本發(fā)明涉及激光通信技術領域，適用于大氣和水下環(huán)境進行語音信號的激光傳輸，具體涉及一種語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制方法和系統(tǒng)。

背景技術：

隨著光通信技術的發(fā)展，利用光載波的通信技術因其具有快速響應、抗電磁干擾、移動性強、以及可靠性高等特點，而在進行數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)能娪煤兔裼玫阮I域有著廣泛應用。在戰(zhàn)時(野外)及特殊環(huán)境(水下)環(huán)境下，為快速建立通信鏈路，及時進行指揮控制，通過語音方式傳輸指令信息是最有效的手段，它具有極高的實時性和可靠性。然而，目前利用光調制實現(xiàn)語音傳輸?shù)姆绞?，由于傳輸?shù)恼Z音信號的信息需進行壓縮編碼，因而技術實現(xiàn)大多采用復雜的語音識別和復雜的數(shù)字化處理過程，占用較大的通信帶寬資源，這樣采用大功率激光器無法保證語音信息的實時傳輸，使激光調制能量和傳輸距離受限?？梢?，現(xiàn)有激光調制實現(xiàn)傳統(tǒng)語音數(shù)字化傳輸?shù)姆绞讲贿m應軍事及特殊環(huán)境下語音傳輸?shù)囊蟆?/p>

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有激光調制過程中存在的語音信號識別和數(shù)字化處理復雜、對激光器的大功率高重頻發(fā)射與能量矛盾、以及信息實時傳輸無法保證等問題，提供一種語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制方法和系統(tǒng)。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制方法，包括如下步驟：

步驟1、采集語音信息，并對語音信息進行語意特征識別、相似度匹配和字符化編碼；

步驟2、對步驟1輸出語音信息進行分幀處理，并將語音信息字符化代碼分插到不同重頻組成串行幀結構,以實現(xiàn)對脈沖激光器的ASK調制；

步驟3、將步驟2輸出的語音信息從不歸零碼轉換為歸零碼，并驅動激光器；

步驟4、激光器受控于可變重頻串行輸出脈沖信號，并以ASK激光調制方式發(fā)射激光。

上述步驟1的具體過程為：

步驟1.1、對采集的非特定人語音信息進行識別預處理，根據(jù)識別的語意轉換為漢語拼音；

步驟1.2、將步驟1.1所得的漢語拼音與訓練模板中的漢語拼音進行相似度匹配，將匹配結果在語音庫中查找對應的漢語拼音所對應的漢字；

步驟1.3、將步驟1.2所得的漢字按照ASCII編碼以字節(jié)形式輸出TTL電平的字符型代碼，完成語音信號字符化，并將字符化編碼的語音信息串行輸出。

上述步驟1.3中，每個漢字和字符按照字節(jié)編碼，其碼型為不歸零的TTL串行結構形式，采用上位機作為數(shù)據(jù)指令輔助手段，將字符型數(shù)據(jù)代碼串行輸出。

上述步驟2中，信息字符化代碼每8位二進制代碼與起始位和停止位構成一幀；每一幀的數(shù)據(jù)長度為11位，其中幀的起始位為2位、幀的數(shù)據(jù)位設置為8位、幀的停止位為1位。

上述步驟2中，幀的起始位的2位導行碼的間隔為每幀的基頻，通過設定該基頻每幀長度依據(jù)重頻要求進行變化。

上述步驟4中，激光器采用上升沿觸發(fā)。

實現(xiàn)上述方法的語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制系統(tǒng)，包括語音信號識別與字符化處理模塊、可變重頻編碼模塊、碼型轉換與激光驅動模塊、以及調Q脈沖激光器；

語音信號識別與字符化處理模塊完成語音信號采集、語意特征識別、相似度匹配、以及字符化編碼；

可變重頻編碼模塊將字符化編碼輸出的碼元信號進行分幀處理，并將語音信息字符化代碼分插到不同重頻組成串行幀結構,以實現(xiàn)對脈沖激光器的ASK調制；

碼型轉換與激光驅動模塊將可變重頻幀碼元從不歸零碼到歸零碼的轉換，并通過邏輯電路驅動調Q脈沖激光器；

調Q脈沖激光器受控于碼型轉換與激光驅動模塊輸出的可變重頻串行輸出脈沖信號，并以ASK激光調制方式發(fā)射激光。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下特點：

1、通過語音識別技術，將語音信號進行字符化處理，簡化了傳統(tǒng)語音信號數(shù)字化的復雜過程，降低基帶信號控制速率，減少通信帶寬資源占用，在信息量傳輸要求不大的場合，保證一定的激光輸出脈沖能量，增強激光通信的實時性、有效性和靈活性。

