采用多通道信道均衡的調(diào)頻水聲語(yǔ)音通信

王小陽(yáng)，章宇棟，童 峰

(廈門(mén)大學(xué) a.海洋與地球?qū)W院; b.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(mén) 361005)

隨著海洋開(kāi)發(fā)、水下施工、科考、搜救、海洋觀(guān)光、國(guó)防安全等各類(lèi)海洋活動(dòng)的快速發(fā)展，水聲語(yǔ)音通信技術(shù)研究日益重視。海洋環(huán)境的高背景噪聲、低載波速率、極為有限的帶寬以及傳輸條件的時(shí)-空-頻變特性，海洋水聲信道特別是淺海水聲信道被認(rèn)為是迄今為止最困難的無(wú)線(xiàn)通信信道之一。

傳統(tǒng)的單邊帶水聲語(yǔ)音通信技術(shù)[1-2]功率利用率低，且受海洋環(huán)境影響很大，在信道不穩(wěn)定的情況下，存在著語(yǔ)音模糊不清和傳輸可靠性很差等不可克服的問(wèn)題[3]。近年來(lái)各種數(shù)字調(diào)制方式不斷被應(yīng)用于水下語(yǔ)音通信技術(shù)的研究[4]。中科院的郭中源等[5]采用BPSK或QPSK的相位調(diào)制方式，結(jié)合信道編碼設(shè)計(jì)了一套水下語(yǔ)音通信系統(tǒng)，在信道良好的情況下能滿(mǎn)足通信需求，但系統(tǒng)整體較為復(fù)雜，靈活性低；廈門(mén)大學(xué)的周躍海等[6]采用多通道時(shí)間反轉(zhuǎn)和時(shí)頻差分OFDM相結(jié)合，能克服一定的頻移效應(yīng)，但對(duì)相位噪聲的敏感性容易破壞子載波的正交性。

與數(shù)字調(diào)制體制相比，調(diào)頻調(diào)制保留著傳統(tǒng)模擬調(diào)制的易于實(shí)現(xiàn)的特性，且因其具有較強(qiáng)的抗干擾能力被廣泛應(yīng)用于水聲語(yǔ)音通信，廈門(mén)大學(xué)的吳燕藝等[7]在調(diào)頻語(yǔ)音通信中采用非線(xiàn)性解調(diào)方案，并且引入時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦能量，提高系統(tǒng)對(duì)于多徑效應(yīng)的適應(yīng)性。但是，相位調(diào)制或OFDM等數(shù)字語(yǔ)音通信體制在低信噪比條件下解調(diào)效果不佳，特別是在蛙人、小型潛器與母船的上行語(yǔ)音通信中，由于發(fā)射功率限制接收信噪比往往較低，接收端語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量較差，往往不能滿(mǎn)足使用需求。

調(diào)頻語(yǔ)音通信的正交解調(diào)法在較低信噪比條件下具有較好的魯棒性[8]，特別是接收端可充分利用人耳聽(tīng)覺(jué)特性抑制噪聲干擾，但其在較為復(fù)雜的多徑信道中解調(diào)語(yǔ)音質(zhì)量明顯下降、可懂度差。信道均衡器通常作為數(shù)字通信系統(tǒng)的一環(huán)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)相干數(shù)字通信體制[9]，但其在屬于模擬調(diào)制的調(diào)頻通信中的應(yīng)用并不多見(jiàn)。本文在調(diào)頻水聲語(yǔ)音通信中引入信道均衡技術(shù)構(gòu)成模擬-數(shù)字混合體制，并進(jìn)一步基于母船接收陣構(gòu)成多通道均衡實(shí)現(xiàn)調(diào)頻語(yǔ)音通信中多徑效應(yīng)抑制，適用于改善蛙人、各類(lèi)載人潛器至母船之間上行水聲通信的接收語(yǔ)音的質(zhì)量。

與數(shù)字通信中通常將誤碼率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，水聲語(yǔ)音通信性能更多體現(xiàn)在語(yǔ)音質(zhì)量的評(píng)價(jià)上?？紤]到國(guó)際上使用較多的平均意見(jiàn)分(MOS)主觀(guān)平均方法，雖符合人對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的感知，但過(guò)程較為繁瑣、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)且受主觀(guān)影響大[10]，本文采用ITU-T標(biāo)準(zhǔn)中的感知語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)(perceptual evaluation of speech quality，PESQ)進(jìn)行調(diào)頻水聲語(yǔ)音通信的性能評(píng)估，該方法屬于客觀(guān)評(píng)價(jià)，將語(yǔ)音的響度、頻率等物理特性和人類(lèi)心理上的感知特性結(jié)合起來(lái)，用客觀(guān)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬主觀(guān)感覺(jué)的評(píng)價(jià)，具有快速實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[11]。

