CN103338534A - 卫星传输路由器 - Google Patents

Abstract

卫星传输路由器属于信号传输技术领域，尤其涉及一种卫星传输路由器。本发明提供一种可增加通信容量、提高话音质量和通信可靠性的卫星传输路由器。本发明包括DSP 、FPGA 、SDRAM 、信号转换部分、网络接口部分、供电部分和卫星信号接口部分，其结构要点网络接口部分端口、DSP 端口、FPGA 端口、信号转换部分端口、卫星信号接口部分依次相连，SDRAM 端口与DSP 端口相连；所述DSP 接收网络接口部分输入的网络信息并进行语音压缩后输出给FPGA ，FPGA 将语音压缩信息通过信号转换部分转换成时钟信号、信息信号、控制信号输出给卫星信号接口部分。

Description

卫星传输路由器

技术领域

本发明属于信号传输技术领域，尤其涉及一种卫星传输路由器。 

背景技术

路由器是连接各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。由于卫星传输线路的特殊性，对于路由器的通信容量、话音质量、安全性等指标有更高的要求。另外，对于路由器的语音压缩方法也有待改进。 

民用航空空中交通服务，是管制员利用地空通信传输话音、气象等信息，对管辖区域内民航飞行器实施指挥、管制与引导等行为的总称。其中，语音通信是整个民航安全生产过程中最重要的环节。飞机飞行中的安全性主要靠语音通信指挥和保障。2006年以来，我国民用航空运输总量稳居世界第2，且以年均15%的速率持续增长，航班密度不断增大，导致空中交通管制语音通信容量急剧增加，找寻一种占用带宽更小、语音质量好的压缩方法成为一种必然的趋势。 

卫星等窄带传输是民航语音通信的重要手段，要满足这样的传输方式，除了要保证传输语音的实时性和准确性，还要具备延时小、复杂度低等特点。 

语音编码主要有三种方式: 波形编码、声码器和混合编码, 通常把编码速率低于64kbps的语音编码方式称为语音压缩编码技术。波形编码是将语音信号当作一般波形信号来处理，使重构的语音波形与原始语音波形尽可能保持一致，即在编码时以波形逼近为原则对语音信号进行编码。波形编码具有适应能力强、语音质量好和抗噪性强等优点，但是其编码速率较高，一般在16kb/s～64kb/s范围内。常见的编码方式包括脉冲编码调制(PCM)、自适应差分脉码调制(ADPCM)等。参数编码的基本思想是通过提取语音信号的特征参数来进行编码，力图使重构的语音具有尽可能高的可懂度，其优点是编码速率比较低，通常在16kb/s以下，甚至在2.4kb/s以下。但它的主要缺点是合成语音质量较差，自然度低，而且对说话环境要求苛刻，需要在安静的场合下才能有较高的可懂度。由于以上两种编码方法的先天性不足，后来人们提出了混合编码方法，它与参数编码相同的是，也采用了合成分析技术，同时又利用了语音的波形信息，增强了重构语音的自然度，使得合成语音质量有了明显的提高，其代价是编码速率有所上升，一般都在2.4kb/s～16kb/s之间。这类编码器主要有低延时码激励线性预测编码（LD-CELP）、规则脉冲激励线形预测编码(RPE-LPC)和码激励线形预测编码(CELP)等。 

稀疏编码的概念源于视神经网络的研究，是对只有一小部分神经元同时处于活跃状态的多维数据的神经网络的表示方法。生物学实验表明，视皮层对外界刺激的处理采用神经稀疏表示原则，这既对繁杂冗余的信息提供了简单表示，又利于上层传感神经抽取刺激中最本质的特征。 

从数学的角度讲，稀疏编码目前被假设为是对多维数据进行线性分解的一种表示方法。假设输入数据                                                   为n维随机向量，用

