CN107396211A - 无线语音发送端、接收端以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线语音发送端、接收端以及系统，包括：第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；第一处理器，用于将所述第一音频模块的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至发送模块；所述发送模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据。本发明实现更远距离的语音传输，无线语音接收端解调可获得相较于fsk 10db以上的灵敏度提升，同等发射功率下理论上可获得10倍以上的距离提升。且更低的发射功率对无线环境污染小，扩频通讯技术信道占用率更高。

Description

无线语音发送端、接收端以及系统

技术领域

本发明涉及语音通信领域。更具体地说，本发明涉及一种无线语音对讲系统。

背景技术

传统的模拟对讲机使用模拟调制方式直接调制语音传输，特点是实现功能简单，接收端只要频点对应则可以直接解析出语音信息，语音信息一般采用倒频等方法进行信息加密，由于加密方法简单，非常易于破解，由于传输距离主要依赖于发射功率或天线，因此想要提升传输距离的方式只有加大发射功率或者是选用价格更高、更优质的天线，严重影响对讲机的使用成本和制作成本。

目前市面上最常见的数字语音调制方式常用psk或fsk等数字调制方式，语音通常用数字编码并压缩，可方便进行加密或处理，使得安全性得到一定的提高，但是由于采用数字fsk调制的传输距离仍然有限，增加距离还是得用较高的发射功率和更高效的天线。

显然，市面上急需一种具有较低使用成本和制造成本的对讲机。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种无线语音发送端。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种无线语音发送端，包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

第一处理器，用于将所述第一音频模块的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至发送模块；

所述发送模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据；

其中，所述第一处理器还用于：采集所述第一音频模块的编码速率和所述发送模块的发送速率，判断所述发送速率小于所述编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得所述第一发送模块根据所述发射队列发送分包处理后的编码数据。

优选地，所述第一音频模块包括：

语音采样单元，用于采集音频数据；

滤波单元，用于对采集的音频数据进行滤波处理，滤除干扰信号；

模数转换单元，用于对滤波处理后的音频数据进行模数转换，获得数字信号；

调制单元，用于将所述数字信号加载于载波上，获得所述编码数据。

优选地，所述第一音频模块还包括：

压缩单元，设置所述模数转换单元与调制单元之间，用于对所述数字信号进行压缩，以缩减传输的数据容量。

根据本发明的另一个方面，还提供一种无线语音接收端，包括：

接收模块，用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

第二处理器，用于对所述接收模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对所述解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，所述第二处理器还用于，采集所述第二音频模块的解码速率和所述接收模块的接收速率，判断所述接收速率小于所述解码速率时，缓存所述分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将所述完整的编码数据发送至所述第二音频模块，以使得所述第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

优选地，所述第二音频模块包括：

解调单元，用于对所述解包处理后的编码数据进行解调，获得数字信号；

数模转换单元，用于对所述数字信号进行数模转换，获得所述音频数据；

扬声器，用于播放所述音频数据。

优选地，所述第二音频模块还包括：

解压缩单元，设置于所述解调单元和数模转换单元之间，用于对所述数字信号进行解压缩。

根据本发明的另一个方面，还提供一种无线语音系统，包括多个无线语音设备，对于任意一个无线语音设备，该无线语音设备包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

处理器，用于将所述第一音频模块获得的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至传输模块；

所述传输模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据；

所述传输模块，还用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

所述处理器还用于对所述传输模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对所述解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，所述处理器还用于：

采集所述音频模块的编码速率和所述传输模块的发送速率，判断所述发送速率小于所述编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得所述传输模块根据所述发射队列发送分包处理后的编码数据；

采集所述第二音频模块的解码速率和所述传输模块的接收速率，判断所述接收速率小于所述解码速率时，缓存所述分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将所述完整的编码数据发送至所述第二音频模块，以使得所述第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

优选地，所述无线语音设备以半双工的形式进行语音传输。

优选地，至少两个无线语音设备的射频参数一致，所述射频参数包括频点、带宽以及扩频参数。

本发明至少包括以下有益效果：

基于窄带扩频调制技术的语音对讲系统可以使用更低的发射功率实现更远距离的语音传输，无线语音接收端解调可获得相较于fsk 10db以上的灵敏度提升，同等发射功率下理论上可获得10倍以上的距离提升。且更低的发射功率对无线环境污染小，扩频通讯技术信道占用率更高。语音数据通过数字化芯片进行AD转换并压缩，可直接加密语音数据，同时采用特定的跳频方式，实现一定频段内信道容量的提升并从物理层端提升安全性，数字语音远距离传输。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明实施例的无线语音发送端的功能框图；

