淺海信道調(diào)頻水聲語音通信方法比較

李劍汶，王小陽，童 峰

(廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361100)

淺海信道調(diào)頻水聲語音通信方法比較

李劍汶，王小陽，童 峰

(廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361100)

水聲語音通信在海洋工程、海洋科考、水下搜救等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。與單邊帶通信、數(shù)字編碼調(diào)制通信相比，調(diào)頻水聲語音通信具有實(shí)現(xiàn)簡單方便、抗幅度衰落性能好的特點(diǎn)，但淺海水聲信道具有的復(fù)雜多徑效應(yīng)及噪聲嚴(yán)重影響其獲得的語音音質(zhì)，容易出現(xiàn)語音含混、語義難辨等問題。本文通過淺海不同距離、不同多徑信道下的海試實(shí)驗(yàn)比較了采用非線性解調(diào)法和正交解調(diào)法的調(diào)頻語音通信性能，并通過客觀語音質(zhì)量評估 PESQ（Perceptual evaluation of speech quality）方法對調(diào)頻水聲語音通信音質(zhì)進(jìn)行量化評估。

水聲語音通信；調(diào)頻；非線性解調(diào)法；正交解調(diào)法；客觀語音質(zhì)量評估

0 引 言

水聲語音通信在國防建設(shè)、海洋資源開發(fā)、科考、搜救等領(lǐng)域中有著很廣泛的應(yīng)用。采用模擬單邊帶調(diào)制技術(shù)的水聲通信設(shè)備如美國 AN/WQC-2A 水聲通信機(jī)[1]受海洋水聲環(huán)境的影響很大，特別是水聲信號幅度易受水聲信道幅度衰落特性影響，使得單邊帶調(diào)制語音通信質(zhì)量難以保證[1-2]。

數(shù)字語音通信系統(tǒng)可利用相干調(diào)制、語言編碼、信道匹配與均衡技術(shù)提高性能[3]。英國拉夫堡大學(xué)采用數(shù)字脈沖位置調(diào)制技術(shù)（Digital Pulse Position Modulation，DPPM）實(shí)現(xiàn)語音通信[4]。殷敬偉等[5]設(shè)計了時域差分正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）水下語音通信系統(tǒng)。周躍海等[6]基于時反結(jié)合時頻差分 OFDM 語音通信體制設(shè)計了水聲語音通信系統(tǒng)。但在淺海水聲信道條件下，數(shù)字語音通信方法易受到載頻誤差、多普勒頻移、相位噪聲、同步丟失等影響導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降，在高誤碼率情況下甚至導(dǎo)致語音完全損失。

調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)在調(diào)頻調(diào)制過程中由于非線性調(diào)制造成了信號頻譜結(jié)構(gòu)中具有新的邊頻分量且在有效調(diào)制帶寬兩側(cè)成對稱分布[7]；同時，在解調(diào)過程中由于頻率捕獲效應(yīng)的存在，可利用強(qiáng)信號對弱信號的抑制作用[8]來提高抗干擾能力。但是，淺海水聲信道具有的復(fù)雜多徑效應(yīng)及噪聲將嚴(yán)重影響調(diào)頻水聲語音獲得的語音音質(zhì)，特別是在較為明顯的多徑干擾下會出現(xiàn)解調(diào)語音含混、語義難辨等問題。

非線性解調(diào)[7]和正交解調(diào)[9]是 2 種常用的調(diào)頻解調(diào)方法：非線性解調(diào)直接使用非線性模擬電路對調(diào)制信號進(jìn)行實(shí)時解調(diào)，無需進(jìn)行數(shù)字處理。正交解調(diào)法則是一種不涉及希爾伯特變換和反正切運(yùn)算的數(shù)字化解調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)簡單方便[9]。這 2 種調(diào)頻解調(diào)方法在水聲語音通信中均得到一定的應(yīng)用，曾堃[10]采用了非線性解調(diào)方法設(shè)計了調(diào)頻水聲語音實(shí)時通信系統(tǒng)，卜文強(qiáng)[11]采用了正交解調(diào)法設(shè)計了水聲語音通信系統(tǒng)。但目前未見不同的淺海水聲信道特性（多徑、信噪比）對 2 種方法獲得的語音質(zhì)量的影響比較。本文對采用非線性解調(diào)和正交解調(diào)的調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)進(jìn)行淺海信道條件下的性能評估和量化比較。

