水声语音DPSK调制解调器的设计
水声语音DPSK调制解调器的设计[20191214192322]
摘要
水声语音实时通信的研究一直都是国内外研究的热点和重点。本课题是对该领域进行的初步摸索，制作了一种用于水下语音实时传输的系统。本文从以下几个方面讨论和实现了本通信系统。
论文首先介绍了水声语音通信的相关知识，指出了课题的特点及难点，同时论证并给出了适合水声语音通信的系统方案。然后依照调制解调器模块化方案，论文首先介绍了调制解调系统的发展现状及FPGA的相关知识。然后重点介绍了以AMBE-1000声码器为核心的AMBE语音处理单元设计过程，经测试，在满足语音通信质量的前提下，通信速率可达2400bps。此外，本文还介绍了几种常见的数字调制解调方式，重点是基于FPGA的2DPSK调制解调器设计和实现。经实验验证，其运行稳定、误码率低，能满足本系统语音信号的水下实时高效传输。
本文最后为系统测试部分，在搭建好的实验平台上，使用已量产化的小型收发一体式超声波换能器，实现了语音信号的水下实时高效传输。整个系统具有抗干扰能力强、效率高、功耗小的特点，可以为以后的深入学习和研究打下坚实的基础。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:水声语音；FPGA；2DPSK；AMBE
目录
摘要 I
目录 III
第1章 绪论 1
1.1水下通信 1
1.2课题研究背景 1
1.3面临的问题及对策 2
1.4数字调制解调技术现状和应用 3
1.4.1 二进制差分键控（2DPSK）调制解调基本原理 4
1.4.2 2DPSK信号的产生 5
1.4.3 DPSK信号的解调 6
1.5 FPGA的发展及其设计流程 7
1.6 本文主要研究结构与内容 11
第2章 水声语音通信原理 12
2.1 水声语音通信系统的模型及组成 12
2.2水声信道 13
2.2.1水声信道特性 13
2.2.2克服措施 15
2.3语音压缩编解码 15
2.3.1混合激励线性预测编解码技术（MELP） 15
2.3.2 先进多带激励（AMBE） 16
2.4 2DPSK实现语言Verilog HDL简介 16
第3章 语音采集及压缩编解码的实现 18
3.1语音压缩编解码方案选择 18
3.2方案实现 18
3.2.1编解码器AMBE-1000 18
3.2.3放大电路的设计 23
3.2.4音频功放 23
3.3语音压缩编解码的实现 24
3.4 实验数据与分析 25
第4章 DPSK方案设计及VERILOG-HDL实现 28
4.1 DPSK调制解调器的设计 28
4.1.1调制 28
4.1.2解调 28
4.2 Altera公司Quartus9.0开发平台 29
4.2.1 Quartus9.0开发平台简介 29
4.2.2 QUARTUS9.0开发流程 31
4.2.2.2 Verilog HDL代码设计 32
4.3 系统主要模块设计 34
4.3.1 2DPSK系统组成 34
4.3.2通道选择模块 34
4.3.3 时钟分频模块 35
4.3.4差分编码模块 37
4.3.5 特征码生成模块 37
4.3.6信号移位与判别 38
4.3.7模块综合 39
4.4系统测试与分析 40
4.4.1系统仿真 40
4.4.2 系统测试与分析 41
第5章 结论与展望 45
5.1 结论 45
5.2 展望 45
致谢 47
参考文献 48
第1章 绪论
1.1水下通信
