CN108521389B - 减小语音信道数据传输误码率的方法及系统 - Google Patents

减小语音信道数据传输误码率的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小语音信道数据传输误码率的方法及系统，包括：将测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经语音信道传输后，得到多个第二子载波；分别计算每一相同频率范围的第二子载波与其对应的第一子载波的误码总数，并选出误码总数小的多个第二子载波，将与选出的第二子载波频率范围相同的未加载任何数据帧信息的子载波作为最优子载波；对需要采用所述语音信道传输的数据帧进行多载波调制，使数据帧的信息加载于最优子载波上，再通过所述语音信道传输；其中，测试数据帧和数据帧分别以第一码率和第二码率传输，最优子载波的个数与第二码率相匹配。本发明具有减少每次语音信道数据传输误码率的有益效果。

Description

减小语音信道数据传输误码率的方法及系统
技术领域
本发明涉及语音信道传输领域。更具体地说，本发明涉及一种减小语音信道数据传输误码率的方法及系统。
背景技术
语音信道的覆盖和使用比数据信道更加广泛，并且以类语音的形式传送数据，能够在相同的通信环境中从正常语音切换到加密语音，在安全性上更有保障，因此在语音信道上传输数据成为了很好的选择。但即使采用了类语音的形式传送数据，即对数字信号进行了多载波调制，比如OFDM调制，但是由于每个时刻数据传输的环境均会受到环境噪音、电磁、以及信号本身在传输过程中的衰变，均会造成误码的产生，而且环境噪音、电磁、以及信号本身在传输过程中的衰变对每个频率范围的子载波的影响程度不一，有的频率范围的影响大，有的影响小，因此如果采用固定频率范围的子载波进行数据加载并传输，误码率的波动大，因此如何选择实时环境影响小的频率范围的子载波进行数据加载并传输以减小误码率是个需要解决的难题。
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减小语音信道数据传输误码率的方法及系统，可以选择实时环境影响小的频率范围的子载波进行数据加载并传输，从而减小语音信道数据传输的误码率。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种减小语音信道数据传输误码率的方法，包括：
S1、将测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经语音信道传输后，得到多个第二子载波，其中，第一子载波为加载有测试数据帧信息的子载波；
S2、分别计算每一相同频率范围的第二子载波与其对应的第一子载波的误码总数，并选出误码总数小的多个第二子载波，将与选出的第二子载波频率范围相同的未加载任何数据帧信息的子载波作为最优子载波；
S3、对需要采用所述语音信道传输的数据帧进行多载波调制，使数据帧的信息加载于与最优子载波上，再通过所述语音信道传输；
其中，所述测试数据帧和所述数据帧分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配。
优选的是，选出误码总数小的多个第二子载波的选取标准具体为：按照从小到大的次序排列误码总数，依次选择待选第二子载波中误码总数最小的，直至选取出与所述第二码率匹配的子载波的个数。
优选的是，所述多载波调制采用OFDM调制方式。
优选的是，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波总数为32个或64个。
优选的是，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波频率范围为300～3400Hz。
优选的是，所述测试数据帧的大小为550个比特。
优选的是，所述语音信道为GSM语音信道。
本发明还提供一种基于权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法的系统，包括：
发送模块，其用于对数字信号进行多载波调制、以及将子载波输出；
接收模块，其用于接收子载波，以及对子载波进行多载波解调形成数字信号；
语音信道，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述语音信道用于传输子载波；
误码数计算模块，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述误码数计算模块用于计算每个频率范围相同的子载波的误码总数，选择误码总数小的最优子载波，以及将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
其中，所述发送模块先对测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经所述语音信道传输至所述接收模块后，形成了多个第二子载波，其中，所述第一子载波为加载有所述测试数据帧信息的子载波；
所述发送模块和所述接收模块分别将所述第一子载波和所述第二子载波输出至所述误码数计算模块，所述误码数计算模块计算得到此次所述语音信道传输数字信号的最优子载波，并将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
所述发送模块对需要传输的数字信号选用最优子载波对该数字信号进行多载波调制，再通过所述语音信道传输至所述接收模块，所述接收模块对接收到的子载波进行多载波解调形成对应的数字信号；
