CN108111702B - 一种对voip系统语音包丢失自动补偿的方法 - Google Patents

一种对voip系统语音包丢失自动补偿的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法。它具体包括如下步骤：(1)把原始语音数据分成一个个比IP包还小的单元，通过一定规则重新排列这些单元的顺序，使得每个IP包中的数据来自于不同的语音帧；(2)丢包判断；(3)在丢包处引用其相似的波形进行填充，先将周围的包转化成函数表示形式，通过一系列计算，对丢失的包进行估计，然后通过估计结果用最相似的波形对丢失波形进行替代；(4)在接收端，将这些单元通过步骤(1)中的规则逆过程恢复到原来的顺序，最终恢复得到语音信号。本发明的有益效果是：提高接收语音的质量；没有明显在幅度和相位上的误差，用户基本感觉不到其中的微小差别；没有增加额外影响VOIP性能的因素。

Description

一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法
技术领域
本发明涉及通讯相关技术领域，尤其是指一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法。
背景技术
VoIP(Voice over Internet Protocol)是将模拟信号(Voice)数字化，以数据封包(Data Packet)的形式在IP网络(IP Network)上做实时传递。VoIP因为网络的广泛使用，以及采用分组交换和低速率语音编码技术，降低了对带宽的要求，压缩了语音通话的成本，对传统电话的语音通信霸主地位形成了强有力的冲击。
数据传输通常使用传输控制协议，它能达到很好的效果，但是语音传输不同于数据传输，用户对于时延非常敏感，时延过长会影响双方的用户感受，使谈话无法继续，所以为满足语音传输的实时性要求，在VoIP中采用的是用户数据报协议(UDP)，该协议可以快速地、一次性地传输语音数据。但是，用户数据报协议也存在其缺点，即不保证所有数据包都能有序并且全部到达接收端，可能会出现因为网络问题而造成数据包丢失的状况，当丢包达到一定程度时，同样会影响通话双方的正常交流。
据统计，当丢包率超过10％时，语音通信质量就让人不能忍受，这就是日前VoIP还不能完全取代传统电话的主要原因。为此，如何抵抗丢包和当丢包现象发生时如何进行处理成为当前VoIP网络语音通信中研究的核心问题。
目前，针对VoIP网络问题产生的丢包现象，主要采用以下两种方法：一种方法是在传输原始数据的同时，还要根据其相关联性，传输一些冗余数据，以便使接收端根据数据之间的相关性重构丢失的数据包；另一种方法是对丢失的语音包进行隐藏，这种方法利用了声音信号特别是语音信号中存在大量的短期自相似性的特点，主要做法是插入一段简单的替代物来填充由于丢包引起的缺口，常用替代物有静音、噪声或者前一个语音包。这两种方法都存在缺点，前一种方法会增加时延还需要额外的带宽；后一种方法对于丢包率相对较小(小于15％)和长度较小(4-40ms)的包效果很好，当丢包率较大或丢包长度达到一个音素的长度时，该技术就不适用了，因为整个音素都被听者错过了，导致用户感受极差。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种能够提升语音质量的对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，具体包括如下步骤：
(1)语音包处理：把原始语音数据分成一个个比IP包还小的单元，然后通过一定规则重新排列这些单元的顺序，使得每个IP包中的数据来自于不同的语音帧；
(2)丢包判断：判断是否发生丢包，没有丢包，则跳出该步骤，等待下一次调用；如有丢包，则计算丢包个数；
(3)重构丢失的包：在丢包处引用其相似的波形进行填充，需要用到丢包周围的包，前后都需要，先将周围的包转化成函数表示形式，通过一系列计算，对丢失的包进行估计，然后通过估计结果用最相似的波形对丢失波形进行替代；
(4)丢包补偿，语音包还原：在接收端，将这些单元通过步骤(1)中的规则逆过程恢复到原来的顺序，最终恢复得到语音信号。
