根据水声通信的复杂信道特性,对混合激励线性预测语音编码MElP算法和低密度奇偶校验码ldPC的结合进行了研究,设计了基于ArM+dSP的多载波水声实时语音通信样机。经水池实验测试,系统表现出良好的实时性和语音可懂度性能,可分辨出不同说话人的声音。Taking the complexity of the underwater acoustic communication channel characteristics into account,the combination of mixed excited linear prediction(MELP) and low density parity check(LDPC) were studied and a multi-carrier underwater acoustic real-time voice communication prototype based on ARM+DSP was designed.By the expreimental test in pool,the proposed system showed a good real-time and voice intelligibility performance,and could distinguish the voice of different speakers.中央高校基本科研业务费专项资金资助(2010121062

王德清

胡晓毅

解永军

陈华宾

黄李海

Xiamen University Institutional Repository

《电 子 技 术 应 用》 2013年 第39卷 第3期语 音 通 信 是 人 与 人 交 流 的 最 直 接 手 段 。 随 着 人 们 对海 洋 资 源 的 开 发 利 用 ，岸 基 人 员 与 水 下 平 台 、水 下 潜 水员 间 的 实 时 语 音 传 输 变 得 更 为 迫 切 。 对 于 多 径 严 重 的 水声 信 道 ，其 可 用 频 带 窄 ，水 声 通 信 的 信 息 传 输 速 率 往 往只 有 几 百 比 特 每 秒 到 几 千 比 特 每 秒 。 因 此 ，为 了 更 直 接可 靠 地 传 递 指 挥 、命 令 等 重 要 信 息 ，研 究 实 现 水 下 实 时数 字 语 音 通 信 机 具 有 重 要 价 值 。本 文 在 已 经 构 建 好 的 LDPC-OFDM 水 声 通 信 系 统 的基 础 上 ，加 入 语 音 压 缩 算 法 MELP，在 ARM+DSP 嵌 入 式平 台 上 实 现 了 水 下 实 时 数 字 语 音 通 信 样 机 。 该 样 机 有 别于 国 内 外 已 实 现 的 OFDM 系 统 通 信 机 ， 无 需 PC 机 参 与即 可 实 现 人 机 交 互 ，并 且 用 软 件 语 音 压 缩 算 法 取 代 硬 件声 码 器 ，大 大 提 高 了 系 统 的 灵 活 性 ，降 低 了 开 发 成 本 。水池 实 验 表 明 ， 该 数 字 语 音 通 信 样 机 设 计 方 案 合 理 可 行 ，并 取 得 了 满 意 的 语 音 通 信 效 果 。1 关 键 技 术本 文 设 计 的 水 声 语 音 通 信 系 统 主 要 由 语 音 编 解 码模 块 、 语 音 压 缩 解 压 缩 模 块 、 信 道 纠 错 编 解 码 模 块 、OFDM 调 制 解 调 模 块 以 及 模 /数 转 换 模 块 组 成 。 系 统 框 图如 图 1 所 示 。 发 送 端 通 过 话 筒 将 语 音 声 信 号 转 换 为 电 信号 ，电 信 号 经 由 CODEC 编 码 成 为 数 字 语 音 信 号 ，即 语 音码 流 。 通 过 语 音 压 缩 模 块 减 少 语 音 码 流 的 冗 余 信 息 ，产生 低 速 码 流 ，压 缩 后 需 要 经 过 信 道 纠 错 编 码 ，以 提 高 系统 传 输 可 靠 性 。 之 后 将 信 息 码 流 经 过 OFDM 调 制 到 系 统频 带 上 ，已 调 信 号 加 上 同 步 信 号 成 帧 后 送 入 发 射 换 能 器经 过 信 道 发 射 出 去 。 接 收 部 分 将 接 收 到 的 微 弱 信 号 经 由低 噪 放 大 电 路 送 至 A/D 转 换 器 变 为 数 字 信 号 ， 后 经 发送 端 的 一 系 列 逆 过 程 完 成 语 音 信 号 的 还 原 播 放 。本 实 时 数 字 语 音 通 信 系 统 主 要 包 括 OFDM 调 制 解调 、信 道 编 码 及 语 音 压 缩 三 个 关 键 技 术 。1.1 OFDM 调 制 解 调 技 术OFDM 以 其 频 谱 利 用 率 高 、 抗 多 径 干 扰 与 频 率 选 择*基 金 项 目 ：中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 （2010121062 ）基于 MELP 的水下实时语音通信机的研究与实现*黄 李 海，胡 晓 毅，解 永 军，王 德 清，陈 华 宾（厦 门 大 学 水 声 通 信 与 海 洋 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 ，福 建 厦 门 361005）摘 要： 根 据 水 声 通 信 的 复 杂 信 道 特 性， 对 混 合 激 励 线 性 预 测 语 音 编 码 MELP 算 法 和 低 密 度 奇 偶校 验 码 LDPC 的 结 合 进 行 了 研 究，设 计 了 基 于 ARM+DSP 的 多 载 波 水 声 实 时 语 音 通 信 样 机 。 