采用時間反轉(zhuǎn)的調(diào)頻水聲語音通信方法

吳燕藝,李劍汶,童　峰

(廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院,水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361102)

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采用時間反轉(zhuǎn)的調(diào)頻水聲語音通信方法

吳燕藝,李劍汶,童峰*

(廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院,水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361102)

摘要：調(diào)頻語音通信技術(shù)具有抗干擾性能好、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),但在水聲信道多徑條件下調(diào)頻體制傳輸?shù)乃曊Z音質(zhì)量受到嚴(yán)重影響．針對此問題在調(diào)頻語音通信體制下引入時間反轉(zhuǎn)處理,通過抑制多徑效應(yīng)聚焦能量提高信號信噪比,改善調(diào)頻水聲語音通信性能,并采用客觀語音質(zhì)量評估 (perceptual evaluation of speech quality,PESQ)方法對調(diào)頻水聲語音通信質(zhì)量進(jìn)行評估．海洋試驗(yàn)證明,時間反轉(zhuǎn)處理可有效提高調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)性能．

關(guān)鍵詞：水聲語音通信;調(diào)頻;時間反轉(zhuǎn);多徑信道

水聲語音通信在海洋工程、軍事訓(xùn)練、海洋開發(fā)、搜救、水下觀光、潛水作業(yè)等場合有著廣泛的應(yīng)用．單邊帶水聲語音通信是最早的水聲語音通信手段,如美國海軍水聲實(shí)驗(yàn)室研制的水下電話[1]．但在復(fù)雜時空變化特性、強(qiáng)多徑、強(qiáng)噪聲等惡劣水聲信道條件下,單邊帶調(diào)制性能受到了嚴(yán)重的限制．針對單邊帶技術(shù)的缺點(diǎn),數(shù)字體制水聲語音通信技術(shù)得到廣泛研究．法國碼激勵線性預(yù)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用四進(jìn)制差分相移鍵控(4-differential phase shift keying,4-DPSK)調(diào)制和最小均方算法 (判決反饋均衡器)[2].陳冰等[3]采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)設(shè)計(jì)出適用于水聲信道環(huán)境的實(shí)時語音通信系統(tǒng).殷敬偉等[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套時域差分OFDM水下語音通信系統(tǒng),并與常規(guī)OFDM方法相比較,體現(xiàn)了差分OFDM具有的優(yōu)點(diǎn).曾堃等[5]基于時頻差分OFDM設(shè)計(jì)了水聲語音通信系統(tǒng)．但是,OFDM、正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)等數(shù)字調(diào)制技術(shù)雖具有高頻譜利用率、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn),但OFDM對多普勒頻移和相位噪聲敏感，子載波的正交性容易被破壞，QPSK需要嚴(yán)格的載波同步，容易受碼間干擾影響，造成通信性能下降.同時,數(shù)字通信體制的語音通信都需配合聲碼器或語音識別器,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,且在高誤碼情況下會導(dǎo)致語音完全損失．

調(diào)頻水聲語音通信技術(shù)具有良好的通信效果,如調(diào)制效率高、抗噪性能好等特點(diǎn)[6],特別是在較低信噪比條件下可充分利用人耳的噪聲抑制能力提高語音通信效果．黃紹[7]設(shè)計(jì)了一套調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)．但在多徑條件下,調(diào)頻體制對于多徑效應(yīng)的抵抗能力較弱,嚴(yán)重影響通信性能．在傳統(tǒng)模擬調(diào)頻調(diào)制解調(diào)過程中會產(chǎn)生噪聲干擾,一定程度影響水聲語音通信．本研究考慮多徑信道下的水聲語音通信需求,在傳統(tǒng)調(diào)頻語音通信體制內(nèi)引入時間反轉(zhuǎn)技術(shù)以改善系統(tǒng)性能．

時間反轉(zhuǎn)技術(shù)可有效抑制多徑效應(yīng),通過聚焦多徑提升水聲語音通信系統(tǒng)性能．目前在數(shù)字體制通信系統(tǒng)中,為了對抗信道中的多徑效應(yīng),時間反轉(zhuǎn)技術(shù)在QPSK、OFDM等數(shù)字水聲通信體制中得到廣泛研究和應(yīng)用[8-9],但在調(diào)頻體制中的應(yīng)用尚不多見．

本研究在調(diào)頻水聲通信中引入時間反轉(zhuǎn)處理,對調(diào)頻解調(diào)后的語音信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理,即在語音頻帶內(nèi)進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理,保留了模擬調(diào)頻解調(diào)體制實(shí)現(xiàn)簡單特點(diǎn)的同時,利用時間反轉(zhuǎn)處理改善語音質(zhì)量．