所述测试数据帧和所述数字信号分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配。
优选的是，所述语音信道为GSM语音信道，所述多载波调制采用OFDM调制方式。
优选的是，所述第一测试数据帧的大小为550个比特。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、可以选择实时环境影响小的频率范围的子载波进行数据加载并传输，从而减小语音信道数据传输的误码率。
第二、对第一测试数据帧进行多载波调制时形成多个符号，每个符号上具有多第一子载波，且每一符号上的第一子载波的频率范围一一对应，然后这些符号以第一码率在语音信道上传输，经语音信道传输后，这些符号上的第一子载波由于衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码，因此在此将经语音信道传输后的这些符号上的子载波命名为第二子载波，因此第二子载波的个数以及每一第二子载波对应的频率范围与第一子载波一一对应，然后再通过一一对应的计算第二子载波与第一子载波误码误码总数，从而可以得到每一相同频率范围的第二子载波的误码总数，可以得到此次语音信道传输过程中环境影响最小的子载波，即最优子载波。
第三、通过采用最优子载波对数字信号进行多载波调制，从而保证了此次语音信道传输的误码率最小。
第四、采用高于第二码率的第一码率对测试数据帧进行传输，可以最大化的测试出每一频率范围的子载波的误码总数，使最优子载波的选择范围更广。
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为本发明数据传输流程图；
图2为本发明多载波调制流程图；
图3为一个OFDM符号的时域波形图；
图4为测试帧各数据子载波误码总数示意图；
图5为各帧的误码率图；
图6为误码率的分布概率图。
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。
如图1所示，本发明提供一种减小语音信道数据传输误码率的方法，包括：
S1、将测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经语音信道传输后，得到多个第二子载波，其中，第一子载波为加载有测试数据帧信息的子载波；信号在语音信道传输过程中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码，也即第一子载波经语音信道传输后得到的第二子载波会产生误码；
S2、分别计算每一相同频率范围的第二子载波与其对应的第一子载波的误码总数，并选出误码总数小的多个第二子载波，将与选出的第二子载波频率范围相同的未加载任何数据帧信息的子载波作为最优子载波；
S3、对需要采用所述语音信道传输的数据帧进行多载波调制，使数据帧的信息加载于与最优子载波上，再通过所述语音信道传输；
其中，所述测试数据帧和所述数据帧分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配。
在上述技术方案中，对第一测试数据帧进行多载波调制时形成多个符号，每个符号上具有多第一子载波，且每一符号上的第一子载波的频率范围一一对应，然后这些符号以第一码率在语音信道上传输，经语音信道传输后，这些符号上的第一子载波由于衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码，因此在此将经语音信道传输后的这些符号上的子载波命名为第二子载波，因此第二子载波的个数以及每一第二子载波对应的频率范围与第一子载波一一对应，然后再通过一一对应的计算第二子载波与第一子载波误码误码总数，从而可以得到每一相同频率范围的第二子载波的误码总数，误码总数小的即为最优子载波，而且选出的最优子载波的个数与第二码率是相匹配的，从而方便数据帧以第二码率传输，由于选取的是误码总数小的子载波，从而可以减小数据帧在语音信道上传输时总的误码总数，即减小误码率。在另一种技术方案中，选出误码总数小的多个第二子载波的选取标准具体为：按照从小到大的次序排列误码总数，依次选择待选第二子载波中误码总数最小的，直至选取出与所述第二码率匹配的子载波的个数，如此保证多个最优子载波波的总的误码总数是最小的，达到最大减小语音信息传输中误码的产生。
在另一种技术方案中，所述多载波调制采用OFDM调制方式，OFDM调制方式是波形最接近语音形式，在语音信道传输中误码的产生机率更小。
在另一种技术方案中，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波总数为32个或64个，尽量最大化的测试出每一频率范围的子载波的误码总数，使最优子载波的选择范围更广。
在另一种技术方案中，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波频率范围为300～3400Hz，声码器是一种对话音进行分析和合成的编、译码器，也称话音分析合成系统或话音频带压缩系统，在终端需要将子载波上的信息最终转化为语音信号，而声码器只能通过频率范围为300～3400Hz的信息，其余频率范围的信息会被认为是噪音杂音而被滤除。
在另一种技术方案中，所述测试数据帧的大小为550个比特，测试帧比特不宜过多，OFDM符号数不宜过大，否则计算时间过长，影响之后的数据传输。
在另一种技术方案中，所述语音信道为GSM语音信道，GSM语音信道的覆盖和使用比数据信道更加广泛，并且以类语音的形式传送数据，能够在相同的通信环境中从正常语音切换到加密语音。
