一种低功耗水下数字语音通信方法及通信系统

1.本发明涉及水声通信技术领域，尤其是一种水下语音通信方法及通信系统。


背景技术：

2.水下语音通信在海洋科考、海洋资源勘探、蛙人潜水及潜艇舰船军事训练等很多方面有着广泛的用途，但水下语音通信技术还不成熟，仍处在起步阶段。随着人类开发海洋步伐的加快，水下语音通信技术的研究日益受到人们的重视。
3.传统水下语音通信采用有线方式，接收端输出的语音失真小，具有很高的可懂度、自然度和清晰度，但这种有线方式存在活动范围小和易形成绞缆等缺点，因此应用范围受到较大的限制。采用无线通信方式可以扩大应用范围，但是在水下利用声波进行无线语音通信却是海洋技术中最困难、最富挑战性的研究课题之一，这主要是由于水声信道有限的通信带宽，及其时变和空变等特性决定的。水下无线语音通信主要有模拟单边带调制和数字调制两种方式。模拟调制的通信方式受海洋水声环境的影响很大，难以克服浅海信道中的时变多径和时变多普勒的影响，使得语音通信质量难以保证，而且系统存在尺寸大、功率利用率低和不同用户间容易串扰等缺点。
4.采用数字语音通信可以克服模拟语音通信的不足，还原出较高的语音质量。但是在水下利用声波进行数字语音通信，由于水声信道可用通信带宽受限，通信速率也较低，所以必须对语音信息进行大幅度压缩，降低传输所需的比特率，目前已有一些较成熟的语音压缩编码算法，但是压缩效果有限，压缩后对于水下通信速率的需求仍然偏高。此外，声信号质量也易受到空时变复杂海洋信道的影响，且易被敌方声纳侦察设备截获降低水下目标的生存度。而且，浅海水声的多途效应产生的长传播时延使信号展宽，造成的码间串扰降低通信的可靠性。因此，如何在水下实现低功耗、高效、可靠、隐蔽的数字语音传输成为当前亟待解决的关键技术难题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低功耗水下数字语音通信方法及通信系统。本发明针对上述问题，为了克服现有水下语音通信系统及方法的不足，旨在提供具有功耗低、效率高、可懂度高、自然度好、可靠性强、隐蔽性强、速率低的一种水声数字语音通信系统及方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括以下步骤：
7.步骤一：对输入语音信号进行melp压缩编码
8.在发射端用声码器对麦克风输入模拟语音信号x(t)，模拟语音信号x(t)经a/d进行转换，转换后的数字语音通过改进型低速率语音压缩编码算法melp进行低速率压缩编码，得到压缩后的数字语音信号a(t)，melp算法基音周期和非周期浊音段的确定是算法的关键所在；
9.步骤二：对压缩后的数字语音信号进行调制
10.将得到的压缩后的数字信号a(t)进行符号映射，采用直接序列扩频和bpsk调制得调制信号s(t)；
11.压缩后的数字信号a(t)的码元速率为ra，c(t)为伪随机序列，速率为rc，扩频过程是指将a(t)与伪随机序列c(t)的模二乘，扩展后的序列d(t)表示为：
12.d(t)＝a(t)c(t)
13.将d(t)搬移到载频上进行bpsk调制，调制后的信号s(t)表示为：
14.s(t)＝d(t)cosωct＝a(t)c(t)cosωc(t)；
15.步骤三：对调制信号采样生成pwm波后发射；
16.将调制信号s(t)与三角波t(n)采样生成pwm波，利用dsp编程产生高频三角波，使用同一采样率同时对调制信号和三角波进行采样，调制信号幅值为s(n)，三角波幅值为t(n)，比较调制信号幅值和三角波幅值的大小，若s(n)≥t(n)，输出高电平；若s(n)＜t(n)，输出低电平；
17.采样生成的pwm波再经过d/a转换、功率放大、变压器及匹配网络，最后通过水声换能器将信号转换成声波在水声信道中传播；
18.步骤四：对接收信号进行预处理；
19.步骤三发射的信号经水声信道传播后，换能器将传播的微弱声信号接收转换成电信号，电信号经过三极管前置放大、自动增益控制芯片进行agc控制、带通滤波器得到双极性模拟信号，模拟信号经过a/d转换后进行fft变换，此时经过预处理后的接收信号r(t)开始同步识别；
20.步骤五：对预处理接收信号进行解调
21.对预处理后的接收信号r(t)进行解扩和bpsk解调，得到解调信号r
′
(t)；