水聲語音通信的性能評估,主要通過計(jì)算語音信噪比,從能量方面進(jìn)行評估,計(jì)算方便,但未考慮語音聽感、可懂度等．語音質(zhì)量包括兩個方面內(nèi)容:清晰度和自然度．語音質(zhì)量評估是一個極其復(fù)雜的問題,從評價的主體上講可分為兩大類:主觀評價和客觀評價．目前,國內(nèi)外使用較多的主觀評價方法有:平均意見分(mean opinion score,MOS)、音韻字可懂度測量(diagnostic rhyme test,DRT)和滿意度測量(diagnostic acceptability measure,DAM)[10]．主觀評價主要靠人對語音質(zhì)量的感覺,但是費(fèi)時費(fèi)力費(fèi)錢,而且靈活度不夠,受人的主觀影響較大．

為了克服信噪比評估和語音主觀評價的缺點(diǎn),本研究采用客觀評價方法進(jìn)行質(zhì)量評估．客觀語音質(zhì)量評估(perceptual evaluation of speech quality,PESQ)方法[11]是國際電信同盟(International Telecommunications Union,ITU)于2001年采用感知語音質(zhì)量測量(perceptual speech quality measure,PSQM)的感知模型和感知分析測試系統(tǒng)(perceptual analysis measurement system,PAMS)的延時校準(zhǔn)方法形成的,PESQ算法采用改進(jìn)型認(rèn)知模型技術(shù)和聽覺模型技術(shù),充分考慮端到端的網(wǎng)絡(luò)時延,因此對通信時延、環(huán)境噪聲等有較好的魯棒性[12],可以用于測評不同類型的網(wǎng)絡(luò),已成為了ITU的語音評價標(biāo)準(zhǔn)．為了量化體現(xiàn)信號質(zhì)量的改善程度,本研究采用PESQ客觀語音質(zhì)量評估算法對時間反轉(zhuǎn)處理前后的海試解調(diào)語音進(jìn)行質(zhì)量評估．

1調(diào)頻水聲語音通信原理

頻率調(diào)制[13]可以用式(1)表達(dá):

eθ(t)=A0cos[ω0t+φ(t)+φ0],

(1)

其中,A0為載波振幅,φ0是調(diào)角波的初始相角,φ(t)+φ0是調(diào)角波的順時相角．對于調(diào)頻波[13],則:

(2)

其中,g(τ)是調(diào)制信號,Kf是調(diào)制靈敏度(rad/(s·V))．將式(2)代入式(1),假設(shè)起始相位角為0,則調(diào)頻信號的表達(dá)式[13]為:

(3)

若g(t)=A1cos(Ωt),并將g(t)代入式(1)和式(3)即得:

A0cos[ω0t+mfsin(Ωt)],

(4)

其中mf為調(diào)頻指數(shù)，

(5)

由式(5)可得,對于單音調(diào)頻波調(diào)制指數(shù)mf反比于調(diào)制角頻率Ω．

在調(diào)頻調(diào)制過程中,調(diào)頻信號由于非線性調(diào)制造成了其頻譜結(jié)構(gòu)中具有新的邊頻成分且在有效調(diào)制帶寬兩側(cè)成對稱分布．這一特性使得調(diào)頻信號具有較強(qiáng)的抗干擾能力,可以抵抗信道中的干擾[6]．在接收端,解調(diào)過程中限幅器的應(yīng)用使得調(diào)頻體制對調(diào)頻信號在信道傳播過程中產(chǎn)生的畸變具有一定的抑制．本文采用非線性解調(diào)電路,由于非線性電路的特點(diǎn)[14]使得調(diào)頻信號的解調(diào)過程的頻率捕獲效應(yīng)更加明顯,這一特點(diǎn)可以加強(qiáng)調(diào)頻體制系統(tǒng)的抗多徑性能．

2時間反轉(zhuǎn)技術(shù)

時間反轉(zhuǎn)處理[15]可簡單描述如下:

設(shè)水聲信道的沖激響應(yīng)為h(t),發(fā)射的水聲語音信號包含語音信息s(t)和探針信號p(t),s(t)和p(t)經(jīng)過信道后可得:

sr=s(t)?h(t)+ns(t),

pr(t)=p(t)?h(t)+np(t).

其中ns(t)、np(t)為信道中的噪聲干擾．提取接收到的探針信號pr(t)，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理得到pr(-t)，pr(-t)將被存放在時間反轉(zhuǎn)存儲器中,該過程稱為預(yù)處理過程．將接收信號sr(t)與時間反轉(zhuǎn)后的探針信號pr(-t)作卷積可得預(yù)處理器輸出信號:

r(t)=s(t)?h(t)?p(-t)?h(-t)+n(t).

