CN1112324A - 在同时传送话音和数据系统中的成型信号空间 - Google Patents

Abstract

在同时进行话音和数据通信的系统中，一话音信 号被映射到一N维信号空间星座成为一个矢量，并 被加到一个参考信号点即一个数据码元，其中该数据 码元选自每一信号间隔中数据码元的一个星座，作为 一数据信号的函数。该星座信号空间进一步被分成 多个成型区域，其中每个区域被选作话音即音频信号 特征的函数。具体地说，每个区域示意性地具有一矩 形形状。

Description

本发明涉及数据通信设备，例如调制解调器，具体地说，本发明涉及话音和数据同时都经同一通信设施进行的传输。

共同申请并转证的，申请人为Gordon    Bremer和Kenneth    D.Ko.申请日为1993年6月14日，申请号为076505，发明题目为“同时进行模拟和数字通信”的美国专利申请公开了一种同时进行话音和数据通信的系统，在该系统中，一话音信号被加到一数据信号中，经一通信信道传送到一个接收调收调制解调器。具体地说，将被发送的数据信号由一系列数据码元表示，其中每个数据码元与取自一信号空间的一个特定N维信号点值相关联。类似地，话音信号被处理以提供被映射到该N维信号空间的一个话音信号点。该话音信号点围绕信号点星座（signal    point    constellation）的原点定义了一话音信号矢量的幅度和角度。数据码元和话音信号矢量然而被加在一起，以选择一个合成N维信号点。

因为该合成N维信号点是特定数据码元和话音信号矢量的幅度与相位的函数，所以，信号空间基本上被分成了若干正方形的非重叠区域，每个区域包括若干信号点值，而一个信号点值与一个数据码元相关联。因此，一个正方的区域内的任何信号点值都可被有效地选取，以传送给一个接收调制解调器。因为每个信号点区域是不重叠的，所以每个区域的大小是固定的。这就导致限制了话音信号矢量的幅度，即动态区域，以改于合成信号点总量位于一区域内。话音信号矢量的动态区域直接涉及了话音信号的传输质量。

典型地，信号空间的整个大小受功率限制的制约结果使调解调器的数据速率和话音传送的质量发生了联系。例如，对于较高的话音质量，信号空间被分成不多的几个尺寸较大的正方形区域。每个正方形区域与一个数据码元相关联，并且该数据速率与可用于传送的数据码元的数量成正比。由于具有不多的（但较大）几个正方形区域，即话音信号的动态区域，因而，其传输质量的增加以较低数据速率为代价，这导致可利用的数据码元较少的结果。然而对于较低的话音质量，信号空间被分成很多较小尺寸的正方形区域。可是由于具有许多但较小的正方区域，即话音信号的动态区域，所以传输质量随着较高数据速率益处的获得而下降。因此，任何增加数据速率的企图都会在话音传输质量方向产生不良的结果。

根据本发明，我们已认识到上述专利申请中所披露的信号点区域的形状或维数不一定必须是正方形的，而是能够根据同时与数据信号一起发送的话音信号或任何辅助信号的特征和处现进行选择。结果，每个区域的形状按照这样一种方式，即在保护一给定话音质量等级的同时，使可利用数据码元的数量最大的方式进行选择。从而，既保持了话音信号的质量，又获得了较高的数据速率。

在本发明的一个实施例中，一个同时进行话音和数据通信的系统把一个星座的信号空间分别成若干不同的区域。按照话音信号特征的功能选择每个区域的形状。具体地说，每个区域说明性地具有一个矩形形状，它提供了与话音信号各特征的一种较好的匹配。因为信号点的一个星座能被分成许多区域（因此支持了一个较高的数据速率），所以通过使用矩形形状的区域，对于一给定话音质量的等级能够支持一较高的数据速率，而在话音通信中仍能维持一给定的质量等级。例如，由于每个区域是矩形的，所以话音信号的容许幅度被维持在至少，一维空间，而在其他维空间减小该幅度。这使得额外的数据码元能被装入该信号空间，而不必改变话音信号的动态区域，同时保持了以较高数据速率进行的话音传送的整个质量。

图1示出了在一个同时进行话音和数据通信的系统中使用的说明性非重叠信号点星座;

图2示出了通常说明在一段时间期间一个二维话音信号矢量的特征的示图;

图3示出了图2被旋转45°的示图;

图4示出了图5的发信机中使用的一个信号点星座;

图5示出了使用本发明原理的一个发信机的方框图;

