CN101547268A - 一种基于局域网的数字语音传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于局域网的数字语音传输系统。其包括，多个终端设备(202－1，202－2，……，202－n)和中央控制设备(201)，其特征在于：所述多个终端设备(202－1，202－2，……，202－n)串联连接，并且所述中央控制设备(201)与所述串联连接的终端设备中的最前端的一个终端设备(202－1)相连，其中来自各个所述终端设备的音频信号被串联地上行传输至所述中央控制设备，并且来自所述中央控制设备的音频信号被串联地下行传输至所述多个终端设备中的至少一个。

Description

一种基于局域网的数字语音传输系统

技术领域

本发明涉及数字信号通信的技术领域，特别地，涉及一种基于局域网的数字语音传输方法和系统。

背景技术

图1中示出了常见的基于以太网传输协议的、传统星型局域网的拓扑结构，在该拓扑结构中，多个终端设备102之间通过一个数据交换设备101实现基于各种协议的数据包交换，根据以太网传输协议，由于各个终端设备102与数据交换设备101之间的传输电缆在数据率为100Mbps情况下最大传输距离约为100米，所以这种拓扑方式比较适合于类似网吧、办公室等终端设备较为集中、并且各终端设备独立应用的场合。

采用传统星型局域网的拓扑结构进行数字信号通信，所有的终端设备102都需要分别与数据交换设备101进行物理连接，但是，一般而言，各个终端设备102与数据交换设备101的物理距离长短不一，这导致了在实际应用场合下布线非常繁琐。

另外，在例如需要对从多个终端设备102输入的语音进行混音的情况下，如图1所示，从各个终端设备102输入的语音都是通过数据交换设备101转发给中央控制设备104进行混音的，而由于语音数据的播放对于连续性要求很严格，因此，一般采用深存储的方式来保证对来自各个终端设备102的用作混音的语音信号进行同步，即，在中央控制设备104上设置一个深度语音数据缓存区，当网络中存在的突发性数据拥堵而导致音频数据包到达滞后时，由于中央控制设备104用于混音的音频数据是经过深缓存的若干毫秒之前的数据片段，所以突发数据滞后不会对声音的连续性造成影响，从而解决了音频传输的连续性问题。但是，采用这样的深缓存方案会导致音频的延时，延时的长度取决于预先设定的用于深存储的缓存区大小，缓存区越大，音频数据的连续性就越好，但是延迟也越大，所以这种方案无法满足同时对连续性和延时特性能要求严格的应用场合(诸如进行实时语音传输的应用场合)。

本发明正是为了解决上述系统中存在的问题而提出的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种同时具有较好的连续性和实时性的基于局域网的、语音数字化传输系统，从而提供高品质的数字化语音传输。

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图用来确定本发明的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本发明的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。对于本领域普通技术人员而言，本发明的下述各个方面和由所附独立权利要求限定的方案可以与本发明中的实施例和/或从属权利要求进行任意可能的适当组合。

本发明提供了一种基于局域网的数字语音传输系统，包括，多个终端设备202-1，202-2，……，202-n和中央控制设备201，其特征在于：所述多个终端设备202-1，202-2，……，202-n串联连接，并且所述中央控制设备201与所述串联连接的终端设备中的最前端的一个终端设备202-1相连，其中来自各个所述终端设备的音频信号被串联地上行传输至所述中央控制设备，并且来自所述中央控制设备的音频信号被串联地下行传输至所述多个终端设备中的至少一个。

本发明通过在局域网内串行级联中央控制设备和多个终端设备，在中央控制器201的串行级联器A中产生基准时钟和同步信号、并将其应用于系统中的所有终端设备，并且在多个终端设备202向中央控制设备201传输音频数据包的过程中、在各个终端设备202处分散地进行动态地串行排序，从而避免了传统星型局域网连接下所有终端设备均向中央控制设备发送数据包时产生的拥堵阻塞，能够同时满足系统对语音连续性和延时性的严格要求。同时，由于该系统采用了串行级联的连接方式，使系统在实际工程应用中的布线和布局更加方便、并极大地降低了施工和维护成本。