22.接收机收到的信号经选择放大和混频后得到有用信号si(t)、信道噪声ni(t)和干扰信号，即混频后的信号为：
23.ri(t)＝si(t)+ni(t)+ji(t)
24.接收端产生与发射端相同的伪随机序列c'(t)，用本地伪随机序列c'(t)与接收到的信号相乘进行解扩：
25.ri'(t)＝ri(t)c'(t)＝si'(t)+ni'(t)+ji'(t)
26.其中，si'(t)＝si(t)c'(t)＝a(t)c(t)c'(t)cosωc(t)＝a(t)cosωc(t)；
27.噪声分量ni'(t)为高斯带限白噪声，解调后谱密度基本不变但相对带宽改变，噪声功率降低，干扰分量ji'(t)与伪随机码不相关，谱密度降低，进入解调的干扰功率只是与信号频带相同的部分；
28.步骤六：对解调信号进行melp解码后播放
29.对步骤五处理的信号r
′
(t)进行改进型低速率语音压缩编码算法melp解码，合成数字语音信号，再通过声码器d/a转换器还原为模拟语音信号y(t)并通过耳机或扬声器进行播放；
30.激励信号的生成是melp解码关键部分，在一个基音周期内，通过idft运算获得激励信号：
31.32.其中，t是基音周期，是插值后的基音值加基音抖动强度与基音之积所得的和，m(k)(k＝1,2,...10)为插值后的傅里叶级数幅度值，满足m(t-k)＝m(k)；
33.语音合成为将激励信号通过合成滤波器，再经过增益修正、脉冲离散滤波、后滤波处理，最终得到的模拟语音信号y(t)。
34.所述步骤一中，基音周期首先定义归一化自相关函数r(τ)：
[0035][0036]
其中，x
k+m
、x
k+n
分别表示模拟语音信号x(t)经过a/d转换生成数字信号后的第k+m个、第k+n个采样点，m、n∈(0，τ)，τ取值范围为40-160，自相关r(τ)值大于等于0.6即可确定最终基音周期；
[0037]
非周期浊音段通过子带声音强度提取和量化决定，计算残差信号的峰值：
[0038][0039]
其中rn为残差信号，如果峰值a大于1.34，则第一个子带为浊音，如果峰值大于1.6，则前三个子带为浊音；
[0040]
根据生成的基音周期和确定的非周期浊音段按量化码本进行量化，生成压缩后的数字信号a(t)。
[0041]
所述步骤四中，同步识别的步骤为：采用重叠保留法对数据和m序列进行互相关运算，在同步头时采用连续17窗的重叠保留法，在数据同步时采用连续3窗的重叠保留法，计算各个窗中的最大峰值，并求出最大峰值所对应的数据起始位置，即完成同步识别；
[0042]
本发明还提供一种低功耗水下数字语音通信系统，包括电源管理模块、语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块；电源管理模块为语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块提供不同的所需供电电压，语音压缩编解码模块与信号处理及存储模块通过串口连接，信号处理及存储模块与发射与接收模块通过a/d转换、d/a转换模块连接，通信系统处于发射状态时，输入的语音信号依次通过语音压缩编码模块、信号处理及存储模块、发射模块后发射；通信系统处于接收状态时，接收信号分别通过接收模块、信号处理及存储模块、语音压缩解码模块后播放；电源管理模块从外部引入18-28v直流电压，实现对输入电压的管理。
[0043]
所述语音压缩编解码模块包括麦克风、麦克风输出信号a/d采集电路、声码器、声码器信号d/a转换器、耳机或扬声器，系统处于发射状态时，语音输入麦克风后，麦克风输出端接麦克风输出信号a/d采集的输入端，麦克风输出信号a/d采集的输出端接声码器的输入端，声码器的输出端接信号处理及存储模块dsp输入端；系统处于接收状态时，信号处理及存储模块dsp输出端接声码器信号d/a转换器输入端，声码器信号d/a转换器输出端接耳机或扬声器。
[0044]
所述信号处理及存储模块包括数字信号处理器(dsp)、串口通信芯片、数字信号d/