图2为本发明实施例的无线语音接收端的功能框图；

图3为本发明实施例的无线语言设备的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例设计以下定义：

前向纠错编码技术(FEC)具有引入级联信道编码等增益编码技术的特点，可以自动纠正传输误码的优点。它的核心思想是发送方通过使用纠错码(ECC)对信息进行冗余编码。

丢包率(英文全称：Loss Tolerance或Packet Loss Rate)是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据组的比率。计算方法是:“[(输入报文-输出报文)/输入报文]*100％”。

比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为bps(Bit Per Second)，比特率越高，传送数据速度越快。声音中的比特率是指将模拟声音信号转换成数字声音信号后，单位时间内的二进制数据量，是间接衡量音频质量的一个指标。

现有技术中的模拟对讲机使用模拟调制方式直接调制语音传输，特点是实现功能简单，接收端只要频点对应则可以直接解析出语音信息，语音信息一般采用倒频等方法进行信息加密，由于加密方法简单，非常易于破解，由于传输距离主要依赖于发射功率或天线，因此想要提升传输距离的方式只有加大发射功率或者是选用价格更高、更优质的天线，严重影响对讲机的使用成本和制作成本。

目前市面上最常见的数字语音调制方式常用psk或fsk等数字调制方式，语音通常用数字编码并压缩，可方便进行加密或处理，使得安全性得到一定的提高，但是由于采用数字fsk调制的传输距离仍然有限，增加距离还是得用较高的发射功率和更高效的天线。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供一种无线语音发送端，参见图1，包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

第一处理器，用于将所述第一音频模块的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至发送模块；

所述发送模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据；

其中，所述第一处理器还用于：采集所述第一音频模块的编码速率和所述发送模块的发送速率，判断所述发送速率小于所述编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得所述第一发送模块根据所述发射队列发送分包处理后的编码数据。

需要说明的是，从信息论的观点来看，描述信源的数据是信息和数据冗余之和，即：数据＝信息+数据冗余。音频数据在时域和频域上具有相关性，也即存在数据冗余。将音频作为一个信源，对音频进行编码的实质是减少音频中的冗余音频数据，音频数据可以通过麦克风进行采集，第一音频模块对音频数据进行模数转换等一系列操作，获得编码数据。

发送模块通过lora调制方法，将编码数据进行发送，这种调制的特点是用码片编码的方式实现窄带扩频通信功能，增加传输带宽但提升接收灵敏度，从而达到相较于fsk有8-10dB的增益，传输距离大大提高。

由于发送模块是以lora调制方式进行数据传输，而lora调制的特点在于传输速率较慢，当编码数据较多时，可能出现发送模块的发送速率小于编码速率的情况，由于第一音频模块和发送模块都不具有存储器，也就不具备存储功能，因此，通过处理器将一部分编码数据进行缓存，以适应lora transceiver分包的方式和速率进行发送，能够有效克服上述因发送模块的发送速率小于编码速率时导致的编码数据漏发的问题。

在上述各实施例的基础上，第一音频模块包括：

语音采样单元，用于采集音频数据；

滤波单元，用于对采集的音频数据进行滤波处理，滤除干扰信号；

模数转换单元，用于对滤波处理后的音频数据进行模数转换，获得数字信号；

调制单元，用于将数字信号加载于载波上，获得编码数据。

在上述各实施例的基础上，第一音频模块还包括：

压缩单元，设置模数转换单元与调制单元之间，用于对数字信号进行压缩，以缩减传输的数据容量。

根据本发明的另一个方面，还提供一种无线语音接收端，参见图2，包括：

接收模块，用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

第二处理器，用于对接收模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，第二处理器还用于，采集第二音频模块的解码速率和接收模块的接收速率，判断接收速率小于解码速率时，缓存分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将完整的编码数据发送至第二音频模块，以使得第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

需要说明的是，本发明实施例中无线语言接收端可以与无线语言发送端集成在同一个通信设备中，当集成于同一个通信设备中时，接收模块和发送模块可以为同一个lora通信模块，即该lora模块既具有接收信号的能力，也具有发送信号的能力，同理，第一处理器和第二处理器也可以为同一个处理器，第一音频模块和第二音频模块也可以集成在同一个音频处理器中。

