水声数字语音通信系统的设计与实现

哈尔滨工程大学

硕士学位论文

水声数字语音通信系统的设计与实现

姓名：熊省军

申请学位级别：硕士

专业：信号与信息处理

指导教师：桑恩方

20060301

水声数字语音通信系统的设计与实现

哈尔滨工程大学硕士学位论文

摘要

目前，数字语音技术己广泛应用于许多通信领域，但是在水下利用声波进行数字语音通信却是刚刚起步的新技术，这主要是由于水声信道有限的通信带宽及其时交、空变等特性所决定的。随着现代军事的发展和人类利用和开发海洋步伐的加快，水下数字语音通信技术的研究将越来越受到人们的重视。本论文对水声数字语音通信系统的设计和实现进行了研究，开发了一套水声数字语音通信系统，该系统是一套在水下无线、半双工、采用全数字技术的实时语音通信系统。

在水声信道中，由于水介质的吸收使得可利用的工作频率较低，信道带宽较窄，因而通信速率也较低。要想在水中进行数字语音通信就必须对语音信息进行大幅度压缩，降低传输所需的比特率。本论文对数字语音压缩算法进行研究，采用ＭＢＥ（多带激励语音压缩编解码算法）对原始语音进行编码，并采用带宽利用率较高的相位调制技术对压缩语音进行传输，同时结合自适应均衡等技术来有效地克服信道多途传播产生的码间干扰，利用交织技术和纠错编码技术进一步降低系统的误码率。

本论文以整个系统的软、硬件设计为主要研究对象，在综述水声语音通信系统的基础上，首先分析了水声数字语音通信中的几项关键技术，论证其可行性，并由此提出了整个系统的实现方案。在此基础上，给出系统的硬件总体框图，逐步细化各个分系统及分系统内部结构的设计问题，确定以ＤＳＰ为系统的核心处理部件，全面、具体的阐述了本系统涉及到的硬件电路设计问题。最后，详细讨论了系统的各软件模块设计并就设计和调试过程中出现的问题进行了分析。关键词：语音通信；语音压缩；多途；码间干扰；ＤＳＰ

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｄｉｇｉｔａｌｓｐｅｅｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｂｕｔｉｔｉｓｊｕｓｔａｔｂｅｇｉｎｎｉｎｇｔｏｕｓｅａｃｏｕｓｔｉｃａｌｗａｖｅｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｓｐｅｅｃｈｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｍａｉｌｌｌｙｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ．１ｉｍｉｔｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｃｈａｒｍｅｌａｎｄｉｔｓｈｉｇｈｔｅｍｐｏｒａｌａｎｄｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｍｉｌｉｔａｒｙａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｏｆｔｈｅｓｅａ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｓｇｅｔｔｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｍａｋｅｓａｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈＣａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉ出ｓｐｅｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｖｏｉｃｅｓｔｒｅａｍｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｇｏｏｄｑｕａｌｉｔｙ．

Ｓｉｎｃｅａｌｌｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｉｓｂａｎｄｗｉｄｔｈ－ｌｉｍｉｔｅｄ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｑｕａｎｔｉｚｅｄｓｐｅｅｃｈｓａｍｐｌｅｓａｔｈｉ曲ｂｉｔｒａｔｅｓｉｓｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ，ｈｅｎｃｅｓｐｅｅｃｈｓｉｇｎａｌｓｍｕｓｔｂｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｔｈｅＭＢＥａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｃｈｏｓｅｎｔｏｅｎｃｏｄｅｔｈｅｖｏｉｃｅｓｉｇｎａｌｓ．Ａｆｔｅｒｃｈａｎｎｅｌｃｏｄｉｎｇ，ａＱＰＳＫｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｔｈｅｕｓｅｆｕｌｓｉｇｎａｌ．Ｆｏｒｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒ，ａｓｃｈｅｍｅｗｈｅｒｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎａｒｅｊｏｉｎｔｌｙｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｃｈａｎｎｅｌｍｕｌｔｉｐａｔｈｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．

Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｍａｌｌｌｌｙｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｃｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｓｓｏｍｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｅｄｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｎｐｒｏｖｉｄｅｓａｓｃｈｅｍｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｌｙｚｅｓｅｖｅｒｙｓｕｂ—ｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｉｎｔｅｒｎａｌｓｔＩｕｃｔＬｌｒｅｓａｎｄｔｈｅｎｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅＤＳＰａｓｔｈｅｋｅｙｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ．ｇｉｖｅｓａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ，ｄｅｔａｉｌｅｄｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｆｏｕｎｄＩＩ

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ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｂｕｇｗｏｒｋ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓａｌｓｏｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｏｉｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；ｖｏｉｃｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｍｕｌｔｉｐａｔｈ；ＤＳＰｌｌＩ

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者（签字）：

曰硒岔≯钐。々‘年；月／Ｚ日期：

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第１章绪论

１．１引言

海洋是人类生存活动十分重要的领域。海啸的准确预警，资源开发方面的水下自动生产系统，以及与国家安全有关的多种监控与观通等，它们要求现代的通信系统是：组成陆一海一空三维空间移动互联通信网。三维移动互联通信网的组成，当前主要制约于水下通信。

通常我们往往都是通过连接电缆来实现水下通信。但有缆通信在应用中存在着很多弊端。比如，在深海、极地海域或恶劣海况下就很难开展工作，而电缆的“纠缠”问题更限制了潜器的机动灵活性，这些决定了水下通信要想摆脱这种类似“脐带”的束缚，必须向无缆的方向发展。睁Ｈ信源编码ｈ，ｐ密｝｝ｌ信道编码｝．——专Ｉ

卤一符号同步Ｉ

Ｉ信宿Ｉ刮信源解码ｌ一蒿．＿｛信道解码ｌ锻剖Ｉ数字信源ｐ

加性噪声

图１．１水声通信系统方框图

在陆地上，我们通常都是利用无线电方式进行无缆通信，但在水下，无线电波的吸收和衰减都很大，只能以极低的发射频率（３０Ｈｚ．３００Ｈｚ）、大型天线和很高的发射功率进行工作，传输距离很短，无法完成水下通信任务【１】。最新研究发展的蓝绿激光技术【２】－【４】已取得了相当的进展，但因其造价昂贵，且作用距离小，不适用于大规模、长距离地水下通信。相比较看来，在我们所熟知的各种能量形式中，只有声波在水下的传播性能为最好，这使得以声波为载体的水声通信成为水下通信的主流【５】。图１．１给出了一个完整的水声

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通信系统的方框图。

早期的水声通信技术的研究主要是出于与潜艇有关的海军需要而得以发展的，如潜艇与潜艇，潜艇与水面之间的通信。随着人类开发利用海洋活动的日益广泛深入，今天水声通信的应用范围早已不再局限于以往单纯的军用领域，而在诸多的商业民用领域中也逐渐占有了广阔的前景，如深海渔业资源监测与开发，海上钻井平台遥控，水下资源勘探，海底地貌与地震图像传输，海洋科学考察，水下机器人与运载器的导航及信息传递等等，都需要及时的在水下进行信息的收集，传递和交换，以上这些都必须借助水声通信手段来完成。

然而无论是在陆地上还是在水下，在人与人的通信方式上，尤其是在水下蛙人潜水、饱和潜水、对潜通讯、海上军事训练等场合，语音通信是人与人交流的最直接手段。人们之所以特别愿意使用语音通信的方式，这是因为：

１．语言交流是人类自幼养成的能力，不需专门的训练。

２．用语言交流信息，可以直接为对方所理解，并可迅速作出反应。

３．语言交流可以传送丰富的信息内容，甚至可以表达语言的丰富的感情色彩，也有利于互相磋商。

４．用语言交流信息，主要使用人的口和耳两个器官，而使用其它通信手段，则要使用手（按键）和眼（观察图像、文字、符号等）两个器官。在实际的水下作业中，操作人员的手和眼要做重要的观察和运行操作，因此手和耳分工的语音通信用最为合适。

目前，语音技术已广泛应用于无线通信、有线通信、卫星通信、移动通信等领域，但是在水下利用声波进行数字语音通信却是刚刚起步的新技术。随着人类开发和利用海洋步伐的加快，水下数字语音通信技术的研究将日益受到人们的重视。

