语音数据复接技术

语音数据复接技术 Jo u rn a l o f N o r th C h in a E lec t r ic Pow e r U n ive r s ity J an. 1998 1998 年 1 月 语音数据复接技术 谢志远冯瑞军戚银城王彦骏 () 华北电力大学电子系, 保定 071003 摘 要介绍了语音编码技术新进展以及新一代声码器。阐述了多路语音 4401V L S I Q 信号和数据在一路 信道实现复接的方法。详细分了析复接帧结构及其特点。 64ƒPCM k b s 论述了在复接过程中同步搜索与同步校核的原理。介绍了采用多 系统和声码 C PU V L S I 器为核心的语音数据复接器, 了系统的工作原理和特点。 关键词数据信号语音信号数据复接语音编码 914.3 132 912中图分类号TN TN 引言 目前在进行数据传输时, 广泛采用高速数字信道传输低速数据。 如在电力系统中, 采用 64ƒ的 数字信道传输一路低于 9.6ƒ的远动信号、保护信号或数据, 其信道利用 k b s PCMk b s 率不足 20% 。 随着电力系统自动化水平和管理水平的不断提高, 对电力系统通信容量的要求愈来愈大, 电力系统通信容量将日趋紧张。 解决目前通信容量不足的方法, 当然可以从引 进通信设备入手, 但是新增通信设备投资大、效益低, 而且通信设备利用率更低。 如某供电 局, 投资近百万元, 在一个小变电站到供电局架设光缆, 仅仅传输几路调度电话和管理信息, 造成很大的浪费。 笔者认为, 充分发挥电力系统现有通信设备的潜力, 利用先进的数字压缩 技术和编码技术以及数据复接技术等, 在部分信道上实现增容, 是一个捷径。 这样不仅投资 小, 而且见效快。随着语音编码技术和数字信号处理技术的不断发展, 实现在一路 64的 ƒk b s ( ) 数字信道上同时传输多路数据和语音已经成为现实, 并且国际电信联盟 在其下 PCM ITU () 设机构 近年来的研究期会议上, 提出了采用低于 16的速率传输语音- ƒITU T CC IT T k b s 1 信号, 并制定了相应建议, 如 建议, 实现模拟语音的数字化是发展的趋势。. 728 CC IT T G 本文就通过采用数据复接技术和语音压缩技术在 64ƒ的数字信道上实现多路语音信号 k b s 和数据的传输问题进行了详细的分析, 并介绍了笔者最近研制的语音数据复接器的原理和 特点。 1 语音编码技术新进展 () 从 1972 年 确定的 64ƒ编码标准 开始, 1984 年 确定了. 711 CC IT T k b sPCM GCC IT T () 32ƒ的 标准 , 目前 语音编码技术和 语音编码技术已经. 721 k b s A D PCM GPCM A D PCM 广泛应用于数字通信、卫星通信等方面。 随着数字技术的不断发展, 语音编码技术无论在编 收稿日期: 1997- 06- 09。 华 北 电 力 大 学 学 报1998 年22 码标准, 还是在编码器件上都有了较大的进展, 实现模拟语音的数字化是发展的趋势。 国际 2 ( ) 电信联盟 ITU 根据美国 A T &T 公司贝尔实验室所提出的 L D - C EL P 算法, 提出了相 应的语音编码新标准 建议。 该标准的特点是:. 728 CC IT T G () 1以块为单位的后向自适应高阶预测; () 2后向自适应增益量化; () 3以矢量为单位的激励信号量化。 对该标准的研究目前已取得较大的进展。 伴随语音编码标准的不断发展, 语音编码芯片随着数字信号处理技术和集成电路技术的迅速发展, 也取得了很大进展。由美国 公司贝尔实验室 1994 年推出的 单片 A T &T V L S I 声码器 具有 90 年代国际先进水平。4401 采用 编码技术, 其编码速率根据 4401, Q Q Q C EL P 语音信号的能量大小, 每秒动态调整 50 次, 可调速率范围 800, 9600。内含掩 ƒƒ4401 b sb sQ 模 型高速数字信号处理器, 以每秒执行 3000 万条指令的速度, 实时完成 编 ROM Q C EL P 码和解码。全双工方式编码和解码, 整个系统环测编码延时小于 50。具有 16: 1 的高效数 m s 据压缩功能, 语音质量较高, 如图1 为4 4 0 1 声码器和其它方式的语音编码性能比较。目Q 前普通电话采用 64ƒ的 编k b s PCM ( 码, 其语音质量定为电话音质 T o ll ) - , 4401 的编码质量接近 Q u a lityQ (电 话 音 质 即 准 音 质 - N ea r T o ll ) , 当其编码速率为 9. 6ƒQ u a lity k b s 时, 其编码质量甚至优于 32的ƒk b s 编码。 因此采用 401 声 4A D PCM Q 码器可实现较高的语音通信要求。 基于 高效的语音编码功能,4401 Q 图 1 各种语音编码性能比较 将一路模拟语音信号经过编4401 Q 码后, 转化为一路 9. 6的语音数据信号, 采用数据复接技术即可实现多路数据和语音在 ƒk b s 同一路 数字信道上的传输。64ƒPCM k b s 2 复接帧结构和复分接过程 2. 1 复分接帧结构 实现多路语音和数据的复分接, 制定合理 有 效 的 帧 结 构 是 实 现 正 确 复 分 接 的 基 础。 提出多种关于数据复接的帧结构, 本文根据系统的硬件结构特点, 制定了本系统复 CC IT T 分接的帧结构如图 2 所示, 其特点 如下: () 1帧结构基于字符复接; () 2帧长 10包含 80 字节。 , m s 其中第 1、第 2 时 隙 为 16 比 特 同 步码, 第 3 到第 74 时隙为 72 字节 图 2 数据帧结构 第 1 期谢志远等: 语音数据复接技术23 的数据, 第 75 时隙和第 76 时隙为 16 字节的状态信息码, 最后 2 个时隙为 16 字节的 CR C 校验信息码。 ( ) 372 字节的数据中可以根据参与复分接的支路速率和数目不同, 可以是支路数据或 语音数据, 也可以是填充码。 ( ) 4当支路速率或支路数目改变时, 只需要动态改变填充码的个数即可, 只要支路数据 码和填充码总数不超过 72 字节即可。 ( ( ) 5帧结构安排按照下列原则进行: 19. 2数据占据 24 个时隙, 9. 6数据 包括 ƒƒk b s k b s ) ( 一路语音数据占据 12 个时隙, 4. 8数据占据 6 个时隙, 2. 4数据 含低于 2. 4ƒƒƒk b s k b s k b s ) 的各种异步数据占据 3 个时隙。 2. 2 复分接过程 数据复分接过程贯穿系统同步搜索与同步校核的整个过程中。即在系统未进入同步时,系统进行同步搜索, 此时不进行正常复分接, 复分接帧结构中只发送本端的状态信息, 同时 检查对方发送的同步码以及状态码。 只有当系统进入同步时, 系统才进入正常的复分接过 程, 在正常复分接过程中, 系统对每帧的同步码和状态码以及校验码进行后方校核, 当发现对方失步, 或本端未收到同步码时, 即转入同步搜索过程, 同时将失步信息通过状态码告诉 对方。 为了提高系统的抗干扰能力, 系统同步搜索过程和同步校核过程分别引入三次保护, 即三次前方保护和三次后方保护。 系统的同步搜索与校核如图 3 所示: 其中 为失步A 状态, 为同步状态, 为暂同步状态, 为S S i R i 搜索状态; 代收到一次同步码标志, 代T E 表失去一次同步码标志。在复分接过程中, 当 系统处在失步状态时, 只有连续收到三次同 步码时才进入同步状态; 在本端处在同步时, 只有连续三次失去同步码, 才进入失步状态, 开始新的搜索过程; 只有在双方都进入同步 状态时, 复分接过程开始进行。 系统的工作原理及特点3 图 3 系统复分接同步搜索与校核流程图 如图 4 所示是最近研制的语音数据复接 ( ) 器的组成框图, 系统共有数据支路单元、语音支路单元 支路单元数目为 8 个、集合信道单 元、定时与 . 接口单元以及管理单元等部分组成。 其中数据支路单元和语音支路单元703 G 可以根据需要由用户自己设定。 系统采用模块式结构, 各模块之间采用总线方式连接, 便于 维护和管理。 集合信道单元采用高速数字信号处理器组成, 完成复分接整个过程的所有工作。包括同 步搜索和同步校核、按帧结构形成数据包、拆开接收到的数据包。 数据支路单元完成支路与低速数据终端的通信, 并将终端数据投入到数据复分接过程。 数据支路单元可支持同步数据和异步数据, 其速率包括 19.2、 300 等各 ƒ9. 6ƒƒk b sk b sb s () (种速率, 既可以和数据终端设备 如计算机连接又能和数据线路终端设备 如 D T E D C E ) 相连接。 接口特性满足 124 建议。M O D EM CC IT T V 华 北 电 力 大 学 学 报1998 年24 语音支路单元以 声码器为核心, 完成对模拟语音信号的压缩编解码功能, 并和 4401 Q 数据支路单元一样, 将语音数据投入数据复分接过程中。压缩语音数据速率为 9. 6ƒ。语 k b s音支路和数据支路具有相同的物理接口。 定时与 . 703 接口单元提供整个系统需要的各种定时信号, 并实现满足 . 703GCC IT T G建议的接口功能, 包括码型变换等。 定时单元采用温补晶振和数字锁相技术, 提供频率稳准 - 6 度优于 1×10的定时信号。 管理单元通过六键键盘和液晶显示器, 完成对整个系统的参数设置和控制等功能, 包括支路单元的速率, 数据模式, 系统环测, 参数预览等。 实现用户对整个系统的管理和维护。 该系统经过连续数 10 天的性能测试和在 环境下的多台计算机屏幕交谈实W in dow s 验, 其误码率为 0, 数据滑动时间大于 4 小时, 达到了较高的设计要求。 图 4 数据语音多路复接器框图 4 结论 采用语音编码技术和数据复接技术实现多路语音信号和数据信号在一路 数字信 PCM 道上同时传输, 充分提高了数字信道的利用率, 对于进一步扩大通信容量具有重要的意义。 () 随着数据压缩技术和 标准的不断完善, 通过采用数据复接将会实现语音、 - ITU T CC IT T 图象和数据的同时传输。这一技术必将实现电力系统管理水平的提高, 将是一个很有前途的 研究方向。 参考文献 () 1 国际电信联盟 1建议 蓝皮书1 日内瓦: 1989, 231, 268 CC IT T 2 BA W , D J K. 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L S I vo co de r sT h e op e ra t in g p r in c ip le an d ch a rac te r ist ic s o f th e m u lt ip lex ed a re an a2 lyzed. , , , Key W ord s da ta sign a lsp eech sign a lda ta m u lt ip lex in gsp eech co d in gg