在上述各实施例的基础上，第二音频模块包括：

解调单元，用于对解包处理后的编码数据进行解调，获得数字信号；

数模转换单元，用于对数字信号进行数模转换，获得音频数据；

扬声器，用于播放音频数据。

在上述各实施例的基础上，第二音频模块还包括：

解压缩单元，设置于解调单元和数模转换单元之间，用于对数字信号进行解压缩。

根据本发明的另一个方面，还提供一种无线语音系统，包括多个无线语音设备，对于任意一个无线语音设备，参见图3，该无线语音设备包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

处理器，用于将第一音频模块获得的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至传输模块；

传输模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送分包处理后的编码数据；

传输模块，还用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

处理器还用于对传输模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，处理器还用于：

采集音频模块的编码速率和传输模块的发送速率，判断发送速率小于编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得传输模块根据发射队列发送分包处理后的编码数据；

采集第二音频模块的解码速率和传输模块的接收速率，判断接收速率小于解码速率时，缓存分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将完整的编码数据发送至第二音频模块，以使得第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

在上述各实施例的基础上，无线语音设备以半双工的形式进行语音传输。半双工即Half duplex Communication，是指在通信过程的任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能有一个方向上的传输存在。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。

在上述各实施例的基础上，至少两个无线语音设备的射频参数一致，射频参数包括频点、带宽以及扩频参数。

在上述各实施例的基础上，无线语音设备中的第一音频模块和第二音频模块可以为同一个模块，具体可以选用音频处理器，音频处理器用于对压缩的音频进行解码以及对模拟声音进行编码压缩。音频处理器包括相互独立的编码器和解码器，其中，编码器用于接收语音数据流并输出编码数据，而解码器用于接收编码数据，合成并输出语音数据流。编码器和解码器接口的时序是完全异步的。

具体地，音频处理器的型号为WT2000，该音频处理器支持根据语音质量将语音编码解码速率在2000-9600bps之间调整。使用者可以根据传输丢包率分配比特率进行FEC编码，即使在2000bps的时候，该语音处理器仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。WT2000具有多种编码速率和FEC(前向纠错速率)选择。语音编码解码速率可以在2000～9600bps之间以50bps的间隔变化。通常在错误率较高的通讯中，用户可以分摊比较高的比特率来进行FEC编码。即使在2000bps的时候，WT2000仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。

WT2000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。编码器接收8KHZ采样的语音数据流(16bit线性、8bit A律、8bit u律)并以一定的速率输出编码数据。相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流输出。编码器和解码器接口的时序是完全异步的。

WT2000采用A/D-D/A(Codec)芯片作为语音信号的接口，输入输出的语音数据流的格式必须是相同的(16bit线性的、8bit A律、8bit u律)，信道接口采用8位或16位的微控制器。芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD(语音激活检测)、多种电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧来决定。

在一个可选实施例中，Lora通信以一种半双工的方式进行，通信的发射和接收方必须有同样的射频参数：频点，带宽和扩频因子SF。并且实施以频率表跳频，既可以提高安全性，又可以在一个定点频率内错开干扰。在同一个频段内又可以配置以不同长度的扩频码片，码片间是正交关系，同时使用完全不会相互影响，实现频率复用提高信道利用率，比如扩频参数有SF6，SF7，SF8，SF9，SF10，SF11，SF12，同样频点如470MHz 125kHz带宽，可以分别有7组通信同时进行。SFx每增加一级，灵敏度提高3dB，理论上传输距离增加一倍，但同时传输速率也降低一半。

在一个实施例中，传输速率参考：射频参数SF8，带宽250KHz，灵敏度-124dbm，功率概算144dbm，速率6.25kbps。

组成语音对讲系统的网络是星形结构，每个终端的组成部分都相同，每组终端发送前需进行频段和射频参数协商，语音对讲终端之间以分组的方式进行协商。

具体配对分组的方法：组内的无线语音设备拿到相距3米距离内，终端都同时打开电源，按住协商按钮，无线语音设备之间根据当时的环境比如无线环境噪声来自动协商好可用频段、射频参数、跳频表和秘钥(这些协商的参数也可以手动输入，比如射频参数和可用频段范围)。其中秘钥是在payload中进行加密，此举是为了组内通讯的安全，即使其他无线语音设备设置了同样的射频参数和跳频表，没有payload秘钥也无法解码音频数据，进一步增加安全系数。

跳频表可在一个较宽的范围内进行配置，如410M-510M，100M频宽范围内可划分200-500个频道(考虑到频率间隔，125KHz占用200KHz，250KHz占用500KHz频宽)，而200个频道如果进行排列组合则至少有200的200次方个组合，几乎不可能被破解，组合方式可以采用伪随机码来排列，则组合方式也是动态且随机的。

