CN101043759B - 一种通过话带数据vbd方式实现数据业务的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过话带数据VBD方式实现数据业务的方法及其系统，所述的方法包括如下的步骤：a、数据信号检测器设定能量判决阈值，将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较，如果输入信号帧的能量大于所述的能量判决阈值则为数据信号帧，数据信号检测器控制其进入话音编码器进行低损的话音编码后输出语音包，否则为非数据信号帧，数据信号检测器控制其进入非话音编码器进行静音压缩编码后输出静音包；b、接收方网关收到语音包后，送进话音解码器进行话音解码后输出有效数据信号，收到静音包后送入非话音解码器重构静音信号。本发明克服现有技术的不足，大幅度降低通过VBD方式实现数据业务时占用通信信道的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及媒体流传递技术领域，具体来说，涉及到数据流在网关中传递的技术。
背景技术
网络技术的飞速发展使得利用分组技术来传输多媒体成为可能，传统通讯技术和分组技术融合的趋势越来越明显，由于传统的通讯网络和现代分组通讯网络中传输的媒体流编码方式不同，因此在传统网络和分组网络的结合点需要编解码器进行媒体流编码方式的转换，实现这种转换的设备为网关。
目前网关处理的媒体流主要包括：语音流、数据流、视频流等。其中的数据流主要是指传真机、数字modem(调制解调器)、文本电话等数据设备在交互过程中发出的信号。目前业界通过网关传递数据流的方式主要有VBD(Voice-Band Data话带数据)方式和Relay(转发)方式。
VBD方式是指通过对信号损伤比较小的编解码方式，把数据流作为普通的语音流进行低损的编解码处理，建议采用的编解码标准是ITU-T(国际电信联盟—电信标准分部)规定的G.711和ITU-T G.726。这种方式的优点是实现简单，不用关心具体数据信号的含义，只要把数据信号当作语音进行处理就可以了，对网关的处理能力消耗非常小；缺点是占用带宽大，受IP网络波动影响比较大，难以抵御IP网络上出现的丢包和时延变化。
Relay方式是指通过一些规定了数据信号转换传输方法的协议，把发送端数据设备发出的数据信号通过解调转化为适合IP承载网络传输的数据报文传 输到对端网关后，再通过调制恢复发送给接收端数据设备的方式，比如ITU-TT.38中的Fax Relay(传真转发)方式、ITU-T V.150.1中的Modem Relay(Modem转发)方式等。这种方式的优点是对IP网上出现各种损伤的抵御能力比较强，较大提高了数据业务的成功率和稳定性；缺点是实现比较复杂，对网关的处理能力消耗比较大。
随着数据业务的不断发展，数据业务的种类层出不穷，VBD方式以其实现简单、应用范围宽的特点，越来越受到大家的重视，但是VBD方式占用带宽大的问题却一直没有得到很好的解决，这对于很多带宽有限的应用场合是难以接受的。
现有技术中对语音信号的处理通常采用话音检测和静音压缩技术来解决带宽占用的问题，语音信号由话音信号和非话音信号组成，话音信号是指有人说话期间的信号，非话音信号是指没有人说话，只有背景噪声期间的信号，典型的语音信号中有30～50％以上的时间是不含话音信号的背景噪声信号。利用这一特点，在语音信号编码中采取话音检测和静音压缩技术可以大大降低码率，而且不影响语音质量。
附图1为采取话音检测和静音压缩技术的通信系统原理框图：整个系统包括3个模块：发送方网关、通信信道和接收方网关。其中发送方网关中有话音检测器(VAD)、话音编码器和非话音编码器，接收方网关中有话音解码器和非话音解码器，通信信道一般为IP网络。
接收方网关收到语音包后，送进话音解码器进行话音解码后输出话音信号，收到静音包后送入非话音解码器重构背景噪声的激励信号，使重构噪声信号更为自然。
所以通过VAD将语音帧分为话音信号帧和非话音信号(背景噪声)帧，并对这些帧采取不同编码方式，在非话音期间只发送少量的背景噪声特征信息，相对于所有语音帧不加分辨地都送入话音编码器而言，大大降低了输出 码率，通话过程的平均带宽降低到原来的一半。
话音检测和静音压缩技术可以大幅度降低占用通信信道的带宽，但是目前在数据业务的VBD方式中还没有得到应用，而且在ITU-T V.152协议中也明确规定在VBD模式下禁止使用VAD。因为VAD的基本功能是对话音和非话音的判断，所谓话音，就是通过人的发声器官发出的声音信号。但是数据设备发出的数据信号和话音有着不同的特征，如果把VAD应用到数据信号的检测中，往往会把数据信号检测成背景噪声送入非话音编码器，造成信号的损伤。