在步骤(1)中，本来丢失的一个完整IP包的数据，就被分散在了不同的IP包中，虽然丢失的数据在总量上保持不变，但是人耳的掩蔽特性能够自动修复丢失的少量数据。因此当每帧只丢失少量的数据时，对听者产生的影响很小，从而提高语音的质量和用户感受。本发明描述的语音丢包自动补偿方法可以很好的恢复所丢失的语音信号，提高接收语音的质量。经过恢复后的语音信号与源信号相比，没有明显在幅度和相位上的误差，用户基本感觉不到其中的微小差别。并且该方法没有增加额外带宽等影响VOIP性能的因素，是非常适合在对时延敏感的VOIP系统中使用的。
作为优选，在步骤(1)中，具体规则如下：原始语音数据按照顺序依次排列，将原始语音数据分成若干个小的单元，若干个单元构成一个原IP包，将每个原IP包中相同位置处的单元提取出来，并按照原始语音数据的顺序组成一个新IP包，如此一来，每个新IP包中的数据来自于不同的语音帧，当发生丢包现象时，虽然丢失的还是完整的新IP包，但仅仅只是不同原IP包中的一些数据。
作为优选，在步骤(2)中，计算丢包个数N，通过下式计算：
Figure GDA0001568056940000031
其中，T代表发送端发送相邻两个语音包的间隔时问，t代表接收端实际收到相邻两个语音包的时间间隔。
作为优选，在步骤(3)中，对语音信号采用函数表示，带限时变周期信号可用傅里叶系数表述：
Figure GDA0001568056940000041
其中Cn(t)是时间t为变量的傅里叶系数，p(t)是时间t为变量的周期，为研究方便，现将上式表示成下面形式：
Figure GDA0001568056940000042
上式中
Figure GDA0001568056940000043
为相位，
Figure GDA0001568056940000044
是
Figure GDA0001568056940000045
的周期函数，是特征波形，信号e(t)可用
Figure GDA0001568056940000046
表示，它们之间的关系如下：
Figure GDA0001568056940000047
Figure GDA0001568056940000048
函数
Figure GDA0001568056940000049
经高通和低通滤波得到快变部分和慢变部分，编码端对这两个部分分别进行编码，然后接收端分别重建出这两个部分并相加，从而恢复成语音信号。
作为优选，在步骤(3)中，慢变部分是特征波形沿时间缓变的部分，代表浊音信息，快变特征波形是沿时间快变的部分，代表清音信息，信号快变部分是长时间相关性弱造成的；信号
Figure GDA00015680569400000410
分解成快变和慢变部分：
Figure GDA00015680569400000411
对于丢失部分的包利用最小二乘法，即构造两个函数，
Figure GDA00015680569400000412
和
Figure GDA00015680569400000413
其中
Figure GDA00015680569400000414
则
Figure GDA00015680569400000415
Figure GDA00015680569400000416
这个e′(t)尽可能逼近真实函数e(t)，当误差和
Figure GDA00015680569400000417
最小时，此时的e′(t)对于e(t)来说，误差最小，精度最高。
作为优选，在步骤(3)中，要使
Figure GDA0001568056940000051
最小，则对e′(t)中的系数求偏导获得。
本发明的有益效果是：可以很好的恢复所丢失的语音信号，提高接收语音的质量；经过恢复后的语音信号与源信号相比，没有明显在幅度和相位上的误差，用户基本感觉不到其中的微小差别；该方法没有增加额外带宽等影响VOIP性能的因素，是非常适合在对时延敏感的VOIP系统中使用的。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，具体包括如下步骤：
(1)语音包处理：把原始语音数据分成一个个比IP包还小的单元，然后通过一定规则重新排列这些单元的顺序，使得每个IP包中的数据来自于不同的语音帧；
具体规则如下：原始语音数据按照顺序依次排列，将原始语音数据分成若干个小的单元，若干个单元构成一个原IP包，将每个原IP包中相同位置处的单元提取出来，并按照原始语音数据的顺序组成一个新IP包，如此一来，每个新IP包中的数据来自于不同的语音帧，当发生丢包现象时，虽然丢失的还是完整的新IP包，但仅仅只是不同原IP包中的一些数据；