附图说明

以下将参照下面的附图对实施例进行解释，以下示例仅仅是作为一种示例而非意于限制本发明。附图中：

图1是传统局域网星型拓扑结构的示意图；

图2是根据本发明的数字语音传输系统的结构图；

图3是根据本发明的数字语音传输系统中采用的中央控制设备的结构框图；

图4是根据本发明的数字语音传输系统中采用的终端设备的结构框图；

图5上述中央控制设备中采用的串行级联器A的结构框图；

图6上述中央控制设备中采用的串行级联器B的结构框图；

图7示出了利用本发明公开的上述数字语音传输系统结构实现的用于实现讨论功能的混音系统；

图8示出了利用本发明公开的上述数字语音传输系统结构实现的用于实现同声传译功能的同声传译系统；

图9示出了利用本发明公开的上述数字语音传输系统结构实现的用于同时实现讨论功能和同声传译功能的会议系统。

具体实施方式：

图2中示出了根据本发明的用于数字语音传输的系统结构图，与传统的星型局域网拓扑结构不同，根据本发明的用于数字语音传输的系统采用了的串行级联的连接方式。具体地，在该串行级联的系统中，各个终端设备202的上行端口402与其前一级终端设备的下行端口404连接，并且各个终端设备的下行端口404与其后一级终端设备的上行端口402连接，依此类推，最前端的一个终端设备202的上行端口402与中央控制设备201的硬件接口304连接。来自各个所述终端设备的音频信号序列被串联地上行传输至所述中央控制设备201，并且来自所述中央控制设备201的音频信号被串联地下行传输至上述多个终端设备中的至少一个，从而实现系统本发明的基于局域网的、串行级联结构的数字语音传输系统。

图3中示出了根据本发明的中央控制设备201的结构框图，其中，中央控制设备201包括A/D转换器305，D/A转换器306，音频编/解码器301，音频处理器302，串行级联器A 303和硬件接口304。

图4中示出了根据本发明的终端设备202的结构框图，其中，终端设备202包括用于与其前面的一个(将与中央控制设备更接近的终端设备称为前一个)终端设备进行通信的上行端口402，串行级联器B403，用于与其后面的一个终端设备进行通信的下行端口404，音频编/解码器401，A/D转换器405，D/A转换器406。

在进行音频信号的上行传输及处理过程中，终端设备202中的A/D转换器405对从外部接口设备(图中未示出)中接收到的终端设备本地的模拟音频信号进行数字采样，并将所得到的音频采样值发送至音频编/解码器401，音频编/解码器401对接收到的本地音频数字样值进行编码处理，并将编码得到的本地音频数据包发送至串行级联器B 403。串行级联器B 403除了接收本地音频数据包，还会接收来自其下行端口404的音频数据包序列，串行级联器B 403在同时接收到本地音频数据包和来自其下行端口404的音频数据包之后，将按照预定的规则对来自所述本地音频数据包和来自所述下行端口(404)的音频数据包序列进行排序，生成新音频数据包序列，然后将其通过其上行端口402发送至其上一级的终端设备的下行端口，与之类似地，其上一级的终端设备的串行级联器B403再对从其接收到的经过排序的新的音频数据包序列和该上一级的终端设备的音频编/解码器401生成的音频数据包进行排序、并再次生成新的音频数据包序列，然后继续将该再次生成的新的音频数据包序列发送至其上一级的终端设备的下行端口，依次类推，直到与中央控制设备201直接连接的终端设备202-1将进行最终排序后生成的最终的音频数据包序列发送给中央控制设备201的硬件接口304，完成上行传输。

中央控制设备201的硬件接口304在接收到上述最终的音频数据包序列后，将该最终的音频数据包序列发送给串行级联器A 303，串行级联器A 303将收到的音频数据包进行解析后、缓存在其包含的数字音频缓冲区内，供音频处理器302读取。同时，中央控制设备201的A/D转换器305对从本地外部接口设备(图中未示出)中接收到的本地模拟音频信号进行数字采样，并将所得到的本地音频采样值发送至音频编/解码器301，音频编/解码器301对接收到的本地音频数字样值进行编码处理，并将编码得到的数据发送至音频处理器302。音频处理器302将从音频编/解码器301接收到的本地数字音频和从串行级联器A 303接收到的多路终端数字音频进行各种处理，并将处理后得到的音频数据根据实际应用的需要分别返回至音频编/解码器301和/或串行级联器A 303，即可仅传输至音频编/解码器301或串行级联器A 303，也可同时传输至音频编/解码器301和串行级联器A 303。音频编/解码器301将收到的处理后的音频信号进行解码后发送给D/A转换器306，并由D/A转换器306转换为模拟音频信号，在中央控制设备201本地播放。串行级联器A 303(按照本发明以下将介绍的方式)将从音频处理器302接收到的处理后的音频数据通过硬件接口304发送给与之直接相连的终端设备202-1中的上行端口402，从而开始进行下行传输。

与中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的上行端口402接收到由中央控制设备201发送的音频处理后数据后，由串行级联器B403(以下将详细描述)对所述音频处理后数据的发送目标进行判断，并根据判断的结果选择性地将音频处理后数据在本地输出和/或发送给与所述串行级联器B所属的终端设备连接的下一级终端设备。