因此现有的VBD方式下数据设备发出的数据信号全部作为话音信号输入话音编码器进行低损的编解码处理，其原理框图如附图2所示。
但是在很多数据业务中，有很多时间数据设备发出的只是静音，而不是有效的数据信号。比如现在应用最广泛的支持最高速率为14400bps的传真机，其采用的传真过程是半双工的，也就是说整个传真过程有50％以上的时间传真机发出的信号为静音。对于这些设备发出的信号，现有技术统一按照数据信号对待，浪费了较多的带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过话带数据VBD实现数据业务的方法及其系统，以解决现有技术中通过VBD实现数据业务时占用过宽带宽的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种通过话带数据VBD方式实现数据业务的方法，所述的方法包括如下的步骤：
a、数据信号检测器设定能量判决阈值，将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较，如果输入信号帧的能量大于所述的能量判决阈值则为数据信号帧，数据信号检测器控制其进入话音编码器进行低损的话音编码后输出 语音包，否则为非数据信号帧，数据信号检测器控制其进入非话音编码器进行静音压缩编码后输出静音包；
b、接收方网关收到语音包后，送进话音解码器进行话音解码后输出有效数据信号，收到静音包后送入非话音解码器重构静音信号。
其中步骤a之前还包括：
发送方网关将数据设备输入的信号分成等间隔的信号帧。
其中所述的能量判决阈值与输入信号帧能量比较具体包括：将信号帧分成多个小窗，分别计算每一小窗中的信号能量后与所述的能量判决阈值比较，如果每一小窗中的信号能量都小于能量判决阈值，则所述的信号帧为非数据信号帧，否则为数据信号帧。
其中步骤a还包括：发送方网关对信号帧进行编码之前缓存T2时间。
其中步骤a还包括：数据信号检测器判断输入信号帧为非数据信号帧后延迟T1+T2时间，然后由非话音编码器对所述的非数据信号帧进行静音压缩编码。
其中所述的T2大于数据信号检测器控制输入信号帧向静音压缩编码器输入切换到向话音编码器输入时因为能量判决阈值导致数据信号丢失的时间段。
其中所述的T1大于数据信号检测器控制信号帧输入话音编码器切换到输入到静音压缩编码器时因为能量判决阈值导致数据信号丢失的时间段。
本发明还公开了一种通过VBD方式实现数据业务的系统，包括发送方网关、接收方网关以及通信信道，其中发送方网关包括话音编码器、非话音编码器和数据信号检测器，数据信号检测器将信号帧分成数据信号帧和非数据信号帧，并控制数据信号帧进入话音编码器进行话音编码、非数据信号帧进入非话音编码器进行静音压缩编码；其中接收方网关包括对接收的话音解码器和非话音解码器，话音解码器对话音编码后的数据信号帧进行话音解码后输出有效数据信号，非话音解码器对静音压缩编码后的非数据信号帧解码后重构静音信号，所述的数据信号检测器包括信号检测模块和控制模块，所述信号检测模块是通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧的。
本发明还公开了一种数据信号检测器，包括信号检测模块和控制模块，其中所述的信号检测模块用来根据输入的信号帧是否携带有效数据信号将其分为数据信号帧和非数据信号帧，所述的控制模块根据信号检测模块对输入信号帧的检测结果控制数据信号帧进入话音编码器、非数据信号帧进入非话音编码器。
其中所述的控制模块能够通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧。
本发明克服现有技术的不足，通过将数据设备输出的信号区分为数据信号和静音信号并针对不同的信号采用不同的编码方式进行处理，对数据信号采用话音压缩后输出，对非有效的数据信号采用静音压缩后输出，由于静音压缩的码率非常低，在数据业务应用中，大幅度降低通过VBD方式实现数据业务时占用通信信道的带宽，同时，本发明通过将设定的能量判决阈值与输入信号帧的能量比较有效的区分了数据信号和非有效数据信号，并且通过输入信号的缓存和延迟切换的方式解决了能量判决阈值导致的有效数据信号的丢失，提高了VBD方式的可用性。
附图说明
图1为采用语音检测和静音压缩技术的通信系统原理框图；
图2为现有VBD方式的通信系统原理框图；
图3为本发明技术方案的原理图；
图4为直接经过数据信号检测器的信号示意图；
图5为对数据信号进行编码前缓存T2时间的信号示意图；