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１。２水声语音通信系统综述

１．２．１水声信道的特点

水声通信的目的是通过水下声信道，将数据源发出的信息以最大可能的数据传输速率和尽可能高的可靠性发送到数据用户。水声信道是水声通信的前提条件，通信质量的好坏取决于信道的物理特性。水声信道的复杂特性是限制水声通信技术发展的主要因素。从通信的观点出发，水声信道对数据传输性能的影响主要体现在以下几个方面：

１．有限通信带宽

由于声波在传播过程中的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导等物理吸收，引起声波能量的损失。这种传播过程中的能量损失随着通信系统作用距离和工作频率的增加而增加，其中声吸收损失系数与声波频率的平方成正比【６】。这些限制了水声通信系统的最大作用距离和最高频率，进而限制了系统的通信带宽。

２．多途效应

水声信道是缓慢时变的相干多途信道，在相干时间长度内，可简化为相干多途信道，仅存在多途效应【７】。多途的形成与海洋环境和码元频率有关，其产生的机理有两种情况：在浅海信道，由于界面（海底、海面及目标）反射造成；而在深海，则主要由不同发射角的声线在传播过程中产生的弯曲造成，在某个区域，多条声线的相位达到一致，可形成会聚区。

多途传播引起信号时问扩展。在浅海，多途扩展时间可达几百毫秒，而在深海扩展时间可至几秒。在所传送的码元间隔小于多途时间扩展的情况下，水声信道的多途效应将导致水声通信系统接收端信号中出现码间干扰ＩＳＩ（ＩｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），从而引起误码，降低系统的可靠性。多途效应是水声通信系统设计中最难克服的障碍，也是限制水声通信系统性能的主要因素。

３．海洋环境噪声和本地噪声海洋环境噪声和本地噪声是水声通信的主要干扰背景，影响系统的接收

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信噪比，从而影响通信距离和可靠性。噪声和多途效应在远程和近程通信中对可靠性的影响不同：远程通信中，噪声和多途效应共同影响通信可靠性，而在近程通信中，多途效应的影响是主要的。

４．空变、时变、随机性

信道可被看为空变、时变的梳状滤波器【”，由若干子通带构成，每个子通带宽度只有几十～几百赫，其形状随时间和空间而变化。只有接收端实时感知信道的变化，才能有效的译码，所以，译码过程必需与信道的变化相匹配。信道编码也需考虑信道的空变、时变性。

５．通信的方向性

通信方向性对水声通信的影响较大，所谓方向性，是指沿水深方向通信和沿水平方向通信。由于沿水深方向易取得较理想的信道，故可获得较为理想的速率和可靠性，但只应用于特殊场合。目前关于通信收发的自适应阵处理技术得到重视，从而沿水平方向的通信也可获得较理想的信道，水平方向通信具有普遍意义。

６．多普勒效应

信道的时变、空变性，以及接收机与发射机之间的相对运动均可导致多普勒频移效应，它与收发点相对运动的速度及工作的频率成正比例关系。由于信号的多普勒频移，导致解码时系统检测能力降低，在某些情况下，为考虑多普勒容限，甚至还要降低系统的通信速率。

概括地说，水声信道是一个带宽严重受限的缓慢时变、空变相干多途信道，传输条件十分恶劣，这些给水声通信的研究带来很大的难度。

１．２．２水声语音通信系统的发展

水下语音通信技术的研究开始于第二次世界大战期间，和其他信号处理技术的发展趋势相同，也经历了从最初的模拟通信阶段到现如今的数字通信阶段的过程。１９４５年美国海军水声实验室研制的水下电话是世界上最早的水声语音通信系统，该系统主要用于潜艇之间的通信，其中使用单边带调制技术，载波频段为８—１ｌｋＨｚ，工作距离可达几公里【”。目前各国海军使用的水下电话系统多采用模拟单边带调制方式，如美国通用公司研制的ＡＮ，ｗＯＣ＿一２Ａ４