信道均衡技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，但大多應(yīng)用與數(shù)字通信系統(tǒng)中，模擬調(diào)頻水聲通信則是水聲語(yǔ)音通信的常用技術(shù)，本文綜合考慮到上述兩種技術(shù)的特點(diǎn)，將多通道信道均衡引入模擬調(diào)頻水聲通信系統(tǒng)，以期通過(guò)模擬-數(shù)字混合解調(diào)的方式改善水聲語(yǔ)音通信性能。

1 算法介紹

FM調(diào)制是將調(diào)制信號(hào)頻譜作非線(xiàn)性變換，因此它被稱(chēng)為非線(xiàn)性調(diào)制。又由于已調(diào)信號(hào)反映出載波矢量角度上的變化，所以也被稱(chēng)為角度調(diào)制[12]。在調(diào)頻調(diào)制過(guò)程中，調(diào)頻信號(hào)由于非線(xiàn)性調(diào)制造成了其頻譜結(jié)構(gòu)中具有新的邊頻成分且在有效調(diào)制帶寬兩側(cè)成對(duì)稱(chēng)分布。這一特性使得調(diào)頻信號(hào)具有了較強(qiáng)的抗干擾能力，可以抵抗信道中的干擾。同時(shí)在調(diào)制過(guò)程中，由于電子元器件的非線(xiàn)性或電路帶寬過(guò)窄，會(huì)產(chǎn)生某種程度的附加調(diào)幅，在信道傳輸中也會(huì)受到同樣的影響產(chǎn)生寄生調(diào)幅，在一定程度上影響調(diào)頻體統(tǒng)的性能。針對(duì)幅度衰落的特點(diǎn)，在接收端采用正交解調(diào)，它對(duì)信道引入的幅度衰落具有良好的抑制效果[13]。

常用的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)方法包括非線(xiàn)性解調(diào)和正交解調(diào)，其中非線(xiàn)性解調(diào)是直接用非線(xiàn)性模擬解調(diào)電路對(duì)接收到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，適于硬件實(shí)現(xiàn)。非線(xiàn)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[14]。廈門(mén)大學(xué)李劍汶[15]的研究表明，低信噪比條件下非線(xiàn)性解調(diào)效果不佳。水聲信道引入的幅度衰落可通過(guò)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1。

圖1 正交解調(diào)原理框圖

信道均衡器的核心思想是基于特定的準(zhǔn)則，采用遞推迭代的方式使自適應(yīng)濾波器逐步趨向最佳的維納解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碼間干擾的抑制，同時(shí)具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度[17]，多通道均衡器則可進(jìn)一步利用空間增益提高均衡性能。多通道均衡主要由權(quán)系數(shù)可調(diào)的橫向?yàn)V波器和自適應(yīng)算法組成，將每個(gè)通道分別濾波后的疊加信號(hào)作為輸出信號(hào)[18]，具體流程如圖2。接收端對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行前置濾波、放大處理并解調(diào)得到輸出序列為xk(n)，其中k為通道數(shù)。

基于多通道LMS算法的均衡器迭代公式如下：

(1)

e(n)=d(n)-y(n)

(2)

wk(n+1)=wk(n)+μe(n)xk(n)

(3)

式(1)～(3)中：xk(n)為時(shí)刻第個(gè)通道的輸入信號(hào)；為通道總數(shù)；上角標(biāo)表示矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算；為所有通道濾波后疊加得到的輸出信號(hào)；d(n)為期望輸出信號(hào)；e(n)是期望輸出信號(hào)d(n)和輸出信號(hào)y(n)之間的誤差信號(hào)估計(jì)；而LMS算法則是利用梯度下降法，以e(n)為判決誤差，分別更新每個(gè)通道濾波器的抽頭系數(shù)wk(n)，使濾波器收斂至穩(wěn)態(tài)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，在某些多徑時(shí)延嚴(yán)重的信道條件下，多通道均衡通過(guò)利用接收陣來(lái)提高信號(hào)增益。此外，均衡技術(shù)能夠有效跟蹤信道特性，達(dá)到改善碼間干擾的目的。本文將自適應(yīng)均衡器應(yīng)用于模擬調(diào)頻水聲通信系統(tǒng)，算法處理過(guò)程和數(shù)字通信是一樣的，只是換為消除模擬形式的碼間干擾。針對(duì)低信噪比下調(diào)頻體制性能的局限性，采用正交解調(diào)結(jié)合多通道均衡處理以改善系統(tǒng)性能，本文方案流程如圖3所示，發(fā)射端部分主要包括語(yǔ)音信號(hào)輸入和信號(hào)調(diào)制兩部分，接收端部分主要包括解調(diào)電路和信號(hào)處理兩部分。