具体地，在判断该音频处理后数据的发送目标为该终端设备自身，将所述音频处理后数据在本地输出时，所述音频处理后数据被发送给该终端设备的音频编/解码器401，当音频编/解码器401接收到该音频数据时，对其进行解码并输出给D/A转换器406，然后由D/A转换器406将该音频数据转换为模拟音频信号、在该终端设备本地进行播放；在判断该音频处理后数据的发送目标为所有的终端设备时，将所述音频处理后数据在本地输出，并同时将所述音频处理后数据发送给该终端设备的下行端口404，该下行端口404将接收到的音频处理后数据传输给与之相连的下一级终端设备202的上行端口402；在判断该音频处理后数据的发送目标仅为与所述串行级联器B所属的终端设备之后的终端设备时，所述音频处理后数据被发送给该终端设备的下行端口404，该下行端口404将接收到的音频处理后数据传输给与之相连的下一级终端设备202的上行端口402。该下一级终端设备在接收到所述音频处理后数据后，将再次进行与上述类似的判断和发送处理，从而实现音频数据的下行串联传输。

图5中示出了根据本发明的中央控制设备201中的串行级联器A 303的结构框图，图6中示出了根据本发明的终端设备202中的串行级联器B403的结构框图。以下结合附图5和6来具体说明在下行传输的过程中和上行传输的过程中，串行级联器A 303和串行级联器B 403分别进行的处理。

在进行下行传输时，同步信号发生器508将生成的同步信号发送给同步帧生成器504，同步帧生成器504基于该同步信号609和从音频处理器302处理后的数字音频数据610生成同步帧505，并将同步帧505发送至复合调制器502，复合调制器502基于来自基准时钟发生器501产生的基准时钟信号607来调制同步帧505，并将调制后得到的已调同步帧发送至中央控制设备201的硬件接口304，以发送给与中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的上行端口402。

与中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的上行端口402在接收到所述已调同步帧后，将其发送至该终端设备202的帧判断器602，帧判断器602对该已调同步帧进行判断，并根据判断的结果选择性地将音频处理后数据在本地输出和/或发送给与所述串行级联器B所述的终端设备连接的下一级终端设备。

如果帧判断器602判断该已调同步帧是发给本终端设备的帧，则将其发送至解调模块601，该终端设备的解调模块601将从帧判断器602接收到的已调同步帧中提取出基准时钟信息607、同步信息609和音频数据610，其中，基准时钟信息607被送至时钟跟随电路605，时钟跟随电路605基于该基准时钟信息607和从本地时钟源603产生的本地时钟信号生成同步时钟608，该同步时钟608和同步信息609通过音频编/解码器接口606被发送至音频编/解码器401以及A/D转换器405和D/A转换器406，以对终端设备本地的采样时钟和音频信号分别进行同步；同时，音频数据610通过音频编/解码器接口606被发送至音频编/解码器401，音频编/解码器401将收到的音频信号进行解码后发送给D/A转换器406，并由D/A转换器406转换为模拟音频信号，以在该终端设备处进行本地播放。

如果与中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的帧判断器602判断出该已调同步帧是广播发送给所有终端设备202的帧，则在将其发送至解调模块601的同时，还将其发送至下行端口404，以传输至与之连接的下一个终端设备202的上行端口402，与之连接的下一个终端设备202进行与上述描述类似的已调同步帧判断和处理；如果与中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的帧判断器602判断该已调同步帧是只发送给其后某一级终端设备的帧，则不在本地进行解调、而是将其直接发送至与之连接的下一级终端设备202的上行端口402，供该下一级终端设备202进一步进行判断、并进行与之相同的处理，从而完成音频信号的下行传输。

在音频信号的上行传输过程中，如上所述，终端设备的音频编/解码器接口606在接收来自音频编/解码器401的本地音频数据时，将其传送给帧排序器604，帧排序器604对接收到的本地音频数据和下行端口404(由与该终端设备直接连接的后一级终端设备发送至该下行端口)的音频数据包序列按照到达的先后顺序进行排序，生成一个新的串行的音频数据包序列，并通过上行端口402发送至其前一个设备的下行端口404；与中央控制器201直接相连的终端设备-1则直接将生成的串行音频数据包序列发送至中央控制器201中的串行级联器A的包解析模块506，包解析模块506对串行的音频数据包序列中的各个音频数据包进行解析，根据该串行的音频数据包序列中的各个音频数据包所携带的标识信息来将其分别存储在数字音频缓冲区507中的各个相应的数据区中，通常，将标识信息相同的音频数据包(即，来自同一个终端设备的音频数据包)放入相同的数据区，供音频处理器302读取并进行各种处理。当需要对串行的音频数据包序列进行多种不同的音频处理时，音频处理器302中包含的多个处理单元将分别从数字音频缓冲区507中的各个相应的数据区中读取数据并进行相应地处理，从而实现上行级联传输。

