CN108461087A - 数字信号穿过声码器的装置及方法 - Google Patents

数字信号穿过声码器的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字信号穿过声码器的装置包括：发送器，其用于发送数据源中的数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，发送器根据映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；传输信道，其通过声码器对数字信号进行编码后输出；接收器，其接收并对数字信号进行解码，依次对一个数据符号的正弦波形进行解调，先比较信号能量确定预接收频率，解调出一个数据符号的取值，再将接收相位与发送相位进行比对后确定对数据符号的取值是否进行修正，进而得到一个数据符号的最终取值。本发明还公开了一种数字信号穿过声码器的方法。本发明能够使得调制后的数字信号在穿过声码器后，依然保持良好的可解调恢复的能力。

Description

数字信号穿过声码器的装置及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体是一种数字信号穿过声码器的装置及方法。
背景技术
数字信号的传输可采用各种各样的数字调制技术；比如传统的调幅、调频、调相，以及更为先进的正交频分复用的多载波调制技术。但现实中存在一些性质特殊的信道，现有的这些数字调制技术，并不能很好地在这些信道中传输。包含声码器(vocoder)的信道就是一种特殊的信道。声码器是一种对声音信号进行编码的器件，其编码的特性与处理过程，使得其对于输入的信号施加参数化作用，这种参数化作用具有强烈的非线性特性。比如，DTMF(双音多频)是一种可以将数字符号信息穿过声码器的技术。但是，DTMF的速率很低，不足100bps，DTMF是多个频率的叠加(也就是，在时间上是重叠的)。因此，数字信号经由通常的数字调制技术所产生的传输信号，往往在穿过声码器时发生严重的畸变，从而使得接收端难以恢复原始的数字信息。因此，需要特殊的数字信号调制方法和实施技术，使得数字信号能够在穿过包含声码器的信道后，依然具有良好的可恢复性。
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数字信号穿过声码器的装置及方法，本发明能够使得调制后的数字信号在穿过声码器后，依然保持良好的可解调恢复的能力。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种数字信号穿过声码器的装置，包括：
发送器，其用于发送数据源中的数据符号，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；
传输信道，其通过声码器对数字信号进行编码后输出；
接收器，其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码，进一步计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果；若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调，同理，依次完成对剩余数据符号的解调。
优选的是，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间。
优选的是，所述发送器和所述接收器的采样频率相同。
优选的是，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。
优选的是，两种数码分别为0和1。
一种应用所述数字信号穿过声码器的装置的方法，包括以下步骤：
步骤一、发送器将数据源中的数据符号发送，其中，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；
步骤二、传输信道中的声码器对数字信号进行编码后经传输信道输出；
步骤三、接收器其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：
a、比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码；
b、进一步计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果；
c、若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调；
步骤四、重复a、b、c，依次完成对剩余数据符号的解调。
优选的是，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间。
优选的是，所述发送器和所述接收器的采样频率相同。
优选的是，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。
优选的是，两种数码分别为0和1。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在发送时，将每个数据符号译为数码的形式，通过映射表对应后，选取对应频率的正弦波形式的数字信号进行传输，在接收时，先比较信号能量确定预接收频率，解调出一个数据符号的取值，再将接收相位与发送相位进行比对后确定对解调出一个数据符号的取值是否进行修正，进而得到一个数据符号的最终取值。相比于现有的DTMF(双音多频)本发明在确定的时间段内只有一种确定的频率，且可以实现比DTMF更高的传输速率，例如可实现1000bps的传输速率。本发明能够使得调制后的数字信号在穿过声码器后，依然保持良好的可解调恢复的能力。
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。
