曾 笙,周躍海,童 峰

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室,福建廈門361005)

時頻差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

曾 笙,周躍海,童 峰*

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室,福建廈門361005)

時頻差分OFDM技術(shù)可充分利用時域、頻域差分調(diào)制抑制時變多徑水聲信道的影響;同時,系統(tǒng)復(fù)雜度低、無需采用信道估計和均衡算法,適于硬件實現(xiàn).本研究給出了基于浮點型DSP TMS320C6713的時頻差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)的總體方案、軟硬件設(shè)計和實現(xiàn),并對該系統(tǒng)進行了海上實驗驗證性能,結(jié)果表明該系統(tǒng)恢復(fù)出的語音質(zhì)量良好,可以滿足水聲語音通信的要求.

時頻差分調(diào)制;正交頻分復(fù)用(OFDM);水聲語音通信;數(shù)字信號處理器(DSP)

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)由于其高頻譜利用率和強抗干擾能力成為了近幾年國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點,并取得了一定的實驗結(jié)果,為高速水聲語音通信提供了可能.

OFDM系統(tǒng)接收端可采用相干檢測或差分檢測的方式,其中相干檢測方式可達到較高的通信速率,但在解調(diào)時需進行信道估計和均衡處理,由于水聲信道復(fù)雜的隨機時變特性、多普勒頻移等原因,信道的準確估計往往十分困難[1];差分OFDM解調(diào)則利用相鄰兩個OFDM符號(時域差分OFDM)或相鄰子載波(頻域差分OFDM)的相位差值進行檢測,具有抗干擾能力強、復(fù)雜度低、適于硬件實現(xiàn)的優(yōu)點.

近年來國內(nèi)外對OFDM技術(shù)在水聲通信中的應(yīng)用有了長足的發(fā)展,蔡惠智等[2]設(shè)計了采用正交振幅調(diào)制(quadrature amplitude modulation,QAM)、多進制數(shù)字相位調(diào)制(multiple phase shift keying, MPSK)、差分相移鍵控(differential phase shift keying,DPSK)等多種調(diào)制方式的OFDM水聲通信系統(tǒng),在中國南海海區(qū)6.6 km的距離上實現(xiàn)了零誤碼的圖像傳輸,傳輸速率高達20 kbit/s.趙安邦等[3]研究了基于OFDM編碼的差分解碼技術(shù),通過在時域上對接收信號進行差分解碼,在松花湖上試驗中差分OFDM獲得了優(yōu)于常規(guī)OFDM解調(diào)的結(jié)果.Emer等[4]研究多輸入輸出的MIMO-OFDM語音通信系統(tǒng),實驗表明差分MIMO-OFDM調(diào)制對系統(tǒng)魯棒性的提高有所幫助.殷敬偉等[5]設(shè)計并實現(xiàn)了一套時域差分OFDM水下語音通信系統(tǒng),通過實驗驗證了差分OFDM水下語音通信系統(tǒng)的有效性,并與常規(guī)OFDM方法相比較,體現(xiàn)了差分OFDM技術(shù)具有的優(yōu)點.

考慮到水聲信道的隨機時頻擴展特性,在時域OFDM差分調(diào)制的基礎(chǔ)上,結(jié)合時域差分和頻域差分的時頻差分OFDM技術(shù)可進一步增強系統(tǒng)的信道穩(wěn)健性.本文設(shè)計了一套采用時頻差分OFDM調(diào)制以及混合激勵線性預(yù)測(mixed excitation linear prediction,MELP)語音編碼技術(shù)的水聲語音通信系統(tǒng),文章給出了系統(tǒng)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),并進行了海試實驗驗證系統(tǒng)性能.實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)在一定的時變水聲信道條件下能保持良好的通信效果,可滿足水聲語音通信的需求.

