幾種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在短波水上通信系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

姚萍萍 肖春暉

摘 要：短波通信因失真少、傳輸距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)等因素一直是海上通信的主流方式，模擬傳輸手段則因?qū)崿F(xiàn)性強(qiáng)、成本低長(zhǎng)期以來(lái)作為海上通信的主要傳輸方式。隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用成為水上通信系統(tǒng)未來(lái)一段時(shí)間的主流和趨勢(shì)，本文旨在通過(guò)對(duì)短波電臺(tái)調(diào)制方法和語(yǔ)音編碼方式選擇的研究，探索將數(shù)字化技術(shù)引入短波水上通信系統(tǒng)的可能性和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：海上通信 短波 數(shù)字電臺(tái) OFDM Opus 技術(shù)應(yīng)用

短波通信因具有繞射能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用到海事、氣象和軍事領(lǐng)域，其系統(tǒng)也是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）的重要組成部分。基于數(shù)字通信技術(shù)的日趨成熟，如何將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到短波通信中，整合兩種通信方式的優(yōu)點(diǎn)，成為新的研究方向。本文主要研究信號(hào)的調(diào)制和信源—語(yǔ)音信號(hào)的編碼兩個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用。

1.短波通信數(shù)字調(diào)制應(yīng)用

短波通信雖然具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大、設(shè)備價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但其依賴(lài)大氣層傳播的特點(diǎn)也使其易容易被干擾、衰減和失真。DRM（世界數(shù)字廣播組織）為了揚(yáng)長(zhǎng)避短、更好地使用短波通信，針對(duì)30MHz以下的長(zhǎng)中短波調(diào)幅廣播建立了世界通用的數(shù)字AM廣播標(biāo)準(zhǔn)，推廣了數(shù)字廣播技術(shù)DRM系統(tǒng)。

1.1DRM技術(shù)的優(yōu)越性

DRM系統(tǒng)使用30MHz以下頻段的特點(diǎn)，使其對(duì)中高頻頻譜資源的利用比較充分，繞射能力及穿透能力更強(qiáng)，有利于增大覆蓋范圍；在覆蓋范圍基本相同的情況下，DRM系統(tǒng)需要使用的數(shù)字調(diào)幅發(fā)射機(jī)的功率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)，這一點(diǎn)有利于提高發(fā)射機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益和能效；在短波9kHz帶寬的前提下，可以充分利用現(xiàn)有的語(yǔ)音編碼技術(shù)，增強(qiáng)抗擾能力，消除短波衰落，從而提高傳輸可靠性，避免高斯噪聲影響。

DRM+（最新的DRM技術(shù)代）采用多載波OFDM傳輸方式（正交頻分復(fù)用），使用4QAM和16QAM兩種子載波調(diào)制方式，在主業(yè)務(wù)信道上提供高達(dá)37～186kb/s的凈數(shù)據(jù)率。

1.2OFDM調(diào)制原理

OFDM調(diào)制的原理是將高速的數(shù)據(jù)流分解為多路并行的低速數(shù)據(jù)流，并將這些數(shù)據(jù)流在在多個(gè)載波上同時(shí)進(jìn)行傳輸。基于這個(gè)原理，OFDM調(diào)制相較于單信道傳輸保真性更強(qiáng)，并且具有基于符號(hào)周期展寬的特點(diǎn)。采用OFDM調(diào)制方式產(chǎn)生的低速并行的子載波，其多徑效應(yīng)造成的時(shí)延擴(kuò)展就能夠相對(duì)縮小。這樣就能降低碼間干擾發(fā)生的幾率直至可以忽略不計(jì)。

OFDM調(diào)制的通帶信號(hào)一般可表示為：

在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)解調(diào)N路子載波，并根據(jù)波形疊加得到信號(hào)，從而減少失真。例如N=4時(shí)，信號(hào)表達(dá)中d=（1，1，1，1），四個(gè)載波解調(diào)后的獨(dú)立波形和疊加后的信號(hào)波形分別如圖1。

從波形圖可以看出，雖然4個(gè)子載波的幅度范圍恒為[-1，1]，但由于多信道疊加，一旦出現(xiàn)多信號(hào)相位一致的情況，就會(huì)產(chǎn)生疊加信號(hào)瞬時(shí)功率數(shù)倍于單信號(hào)平均功率的情況，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為OFDM調(diào)制的高峰均比，目前針對(duì)這一弊端，研究者進(jìn)行了限幅類(lèi)，編碼類(lèi)以及概率類(lèi)等技術(shù)探索。1.3OFDM調(diào)制在短波電臺(tái)的應(yīng)用

目前水上通信短波電臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)主要具備三大功能模塊：信源編碼、信道編碼和OFDM調(diào)制。最終，發(fā)送端將OFDM調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬基帶信號(hào)，并直接通過(guò)SSB單邊帶調(diào)制發(fā)射。信號(hào)處理流程如圖2所示。