具体实施方式
下面结合实施例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。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。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；
本发明提供了一种数字信号穿过声码器的装置，包括：
发送器，其用于发送数据源中的数据符号，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，此处，一种频率和一个发送相位可根据实际情况自由定义，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；比如，两种数码分别为0和1，待传送的一帧数据符号为[0 1 1 0 1 0]，选择两种频率分别为1000Hz和2000Hz，1000Hz的发送相位为0度，2000Hz的发送相位为180度，则使映射表中保持映射关系：数码0-1000Hz-0度，数码1-2000Hz-180度。
传输信道，其通过声码器对数字信号进行编码后输出；
接收器，其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码，此处，对一个数据符号解调时，接收器收到并解码后得到的是该一个数据符号的正弦波，使其对应一个频率及发送相位，比如，上述一帧数据符号中的第一个数据符号0，其对应的频率为1000Hz，发送相位为0度，通过具体的算法可得到1000Hz的信号能量，再将算法中1000Hz替换为2000Hz，计算2000Hz的信号能量，从而进行比较，现有技术中信号能量的具体的算法有很多种，比如可以通过Goertzel算法获得，这里以Goertzel算法为例，得到1000Hz的信号能量大，确定1000Hz为预接收频率，通过映射表对应将第一个数据符号解调为0。进一步计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，此处，设定阈值可根据实际情况具体设定，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，此处，接收相位可根据各种具体的算法获得，比如可通过傅里叶变化得出，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果，比如，计算得出1000Hz的接收相位为0度，与发送相位一致，2000Hz的接收相位为90度，与发送相位不一样，则确定1000Hz为实际接收频率，通过映射表将第一个数据符号解调为0；若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调，比如，计算得出1000Hz的接收相位为0度，与发送相位一致，2000Hz的接收相位为180度，与发送相位一致，则维持前面通过信号能量比较得出的数据符号的取值判断，即将第一个数符号解调为0，同理，依次完成对剩余数据符号的解调。剩余数据符号的解调也是先比较信号能量确定预接收频率，解调出一个数据符号的取值，再将接收相位与发送相位进行比对后确定对解调出一个数据符号的取值是否进行修正，进而得到一个数据符号的最终取值。
本发明在发送时，将每个数据符号译为数码的形式，通过映射表对应后，选取对应频率的正弦波形式的数字信号进行传输，在接收时，先比较信号能量确定预接收频率，解调出一个数据符号的取值，再将接收相位与发送相位进行比对后确定对解调出一个数据符号的取值是否进行修正，进而得到一个数据符号的最终取值。相比于现有的DTMF(双音多频)，本发明的可以实现1000bps的传输速率，本发明在确定的时间段内只有一种确定的频率。本发明能够使得调制后的数字信号在穿过声码器后，依然保持良好的可解调恢复的能力。
在另一技术方案中，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间，即两种频率均选自音频范围内。
在另一技术方案中，所述发送器和所述接收器的采样频率相同，实际应用时，接收器与发送器保持各项约定一致，包括采样频率、数据符号长度等。
在另一技术方案中，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。一个数据符号的长度包含的样点数与传输速率和选取的采样频率有关。
在另一技术方案中，两种数码分别为0和1。
一种数字信号穿过声码器的方法，包括以下步骤：
步骤一、发送器将数据源中的数据符号发送，其中，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，此处，一种频率和一个发送相位可根据实际情况自由定义，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；比如，两种数码分别为0和1，待传送的一帧数据符号为[0 1 1 0 10]，选择两种频率分别为1000Hz和2000Hz，1000Hz的发送相位为0度，2000Hz的发送相位为180度，则使映射表中0-1000Hz-0度，1-2000Hz-180度。
步骤二、传输信道中的声码器对数字信号进行编码后经传输信道输出；
步骤三、接收器其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：
a、比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码；此处，对一个数据符号解调时，接收器收到并解码后得到的是该一个数据符号的正弦波，其本身就具有一个频率及发送相位，比如，上述一帧数据符号中的第一个数据符号0，其对应的频率为1000Hz，发送相位为0度，通过具体的算法可得到1000Hz的信号能量，再将算法中1000Hz替换为2000Hz，计算2000Hz的信号能量，从而进行比较，现有技术中信号能量的具体的算法有很多种，比如可以通过Goertzel算法获得，这里以Goertzel算法为例，得到1000Hz的信号能量大，确定1000Hz为预接收频率，通过映射表对应将第一个数据符号解调为0。；