1 時頻差分OFDM原理

本文的時頻差分OFDM方案[6]首先利用相鄰OFDM符號進行時域差分調(diào)制,然后利用相鄰的子載波攜帶反相數(shù)據(jù)作為導(dǎo)頻進行頻域差分,具體原理為:

設(shè)第i個OFDM符號上第n個子載波上的數(shù)據(jù)符號,其差分調(diào)制前的數(shù)據(jù)為其中n=0, 2,…,2Nˉ1,φi,n∈{0,2π};經(jīng)過時域差分調(diào)制后的數(shù)據(jù)為

隨后進行頻域差分調(diào)制,相應(yīng)的第n+1個子載波上為導(dǎo)頻數(shù)據(jù)則有:

進一步進行頻域差分解調(diào),利用導(dǎo)頻信號恢復(fù)原始數(shù)據(jù):

利用導(dǎo)頻信號對數(shù)據(jù)信號進行修正得到:

式中θ項下標i、iˉ1對應(yīng)相鄰的OFDM符號,下標n、n+1則對應(yīng)相鄰的子載波,即θi,n與θi,n+1、θiˉ1,n與θiˉ1,n+1為同一OFDM符號相鄰子載波的相位偏移,而θi,n與θiˉ1,n、θi,n+1與θiˉ1,n+1為同一子載波相鄰OFDM符號的相位偏移.

考慮到水聲信道復(fù)雜的時間頻率雙重擴展特性,時頻差分可通過時域差分和頻域差分的結(jié)合來消除水聲信道中多徑以及多普勒頻移的影響,當然,其付出的代價是時頻域均進行差分調(diào)制導(dǎo)致時間利用率和頻率利用率均只有50%,造成了系統(tǒng)有效傳輸效率的下降.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文基于數(shù)字信號處理器(DSP)的OFDM水聲語音通信系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,硬件模塊主要由上位機、語音輸入輸出控制、數(shù)字信號處理器微控制單元(digtial signal processing-microcontroller unit, DSP-MCU)開發(fā)板及信號處理電路組成[7].

圖1 水聲語音通信系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 The diagram of system hardware

系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)算法實現(xiàn)核心為TMS320C6713處理器,采用STC89LE58單片機作為DSP系統(tǒng)的擴展,主要負責DSP系統(tǒng)與上位機的通信.系統(tǒng)工作時,上位機通過RS-232串口連接單片機,通過串口發(fā)送指令和輸入輸出語音.語音在DSP系統(tǒng)上完成裝載信號的調(diào)制/解調(diào)過程,同時進行AD/DA、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、通用串行數(shù)據(jù)總線(universal asynchronous receiver/transmitter, UART)等配置.以發(fā)射-接收過程為例,上位機通過串口通信、單片機控制、語音輸入DSP,在DSP上完成信號調(diào)制,DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)由功放模塊后輸入換能器發(fā)射.接收端經(jīng)由信道傳輸后信號經(jīng)由前置放大模塊,帶通濾波電路后由DSP完成AD轉(zhuǎn)換,信號解調(diào),最后串口上傳至上位機.其中前置放大模塊由AD603芯片完成,帶通濾波電路為MAX274搭建的有源8階切比雪夫帶通濾波器.

為了在語音實時處理過程中實現(xiàn)處理與傳輸同步進行,本文采用EDMA(enhanced direct memory access)乒乓緩存搬移緩存數(shù)據(jù).增強型直接內(nèi)存訪問EDMA是DSP中用于快速數(shù)字交換的重要技術(shù),其功能主要用于滿足實時信號處理中的高速傳輸要求.

本文采用的EDMA乒乓緩存技術(shù)即采用兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)處理信號,當觸發(fā)EDMA傳輸時,EDMA先在乒緩存區(qū)中讀寫數(shù)據(jù),傳輸完成后進入中斷服務(wù)函數(shù),在中斷中將EDMA參數(shù)重載,使得下次觸發(fā)EDMA傳輸時自動在乓緩存區(qū)中進行讀寫.同樣地乓緩存區(qū)中數(shù)據(jù)讀寫完成后EDMA傳輸自動切換到乒緩存區(qū)中進行.如此反復(fù)交替進行以保證信號的實時采集,處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案如圖2所示,左側(cè)虛線框中部分為上位機中實現(xiàn)的語音編碼解碼部分,右側(cè)虛線框中部分為DSP上實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)、信道編碼解碼軟件程序.