经 水 池 实验 测 试 ，系 统 表 现 出 良 好 的 实 时 性 和 语 音 可 懂 度 性 能，可 分 辨 出 不 同 说 话 人 的 声 音 。关 键 词 ： 水 下 实 时 语 音 通 信；MELP 算 法；LDPC 码 ；OFDM 调 制中 国 分 类 号 ： TN929.3 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0258-7998(2013)03-0017-03Research and implementation of underwater acoustic real-time voicecommunication prototype based on MELPHuang Lihai，Hu Xiaoyi，Xie Yongjun，Wang Deqing，Chen Huabin(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Xiamen University ,Xiamen 361005 ，China)Abstract： Taking the complexity of the underwater acoustic communication channel characteristics into account, the combinationof mixed excited linear prediction (MELP) and low density parity check (LDPC) were studied and a multi-carrier underwater acousticreal-time voice communication prototype based on ARM+DSP was designed. By the expreimental test in pool, the proposed systemshowed a good real-time and voice intelligibility performance, and could distinguish the voice of different speakers .Key words： underwater real-time voice communication ；MELP algorithm；LDPC code ；OFDM modulation嵌入式技术 Embedded Technology17欢迎网上投稿 www.chinaaet.com 《电 子 技 术 应 用》 2013年 第39卷 第3期性 衰 落 能 力 强 以 及 基 于 离 散 傅 立 叶 变 换 的 OFDM 有 快速 算 法 、OFDM 采 用 IFFT 和 FFT 来 实 现 调 制 和 解 调 、易用 DSP 实 现 [ 1] 等 优 点 而 成 为 水 声 通 信 领 域 的 研 究 热 点之 一 。 根 据 水 声 信 道 的 特 点 ，构 建 的 基 带 OFDM 通 信 系统 帧 格 式 如 图 2 所 示 。帧 同 步 信 号 与 数 据 之 间 需 有 一 定 的 保 护 间 隔 ，其 长度 要 大 于 信 道 的 最 大 时 延 扩 展 ，以 免 帧 同 步 信 号 的 多 径效 应 影 响 数 据 。系 统 采 用 粗 、细 两 级 同 步 。粗 同 步 信 号 采用 DDS(Direct Digital Synthesis) 直 接 数 字 合 成 技 术 产 生 5个 单 频 信 号；细 同 步 信 号 采 用 线 性 调 频 信 号。 接 收 端 最 先通过捕 获电 路获得 粗同 步，然 后采用 拷贝 相关器 进行 细同步 信 号 的 检 测，从 而 保 证 OFDM 系 统 有 准 确 的 定 时 同 步 。该 系 统 信 息 调 制 采 用 QPSK 映 射 方 式。 详 见 参 考 文 献 [2]。1.2 信 道 编 码在 水 声 通 信 中 的 信 道 是 高 噪 声 、多 径 干 扰 严 重 的 环境 ，为 增 加 信 号 在 信 道 中 传 输 的 可 靠 性 ，必 须 采 用 纠 错编 码 技 术 。 本 系 统 中 采 用 纠 错 编 码 技 术 有 两 个 目 的 ：一是 解 决 由 信 道 白 噪 声 所 产 生 的 随 机 性 差 错 ；二 是 解 决 由脉 冲 干 扰 所 引 起 的 突 发 性 差 错 。 目 前 ，信 道 纠 错 编 码 方案 中 比 较 好 的 两 种 选 择 是 Turbo 码 和 低 密 度 奇 偶 校 验 码LDPC(Low Density Parity Check) ，理 论 已 经 证 明 利 用 迭 代译 码 的 LDPC 码 性 能 接 近 Shannon 限 [ 3]，并 且 具 有 较 好 的抗 突 发 噪 声 的 特 性 。 