水下语音通讯系统关键技术研究
随着海洋事业的发展，水下通信系统的重要性不断凸显，其中水下语音通信技术越来越受到人们的重视。电磁波在水中传播时衰减严重，声波是人类已知有效的能在水中远距离传播的能量形式。因此，本课题利用声波在水下传播时衰减小、吸收小的特点，设计并制作了一款适用于水下语音通信实验的，低成本、低功耗、抗干扰能力强的便携式水声语音通信装置，能够高效准确地传递语音信息，实现了小体积的实验装置之间低误码率、低功耗、低成本的实时通信。 HM000094
本系统的语音压缩编码算法采用先进多带激励压缩编码算法（AMBE），相比其他算法，它的优势是能够在保证优良的语音合成的自然度效果的前提下，实现低编码速率压缩和低波特率传输，而且它还具有良好的抗背景噪声能力。该模块的另一个作用是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。调制解调模块采用了非相干2FSK方案，具有较强的抗信道起伏能力及体积小、低成本、低功耗等特点，能保证水下长时间的有效通信。信道编码采用扩展Hamming码，大大降低了通信的误码率。本设计对MCU的性能要求很低，语音编码过程不需要计算机的协助，可实现真正意义上的便携。
关键词：水下语音通信技术；先进多带激励压缩编码算法；二进制频移键控；信道编码
1.2.2 本课题的主要工作
本设计为“水下语音通信系统关键技术研究”，旨在改进水声调制解调器，以实现更完善的功能。在本人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：
①、、选择一种高性能的A/D，实现对模拟语音的数字化；
②、选择合适的编码压缩方案，采用适当的编码速率，实现既保证声音的高质量又保证足够快的通信速率；
③、选择一款功能强大价格低廉的控制芯片，完成对编码芯片的控制和对数字信号的发送和接收工作；
④、设计一种调制解调方案，实现压缩后的声音信号变换成为适合在信道中的低误码率传输的信号。
1.3 课题子模块分解
本系统所包含的内容很多，涉及的技术领域也很广。根据涉及内容和技术领域，分为如下五个子模块。
1.3.1 语音压缩编码模块查看完整请+Q:351916072获取
信源编码是对输入信息进行编码，优化信息和压缩信息并且打成符合标准的数据包的过程。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩：作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。
1.3.2 信道编码模块
信道是信号传输的通道,大体上它可分为有线信道和无线信道两类。现在所讨论的水声信道是一个及其复杂的随机时-空-频变参无线信道，这种复杂的信道中实现信息传输不仅通信速率低，可靠性差，而且传输距离还受到数据速率的制约。因而，信道编码技术的研究是实现水声通信的基础。信道编码的目的是提高信号传输的可靠性，其基本原理是在信号码元序列中增加监督码元，并利用监督码元去发现或纠正传输中发生的错误。
水声信道的多途效应是水声通信中遇到的最大困难，由于海水的非均匀性、海底海面的反射、海洋中各种各样的散射体的存在以及声波在海水中较慢的传播速率，水声信道必然存在有多途径现象。多途传播即在声源和接收器之间不止一条传播路径，由海面与海底反射所产生的宏观多途和由海水不均匀介质形成的声波折射多途所组成。声呐系统中最难克服的水声干扰是多途效应，这种效应本质上是前向散。由于声信号在水声信道中的折射与反射，以及由于介质中无规律分布的杂乱散射体所产生的随机散射，导致在接收机输入端形成的响应。由多途径效应产生的机理可推断，在浅海域因为边界情况复杂、水中散射体多、介质分布比较不均匀等因素影响，其多途效应对水声通信的影响要比深海严重的多[6]。
1.3.3调制解调模块
所谓调制，是指按调制信号的变化规律去控制高频载波的某个参数的变化过程，以使信号波形适于信道传输。水声通信中的调制技术，主要是将待发送的信号调制成超声频率的声波进行信息传输。由于水声信道存在多种效应，如多径效应、频散效应、传播损失等，所以水声通信中常用的调制解调方式与无线电中的略有不同。解调是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的基带调制信号恢复出来。其手段分为：相干解调和非相干解调。
由于水环境的复杂多变，信号幅度起伏很严重，这会造成ASK在解调时很难设定一个合适的阈值。所以现代水声通信系统中多采用用频移键控（FSK）或相移键控(PSK)调制方式。PSK是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。FSK是利用载波的不同频率来传递数字信息，其缺陷是：需要较宽的频带宽度，频带利用率低，且要求有较高的信噪比。
1.4 关键及核心技术查看完整请+Q:351916072获取
本章的前两节的内容已介绍了课题的总体规划，通过对课题的分解和子题目的分析，结合本科毕业设计的难度和要求，加之作者所在课题组前期的总结，提炼出本系统所需要着重研究的几个关键和核心技术：
①、语音压缩编码技术。需要对比各类压缩编码技术，选取最适合的方案，为本课题的核心技术之一；