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖Fig.2 Flow chart of system implementation

本系統(tǒng)MELP語音編解碼采用的是美國聯(lián)邦標準FTR 1024A-1997 2.4 kbit/s MELP編碼,該算法在2.4 kbit/s速率獲得的語音質(zhì)量接近IP電話水平[8]且抗干擾能力強.系統(tǒng)MELP語音編解碼部分以軟件形式在上位機中完成后通過串口與DSP進行語音的輸入、輸出.

DSP程序主要包括3個模塊:串口交互模塊、信息發(fā)射模塊及接收解調(diào)模塊.串口交互模塊用于DSP與語音輸入輸出模塊的通信,接收來自上位機的控制信息和上傳當前系統(tǒng)狀態(tài);信息發(fā)射模塊進行語音數(shù)據(jù)的調(diào)制及發(fā)射,語音數(shù)據(jù)的調(diào)制主要包含信道編碼和交織編碼,信道編碼采用卷積碼,交織編碼采用等差交織方法;接收解調(diào)模塊實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的解調(diào).各模塊流程如圖3所示.

系統(tǒng)上電初始化完成以后接收解調(diào)模塊開始工作,該模塊主要由EDMA、Mc BSP、TLV320AIC和SRAM構(gòu)成.Mc BSP配置成從模式讀取TLV320 AIC23的采集信號,信號緩存至DRR0后觸發(fā)EDMA傳輸,當乒乓緩存數(shù)組(包括buffer RcvPing和buffer RcvPong)之一寫滿后進入EDMA中斷,EDMA啟動未滿緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸,同時DSP對已滿緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行解調(diào).而DSP解調(diào)完成需上傳數(shù)據(jù)或當單片機下發(fā)指令時,DSP進入中斷:前者DSP向單片機傳輸信息,完成后退出中斷;后者DSP啟動對信息的調(diào)制處理,并利用EDMA乒乓緩存技術(shù)將調(diào)制好的信息通過McBSP的DXR管腳發(fā)送到TLV320 AIC23,TLV320 AIC23啟動DA轉(zhuǎn)換將信號通過發(fā)射電路和換能器發(fā)送到信道中.

信號的發(fā)射由上位機指令觸發(fā),進入發(fā)射狀態(tài)后,DSP首先進行同步信號的發(fā)送,同步發(fā)送完成后進行信號調(diào)制,包括信道編碼、時頻二維差分DQPSK映射及OFDM調(diào)制,其中OFDM調(diào)制通過快速傅里葉逆變換(IFFT)完成.信號的發(fā)射同樣采用乒乓模式,調(diào)制后數(shù)據(jù)送入乒乓緩存數(shù)組,緩存區(qū)滿后啟動EDMA傳輸,同時DSP繼續(xù)調(diào)制并將調(diào)制數(shù)據(jù)存入未滿的緩存區(qū),如此交替至一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成,隨后進行新一幀信號的調(diào)制和發(fā)送至全部數(shù)據(jù)發(fā)射完成.

圖3 DSP程序框圖Fig.3 Structure of DSP program

4 海試實驗

4.1 實驗設(shè)置

圖4 實驗海域的時變信道沖激響應(yīng)Fig.4 Time varying channel response of the trial sea

為了驗證本文時頻差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)的性能,在廈門五緣灣海域進行海試實驗,實驗海區(qū)平均水深10 m,收發(fā)換能器之間距離820 m,換能器入水深度均為2 m.實驗海域風力等級為3～4,海面有明顯起伏.海試信道的時變沖激響應(yīng)如圖4所示,從圖中可看出實驗信道有明顯的時變多徑現(xiàn)象,信道多徑時延擴展約為10 ms,信道引入的多普勒約為2.0 Hz.圖5為系統(tǒng)采用的信號幀格式,同步信號為長度24 ms的線性調(diào)頻信號,同步信號后接40 ms的空莊信號作為保護間隔,隨后是OFDM調(diào)制的信息幀信號,圖中空莊段表示保護間隔.