水下通信按其手段通常可以分为电磁波 通信和非电磁波通信两种。电磁波在水中传播与在空气 中传播不同。由于水的电导率 和介电常数 与空气中的电导率和介电常数不同，因此其传播特性也不一样。电磁波从空气进入海水 中时，电场 的水平 分量远大于垂直分量，电场方向基本是水平的，因此传播方向是向下的。这时，在深度为H的场强E是按指数 规律 衰减的，衰减速度较快。且波长 越短，衰减越大；水的电导率越高，衰减越大。因此，电磁波在水中传播存在较大的衰减，这在很大程度上限制了传播的距离,无法完成水下通信任务。最新研究发展的蓝绿激光技术[1]已取得了相当的进展，但因其造价昂贵，且作用距离小，也不适用于广泛的水下通信。相比较看来，在我们熟悉的各种能量中，只有声波的传递效果最好，即使在非常低的频率下（200Hz以下），声波也能在海洋中传播几百公里，即使20kHz声波在水里衰减也只有2-3dB/km。正是由于声波 在海水中衰减较小的特性，可利用声波在海水中实现数十公里 甚至数百公里的通信距离，在有波导 现象存在 时，通信距离会更远[2]，这使得以声波为载体的水声通信成为水下通信的主流。因此，水声通信的应用前景非常广泛。现有的水下通信中，例如水面船只对潜艇 或潜艇之间的通信，大多采用水声通信。
1.2课题研究背景
近年来,由于军事和海洋开发的要求,人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。水声数字通信技术是当前海洋军事中最重要和关键的技术。由于水声信道的复杂性，水声通信技术成为当代最复杂的技术之一，同时，因为其巨大的社会效益，水声通信也成为当前研究的一个热门领域。最近几年，已经有研究机构开发出了低功耗、低成本的水声调制解调器，但是这些调制解调器的数据传输速度非常慢，而且受信道传递时延影响，很难达到语音实时传递的效果。所以，在尽量低的功耗下实现尽量远的信息传送距离和语音传递实时的要求，就要求水声调制解调器具有很高的效率。基于此项需求，本课题旨在设计并制作了一款低成本、低功耗并且高效率的水声调制解调器，可以广泛地应用在水下语音通信技术中。
1.3面临的问题及对策
水声通信的发展远远滞后，这是由水声信道的特殊性决定的。水具有复杂性和多变性，因此，水下环境极其复杂，水声信道异常恶劣。以下是我们所面临的问题：
首先，声波在水中传播时的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导等物理损耗，会引起声波能量的损失，并且声波吸收损失系数与声波频率的平方成正比，从本质上限制了水声通信系统的最大作用距离和最高频率，进而限制了整个通信系统的带宽。表1.1给出了水下信道不同传输距离信道的典型带宽[3]。
表1.1水下不同传输距离信道的典型带宽
一般来讲，要使传播距离达到10～100km，可用带宽在2～5 kHz的范围。中距离传输1～10 km,带宽在10 kHz量级。如果所用频带大于1000 Hz，传播距离就必须小于100km。
其次，声波在传输过程中由于多种界面(如海底、海面及生物等)反射造成的信道多径效应，易引起信号的振幅和相位的起伏，导致信号严重的畸变，进而降低了带宽利用率。
再者，由于声波的速度比电磁波的速度慢20万倍，所以，利用声波进行通信时极易引起多普勒频散，当高速数据通信时，多普勒频散会产生码间干扰，同时，降低频带效率。频带效率的降低便会导致水下通信不能够实时地进行。总之水声信道是高度时变的系统，比空气中的无线电信道要复杂的多，由此可见，水下通信面临的问题重重，其最突出的就是可供我们通信的信道带宽（又称相干带宽）很低。减轻或者解决上述问题的最有效手段就是降低信号对有限带宽的依赖，使信号带宽小于信道的相干带宽。我们知道，码元速率决定传输带宽，降低系统传输码元速率可以使系统带宽降低下来，但是一味的降低码元速率势必又会影响到传输信号的质量，即降低系统的有效性和可靠性。经过对以上问题的分析，本课题决定从软硬件两个方面来克服上述问题。在硬件方面，有必要研制一种具有体积小、低成本、低功耗的水下通信装置，以满足人类对设备便携式的要求。在软件方面，则需开发一套与水声通信带宽相适应的低速率语音编码系统以便于进行实时通信。
1.4数字调制解调技术现状和应用
数字通信在现代通信中尤其是短距离通信中发挥着越来越重要的作用，与模拟通信相比，数字通信有以下优点[4]:?
（1）抗干扰能力强，且噪声不积累；
（2）传输差错可控。
（3）便于现代数字先好处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。
（4）易于加密处理且保密性好；
（5）易于集成，使通信设备微型化，重量轻；?