a转换器、模拟信号a/d转换器、flash和晶振电路，晶振电路为dsp提供时钟，flash为dsp存储系统测试的程序；系统处于发射状态时，语音编解码模块声码器的输出端通过串口通信芯片max3223输入dsp中，dsp处理后输出至数字信号d/a转换器输入端，数字信号d/a转换器输出端接发射与接收模块功率放大器输入端；系统处于接收状态时，发射与接收模块带通滤波器的输出端接模拟信号a/d转换器的输入端，模拟信号a/d转换器的输出端接dsp输入端，dsp输出端接语音编解码模块声码器信号d/a转换器输入端。
[0045]
所述发射与接收模块包括功率放大器、变压器及匹配网络、水声换能器、前级放大、自动增益控制agc和带通滤波器，系统处于发射状态时，信号处理及存储模块的数字信号d/a转换器的输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接变压器及匹配网络输入端，变压器及匹配网络输出端接水声换能器，水声换能器将信号发射至水声信道；系统处于接收状态时，水声换能器将接收信号输入三极管前级放大，前级放大输出端接自动增益控制agc输入端，自动增益控制agc输出端接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接信号处理及存储模块模拟信号a/d转换器的输入端。
[0046]
本发明的有益效果是由于采用一种低功耗水声语音通信系统及其方法，首先该系统功耗低效率高，采用低功耗设计的ap280声码器，发射端设计功率控制模块可根据需求选择系统功率，水声信号调制解调、扩频解扩、信道编码译码等处理均在一块dsp芯片中实现，电源设计采用dc-dc模块达到85％转换效率，发射端功率放大器采用转换效率高的d类功放，变压器及匹配网络实现发送信号和换能器阻抗匹配，实现最大的电声转换效率；同时系统隐蔽性强，采用低发射功率使时域上功率降低，直接序列扩频方式频谱展宽而总能量不变，使频域功率降低；此外系统可靠性高，接收端采用自动增益控制agc有效适应不同距离的通信可靠同步，直接序列扩频方式具有较强的抗多径干扰能力，能在较低通信速率下达到良好的实时语音通信效果，本发明对海洋领土保护、海洋资源开发具有深远的军事意义和经济意义。
附图说明
[0047]
图1为本发明低功耗水下数字语音通信方法原理示意框图。
[0048]
图2为本发明发送信号帧结构示意图。
[0049]
图3为本发明低功耗水下数字语音通信系统的结构框图。
[0050]
图4为本发明水池试验的语音信号波形图，其中(a)为原始语音，(b)为经过ap280声码器后通信接收机合成的语音。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0052]
本发明的低功耗水声语音通信方法的具体步骤如下：
[0053]
步骤一：对输入语音信号进行melp压缩编码
[0054]
本发明采用混合激励线性预测(melp)算法，melp算法基于传统的线性预测编码参数模型，并结合多带激励和混合激励的思想，更好模拟了自然语音特征，在低速率条件下能还原较高的语音质量。melp算法采样率为8khz，每帧时间间隔22.5ms，一帧包含180个语音采样，算法将语音分为清音、浊音、抖动浊音三个状态，清音采用白噪声作为激励信号，浊音
采用周期等于基音周期的周期脉冲序列加白噪声作为激励信号，抖动浊音则采用非周期脉冲加白噪声作为合成激励信号。因此，基音周期和非周期浊音段的确定是算法的关键所在。
[0055]
在发射端用声码器对麦克风输入模拟语音信号x(t)经a/d转换后的数字语音通过改进型低速率语音压缩编码算法melp进行低速率压缩编码，得压缩后的数字语音信号a(t)。melp算法基音周期和非周期浊音段的确定是算法的关键所在。
[0056]
基音周期首先定义归一化自相关函数r(τ)：
[0057]
其中，x
k+m
、x
k+n
分别表示模拟语音信号x(t)经过a/d转换生成数字信号后的第k+m个、第k+n个采样点，m、n∈(0，τ)，τ取值范围为40-160，自相关值大于等于0.6即可确定最终基音周期。
[0058]
非周期浊音段通过子带声音强度提取和量化决定，计算残差信号的峰值：
[0059][0060]
其中rn为残差信号，如果峰值a大于1.34，则第一个子带为浊音，如果峰值大于1.6，则前三个子带为浊音。
[0061]
根据生成的基音周期和确定的非周期浊音段，按量化码本进行量化，生成压缩后的数字信号a(t)。
[0062]