傳統(tǒng)水聲通信系統(tǒng)可采用語音信噪比、誤比特率等指標(biāo)進(jìn)行接收語音的性能評估，但考慮到水聲調(diào)頻語音通信系統(tǒng)目的在于獲得語義可懂的接收語音，因此語音通信質(zhì)量是更為重要的一個性能指標(biāo)。語音質(zhì)量評價方法可分為主觀評價和客觀評價。主觀語音評價方法可以得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是評估過程費(fèi)時費(fèi)力，容易受測試條件限制和測試人員主觀因素影響，不適用于水聲實(shí)時通信系統(tǒng)。PESQ 是一種采用改進(jìn)型認(rèn)知模型技術(shù)和聽覺模型技術(shù)的語音質(zhì)量客觀評價算法[12]。由于充分考慮端到端的網(wǎng)絡(luò)時延，它對通信延時、環(huán)境噪聲等有較好的魯棒性[13]，所以本文采用PESQ 算法對采用非線性解調(diào)和正交解調(diào)的水聲調(diào)頻語音通信系統(tǒng)進(jìn)行性能評估和量化比較。

1 調(diào)頻水聲通信方法

1.1 調(diào)制

調(diào)頻調(diào)制[14]信號的一般表達(dá)式為：

由式（7）可得，對于單音頻波調(diào)制指數(shù)mf反比于調(diào)制角頻率ωm。

1.2 非線性解調(diào)

非線性解調(diào)是直接用非線性模擬解調(diào)電路對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)。非線性解調(diào)器通常由限幅器、帶通濾波器、包絡(luò)檢波電路和抽樣判決器組成[11]。非線性解調(diào)流程圖如圖 1 所示。

考慮到水聲信道的幅度衰落對調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)造成的影響，通常需要對接收信號進(jìn)行限幅和放大的處理后再進(jìn)行解調(diào)，以抑制幅度衰落帶來的干擾[11]。

1.3 正交解調(diào)

假設(shè)調(diào)頻接收端信號的表達(dá)式為[12]：其中，Ac（t）表示受到信道噪聲、多徑等其他干擾影響后隨時間變化的調(diào)頻信號幅度，m（t）為調(diào)制信號。將式（8）與本地產(chǎn)生的正交載波信號相乘，可得到以下結(jié)果：

從正交解調(diào)法可看出，水聲信道引入的幅度衰落可通過正交及低通濾波處理進(jìn)行抑制。正交解調(diào)原理框圖如圖 2 所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了對上述 2 種調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，在廈門五緣灣海域進(jìn)行了海試實(shí)驗(yàn)。原始語音采樣率 4 ksps，語音內(nèi)容為男聲“廈門大學(xué)正在進(jìn)行語音測試”，調(diào)頻調(diào)制參數(shù)如表 1 所示。在接收端，非線性解調(diào)器由前置放大、帶通濾波、限幅器、包絡(luò)檢波電路和抽樣判決器組成；正交解調(diào)器對前置放大、帶通濾波后的接收信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后在 PC 中離線處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率為 192 ksps。在實(shí)驗(yàn)中，2 種解調(diào)器的接收信號經(jīng)過相同的前置放大、帶通濾波電路，以方便評估解調(diào)方法性能。

表 1 調(diào)頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置Tab.1 The parameters of FM system

