技术领域
[0001] 本实用新型涉及水声通信领域，特别是一种动态分配频谱的水下多用户语音通信装置。
相关背景技术
[0002] 水下语音通信是水声通信中的重要课题，在水下蛙人潜水、对潜通讯、饱和潜水、海上军事训练、海洋科考、水下作业、水下观光旅游、海洋资源勘探等许多领域中有着广泛的用途。随着人类在水下活动的增加，对水下语音通信技术的需求也从传统的点对点语音通信更多地转到多用户、网络化的语音通信上。由于水声信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、有限频带、长时延、大多普勒频移、强多途干扰和高噪声的信道，是自然界处理难度最大的无线通信信道之一，使得组建水下的多用户语音通信系统成为一件极具挑战性的工作，不但需要解决水下点对点两个用户之间的语音通信，同时还需要考虑多个用户在共享水介质信道时语音信息如何高效地交互。目前对水下语音通信的研究主要集中在如何提高水下数据的传输速率，降低传输的错误率，使其能满足数字语音传输的要求等点对点语音传输技术上，对多用户的水下语音传输则主要采用简单的固定频谱分配方式，例如CDMA等。由于在固定分配频谱的方式中，各信道为不同的用户所独占，即使在某用户不通信的情况下也不允许其他用户接入，因此在水下多用户语音通信中具有较大的局限，主要有：（1）由于水声信道中可用频带很窄，频谱资源匮乏，因此采用固定频谱分配方式的水下多用户语音通信系统容量小，所能支持的同时进行语音通信的用户数少，难以满足未来人类水下活动的需要；（2）在人类的对话中，没有说话声的静音段通常占有很大的比例，在语音编码技术中，这些静音段可以被检测出来，并以极低的码率进行编码传输，固定分配频谱的方式无法利用这些空余的频谱资源，降低了频谱的利用效率；（3）相对于活动语音段，静音段对听觉的重要性要低得多，丢包时通过插值等方法对其进行恢复对语音可懂度的影响不大，因此在系统负载重的时候，可以通过丢弃一些静音帧数据来空余出频谱资源给活动语音段数据使用，而固定分配频谱的方式无法利用听觉上的这种特性。因此，有必要采用更高效的信道分配技术来提高水下多用户通信系统的频谱利用效率，进一步提高系统所能支持的通话用户数量。实用新型内容
[0003] 针对现有固定分配频谱的水下多用户语音通信系统的不足，本实用新型提供了一种动态分配频谱的水下多用户语音通信方法及装置。本实用新型可以有效地提高水下多用户语音通信系统的频谱利用效率，增加系统所能支持的通话用户数量，有效地传输语音信息，可以广泛地用于蛙人潜水、对潜通讯、饱和潜水、海上军事训练、海洋科考、水下作业、水下观光旅游、海洋资源勘探等多个领域中。
[0004] 本实用新型提供的动态分配频谱的水下多用户语音通信方法，首先将可用的频谱资源划分为多条信道，每条信道至少可以传输一路活动语音，各用户可以动态地利用当前可用的频谱资源优先传输活动语音数据，在负载重（可以预设值）的时候通过减少静音数据的传输来为活动语音提供额外的频谱资源，以保证重要语音信息的传输，具体技术方案如下。
[0005] 本实用新型提供的动态分配频谱的水下多用户语音通信装置包括水下多信道发射模块、多信道调制模块、速率和时延调整模块、语音编码模块、语音采集模块、语音播放模块、语音解码模块、去抖动模块、多信道解调模块、水下多信道接收模块、信道检测模块和信道接入控制模块，其中水下多信道发射模块、多信道调制模块、速率和时延调整模块、语音编码模块、语音采集模块顺次连接，语音播放模块、语音解码模块、去抖动模块、多信道解调模块、水下多信道接收模块顺次连接，信道检测模块与多信道解调模块、信道接入控制模块连接，信道接入控制模块与信道检测模块、多信道调制模块、多信道解调模块、速率和时延调整模块、语音编码模块连接。
[0006] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信装置中：
