CN101764702B - 一种8kbps子时隙交换方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交换灵活、通过参数配置改变芯片的最小交换速率、与传统交换芯片相比具有较大优势的8kbps子时隙交换方法和设备。它是由可编程逻辑器件单元、微处理器单元、E1接口单元和电源单元组成的，可编程逻辑器件单元分别连接微处理器单元和E1接口单元，所述的一种8kbps子时隙交换方法，采取顺序写入控制读出的方式实现n*8kbps可变速率时隙交换，利用微处理器对数据实施IP分组封装，实现数据的分组交换，本发明通过参数配置改变芯片的最小交换速率，与传统交换芯片相比具有较大优势，并可完成系统间语音与数据交换的IP分组处理功能，充分发挥了时隙交换和IP分组交换在语音和数据交换中的优势，节省了成本。

Description

一种8kbps子时隙交换方法和设备

(一)技术领域

本发明涉及数字通信技术，具体说就是一种8kbps子时隙交换方法和设备。

(二)背景技术

语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。波形编码直接对模拟语音取样、量化，并用代码表示，其典型代表为PCM编码。PCM编码的主要过程是将模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值，以实现话音数字化。话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bit×8kHz＝64kb/s。

参量编码又称声源编码，它是以发音机制的模型作为基础，用一套模拟声带频谱特性的滤波器系数和若干声源参数来描述这个模型，在发送端从模拟语音信号中提取各个特征参量并进行量化编码。这种编码的特点是语音编码速率较低，基本上在2kbit/s---4.8kbit/s之间，语音的可懂度较好，但有明显的失真。

混合编码是将波形编码和参量编码结合起来，力图保持波形编码话音的高质量与参量编码话音的低速率。混合编码数字语音信号中既包括若干语音特征参量又包括部分波形编码信息。其比特率一般在4kbit/s---16kbit/s，语音质量可达到商用话音标准。

由于语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的话音质量的前提下，尽可能地降低语音码的比特率。例如GSM数字蜂窝移动系统中的语音编码技术即采用混合编码，称之为规则脉冲激励--长期预测(RPE-LTP)编码，其速率为13kbit/s，语音质量MOS得分可达4.0。又如在TETRA数字集群系统中采用的先进的码本激励线形预测编码(ACELP)，其速率为4.567kbit/s，获得了较好的语音通话质量和频谱利用率。然而在语音编码的低速率化的发展过程中，交换芯片却没有得到应有的发展。现有的交换芯片都是基于PCM的64kbps的时隙交换。这是由于PCM的编码速率为8bits×8kHz＝64kbit/s，在传输通道中占用E1、T1或J1的一个时隙，现有的交换芯片将输入的E1、T1或J1的串行数据流转换为8bits的并行数据，分时隙的存储到芯片的缓存中。然后根据输入时隙和输出时隙的配置将数据在输出时隙从缓存中读出，并进行并串转换，输出串行数据流。这种方式虽然完成了时隙交换，但我们发现这种时隙交换不够灵活，该方式只能完成最小交换速率为64kbps的时隙交换，对于小于64kbps速率的时隙交换则存在交换速率利用率不高的缺点。例如在GSM系统中采用了规则脉冲激励--长期预测(RPE-LTP)编码，其速率为13kbit/s，在传输中只占用E1、T1或J1通道的不到四分之一时隙，在语音交换之前，首先要进行解码并转换为64kbit/s的PCM码流，然后送入交换芯片完成交换，交换后的数据要再次转换为RPE-LTP编码格式，具体的流程如图1所示。从图1中我们可以看到，速率为13kbit/s的语音数据占用了64kbit/s的交换带宽，交换带宽利用率很低，这也是造成现存系统交换中心庞大的主要原因。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种交换灵活、通过参数配置改变芯片的最小交换速率、与传统交换芯片相比具有较大优势的8kbps子时隙交换方法和设备。