②、信道编码模块。需要对比若干个算法，综合考虑误码率、可实现性等，为本课题的关键技术之一；
③、调制解调模块。需要通过MATLAB仿真对比各种调制解调方案，选取最佳方案，为本课题的关键技术之一。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 - 1 -
1.1 水下语音通信技术现状 - 1 -
1.2 课题简介 - 2 -
1.2.1 课题来源与背景 - 2 -
1.2.2 本课题的主要工作 - 4 -
1.3 课题子模块分解 - 4 -
1.3.1 语音压缩编码模块 - 4 -
1.3.2 信道编码模块 - 4 -
1.3.3调制解调模块 - 5 -
1.4 关键及核心技术 - 5 -
第2章 水声信道编码技术的研究 - 7 -
2.1 水声信道的物理特性 - 7 -
2.1.1 强多途性 - 7 -
2.1.2 有限通信带宽 - 8 -
2.1.3 复杂性 - 9 -
2.1.4 多普勒频移 - 9 -
2.2 信道编码技术 - 10 -
2.3 本章小结 - 12 -
第3章 语音编码技术研究 - 13 -
3.1 信源编码方法的分析与比较 - 13 -
3.1.1 MELP算法的研究 - 13 -
3.1.2 MBE算法的研究 - 15 -
3.2 AMBE压缩编码的研究 - 17 -
3.2.1 AMBE-1000的基本操作 - 18 -
3.2.2 A/D、D/A芯片的控制 - 18 -
3.2.3 信道接口的选择 - 19 -
3.2.4 语音速率和前向纠错率的选择 - 23 -
3.3 压缩编码方案设计 - 24 -
3.3.1 帧输出格式 - 26 -
3.3.2 帧输入格式 - 27 -
3.3.3 非帧串口格式 - 28 -
3.4 本章小结 - 29 -
第4章 调制解调技术的研究 - 30 -
4.1 调制解调概述 - 30 -
4.2 数字调制方式的分析与比较 - 31 -
4.2.1 ASK仿真分析 - 31 -
4.2.2 FSK仿真分析 - 32 -
4.2.3 PSK仿真分析 - 32 -
4.2.4 横向分析 - 33 -
4.3 调制解调模块的设计 - 33 -
4.3.1 调制电路设计 - 34 -
4.3.2 解调电路设计 - 35 -
4.4 本章小结 - 36 -
第5章 整体设计 - 37 -
5.1 整机介绍 - 37 -
5.2 整机工作过程 - 37 -
5.3 整机测试 - 38 -
5.3.1 信号波形测试 - 38 -
5.3.2 误码率测试 - 40 -
第6章 总结与展望 - 42 -
6.1 总结 - 42 -
6.2 展望 - 42 -
参考文献 - 43 -
致 谢 - 46 -
附图、附录 - 47 -查看完整请+Q:351916072获取
本系统的语音压缩编码算法采用先进多带激励压缩编码算法（AMBE），相比其他算法，它的优势是能够在保证优良的语音合成的自然度效果的前提下，实现低编码速率压缩和低波特率传输，而且它还具有良好的抗背景噪声能力。该模块的另一个作用是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。调制解调模块采用了非相干2FSK方案，具有较强的抗信道起伏能力及体积小、低成本、低功耗等特点，能保证水下长时间的有效通信。信道编码采用扩展Hamming码，大大降低了通信的误码率。本设计对MCU的性能要求很低，语音编码过程不需要计算机的协助，可实现真正意义上的便携。
关键词：水下语音通信技术；先进多带激励压缩编码算法；二进制频移键控；信道编码
1.2.2 本课题的主要工作
本设计为“水下语音通信系统关键技术研究”，旨在改进水声调制解调器，以实现更完善的功能。在本人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：
①、、选择一种高性能的A/D，实现对模拟语音的数字化；
②、选择合适的编码压缩方案，采用适当的编码速率，实现既保证声音的高质量又保证足够快的通信速率；
③、选择一款功能强大价格低廉的控制芯片，完成对编码芯片的控制和对数字信号的发送和接收工作；
④、设计一种调制解调方案，实现压缩后的声音信号变换成为适合在信道中的低误码率传输的信号。
1.3 课题子模块分解
本系统所包含的内容很多，涉及的技术领域也很广。根据涉及内容和技术领域，分为如下五个子模块。
1.3.1 语音压缩编码模块查看完整请+Q:351916072获取
信源编码是对输入信息进行编码，优化信息和压缩信息并且打成符合标准的数据包的过程。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩：作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。
1.3.2 信道编码模块
信道是信号传输的通道,大体上它可分为有线信道和无线信道两类。现在所讨论的水声信道是一个及其复杂的随机时-空-频变参无线信道，这种复杂的信道中实现信息传输不仅通信速率低，可靠性差，而且传输距离还受到数据速率的制约。因而，信道编码技术的研究是实现水声通信的基础。信道编码的目的是提高信号传输的可靠性，其基本原理是在信号码元序列中增加监督码元，并利用监督码元去发现或纠正传输中发生的错误。