[0007] 水下多信道发射模块用以在多条信道上发射水声通信信号，包括顺次连接的宽带水声发射换能器和功率放大器。
[0008] 多信道调制模块用于将要发射的语音或信令数据调制到指定信道上，包括顺次连接的D/A转换器和数字调制器，其中D/A转换器与水下多信道发射模块连接，数字调制器与速率和时延调整模块、信道接入控制模块连接。
[0009] 速率和时延调整模块用于调整语音数据发送的速率和时延，包括相互连接的延时存储器、延时计数器、数据发送控制器，延迟存储器与多信道调制模块、语音编码模块连接；数据发送控制器与信道接入控制模块连接。
[0010] 语音编码模块和语音解码模块采用具有活动语音检测功能的低速率语音编码器；去抖动模块采用存储器。
[0011] 多信道解调模块用于解调指定信道中接收到的语音数据，包括顺次连接的A/D转换器和数字解调制器，其中A/D转换器与水下多信道接收模块、信道检测模块连接，数字解调器与去抖动模块、信道接入控制模块连接。
[0012] 水下多信道接收模块用以接收多条信道上的水声通信信号，包括顺次连接的宽带水声接收换能器和信号放大器。
[0013] 信道检测模块用以检测当前多个信道的使用状态，采用微处理器实现；信道接入控制模块用于控制通话双方建立通话连接，并根据信道检测模块的信道检测结果和语音编码器检测到的当前语音活动状态，控制多信道调制模块和多信道解调模块对特定信道的信号进行调制和解调，采用微处理器来实现。所述语音采集模块采用麦克风，语音播放模块采用耳机。
[0014] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信方法中，某用户发送语音数据时，采用以下步骤：
[0015] 步骤1.1：对当前的语音帧进行压缩编码，检测前一帧语音和当前一帧语音的类型，如果前一帧和当前帧均为静音帧，则转步骤1.3；如果前一帧和当前帧均为活动语音帧，则转步骤1.4；如果前一帧为静音帧、当前帧为活动语音帧，则转步骤1.5。
[0016] 步骤1.2：检测当前是否存在空闲信道或传输静音数据的信道，如果有则选择一条空闲信道或传输静音数据的信道发送当前的静音帧数据，否则则丢弃当前静音帧数据，转步骤1.6；
[0017] 步骤1.3：检测上一帧静音数据传输的信道上是否存在阻塞信号，如果没有则继续在这条信道上发送当前静音帧数据，转步骤1.6；如果有，则转步骤1.2；
[0018] 步骤1.4：继续在上一帧活动语音数据传输的信道上发送当前的活动语音帧数据，转步骤1.6；
[0019] 步骤1.5：检测当前是否存在空闲信道，如果有则选择一条空闲信道传输当前的活动语音帧数据；如果当前没有空闲信道，则检测当前是否存在传输静音数据的信道，如果有，则选择一条正在传输静音数据的信道发送阻塞信息，然后使用该信道发送当前的活动语音帧；如果当前既没有空闲信道也没有传输静音数据的信道，则丢弃当前的活动语音帧数据。
[0020] 步骤1.6：如果通话未结束，转步骤1.1，否则则结束语音数据的发送。
[0021] 某用户接收语音数据时，采用以下步骤：
[0022] 步骤2.1：检测所有信道，如果有发送给本用户的语音数据，则接收并按其中时间标签的顺序保存在缓冲区中，否则则继续检测信道。
[0023] 步骤2.2：按时间标签对语音数据进行解码，如果某帧语音数据丢失或到达时间延迟超过预定值，则采用丢包掩盖的方法来合成该帧对应的语音。
[0024] 步骤2.3：如果通话未结束，转步骤2.1，否则则结束语音数据的接收。
[0025] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信方法中，用户节点在通话前设置并初始化延时计数器和延时缓冲区，当在传输活动语音时遇到既没有空闲信道也没有传输静音数据的信道的情况时，采用以下方法发送活动语音数据：