本发明的目的是这样实现的：所述的一种8kbps子时隙交换设备，它是由可编程逻辑器件单元、微处理器单元、E1接口单元和电源单元组成的，可编程逻辑器件单元分别连接微处理器单元和E1接口单元，微处理器单元连接E1接口单元，电源单元分别连接可编程逻辑器件单元、微处理器单元和E1接口单元。

所述的一种8kbps子时隙交换方法，采取顺序写入控制读出的方式实现n*8kbps可变速率时隙交换，利用微处理器对数据实施IP分组封装，实现数据的分组交换，利用环形缓冲区实现微处理器到可编程器件的方向的语音及数据缓存，抵消网络上的传输抖动的方法，在集群通信系统的单一设备上实现低速率语音时隙交换和数据分组交换。

本发明一种8kbps子时隙交换方法和设备，提出了一种在TETRA数字集群通信系统中应用的最小交换速率为8kbit/s的时隙交换方法和设备，由于在TETRA数字集群通信系统中采用ACELP编码，速率为4.567kbit/s，增加部分保护比特，速率为7.2kbit/s，若采用GSM系统的交换方法，将造成交换带宽的很大浪费，利用本发明的方法，将使交换带宽利用率提高8倍，同时，本发明交换灵活，可通过参数配置改变芯片的最小交换速率，与传统交换芯片相比具有较大优势。

由于目前还没有解决低速率语音交换的专用芯片，本发明用可编程逻辑器件解决了这个问题，同时，本发明进行了扩展，通过参数的配置，可实现n*8kbps速率的语音交换，灵活性较高，通用性较强。本发明将语音时隙交换和数据交换集成到单个设备中，并可完成系统间语音与数据交换的IP分组处理功能，充分发挥了时隙交换和IP分组交换在语音和数据交换中的优势，节省了成本。

(四)附图说明

图1为GSM系统语音交换结构图

图2为本发明的硬件结构图

图3为本发明的可编程器件软件结构图

图4为本发明的8kbps交换模块软件结构图

图5为本发明的微处理器的软件结构图

图6为好易通公司TETRA系统连接图

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：本发明一种8kbps子时隙交换设备，它是由可编程逻辑器件单元、微处理器单元、E1接口单元和电源单元组成的，可编程逻辑器件单元分别连接微处理器单元和E1接口单元，微处理器单元连接E1接口单元，电源单元分别连接可编程逻辑器件单元、微处理器单元和E1接口单元。本发明一种8kbps子时隙交换方法，采取顺序写入控制读出的方式实现n*8kbps可变速率时隙交换，利用微处理器对数据实施IP分组封装，实现数据的分组交换，利用环形缓冲区实现微处理器到可编程器件的方向的语音及数据缓存，抵消网络上的传输抖动的方法，在集群通信系统的单一设备上实现低速率语音时隙交换和数据分组交换。

实施例2：本发明一种8kbps子时隙交换方法和设备，解决了在语音编码速率逐渐降低的过程中，传统时隙交换芯片使用不灵活，交换带宽利用率低的问题。利用可编程器件基于传统的时隙交换T接线的原理，采取顺序写入控制读出的方式实现时隙交换，同时本发明改进原有的时隙交换，灵活的控制时隙交换的速率，提高了低速率时隙交换的带宽利用率，而且本发明利用微处理器实现了语音数据的IP处理，可实现语音的IP分组交换。本发明在好易通科技有限公司研发的TETRA联网系统中实现4E1接口480路8kbit/s速率语音时隙交换及30路语音或相同速率的数据的分组交换。本发明的硬件结构主要包括以下四个部分：微处理器单元；可编程逻辑器件单元；E1接口单元；电源单元。结构框图如图2所示。微处理器单元主要包括微处理器芯片，晶体振荡器，复位器，SDRAM存储芯片，NANDFLASH存储芯片，网络接口，串行接口等部分。可编程逻辑器件单元主要包括可编程逻辑器件，配置芯片，在线仿真接口等部分。E1接口单元主要包括E1接口芯片，E1线路接口，E1线端变压器等部分。

实施例3：本发明一种8kbps子时隙交换方法和设备，所述的可编程器件的软件结构如图3所示。可编程器件为完成可变速率语音交换，及数据的缓存功能，其软件模块主要分为以下几个部分：

