語音通信是人與人交流的最直接手段。隨著人們對海洋資源的開發利用，岸基人員與水下平臺、水下潛水員間的實時語音傳輸變得更為迫切。對于多徑嚴重的水聲信道，其可用頻帶窄，水聲通信的信息傳輸速率往往只有幾百比特每秒到幾千比特每秒。因此，為了更直接可靠地傳遞指揮、命令等重要信息，研究實現水下實時數字語音通信機具有重要價值。

    本文在已經構建好的LDPC-OFDM水聲通信系統的基礎上，加入語音壓縮算法MELP，在ARM+DSP嵌入式平臺上實現了水下實時數字語音通信樣機。該樣機有別于國內外已實現的OFDM系統通信機，無需PC機參與即可實現人機交互，并且用軟件語音壓縮算法取代硬件聲碼器，大大提高了系統的靈活性，降低了開發成本。水池實驗表明，該數字語音通信樣機設計方案合理可行，并取得了滿意的語音通信效果。
1 關鍵技術
    本文設計的水聲語音通信系統主要由語音編解碼模塊、語音壓縮解壓縮模塊、信道糾錯編解碼模塊、OFDM調制解調模塊以及模/數轉換模塊組成。系統框圖如圖1所示。發送端通過話筒將語音聲信號轉換為電信號，電信號經由CODEC編碼成為數字語音信號，即語音碼流。通過語音壓縮模塊減少語音碼流的冗余信息，產生低速碼流，壓縮后需要經過信道糾錯編碼，以提高系統傳輸可靠性。之后將信息碼流經過OFDM調制到系統頻帶上，已調信號加上同步信號成幀后送入發射換能器經過信道發射出去。接收部分將接收到的微弱信號經由低噪放大電路送至A/D轉換器變為數字信號，后經發送端的一系列逆過程完成語音信號的還原播放。

    本實時數字語音通信系統主要包括OFDM調制解調、信道編碼及語音壓縮三個關鍵技術。

1.1 OFDM調制解調技術
    OFDM以其頻譜利用率高、抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強以及基于離散傅立葉變換的OFDM有快速算法、OFDM采用IFFT和FFT來實現調制和解調、易用DSP實現[1]等優點而成為水聲通信領域的研究熱點之一。根據水聲信道的特點，構建的基帶OFDM通信系統幀格式如圖2所示。

    幀同步信號與數據之間需有一定的保護間隔，其長度要大于信道的最大時延擴展，以免幀同步信號的多徑效應影響數據。系統采用粗、細兩級同步。粗同步信號采用DDS(Direct Digital Synthesis)直接數字合成技術產生5個單頻信號；細同步信號采用線性調頻信號。接收端最先通過捕獲電路獲得粗同步，然后采用拷貝相關器進行細同步信號的檢測，從而保證OFDM系統有準確的定時同步。該系統信息調制采用QPSK映射方式。詳見參考文獻[2]。
1.2 信道編碼
    在水聲通信中的信道是高噪聲、多徑干擾嚴重的環境，為增加信號在信道中傳輸的可靠性，必須采用糾錯編碼技術。本系統中采用糾錯編碼技術有兩個目的：一是解決由信道白噪聲所產生的隨機性差錯；二是解決由脈沖干擾所引起的突發性差錯。目前，信道糾錯編碼方案中比較好的兩種選擇是Turbo碼和低密度奇偶校驗碼LDPC(Low Density Parity Check)，理論已經證明利用迭代譯碼的LDPC碼性能接近Shannon限[3]，并且具有較好的抗突發噪聲的特性。基于以上幾點考慮，本系統采用一種新型的水下數據傳輸糾錯編碼QC-LDPC(Quasi Cyclic LDPC碼，也稱準循環LDPC碼)。在LDPC譯碼過程中，使用Normalized BP-based算法，不僅硬件實現簡單，而且在效率和性能方面也都具有一定的優勢[4]。前期研究表明加入LDPC信道編碼的OFDM水聲通信系統的誤碼率可低至10-3以下。這為OFDM水聲通信的實時語音傳輸奠定了良好的基礎。
1.3 語音壓縮
      美國聯邦標準MELP2.4(Mixed Excited Linear Prediction 2.4 kb/s)具有出色的語音質量和低速的壓縮比特流等優點，并考慮到LDPC-OFDM水聲通信系統的傳輸速率，因此將其應用在本文構建的系統中。該算法中一幀語音長度為22.5 ms，編碼后每幀包含54 bit，最后補充2 bit至56 bit以便于字節傳輸[5]。實驗表明，在嵌入式上移植經過優化之后的MELP2.4算法完全可以滿足實際的工程需要。該算法對誤碼率的容忍度是10-3[6]，在此容限下保證恢復出來的語音具有良好的可懂度和較好的自然度。而加入LDPC信道編碼的OFDM調制系統的信息傳輸速率大于2.4 kb/s，可以很好地與該語音壓縮算法相匹配。
    綜合上述關鍵技術，構建了基于LDPC-OFDM技術的水下實時語音數字通信系統，并在Matlab平臺上進行仿真研究和水池實驗，驗證了該水聲通信系統方案的可行性。
2 樣機實現
2.1 硬件實現
    本文構建的實時語音通信系統以ARM+DSP雙核處理器為核心搭建而成。DSP采用TMS320DM642處理器芯片，它具有優越的數字信號處理能力，其主頻高達600 MHz，最大指令執行速度是4 800 MIPS，主要負責LDPC碼的信道編譯碼、OFDM信號調制解調等工作。嵌入式系統則采用ARM架構的S3C2440芯片，它的主頻為400 MHz，主要負責語音采集播放、語音壓縮編解碼以及其他數據、圖像等多媒體數據的采集、控制等工作。圖3所示為OFDM水聲通信樣機的硬件結構框圖。其中，CODEC負責音頻信號的編解碼，攝像頭完成圖像采集功能，顯示屏則實現圖像的還原顯示和系統的誤碼統計結果顯示等。在硬件接口設計上，ARM處理器S3C2440內置的I2S總線接口直接外接16 bit的立體聲CODEC，收、發兩端的ARM與DSP之間通過SPI協議實現數據流的高速傳輸，ARM自帶SPI接口，DSP則采用兼容SPI協議的多通道緩沖串口McBSP1，另一個多通道緩沖串口McBSP0用于控制D/A和A/D。