[0026] 步骤3.1：暂停语音数据的发送，检查延时计数器，如果计数值未超过预设值，则将当前的活动语音帧数据存放到延时缓冲区中并计数，否则则丢弃最早存放在延时缓冲区中的活动语音帧数据，然后将当前的活动语音帧数据存放到延时缓冲区中；重复上述过程并丢弃遇到的静音帧数据，直到出现空闲信道或传输静音数据的信道为止；
[0027] 步骤3.2：出现空闲信道或传输静音数据的信道后，如果延时缓冲区中还存在着未发送的活动语音数据，则当当前语音帧为活动语音时，将当前的活动语音帧数据存入延迟缓冲区中，并发送最先进入延迟缓冲区的活动语音数据；当当前语音帧为静音时，则丢弃当前静音数据，发送最先进入延迟缓冲区的活动语音数据；重复上述过程直到延迟缓冲区中的活动语音数据发送完毕。
[0028] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信方法中，静音帧数据优先挑选空闲信道进行传输，如果当前没有空闲信道，则优先挑选负载最轻的传输静音数据的信道进行传输。当检测到当前信道负载较重（预设值）时，主动丢弃部分静音帧数据。
[0029] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信方法中，通话双方通过公用的信令信道建立通话连接，方法如下：发起通话的源节点通过公用的信令信道向目标节点发送请求通话信令，并等待目标节点的同意通话信令，如果在预设的时间内收到目标节点的同意通话信令，则开始传送语音，否则本次通话连接建立失败，停止通话；目标节点在公用的信令信道上接收到源节点的请求通话信令后，如果接受通话请求，则向源节点发送同意通话信令，然后监测语音信道上的数据，如果在预设的时间内接收到源节点发送的语音数据，则开始发送本节点的语音数据，否则则本次通话连接建立失败，停止通话。
[0030] 上述动态分配频谱的水下多路语音传输方法中，通话双方通过公用的信令信道断开通话连接，方法如下：发起通话的源节点通过公用的信令信道向目标节点发送通话结束信令，并停止发送语音数据；目标节点在公用的信令信道上接收到源节点的通话结束信令，则停止发送语音数据。
[0031] 上述动态分配频谱的水下多用户语音通信方法中，数据包中语音的类型（活动语音或静音）和目标节点标识采用确知的波形信号表示，接收端采用匹配滤波器进行检测。
[0032] 与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：
[0033] （1）现有的水下多用户语音通信系统中较多地采用固定分配频谱的方式，各信道为不同的用户所独占，即使在某用户不通信的情况下也不允许其他用户接入，造成了频谱资源的浪费。本实用新型采用动态分配频谱的方法来传输多路语音信号，用户不通信时可以将所占的频谱资源释放出来给其他用户使用，与现有技术相比能更有效地利用空闲的频谱资源，增加系统所能支持的用户数量；
[0034] （2）在现有的水下多用户语音通信系统中，尽管静音帧所需传输的数据量很少，但由于固定分配频谱及静音数据发送周期短、水下信息传输时延长等因素，其他用户难以发现并利用其空余下来的频谱资源。本实用新型将多个用户的静音数据集中到数个信道进行传输，一方面可以提高静音段数据的传输效率，另一方面可以使静音时用户释放出来的空余频谱资源时间上更连续，更容易被检测和利用，从而能显著提高水下语音传输的频谱利用率；
[0035] （3）由于静音段对听觉的重要性要低得多，本实用新型在系统负载重的时候采用优先传输活动语音数据，丢弃一些静音帧数据以空余出频谱资源给活动语音数据使用的方法，充分地利用了人类听觉上的特性，增加系统所能支持的同时进行语音通信的用户数量。通过丢包补偿等手段对丢失的静音帧数据进行掩盖，可以减少静音帧丢失对语音质量的影响。自动延时调整技术则可以最大限度地保证系统在重负载时语音中有效信息的传输。