其中n(t)即為預(yù)處理器輸出的干擾噪聲．為了還原原始信號s(t),探針信號p(t)必須具有良好的自相關(guān)性,使得p(t)?p(-t)也近似于δ(t),最終可以得到時間反轉(zhuǎn)處理后的信號:

目前,時間反轉(zhuǎn)已經(jīng)在數(shù)字通信體制如QPSK和OFDM中得到廣泛的研究和應(yīng)用[16],但在調(diào)頻體制中的應(yīng)用尚不多見,本研究在調(diào)頻體制中引入時間反轉(zhuǎn)技術(shù)對抗水聲信道中的多徑效應(yīng),提升系統(tǒng)性能．

3調(diào)頻水聲語音通信方案

調(diào)頻體制雖然已被運(yùn)用在水聲語音通信之中,但由于其對于水聲信道中的多徑效應(yīng)抵抗較差,同時在調(diào)頻調(diào)制解調(diào)過程中會產(chǎn)生邊頻分量，一定程度上增加了系統(tǒng)噪聲對語音解調(diào)質(zhì)量的影響.這都是在水聲語音通信中需要解決的問題．本文中針對調(diào)頻體制的缺點(diǎn),提出利用時間反轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)對上述問題以改善系統(tǒng)性能,方案流程圖如圖1所示,發(fā)射端部分主要包括語音信號輸入和信號調(diào)制兩部分,接收端部分主要包括解調(diào)電路和信號處理兩部分．

圖1　調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)流程圖Fig.1The process of frequency modulation underwater acoustic voice communication system

在接收端,從換能器接收到的信號經(jīng)過放大濾波等前置處理以后,再經(jīng)過非線性解調(diào),解調(diào)語音一路可供直接輸出,另外一路送入數(shù)字處理器完成時間反轉(zhuǎn)處理過程,即:首先通過同步定位將探針和信號取出來,并保存；接著將探針信號反轉(zhuǎn),并與解調(diào)語音做卷積計(jì)算；最終得到經(jīng)過多徑聚焦的語音輸出．

由于是基于調(diào)頻語音通信系統(tǒng)進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理,本系統(tǒng)無需采用聲碼器,系統(tǒng)復(fù)雜度較低,易于實(shí)現(xiàn);同時系統(tǒng)保留一路模擬解調(diào)輸出,可在數(shù)字處理器工作異常情況下作為備份輸出,增加冗余性．

表1　調(diào)制參數(shù)設(shè)置

Tab.1　System parameters of frequency modulation system modulation

載波頻率/kHz換能器帶寬/kHz探針長度/ms語音長度/s間隔長度/ms調(diào)制帶寬/kHz調(diào)制靈敏度探針采樣率/kHz語音采樣率/kHz調(diào)制方式2520～30505.37033322～282×π×300084DDS調(diào)制

4海洋試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1試驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的性能,在廈門市五緣灣海域進(jìn)行了海洋試驗(yàn)．海域?yàn)榘敕忾]結(jié)構(gòu),平均水深約為10 m,發(fā)射、接收換能器放置深度均為3 m左右,接收、發(fā)射換能器之間距離1 km左右．圖2為試驗(yàn)海域聲速梯度曲線．

圖2　聲速梯度Fig.2Sound speed gradient

4.2試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置

發(fā)射信號調(diào)制具體參數(shù)設(shè)置如表1所示．信號調(diào)制部分采用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn),由ARM7-LPC2138和AD9851完成．DDS在頻率轉(zhuǎn)換時間、相位連續(xù)性、頻率分辨率等各方面性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)水平,提供了優(yōu)于模擬信號源的性能．

頻率調(diào)制信號由語音頻帶探針和語音信號組成．語音頻帶探針為線性掃頻(linear frequency modulation,LFM)信號,掃頻范圍500～1 500 Hz,采樣率8 kHz,長度50 ms．語音信號在探針信號之后,兩者保護(hù)間隔為333 ms,試驗(yàn)語音內(nèi)容為“廈門大學(xué)正在進(jìn)行語音測試”,采樣率4 kHz,長度5.370 s．

試驗(yàn)系統(tǒng)解調(diào)采用非線性解調(diào)電路[15],解調(diào)語音信號送入PC中進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理,由于時間反轉(zhuǎn)處理只需處理解調(diào)語音,可以采用較低的采樣率從而有效降低運(yùn)算復(fù)雜度,方便進(jìn)行嵌入式實(shí)現(xiàn)．本方案中時間反轉(zhuǎn)處理的數(shù)據(jù)傳輸速率為4 kbit/s．

為了進(jìn)行性能評估比較,在同信道下進(jìn)行OFDM水聲語音通信試驗(yàn)[8]．OFDM語音通信系統(tǒng)采樣率為96 kHz,FFT點(diǎn)數(shù)為4 096,循環(huán)前綴長度為10.67 ms,子載波個數(shù)為200．采用2.4 kbit/s混合激勵線性預(yù)測(mixed-excitation linear predictive,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．