1.E1接口模块

该模块完成对E1接口芯片的时钟信号、同步信号输出，完成对输入串行数据的采样及根据E1接口芯片的时序完成串行数据的输出。首先根据内部2MHz时钟进行比特计数并产生基本帧同步信号，然后根据E1接口芯片输出的复帧同步信号产生基本帧计数，为保证采样数据的正确性，须在输入数据比特中间位置进行采样，输出时则需对串行数据进行同步，并将正确的数据插入正确的时隙。

2.8kbit/s交换模块

8kbit/s交换模块是可编程器件内的核心模块，本模块采取顺序写入，控制读出的方式实现交换，其结构如图所示。本模块定义了控制接口模块、模式寄存器、控制寄存器、连接寄存器、数据寄存器及输出整合模块等部分。具体的工作过程主要包括以下两个过程：

1)微处理器访问过程

微处理器访问交换模块的主要目的是将待交换时隙的地址写入连接寄存器，为此通过先访问模式寄存器，写入预定义数据，确定模块交换的速率，然后访问控制寄存器，写入将要访问的E1线路及其寄存器类型(数据寄存器或连接寄存器)，最后由控制接口模块根据模式寄存器和控制寄存器的内容转换微处理器给出寄存器的地址和读写使能，访问相应的数据寄存器或连接寄存器位置，实现对数据寄存器的数据读取和对连接寄存器的交换地址写入。

2)交换过程

交换过程是一个同步过程，下面主要描述8kbit/s时隙交换的交换过程，对于根据模式寄存器改变交换模块的交换速率，其交换过程基本一致。首先，将同一时刻对四路输入的采样得到的四比特采样数据根据比特计数及E1线路存储到数据寄存器不同的地址，每一帧的数据按地址累加存储。为保证数据存储与读取不冲突，数据寄存器采用乒乓缓存的方式，即将四路E1线路当前帧的数据存储到数据寄存器乒缓存区，则将下一帧数据存储到乓缓存区，读写分时操作，当对乒缓存区进行写操作时，则对乓缓存区进行读操作，反之亦然。由于交换模块交换的时隙速率为8kbit/s，因此输入串行数据的一帧的每一个比特就代表一个时隙，所以8kbit/s时隙交换就是将输入数据帧中的某一个比特位交换到输出数据帧中的另一个比特位上，在本发明的实施例中，输入数据的比特计数和输出数据的比特计数保持一致，这样可以实现最小的交换延迟。连接寄存器按E1线路数分为四块存储区，每一块存储区依比特位顺序存储待交换时隙在数据寄存器中的地址，这些地址是由微处理器随时更新的，而交换过程就是在某一个比特计数时刻首先依E1线路顺序读取连接寄存器相应地址内的数据，然后将此数据作为地址顺序读出数据寄存器中的数据，并将读出的四比特数据进行串并转换，转换后的四路数据用2MHz时钟同步并输出就完成了整个交换过程。

3.语音及数据缓存模块

该模块完成双向语音及数据的缓存。在可编程器件到微处理器的方向(上行方向)上，采用中断读取的方式，以固定时间间隔产生中断，同时为每个通道建立两块缓存区作为乒乓读缓存区，在中断时刻切换乒乓缓存，将交换模块输出串行语音和数据按时隙写入其中一个缓存区中的相应地址，暴露给微处理器另一块缓存区读取语音与数据，在下一个中断时刻再做反向切换，利用乒乓缓存算法来保证语音与数据的连续不间断传输，同时在语音和数据的末尾附加标志位，若为0，则表示该数据为效数据通道处于关闭状态，若为1，则表示该数据为有效数据通道处于开通状态。在微处理器到可编程器件的方向(下行方向)上，为了抵消网络上的传输抖动和微处理器的处理抖动，需要为每个通道建立多个缓存区做缓冲处理，初始标记所有缓存区为无效数据缓存区，并将缓冲区的其中一块缓存暴露给微处理器，暴露的缓存将在微处理器写完毕该缓存的时刻切换，同时将该缓存标记为有效数据缓存区。在中断时刻判断有效缓存区的数量，当有效数据缓存区到达一定数量时，则比较有效缓存区中数据包的先后顺序，将最先到达的数据包先拷贝到写乒乓缓存区中，同时将拷贝完数据的缓存区标记为无效数据缓存区，在下一次中断时刻重复上述操作，直到有效数据缓存区的数量为零时停止。写乒乓缓存区在中断时刻做切换，当将有效数据缓存区中的数据拷贝到乒缓存区中时，则读取乓缓存区中的数据插入到相应时隙发送到交换模块。