具体实施方式
[0040] 下面将结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行进一步的说明：
[0041] 本实用新型的一个较佳实施例为一多用户的近距离水下语音对讲系统，每个用户可以选择跟系统中的其他任意用户进行通话。系统中没有中心节点，用户节点间采用全连通的网络结构进行连接。
[0042] 每个用户节点的硬件结构如图1所示，由水下多信道发射模块、多信道调制模块、速率和时延调整模块、语音编码模块、语音采集模块、语音播放模块、语音解码模块、去抖动模块、多信道解调模块、水下多信道接收模块、信道检测模块、信道接入控制模块构成，其中水下多信道发射模块、多信道调制模块、速率和时延调整模块、语音编码模块、语音采集模块顺次连接，语音播放模块、语音解码模块、去抖动模块、多信道解调模块、水下多信道接收模块顺次连接，信道检测模块与多信道解调模块、信道接入控制模块连接，信道接入控制模块与信道检测模块、多信道调制模块、多信道解调模块、速率和时延调整模块、语音编码模块连接。
[0043] 水下多信道发射模块用以在多条信道上发射水声通信信号，由顺次连接的宽带水声发射换能器和功率放大器来实现。
[0044] 多信道调制模块用于将要发射的语音或信令数据调制到指定信道上，由顺次连接的D/A转换器和数字调制器来实现，其中D/A转换器与水下多信道发射模块连接，数字调制器与速率和时延调整模块、信道接入控制模块连接，数字调制器在信道接入控制模块的控制下将速率和时延调整模块中的语音数据用数字的方法调制到指定信道，然后通过D/A转换器转换为模拟信号交由水下多信道发射模块进行发送。
[0045] 速率和时延调整模块用于调整语音数据发送的速率和时延，以便在必要的时候延迟发送数据或丢弃数据，由相互连接的延时存储器、延时计数器、数据发送控制器来实现，延迟存储器与多信道调制模块、语音编码模块连接，用于存储延迟播放的活动语音数据；延迟计数器用于对延迟存储器中存放的活动语音数据包进行计数；数据发送控制器与信道接入控制模块连接，根据信道接入控制模块的指令，利用延时计数器来控制延时存储器中数据的接收、发送和丢弃。
[0046] 语音编码模块和语音解码模块用于对输入输出的语音进行编解码，采用具有活动语音检测功能的低速率语音编码器来实现，例如G723.1、MELP、PWI等。
[0047] 语音采集模块采用麦克风来实现，语音播放模块采用耳机来实现。
[0048] 去抖动模块采用存储器来实现，按数据包中时间标签的顺序存放接收到的语音数据，消除接收语音的时延抖动。
[0049] 多信道解调模块用于解调指定信道中接收到的语音数据，由顺次连接的A/D转换器和数字解调制器来实现，其中A/D转换器与水下多信道接收模块、信道检测模块连接，数字解调器与去抖动模块、信道接入控制模块连接，A/D转换器对水下多信道接收模块接收到的信号进行采样和模数转换，数字解调器在信道接入控制模块的控制下解调并接收指定信道中的语音数据，传送到去抖动模块。
[0050] 水下多信道接收模块用以接收多条信道上的水声通信信号，由顺次连接的宽带水声接收换能器和信号放大器来实现。
[0051] 信道检测模块用以检测当前多个信道的使用状态，用微处理器来实现。
[0052] 信道接入控制模块用于控制通话双方建立通话连接，并根据信道检测模块的信道检测结果和语音编码器检测到的当前语音活动状态，控制多信道调制模块和多信道解调模块对特定信道的信号进行调制和解调，用微处理器来实现。
[0053] 上述实施例中，整个通信频段采用频分复用的方法分为7个信道，包括1条公用信令信道和6条语音信道，每条语音信道能满足一路活动语音的传输。当采用传统的固定分配信道的通信方式时，只能支持3个用户的双向通话，采用本实用新型则可以更有效地利用有限的频谱资源，支持超过3个的用户同时通话使用。
