殷敬偉，王馳，白夜，生雪莉

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

水下語音通信技術(shù)已從模擬的單邊帶調(diào)制發(fā)展到數(shù)字語音編碼階段[1－3]，語音壓縮編碼和語音合成技術(shù)在水下通信系統(tǒng)中的運(yùn)用，大大降低了水下語音通信對(duì)系統(tǒng)通信速率的要求[3]，但受復(fù)雜的水聲信道環(huán)境影響[4－5]，在接收端語音合成的質(zhì)量不甚理想，因此，需要水下語音通信系統(tǒng)具有較高的通信速率的同時(shí)又有較強(qiáng)的魯棒性。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有強(qiáng)抗多徑干擾和高頻譜利用率等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，能夠滿足目前水下語音通信系統(tǒng)至少2.4 kbit/s 通信速率的要求。差分OFDM 技術(shù)采用非相干解調(diào)，無需插入導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)，節(jié)省系統(tǒng)開銷[6]，適用于水下語音通信。本文將差分OFDM 技術(shù)與混合激勵(lì)線性預(yù)測(MELP)語音編碼技術(shù)[7－8]相結(jié)合，設(shè)計(jì)差分OFDM水下語音通信系統(tǒng)，并在該語音通信系統(tǒng)中選用不同編碼效率的糾錯(cuò)碼，對(duì)其抗干擾能力進(jìn)行仿真，給出信噪比與誤碼率的關(guān)系，同時(shí)在蓮花湖水域進(jìn)行了相關(guān)的湖試研究，給出了接收信號(hào)的合成語音效果，驗(yàn)證了差分語音系統(tǒng)的有效性、優(yōu)越性和魯棒性。

家庭教育在孩子心理品質(zhì)形成過程中起著重要作用，家長關(guān)于心理健康教育的認(rèn)識(shí)和觀念將直接影響孩子心理健康的發(fā)展和學(xué)校心理健康教育的開展。因此，發(fā)揮家庭的輔助作用是開展心理健康教育的重要途徑。

1 差分OFDM 基本原理

差分OFDM 采用差分調(diào)制解調(diào)技術(shù)，相比于相干解調(diào)技術(shù)具有較高的頻帶利用率，綜合性能也較為優(yōu)越。本文差分OFDM 采用四進(jìn)制差分相移鍵控(QDPSK)調(diào)制方式，利用本碼元載波相對(duì)于前一個(gè)碼元載波的不同相位差攜帶不同的2 bit 信息。其載波的初始相位具有四種可能的取值且間隔相等，如0、π/2、π、3π/2，相位比特映射關(guān)系采用Gray碼形式。

針對(duì)OFDM 系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)的塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在時(shí)域差分和頻域差分兩種形式，差分OFDM 語音通信系統(tǒng)采用時(shí)域差分形式，即在相鄰OFDM 符號(hào)間同一子載波上的信息差分方式。

發(fā)送信號(hào)為

若φi，k表示編碼映射后差分調(diào)制前第i 個(gè)符號(hào)第k 個(gè)子載波的相位信息，Δφi，k表示差分調(diào)制后該符號(hào)子載波的相位信息，則

考慮水聲信道為緩慢時(shí)變信道，OFDM 系統(tǒng)的保護(hù)間隔大于最大多途拓展，則接收到第i 個(gè)符號(hào)第k 個(gè)子載波的信號(hào)Ri，k為

式中:Hi，k=hi，kejθi，k為信道的頻譜響應(yīng);θi，k=θi－1，k;Ni，k為高斯白噪聲。

差分OFDM 相當(dāng)于實(shí)時(shí)信道估計(jì)，有效地糾正了信道多途擴(kuò)展帶來的相位偏移。通過設(shè)定隨機(jī)的參考符號(hào)，增強(qiáng)語音編碼后碼字的隨機(jī)性，從而降低系統(tǒng)的峰均比。

提取接收信號(hào)Ri，k的相位信息=Δφi，k+θi，k與其前一符號(hào)Ri－1，k的相位信息相減，完成差分解調(diào)，即可得到初始相位信息。

2 差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)

5)添加循環(huán)前綴，使得上一符號(hào)的多徑分量不會(huì)干擾到下一符號(hào)，同時(shí)保證子載波間的正交性。

系統(tǒng)流程:

1)原始語音信息通過MELP 語音壓縮糾錯(cuò)編碼量化成二進(jìn)制比特信息，如圖2(a)所示，語音傳輸速率壓縮為2.4 kbit/s，其中語音參數(shù)包括基音周期、子帶聲強(qiáng)度、抖動(dòng)系數(shù)、線性預(yù)測系數(shù)等。

2)對(duì)輸入的二進(jìn)制比特信息進(jìn)行信道編碼和交織編碼，信道編碼采用卷積碼或RS 碼;通過串/并轉(zhuǎn)換將編碼后的高速串行比特?cái)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的若干低速比特?cái)?shù)據(jù)流，以降低時(shí)間彌散信道引入的符號(hào)間干擾(ISI)。

張艷紅等［22］從4個(gè)重金屬脫除材料中，發(fā)現(xiàn)聚乙烯發(fā)泡棉PEP12對(duì)丹參提取物中的As3+、Cd2+、Hg2+的脫除率分別為85.7%、57.1%、77.0%；PEP07對(duì) Cd2+、Cu2+、Pb2+的脫除率分別為 57.1%、72.0%、92.0%，但PEP07對(duì)丹參提取液的成分及含量影響較大。張春秀等［23］在 α‐Al2O3陶瓷管表面制備了13X分子篩涂層，取0.12 g用于丹參提取液（Pb、Cd的質(zhì)量濃度均為2 mg/L）中Pb和Cd的脫除，脫除率分別可達(dá)86.7%和44.2%，丹參中有效成分可保留96.8%以上，并且處理前后的高效液相指紋圖譜相似度接近100%。

6)在轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)流上添加線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)作為同步信號(hào)，以便于接收端的多普勒補(bǔ)償和同步頭檢測，LFM 信號(hào)的時(shí)延長度和與串行數(shù)據(jù)流間的置空間隔視具體環(huán)境參數(shù)而定。

術(shù)后的腸鳴音恢復(fù)時(shí)間、肛門排氣時(shí)間、排便時(shí)間和胃管留置時(shí)間，觀察組均明顯比對(duì)照組更短，均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見表2。

4)根據(jù)傅里葉變換自身性質(zhì)，將映射后的復(fù)數(shù)序列共軛對(duì)稱地加載在OFDM 符號(hào)上，隨后經(jīng)過IFFT 變換，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)。

MELP 語音壓縮編碼技術(shù)采用了混合激勵(lì)、非周期脈沖、自適應(yīng)譜增強(qiáng)、脈沖整形濾波等技術(shù)，使得合成語音能更好地?cái)M合自然聲音，同時(shí)其抗環(huán)境噪聲能力強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜度低，便于硬件實(shí)現(xiàn)。OFDM技術(shù)采用并行子載波傳輸，具有較高的系統(tǒng)傳輸速率，能夠滿足經(jīng)MELP 語音壓縮后的2.4 kbit/s 語音通信速率要求，所以本文將差分OFDM 技術(shù)與MELP 語音編碼技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

3)利用(1)式和(2)式完成二進(jìn)制比特信息到頻域信號(hào)的差分編碼映射過程。

2012 年8 月在黑龍江省蓮花湖水域進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)水域開闊，水深約50 m.試驗(yàn)當(dāng)天晴有多云，微風(fēng)，浪高約0.1 m，聲速梯度分布圖如圖5所示，聲速呈負(fù)梯度聲速分布。接收船在湖中心錨定，發(fā)射船在距岸邊約200 m 處錨定，兩船相距406 m，收發(fā)節(jié)點(diǎn)的換能器吊放深度均約為6 m.

7)經(jīng)水下信道后，在接收端完成與發(fā)射端相反的解碼過程，將輸出二進(jìn)制比特信息進(jìn)行語音解碼得到合成語音，如圖2(b)所示，通過輸入、輸出二進(jìn)制比特信息以及合成語音和原始語音的對(duì)比綜合分析系統(tǒng)性能。

