采用时间反转的调频水声语音通信方法.doc

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1、采用时间反转的调频水声语音通信方法吴燕艺，李剑汶,童峰*(厦门大学海洋与地球学院,水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005)摘要水声语音通信技术广泛应用于水下工程、海洋探测、搜救等领域，水声信道复杂时空变化特性、多径效应、强噪声等恶劣条件对水声语音通信带来了极大的挑战。调频语音通信技术具有抗干扰性能好、易于实现的特点，但在水声信道多径条件下调频体制传输的水声语音质量受到严重影响。本文在调频语音通信体制下引入时间反转处理，通过抑制多径效应聚焦能量提高信号信噪比，改善调频水声语音通信性能，并采用主观语音质量评估（Perceptualeva

2、luationofspeechquality，PESQ）方法对调频水声语音通信质量进行评估。海试实验证明，时间反转处理可有效提高调频水声语音通信性能。关键词水声语音通信；调频；时间反转；多径信道中图分类号：TN912.3文献标志码：A水声语音通信在海洋工程、军事训练、海洋开发、搜救、水下观光、潜水作业等场合有着广泛的应用。单边带水声语音通信是最早的水声语音通信手段，如美国海军水声实验室研制的水下电话[1]。但在复杂时空变化特性、强多径、强噪声等恶劣水声信道条件下，单边带调制性能受到了严重的限制。针对单边带技术的缺点，数字体制水声语音通信技术得到广泛研究。

3、法国码激励线性预测编码系统，采用四进制差分键控相移键控（4-DifferentialPhaseShiftKeying，4-DPSK）调制和最小均方算法(判决反馈均衡器)[2]；海军工程大学陈冰等采用正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术设计适用于水声信道环境的实时语音通信系统[3]；哈尔滨工程大学殷敬伟等[4]设计并实现一套时域差分OFDM水下语音通信系统，并与常规OFDM方法相比较，体现了差分OFDM技术具有的优点；厦门大学曾堃基于时频差分OFDM设计了水声语音通信系统[5]。收

4、稿日期：2015-12-05录用日期：2016-01-22基金项目：国家自然科学基金（No.11274259,11574258）*通讯作者：ftong@xmu.edu.cn但是,OFDM、正交相移键控(QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)等数字调制技术虽具有高频谱利用率、强抗干扰能力等优点，却受多普勒频移、码间干扰影响导致其符号正交性被破坏，性能严重下降，系统复杂度较高；同时，数字通信体制的语音通信都需配合声码器或语音识别器，增加了系统的复杂度，且在高误码情况下会导致语音完全损失。调频水声语音通信技术具有良好的通信效应，如调制

5、效率高、抗噪性能好等特点[6]，特别是在较低信噪比条件下可充分利用人耳的噪声抑制能力提高语音通信效果。厦门大学黄绍设计了一套调频水声语音通信系统[7]。但在多径条件下，调频体制对于多径效应的抵抗能力较弱，严重影响通信性能。在传统模拟调频调制解调过程中会产生噪声干扰，一定程度影响水声语音通信。本文考虑多径信道下的水声语音通信需求，在传统调频语音通信体制内引入时间反转技术以改善系统性能。时间反转技术可有效抑制多径效应，通过聚焦多径提升水声语音通信系统性能。目前在数字体制通信系统，为了对抗信道中的多径效应，时间反转技术在QPSK、OFDM等数字水声通信体制中得

6、到广泛研究和应用[8-9]，但在调频体制中的应用尚不多见。本文在调频水声通信中引入时间反转处理，对调频解调后的语音信号进行时间反转处理，即在语音频带内进行时间反转处理，保留了模拟调频解调体制实现简单特点的同时，利用时间反转处理改善语音质量。水声语音通信的性能评估，主要通过计算语音信噪比，从能量方面进行评估，计算方便，但未考虑语音听感，可懂度等。语音质量包括两个方面内容：清晰度和自然度。语音质量评估是一个极其复杂的问题，从评价的主体上讲可分为两大类：主观评价和客观评价。目前，国内外使用较多的主观评价方法有：平均意见分(MeanOpinionScore,MO

7、S)、音韵字可懂度测量(DiagnosticRhymeTest,DRT)和满意度测量(DiagnosticAcceptabilityMeasure,DAM)[10]。主观评价主要靠人对语音质量的感觉，但是费时费力费钱，而且灵活度不够，受人的主观影响较大。为了克服信噪比评估和语音主观评价的缺点，本文采用客观评价方法进行质量评估。PESQ方法[11]是国际电信同盟（InternationalTelecommunicationsUnion，ITU）于2001年采用感知语音质量测量（PerceptualSpeechQuality,PSQM）的感知模型和感知分析测

8、试系统（PerceptualAnalysisMeasurementSystem,