melp语音压缩编码算法的一种实施方式是采用ap280声码器。ap280是一款低码率语音编解码芯片，内置codec和语音编解码软件，无需外部存储器，可同时实现语音的压缩编码和合成；采用标准uart接口与mcu连接，可通过uart接口实现语音编码数据的读出和写入；采用lqfp48封装，支持低功耗和休眠模式。
[0063]
步骤二：对压缩后的数字语音信号进行调制
[0064]
将得到的压缩后的数字语音信号a(t)进行符号映射，采用直接序列扩频和bpsk调制得调制信号s(t)。
[0065]
压缩后的数字信号a(t)的码元速率为ra，c(t)为伪随机序列，速率为rc，扩频过程是指上是a(t)与伪随机序列c(t)的模二乘，扩展后的序列d(t)表示为：
[0066]
d(t)＝a(t)c(t)
[0067]
将d(t)搬移到载频上进行bpsk调制，调制后的信号s(t)表示为：
[0068]
s(t)＝d(t)cosωct＝a(t)c(t)cosωc(t)
[0069]
最终发射一帧数据结构的格式如图2所示。首先发射同步头，紧接着是空白间隔，之后是发射数据，帧同步信号与数据之间需要有一定保护间隔，其长度要大于信道最大时延扩展，以免帧同步信号的多径效应影响数据。使用pn码对数字语音数据进行直接序列扩频处理，直接序列扩频采用伪随机码m序列的方式在发射端对发射信号的频谱进行展宽，其中伪随机码m序列具有良好的自相关性，并与发送码元互相独立，在接收端只需要用相同的码元进行相干解扩即可还原出原来的信息码，并且当水声通信中的多径时延超过一个扩频
码长度时，信息码与原码元的相关性急剧下降，从而具有较强的抗多径干扰能力。
[0070]
步骤三：对调制信号采样生成pwm波发射
[0071]
将调制信号s(t)与三角波t(n)采样生成pwm波，利用dsp编程产生高频三角波，使用同一采样率同时对调制信号和三角波进行采样，调制信号幅值为s(n)，三角波幅值为t(n)，比较调制信号幅值和三角波幅值大小，若s(n)≥t(n)，输出高电平；若s(n)＜t(n)，输出低电平。此时形成双极性pwm波，通过d/a转换，将模拟信号输入至d类功放进行放大，d类功放理论转换率可达100％，实际效率也高于80％，是传统线性功放的2-3倍，本发明采用d类功率放大器ir2104，高端工作电压最高可达600v，对负瞬态电压具有免疫能力，开通关断延时分别是680ns和150ns。本发明设计的功率放大电路同时支持半桥驱动和全桥驱动，以便在不同通信距离要求下切换功率模式达到低功耗目的。放大后的信号到达变压器及匹配网络，其目的是增加功率放大器和换能器的功率转换增益，使用阻抗分析仪测得换能器的特性阻抗后进行匹配，调谐匹配采用三阶butterworth匹配网络，使等效负载整体趋于纯阻态，以减少功率传输过程中的无功成分，实现低功耗，变压器具有阻抗变换作用，能变换换能器的有功电阻，使系统满足最大功率传输，完成与换能器的阻值匹配。最后信号通过收发合置水声换能器发射到水声信道中传播。
[0072]
步骤四：对接收信号进行预处理
[0073]
收发合置水声换能器接收到微弱声信号，dsp判断接收到的信号大小，通过发送控制信号改变自动增益agc芯片的增益范围，使输入信号在0-5v之间，可实现不同通信距离长短自适应调制接收放大倍数保证正常可靠的唤醒，自动增益控制agc芯片选择芯片ad605arz，是一种低噪声、双通道、以db呈线性的可变增益放大器，工作电压+5v单电源，提供差分输入和单级功率控制。dsp再对输入信号进行同步判断，同步方法为：采用重叠保留法(公知方法)对数据和m序列进行互相关运算，在同步头时进行连续17窗的重叠保留法，在数据时进行连续3窗的重叠保留法，计算各个窗中的最大峰值，并求出最大峰值所对应的数据起始位置，由此找到信号起始位置。
[0074]
步骤五：对预处理接收信号进行解调
[0075]
对预处理后的接收信号r(t)进行解扩和bpsk解调，得到解调信号r
′
(t)。
[0076]
接收机收到的信号经选择放大和混频后得到以下几部分：有用信号si(t)，信道噪声ni(t)，干扰信号ji(t)等，即混频后的信号为：
[0077]ri
(t)＝si(t)+ni(t)+ji(t)
[0078]
接收端产生与发射端相同的伪随机序列c'(t)，用本地伪随机序列c'(t)与接收到的信号相乘进行解扩：
