[发明专利]一种数字式水下语音通信装置及水下语音通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下通信领域，特别涉及一种结合了正交频分复用（OFDM）技术和多边带激励（MBE）低码率语音压缩技术的数字式水下语音通信装置及水下语音通信方法。

背景技术

近年来，随着水声通信技术的发展，结合了语音压缩技术的数字式水声语音通信被广泛的应用于军事和民用领域，如海洋勘探、水下考古、蛙人间通信、潜艇或舰船与岸基控制台之间的通信等。水声语音通信技术也经历了模拟到数字的发展过程，在初期的模拟调制阶段为了降低带宽，水声通信常使用单边带调制等技术。随着数字信号处理技术的迅速发展和大规模集成电路技术的广泛应用，数字信号处理器（DSP）以其高效计算能力和灵活的编程方式越来越受到开发者的青睐，语音通信也逐步的进入了以数字信号处理器为核心的高速数字通信时代，较之于模拟系统，数字式语音通信系统则体现出了便于加密、易于集成、小型化、信道匹配性强等数字化处理和机械尺寸上的优越性能。

在水下语音通信装置的设计中存在的不足和难点有：（1）在带宽资源有限的水声信道中要进行实时、连续、大数据量的语音压缩和水声数据通信，增加了语音压缩编码和水声通信算法的实现难度；（2）通信算法和语音编码算法实现为同一硬件平台，水声通信技术通常使用DSP作为实现平台，而在DSP上同时实现通信算法和语音编码算法会消耗大量的资源，必要时还要牺牲算法的性能来实现整体的语音通信功能；（3）水声信道具有时-空-频变等复杂特性，设计时要综合考虑通信算法对复杂信道的适应能力，没有自适应功能的水声语音通信设备应用环境较局限，实用性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下通信更稳定，能提供多样信息通信形式，通信算法性能更好的数字式水下语言通信装置。本发明的目的还在于提供一种水下语音通信方法。

本发明涉及的数字式水下语音通信装置包含了语音采集模块、语音编码模块、发射端语音控制模块、OFDM调制模块、水声信号发射模块、水声信号接收模块、OFDM解调模块、接收端语音控制模块、语音解码模块、语音播放模块和信道估计模块；语音采集模块从麦克风处采得语音信号，将其传输至语音编码模块，再将经编码后的语音信号传输至发射端语音控制模块，再将加密后的信号传输至OFDM调制模块，再经过水声信号发射模块发射包含语音信息的水声信号；在接收端通过水声信号接收模块接收到包含语音信息的水声信号，将其传输至OFDM解调模块，再传输至接收端语音控制模块，再将解密后的信号传输至语音解码模块，在解码后最终将语音信号传输至语音播放模块，通过扬声器实现语音播放；信道估计模块，实时输出对信道的估计结果至OFDM调制模块、OFDM解调模块、发射端与接收端的语音控制模块，使该装置对信道具有自适应调节能力，可根据对信道的估计结果实时地改变通信参数和压缩码率。

本发明涉及的数字式水下语音通信装置，同时集成了OFDM调制技术和MBE语音编码技术。将语音信号的编码与水声通信的算法利用不同的硬件平台实现。语音信号的编码使用专用的语音压缩芯片AMBE3000，配合以单片机进行控制；水声通信中的通信算法使用DSP实现，配合以Xilinx FPGA进行控制。

本发明涉及的数字式水下语音通信装置可以进行语音和文本两种模式的半双工水声通信，通过语音/文本切换模块可以实现两种工作模式的切换。语音/文本切换模块连接于发射端与接收端的语音控制模块，并利用串口实现文本通信界面与语音控制模块之间的连接。

一种利用本发明的数字式水下语音通信装置的语音通信方法，包括如下步骤：

（1）在语音发射端，使用CODEC对来自麦克的语音信号进行采样，量化为数字语音信号；

（2）在语音发射端，用语音编码模块对步骤（1）得到的数字语音信号进行压缩编码；

（3）在语音发射端，用发射端语音控制模块将步骤（2）中得到的语音数据进行加密；

（4）在语音发射端，使用DSP、根据信道估计情况对步骤（3）得到的信号进行OFDM调制，并将OFDM信号进行放大和滤波，使用功放和发射换能器将声信号发射到水声信道中传播；

（5）在语音接收端，根据信道估计的结果，在水声信号接收模块中对接收来的OFDM信号进行滤波、放大，再使用AD进行采样、量化；

（6）在语音接收端，对步骤（5）得到的信号进行分析，得到信道估计的结果参数；

（7）在语音接收端，根据步骤（6）得到的参数对接收信号进行OFDM解调；

（8）在语音接收端，对步骤（7）得到的数据进行解密；