表示线性转换后的m维向量，那么线性转换矩阵则为   

维，记为，线性转换表达式如下：   

 （1）W又称为稀疏变换矩阵，其每一个行向量类似小波变换中的小波基；S为线性转换后的稀疏分量，满足稀疏(超高斯)分布的要求，并且向量

尽可能地相互独立。“稀疏性”的概念是指随机向量中的大部分元素都为零，只有极少数元素不为零。典型的稀疏分布如图12所示，其概率密度函数在原点处有尖锋，两旁有较重的拖尾。 

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可增加通信容量、提高话音质量和通信可靠性的卫星传输路由器。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括DSP、FPGA、SDRAM、信号转换部分、网络接口部分、供电部分和卫星信号接口部分，其结构要点网络接口部分端口、DSP端口、FPGA端口、信号转换部分端口、卫星信号接口部分依次相连，SDRAM端口与DSP端口相连；所述DSP接收网络接口部分输入的网络信息并进行语音压缩后输出给FPGA，FPGA将语音压缩信息通过信号转换部分转换成时钟信号、信息信号、控制信号输出给卫星信号接口部分；信号转换部分将卫星信号接口部分输入的外部卫星时钟信号、信息信号、控制信号进行信号转换后传给FPGA，FPGA进行信号分析后传递给DSP，DSP处理信息后传给网络接口部分。 

作为一种优选方案，本发明还包括LED指示部分，LED指示部分端口与DSP端口相连；LED指示部分用于显示信号转换部分信号输入输出状态、网络运行状态。 

作为另一种优选方案，本发明所述网络接口部分包括两个网络接口，两个网络接口为级联结构或冗余结构。 

作为另一种优选方案，本发明所述信号转换部分采用V35信号转换芯片。 

作为另一种优选方案，本发明所述语音压缩的方法采用民航管制语音稀疏编码方法：1）将待处理一段语音信号x(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时平稳语音序列

，构成N

M维的矩阵： 

2）对X进行中心化，从中去除X的均值，令其为   

，处理后的数据为   

，其稀疏分量为：

      

去除S中零元素，，取少数非零分量组合得到新的系数为：

     

3）将

通过稀疏变换矩阵进行反变换，得到压缩后的矩阵:

          

4）由

和   

得压缩语音信号：

。

作为一种优选方案，对所述压缩语音信号的

进行判断，查看内容是否相同；若是，直接传输一次内容相同的部分，并将数据长度附加发送。 

作为另一种优选方案，本发明所述   

， 

A=

，即 

A是对a(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时的平稳语音序列，即

a(n)是与所述x(n)具有相同的统计特性的已知语音信号。

其次，本发明所述矩阵X中各参数为： 

P为人耳可听见语音幅值最小值。

另外，本发明所述P为-10分贝。 

本发明有益效果： 

本发明是窄带卫星传输的专用设备，可用于民航空管接入平台，支持话音的收发。本发明通过DSP、FPGA、SDRAM、信号转换部分、网络接口部分、供电部分和卫星信号接口部分的配合使用，可增加通信容量、提高话音质量和通信可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。 

图1是本发明结构示意图。 

图2是本发明电气连接图。 

图3是本发明网络接口部分电路原理图。 

图4是本发明SDRAM引脚连接图。 

图5是本发明DSP引脚连接图。 

图6是本发明LED指示部分引脚连接图。 

图7是本发明供电部分电路原理图。 

图8是本发明V35信号转换芯片V35IN电路原理图。 

图9是本发明V35信号转换芯片V35OUT电路原理图。 

图10是本发明卫星信号接口部分引脚连接图。 

图11是本发明FPGA引脚连接图。 

图12是稀疏分布示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括DSP、FPGA、SDRAM、信号转换部分、网络接口部分、供电部分和卫星信号接口部分，网络接口部分端口、DSP端口、FPGA端口、信号转换部分端口、卫星信号接口部分依次相连，SDRAM端口与DSP端口相连；所述DSP接收网络接口部分输入的网络信息并进行语音压缩后输出给FPGA，FPGA将语音压缩信息通过信号转换部分转换成时钟信号、信息信号、控制信号输出给卫星信号接口部分；信号转换部分将卫星信号接口部分输入的外部卫星时钟信号、信息信号、控制信号进行信号转换后传给FPGA，FPGA进行信号分析后传递给DSP，DSP处理信息后传给网络接口部分。 