[0079]ri
'(t)＝ri(t)c'(t)＝si'(t)+ni'(t)+ji'(t)
[0080]
其中，si'(t)＝si(t)c'(t)＝a(t)c(t)c'(t)cosωc(t)＝a(t)cosωc(t)
[0081]
噪声分量ni'(t)一般为高斯带限白噪声，解调后谱密度基本不变但相对带宽改变，噪声功率降低，干扰分量ji'(t)与伪随机码不相关，谱密度降低，进入解调的干扰功率只是与信号频带相同的部分。
[0082]
步骤六：对解调信号进行melp解码后播放
[0083]
对步骤五处理的信号进行改进型低速率语音压缩编码算法melp解码，合成数字语音信号，所得的数字语音信号通过声码器d/a转换器还原为模拟语音信号并通过耳机或扬
声器进行播放。
[0084]
对接收到的语音比特，会先对接收到的码流进行解包，并对参数进行分类排序。译码时会先对含清浊信息的基音周期码字进行解码，以判断这一帧是清音还是浊音。激励信号的生成是melp解码关键部分，在一个基音周期内，通过idft运算获得激励信号：
[0085][0086]
其中，t是基音周期，是插值后的基音值加基音抖动强度与基音之积所得的和，m(k)(k＝1,2,...10)为插值后的傅里叶级数幅度值，满足m(t-k)＝m(k)。
[0087]
语音合成就是将激励信号通过合成滤波器，再经过增益修正、脉冲离散滤波、后滤波处理，最终得到的模拟语音信号y(t)。
[0088]
低功耗水下数字语音通信系统实物结构框图如图3所示，低功耗水下数字语音通信系统包括电源管理模块、语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块。电源管理模块按照需要为语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块提供不同供电电压，语音压缩编解码模块与信号处理及存储模块通过串口连接，信号处理及存储模块与发射与接收模块通过a/d转换、d/a转换模块连接。通信系统处于发射状态时，输入的语音信号分别通过语音压缩编码模块、信号处理及存储模块、发射模块后发射；通信系统处于接收状态时，接收信号分别通过接收模块、信号处理及存储模块、语音压缩解码模块后播放。
[0089]
电源管理模块从外部引入18-28v直流电压，实现对输入电压的管理；
[0090]
语音压缩编解码模块包括麦克风、麦克风输出信号a/d采集、声码器、声码器信号d/a转换器、耳机或扬声器，系统处于发射状态时，语音输入麦克风后，麦克风输出端接麦克风输出信号a/d采集的输入端，麦克风输出信号a/d采集的输出端接声码器输入端，声码器输出端接信号处理及存储模块dsp输入端；系统处于接收状态时，信号处理及存储模块dsp输出端接声码器信号d/a转换器输入端，声码器信号d/a转换器输出端接耳机或扬声器。
[0091]
信号处理及存储模块包括数字信号处理器(dsp)、串口通信芯片、数字信号d/a转换器、模拟信号a/d转换器、flash、晶振电路等，晶振电路为dsp提供时钟，flash为dsp存储系统测试的程序；系统处于发射状态时，语音编解码模块声码器的输出端通过串口通信芯片max3223输入dsp中，dsp处理后输出至数字信号d/a转换器输入端，数字信号d/a转换器输出端接发射与接收模块功率放大器输入端；系统处于接收状态时，发射与接收模块带通滤波器的输出端接模拟信号a/d转换器的输入端，模拟信号a/d转换器的输出端接dsp输入端，dsp输出端接语音编解码模块声码器信号d/a转换器输入端；
[0092]
发射与接收模块包括功率放大器、变压器及匹配网络、水声换能器、前级放大、自动增益控制agc、带通滤波器，系统处于发射状态时，信号处理及存储模块的数字信号d/a转换器输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接变压器及匹配网络输入端，变压器及匹配网络输出端接水声换能器，水声换能器将信号发射至水声信道；系统处于接收状态时，水声换能器将接收信号输入三极管前级放大，前级放大输出端接自动增益控制agc输入端，自动增益控制agc输出端接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接信号处理及存储模块模拟信号a/d转换器的输入端。