圖2 多通道均衡框圖

圖3 調(diào)頻水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)流程

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文多通道均衡水聲語(yǔ)音通信系統(tǒng)的性能，在廈門(mén)五緣灣海域進(jìn)行了海洋試驗(yàn)，海域?yàn)榘敕忾]結(jié)構(gòu)，平均水深約為10 m，發(fā)射換能器放置深度為1.5 m，接收陣列3個(gè)換能器放置深度分別為1 m、4.5 m、6 m，發(fā)射換能器和接收陣列之間的水平距離1 km。系統(tǒng)的發(fā)射端由核心板產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，經(jīng)由功率放大器進(jìn)行幅度調(diào)整，再通過(guò)發(fā)射換能器傳出，接收陣列包括前置處理板和接收換能器，分別將每個(gè)通道接收信號(hào)存儲(chǔ)下來(lái)，最后經(jīng)多通道均衡器處理得到最終輸出。

原始語(yǔ)音采樣率為4 kHz，其中，采用語(yǔ)音內(nèi)容“廈門(mén)大學(xué)”作為訓(xùn)練語(yǔ)音通過(guò)頻率調(diào)制產(chǎn)生訓(xùn)練信號(hào)，時(shí)長(zhǎng)1.71 s；傳輸語(yǔ)音內(nèi)容為“正在進(jìn)行語(yǔ)音測(cè)試”，時(shí)間長(zhǎng)度為3.58 s。原始語(yǔ)音波形如圖4所示。

圖4 原始語(yǔ)音波形圖

調(diào)制信號(hào)幀：同步+保護(hù)間隔+調(diào)頻訓(xùn)練信號(hào)+保護(hù)間隔+調(diào)頻語(yǔ)音+空白間隔，總長(zhǎng)度為8S。訓(xùn)練信號(hào)由調(diào)頻語(yǔ)音前段組成，長(zhǎng)度為132 ms；同步為22～28 kHz頻率范圍的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，長(zhǎng)度為125 ms，調(diào)頻語(yǔ)音5 132 ms。保護(hù)間隔為1 000 ms。頻率調(diào)制參數(shù)如表1所示。

接收端3個(gè)通道收到的信號(hào)送入PC端，經(jīng)過(guò)前置放大、帶通濾波、 A/D轉(zhuǎn)換、正交解調(diào)、3通道LMS自適應(yīng)均衡，得到解調(diào)語(yǔ)音，系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中，LMS自適應(yīng)濾波器階數(shù)為105，步長(zhǎng)因子μ值設(shè)置為0.01。為了更好地評(píng)估本文方法性能，同時(shí)采用非線(xiàn)性解調(diào)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)語(yǔ)音解調(diào)并進(jìn)行性能比較。

表1 調(diào)制參數(shù)設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5為試驗(yàn)中3個(gè)通道的信道響應(yīng)圖，由圖5可以看出，3個(gè)通道均存在明顯的多徑分量，同時(shí)可看出，信道多徑結(jié)構(gòu)存在明顯的不同。

圖5 試驗(yàn)水聲信道沖激響

水聲調(diào)頻語(yǔ)音通信結(jié)果如圖6所示，圖6(a)(b)分別為原始語(yǔ)音波形和時(shí)頻圖，圖6(c)(d)分別為正交解調(diào)后的波形圖和時(shí)頻圖，圖6(e)(f)則分別為非線(xiàn)性解調(diào)后的波形圖和時(shí)頻圖，圖6(g)(h)則分別為正交解調(diào)結(jié)合多通道均衡后的波形圖和時(shí)頻圖，圖6(i)(j)則分別為非線(xiàn)性解調(diào)結(jié)合多通道均衡后的波形圖和時(shí)頻圖。從結(jié)果可以看出，在時(shí)域波形上，經(jīng)過(guò)均衡處理后語(yǔ)音信號(hào)碼間干擾減小了，多通道均衡算法可以有效地改善信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后產(chǎn)生的幅度衰落現(xiàn)象，最終得到的語(yǔ)音信號(hào)更接近原始語(yǔ)音信號(hào)。在頻域上，在多通道LMS均衡處理后的頻譜更加接近原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜。