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水声通信机，具有单边带通信方式，可进行语音和低速电报工作，已大量装备于美国海军的水面舰艇、潜艇和岸站。英国研制的用于潜艇和水面舰艇的Ｇ７３２ＭＫＩＩ型舰艇水声通信机，具有语音通信和摩尔斯电报等功能，以及用于完成潜艇之间或水面舰艇之间通信的高质量语音通信的３２００型水声电话，都是采用单边带传输方式。

早期的水声语音通信系统基本上都是采用模拟的单边带调制方式，由于模拟系统的功率利用率不高，一般情况下为了在几公里的距离上进行通信，需要达到上百瓦的发射功率。随着通信技术的发展，数字通信在近２０年来得到了迅速发展，其主要原因是由于数字通信的抗干扰能力强、便于进行各种数字信号处理（如进行加密、压缩等）、易于实现集成化，其经济效益正在超过模拟通信，而且传输与交换可结合起来，传输语音与传输数据也可结合起来，成为一个统一体，有利于实现综合业务通信网。与此同时，水声通信也采用了各种数字调制方法来进行水下数字通信技术的研究，最近十年来其发展相当迅速，得到了人们的高度重视和广泛研究。表１．１列出了一些近年来世界各国研制的水声通信系统情况。

表１．１近年来研制的一些水声通信系统

研究者

（时间）

Ｆｒｅｉｔａｇ（１９９１、

Ｓｃｕｓｓｅｌ（１９９７）

Ｈｏｗｅ（１９９２）

Ｊｏｎｅ（１９９７）

Ｌａｂａｔｒ１９９４）调制方法ＦＳＫＦＳＫＤＰＳＫＤＰＳＫ数据率（ｋｂｐｓ）Ｏ．６２．４１．６２０６

２０

１．１．２．２

Ｏ．２

０．９．１．８

１．６７．６．７带宽／载波距离（ｋｍ）（ｋＨｚ）５５．１２１０／５０１０／５０３／６０２０／５００．６－２．２０．２／７２．９１０１００Ｎ／Ａ１００１０。２１０’３１００１０‘７ｌＯ’７１０４Ｎ／Ａ误码率Ｎ｝Ａ１．Ｏ４．Ｏ０．９０．５—８．０５０４．０。８．０４．０—２．０ＱＰＳＫＢＰＳＫＴａｔ：ｂｉｔ（１９９４）Ｊａｒｖｉｓ（１９９５）Ｃａｐｅｌｌａｎｏ（１９９６）Ｊａｒｂｉｓ（１９９７）Ｆｒｅｉｔａｇ（１９９８）Ｂ．ＱＰＳＫＢＰＳＫＮ，ＡＮｆＡ２，１０／３，２．５ＱＰＳＫ

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注：Ｎ／Ａ表示在发表的文献中没有给出。

与水声数字通信的快速发展相适应的是数字语音信号处理技术的发展，各种语音编码算法的出现，为水下数字语音通信提供了基础。目前水下数字语音传输系统中有代表性的是法国研制的ＣＥＬＰ实验系统，水池试验传输率为６ｋｂｉｔ／ｓ，采用的调制方法为４－ＤＰＳＫ，利用ＬＭＳ判决反馈均衡器。另外具有代表性的水下数字语音系统是英国拉夫堡大学研制的“话音通信系统”，采用ＤＰＰＭ（ＤｉｇｉｔａｌＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）实现语音通信［８】，其通信速率为２．４ｋｂｉｔ／ｓ。

目前，随着人类开发利用海洋和现代军事工程的需要，蛙人或潜水员在很多水下作业中都有重要的作用。虽然当前的智能机器人技术发展迅速，智能机器人能够代替蛙人执行一些水下任务，但是机器人的智能程度及其灵活性总是有限的，而且造价昂贵。在一些具体的应用场合，只有人类才能审时度势，根据具体的环境和现实情况，采取灵活机动的方法来很好地完成水下作业。

蛙人或潜水员在执行水下任务时又需要与水面舰船或潜艇或岸站上的人员之间进行联络和协商，这时最方便的联络方式就是使用语音通信，简便的麦克与耳机对蛙人的行动束缚很小，可以在不影响其工作的情况下进行通信。然而水下潜水人员或蛙人在水下活动的特点决定了其整个语音通信系统必须具有体积小、重量轻、能源消耗小、携带方便、实时性好等特点，这就使得在进行系统设计时必须考虑以下几个问题：