在本发明的数字语音传输系统中，由于该系统采用了串行级联的物理连接方式，使系统在实际工程应用中的布线和布局更加方便，并极大地降低了施工和维护成本。同时，通过在中央控制器201中加入串行级联器A和在终端设备202中加入串行级联器B，使得在中央控制器201的串行级联器A中产生的基准时钟和同步信号被应用于系统中的所有终端设备，并且在多个终端设备202将音频数据包向中央控制设备201传输的过程中、在各个终端设备202处分散地进行了动态地串行排序，从而避免了传统星型局域网连接下数据包的拥堵阻塞，能够同时满足系统对语音连续性和延时性的严格要求。

工业应用

本发明中公开的上述数字语音同步系统可以用作数字会议系统，以进行诸如讨论、同声传译、表决、报到等功能。在例如由各级政府、人大、政协等举行会议的会场中，已有不少会场安装了电子会议系统，电子会议系统向与会人员提供了一个高效率的电子化信息交互平个。但是，在传统的电子会议系统中，通常采用将数字控制信号与模拟语音信号使用一条专用多芯电缆分离传输的方式，在这种方式下，语音与控制信息在一条专用多芯电缆内同时传输，实现语音与数据业务的整合。但是由于语音信号采用模拟信号直接传输，不可避免的受到来源于接入电阻、分布式电容、数据线干扰等各种外界干扰源的影响，极大地降低了语音信号的传输质量。

上述数字会议系统，例如，可用于实现如图7所示的用于实现讨论功能的混音系统和图8所示的用于实现同声传译功能的同声传译系统、以及如图9所示的同时实现混音和同声传译的会议系统。

具体地，在图7所示的混音系统中，除了将混音器302-1作为音频处理器之外，与以上描述的数字音频信号传输系统的结构完全相同，因此，对其相同之处不再赘述。

混音器302-1用于将所述中央控制设备201的本地数字音频和来自与所述中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的上行端口402的最终的新音频数据包合成为一路混音数据。具体地，将从音频编/解码器301接收到的来自A/D转换器的本地数字音频和从串行级联器A 303的数字音频缓冲区507中读取的多个终端在同一时间片段的数字音频数据合成一路混音数据，然后将此混音数据分别返回至音频编/解码器301和串行级联器A 303，串行级联器A 303按照以上描述的方法(在此不再赘述)将该混音数据广播发送至所有的终端设备，从而分别在中央控制设备201和终端设备202上播放经过混音的多个终端的音频信号，这样，利用串行级联的系统实现混音的功能。

在图8所示的同声传译系统中，在同声传译系统中该系统中，各个终端设备分别向中央控制设备发送不同语言的语音数据，其中，除了将同声传译器302-2作为音频处理器之外，与以上描述的数字音频信号传输系统的结构完全相同，因此，对其相同之处也不再赘述。

同声传译器302-2用于向来自所述中央控制设备201直接相连的终端设备202-1的上行端口402的、由多个终端设备提供的不同语言的数字音频数据加入标识同声传译通道分配信息的辅助数据，从而生成同声传译音频码流，并将该同声传译音频码流返回串行级联器A 303。

具体地，同声传译器302-2将从串行级联器A 303的数字音频缓冲区507中读取的来自多个终端的不同语言的数字音频数据加入标识同声传译通道分配信息的辅助数据，从而生成同声传译音频码流，然后不将该同声传译音频码流在中央控制设备本地播放，而是仅将该同声传译音频码流返回串行级联器A 303，串行级联器A 303按照以上描述的方式(在此不再赘述)将包括多种语言的该同声传译音频码流广播发送给所有的终端设备，从而在各个终端设备202上供使用者根据上述标识同声传译通道分配信息的辅助数据、有选择地播放其中一路同声传译语音，从而利用本发明中公开的串行级联系统实现同声传译的功能。

图9中所示的系统中的混音器302-1和同声传译器302-2将按照与上述类似的方式进行工作，从而实现同时具有混音功能和同声传译功能的会议系统，其具体工作方式在此不再赘述。

与现有技术中的系统相比，采用上述串行级联的结构实现的数字会议系统中的混音和同声传译，能够实现以下功能：由于该系统采用了终端设备的上行端口与前一个终端设备的下行端口连接的串行级联的连接方式，使系统在实际工程应用中的布线和布局更加方便，并极大地降低了施工难度和维护成本。同时，避免了传统星型局域网连接下数据包的拥堵阻塞，能够同时满足系统对语音连续性和延时性的严格要求。