如图3所示，网络接口部分可适用于10Base-T和100Base-T转换为TTL电平，TTL电平转换为10Base-T和100Base-T。 

如图4所示，SDRAM用于语音信息的存储和读取。 

如图5所示，DSP通过SDRAM调用、存储和压缩语音信息后，应用民航管制语音稀疏编码方法进行语音压缩。 

本发明还包括LED指示部分，LED指示部分端口与DSP端口相连；LED指示部分用于显示信号转换部分信号输入输出状态、网络运行状态等。如图6所示，LED通过DSP进行控制，显示V35信号输入输出状态、网络运行状态。LED指示灯状态如下表： 

标号	名称	功能描述
			1	V35数据显示灯组	当卫星传输路由器接入V35数据时，显示相关的数据传输状态。
2	RX状态显示	显示信号是否通过本通道进行信号接收。
			3	TX状态显示	显示信号是否通过本通道进行信号发送。
4	LOS状态显示	显示信号是否为断开状态。
			5	LINK状态显示	显示信号是否为连接状态。
6	RUN状态显示	显示设备运行启动状态。
			7	ALM状态显示	设备报警显示。
8	V24数据显示灯组	当卫星传输路由器接入V35数据时，显示相关的数据传输状态。该显示灯组功能描述与V35数据显示灯组相同。

所述网络接口部分包括两个网络接口，两个网络接口为级联结构或冗余结构。当一路网络不通时，另一路网络可以继续工作；可设置当信息是由两路网络同时传递时，没有优先级。

所述信号转换部分采用V35信号转换芯片。 

如图8所示，V35IN部分将差分信号转化成TTL信号。 

如图9所示，V35OUT部分将TTL信号转化成差分信号。 

如图11所示，FPGA用来进行V35数据接口选择、时钟方式选择和相位选择。 

本发明的工作过程： 

1）信息通过两个网络分别传递给DSP，DSP将网络信息进行稀疏编码算法语音压缩后传递给FPGA，FPGA把信息通过V35信号转换芯片，把信息转换成时钟信号，信息信号，控制信号。

2）外部卫星时钟信号，信息信号和控制信号通过V35接口进行信号转换，将信息传给FPGA，FPGA进行信号分析后传递给DSP，DSP处理信息后传给两个网络，这样就实现了把V35信号转换成网络信号。 

下面详细说明本发明所采用的民航管制语音稀疏编码方法： 

设待处理一段语音信号x(n)，将x(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时平稳语音序列   ，构成N

M维的矩阵：

(2)

对

进行处理，其中P为人耳可听见语音幅值最小值约-10分贝。

矩阵中各参数的确定 

其中

对X进行中心化，即从中去除X的均值，令其为，处理后的数据为

，其稀疏分量

（7）

去除S中零元素，取少数非零分量组合得到新的系数为

（8）

即为S的各个稀疏分量经压缩后得到的矩阵，将

通过神经元

进行反变换便可得到压缩后的矩阵

（9）

由

和

可得

（10）

此时

的帧长分别压缩为32，即语音传输率压缩到4kb/s，传输延时仅为9ms；更好地满足了民航卫星通信窄带（64k）传输需求，提高了实时性，杜绝了漏、吃字等指令丢失现象，使语音口令准确、及时、稳定地到达目的地。