b、计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，此处，设定阈值可根据实际情况具体设定，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，此处，接收相位可根据各种具体的算法获得，比如可通过傅里叶变化得出，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果，比如，计算得出1000Hz的接收相位为0度，与发送相位一致，2000Hz的接收相位为90度，与发送相位不一样，则确定1000Hz为实际接收频率，通过映射表将第一个数据符号解调为0；
c、若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调，比如，计算得出1000Hz的接收相位为0度，与发送相位一致，2000Hz的接收相位为180度，与发送相位一致，则维持前面通过信号能量比较得出的数据符号的取值判断，即将第一个数符号解调为0；
步骤四、重复a、b、c，依次完成对剩余数据符号的解调。剩余数据符号的解调也是先比较信号能量确定预接收频率，解调出一个数据符号的取值，再将接收相位与发送相位进行比对后确定对解调出一个数据符号的取值是否进行修正，进而得到一个数据符号的最终取值。
在另一技术方案中，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间，即两种频率均选自音频范围内。
在另一技术方案中，所述发送器和所述接收器的采样频率相同，实际应用时，接收器与发送器保持各项约定一致，包括采样频率、数据符号长度等。
在另一技术方案中，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。一个数据符号的长度包含的样点数与传输速率和选取的采样频率有关。
在另一技术方案中，两种数码分别为0和1。
下面通过本发明的方法以假定实现1000bps的传输速率为例，进一步解释本发明的方法过程。
一、发送器进行数字信号调制的过程如下：
1.假定待传送的一帧数据符号为[0 1 1 0 1 0]。
2.假定发送器和接收器所使用的采样频率均为8000 Hz，那么，一个数据符号的长度为8个样点。
3.选择音频范围内的一种频率，假定选择1000 Hz，代表数据符号“0”；那么，传递数据符号“0”即为传递8个样点，这8个样点的取值是一个周期的1000 Hz正弦波形的数字信号；例如，这8个样点的取值是由下式计算得出的结果：
[P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.8]
＝A×ifft([0 1 0 0 0 0 0 1],8)
P为样点编号，A为幅度放大倍数，ifft为傅立叶反变换，[0 1 0 0 0 0 0 1]为变换的输入值，8为变换所用的点数。
4.选择音频范围内的一种频率，假定选择2000Hz，代表数据符号“1”；那么，传递数据符号“1”即为传递8个样点，这8个样点的取值是两个周期的2000Hz正弦信号；例如，这8个样点的取值是由下式计算得出的结果：
[P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P1.8]
＝A×ifft([0 0 1 0 0 0 1 0],8)
P为样点编号，A为幅度放大倍数，ifft为傅立叶反变换，[0 0 1 0 0 0 1 0]为变换的输入值，8为变换所用的点数。
5.发送器传送该帧数据符号的结果，就是传送6×8＝48个样点；这48个样点依序是(先传第一行，逐行进行)：
[P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.8]
[P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P1.8]
[P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P1.8]
[P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.8]
[P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P1.8]
[P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.8]
二、接收器进行数字信号解调的过程如下：
1.完成帧同步。
2.根据帧同步所确定的帧内数据符号的起点位置，以及当前要检测的数据符号在本帧中的排列序号，取出对应的数据符号样点；例如，起点位置为1、要检测本帧中的第1个数据符号，则该数据符号对应的样点为“样点1、样点2、样点3……样点8”，记为
[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8]
3.计算所取出样点所包含的信号能量；分别计算1000Hz所对应的信号能量，以及2000Hz所对应的信号能量；能量计算可使用各种算法，例如，使用Goertzel算法计算得出为：
E1000＝Goertzel(1000,[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8])
E2000＝Goertzel(2000,[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8])