圖6 原始語(yǔ)音及解調(diào)語(yǔ)音波形、時(shí)頻圖

實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)原始信噪比為6.2 dB，同時(shí)，為了驗(yàn)證本文方案在更低信噪比下的處理效果，通過(guò)疊加實(shí)錄背景噪聲將接收信號(hào)信噪比降低3.2 dB，其解調(diào)和均衡后的波形如圖7所示。可以看出，正交解調(diào)本身能克服一定的低信噪比影響，結(jié)合多通道LMS均衡算法能將該影響進(jìn)一步降低；而非線(xiàn)性解調(diào)由于在較低信噪比下解調(diào)語(yǔ)音質(zhì)量較差，信道均衡后無(wú)明顯改善，并且通過(guò)PESQ評(píng)估在低信噪比下的性能。低信噪比下原始語(yǔ)音及解調(diào)語(yǔ)音波形、時(shí)頻圖如圖7所示。PESQ結(jié)果 (μ=0.01)如表2所示。

圖7 低信噪比下原始語(yǔ)音及解調(diào)語(yǔ)音波形、時(shí)頻圖

方法正交解調(diào)非線(xiàn)性解調(diào)正交解調(diào)+均衡非線(xiàn)性解調(diào)+均衡SNR=6.2 dB0.910.881.601.34SNR=3.2 dB0.890.701.560.98

從表2可知，在6.2 dB的原始接收信噪比下：正交解調(diào)后的語(yǔ)音信號(hào)得分為0.91，結(jié)合多通道均衡后語(yǔ)音得分提高到1.60；非線(xiàn)性解調(diào)語(yǔ)音信號(hào)得分0.88，結(jié)合多通道均衡后的語(yǔ)音信號(hào)得分為1.34。而在信噪比降低3dB后：正交解調(diào)語(yǔ)音的PESQ得分為0.89，結(jié)合多通道均衡后語(yǔ)音得分進(jìn)一步提高為1.56；與之相比，非線(xiàn)性解調(diào)語(yǔ)音得分為0.70，結(jié)合多通道均衡后語(yǔ)音得分反而降低到0.98。由此表明：多通道均衡在調(diào)頻解調(diào)語(yǔ)音質(zhì)量較好時(shí)能有效改善語(yǔ)音質(zhì)量，但如果解調(diào)語(yǔ)音音質(zhì)較差則均衡效果不佳。

因此，從PESQ評(píng)分的角度看，非線(xiàn)性解調(diào)方法雖然能克服嚴(yán)重多徑的影響，但是由于本文實(shí)驗(yàn)信道條件下信噪比均比較低，正交解調(diào)取得了更好的解調(diào)性能，而正交解調(diào)結(jié)合多通道均衡的方法對(duì)低信噪比條件下調(diào)頻語(yǔ)音有更好的處理效果，非線(xiàn)性解調(diào)結(jié)合多通道均衡則改善效果不佳。數(shù)字調(diào)制方式如OFDM系統(tǒng)在此信噪比下誤碼率明顯增加，系統(tǒng)無(wú)法正常工作[19]，由此可見(jiàn)調(diào)頻模擬調(diào)制在較低信噪比條件下具有較好效果。

為了評(píng)估LMS信道均衡算法中步長(zhǎng)因子μ的取值對(duì)性能的影響，設(shè)置不同μ值時(shí)多通道信道均衡處理獲得解調(diào)語(yǔ)音的PESQ結(jié)果如表3所示，從表3可以看出：當(dāng)μ值為0.01、0.03及0.1時(shí)，PESQ評(píng)分變化幅度很小，說(shuō)明本文方案性能在μ參數(shù)的典型取值范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)健性。

表3 不同步長(zhǎng)參數(shù)的PESQ結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)蛙人、潛器上行語(yǔ)音通信具體應(yīng)用背景，分別采用正交解調(diào)、非線(xiàn)性解調(diào)并結(jié)合多通道均衡進(jìn)行水聲調(diào)頻語(yǔ)音通信的量化性能評(píng)估、比較。海上試驗(yàn)結(jié)果表明：正交解調(diào)結(jié)合信道均衡在較低信噪比、明顯多徑條件下具有較好的語(yǔ)音通信性能，可有效改善語(yǔ)音通信質(zhì)量。