１．信源编码。为了在水声信道中实时传输数字语音信号，必须对语音信号进行大幅度的压缩编码，编码后的语音信号与其他形式的数据具有相同的形式，可以毫不区分地在信道上进行传输。但语音压缩编码算法需要硬件实现简单易行，而且要具有较好的语音质量，较高的可懂度和一定的抗干扰能力。

２．信道编码。可以根据实际情况，在满足传输速率要求的条件下采用适当的纠错编码技术和交织技术来减少通信的误码率。

３．信道估计。潜水员或蛙人的工作地域一般在港湾附近，属浅海信道，多途影响可能会比较大，因此必须采用适当的自适应均衡技术对信道进行估计来抑制多途引起的信号扩展。６

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４．水下数字语音通信根据传输距离的不同可采用不同的工作方式。由于声波在水介质中的传播速度较慢，声速大概为１５００米／秒，例如作用距离为１５００米，语音传输延迟就将达到１秒，所以在近距离（一般在３００米以内）可使用全双工通信方式；在中等距离（３００米．２０００米）上可采用半双工的工作方式，在通信过程中将通话与收话的时间段严格分开，在发话结束时加上“完毕”的标志。

１．３数字信号处理器（ＤＳＰ）概述

数字信号处理由于其精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等优点，正得到迅速发展和广泛应用【９】【ｌｏｌ。数字信号处理器（ＤＳＰ）正是适应这种需要出现的，并处于蓬勃发展之中，这反过来又为数字信号处理技术的迅猛发展提供了动力。数字信号处理是５０年代末发展起来的一门现代信号处理技术，它具备自身的特点，而且强调处理的实时性【Ｉ”。这样，ＤＳＰ不仅具有高速运算和控制能力，而且根据实时数字信号处理的特点，在处理器结构、指令系统、指令流程上都做了很大的改动，具体的说，有以下几个方面１１２】【１３］：

●普遍采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或改进的哈佛结

构，比冯 诺依曼结构有更高的指令执行速度；

大多采用流水线技术，减少每条指令的执行时间；

片内有多条总线，并且提供方便的寻址方式，大大提高了指令的执

行效率；

提供高速的寻址方式，如循环寻址、位反寻址等；

针对数字信号处理中大量用到的乘累加操作的特点，配有独立的硬

件乘法器和加法器，可在一个指令周期内完成乘累加运算；

片内集成ＤＭＡ控制器和串行通信口等，提高了数据的搬移能力；

●具有软、硬件等待功能，可方便的与各种存储器接口；

●单片系统，功耗低，易于小型化和便携式设计。

因此，ＤＳＰ较通用微处理器具有高得多的运算速度，重要的是可以完成数据的实时处理。随着性能的迅速提高和成本的大幅度下降，ＤＳＰ的应用范围不断扩大，其应用几乎遍及整个电子领域。

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８０年代初，ＮＥＣ公司的１１ＰＤ７７２０、Ｂｅｌｌ研究所的ＤＳＰ２０和后来ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０１０是早期ＤＳＰ的典型代表，它们在数字信号处理中展示了独特的优点，从此ＤＳＰ进入高速发展的阶段。ＤＳＰ的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是以ＴＭＳ３２０Ｃ１０／ｃ２ｘ为代表的１６位定点ＤＳＰ，它们的指令周期只有ｌＯＯｎｓ～２００ｎｓ，但它们现在仍在广泛使用［２１。它们的升级替代品是更为先进的ＡＤＳＰ２１ＸＸ（ＡＤ公司）、ＴＭｓ３２０ｃ２５／ｃ５ｘ／ｃ２ｘｘ／ｃ５４ｘ等型号【３】【５５】【５６】［６３１，运算能力可达上百ＭＩＰＳ（每秒百万次指令数）；ＴＩ公司正在推出的ＴＭＳ３２０Ｃ５５Ｘ［５２】［５３ｌ，提供了相当于目前ＤＳＰ六分之一的功耗和五倍的性能。第二阶段推出的是３２位浮点ＤＳＰ，目前代表产品有ＡＤＳＰ２１０２０、ＴＭＳ３２０Ｃ３Ｘ等型号，运算能力大大提高，适用于数据动态范围很大的场合。近几年出现了性能更高的第三代ＤＳＰ，包括并行ＤＳＰ和超高性能ＤＳＰ，如ＴＭＳ３２０Ｃ４Ｘ、ＡＤＳＰ２１０６Ｘ和１９９７年ＴＩ推出的Ｃ６ＸＤＳＰ（Ｃ６２Ｘ－－３２位定点ＤＳＰ和Ｃ６７ｘ一３２位浮点ＤＳＰ）。