4.时钟模块

时钟模块由可编程器件内部的锁相环模块输出，产生所需时钟满足可编程器件内部各模块的时钟同步要求。

微处理器应用程序的软件结构：

微处理器应用程序主要完成对E1接口芯片的初始化及参数配置，以太网数据收发及处理，参数配置及在线升级，对可编程器件时隙交换的控制及语音和数据的IP分组处理等任务。微处理器应用程序接收可编程器件的数据采取中断读取方式，可编程器件的语音和数据按通道存储到不同的地址，当中断时，应用程序连续读取所有通道的语音或数据，并判断语音或数据的有效标志位，对有效的语音或数据进行处理，无效的语音或数据丢弃。对于不需要经过IP网络交换设备进行交换的数据，则由应用程序将数据写回可编程器件，完成数据交换；对于需要经过IP网络设备进行交换的语音和数据，应用程序对其进行IP分组处理并通过以太网接口发送。同样，在相反方向上，微处理器接收到网络上的IP分组数据包，解析并区分通道，按地址写入可编程器件的缓存中。

本发明应用在好易通科技有限公司研发的TETRA数字集群联网系统中，该系统连接至少两个以上的TETRA系统，系统间通过IP网络进行连接，如图6所示。本发明设备通过E1线路与TETRA系统的各基站连接，完成系统内语音的时隙交换及数据交换；同时，对于联网系统间的语音和数据交换，本设备将语音与数据进行IP分组处理，通过IP网络交换设备完成交换。本发明的技术关键点在于：

1)n*8kbps可变速率时隙交换模块的实现方法。

2)将时隙交换和IP分组处理集成到单个设备中，充分发挥了时隙交换和IP分组交换在语音和数据交换中的优势。

3)利用环形缓冲区实现微处理器到可编程器件的方向的语音及数据缓存，抵消网络上的传输抖动的方法。

Claims (1)

1.一种8kbps子时隙交换方法，其特征在于：利用可编程器件采取顺序写入控制读出的方式实现n*8kbps可变速率时隙交换，利用微处理器实现了语音数据的IP处理，实现语音的IP分组交换，对于不需要经过IP网络交换设备进行交换的数据，则由微处理器的应用程序将数据写回可编程器件，完成数据交换；对于需要经过IP网络设备进行交换的语音和数据，微处理器的应用程序对其进行IP分组处理并通过以太网接口发送；可编程器件中的语音及数据缓存模块完成双向语音及数据的缓存，在微处理器到可编程器件的下行方向上，为了抵消网络上的传输抖动和微处理器的处理抖动，需要为每个通道建立多个缓存区做缓冲处理，初始标记所有缓存区为无效数据缓存区，并将缓冲区的其中一块缓存暴露给微处理器，暴露的缓存将在微处理器写完毕该缓存的时刻切换，同时将该缓存标记为有效数据缓存区，在中断时刻判断有效缓存区的数量，当有效数据缓存区到达一定数量时，则比较有效缓存区中数据包的先后顺序，将最先到达的数据包先拷贝到写乒乓缓存区中，同时将拷贝完数据的缓存区标记为无效数据缓存区，在下一次中断时刻重复上述操作，直到有效数据缓存区的数量为零时停止；写乒乓缓存区在中断时刻做切换，当将有效数据缓存区中的数据拷贝到乒缓存区中时，则读取乓缓存区中的数据插入到相应时隙发送到可编程器件中的交换模块。

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