其中，E1000为频率1000Hz所对应的能量，
E2000为频率2000Hz所对应的能量。
4.比对两个能量结果的大小，依据能量大小实施取值判决，过程为：
如果(E1000>E2000)，则将此数据符号解调为“0”；
如果(E2000>E1000)，则将此数据符号解调为“1”。
5.继续比对两个能量的大小比值是否小于设定的阈值，如果小于设定的阈值，则计算两种频率的相位值，并依据是否与发送时的发送相位一致，来对取值判决进行修正；过程为：
如果(E1000>E2000)且(E1000÷E2000<1.5)
或者如果(E2000>E1000)且(E2000÷E1000<1.5)
则计算相位：
Angle1000＝angle(1000,[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8])
Angle2000＝angle(2000,[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8])
angle为相位计算函数，可采用各种具体的算法；比如，可以通过对样点进行傅立叶变换而得出。
如果Angle1000为0(可设置一定的角度范围，在此范围内均视为0)，
则将此数据符号解调为“0”；
如果Angle2000为0，
则将此数据符号解调为“1”；
如果Angle1000为0，Angle2000也为0，
则不作符号判决的修正。
6.重复上述步骤，将本帧内的全部数据符号解调完毕。
本发明并不局限于上述具体描述的实现形态，而是适用于所有的依据本发明的内容可获得的节点间(即发送器与接收器之间)基于音频进行通信的系统。例如，使用其他的频率值，使用其他的频率发生机制，使用数目多于2的频率值，使用其他的符号长度，等等；再比如，采用其它的信号能量计算方法；还比如，发送器和接收器的具体实现，可采用硬件、软件等不同形态；等等。
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。

Claims (10)

1.一种数字信号穿过声码器的装置，其特征在于，包括：
发送器，其用于发送数据源中的数据符号，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；
传输信道，其通过声码器对数字信号进行编码后输出；
接收器，其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码，进一步计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果；若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调，同理，依次完成对剩余数据符号的解调。
2.如权利要求1所述的数字信号穿过声码器的装置，其特征在于，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间。
3.如权利要求1所述的数字信号穿过声码器的装置，其特征在于，所述发送器和所述接收器的采样频率相同。
4.如权利要求3所述的数字信号穿过声码器的装置，其特征在于，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。
5.如权利要求1所述的数字信号穿过声码器的装置，其特征在于，两种数码分别为0和1。
6.一种应用如权利要求1所述的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、发送器将数据源中的数据符号发送，其中，一帧数据符号包括至少两个数据符号，每个数据符号取两种数码中的任意一种，所述发送器预先保存有映射表，所述映射表中一种数码对应一种频率以及一个发送相位，所述发送器根据所述映射表将每个数据符号转化成各自对应频率的正弦波形的数字信号并输出；
步骤二、传输信道中的声码器对数字信号进行编码后经传输信道输出；
步骤三、接收器其接收并对数字信号进行解码，获得多个数据符号的正弦波形，对一个数据符号的正弦波形进行解调，具体为：
a、比较其两种频率的信号能量的高低，取信号能量值大的频率为预接收频率，根据接收器预先保存的所述映射表，获得与该接收频率对应的一个数据符号的数码；
b、进一步计算两种频率的信号能量的比值，若该比值小于设定阈值，则对前述一个数据符号的数码进行修正，具体为：计算两种频率分别对应的接收相位，选择接收相位与发送相位一致的频率，以该频率判决为实际接收频率，再通过所述映射表获得该一个数据符号的数码，该数码为该一个数据符号的最终取值结果；
c、若两种频率的接收相位均与各自的发送相位一致，则不作判决，维持前述一个数据符号的数码取值，完成对该一个数据符号的解调；
步骤四、重复a、b、c，依次完成对剩余数据符号的解调。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，两种数码分别对应的两种频率均处于20Hz-20kHz之间。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发送器和所述接收器的采样频率相同。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，一帧数据符号中每个数据符号的长度均为n个样点，一个数据符号传输时即传输了n个样点，一个数据符号的两种频率的信号能量通过n个样点的能量根据Goertzel算法计算得到、接收相位根据对n个样点进行傅立叶变换而得出。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，两种数码分别为0和1。
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