基 于 以 上 几 点 考 虑 ，本 系 统 采 用 一种 新 型 的 水 下 数 据 传 输 纠 错 编 码 QC-LDPC(Quasi CyclicLDPC 码 ，也 称 准 循 环 LDPC 码 )。 在 LDPC 译 码 过 程 中 ，使 用 Normalized BP-based 算 法 ，不 仅 硬 件实 现简单，而且在效率 和性 能 方 面 也 都 具 有 一 定 的 优 势 [ 4]。 前 期 研 究 表明 加 入 LDPC 信 道 编 码 的 OFDM 水 声 通 信 系 统 的 误 码 率可 低 至 10 -3 以 下 。 这 为 OFDM 水 声 通 信 的 实 时语 音 传 输 奠 定 了 良 好 的 基 础 。1.3 语 音 压 缩美 国 联 邦 标 准 MELP2.4(Mixed Excited LinearPrediction 2 .4 kb / s ) 具 有 出 色 的 语 音 质 量 和 低 速的 压 缩 比 特 流 等 优 点 ，并 考 虑 到 LDPC-OFDM 水声 通 信 系 统 的 传 输 速 率 ，因 此 将 其 应 用 在 本 文 构 建 的 系统 中 。 该 算 法 中 一 帧 语 音 长 度 为 22.5 ms，编 码 后 每 帧 包含 54 bit，最 后 补 充 2 bit 至 56 bit 以 便 于 字 节 传 输 [ 5]。 实验 表 明 ，在 嵌 入 式 上 移 植 经 过 优 化 之 后 的 MELP2.4 算 法完 全 可 以 满 足 实 际 的 工 程 需 要 。 该 算 法 对 误 码 率 的 容 忍度 是 10-3[6]，在 此 容 限 下 保 证 恢 复 出 来 的 语 音 具 有 良 好的 可 懂 度 和 较 好 的 自 然 度 。 而 加 入 LDPC 信 道 编 码 的OFDM 调 制 系 统 的 信 息 传 输 速 率 大 于 2.4 kb/s， 可 以 很好 地 与 该 语 音 压 缩 算 法 相 匹 配 。综 合 上 述 关 键 技 术 ， 构 建 了 基 于 LDPC-OFDM 技 术的 水 下 实 时 语 音 数 字 通 信 系 统 ，并 在 Matlab 平 台 上 进 行仿 真 研 究 和 水 池 实 验 ，验 证 了 该 水 声 通 信 系 统 方 案 的 可行 性 。2 样 机 实 现2.1 硬 件 实 现本 文 构 建 的 实 时 语 音 通 信 系 统 以 ARM+DSP 双 核 处理 器 为 核 心 搭 建 而 成 。 DSP 采 用 TMS320DM642 处 理 器芯 片 ， 它 具 有 优 越 的 数 字 信 号 处 理 能 力 ， 其 主 频 高 达600 MHz， 最 大 指 令 执 行 速 度 是 4 800 MIPS， 主 要 负 责LDPC 码 的 信 道 编 译 码 、OFDM 信 号 调 制 解 调 等 工 作 。 嵌入 式 系 统 则 采 用 ARM 架 构 的 S3C2440 芯 片 ， 它 的 主 频为 400 MHz， 主 要 负 责 语 音 采 集 播 放 、 语 音 压 缩 编 解 码以 及 其 他 数 据 、图 像 等 多 媒 体 数 据 的 采 集 、控 制 等 工 作 。图 3 所 示 为 OFDM 水 声 通 信 样 机 的 硬 件 结 构 框 图 。 其中 ，CODEC 负 责 音 频 信 号 的 编 解 码 ，摄 像 头 完 成 图 像 采集 功 能 ，显 示 屏 则 实 现 图 像 的 还 原 显 示 和 系 统 的 误 码 统计 结 果 显 示 等 。 在 硬 件 接 口 设 计 上 ，ARM 处 理 器S3C2440 内 置 的 I2S 总 线 接 口 直 接 外 接 16 bit 的 立 体 声CODEC，收 、发 两 端 的 ARM 与 DSP 之 间 通 过 SPI 协 议 实现 数 据 流 的 高 速 传 输 ，ARM 自 带 SPI 接 口 ，DSP 则 采 用兼 容 SPI 协 议 的 多 通 道 缓 冲 串 口 McBSP1， 另 一 个 多 通道 缓 冲 串 口 McBSP0 用 于 控 制 D/A 和 A/D。嵌入式技术 Embedded Technology18《电 子 技 术 应 用》 2013年 第39卷 第3期2.2 软 件 实 现在 软 件 设 计 上 ，语 音 采 集 、播 放 部 分 采 用 具 有 阻 塞读 写 功 能 的 ALSA 音 频 编 程 体 系 实 现 对 语 音 帧 的 准 确可 靠 采 集 、播 放 。MELP 语 音 帧 逐 帧 压 缩 ，每 87 帧 封 装 成一 个 语 音 数 据 帧 经 由 SPI 协 议 传 送 给 DSP 完 成LDPC 信道 编 码 和 OFDM 调 制 并 进 行 D/A 发 送 ，保 证 发 送 端 数 据流 的 流 水 线 传 输 发 送 。 接 收 端 一 旦 检 测 到 DDS 粗 同 步信 号 ，DSP 就 启 动 A/D 接 收 ， 继 而 完 成 OFDM 解 调 和LDPC 信 道 纠 错 译 码 ，译 码 后 还 原 的 语 音 数 据 帧 经 由 SPI协 议 传 送 至 ARM 并 进 行 逐 帧 解 压 播 放 。 