将压缩后语音信号的

进行判断，查看内容是否相同，若是，可直接传输一次内容相同的部分，并将数据长度附加发送即可，此方法可进一步达到对语音信号压缩的目的，进一步节省了带宽的占用。 

由上述可以看出，利用稀疏编码进行语音压缩，计算复杂度低，传输延时小，在保证语音清晰度同时，带宽节省一倍以上，大大提高了民航管制语音的实时性和鲁棒性。 

转换矩阵W的确定 

由（1）式可知，稀疏编码语音压缩的关键是要寻找合适的转换矩阵

，使语音信号经转换后得到的输出分量尽可能具有稀疏分布。

为了确定最优矩阵

，设已知语音信号为a(n)，a(n)与x(n)具有相同的统计特性，对a(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时平稳语音序列，构成NM维的矩阵： 

(11)

根据语音信号的特点，我们可以假设矩阵

，

(12)

存在一个非零矩阵，使得矩阵A满足A=，其中设A是由N个源信号

混叠而成，

(13)

进一步表示为：

(14)

在矩阵B的第j列的投影构成了语音信号的基本组成，因此语音数据A可以看作是由N个基函数的线性组合构成，矩阵B的每一列都是A的特征基函数，这些基函数反映了a(n)的本质特性，

（15）

其中即为转换矩阵，则有

，这样

的每一行对应语音信号a(n)的特征基函数。分离矩阵

即为特征基函数矩阵，反映了原始语音信号a(n)的统计特性，因此求解出该特征矩阵

也就得到了稀疏编码压缩中所需的神经元网络转换矩阵。

语音质量评价及比较 

语音编码器的质量评价可分为客观质量评价和主观质量评价两种。客观质量评价是人们利用一些客观误差的测量方法来测量原始语音与编码重建语音之间的差别，给出一个定量的结果。主观评价是把编码的重建语音播放给有经验的管制员听，由管制员给语音信号的质量打分，这里所采用的方法为MOS法。采用客观评价和部分主观评价相结合的方法，可以更有效地评价语音质量。其中，管制员人数为30人，采用的语音尽量包括男女、中英文、大人和小孩等各种类型。

客观质量评价及比较，将稀疏编码法与标准宽带语音编码算法中G.723.1的语音进行比较。因为本发明算法的传输比特率是4kbit/s，因此采用比特率为6.3kbit/s的G.723.1编解码语音进行比较，比较的方法采用共轭谱距离测度法(CEP)、信噪比距离测度法(SNR)和似然比距离测度法(LR)，其结果相似度越大，评价值的绝对值就越小，且所有的评价值都是平均值。表2和表3分别为语音在G.723.1和本发明稀疏编码方法下的客观评价值，由表中数据可以看出，稀疏编码法比G.723.1具有更好的相似度。 

表2 语音在G.723.1的6.3kbit/s下的客观评价值 

表3 语音在本发明稀疏编码方法下的客观评价值

主观质量评价及比较

在主观质量的评价中，可采用MOS的评价方法，还有降低等级（DCR）的评定方法。DCR方法是让听音者把编码后语音与编码前的语音相比，并评定出降低的程度，没有降低的给5分，对降低非常差的给1分，依次分为5个等级。表4为3种语音的MOS测试值，从表中可以看出，本发明稀疏编码法与G.723.1和LPC法相比语音质量较高。