在實(shí)驗(yàn)海域不同收發(fā)距離、接收深度的 3 種信道中對 2 種調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)進(jìn)行性能測試和比較評估。信道 1 收發(fā)距離為 100 m，發(fā)射深度 2 m，接收深度 2 m，信道 2 收發(fā)距離 1 km，發(fā)射深度 2 m，接收深度 6 m，信道 3 收發(fā)距離 1 km，發(fā)射深度 2 m，接收深度 1 m。

圖 3 為實(shí)驗(yàn)海域聲速梯度曲線圖，圖 4（a）～圖 4（c）分別為實(shí)驗(yàn)水聲信道 1，2，3 的信道響應(yīng)圖。從圖 4 可看到，實(shí)驗(yàn)水域淺海水聲信道存在明顯的多徑，其中信道 1 存在 2 條可分辨的相鄰多徑，信道 2 有多條相近的多徑形成復(fù)雜的混疊多徑結(jié)構(gòu)，信道 3 則有一個較為明顯的主徑。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

調(diào)頻水聲語音通信的原始語音信號波形圖和頻譜圖如圖 5 所示，解調(diào)結(jié)果如圖 6、圖 7 和圖 8 所示。其中，圖 6（a）～圖 6（b）和圖 6（c）～圖 6（d）分別為信道 1 的調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的非線性解調(diào)法和正交解調(diào)法解調(diào)輸出信號波形圖、頻譜圖；圖 7（a）～圖 7（b）和圖 7（c）～圖 7（d）分別為信道 2 的調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的非線性解調(diào)法和正交解調(diào)法解調(diào)輸出信號波形圖、頻譜圖；圖 8（a）～圖 8（b）和圖 8（c）～圖 8（d）分別為信道 3 的調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的非線性解調(diào)法和正交解調(diào)法解調(diào)輸出信號波形圖、頻譜圖。由于淺海信道存在明顯的多徑效應(yīng)，從語音波形圖和頻譜圖可看出，解調(diào)后的語音信號存在著明顯的噪聲干擾和頻散現(xiàn)象，這在一定程度上影響了調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的解調(diào)語音質(zhì)量，降低了語音通信性能。其中，由于信道 2 具有較為復(fù)雜的混疊多徑結(jié)構(gòu)，其獲得的解調(diào)語音頻散現(xiàn)象尤為明顯。同時對比 2 種解調(diào)方法得到的語音信號的波形頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)正交解調(diào)法在解調(diào)過程中對底噪的抑制優(yōu)于非線性解調(diào)法。

PESQ 語音質(zhì)量客觀評價方法的滿分為 4.50，得分越高說明語音質(zhì)量越好。通過 PESQ 語音質(zhì)量客觀評價方法對 2 種不同調(diào)頻水聲語音通信系統(tǒng)的解調(diào)語音信號評估結(jié)果如表 2 所示。從表 2 可看出，信道 1 和信道 2 的接收信噪比較高，信道 3 的接收信噪比最低，在信噪比較高的信道 1 和信道 2 中，非線性解調(diào)法的解調(diào)語音質(zhì)量優(yōu)于正交解調(diào)法的解調(diào)語音質(zhì)量；而在信噪比較低的信道 3 中，正交解調(diào)法的解調(diào)語音質(zhì)量優(yōu)于非線性解調(diào)法的解調(diào)語音質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出正交解調(diào)法對較低的接收信噪比具有較好的魯棒性。

結(jié)合信道特性圖和解調(diào)信號頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)：對于多徑影響程度不同的信道，非線性解調(diào)法獲得的解調(diào)語音質(zhì)量較為穩(wěn)定，如在具有較為復(fù)雜的混疊多徑結(jié)構(gòu)信道 2 中，正交解調(diào)法獲得的解調(diào)語音質(zhì)量出現(xiàn)明顯下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出非線性解調(diào)法對信道的多徑干擾具有較好的魯棒性。

表 2 解調(diào)語音信號 PESQ 評估結(jié)果Tab.2 PESQ evaluation results of the demodulated speech signal