2.2 軟件實現
    在軟件設計上，語音采集、播放部分采用具有阻塞讀寫功能的ALSA音頻編程體系實現對語音幀的準確可靠采集、播放。MELP語音幀逐幀壓縮，每87幀封裝成一個語音數據幀經由SPI協議傳送給DSP完成LDPC信道編碼和OFDM調制并進行D/A發送，保證發送端數據流的流水線傳輸發送。接收端一旦檢測到DDS粗同步信號，DSP就啟動A/D接收，繼而完成OFDM解調和LDPC信道糾錯譯碼，譯碼后還原的語音數據幀經由SPI協議傳送至ARM并進行逐幀解壓播放。整個過程不斷地循環流水工作。系統按語音數據幀方式傳輸，以保證收、發兩端數據流連續有序地傳送。收發ARM、DSP的程序流程如圖4～圖7所示。

3 水池實驗結果
    本系統于2012年7月9日在廈門大學水聲通信教育部重點實驗室水池進行試驗。水池布設：長=4.3 m，寬=2.9 m，高=2.0 m；采用柱形換能器完成信號的發射和接收，收發換能器相距3.6 m，其在水池中呈等深度吊放，離水面1.0 m。
    圖8上部分所示為發送信號波形，下部分為經過信道傳輸后的接收信號在低信噪比下恢復的語音信號時域波形圖。從圖上可以看出，接收信號具有較低的信噪比，受水池四壁反射的影響，信道多徑干擾嚴重。對比收發信號可知，接收信號呈現頻率選擇性衰落，有用信號基本上淹沒在噪聲中，經過信道糾錯譯碼后可實現無誤碼傳輸。通過實時通話試聽測試結果表明，該系統有良好的實時性和語音恢復性能，并且能分辨出不同說話人的聲音。

    設計并實現了基于OFDM的水下實時數字語音通信系統，系統的數據傳輸速率可達2.4 kb/s。通過水池試驗，測試了該系統語音通信的實時性和語音可懂度性能，實時語音通信效果理想，達到了預期的目標。今后將通過海試進一步測試驗證該系統的性能。
參考文獻
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[5] DANIEL E J，TEAGUE K A.Federal standard 2.4 kb/s  MELP over IP[C].Proceedings of the 43rd IEEE Midwest  Symposium on Circuits and Systems，2000：568-571.
[6] 杜利剛.基于MELP的水聲語音傳輸及語音隱蔽通信的研究和實現[D].廈門：廈門大學，2011.