这里，首先将几种目前比较流行的ＤＳＰ（定点和浮点）作一对比，解释选用定点ＤＳＰ的一般理由：

表１．２几种流行ＤＳＰ的性能比较

比较项目

体系结构

运算能力

指令字长

存储器

ＤＭＡ通道

串口

５０Ｍｂｉｔ／ｓ８３．４Ｍｂｉｔ／ｓ

ＨＰＩ一１６８３．４Ｍｂｉｔ／ｓＨＰＩ－１６４０Ｍｂｉｔ／ｓＬＩＮＫ－３２

５ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ＴＭＳ３２０Ｃ６２０ｌＶｅｌＯＣｉＴｌＴＭＳ３２０Ｃ６７０１ＶｅｌｏｃｉＴＩＡＤＳＰ－２１０６０先进的改进哈佛结构ＩＯＯＭＩＰＳ１６超级哈佛结构１２０ＭＦＬＯＰＳ４８４Ｍｂｉｔ超长指令字１６００ＭＩＰＳ３２１Ｍｂｉｔ４＋ｌ（ＨＰＩ口）超长指令字１ＧＦＬＯＰＳ＋＋８×３２１Ｍｂｉｔ２５６Ｋｂｉｔ６个２个４＋１（ＨＰＩ口）ｌＯ个２个２个２个并口电压（ｖ）

功耗

价格”ＨＰＩ一８１．８／３．３＜７０ｍＷ２．５／３．３＜５．５Ｗ１．８／３．３＜４．５Ｗ＞３Ｗ￥５．６６￥８２．７５￥１００￥３０００

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＊ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２片内有软件锁相环，通过将外部时钟倍频得到ＣＰＵ时钟；％￥１ＧＦＬＯＰｓ一每秒１Ｇ条浮点指令：

｝料价格以１Ｋ量为准。

下面比较几种定点ＤＳＰ的性能，给出选用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的理由【５５】【５６】

表１．３几种定点ＤＳＰ的性能比较

比较项目ＴＭＳ３２０Ｃ２０６ＴＭＳ３２０Ｃ５０ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ＡＤＳＰ一２１８３体系结构改进先进的改进先进的改进

哈佛结构哈佛结构哈佛结构

时钟（ＭＨｚ）２０２０１００４０

运算能力２０ＭＩＰＳ２０ＭＩＰＳ１００ＭＩＰＳ４０ＭＦＬＯＰＳ存储器ｌＯＫｗｏｒｄ１６Ｋｗｏｒｄ８０ｋＢ

ＤＭＡ通道无１个６个１个

串口同步、异步同步、ＴＤＭ２个ＭｃＢＳＰ２个ＢＳＰ

并口无ＨＰＩＨＰＩ一８无

电压（Ｖ）５５１．８／３．３３．３

功耗＞２５０ｍＷ＜７０ｍＷ１２０ｍＷ

价格（￥）９．９３５．６６

与ＴＩ公司相比，ＡＤ公司的ＤＳＰ芯片有自己的特点，如系统时钟一般不经过分频直接使用，串行口带有硬件压扩，可从８位ＥＰＲＯＭ引导程序，可编程等待状态发生器等。其ＤＳＰ也有定点和浮点之分，ＡＤＳＰ一２１ＸＸ系列为定点ＤＳＰ芯片，ＡＤＳＰ一２ｉＸＸＸ为浮点ＤＳＰ芯片。ＴＩ公司的新一代ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ系列几乎有相同的特点，但却有较好的性价比，所以ＡＤ公司的定点ＤＳＰ芯片用的比较少。ＡＤ公司的浮点ＤＳＰ尤以ＡＤＳＰ一２１０６Ｘ（ＳＨＡＲＣ）系列最为出色，支持多处理器互连，具有很强的并行处理能力。

