和克服多普勒頻移。仿真實驗表明本文方案可提高水聲語音通信系統(tǒng)的信道魯棒性。海試結(jié)果表明，采用多通道時間反轉(zhuǎn)的時頻差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)接收語音音質(zhì)清晰、波形恢復(fù)質(zhì)量較好，語譜信息完整，接近原始語音。仿真和海上試驗表明，無需采用信道估計和均衡處理，本文技術(shù)方案具有對水聲信道一定程度時變多徑的容忍能力，可用于進(jìn)行水聲語音通信系統(tǒng)的低復(fù)雜度實現(xiàn)。本文采用卷積碼作為信道編碼，其性能不如LDPC和turbo碼，在后續(xù)工作中將采用LDPC和turbo碼作為信道編碼提升通信系統(tǒng)的性能；同時，本文接收陣列采用4個通道略顯不夠，未能完全發(fā)揮空間增益，在后續(xù)的工作中將采用更多的陣元進(jìn)行驗證。

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Underwater acoustic speech communication using time reversal and time-frequency differential OFDM methods

ZHOU Yuehai1，2JIANG Weihua1，2CHEN Lei1，2TONG Feng1，2
（1 Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technique of the Ministry of Education，Xiamen University，Xiamen 361005，China）（2 College of Ocean&Earth Sciences，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

The difficulties of underwater acoustic channel，i.e.，multipath，time varying and Doppler shifting pose significant challenges to underwater acoustic speech communication.In this paper，multi-channel time reversal is incorporated with time-frequency differential orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）technology to design an underwater acoustic speech communication system，which enables time-frequency domain focusing of multipath by multi-channel time reversal，as well as suppressing of the residual multipath with time-frequency differential OFDM.Thus the employment of complicated channel estimation and equalization are avoided to facilitate the low complexity system implementation.In addition，the mixed-excitation linear predictive（MELP）is employed for speech encoding.The simulation and sea trial demonstrate the effectiveness of the method at presence of time varying multipath underwater acoustic channel.

Underwater acoustic speech communication，Multi-path time reversal，Time-frequency differential OFDM

TN929.3

A

1000-310X（2015）04-0283-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.001

2014-10-10收稿；2014-12-30定稿

?國家自然科學(xué)基金資助項目（11274259）

周躍海（1987-），男，福建連城人，博士研究生，研究方向：水聲信號處理。?

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