3 結(jié) 語

本文對水聲語音通信系統(tǒng)的非線性解調(diào)法的和正交解調(diào)法進(jìn)行性能評估和量化比較，淺海信道條件下的語音通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從語音音質(zhì) PESQ 量化評估的角度，非線性解調(diào)法受信道嚴(yán)重多徑的影響較小，正交解調(diào)法則在較低接收信噪比下具有較好的語音解調(diào)性能。由于實(shí)驗(yàn)海區(qū)、實(shí)驗(yàn)次數(shù)尚不具有廣泛性，本文獲取的性能評估比較結(jié)果僅為初步結(jié)論，旨在為類似條件下的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考。

[1]DANIEL B.KILFOYLE, ARTHUR B.Baggeroer.The state of art in underwater acoustic telemetry, IEEE J.Oceanic.Eng, 25(1): 4-27, 2000, 25: 4-27.

[2]PROAKIS J G, SOZER E M, RICE J A."Communications magazing", IEEE, 2011, 39(11).

[3]郭中源, 陳巖, 賈寧, 等.水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)[J].聲學(xué)學(xué)報, 2008, 33(5): 409-418.

[4]SARI H, WOODWARD B.Underwater acoustic voice communications using digital pulse position modulation.proc.Oceans'98.

[5]殷敬偉, 王馳, 白夜, 等.基于正交頻分復(fù)用的水下語音通信應(yīng)用研究[J].兵工學(xué)報, 2013, 34(5), 593-596.

[6]周躍海, 江偉華, 陳磊, 等.采用時反和時頻差分OFDM的水聲語音通信方法[J].應(yīng)用聲學(xué), 2015 (4): 283-290.

[7]曾曉珊.基于模式調(diào)頻的水聲通信方法[D].廣州：華南理工大學(xué), 2012.

[8]王洪亮.頻率捕獲效應(yīng)在民航通信導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用：J].黑龍江科技信息, 2012(35).

[9]祝林嘯, 吳嗣亮.一種調(diào)頻信號數(shù)字正交解調(diào)方法[J].電訊技術(shù), 2005(4).

[10]曾堃.多徑信道下的調(diào)頻水聲語音通信技術(shù)研究[D].廈門：廈門大學(xué).2015.

[11]卜文強(qiáng).基于TMS320C67X的水聲語音通信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué).2014

[12]黃紹.基于PESQ估測模型的水聲語音通信系統(tǒng)研究[D].廈門：廈門大學(xué), 2013.

[13]QIAO Z, SUN L, IFEACHOR E.Case study of PESQ performance in live wireless mobile VoIP environment[C]//.Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2008.PIMRC 2008.IEEE 19th International Symposium on.IEEE, 2008: 1-6.

[14]樊昌信.通信原理教程[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2007.

The comparison of underwater acoustic FM speech communication methods in shallow water channels

LI Jian-wen, WANG Xiao-yang, TONG Feng
(Xiamen University, Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology Ministry of Education, Xiamen 361100, China)

Underwater acoustic speech communication plays an important role in marine engineering, marine research, underwater search and rescue, and related fields.Compared with the classic single side band communication and digital code modulation communication, frequency modulation (FM) underwater acoustic voice communication has a good performance in amplitude fading resistance and low implementation complexity.However, shallow water channels featured by complicated multipath and noise will seriously degrade the speech communication quality of FM systems, leading to the problem of ambiguous speech and semantic ambiguity.This paper compares the performance of the underwater acoustic FM speech communication system used nonlinear demodulation method and orthogonal demodulation method by the field experiment in different shallow water channels, and performs quantitative assessment to the speech communication quality through PESQ (Perceptual evaluation of speech quality) method.

underwater acoustic speech communication；FM；nonlinear demodulation method；orthogonal demodulation method；PESQ

TN9293

：A

1672-7619(2017)01-0127-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.026

2016-04-07；

: 2016-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11274259，11574258）

李劍汶(1994-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗曂ㄐ判盘柼幚怼?/p>