图6为判断进入静音后延迟T1+T2时间进行切换的信号示意图；
图7为采用缓存和延迟技术的数据信号检测器和静音压缩技术的VBD方式通信系统原理框图。
具体实施方式
本发明的基本原理是在采用VBD方式的系统中使用数据信号检测器，将数据设备发出的有效数据信号和静音区分开，将信号帧分为数据信号帧和非数据信号(静音)帧，并对这些帧采取不同编码方式，送入不同的编码器进行编码，在非有效数据信号期间只发送少量的静音信息，大大降低了输出码率。
具体说明如下：
本发明实施例的原理图如附图3所示，整个系统包括3个模块：发送方网关、通信信道和接收方网关。发送方网关中有数据信号检测器、低损的话音编码器和非话音编码器，接收方网关中有话音解码器和非话音解码器，通信信道为IP网络。
其中所述的数据信号检测器包括信号检测模块和控制模块，信号检测模块用来根据输入的信号帧是否携带有效数据信号将其分为数据信号帧和非数据信号帧，所述的控制模块根据信号检测模块对输入信号帧的检测结果控制数据信号帧进入话音编码器、非数据信号帧进入非话音编码器。
上述的信号检测模块是通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧的。
数据信号进入发送方网关后，首先被分成等间隔的信号帧，帧长根据编码器采用的编码协议而定，一般在5～30毫秒之间，然后数据信号检测器中的信号检测模块对每一个输入的信号帧进行分析，根据是否携带有效数据信号，将信号帧分为数据信号帧和非数据信号帧。若输入信号帧为数据信号帧，则数据信号检测器中的控制模块控制该信号帧进入话音编码器进行低损的话音编码，否则，控制模块控制该信号帧进入非话音编码器进行静音压缩编码。话音编码器输出的信息被称为语音包，非话音编码器输出的信息被称为静音 包，静音包中的信息只用来恢复静音，所以码率非常低，不到语音包码率的十分之一。
接收方网关收到语音包后，送进话音解码器进行话音解码后输出有效数据信号，收到静音包后送入非话音解码器重构静音信号。
其中数据信号检测器对输入的信号帧进行分析使用的检测算法本实施例中采用小窗能量检测法：
数据设备发出的信号，在有效数据期间的信号能量比较高而且比较稳定；而在静音期间，不会像语音信号一样夹杂很多背景噪声，而是比较纯的静音，即使有一些噪声或者电学回声，能量也非常小。所以可以设定一个合理的能量判决阈值，通过信号能量的大小将有效数据和静音区分开来。
考虑到数据信号能量变化快，有可能在信号帧最后几个毫秒发生能量突变的特点，可以将一个信号帧分为很多份，每一份被称为一个小窗，比如将一个20毫秒的信号帧分为4个5毫秒的小窗，分别计算每一个小窗中的信号能量，当一个信号帧中所有小窗的信号能量都低于设定的能量判决阈值时，才认为此帧为静音帧，窗的大小和能量判决阈值可以根据不同网关设备的具体情况合理设定。
但是，如附图4所示：数据信号检测器中，判断数据信号进入静音和退出静音都有一个相应的判决阈值，这将造成在进入静音阶段时丢失t1时间长度的有效数据信号，在退出静音阶段时丢失t2时间长度的有效数据信号，以退出静音过程为例，当信号能量超过设定的判决阈值后才认为退出静音，造成从信号真正退出静音到判决退出静音之间的信号丢失，导致重构有效数据信号的不完整，对于数据设备来说，这种不完整的数据信号是不能接受的，接收方数据设备可能会认为信号发生跳变或者周期不完整而发生异常，甚至导致数据业务失败。
因为数据信号检测器判断退出静音的时刻比真正退出静音的时刻晚t2， 所以在本实施例中解决退出静音阶段时丢失信号的问题采用将数据信号送入编码器之前缓存T2(T2＞t2)时间的技术方案，保证在数据信号检测器判断退出静音并控制数据信号送入话音编码器时，有效数据信号尚未到达编码器。缓存后重构数据信号如附图5所示。
同时因为数据信号检测器判断进入静音的时刻比真正进入静音的时刻早t1，所以本实施例中解决进入静音阶段时丢失信号的问题采用在数据信号检测器判断进入静音后，延迟T1(T1＞t1)时间再将数据信号由话音编码器切换到非话音编码器的技术方案。考虑到为了解决退出静音阶段时丢失信号的问题，数据信号有一个T2的缓存，相当于数据信号检测器判断进入静音的时刻比送入编码器的信号进入静音的时刻早t1+T2。所以在数据信号检测器判断进入静音后，延迟T1+T2时间再将数据信号由话音编码器切换到非话音编码器，以保证有效数据信号全部通过话音编码器发出，延迟后重构数据信号如附图7所示。影响这两个值的因素比较多，一般采用实测的方法，以不影响数据业务质量为判决标准。
采用上述的技术方案处理数据信号检测和静音压缩技术的VBD方式通信系统原理框图如附图6所示：