[0054] 当某用户想跟系统中的另一用户进行通话时，通过控制面板上的按键进行拨号，并通过两个用户节点中的信道接入控制模块来控制建立通话连接，具体方法如下：发起通话的源节点通过公用的信令信道向目标节点发送请求通话信令，并等待目标节点的同意通话信令。如果在预设的时间内收到目标节点的同意通话信令，则开始传送语音，否则本次通话连接建立失败，停止通话。在上述实施例中，设置等待同意通话信令的时间为15秒，在接收到同意通话信令前，每隔3秒重复发送一次请求通话信令。目标节点在公用的信令信道上接收到源节点的请求通话信令后，如果接受通话请求，则向源节点发送同意通话信令，然后监测语音信道上的数据，如果在预设的时间内接收到源节点发送的语音数据，则开始发送本节点的语音数据，否则则本次通话连接建立失败，停止通话。在上述实施例中，设置等待语音数据的时间为9秒，在接收到语音数据前，每隔3秒重复发送一次请求通话信令。
[0055] 当通话连接建立后，通话双方互相发送语音信息，当节点需要发送语音数据时，采用以下步骤来进行，其流程如图2所示：
[0056] 步骤1.1：首先通过语音采集模块将输入的语音信号转换为数字信号，并用语音编码模块对当前的语音帧进行压缩编码。语音编码器可以采用多种具有活动语音检测的低速率的语音编码器，例如G723.1、MELP、PWI等。编码器对输入的数字语音信号进行分帧编码，编码后的语音数据送至速率和时延调整模块，活动语音检测结果送至信道接入控制模块。信道接入控制模块对于每一帧已编码的语音数据，检测前一帧语音和当前一帧语音的类型，如果前一帧和当前帧均为静音帧，则转步骤1.3；如果前一帧和当前帧均为活动语音帧，则转步骤1.4；如果前一帧为静音帧、当前帧为活动语音帧，则转步骤1.5。当输入帧为第一帧时，其前一帧默认为静音帧。
[0057] 步骤1.2：信道检测模块检测当前是否存在空闲信道或传输静音数据的信道，并将结果送至信道接入控制模块。信道接入控制模块在当前存在空闲信道或传输静音数据的信道时，选择一条空闲信道或传输静音数据的信道，控制多信道调制模块从速率和时延调整模块中取出当前的静音帧数据并调制到该信道上，通过多信道发射模块进行发送，否则则丢弃当前静音帧数据，转步骤1.6。
[0058] 上述实施例中，信道的检测采用以下方法来进行：对于活动语音和静音数据，发送时在数据包中插入波形不同的确知信号作为标识，在信道检测模块检测信道时，对信道中的接收信号进行匹配滤波检测，如果检测到活动语音或静音的标识时，则该信道正在传输活动语音或静音，如果未检测到任何标识时，则认为该信道为空闲信道。
[0059] 上述实施例中，每条传输静音数据的信道采用时分复用的方式划分为多条子信道，每条子信道传输一路静音数据。在另一些实施例中，也可以采用其他固定分配信道的方式来传输不同用户的静音数据，例如频分复用，或采用竞争使用信道的方式来传输不同用户的静音数据，例如CSMA等。在信道接入时，优先挑选空闲信道进行传输，如果当前没有空闲信道时，优先挑选负载轻的传输静音数据的信道进行传输。在静音数据传输的过程中，如果检测到当前负载最轻的传输静音数据的信道负载超出预设值时，例如信道繁忙时间超过90%，则主动丢弃部分静音帧数据，例如每隔N帧静音数据丢弃1帧。
[0060] 步骤1.3：信道检测模块检测上一帧静音数据传输的信道上是否存在阻塞信号，并将结果送至信道接入控制模块。信道接入控制模块在上一帧静音数据传输的信道上不存在阻塞信号时，继续控制多信道调制模块从速率和时延调整模块中取出当前的静音帧数据并调制到该信道上，通过多信道发射模块进行发送，并转步骤1.6，否则则转步骤1.2。上述实施例中，阻塞信号为一段持续时间为若干帧的确知波形信号，可以采用匹配滤波、相关检测等方法来进行检测。