整 个 过 程 不 断地 循 环 流 水 工 作 。 系 统 按 语 音 数 据 帧 方 式 传 输 ，以 保 证收 、 发 两 端 数 据 流 连 续 有 序 地 传 送 。 收 发 ARM、DSP 的程 序 流 程 如 图 4～图 7 所 示 。3 水 池 实 验 结 果本 系 统 于 2012 年 7 月 9 日 在 厦 门 大 学 水 声 通 信 教育 部 重 点 实 验 室 水 池 进 行 试 验 。 水 池 布 设 ： 长=4.3 m，宽=2.9 m，高=2.0 m；采 用 柱 形 换 能 器 完 成 信 号 的 发 射和 接 收 ，收 发 换 能 器 相 距 3.6 m，其 在 水 池 中 呈 等 深 度 吊放 ，离 水 面 1.0 m。图 8 上 部 分 所 示 为 发 送 信 号 波 形 ， 下 部 分 为 经 过信 道 传 输 后 的 接 收 信 号 在 低 信 噪 比 下 恢 复 的 语 音 信 号时 域 波 形 图 。 从 图 上 可 以 看 出 ，接 收 信 号 具 有 较 低 的 信噪 比 ，受 水 池 四 壁 反 射 的 影 响 ，信 道 多 径 干 扰 严 重 。 对比 收 发 信 号 可 知 ，接 收 信 号 呈 现 频 率 选 择 性 衰 落 ，有 用信 号 基 本 上 淹 没 在 噪 声 中 ， 经 过 信 道 纠 错 译 码 后 可 实现 无 误 码 传 输 。 通 过 实 时 通 话 试 听 测 试 结 果 表 明 ，该 系统 有 良 好 的 实 时 性 和 语 音 恢 复 性 能 ， 并 且 能 分 辨 出 不同 说 话 人 的 声 音 。设 计 并 实 现 了 基 于 OFDM 的 水 下 实 时 数 字 语 音 通信 系 统 ， 系 统 的 数 据 传 输 速 率 可 达 2.4 kb/s。 通 过 水 池试 验 ，测 试 了 该 系 统 语 音 通 信 的 实 时 性 和 语 音 可 懂 度 性能 ，实 时 语 音 通 信 效 果 理 想 ，达 到 了 预 期 的 目 标 。今 后 将通 过 海 试 进 一 步 测 试 验 证 该 系 统 的 性 能 。参 考 文 献[1 ] 范 庭 珲 .基 于 正 交 频 分 复 用 技 术 的 水 声 语 音 通 讯 系 统 设计 [ J ] .科 技 信 息 (科 学 教 研 )，2008(10)：55-56.[2] 王 德 清 .OFDM 高 速 水 声 通 信 系 统 的 DSP 实 现 及 同 步 技术 研 究 [D] .厦 门 ：厦 门 大 学 ，2005.[3] MACKAY D J C ，NEAL R M.Good codes based on verysparse matrices [C] .Cryptography and Coding 5th IMAConference，Cirencester，UK.1995：100-111.[4] 白 栎 旸 . LDPC 码 及 其 在 浅 海 OFDM 水 声 通 信 系 统 中 的应 用 研 究 和 DSP 实 现 [D] .厦 门 ：厦 门 大 学 ，2011.[5] DANIEL E J ，TEAGUE K A.Federal standard 2.4 kb/sMELP over IP[C] .Proceedings of the 43rd IEEE MidwestSymposium on Circuits and Systems ，2000：568-571.[6] 杜 利 刚 .基 于 MELP 的 水 声 语 音 传 输 及 语 音 隐 蔽 通 信 的研 究 和 实 现 [D] .厦 门 ：厦 门 大 学 ，2011.(收 稿 日 期 ：2012-10-23)作 者 简 介 ：黄 李 海 ，男 ，1987 年 生 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 ：嵌入 式 系 统 ，DSP。胡 晓 毅 ，女 ，1966 年 生 ，教 授 ，主 要 研 究 方 向 ：OFDM，水声 通 信 ，单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 。嵌入式技术 Embedded Technology19

Research and implementation of underwater acoustic real-time voice communication prototype based on MELP

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/104592/%e5%9f%ba%e4%ba%8eMELP%e7%9a%84%e6%b0%b4%e4%b8%8b%e5%ae%9e%e6%97%b6%e8%af%ad%e9%9f%b3%e9%80%9a%e4%bf%a1%e6%9c%ba%e7%9a%84%e7%a0%94%e7%a9%b6%e4%b8%8e%e5%ae%9e%e7%8e%b0.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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