韓 笑，劉 冰，殷敬偉，黃 碩

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

單邊帶通信具有較高的帶寬利用率和發(fā)射效率，并且擁有穩(wěn)定的通信效果，普遍應(yīng)用于海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)、水下軍事對抗等領(lǐng)域[1]，載人潛水器“蛟龍”號便是采用的單邊帶調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)的水聲通信[2]。

在某些情況下，會要求潛水員在淺海進(jìn)行水下作業(yè)。在水下能見度有限的條件下，語音通信是最直接、最有效的通信方式。因此，在淺海復(fù)雜水聲信道環(huán)境下，實現(xiàn)高質(zhì)量的語音通信，是水下工作人員順利完成既定任務(wù)的重要前提[3]。目前實現(xiàn)語音通信主要方式有OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、拼音編碼和單邊帶三種。OFDM方式突出優(yōu)點在于傳輸速率高，并且能夠有效抵抗碼間干擾和信道選擇性衰落，但必須有語音壓縮模塊作為輔助，系統(tǒng)相對復(fù)雜[4]。拼音編碼方式的特點是在通信接收端合成，語音清晰，不易受環(huán)境噪聲的影響；但是拼音編碼技術(shù)語料庫的建立相對復(fù)雜[5]。與這兩種方式相比，單邊帶方式具有功耗較低、實現(xiàn)簡便并能較好保留原始語音音色和音調(diào)的優(yōu)勢，更適合淺海中短距離內(nèi)蛙人之間通信。

下面介紹的水下語音信號處理平臺采用了單邊帶的調(diào)制方式。研究內(nèi)容圍繞水下語音信號處理平臺的總體設(shè)計思想、硬件電路設(shè)計和軟件算法實現(xiàn)展開，并加以電聯(lián)調(diào)，以及水池實驗進(jìn)行驗證。結(jié)果表明該平臺在較復(fù)雜水聲環(huán)境下能保持良好的通信效果，可以應(yīng)用于淺海蛙人通信。

1 單邊帶調(diào)制技術(shù)原理

目前，單邊帶調(diào)制技術(shù)主要有三種：濾波法、移相法、維弗法。

濾波法先加載波產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制信號，再對其濾波，濾掉上邊帶或下邊帶后便可得到單邊帶調(diào)制信號[6]。濾波法是原理最為簡單、應(yīng)用最為常見的方法，其實現(xiàn)原理，如圖1所示。其中，H(ω)表示的是濾波器的傳輸函數(shù)。

圖1 濾波法單邊帶信號調(diào)制

理想情況下，H(ω)為式(1)或式(2)所示，

(1)

(2)

因此，SSB信號可表示為

VSSB(ω)=VDSB(ω)·H(ω)

(3)

然而在實際中，濾波器在載頻ωc處并不能達(dá)到式(1)和式(2)中描述的理想情況。任何濾波器都會有一定的過渡帶，而且過渡帶相對載波頻率的歸一化的值越小，濾波器實現(xiàn)起來就越難。語音信號在頻域的過渡帶很小，上述濾波器難以實現(xiàn)。因此，濾波法在某種程度上來說，是有局限性的。

移相法先利用相移網(wǎng)絡(luò)對載波信號和輸入信號分別相移適當(dāng)相位，再使原始輸入信號與原始載波信號、相移后的輸入信號與相移后的載波信號分別相乘，最后將兩個相乘后的信號相加或相減，抵消一個邊帶信號，進(jìn)而獲得SSB信號[6]。其原理如圖2所示。其中，Hk(w)為相移網(wǎng)絡(luò)。

圖2 移相法單邊帶信號調(diào)制

下面將推導(dǎo)用移相法產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號的過程。語音信號的時域表達(dá)式較為復(fù)雜，推導(dǎo)比較困難，為了方便起見，先以單頻信號為例，然后再推廣到一般情況。

設(shè)單頻信號為m(t)=A0cosω0t，則圖2上面支路結(jié)果可表示為

V1(t)=A0cosω0t·cosωct

(4)

V2(t)=A0sinω0t·sinωct

(5)

因而可以得到：

VSSB(t)=A0cosω0tcosωct±A0sinω0tsinωct

(6)

當(dāng)符號為“-”時，是上邊帶，輸出的表達(dá)式為

VSSB(t)=A0cos(ω0+ωc)t

(7)