此外，本发明中公开的上述数字语音同步系统还可以被用作公共广播系统、办公室间内部对讲系统等等。

以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式做出各种修改和变更而没有背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。

Claims (8)

1.一种基于局域网的数字语音传输系统，包括，

多个终端设备(202-1，202-2，……，202-n)和中央控制设备(201)，其特征在于：

所述多个终端设备(202-1，202-2，……，202-n)串联连接，并且所述中央控制设备(201)与所述串联连接的终端设备中的最前端的一个终端设备(202-1)相连，其中

来自各个所述终端设备的音频信号被串联地上行传输至所述中央控制设备，并且来自所述中央控制设备的音频信号被串联地下行传输至所述多个终端设备中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中

各个所述终端设备包括上行端口(402)、下行端口(404)、串行级联器B(403)、第一音频编/解码器(401)和第一A/D转换器(405)：

所述第一A/D转换器(405)用于接收从各个所述终端设备本地输入的本地模拟音频信号，并将其转换为数字音频数据；

上述第一音频编/解码器(401)用于将所述数字音频数据编码为本地音频数据包；

所述下行端口(404)用于接收从与该下行端口相连的下一级终端设备输入的音频数据包序列；

所述串行级联器B(403)用于按照预定的规则对所述本地音频数据包和来自所述下行端口(404)的音频数据包序列进行排序，以生成新音频数据包序列；

所述多个终端设备中除了与所述中央控制设备直接相连的终端设备(202-1)以外的各个所述终端设备(202-2，……202-n)的上行端口(402)，用于将所述新音频数据包序列传输至与该上行端口(402)相连的前一级终端设备；

所述多个终端设备中与所述中央控制设备(201)直接相连的终端设备(202-1)的上行端口(402)，用于将所述新音频数据包序列传输至中央控制设备(201)。

3.根据权利要求2所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中所述中央控制设备(201)包括：

第二A/D转换器(305)，用于接收从所述中央控制设备本地输入的模拟音频信号，并将其转换为数字音频数据；

第二音频编/解码器(301)用于将从该第二A/D转换器(305)输入的数字音频数据编码为中央控制设备本地音频数据包；

硬件接口(304)，用于接收从与该硬件接口(304)直接相连的终端设备(202-1)输入的所述新音频数据包序列；

音频处理器(302)，用于对所述中央控制设备本地音频数据包和新音频数据包序列进行音频处理，并将所述音频处理后的数据发送给串行级联器A(303)和/或所述第二音频编解码器(301)；

串行级联器A(303)，用于将音频处理后数据发送至与所述中央控制设备(201)直接连接的终端设备(202-1)的上行端口(402)；并且，

各个所述终端设备的串行级联器B(403)还用于对所述音频处理后数据的发送目标进行判断，并根据判断的结果选择性地将音频处理后数据在本地输出和/或发送给与所述串行级联器B所属的终端设备连接的下一级终端设备。

4.根据权利要求3所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中所述串行级联器A(303)包括：

同步信号发生器(508)，用于产生的所述系统的同步信号；和

基准时钟发生器(501)，用于产生的所述系统的基准时钟信号；并且，

所述基准时钟信号和同步信号被应用于该数字语音传输系统中的所有终端设备(202-1，202-2，……，202-n)，以对各个终端设备本地的采样时钟和音频信号进行同步。

5.根据权利要求3所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中

所述串行级联器B(403)利用帧判断器(602)来进行所述判断，并利用帧排序器(604)来进行所述排序。

6.根据权利要求3所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中

所述音频处理器(302)为混音器(302-1)，该混音器(302-1)用于将所述中央控制设备(201)的本地数字音频和来自与所述中央控制设备(201)直接相连的终端设备(202-1)的上行端口(402)的所述新音频数据包序列合成为一路混音数据。

7.根据权利要求3所述的基于局域网的数字语音传输系统，其中

所述音频处理器(302)为同声传译器(302-2)，该同声传译器(302-2)用于向来自所述中央控制设备(201)直接相连的终端设备(202-1)的上行端口(402)的、由多个终端设备提供的不同语言的数字音频数据加入标识同声传译通道分配信息的辅助数据，从而生成同声传译音频码流，并将该同声传译音频码流返回串行级联器A(303)。

8.根据前述任一项权利要求所述的基于局域网的数字语音传输系统，所述数字语音传输系统是数字会议系统、公共广播系统或办公室间内部对讲系统。

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