OFDM的調(diào)制是將需要被發(fā)送的數(shù)據(jù)分別與多路子載波相乘合，形成基帶復(fù)信號(hào)s（t）。而OFDM解調(diào)的過(guò)程就是由復(fù)信號(hào)s（t）求解傅立葉系數(shù)的過(guò)程。

2.語(yǔ)音傳輸編碼

在數(shù)字化中短波發(fā)射系統(tǒng)中，信源編碼是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要討論海上通信中最為常見(jiàn)的語(yǔ)音編碼。

短波數(shù)字傳輸，由于其頻段特性，傳輸帶寬非常有限。為了充分地利用極其有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，一般在數(shù)字化處理中采用語(yǔ)音壓縮編碼。語(yǔ)音編碼的特征屬性有比特率、語(yǔ)音質(zhì)量、時(shí)延和復(fù)雜度。但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，這些屬性往往此消彼長(zhǎng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般遵循需要對(duì)對(duì)各項(xiàng)屬性的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行折衷，并選擇合適的編碼方式。

四個(gè)屬性中，通常情況下工程師們會(huì)優(yōu)先選擇降低比特率，從而達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，編碼的比特率越低，其處理時(shí)延越長(zhǎng)，算法復(fù)雜度越高，最后得到的語(yǔ)音質(zhì)量越差。

2.1Opus編碼

Opus編碼器是一個(gè)由IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）開(kāi)發(fā)的有損聲音編碼的格式。在技術(shù)層面上，Opus編碼器具有巨大的優(yōu)勢(shì)，從水上通信使用的角度來(lái)講，主要表現(xiàn)在：支持從窄帶到全頻段的音頻帶寬，采樣率可覆蓋窄帶和全頻（8 kHz-48 kHz）；支持CBR（恒定比特率）和VBR（可變比特率）；良好的PLC（數(shù)據(jù)包丟失隱藏）。這些特點(diǎn)使其在低碼率下完勝曾經(jīng)優(yōu)勢(shì)明顯的HE AAC，中碼率可以與AAC格式一較高下，而高碼率下更可以到達(dá)接近原始音頻的程度。相較于擁有眾多不同編碼器的AAC格式和HE AAC格式， Opus 格式還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)即其開(kāi)放性，這一點(diǎn)使其在使用時(shí)沒(méi)有任何技術(shù)限制（包括專(zhuān)利限制）。

基于開(kāi)源的特點(diǎn)，研發(fā)者既可以直接使用編譯好的so庫(kù)（官網(wǎng)地址：http：//www.opus-codec.org/），也可以使用源碼自己根據(jù)需求生成so庫(kù)然后導(dǎo)入使用，甚至能直接使用源代碼。

編碼作業(yè)需要使用NDK編程，具體實(shí)現(xiàn)則需要在工程界面中創(chuàng)建OpusTool類(lèi)，用于調(diào)用native層的方法。具體程序可根據(jù)實(shí)際情況由技術(shù)開(kāi)發(fā)人員自行編寫(xiě)。

2.2短波電臺(tái)使用Opus編碼的優(yōu)勢(shì)

（1）Opus編碼在6kb/s-510kb/ s的比特率范圍內(nèi)的音質(zhì)表現(xiàn)正常，特別是在10kbps以上的范圍內(nèi)明顯優(yōu)于其他編碼方式。其在低帶寬的中短波信道中的良好表現(xiàn)，使短波電臺(tái)的語(yǔ)音傳輸能夠避斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。

（2）Opus語(yǔ)音編碼時(shí)延非常低，在實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信應(yīng)用方面效果非常好，這與短波電臺(tái)的使用需求非常吻合。

（3）Opus編碼的開(kāi)源性決定了它是完全免費(fèi)且開(kāi)源的算法，任何人研究者和技術(shù)人員都可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，產(chǎn)品生產(chǎn)也不需要支付高額的專(zhuān)利費(fèi)用，在一定程度上能夠降低短波電臺(tái)使用的成本。

（4）Speex編碼可以作為6kbps比特率以下的Opus編碼補(bǔ)充，這種補(bǔ)充可使短波電臺(tái)在低比特率條件下也能有良好的收聽(tīng)效果。

3.結(jié)語(yǔ)

在通信技術(shù)日新月異的今天，水上短波通信對(duì)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)技術(shù)的探索方興未艾。本文探索的數(shù)字調(diào)制方式OFDM，以O(shè)pus為主要語(yǔ)音編碼技術(shù)均能在一定程度上改善短波通信受干擾嚴(yán)重、傳播方式依賴(lài)性強(qiáng)等弱點(diǎn)，但限于水平和條件，本文的研究非常有限且有非常明顯的不足，希望通過(guò)日后的研究，進(jìn)一步提高短波信道的通信抗干擾能力，更好的利用數(shù)字短波技術(shù)支持海上通信發(fā)展。

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