表4各种语音的MOS测试值 

下表是对传统语音压缩编码方法与本发明稀疏编码方法优缺点的比较。

压缩方法	码率（kb/s）	语音质量	复杂度（MIPS）	时延（ms）	优缺点
						脉冲编码调制(PCM)	64	4.5	最小	最短	复杂度最小，时延短，但压缩比小，占用带宽高。
自适应差分脉码调制(ADPCM)	32	4.0	2		相对于PCMA和PCMU，压缩比较高，可提供2：1的压缩比，但声音质量一般。
						SB-ADPCM	64/56/48				音质好，但带宽要求高。
VBR-ADPCM	40/32/24/16	4.2/4.0	3		带宽要求高。
						LPC	2-4.8	3.x			压缩比大，廉价，但计算量大，语音质量不是很好，自然度较低。
MP-MLQ/ACELP	6.3/5.3	3.x	16		码率低，带宽要求较小。并达到ITU-TG723要求的语音质量，但语音质量低。
						低延时码激励线性预测编码（LD-CELP）	16	4.3			后向自适应，采用自适应后置滤波器来提高其性能，但比其它的编码器都复杂。
共轭结构代数码激励线性预测编码（CS-ACELP）	8	4.0	20		语音质量良，应用领域很广泛，采用了矢量量化、合成分析和感觉加权，提供了对帧丢失和分组丢失的隐藏处理机制，但在处理随机比特错误方面性能不好。
						长时预测规则脉冲激励（RPE-LTP）编码器	13	3.7	5	20	压缩比较高，但语音质量较低，时延长。
稀疏编码	4	4-5		9	压缩比高，语音质量高，编码复试度低，时延短。

本发明采用稀疏编码方法对语音进行压缩并加以实验验证，经过客观评价和多位管制员的实际评测可知，编解码前后的语音具有较好的相似度，且质量可达到4～5分。由此可以看出，稀疏编码法与其它语音编码方法相比，具有编码速率低、语音质量好的优势。结果表明，该方法能够改善空管话音质量及其传输方式，对飞行安全和效率的提升起到促进作用。另外，本发明采用稀疏编码算法压缩过的语音数据，封装成32个字节的小数据包进行交换传输，通过实测，该方法在保证语音质量的同时，带宽节省一倍以上，达到4kb/s。 

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.卫星传输路由器，包括DSP、FPGA、SDRAM、信号转换部分、网络接口部分、供电部分和卫星信号接口部分，其特征在于网络接口部分端口、DSP端口、FPGA端口、信号转换部分端口、卫星信号接口部分依次相连，SDRAM端口与DSP端口相连；所述DSP接收网络接口部分输入的网络信息并进行语音压缩后输出给FPGA，FPGA将语音压缩信息通过信号转换部分转换成时钟信号、信息信号、控制信号输出给卫星信号接口部分；信号转换部分将卫星信号接口部分输入的外部卫星时钟信号、信息信号、控制信号进行信号转换后传给FPGA，FPGA进行信号分析后传递给DSP，DSP处理信息后传给网络接口部分。

2.根据权利要求1所述卫星传输路由器，其特征在于还包括LED指示部分，LED指示部分端口与DSP端口相连；LED指示部分用于显示信号转换部分信号输入输出状态、网络运行状态。

3.根据权利要求1所述卫星传输路由器，其特征在于所述网络接口部分包括两个网络接口，两个网络接口为级联结构或冗余结构。

4.根据权利要求1所述卫星传输路由器，其特征在于所述信号转换部分采用V35信号转换芯片。

5.根据权利要求1所述卫星传输路由器，其特征在于所述语音压缩的方法采用民航管制语音稀疏编码方法：1）将待处理一段语音信号x(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时平稳语音序列 

，构成N

M维的矩阵：

2）对X进行中心化，从中去除X的均值，令其为

，处理后的数据为

，其稀疏分量为：

      

去除S中零元素，，取少数非零分量组合得到新的系数为：

  

3）将

通过稀疏变换矩阵

进行反变换，得到压缩后的矩阵:

           

4）由

和

得压缩语音信号：

。

6.根据权利要求5所述卫星传输路由器，其特征在于所述压缩语音信号的

进行判断，查看内容是否相同；若是，直接传输一次内容相同的部分，并将数据长度附加发送。

7.根据权利要求5所述卫星传输路由器，其特征在于所述

， 

A=

，即 

A是对a(n)进行无交叠分帧处理，帧长为M=512，得到N帧短时的平稳语音序列，即

a(n)是与所述x(n)具有相同的统计特性的已知语音信号。

8.根据权利要求5所述卫星传输路由器，其特征在于所述矩阵X中各参数为：

P为人耳可听见语音幅值最小值。

9.根据权利要求8所述卫星传输路由器，其特征在于所述P为-10分贝。

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