一种基于权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法的系统，包括：
发送模块，其用于对数字信号进行多载波调制、以及将子载波输出；
接收模块，其用于接收子载波，以及对子载波进行多载波解调形成数字信号；
语音信道，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述语音信道用于传输子载波；
误码数计算模块，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述误码数计算模块用于计算每个频率范围相同的子载波的误码总数，选择误码总数小的最优子载波，以及将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
其中，所述发送模块先对测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经所述语音信道传输至所述接收模块后，形成了多个第二子载波，其中，所述第一子载波为加载有所述测试数据帧信息的子载波；
所述发送模块和所述接收模块分别将所述第一子载波和所述第二子载波输出至所述误码数计算模块，所述误码数计算模块计算得到此次所述语音信道传输数字信号的最优子载波，并将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
所述发送模块对需要传输的数字信号选用最优子载波对该数字信号进行多载波调制，再通过所述语音信道传输至所述接收模块，所述接收模块对接收到的子载波进行多载波解调形成对应的数字信号；
所述测试数据帧和所述数字信号分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配。
在上述技术方案中，发送模块、接收模块、以及误码数计算模块可以安置于手机客户端或其它通讯终端，这样在采用通讯终端进行语音信号传输前，可以通过先传输测试数据帧，得到此段时间的语音传输信道的最优子载波，然后再进行语音信号传输，对由语音信号转化的数字信号采用此段时间的最优子载波进行多载波调制，从而可以减小此段时间此次语音信号通过语音信道传输的总的误码率。
在另一种技术方案中，所述语音信道为GSM语音信道，所述多载波调制采用OFDM调制方式，OFDM调制方式是波形最接近语音形式，在语音信道传输中误码的产生机率更小。
在另一种技术方案中，所述第一测试数据帧的大小为550个比特，测试帧比特不宜过多，OFDM符号数不宜过大，否则计算时间过长，影响之后的数据传输。
<举例说明>
假设只传送一帧，一帧有L个OFDM符号；
若传输tbit个二进制比特，进行串并转换后得到L列，每一列tbit/L个比特；
字调制采用BPSK调制，那么BPSK调制后，将每一列的Nbit/L个比特映射成Nbit/L个数据调制符号，将每一列的Nbit/L个数据调制符号放置到对应OFDM符号的数据子载波上，共有L个OFDM符号，每个OFDM符号共有N个子载波，令数据子载波个数为Nd＝Nbit/L(0≤Nd≤N)，在子载波索引[0，1，2，...，N-1]上数据子载波索引为
Figure BDA0001572866200000061
也就是只在index_d上放置数据调制符号，其余位置为零值，进行OFDM调制；
用IFFT实现OFDM调制，IFFT点数为N，OFDM调制后符号可表示为：
Figure BDA0001572866200000071
公式中的xi，i＝0,1,...,N-1只有xindex_d有值，其余为零；
并串变换后得到时域类语音信号，从一手机终端发送，再从另一手机终端接收，进行解调，得到解调后数据rbit。
模拟电话通路上的标准频带是300Hz-3400Hz，使用OFDM调制方法在语音信道上进行数据传输时，需选取符合要求频率范围的子载波传输数据。
但并不是所有在要求频率范围内的子载波都具有相同的误码性能，因此需要选择误码率最低的子载波组合传输数据，即选择合适的index_d。
如图2所示，通过OFDM调制进行GSM语音信道数据传输时，不同地点不同时间段的最优子载波组合也不同，为了达到最佳传输性能，本发明在发送数据之前先传输一个测试帧以选取最优子载波组合index_opt。
该帧比特流为ttest，串并变换后为
Figure BDA0001572866200000072
对每一列进行数字调制，将数据调制符号放置到每个符合频率要求的子载波上。
因为传输频率范围为300Hz-3400Hz，而采样频率为8000Hz，所以满足频率要求的所有索引可以先求出
Figure BDA0001572866200000073
也就是该测试中Ltest个OFDM符号里index_t索引范围内所有子载波上都放置调制数据。之后进行IFFT调制生成类语音信号，经过信道传输，并在接收端解调后，得到
Figure BDA0001572866200000074
与
Figure BDA0001572866200000075
进行比较，计算每个OFDM符号各数据子载波上的误码数目。
假设第l(1≤l≤Ltest)个OFDM符号上各子载波的误码数为：
Figure BDA0001572866200000076
对测试帧内Ltest个OFDM符号求和，得到各子载波的总误码数：
Figure BDA0001572866200000077
将bersum中最小的Nd个值对应的索引取出，作为最佳子载波索引index_opt。