对讲系统是以半双工广播的方式进行，一个无线语音设备发，其他无线语音设备收，当然也可以设置为指定无线语音设备接收，但每个无线语音设备会根据ID号来判断是否解码或丢弃。

避免收发冲突的方法：每个无线语音设备只要电源开启则始终处在接收状态，每次发送前会先侦听是否有组内别的无线语音设备在发射，可以通过指示灯来显示，如果没有则可以按下对讲PTT(Push to Talk)进行语音发送。

实施例1

设置无线语音设备的射频参数为SF8，频率为470MHz，带宽为250KHz，灵敏度为-124dbm，功率为20dbm(0.1W)，无线速率为6.25kbps，语音编码速率为4.8kbps。

在城市道路上采用小棒全向天线，放在手上进行测试，拉距测试达1.5km时语音仍然清晰稳定，丢包率低于5％。

附市面一般手持对讲机通讯距离参考：

本发明对标普通手持机的通讯距离，与3W手持机通讯距离较接近，但发射功率仅为其1/30，极大提高通讯效率和节省功耗。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种无线语音发送端，其特征在于，包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

第一处理器，用于将所述第一音频模块的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至发送模块；

所述发送模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据；

其中，所述第一处理器还用于：采集所述第一音频模块的编码速率和所述发送模块的发送速率，判断所述发送速率小于所述编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得所述第一发送模块根据所述发射队列发送分包处理后的编码数据。

2.如权利要求1所述的无线语音发送端，其特征在于，所述第一音频模块包括：

语音采样单元，用于采集音频数据；

滤波单元，用于对采集的音频数据进行滤波处理，滤除干扰信号；

模数转换单元，用于对滤波处理后的音频数据进行模数转换，获得数字信号；

调制单元，用于将所述数字信号加载于载波上，获得所述编码数据。

3.如权利要求2所述的无线语音发送端，其特征在于，所述第一音频模块还包括：

压缩单元，设置所述模数转换单元与调制单元之间，用于对所述数字信号进行压缩，以缩减传输的数据容量。

4.一种无线语音接收端，其特征在于，包括：

接收模块，用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

第二处理器，用于对所述接收模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对所述解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，所述第二处理器还用于，采集所述第二音频模块的解码速率和所述接收模块的接收速率，判断所述接收速率小于所述解码速率时，缓存所述分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将所述完整的编码数据发送至所述第二音频模块，以使得所述第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

5.如权利要求3所述的无线语音接收端，其特征在于，所述第二音频模块包括：

解调单元，用于对所述解包处理后的编码数据进行解调，获得数字信号；

数模转换单元，用于对所述数字信号进行数模转换，获得所述音频数据；

扬声器，用于播放所述音频数据。

6.如权利要求3所述的无线语音接收端，其特征在于，所述第二音频模块还包括：

解压缩单元，设置于所述解调单元和数模转换单元之间，用于对所述数字信号进行解压缩。

7.一种无线语音系统，包括多个无线语音设备，其特征在于，对于任意一个无线语音设备，该无线语音设备包括：

第一音频模块，用于对采集的音频数据进行编码，获得编码数据；

处理器，用于将所述第一音频模块获得的编码数据进行分包处理，并将分包处理后的编码数据转发至传输模块；

所述传输模块，用于以lora调制方式，根据发送速率发送所述分包处理后的编码数据；

所述传输模块，还用于以lora调制方式，根据接收速率接收分包处理后的编码数据；

所述处理器还用于对所述传输模块接收的编码数据进行解包处理，并将解包处理后的编码数据转发至第二音频模块；

第二音频模块，用于对所述解包处理后的编码数据进行解码，获得音频数据；

其中，所述处理器还用于：

采集所述音频模块的编码速率和所述传输模块的发送速率，判断所述发送速率小于所述编码速率时，缓存一部分分包处理后编码数据至发射队列中，以使得所述传输模块根据所述发射队列发送分包处理后的编码数据；

采集所述第二音频模块的解码速率和所述传输模块的接收速率，判断所述接收速率小于所述解码速率时，缓存所述分包处理好的编码数据，直至缓存至完整的编码数据时，将所述完整的编码数据发送至所述第二音频模块，以使得所述第二音频模块对完整的编码数据进行解码。

8.如权利要求7所述的无线语音系统，其特征在于，所述无线语音设备以半双工的形式进行语音传输。

9.如权利要求7所述的无线语音系统，其特征在于，至少两个无线语音设备的射频参数一致，所述射频参数包括频点、带宽以及扩频参数。