比如将原始语音数据分成若干个小的单元，每3个单元构成一个IP包，原来是123456 789，经重新排列后变成147 258 369，如此一来，每个IP包中的数据不再是来自于同一个包中，而是来自于不同的语音帧，当发生丢包现象时，虽然丢失的还是完整的IP包，但并没有丢失原始语音中这个IP包的全部数据，而仅仅只是不同IP包中的一些比特，最后在接收端再将这些单元通过设置规则的逆过程恢复到原来的顺序。这样，本来丢失的一个完整语音包的数据，就被分散在了不同的包中，虽然丢失的数据在总量上保持不变，但是人耳的掩蔽特性能够自动修复丢失的少量数据。因此当每帧只丢失少量的数据时，对听者产生的影响很小，从而提高语音的质量和用户感受。
(2)丢包判断：判断是否发生丢包，没有丢包，则跳出该步骤，等待下一次调用；如有丢包，则计算丢包个数；
计算丢包个数N，通过下式计算：
Figure GDA0001568056940000061
其中，T代表发送端发送相邻两个语音包的间隔时问，t代表接收端实际收到相邻两个语音包的时间间隔；
(3)重构丢失的包：在丢包处引用其相似的波形进行填充，需要用到丢包周围的包，前后都需要，先将周围的包转化成函数表示形式，通过一系列计算，对丢失的包进行估计，然后通过估计结果用最相似的波形对丢失波形进行替代，最终带来语音质量的提升；
对语音信号采用函数表示，带限时变周期信号可用傅里叶系数表述：
Figure GDA0001568056940000062
其中Cn(t)是时间t为变量的傅里叶系数，p(t)是时间t为变量的周期，为研究方便，现将上式表示成下面形式：
Figure GDA0001568056940000063
上式中
Figure GDA0001568056940000064
为相位，
Figure GDA0001568056940000065
是
Figure GDA0001568056940000066
的周期函数，是特征波形，信号e(t)可用
Figure GDA0001568056940000067
表示，它们之间的关系如下：
Figure GDA0001568056940000071
Figure GDA0001568056940000072
函数
Figure GDA0001568056940000073
经高通和低通滤波得到快变部分和慢变部分，编码端对这两个部分分别进行编码，然后接收端分别重建出这两个部分并相加，从而恢复成语音信号；
慢变部分是特征波形沿时间缓变的部分，代表浊音信息，快变特征波形是沿时间快变的部分，代表清音信息，信号快变部分是长时间相关性弱造成的；信号
Figure GDA0001568056940000074
分解成快变和慢变部分：
Figure GDA0001568056940000075
对于丢失部分的包利用最小二乘法，即构造两个函数，
Figure GDA0001568056940000076
和
Figure GDA0001568056940000077
其中
Figure GDA0001568056940000078
则
Figure GDA0001568056940000079
Figure GDA00015680569400000710
这个e′(t)尽可能逼近真实函数e(t)，当误差和
Figure GDA00015680569400000711
最小时，此时的e′(t)对于e(t)来说，误差最小，精度最高；
要使
Figure GDA00015680569400000712
最小，则对e′(t)中的系数求偏导获得；
(4)丢包补偿，语音包还原：在接收端，基频、功率、快变部分、慢变部分线性内插，再将这些单元通过步骤(1)中的规则逆过程恢复到原来的顺序，最终恢复得到语音信号。
本发明描述的语音丢包自动补偿方法可以很好的恢复所丢失的语音信号，提高接收语音的质量。经过恢复后的语音信号与源信号相比，没有明显在幅度和相位上的误差，用户基本感觉不到其中的微小差别。并且该方法没有增加额外带宽等影响VOIP性能的因素，是非常适合在对时延敏感的VOIP系统中使用的。

Claims (5)

1.一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，其特征是，具体包括如下步骤：
(1)语音包处理：把原始语音数据分成一个个比IP包还小的单元，然后通过一定规则重新排列这些单元的顺序，使得每个IP包中的数据来自于不同的语音帧；