當(dāng)符號為“+”時，是下邊帶，輸出的表達(dá)式為

VSSB(t)=A0cos(ω0-ωc)t

(8)

上述推導(dǎo)結(jié)果雖然是基于輸入信號為信號的情況，但它具有一定的代表性。這是因為任何輸入信號可以當(dāng)做多個單頻信號的和差來處理。

移相法不刻意要求濾波器具有陡峭的過渡帶，無論載波頻率高低，均可一次實現(xiàn)單邊帶調(diào)制，這是優(yōu)于濾波法的一個方面。然而，移相法對寬帶相移網(wǎng)絡(luò)Hh(ω)的精度要求非常高。該網(wǎng)絡(luò)必須對輸入信號m(t)的所有頻率分量分別精確相移π/2，對此即使做到近似也是很困難的[6]。

維弗法首先使輸入信號分別與一對正交預(yù)載波(通常使用位于邊帶正中間的頻率)相乘，再對其分別進(jìn)行低通濾波(截止頻率為輸入信號最高頻率的1/2)，然后用一對正交二級載波把濾波后信號的頻譜搬移到理想的位置，最后使兩路信號相加或相減完成調(diào)制。整個過程如圖3所示。

圖3 維弗法單邊帶信號調(diào)制

與移相法相同，維弗法的理論推導(dǎo)仍然以單頻信號為例。設(shè)f(t)=A0cosω0t，ωm為語音信號的最高頻率。

下面以二級載波取“+”且y(t)=V13+V23為例，進(jìn)行推導(dǎo)。先推導(dǎo)上面支路，則有：

(9)

經(jīng)過低通濾波器，有

(10)

經(jīng)過二級載波，得到

(11)

同理可得下面支路的推導(dǎo)結(jié)果為

(12)

式(11)與式(12)相加，得

(13)

同理可得其他情況的結(jié)果，

當(dāng)二級載波取“+”且y(t)=V13-V23時，

(14)

當(dāng)二級載波取“-”且y(t)=V13+V23時，

(15)

當(dāng)二級載波取“-”且y(t)=V13-V23時，

(16)

與移相法推導(dǎo)過程相類似，仍然可以將任意一個輸入波形看作許多正弦信號之和，從而得到相應(yīng)的結(jié)果。

維弗法對于濾波器過渡帶帶寬的要求不苛刻[6]，而且避開了使用相移網(wǎng)絡(luò)，克服了濾波法和移相法中在實際應(yīng)用中的缺陷，是目前調(diào)制語音信號最理想的單邊帶調(diào)制方法，因此，研究中選取了維弗法來實現(xiàn)單邊帶水下語音通信。

2 硬件設(shè)計

水下語音通信系統(tǒng)主要包括發(fā)射部分、信道傳播部分和接收部分，其總體框架如圖4所示。

圖4 水下語音通信系統(tǒng)框圖

發(fā)送端用話筒實現(xiàn)語音信號的聲電轉(zhuǎn)換，將原始語音信息轉(zhuǎn)變成電信號送入AD中進(jìn)行模數(shù)變換，產(chǎn)生的數(shù)字信號送入單邊帶調(diào)制模塊調(diào)制到一定頻率的載波上，最后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬聲信號后送往功率放大模塊放大，經(jīng)由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化為聲信號；接收端與發(fā)送端是一個相反的過程，信道傳輸?shù)慕邮招盘柦?jīng)放大、濾波、增益控制和AD采樣過程后，實現(xiàn)信號的解調(diào)，最后通過D/A回放語音信號。

單邊帶調(diào)制解調(diào)是整個通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于單邊帶調(diào)制與解調(diào)互為逆過程，下面僅以調(diào)制過程為例介紹。單邊帶水下語音通信的實現(xiàn)框圖，如圖5所示。主要包括信號處理模塊、A/D和D/A模塊和電源模塊三個部分。