2、通過語音信號的實時控制，采用可變重頻調制驅動激光發(fā)射技術有利于通信信息的安全，降低了技術和設備復雜度。

3、具有保密性好、實時性高、通信鏈路簡單的特點，可以運用于大氣和水下光通信范疇，在軍事戰(zhàn)場指揮和海洋水下目標作業(yè)控制實際應用中有重要價值。

附圖說明

圖1為語音控制的可變重頻激光調制系統(tǒng)框圖。

圖2為語音信號字符化過程原理框圖。

圖3為語音識別字符化處理軟件流程。

圖4為3重頻的指令信號幀波形圖。

具體實施方式

針對戰(zhàn)時(如野外)及特殊環(huán)境(如水下)下，通過語音方式傳輸指令形式快速、簡單、直接，但需要考慮實時性、可靠性、以及激光通信系統(tǒng)在開放信道信號傳輸安全性的通信特點，本發(fā)明利用激光跳頻技術，通過語音信息加載于不同重頻幀組成的編碼來控制激光器發(fā)射，保證一定的激光脈沖能量，只要通信雙方按照約定的激光跳頻通信協(xié)議，可完成必要的激光無線語音信息通信，通信雙方的信息安全和保密性即可得到一定的保障，使開放信道環(huán)境下的通信與控制技術更具實用性。

參見圖1，一種語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制系統(tǒng)，主要由語音信號識別與字符化處理模塊、可變重頻編碼模塊、碼型轉換與激光驅動模塊、以及調Q脈沖激光器組成。

語音信號識別與字符化處理模塊完成語音信號采集、預處理、相似度匹配、以及字符化處理及碼元輸出。語音信號字符化編碼模塊采用LD3320語音芯片完成語音信號采集、預處理、相似度匹配、字符化編碼和結果輸出，每個漢字和字符按照字節(jié)編碼，其碼型為不歸零的TTL串行結構形式，將字符型數(shù)據(jù)代碼輸入到可變重頻編碼模塊中。語音信號字符化過程是先對采集的非特定人語音信息進行識別預處理，根據(jù)識別的語意轉換為漢語拼音，然后與訓練模板中的漢語拼音進行相似度匹配，將匹配結果在語音庫中查找對應的漢語拼音所對應的漢字，最后把結果漢字按照ASCII編碼以字節(jié)形式輸出TTL電平的字符型代碼，完成語音信號字符化。將非特定人的語音信號進行識別后直接轉化為字符型編碼，該編碼速率較低，適合于驅動大功率激光器，有利于獲得較高的激光發(fā)射脈沖能量；這種語音信號字符化轉換方式降低了傳統(tǒng)語音信號數(shù)字化的復雜過程，減少通信帶寬資源占用。上位機作為數(shù)據(jù)指令傳輸?shù)妮o助手段。

可變重頻編碼模塊完成對語音字符化編碼信號進行分幀處理，按照一定的重頻變化規(guī)則構建串行傳輸結構，以實現(xiàn)對脈沖激光器的ASK調制?？勺冎仡l編碼模塊以單片機為核心，實現(xiàn)對字符化編碼的語音信息的分幀處理，將語音信號字符化代碼分插到不同重頻組成串行幀結構；每幀為11位編碼長度，其中2位導行碼(其間隔確定每幀基頻)，8位字符化數(shù)據(jù)位和1位停止位，輸出碼型為不歸零的TTL串行結構形式。通信中采用可變重頻的編碼結構，按照一定的重頻變化規(guī)則對語音信息進行分幀處理，輸出適合驅動大功率激光器串行碼元，實現(xiàn)激光的ASK調制；這種幀結構是一種非定長的幀格式，即信號傳輸?shù)膸L可變，設定每幀開始2位為高電平的導頻碼，其脈沖間隔代表控制激光器的重復基頻，依據(jù)脈沖間隔確定碼元寬度和每幀的“0”和“1”代碼，當基頻不同所構成的數(shù)據(jù)幀長度也不同。通過可變幀長的激光跳頻方法使激光發(fā)射輸出頻率按照一定規(guī)律變化，降低截獲概率，有利于保密通信。

碼型轉換與激光驅動模塊用于提供一種適合驅動激光器的碼型，提高大功率激光驅動能力，其輸出的可變重頻串行語音幀脈沖信號控制調Q激光器輸出激光。碼型轉換采用軟件完成可變重頻幀碼元從不歸零碼到歸零碼的轉換，并采用邏輯電路輸出提高激光器驅動能力，以得到適合驅動大功率脈沖激光器的重頻脈沖信號。通過輸出TTL電平來驅動激光器實現(xiàn)ASK激光調制。

調Q脈沖激光器完成語音激光信號的發(fā)射。Nd:YAG調Q脈沖固體激光器(上升沿觸發(fā))受控于可變重頻串行輸出脈沖信號，以ASK激光調制方式發(fā)射激光的變化與幀脈沖對應。