[0061] 步骤1.4：信道接入控制模块控制多信道调制模块从速率和时延调整模块中取出当前的活动语音帧数据，调制到上一帧活动语音数据传输的信道上，并通过多信道发射模块进行发送，然后转步骤1.6；
[0062] 步骤1.5：信道检测模块检测当前是否存在空闲信道，并将结果送至信道接入控制模块。信道接入控制模块在当前存在空闲信道时，随机选择一条空闲信道传输当前的活动语音数据；如果当前没有空闲信道，则信道检测模块进一步检测当前是否存在传输静音数据的信道，如果有，则信道接入控制模块选择当前负载最轻的正在传输静音数据的信道发送阻塞信息，然后控制多信道调制模块从速率和时延调整模块中取出当前的活动语音帧数据并调制到该信道上，通过多信道发射模块进行发送；如果当前既没有空闲信道也没有传输静音数据的信道，则信道接入控制模控制速率和时延调整模块丢弃当前的活动语音帧数据。
[0063] 步骤1.6：如果通话未结束，转步骤1.1，否则则结束语音数据的发送。通话双方在信道接入控制模块的控制下，通过公用的信令信道断开通话连接，方法如下：发起通话的源节点通过公用的信令信道向目标节点发送通话结束信令，并停止发送语音数据；目标节点在公用的信令信道上接收到源节点的通话结束信令后，停止发送语音数据。
[0064] 节点在接收语音数据时，采用以下步骤来进行，其流程如图3所示：
[0065] 步骤2.1：信道检测模块通过多信道接收模块检测所有信道，如果有发送给本用户的语音数据，则信道接入控制模块控制多信道解调模块接收并解调出相应信道中的语音数据，去抖动模块将其按时间标签的顺序保存在缓冲区中，否则则继续检测信道。发送给本用户的语音数据采用以下方法来检测：为每个用户节点分配一个确知的波形信号作为标识，每个发送的数据包中插入目标节点的标识，在信道检测模块检测信道时，对每个信道中的信号与本节点的标识进行匹配滤波检测，如果检测到接收信号中有本节点的标识时，则该信道有发送给本节点的语音数据。
[0066] 步骤2.2：语音解码模块按时间标签从去抖动模块中取出语音数据进行解码，如果某帧语音数据丢失或到达时间延迟超过预定值，则采用丢包掩盖的方法来合成该帧对应的语音。
[0067] 上述实施例中，当在传输活动语音时遇到既没有空闲信道也没有传输静音数据的信道的情况时，除了上述的丢弃当前活动语音帧数据的处理方法外，还能够采用语音延迟播放的方法来减少重要语音信息的丢失。用户节点在通话前设置并初始化速率和延时控制模块中的延时计数器和延时存储器，在延时存储器中开辟一个延时缓冲区用以存储延迟播放的活动语音数据，当在传输活动语音时遇到既没有空闲信道也没有传输静音数据的信道的情况时，采用以下步骤来进行，其流程如图4所示：
[0068] 步骤3.1：信道接入控制模块控制系统暂停语音数据的发送，速率和延时控制模块检查延时计数器，如果计数值未超过预设值，则将语音编码模块传输过来的当前活动语音帧数据存放到延时缓冲区中并计数，否则则丢弃最早存放在延时缓冲区中的活动语音帧，然后将当前的活动语音帧数据存放到延时缓冲区中。重复上述过程并丢弃中间遇到的静音帧数据，直到信道检测模块检测到出现空闲信道或传输静音数据的信道为止；
[0069] 步骤3.2：当信道检测模块检测到出现空闲信道或传输静音数据的信道后，如果速率和延时控制模块中的延时缓冲区中还存在着未发送的活动语音数据，则当当前语音帧为活动语音时，将当前的活动语音帧数据存入延迟缓冲区中，并发送最先进入延迟缓冲区的活动语音数据；当当前语音帧为静音时，则丢弃当前静音数据，发送最先进入延迟缓冲区的活动语音数据；重复上述过程直到延迟缓冲区中的活动语音数据发送完毕。
[0070] 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