圖5 信號幀格式Fig.5 Signal frame format

實驗中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:信號采樣頻率為96 k Hz,保護間隔長度為10.67 ms,信道編碼采用(2,1, 7)的卷積編碼并進行交織,交織深度為7;FFT點數(shù)為4 096,OFDM符號周期為42.9 ms,OFDM調(diào)制點數(shù)為2 048,子載波數(shù)為200,子載波間隔23.4 Hz,幀長度為586.7 ms,循環(huán)前綴長度為10.67 ms,調(diào)制方式為時頻二維差分DQPSK編碼,導(dǎo)頻數(shù)為100,換能器工作帶寬為13～18 k Hz,有效傳輸速率為3.75 kbit/s.

實驗中在上位機進行MELP壓縮編碼后輸入DSP,進行信道編碼,OFDM調(diào)制后經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后送入發(fā)射電路;在接收端經(jīng)過前置放大,濾波處理后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進入DSP進行OFDM解調(diào)、信道解碼,并將解調(diào)后數(shù)據(jù)通過串口上傳上位機進行MELP語音解碼.

4.2 實驗結(jié)果與分析

海試實驗發(fā)射的源語音內(nèi)容為“語音編碼的實驗”,語音波形及聲譜圖如圖6(a)和(b)所示,接收端恢復(fù)的語音時域波形及聲譜圖如圖6(c)和(d)所示.從恢復(fù)語音的時域波形及聲譜圖(圖6(c)和(d))可以看出通過該水聲語音系統(tǒng)傳輸?shù)恼Z音質(zhì)量良好,接收語音清晰.實驗中測得通信誤碼率為1.5%.通過該次海試實驗驗證了此水聲語音系統(tǒng)的性能,能夠在一定的時變多徑信道條件下正常工作,完成水聲語音通信任務(wù).

5 結(jié) 論

針對水聲信道復(fù)雜的時間頻率擴展特性,本文設(shè)計實現(xiàn)了采用時頻差分OFDM、MELP語音編碼、卷積信道編碼的水聲語音通信系統(tǒng)以改善水聲通信系統(tǒng)性能的穩(wěn)健性,同時由于時頻差分OFDM解調(diào)無需采用信道估計及均衡處理,本文方案適于進行系統(tǒng)的低復(fù)雜度硬件實現(xiàn).在廈門五緣灣海域進行的海試實驗結(jié)果表明該水聲語音通信系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠,在水下作業(yè)等領(lǐng)域具有良好的潛在應(yīng)用前景.

圖6 海試實驗發(fā)射、接收語音波形及聲譜圖Fig.6 The original speech and the received speech of the proposed communication system

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Design and Implementation of Time Frequency Differential OFDM Underwater Voice Communication System

ZENG Kun,ZHOU Yue-hai,TONG Feng*
(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

:Time-frequency differential orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)technology can make full use of time and frequency domain differential modulation to overcome the impact of time-varying underwater acoustic channel,with low implementation complexity as well as no need for channel estimation and equalization algorithm.This paper introduces the overall scheme design, hardware design,and software algorithm of the processing platform of underwater speech communication based on digital signal processing(DSP)TMS320C6713.Sea trial is conducted to test the performance,which shows that the quality of voice communication is satisfactory.The system has the potential to be used in the practical underwater applications to meet the requirements of underwater voice communication.

time-frequency differential modulation;orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);underwater speech communication;digital signal processing(DSP)

TN 929.3

A

0438-0479(2015)03-0404-05

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.020

2014-09-23 錄用日期:2014-11-06

國家自然科學(xué)基金(11274259)

*通信作者:ftong@xmu.edu.cn

曾堃,周躍海,童峰.時頻差分OFDM水聲語音通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,54(3): 404-408.

:Zeng Kun,Zhou Yuehai,Tong Feng.Design and implementation of time frequency differential OFDM underwater voice communication system[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):404-408.(in Chinese)