数字信号的传输方式分为基带传输（baseband transmission）和带通传输（bandpass transmission）。然而大多数信道（如水声信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，所以必须用载波对调制信号进行调制，以使信号与信道特性相匹配，这一过程也成为数字调制。我们知道二进制数字调制调制信号由“0”和“1”代表的数字信号脉冲序列组成，可以利用其数字信号的离散取值通过开关键控载波，实现数字调制，所以又称为键控法。用键控对在二进制振幅调制、频率调制和相位调制又分别称为振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying， PSK）。图1-1给出了相应的信号波形示例。
（a）振幅键控 （b）频移键控 （c）相移键控
图1-1 ASK、FSK、PSK信号波形图
在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。所以PSK在数据通信传输中得到了广泛的应用。但是PSK在解调时候具有相位模糊性，导致解调过程出现“反向工作现象”，恢复出的数字信号“0”和“1”倒置，所以，为了克服此缺点，本系统采用改进型PSK，即二进制差分相移键控（2DPSK）调制解调方式。
1.4.1 二进制差分键控（2DPSK）调制解调基本原理
差分键控（Differential Phase Shift Keying,DPSK ）是一种广泛应用在数字通信系统中的调制解调方式。它采用非相干的相移键控形式，在接收机加入相干载波或相移相干载波可以实现解调，而且其相干接收机实现容易，价格便宜，所以在无线通信系统中广泛使用。
摘要
水声语音实时通信的研究一直都是国内外研究的热点和重点。本课题是对该领域进行的初步摸索，制作了一种用于水下语音实时传输的系统。本文从以下几个方面讨论和实现了本通信系统。
论文首先介绍了水声语音通信的相关知识，指出了课题的特点及难点，同时论证并给出了适合水声语音通信的系统方案。然后依照调制解调器模块化方案，论文首先介绍了调制解调系统的发展现状及FPGA的相关知识。然后重点介绍了以AMBE-1000声码器为核心的AMBE语音处理单元设计过程，经测试，在满足语音通信质量的前提下，通信速率可达2400bps。此外，本文还介绍了几种常见的数字调制解调方式，重点是基于FPGA的2DPSK调制解调器设计和实现。经实验验证，其运行稳定、误码率低，能满足本系统语音信号的水下实时高效传输。
本文最后为系统测试部分，在搭建好的实验平台上，使用已量产化的小型收发一体式超声波换能器，实现了语音信号的水下实时高效传输。整个系统具有抗干扰能力强、效率高、功耗小的特点，可以为以后的深入学习和研究打下坚实的基础。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:水声语音；FPGA；2DPSK；AMBE
目录
摘要 I
目录 III
第1章 绪论 1
1.1水下通信 1
1.2课题研究背景 1
1.3面临的问题及对策 2
1.4数字调制解调技术现状和应用 3
1.4.1 二进制差分键控（2DPSK）调制解调基本原理 4
1.4.2 2DPSK信号的产生 5
1.4.3 DPSK信号的解调 6
1.5 FPGA的发展及其设计流程 7
1.6 本文主要研究结构与内容 11
第2章 水声语音通信原理 12
2.1 水声语音通信系统的模型及组成 12
2.2水声信道 13
2.2.1水声信道特性 13
2.2.2克服措施 15
2.3语音压缩编解码 15
2.3.1混合激励线性预测编解码技术（MELP） 15
2.3.2 先进多带激励（AMBE） 16
2.4 2DPSK实现语言Verilog HDL简介 16
第3章 语音采集及压缩编解码的实现 18
3.1语音压缩编解码方案选择 18
3.2方案实现 18
3.2.1编解码器AMBE-1000 18
3.2.3放大电路的设计 23
3.2.4音频功放 23
3.3语音压缩编解码的实现 24
3.4 实验数据与分析 25
第4章 DPSK方案设计及VERILOG-HDL实现 28
4.1 DPSK调制解调器的设计 28
4.1.1调制 28
4.1.2解调 28
4.2 Altera公司Quartus9.0开发平台 29
4.2.1 Quartus9.0开发平台简介 29
4.2.2 QUARTUS9.0开发流程 31
4.2.2.2 Verilog HDL代码设计 32
4.3 系统主要模块设计 34
4.3.1 2DPSK系统组成 34
4.3.2通道选择模块 34
4.3.3 时钟分频模块 35
4.3.4差分编码模块 37
4.3.5 特征码生成模块 37
4.3.6信号移位与判别 38
4.3.7模块综合 39
4.4系统测试与分析 40
4.4.1系统仿真 40
4.4.2 系统测试与分析 41
第5章 结论与展望 45
5.1 结论 45
5.2 展望 45
致谢 47
参考文献 48
第1章 绪论
1.1水下通信
水下通信
1.2课题研究背景