用所求的最佳索引index_opt用于之后数据tbit的传输，可得最佳误码性能。
测试帧比特不宜过多，OFDM符号数Ltest不宜过大，否则计算时间过长，影响之后的数据传输。
<误码分析>
如图3所示，采样频率8000Hz，FFT点数为32，即每个OFDM符号有32个子载波，符合300Hz-3400Hz这个频率要求的所有子载波索引为[2:11]。
测试帧除去同步头之外有550个比特，串并转换后550个比特由1×550转换成11×50，数字调制后生成11×50个调制符号，对应列的11个调制符号，放置到对应OFDM符号上的[2:11]子载波上，然后进行IFFT运算，生成时域类语音波形进行传输，图3是一个OFDM符号的时域波形。
用一手机拨打电话，将50个OFDM符号的时域信号传送到另一手机，将接收到的语音信号进行接收，对50个OFDM符号上[2:11]子载波的数据进行解调，得到550个比特，进行误码判断，计算每个子载波在50个OFDM符号上的误码总数，如图4所示，若传输码率达到1.2kbps，FFT为32的情况下，每个OFDM符号上需要选取5个子载波，可以计算得到在[5,6,7,8,9]这五个子载波上的误码数目最小，因此index_opt＝[5，6，7，8，9]。
接下来用所选取的最优导频组合进行数据传输，传输300帧数据，每帧250个OFDM符号，每个符号index_opt＝[5，6，7，8，9]在上传送5个比特，达到1250bps的码率。各帧的误码率和误码率的分布概率如图5和图6所示，可以观察得到误码率可在千分之二以下。
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 (7)

1.减小语音信道数据传输误码率的方法，其特征在于，包括：
S1、将测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经语音信道传输后，得到多个第二子载波，其中，第一子载波为加载有测试数据帧信息的子载波；
S2、分别计算每一相同频率范围的第二子载波与其对应的第一子载波的误码总数，并选出误码总数小的多个第二子载波，将与选出的第二子载波频率范围相同的未加载任何数据帧信息的子载波作为最优子载波；
S3、对需要采用所述语音信道传输的数据帧进行多载波调制，使数据帧的信息加载于最优子载波上，再通过所述语音信道传输；
其中，所述测试数据帧和所述数据帧分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配；
选出误码总数小的多个第二子载波的选取标准具体为：按照从小到大的次序排列误码总数，依次选择待选第二子载波中误码总数最小的，直至选取出与所述第二码率匹配的子载波的个数；
所述多载波调制采用OFDM调制方式；
所述语音信道为GSM语音信道。
2.如权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法，其特征在于，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波总数为32个或64个。
3.如权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法，其特征在于，所述测试数据帧进行多载波调制的子载波频率范围为300～3400Hz。
4.如权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法，其特征在于，所述测试数据帧的大小为550个比特。
5.基于权利要求1所述的减小语音信道数据传输误码率的方法的系统，其特征在于，包括：
发送模块，其用于对数字信号进行多载波调制、以及将子载波输出；
接收模块，其用于接收子载波，以及对子载波进行多载波解调形成数字信号；
语音信道，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述语音信道用于传输子载波；
误码数计算模块，其与所述发送模块和所述接收模块均通讯连接，所述误码数计算模块用于计算每个频率范围相同的子载波的误码总数，选择误码总数小的最优子载波，以及将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
其中，所述发送模块先对测试数据帧进行多载波调制，得到多个第一子载波，多个第一子载波经所述语音信道传输至所述接收模块后，形成了多个第二子载波，其中，所述第一子载波为加载有所述测试数据帧信息的子载波；
所述发送模块和所述接收模块分别将所述第一子载波和所述第二子载波输出至所述误码数计算模块，所述误码数计算模块计算得到此次所述语音信道传输数字信号的最优子载波，并将每个最优子载波对应的频率范围输出至所述发送模块；
所述发送模块对需要传输的数字信号选用最优子载波对该数字信号进行多载波调制，再通过所述语音信道传输至所述接收模块，所述接收模块对接收到的子载波进行多载波解调形成对应的数字信号；
所述测试数据帧和所述数字信号分别以第一码率和第二码率传输，且所述第一码率高于所述第二码率，所述最优子载波的个数与所述第二码率相匹配。
6.如权利要求5所述的减小语音信道数据传输误码率的方法的 系统，其特征在于，所述语音信道为GSM语音信道，所述多载波调制采用OFDM调制方式。
7.如权利要求5所述的减小语音信道数据传输误码率的方法的 系统，其特征在于，所述测试数据帧的大小为550个比特。
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