[0093]
图4为本发明在消声水池试验的语音信号波形图，主观测试表名合成的语音信号
波形拟合度较好，有很高的可懂度、清晰度和较高的自然度。

技术特征：
1.一种低功耗水下数字语音通信方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：对输入语音信号进行melp压缩编码在发射端用声码器对麦克风输入模拟语音信号x(t)，模拟语音信号x(t)经a/d进行转换，转换后的数字语音通过改进型低速率语音压缩编码算法melp进行低速率压缩编码，得到压缩后的数字语音信号a(t)；步骤二：对压缩后的数字语音信号进行调制将得到的压缩后的数字信号a(t)进行符号映射，采用直接序列扩频和bpsk调制得调制信号s(t)；压缩后的数字信号a(t)的码元速率为r
a
，c(t)为伪随机序列，速率为r
c
，扩频过程是指将a(t)与伪随机序列c(t)的模二乘，扩展后的序列d(t)表示为：d(t)＝a(t)c(t)将d(t)搬移到载频上进行bpsk调制，调制后的信号s(t)表示为：s(t)＝d(t)cosω
c
t＝a(t)c(t)cosω
c
(t)；步骤三：对调制信号采样生成pwm波后发射；将调制信号s(t)与三角波t(n)采样生成pwm波，利用dsp编程产生高频三角波，使用同一采样率同时对调制信号和三角波进行采样，调制信号幅值为s(n)，三角波幅值为t(n)，比较调制信号幅值和三角波幅值的大小，若s(n)≥t(n)，输出高电平；若s(n)＜t(n)，输出低电平；采样生成的pwm波再经过d/a转换、功率放大、变压器及匹配网络，最后通过水声换能器将信号转换成声波在水声信道中传播；步骤四：对接收信号进行预处理；步骤三发射的信号经水声信道传播后，换能器将传播的微弱声信号接收转换成电信号，电信号经过三极管前置放大、自动增益控制芯片进行agc控制、带通滤波器得到双极性模拟信号，模拟信号经过a/d转换后进行fft变换，此时经过预处理后的接收信号r(t)开始同步识别；步骤五：对预处理接收信号进行解调对预处理后的接收信号r(t)进行解扩和bpsk解调，得到解调信号r
′
(t)；接收机收到的信号经选择放大和混频后得到有用信号s
i
(t)、信道噪声n
i
(t)和干扰信号，即混频后的信号为：r
i
(t)＝s
i
(t)+n
i
(t)+j
i
(t)接收端产生与发射端相同的伪随机序列c'(t)，用本地伪随机序列c'(t)与接收到的信号相乘进行解扩：r
i
'(t)＝r
i
(t)c'(t)＝s
i
'(t)+n
i
'(t)+j
i
'(t)其中，s
i
'(t)＝s
i
(t)c'(t)＝a(t)c(t)c'(t)cosω
c
(t)＝a(t)cosω
c
(t)；噪声分量n
i
'(t)为高斯带限白噪声，解调后谱密度基本不变但相对带宽改变，噪声功率降低，干扰分量j
i
'(t)与伪随机码不相关，谱密度降低，进入解调的干扰功率只是与信号频带相同的部分；步骤六：对解调信号进行melp解码后播放对步骤五处理的信号r
′
(t)进行改进型低速率语音压缩编码算法melp解码，合成数字
语音信号，再通过声码器d/a转换器还原为模拟语音信号y(t)并通过耳机或扬声器进行播放；在一个基音周期内，通过idft运算获得激励信号：其中，t是基音周期，是插值后的基音值加基音抖动强度与基音之积所得的和，m(k)为插值后的傅里叶级数幅度值，k＝1,2,...10，满足m(t-k)＝m(k)；语音合成为将激励信号通过合成滤波器，再经过增益修正、脉冲离散滤波、后滤波处理，最终得到的模拟语音信号y(t)。2.根据权利要求1所述的低功耗水下数字语音通信方法，其特征在于：所述步骤一中，基音周期首先定义归一化自相关函数r(τ)：其中，x
k+m
、x
k+n
分别表示模拟语音信号x(t)经过a/d转换生成数字信号后的第k+m个、第k+n个采样点，m、n∈(0，τ)，τ取值范围为40-160，自相关r(τ)值大于等于0.6即可确定最终基音周期；非周期浊音段通过子带声音强度提取和量化决定，计算残差信号的峰值：其中r
n