(2)丢包判断：判断是否发生丢包，没有丢包，则跳出该步骤，等待下一次调用；如有丢包，则计算丢包个数；
(3)重构丢失的包：在丢包处引用其相似的波形进行填充，需要用到丢包周围的包，前后都需要，先将周围的包转化成函数表示形式，通过一系列计算，对丢失的包进行估计，然后通过估计结果用最相似的波形对丢失波形进行替代；对语音信号采用函数表示，带限时变周期信号可用傅里叶系数表述：
Figure FDA0002411929910000011
其中Cn(t)是时间t为变量的傅里叶系数，n为n次谐波，n的取值范围是从1到无穷大，p(t)是时间t为变量的周期，为研究方便，现将上式表示成下面形式：
Figure FDA0002411929910000012
上式中
Figure FDA0002411929910000013
为相位，
Figure FDA0002411929910000014
是
Figure FDA0002411929910000015
的周期函数，是特征波形，信号e(t)可用
Figure FDA0002411929910000016
表示，它们之间的关系如下：
Figure FDA0002411929910000017
Figure FDA0002411929910000018
函数
Figure FDA0002411929910000019
经高通和低通滤波得到快变部分和慢变部分，编码端对这两个部分分别进行编码，然后接收端分别重建出这两个部分并相加，从而恢复成语音信号；
(4)丢包补偿，语音包还原：在接收端，将这些单元通过步骤(1)中的规则逆过程恢复到原来的顺序，最终恢复得到语音信号。
2.根据权利要求1所述的一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，其特征是，在步骤(1)中，具体规则如下：原始语音数据按照顺序依次排列，将原始语音数据分成若干个小的单元，若干个单元构成一个原IP包，将每个原IP包中相同位置处的单元提取出来，并按照原始语音数据的顺序组成一个新IP包，如此一来，每个新IP包中的数据来自于不同的语音帧，当发生丢包现象时，虽然丢失的还是完整的新IP包，但仅仅只是不同原IP包中的一些数据。
3.根据权利要求1所述的一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，其特征是，在步骤(2)中，计算丢包个数N，通过下式计算：
Figure FDA0002411929910000021
其中，T代表发送端发送相邻两个语音包的间隔时问，t代表接收端实际收到相邻两个语音包的时间间隔。
4.根据权利要求1所述的一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，其特征是，在步骤(3)中，慢变部分是特征波形沿时间缓变的部分，代表浊音信息，快变特征波形是沿时间快变的部分，代表清音信息，信号快变部分是长时间相关性弱造成的；信号
Figure FDA0002411929910000022
分解成快变和慢变部分：
Figure FDA0002411929910000023
对于丢失部分的包利用最小二乘法，即构造两个函数，
Figure FDA0002411929910000024
和
Figure FDA0002411929910000025
其中
Figure FDA0002411929910000026
i为i次谐波，i的取值范围是从1到无穷大；j为j次谐波，j的取值范围是从1到无穷大；则
Figure FDA0002411929910000031
Figure FDA0002411929910000032
这个e′(t)尽可能逼近真实函数e(t)，当误差和
Figure FDA0002411929910000033
最小时，其中l＝j，l的取值范围是从1到无穷大，tj为j次谐波的时间t，此时的e′(t)对于e(t)来说，误差最小，精度最高。
5.根据权利要求4所述的一种对VOIP系统语音包丢失自动补偿的方法，其特征是，在步骤(3)中，要使
Figure FDA0002411929910000034
最小，其中l＝j，l的取值范围是从1到无穷大，tj为j次谐波的时间t，则对e′(t)中的系数求偏导获得。
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