調Q脈沖激光器采用適合大氣傳輸窗口的1.06μm波長紅外激光，通信中肉眼視覺無法識別，具有一定的隱蔽性；同時選擇窄脈沖輸出的激光器可提高瞬時功率，有利于獲取較大的激光脈沖能量。利用語音進行實時控制大功率激光器實現(xiàn)通信調制，適用于大氣信道或海氣信道的無線通信傳輸方式。

采用上述系統(tǒng)所實現(xiàn)的語音信號字符化編碼控制的可變重頻激光調制方法，包括如下步驟：

(1)語音識別與字符化處理模塊是通過LD3320語音模塊采集非特定人的說話聲音指令，然后進行語意特征識別、相似度匹配和字符化編碼(ASCII)，通過軟件將漢字和字符按照字節(jié)分組編碼，對識別結果以速率低于100bps的串行數(shù)據(jù)代碼(TTL電平)輸出到單片機。采用上位機作為數(shù)據(jù)指令輔助手段，輸出字符型數(shù)據(jù)代碼串行送單片機處理，圖2所示為字符化過程框圖，圖3為軟件實現(xiàn)流程。

語音信號字符化是將語音信號的內容轉換為可供計算機識別的字符或者文本。人們常用的漢字有6000多個，不同的漢字對應的漢語拼音可以是相同的，即同音字，沒有同音字的漢字共1268個。每一個漢字、字母及符號在計算機系統(tǒng)都對應一個標準的ASCII碼，人們在進行語音通信交流時，往往并不關注具體的漢字，而是根據(jù)聽到的聲音去判斷出語意。如果將語音對應的漢語拼音建立一個語音庫，那么通過語音識別，將讀取到的語音信號與語音庫中的漢語拼音進行匹配，如果匹配成功，則得到語音的漢字所對應的漢語拼音，完成了識別過程。得到識別結果后，再次將拼音轉換成漢字，即可實現(xiàn)語音信號的字符化，根據(jù)識別結果，可以通過軟件設置，將識別后得到的結果所對應的漢語拼音或者漢字進行數(shù)據(jù)傳輸，此時，完成了語音到文本數(shù)據(jù)/字符化的處理。經過字符化處理的語音信號，將其進行數(shù)字傳輸時，所包含的編碼數(shù)據(jù)大大降低，在接收端如果需要恢復出語音信號，只需要將收到的二進制代碼與語音庫中對應的聲母、韻母和音調進行還原合成，便可恢復出語音。語音信號直接進行數(shù)字化，則數(shù)據(jù)速率為64Kbit/s，而語音信號字符化以后的數(shù)據(jù)速率低于100bps，因此，語音信號字符化技術將語音信號轉換為其漢語拼音相對應的二進制代碼，可實現(xiàn)極低的數(shù)據(jù)編碼速率，節(jié)約了帶寬資源。

(2)可變重頻編碼模塊由單片機電路系統(tǒng)控制對語音識別模塊送達的字符化數(shù)據(jù)進行信息分幀處理，將語音代碼(對應每個漢字的ASCII)每8位二進制代碼與起始位和停止位構成一幀，每幀分配一個基頻，每一幀的數(shù)據(jù)長度為11bit，幀的起始位為2個1碼元(其間隔為重頻頻率)，數(shù)據(jù)位設置為8bit，幀尾以1個1碼元為幀結束標志，11bit數(shù)據(jù)的碼元間隔為該幀所用的頻率。指令代碼經過分幀處理后，輸出的可變長的數(shù)據(jù)幀編碼送碼型轉換及驅動電路；通過每幀設定的2位導頻碼及可變間隔，使每幀長度依據(jù)重頻要求進行變化?；l點數(shù)和頻率根據(jù)通信要求可實時設置，圖4波形給出一個3基頻實驗范例，圖中發(fā)送“東經18北緯20”指令，MCU通過串口接收到對應的語音字符化數(shù)據(jù)0xB6 0xAB 0xBE 0xAD 0x31 0x38 0xB1 0xB1 0xCE 0xB3 0x32 0x30后分別插入10Hz、15Hz、20Hz基頻中，圖中由每幀前兩個碼元間隔確定基頻，從左到右的頻率分別為10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz、10Hz、15Hz、20Hz，波形顯示相鄰幀之間有較長的幀間隔(大于最長碼元間隔)，以便識別下一幀的數(shù)據(jù)。

(3)碼型變換與驅動電路模塊將可變重頻編碼模塊送達的TTL不歸零編碼轉換為適合于驅動大功率激光器歸零編碼，以對1.06μm波長上升沿觸發(fā)的激光器進行ASK調制。

本發(fā)明能夠降低語音信號識別及數(shù)字化處理的復雜過程，減少帶寬資源占用，實現(xiàn)低速編碼以獲得較高的激光脈沖能量，具有保密性好、實時性高、通信鏈路簡單的特點。