目前国内外应用最广泛的定点ＤＳＰ是ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ系列，它以极高的性能价格比（如ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ＤＳＰ具有ＩＯＯＭＩＰＳ的性能，售价仅５美元）和极低的功耗，在便携产品、无线通信、网络、工业和电信系统等方面得到广泛应用。目前，ＴＭＳ３２０Ｃ５４ＸＤＳＰ已应用于世界上近三分之二的数字式手机中。另外值得一提的是，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２ＤＳＰ的销售量已突破一百万片９

水声数字语音通信系统的设计与实现

哈尔滨工程大学硕士学位论文

大关，也充分说明了它的性能和价格有极大的优势。本系统采用的ＤＳＰ正是来自ＴＭＳ３２０Ｃ５０００家族的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。

１．４论文的主要研究内容

本论文的主要任务是设计一套水声数字语音通信系统，用于实现水下高质量的语音通信。在对整个系统进行理论论证的基础上，主要以整个系统的软、硬件设计为研究对象，独立完成了系统硬件的设计、调试，并完成了系统中相关软件设计和编程工作。

本论文的第一章从水声数字语音通信系统的研制意义出发，主要介绍了国际、国内在水下语音通信技术方面的研制发展状况，并指出了在语音通信系统设计所要考虑的问题，最后对几种目前应用比较广泛的ＤＳＰ的性能作了简要对比。

第二章从总体上对水声数字语音通信系统设计作了论述。对水声数字语音通信系统中的关键技术进行了分析，并在此基础上，设计并论证了整个系统的实现方案。

第三章在前一章设计的整体结构框图的基础上，细化各个分系统及分系统内部结构的设计问题，全面、具体的阐述了本系统涉及到的硬件电路设计问题。主要包括数字电路部分和模拟电路部分。对于目前集成度越来越高的数字芯片，数字电路的设计主要表现为芯片间的接口设计问题。而模拟电路部分则着重讲述了接收机平台的电路设计。

第四章介绍了系统的软件设计过程，主要阐述系统收发程序的设计及均衡、同步检测、交织等软件模块设计，并结合湖试对系统实现过程中出现的问题进行了讨论。１０

水声数字语音通信系统的设计与实现

哈尔滨工程大学硕士学位论文

第２章水下数字语音通信系统实现方案

无论是在陆地上还是在水下，在人与人的通信方式上，语音通信是最直接的通信手段。早期的水下语音通信系统大都采用模拟单边带调制技术，由于模拟系统的功率利用率不高。另外，虽然单边带调制是节省传输频带的调制方式，但实现起来比较困难，要获得单边带信号，必须有陡峭频率特性的发送边带滤波器，技术难度较大。

近年来，随着数字通信技术的不断发展，出现了相移键控（ＰｓＫ）、多相键控（ＭＰＳＫ）、差分相移键控（ＤＰＳＫ）等新技术，使得可实现的水声通信速率不断得到提高，而且由于自适应均衡等技术的发展，可以在一定程度上降低信道传输的误码率。与数字通信的快速发展相适应的是语音数字信号处理技术的发展，各种低码率语音压缩编码技术得到广泛研究，这些都为实现水下数字语音通信奠定了良好的基础。

因此，本章将着重阐述水下数字语音通信系统的设计过程，在对各部分功能模块分析的基础上，从整体上给出系统的硬件设计框图。

２．１系统指标及总体结构

２．１．１系统技术指标

在数字通信系统中，通常用传输速率和误码率这两个指标来衡量通信质量的好坏。由香农（Ｓｈａｎｎｏｎ）定理可知，传输速率与误码率本身就是一对矛盾，二者在一定条件下是可以相互转化的。我们通常所说的保证水声通信的质量，就是在保持高数据率的前提下，尽量降低传输的误码率。在这里，我们提出系统的指标如下：

●峰值传输速率：８ｋｂｉｔｓ／ｓ

●平均传输速率：４ｋｂｉｔｓ／ｓ●传输距离：小于１０００米