3 仿真研究及湖試

3.1 計(jì)算機(jī)仿真研究

利用Matlab 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，仿真信道為7 徑多途衰落的聲信道，如圖3 所示。信源為經(jīng)MELP 語音編碼后得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。差分OFDM系統(tǒng)參數(shù):采樣頻率為48 kHz，頻率范圍為2 ～8 kHz，F(xiàn)FT 調(diào)制點(diǎn)數(shù)為4 096，子載波數(shù)為513，循環(huán)前綴長度為25 ms，調(diào)制方式QDPSK.同步信號(hào)采用起始頻率為2 kHz、持續(xù)時(shí)間為30 ms 的線性調(diào)頻信號(hào);噪聲為帶限白噪聲。信道編碼分別選用編碼效率為33.3%的卷積碼(3，1，9)，編碼效率為50%的卷積碼(2，1，9)、(2，1，7)，編碼效率為60%的RS碼(15，9)和編碼效率為67.7%的RS 碼(31，22).糾錯(cuò)碼仿真性能結(jié)果如圖4 所示。

圖2 語音編解碼系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of speech decoding system

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

如圖4 所示，給出了在仿真信道條件下使用不同編碼效率信道編碼的信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。無論是RS 碼還是卷積碼，編碼效率越低，冗余度越大，同等條件下的糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。在滿足語音通信對(duì)系統(tǒng)通信速率的要求條件下，可選擇較低編碼效率的糾錯(cuò)碼以獲得較高的編碼增益，改善系統(tǒng)性能。

廣播錄音的產(chǎn)生，一方面選擇較好條件的聲源（播音員或者樂隊(duì)等）；另一方面要通過對(duì)各種細(xì)節(jié)的把握避免錄音過程中出現(xiàn)的問題；最后還要經(jīng)過相關(guān)的技術(shù)操作對(duì)錄音進(jìn)行美化和處理。只有這樣才能得到聲音質(zhì)量優(yōu)良的廣播錄音。希望我們的錄音處理技術(shù)不斷突破，為我們提供更好的錄音體驗(yàn)。

圖4 差分OFDM 系統(tǒng)下不同信道編碼的性能比較Fig.4 The relation curves of BER versus SNR in different channel code

3.2 湖試驗(yàn)證

在表征群落多樣性的指數(shù)中，Shannon-Weiner多樣性指數(shù)（H）在土壤動(dòng)物群落多樣性分析比較中運(yùn)用最廣。土壤動(dòng)物不同類群生態(tài)功能不同，不同類群的個(gè)體數(shù)量往往存在巨大的差異，使群落多樣性與均勻度顯著相關(guān)而與豐富度關(guān)系不密切，因此那些組成簡單、各類群數(shù)量較低群落的值可能會(huì)比組成豐富、各類群數(shù)量較高群落的更高[9]。本研究中群落多樣性與均勻度呈正相關(guān)而與豐富度指數(shù)無關(guān)，均勻度與優(yōu)勢度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。農(nóng)田中，大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)最少、種群數(shù)量少，而豐富度指數(shù)最高。

復(fù)方苦參結(jié)腸溶膠囊對(duì)比相關(guān)化學(xué)藥治療潰瘍性結(jié)腸炎療效和安全性的Meta分析 ……………………… 李輝標(biāo)等（5）：695

1.2 人員配備 開展此項(xiàng)技術(shù)的臨床科室應(yīng)配備以下人員：具有一定經(jīng)尿道微創(chuàng)手術(shù)及開放前列腺手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的手術(shù)醫(yī)師、具有前列腺增生患者圍手術(shù)期管理經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)及隨訪人員。對(duì)于開展該手術(shù)的醫(yī)生應(yīng)該根據(jù)技術(shù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理。

圖5 聲速梯度分布圖Fig.5 The distribution map ofvelocity gradient

系統(tǒng)參數(shù)與仿真參數(shù)相同，信道編碼選用卷積碼(3，1，9)和(2，1，9).塊狀導(dǎo)頻OFDM 在時(shí)域方向插入導(dǎo)頻模塊進(jìn)行信道估計(jì)，信道估計(jì)算法采用最小平方(LS)算法，導(dǎo)頻插入間隔為4.語音編碼體制為MELP，編碼后每幀信息為54 bit，碼率為2.4 kbit/s，語音信息為“你好中國”。試驗(yàn)信道條件如圖6 所示，第一個(gè)主要多途集聚出現(xiàn)在直達(dá)聲后2 ms 左右，第二個(gè)主要多途集聚在14 ms 左右出現(xiàn)，多途信道環(huán)境惡劣。試驗(yàn)結(jié)果如表1 和圖7 所示。

同樣,對(duì)甲狀腺彩超求得的各TGI指數(shù)分別為:≤30歲TGI=119,女性TGI=101,已婚TGI=104。通過結(jié)果可知,在≤30歲的年輕人群中,對(duì)甲狀腺彩超的偏好性是高于其它年齡段的,男女之間差異不大,未婚和已婚人群差異不大。