圖5 硬件框圖

原始音頻信號首先進(jìn)入TLV320AIC23(以下簡稱AIC23)由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后被送入TMS320VC5509A(以下簡稱VC5509A)進(jìn)行單邊帶調(diào)制，最后經(jīng)AIC23轉(zhuǎn)換成模擬信號作為調(diào)制信號輸出。VC5509A是TI公司生產(chǎn)的一款16位定點的DSP芯片。芯片內(nèi)置多個特定功能的模塊，如I2C、McBSP、DMA等。在與其配置的寄存器中預(yù)先賦值，便可根據(jù)要求啟動相應(yīng)的功能，方便快捷，執(zhí)行效率高。I2C模塊用于配置AIC23，McBSP模塊用于VC5509A和AIC23之間的數(shù)據(jù)傳輸，而DMA模塊則用于VC5509A片內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。

AIC23是TI公司推出的一款Codec芯片，集成了較高性能的A/D模塊和D/A模塊，這兩個模塊具有多種采樣頻率，非常適合采集轉(zhuǎn)換語音信號。AIC23還設(shè)有專門與DSP配合的接口，方便與DSP配合使用。

單邊帶水下語音信號處理平臺，采用電池供電。AIC23和VC5509A都具有較低功耗，與采用其他器件相比，在電池電量一定的情況下，采用該芯片能夠使信號處理平臺維持更長的工作時間。

3 軟件設(shè)計

軟件實現(xiàn)方案如圖6所示。

圖6 發(fā)射部分軟件實現(xiàn)框圖

程序首先對PLL、I2C、DMA、McBSP等片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行設(shè)置；然后控制AIC23對語音進(jìn)行采集和預(yù)處理；接著又通過McBSP將數(shù)字信號錄入，DMA0對數(shù)據(jù)進(jìn)行乒乓操作，與此同時CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行單邊帶調(diào)制處理；最后由DMA1將調(diào)制后的信號通過McBSP進(jìn)行輸出[7]。

采取的數(shù)據(jù)傳輸形式為乒乓數(shù)據(jù)傳輸形式。其優(yōu)勢在于，能使數(shù)據(jù)緩沖與數(shù)據(jù)處理同時進(jìn)行，從而實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)流的無縫傳輸。乒乓數(shù)據(jù)傳輸流程為：首先設(shè)置一個標(biāo)志位Flag，根據(jù)Flag的奇偶性將輸入數(shù)據(jù)分配到兩個緩沖區(qū)PING或者PONG。當(dāng)Flag為奇數(shù)時，數(shù)據(jù)被存入緩沖區(qū)PING，同時緩沖區(qū)PONG中數(shù)據(jù)被送進(jìn)處理器運(yùn)算處理。同理當(dāng)Flag為偶數(shù)時，數(shù)據(jù)被存入緩沖區(qū)PONG，同時緩沖區(qū)PING中數(shù)據(jù)被送進(jìn)處理器運(yùn)算處理。

低通濾波器在實現(xiàn)單邊帶調(diào)制解調(diào)的過程中起著至關(guān)重要的作用，該研究使用MATLAB軟件中的FDAtool工具箱對數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計。實際應(yīng)用中，由濾波器設(shè)計得到的系數(shù)將被量化到有限位數(shù)實現(xiàn)。如果字長不夠長，容易使濾波效果變差。特別是用直接型實現(xiàn)高階的IIR濾波器時，甚至?xí)霈F(xiàn)無法濾波的情況。因此，高階IIR濾波器，通常采用級聯(lián)形式。

在C語言實現(xiàn)數(shù)字濾波的過程中，C55x Dsplib庫的運(yùn)用能使程序代碼簡化并提高運(yùn)行效率。該研究采用了C55x Dsplib庫函數(shù)中的iircas5濾波器函數(shù)。需要注意的一點是，iircas5濾波器函數(shù)的輸入、輸出和濾波器系數(shù)必須都是DATA類型，而由MATLAB設(shè)計出的濾波器系數(shù)是雙精度浮點型，這就需要我們在使用前對其進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，使其成為Q15格式的數(shù)。

4 實驗分析

為了驗證單邊帶水下語音信號處理平臺的可靠性，對其進(jìn)行電聯(lián)調(diào)實驗。將事先錄制好的語音文件導(dǎo)入Cool Editer軟件，觀察其時域波形，如圖7所示。

圖7 原始語音信號時域波形圖

從整個語音信號中截取一段(所有截取信號的位置都與本段音頻截取位置相對應(yīng))，使用MATLAB對其時頻分析，得到結(jié)果如圖8所示，圖中紅色部分代表語音信號能量較為集中，可以看出，語音信號的能量主要集中在5 kHz以下。