近年来,由于军事和海洋开发的要求,人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。水声数字通信技术是当前海洋军事中最重要和关键的技术。由于水声信道的复杂性，水声通信技术成为当代最复杂的技术之一，同时，因为其巨大的社会效益，水声通信也成为当前研究的一个热门领域。最近几年，已经有研究机构开发出了低功耗、低成本的水声调制解调器，但是这些调制解调器的数据传输速度非常慢，而且受信道传递时延影响，很难达到语音实时传递的效果。所以，在尽量低的功耗下实现尽量远的信息传送距离和语音传递实时的要求，就要求水声调制解调器具有很高的效率。基于此项需求，本课题旨在设计并制作了一款低成本、低功耗并且高效率的水声调制解调器，可以广泛地应用在水下语音通信技术中。
1.3面临的问题及对策
水声通信的发展远远滞后，这是由水声信道的特殊性决定的。水具有复杂性和多变性，因此，水下环境极其复杂，水声信道异常恶劣。以下是我们所面临的问题：
首先，声波在水中传播时的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导等物理损耗，会引起声波能量的损失，并且声波吸收损失系数与声波频率的平方成正比，从本质上限制了水声通信系统的最大作用距离和最高频率，进而限制了整个通信系统的带宽。表1.1给出了水下信道不同传输距离信道的典型带宽[3]。
表1.1水下不同传输距离信道的典型带宽
一般来讲，要使传播距离达到10～100km，可用带宽在2～5 kHz的范围。中距离传输1～10 km,带宽在10 kHz量级。如果所用频带大于1000 Hz，传播距离就必须小于100km。
其次，声波在传输过程中由于多种界面(如海底、海面及生物等)反射造成的信道多径效应，易引起信号的振幅和相位的起伏，导致信号严重的畸变，进而降低了带宽利用率。
再者，由于声波的速度比电磁波的速度慢20万倍，所以，利用声波进行通信时极易引起多普勒频散，当高速数据通信时，多普勒频散会产生码间干扰，同时，降低频带效率。频带效率的降低便会导致水下通信不能够实时地进行。总之水声信道是高度时变的系统，比空气中的无线电信道要复杂的多，由此可见，水下通信面临的问题重重，其最突出的就是可供我们通信的信道带宽（又称相干带宽）很低。减轻或者解决上述问题的最有效手段就是降低信号对有限带宽的依赖，使信号带宽小于信道的相干带宽。我们知道，码元速率决定传输带宽，降低系统传输码元速率可以使系统带宽降低下来，但是一味的降低码元速率势必又会影响到传输信号的质量，即降低系统的有效性和可靠性。经过对以上问题的分析，本课题决定从软硬件两个方面来克服上述问题。在硬件方面，有必要研制一种具有体积小、低成本、低功耗的水下通信装置，以满足人类对设备便携式的要求。在软件方面，则需开发一套与水声通信带宽相适应的低速率语音编码系统以便于进行实时通信。
1.4数字调制解调技术现状和应用
数字通信在现代通信中尤其是短距离通信中发挥着越来越重要的作用，与模拟通信相比，数字通信有以下优点[4]:?
（1）抗干扰能力强，且噪声不积累；
（2）传输差错可控。
（3）便于现代数字先好处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。
（4）易于加密处理且保密性好；
（5）易于集成，使通信设备微型化，重量轻；?
数字信号的传输方式分为基带传输（baseband transmission）和带通传输（bandpass transmission）。然而大多数信道（如水声信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，所以必须用载波对调制信号进行调制，以使信号与信道特性相匹配，这一过程也成为数字调制。我们知道二进制数字调制调制信号由“0”和“1”代表的数字信号脉冲序列组成，可以利用其数字信号的离散取值通过开关键控载波，实现数字调制，所以又称为键控法。用键控对在二进制振幅调制、频率调制和相位调制又分别称为振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying， PSK）。图1-1给出了相应的信号波形示例。
（a）振幅键控 （b）频移键控 （c）相移键控
图1-1 ASK、FSK、PSK信号波形图
在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。所以PSK在数据通信传输中得到了广泛的应用。但是PSK在解调时候具有相位模糊性，导致解调过程出现“反向工作现象”，恢复出的数字信号“0”和“1”倒置，所以，为了克服此缺点，本系统采用改进型PSK，即二进制差分相移键控（2DPSK）调制解调方式。
1.4.1 二进制差分键控（2DPSK）调制解调基本原理
差分键控（Differential Phase Shift Keying,DPSK ）是一种广泛应用在数字通信系统中的调制解调方式。它采用非相干的相移键控形式，在接收机加入相干载波或相移相干载波可以实现解调，而且其相干接收机实现容易，价格便宜，所以在无线通信系统中广泛使用。
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