圖6 湖試信道沖激響應(yīng)Fig.6 The lake acoustic channel

表1 湖試結(jié)果Tab.1 The lake experimental results

從湖試結(jié)果中可以看出，1/3 碼率的卷積碼的通信速率比1/2 碼率的卷積碼低，但卻有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，誤比特率為0.在使用相同編碼效率信道編碼的條件下，差分OFDM 水下語音通信與采用塊狀導(dǎo)頻的OFDM 水下語音通信的誤比特率相近，但卻有更低的原始誤比特率和更高的通信速率。合成語音的時(shí)域波形的幅值信息表示語音信號(hào)的能量大小，語譜圖上共振峰表達(dá)語音信息。從接收語音信號(hào)的時(shí)域波形和語譜圖上來看，差分系統(tǒng)中1/3 碼率的卷積碼的合成語音信號(hào)能量與原始語言一樣，受語音編碼算法限制高頻分量有所丟失，但語音輸出在清晰度和自然度上與原始語音并無差別;1/2碼率的卷積碼的合成語音中明顯引入了能量相對(duì)較高的干擾信號(hào)，導(dǎo)致語音輸出的清晰度有所降低，自然度遭到了一定的破壞，但語音內(nèi)容辨析度上并無明顯損失。對(duì)于塊狀導(dǎo)頻系統(tǒng)而言，合成語音信號(hào)中也有少許干擾信號(hào)存在，盡管不影響語意信息，但其語音輸出在清晰度和自然度上略有影響。湖試結(jié)果驗(yàn)證了差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，同時(shí)也說明了編碼效率的損失可以換來通信性能的改善，可根據(jù)實(shí)際工程需要選擇相應(yīng)的信道編碼。

圖7 接收語音信號(hào)的時(shí)域波形(左)和語譜圖(右)Fig.7 The time－domain waveform (left)and spectrograms (right)of the received speech signal

圖8 1 190 m 處通信距離的信道沖激響應(yīng)Fig.8 The acoustic channel in the distance of 1 190meters

為了進(jìn)一步驗(yàn)證差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)的魯棒性，選取新的語音信息為“哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院水聲信號(hào)處理研究室”，分別在434 m，1 190 m 和2 000 m 的通信距離上進(jìn)行試驗(yàn)研究，湖試結(jié)果如表2 和圖9 所示。從湖試結(jié)果中可以看出，通信距離增加，接收信噪比降低，誤比特率變大。通信距離為1 190 m 時(shí)，因其當(dāng)時(shí)的通信信道十分良好(如圖8 所示)，誤比特率反而有所減低。

圖9 不同通信距離接收語音信號(hào)的時(shí)域波形(左)和語譜圖(右)Fig.9 The time－domain waveform (left)and spectrograms (right)of the received speech signal in different distances

表2 不同通信距離下的湖試結(jié)果Tab.2 The lake experimental results in different distances

從接收語音信號(hào)的時(shí)域波形和語譜圖上來看，接收信噪比的降低引入了能量相對(duì)較高的干擾信號(hào)，一定程度上影響了語音輸出的清晰度和自然度，但語音內(nèi)容辨析度上并無明顯損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)在2 000 m 通信距離內(nèi)均有穩(wěn)定的通信能力。

4 結(jié)論

本文將差分OFDM 技術(shù)與MELP 語音編碼技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)，將不同編碼效率的糾錯(cuò)碼應(yīng)用該系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)仿真給出了不同信噪比下的糾錯(cuò)能力比較，編碼效率越低，冗余度越大，同等條件下的糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。受水下信道通信帶寬窄的影響，差分OFDM 水下語音通信系統(tǒng)應(yīng)盡可能選用編碼效率較高的信道編碼，但考慮實(shí)際工程應(yīng)用和指標(biāo)要求，可在滿足水下語音通信速率的基本要求下，選擇冗余度適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)編碼已達(dá)到通信速率與語音辨析度上的平衡。

湖試結(jié)果驗(yàn)證了2.4 kbit/s 差分水下語音通信系統(tǒng)的可行性和有效性，同時(shí)也說明了差分OFDM水下語音通信系統(tǒng)比采用塊狀導(dǎo)頻的OFDM 水下語音通信系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的性能。

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