由于OFDM語音通信試驗(yàn)的傳輸語音內(nèi)容為“語音編碼的實(shí)驗(yàn)”,與本方案傳輸?shù)恼Z音內(nèi)容不同．為了評估系統(tǒng)語音通信性能,本研究采用PESQ對兩種方法的水聲語音通信質(zhì)量進(jìn)行量化評估．

4.3試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)頻水聲語音通信試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,其中圖3(a)和(b)分別為原始語音波形圖和時頻圖,圖3(c)和(d)為調(diào)頻解調(diào)后語音波形圖和時頻圖,圖3(e)和(f)為經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的語音時域波形和時頻圖．由于淺海信道的多徑效應(yīng),從語音波形圖中看出,解調(diào)后的語音信號存在著明顯的噪聲干擾和時、頻擴(kuò)展現(xiàn)象,極大地影響了解調(diào)語音的質(zhì)量,降低了語音通信性能．圖4為利用探針信號得到的信道響應(yīng),可以看出信道存在明顯多徑分量．

圖3　語音波形與時頻圖Fig.3The waveform and spectrogram of speech

圖4　利用探針獲取的信道響應(yīng)Fig.4Channel response obtained by probe

通過圖3(a)、(c)、(e)方框內(nèi)的波形對比可知,經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后,語音幅度得到了明顯增強(qiáng);從圖3(b)、(d)、(f)中方框內(nèi)的時頻特征比較結(jié)果可以明顯看出,傳輸過程中因多徑信道導(dǎo)致的語音頻譜擴(kuò)散效應(yīng)得到了明顯的抑制．

PESQ語音質(zhì)量客觀評價方法的滿分為4.50,試驗(yàn)中調(diào)頻解調(diào)語音得分為2.23,經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后語音得分為2.78;由于試驗(yàn)信道多徑較為明顯,同一信道下的OFDM語音通信糾錯后的誤碼率為11.87%,對應(yīng)的OFDM體制接收語音的PESQ質(zhì)量評估得分為2.35．

由此可發(fā)現(xiàn),從PESQ得分反映,在海洋試驗(yàn)信道多徑較為明顯的情況下,時間反轉(zhuǎn)處理前調(diào)頻方法傳輸語音質(zhì)量稍差于OFDM水聲語音通信質(zhì)量,但經(jīng)過本研究的時間反轉(zhuǎn)處理后語音質(zhì)量得到改善從而優(yōu)于OFDM方法．

通過PESQ方法對語音進(jìn)行質(zhì)量評估可得出,時間反轉(zhuǎn)處理能有效提高多徑信道下的調(diào)頻水聲語音通信質(zhì)量．同時,PESQ方法提供了從語音質(zhì)量角度量化評價語音通信系統(tǒng)性能的評估手段．

5結(jié)論

本研究針對多徑條件下傳統(tǒng)水聲語音通信系統(tǒng)性能下降的問題,通過在調(diào)頻語音通信體制中引入了時間反轉(zhuǎn)聚焦多徑能量,提高系統(tǒng)對于多徑效應(yīng)的適應(yīng)性．海上語音通信試驗(yàn)結(jié)果表明,所提出時間反轉(zhuǎn)調(diào)頻水聲語音通信方案的語音通信性能良好,在多徑條件下解調(diào)語音質(zhì)量較高．

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512006

收稿日期：2015-12-05錄用日期：2016-01-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11274259,11574258)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA14008)

*通信作者：ftong@xmu.edu.cn

中圖分類號:TN 912.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)04-0570-05

Frequency Modulation Underwater Acoustic Voice Communication Technology with Time Reversal

WU Yanyi,LI Jianwen,TONG Feng*

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,College of Ocean & Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Abstract:As the underwater acoustic channel is a hostile channel with serious time varying, multipath effect, high-noise among others, research and design of the high performance underwater acoustic voice communication is highly challenging. Frequency modulation (FM) technology bears strong anti-jamming ability, which is convenient to be implemented. However, the communication performance of FM is seriously affected under the underwater channel with multipath, high-background noise among others. For the purpose of improving the underwater voice communication performance under multipath conditions, this paper introduces the time-reversal mirror technology to the design of underwater FM voice communication system, which can concentrate multipath and improve signal-to-noise ratio (SNR). Finally, this paper adopts the PESQ to evaluate the FM underwater speech quality. Via the sea trial experiment, time-reversal mirror technology can improve the communication performance of the proposed system.

Key words:underwater acoustic voice communication;frequency modulation (FM);time reversal;multipath channel

引文格式：吳燕藝,李劍汶,童峰.采用時間反轉(zhuǎn)的調(diào)頻水聲語音通信方法[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,55(4)：570-574.

Citation：WU Y Y,LI J W,TONG F．Frequency modulation underwater acoustic voice communication technology with time reversal[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：570-574．(in Chinese)