为残差信号，如果峰值a大于1.34，则第一个子带为浊音，如果峰值大于1.6，则前三个子带为浊音；根据生成的基音周期和确定的非周期浊音段按量化码本进行量化，生成压缩后的数字信号a(t)。3.根据权利要求1所述的低功耗水下数字语音通信方法，其特征在于：所述步骤四中，同步识别的步骤为：采用重叠保留法对数据和m序列进行互相关运算，在同步头时采用连续17窗的重叠保留法，在数据同步时采用连续3窗的重叠保留法，计算各个窗中的最大峰值，并求出最大峰值所对应的数据起始位置，即完成同步识别。4.一种利用权利要求1所述低功耗水下数字语音通信系统，其特征在于：所述低功耗水下数字语音通信系统，包括电源管理模块、语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块；电源管理模块为语音压缩编解码模块、信号处理及存储模块、发射与接收模块提供不同的所需供电电压，语音压缩编解码模块与信号处理及存储模块通过串口连接，信号处理及存储模块与发射与接收模块通过a/d转换、d/a转换模块连接，通信系统处于发射状态时，输入的语音信号依次通过语音压缩编码模块、信号处理及存储模块、发射模块后发射；通信系统处于接收状态时，接收信号分别通过接收模块、信号处理及存储模块、语音压缩解码模块后播放；电源管理模块从外部引入18-28v直流电压，实现对
输入电压的管理。5.根据权利要求4所述的低功耗水下数字语音通信系统，其特征在于：所述语音压缩编解码模块包括麦克风、麦克风输出信号a/d采集电路、声码器、声码器信号d/a转换器、耳机或扬声器，系统处于发射状态时，语音输入麦克风后，麦克风输出端接麦克风输出信号a/d采集的输入端，麦克风输出信号a/d采集的输出端接声码器的输入端，声码器的输出端接信号处理及存储模块dsp输入端；系统处于接收状态时，信号处理及存储模块dsp输出端接声码器信号d/a转换器输入端，声码器信号d/a转换器输出端接耳机或扬声器。6.根据权利要求4所述的低功耗水下数字语音通信系统，其特征在于：所述信号处理及存储模块包括数字信号处理器、串口通信芯片、数字信号d/a转换器、模拟信号a/d转换器、flash和晶振电路，晶振电路为dsp提供时钟，flash为dsp存储系统测试的程序；系统处于发射状态时，语音编解码模块声码器的输出端通过串口通信芯片max3223输入dsp中，dsp处理后输出至数字信号d/a转换器输入端，数字信号d/a转换器输出端接发射与接收模块功率放大器输入端；系统处于接收状态时，发射与接收模块带通滤波器的输出端接模拟信号a/d转换器的输入端，模拟信号a/d转换器的输出端接dsp输入端，dsp输出端接语音编解码模块声码器信号d/a转换器输入端。7.根据权利要求4所述的低功耗水下数字语音通信系统，其特征在于：所述发射与接收模块包括功率放大器、变压器及匹配网络、水声换能器、前级放大、自动增益控制agc和带通滤波器，系统处于发射状态时，信号处理及存储模块的数字信号d/a转换器的输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接变压器及匹配网络输入端，变压器及匹配网络输出端接水声换能器，水声换能器将信号发射至水声信道；系统处于接收状态时，水声换能器将接收信号输入三极管前级放大，前级放大输出端接自动增益控制agc输入端，自动增益控制agc输出端接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接信号处理及存储模块模拟信号a/d转换器的输入端。

技术总结
本发明提供了一种低功耗水下数字语音通信方法及通信系统，电源管理模块提供不同的所需供电电压，语音压缩编解码模块与信号处理及存储模块通过串口连接，信号处理及存储模块与发射与接收模块通过A/D转换、D/A转换模块连接，电源管理模块从外部引入直流电压，实现对输入电压的管理。本发明功耗低效率高，实现最大的电声转换效率；同时系统隐蔽性强，采用低发射功率使时域上功率降低，直接序列扩频方式频谱展宽而总能量不变，使频域功率降低；此外系统可靠性高，直接序列扩频方式具有较强的抗多径干扰能力，能在较低通信速率下达到良好的实时语音通信效果。实时语音通信效果。实时语音通信效果。


技术研发人员：姜喆 张田园 申晓红 季赵胜 王奕成 马石磊
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8