圖8 原始語音信號截取部分的時頻分析圖

將實驗電路板作為發(fā)射端，把PC機(jī)中錄制完成的語音文件通過音頻線輸入實驗板，實驗板音頻輸出端接入PC機(jī)，使用Cool Editer軟件錄制其時域波形如圖9所示。

圖9 調(diào)制信號時域波形圖

截取其中一段音頻進(jìn)行時頻分析，得到如圖10所示結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)過調(diào)制后的信號能量集中在6 k～9 kHz之間，產(chǎn)生了明顯的頻譜搬移的現(xiàn)象，信號調(diào)制成功。

圖10 調(diào)制信號中截取部分的時頻分析圖

將實驗電路板作為接收端，把PC機(jī)中錄制完成語音文件的調(diào)制音頻文件通過音頻線輸入實驗板，將經(jīng)過解調(diào)的信號接入PC機(jī)，錄制時域波形如圖11所示。

圖11 解調(diào)信號時域波形圖

截取其中一段音頻進(jìn)行時頻分析，得到如圖12所示結(jié)果?？梢钥闯?，信號能量集中在4 kHz以下，與原始信號能量分布基本相同。

圖12 解調(diào)信號中截取部分的時頻分析

使用耳機(jī)收聽解調(diào)后的語音信號，能清楚收聽到與原始語音信號相同的內(nèi)容，電聯(lián)調(diào)測試結(jié)果驗證了該語音平臺硬件電路以及調(diào)制和解調(diào)算法的正確性。

為了進(jìn)一步驗證單邊帶水下語音信號處理平臺在實際水聲信道中的工作性能，于哈爾濱工程大學(xué)信道水池進(jìn)行了水池實驗研究。發(fā)射換能器和水聽器均吊放于水下約2 m處，二者之間距離約為4 m。實驗時所用到的發(fā)射換能器和接收水聽器,如圖13和圖14所示，其中發(fā)射換能器頻帶范圍2～8 kHz；接收水聽器為B&K公司的8105。

圖13發(fā)射換能器(2～8kHz)

圖14標(biāo)準(zhǔn)水聽器(8105)

水池實驗方法與電聯(lián)調(diào)試驗基本類似。將解調(diào)信號音頻輸出接入PC機(jī)，錄制解調(diào)信號，并對其進(jìn)行分析。水池試驗中錄制的解調(diào)信號時域波形如圖15所示。

圖15 水池實驗中解調(diào)信號時域波形圖

截取水池實驗解調(diào)后的一段信號，時頻分析結(jié)果如圖16所示。

圖16 水池實驗中截取部分的時頻分析

從圖16可以看出，信號能量集中在4 kHz以下，這與電聯(lián)調(diào)實驗中的結(jié)果基本一致。但就其能量分布而言，信號還原的效果較電聯(lián)調(diào)實驗較差。

使用耳機(jī)直接收聽水池試驗的解調(diào)信號，能夠輕而易舉的分辨出傳輸?shù)恼Z音內(nèi)容，但語音質(zhì)量受到了一定程度的影響。

解調(diào)信號的誤差主要來自發(fā)射接收端的信號串?dāng)_和水聲信道中多途效應(yīng)。

5 結(jié) 語

所研究的單邊帶水下語音信號處理平臺，具有功耗低、通信效果好和實現(xiàn)方法精簡實用的特點。在哈爾濱工程大學(xué)國家重點實驗室水池進(jìn)行了多次實驗，結(jié)果表明信號處理平臺性能穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。在進(jìn)一步優(yōu)化通信質(zhì)量的方面，單邊帶水下語音信號處理平臺還有一定的提升的空間。

[1] 孫大為.數(shù)字化單邊帶水聲語音通信系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[2] 朱維慶,朱敏,武巖波,等.載入潛水器“蛟龍”號的水聲通信信號處理[J].聲學(xué)學(xué)報,2012,37(6):565-573.

[3] 烏立克,洪申.工程水聲原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,1972.

[4] 陳冰,尹祿,趙安邦,等.基于OFDM技術(shù)的水聲語音通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2012,24(6):70-74.

[5] 曹唯偉.基于拼音編碼的水下語音通信發(fā)射端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[6] 樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].第6版.北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[7] 張濤,賀家林,楊東明.TI DSP在音頻處理中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:59-112P.