其中T1和T2的时间可以由系统采用的数据信号检测算法性能决定，一般在毫秒级，所以将数据信号缓存T2时间引入的时延几乎不会对数据业务产生任何影响。可以看出，通过以上两个步骤，可以有效避免因为数据信号检测器判断进入静音和退出静音时造成的数据信号丢失问题。
Claims (10)
1.一种通过话带数据VBD方式实现数据业务的方法，其特征在于，所述的方法包括如下的步骤：
a、数据信号检测器设定能量判决阈值，将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较，如果输入信号帧的能量大于所述的能量判决阈值则为数据信号帧，数据信号检测器控制其进入话音编码器进行低损的话音编码后输出语音包，否则为非数据信号帧，数据信号检测器控制其进入非话音编码器进行静音压缩编码后输出静音包；
b、接收方网关收到语音包后，送进话音解码器进行话音解码后输出有效数据信号，收到静音包后送入非话音解码器重构静音信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a之前还包括：
发送方网关将数据设备输入的信号分成等间隔的信号帧。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的能量判决阈值与输入信号帧能量比较具体包括：将信号帧分成多个小窗，分别计算每一小窗中的信号能量后与所述的能量判决阈值比较，如果每一小窗中的信号能量都小于能量判决阈值，则所述的信号帧为非数据信号帧，否则为数据信号帧。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a还包括：发送方网关对信号帧进行编码之前缓存T2时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a还包括：数据信号检测器判断输入信号帧为非数据信号帧后延迟T1+T2时间，然后由非话音编码器对所述的非数据信号帧进行静音压缩编码。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的T2大于数据信号检测器控制输入信号帧向静音压缩编码器输入切换到向话音编码器输入时数据信号丢失的时间段。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述的T1大于数据 信号检测器控制信号帧输入话音编码器切换到静音压缩编码器时因为能量判决阈值导致数据信号丢失的时间段。
8.一种通过VBD方式实现数据业务的系统，包括发送方网关、接收方网关以及通信信道，其特征在于，其中发送方网关包括话音编码器、非话音编码器和数据信号检测器，数据信号检测器将信号帧分成数据信号帧和非数据信号帧，并控制数据信号帧进入话音编码器进行话音编码、非数据信号帧进入非话音编码器进行静音压缩编码；其中接收方网关包括对接收的话音解码器和非话音解码器，话音解码器对话音编码后的数据信号帧进行话音解码后输出有效数据信号，非话音解码器对静音压缩编码后的非数据信号帧解码后重构静音信号，所述的数据信号检测器包括信号检测模块和控制模块，所述信号检测模块是通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧的。
9.一种数据信号检测器，其特征在于，包括信号检测模块和控制模块，其中所述的信号检测模块用来根据输入的信号帧是否携带有效数据信号将其分为数据信号帧和非数据信号帧，所述的控制模块根据信号检测模块对输入信号帧的检测结果控制数据信号帧进入话音编码器、非数据信号帧进入非话音编码器，所述的控制模块能够通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧。
10.根据权利要求9所述的检测器，其特征在于，所述的控制模块能够通过设定能量判决阈值并将输入信号帧的能量与所述的能量判决阈值比较后区分数据信号帧和非数据信号帧。
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| CN102523356B (zh) * | 2011-12-21 | 2015-04-15 | 上海会畅通讯股份有限公司 | 检测会议通道声音的方法和装置 |
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| CN101043759A (zh) | 2007-09-26 |
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