水声信道的多途效应是水声通信中遇到的最大困难，由于海水的非均匀性、海底海面的反射、海洋中各种各样的散射体的存在以及声波在海水中较慢的传播速率，水声信道必然存在有多途径现象。多途传播即在声源和接收器之间不止一条传播路径，由海面与海底反射所产生的宏观多途和由海水不均匀介质形成的声波折射多途所组成。声呐系统中最难克服的水声干扰是多途效应，这种效应本质上是前向散。由于声信号在水声信道中的折射与反射，以及由于介质中无规律分布的杂乱散射体所产生的随机散射，导致在接收机输入端形成的响应。由多途径效应产生的机理可推断，在浅海域因为边界情况复杂、水中散射体多、介质分布比较不均匀等因素影响，其多途效应对水声通信的影响要比深海严重的多[6]。
1.3.3调制解调模块
所谓调制，是指按调制信号的变化规律去控制高频载波的某个参数的变化过程，以使信号波形适于信道传输。水声通信中的调制技术，主要是将待发送的信号调制成超声频率的声波进行信息传输。由于水声信道存在多种效应，如多径效应、频散效应、传播损失等，所以水声通信中常用的调制解调方式与无线电中的略有不同。解调是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的基带调制信号恢复出来。其手段分为：相干解调和非相干解调。
由于水环境的复杂多变，信号幅度起伏很严重，这会造成ASK在解调时很难设定一个合适的阈值。所以现代水声通信系统中多采用用频移键控（FSK）或相移键控(PSK)调制方式。PSK是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。FSK是利用载波的不同频率来传递数字信息，其缺陷是：需要较宽的频带宽度，频带利用率低，且要求有较高的信噪比。
1.4 关键及核心技术查看完整请+Q:351916072获取
本章的前两节的内容已介绍了课题的总体规划，通过对课题的分解和子题目的分析，结合本科毕业设计的难度和要求，加之作者所在课题组前期的总结，提炼出本系统所需要着重研究的几个关键和核心技术：
①、语音压缩编码技术。需要对比各类压缩编码技术，选取最适合的方案，为本课题的核心技术之一；
②、信道编码模块。需要对比若干个算法，综合考虑误码率、可实现性等，为本课题的关键技术之一；
③、调制解调模块。需要通过MATLAB仿真对比各种调制解调方案，选取最佳方案，为本课题的关键技术之一。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 - 1 -
1.1 水下语音通信技术现状 - 1 -
1.2 课题简介 - 2 -
1.2.1 课题来源与背景 - 2 -
1.2.2 本课题的主要工作 - 4 -
1.3 课题子模块分解 - 4 -
1.3.1 语音压缩编码模块 - 4 -
1.3.2 信道编码模块 - 4 -
1.3.3调制解调模块 - 5 -
1.4 关键及核心技术 - 5 -
第2章 水声信道编码技术的研究 - 7 -
2.1 水声信道的物理特性 - 7 -
2.1.1 强多途性 - 7 -
2.1.2 有限通信带宽 - 8 -
2.1.3 复杂性 - 9 -
2.1.4 多普勒频移 - 9 -
2.2 信道编码技术 - 10 -
2.3 本章小结 - 12 -
第3章 语音编码技术研究 - 13 -
3.1 信源编码方法的分析与比较 - 13 -
3.1.1 MELP算法的研究 - 13 -
3.1.2 MBE算法的研究 - 15 -
3.2 AMBE压缩编码的研究 - 17 -
3.2.1 AMBE-1000的基本操作 - 18 -
3.2.2 A/D、D/A芯片的控制 - 18 -
3.2.3 信道接口的选择 - 19 -
3.2.4 语音速率和前向纠错率的选择 - 23 -
3.3 压缩编码方案设计 - 24 -
3.3.1 帧输出格式 - 26 -
3.3.2 帧输入格式 - 27 -
3.3.3 非帧串口格式 - 28 -
3.4 本章小结 - 29 -
第4章 调制解调技术的研究 - 30 -
4.1 调制解调概述 - 30 -
4.2 数字调制方式的分析与比较 - 31 -
4.2.1 ASK仿真分析 - 31 -
4.2.2 FSK仿真分析 - 32 -
4.2.3 PSK仿真分析 - 32 -
4.2.4 横向分析 - 33 -
4.3 调制解调模块的设计 - 33 -
4.3.1 调制电路设计 - 34 -
4.3.2 解调电路设计 - 35 -
4.4 本章小结 - 36 -
第5章 整体设计 - 37 -
5.1 整机介绍 - 37 -
5.2 整机工作过程 - 37 -
5.3 整机测试 - 38 -
5.3.1 信号波形测试 - 38 -
5.3.2 误码率测试 - 40 -
第6章 总结与展望 - 42 -
6.1 总结 - 42 -
6.2 展望 - 42 -
参考文献 - 43 -
致 谢 - 46 -
附图、附录 - 47 -查看完整请+Q:351916072获取
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