图6示出了一个接收机的方框图，该接收机接收来自图5的发信机的发送信号;

图7示出了使用本发明的原理的又一个发信机的方框图;

图8示出了图7的发信机中使用的一个信号点星座;

图9示出了一个接收机的方框图，该接收机接收来自图7发信机的发送信号。

上述共同申请的Gordon    Bremer和Kennerh    D.Ko的专利申请（在这里一并作为参考）公开了一种发信机，在该发信机中被发送信号表示成一个N维信号点序列，其中每个信号点是至少两个分离信号的函数。说明性地，这些信号之一是一模拟信号即话音信号，而另一信号是一数据信号。图1中示出了在上述共同申请的专利申请中公开的同时进行话音和数据通信的系统中使用的一个说明性的4-QAM码元星座。如在该共同申请的专利申请中所述，在每一信号间隔T中数据信号首先被编码，以选取四个非重叠区域中的一个，每个区域由参考符号“A”、“B”、“C”和“D”中的一个表示。例如，符号“A”表示区域1，并且特别与由信号空间坐标（-1，+1）表示的信号点相关联，该坐标表示本领域所说的“同相”和“正交”分量。在现有技术仅进行数据通信的系统中，发信机仅发关从该码元星座中所选的四个码元中的一个换句话说，仅有四个有效的能被传送的信号点坐标。然而，如在共同申请的Gordon    Bremer和Kenneth    D.Ko的专利申请中所公开的，另一信号例如话音信号被加到被选数据码元中，因而一被选区域内的任何信号点都可被选取用于传送。因此，每个有效区域包括可以有效的信号点的一个连续区域，并且每个区域都与一不同的数据码元相关联。例如，在每一信号间隔T中，接这样一种方式对话音信号进行处理也即提供有话音信号的两个取样。这两个取样被用来在星座信号空间中生成一个“话音信号矢量”，例如图1中所示的话音信号矢量γ。换句话说，每个信号间隔，话音信号的两个取样选择一个信号点，即围绕该信号空间原点的一个“话音信号点”。该话音信号点的各坐标从该信号空间的原点定义了话音信号矢量γ的幅度和角度。然后通过矢量相加，该话音信号矢量被加到一个数据矢量d上，该数据矢量表示每一信号间隔T中被选样的数据码元。合成矢量γ选择一特定信号点R，用于自所选区域的传送。正如从图1中可以看出，话音信号矢量γ的幅度被如此限制，即合成的信号点R位于一区域内。

从图1可以看到，每个区域都有一个正方形形状，并且围绕与每个数据码元相关联的信号点被置于中心。因此，任何话音信号矢量的幅度被限制在每个区域宽度的1/2。遗憾的是，话音信号具有一很大的动态幅度范围，并且具有一个深度加权趋于零的幅度概率分布，即在中幅度上话音多半很小，仅有偶然的脉冲接近满刻度。因此，任何时话音信号矢量的幅度的限制都直接影响该话音信号的容许动态范围，从而限制话音信号的传输质量。例如，从图1中可以看到仅有四个方形区域设置在由半径P₁限定的圆周内。这个圆周表示各功率极限，事实上它们被强加在信号空间的大小之上。因此，为了装进更多的数据码元以提高数据速率，每个方形区域的大小必须被减小，这样如上面所述降低了话音道信的质量。

如在上述共同申请的专利申请中所披露的，通过以两倍的码元速率1/T取样话音信号形成该话音矢量γ。该话音取样被分成对，它们构成话音信号点的坐标，由此限定了该话音信号矢量γ。任何话音信号都能被作包括“发音的”和“不发音的”两种分量。一般地讲，发音的分量代表极相关的语音信号，而不发音的分量代表可能包括背景噪声的不相关语音信号。在语音信号的发音分量的取样期间，每个取样与下一取样相关。换句话说，连续的取样在很大程度上将不会在幅度上发生变化。然而，不发音分量的取样将导致话音取样值的更随机的分布，因而，连续的取样将趋于在幅度发生变改。这些在图2中示出，该图一般地标出了取样对的值它们构成了该知音信号点的坐标。因为各话音分量是相关的，所以在一发音的间隔期间。一取样对的每个取值通常等于另一个，结果，合成话音信号矢量在幅度上沿图2中线10改变。然而，在一个不发音间隔期间，取样对的每个取样可以不同，结果存在着如图2的区域15所示的与线10的偏差。此外，这些在图3虽示出，其中线10和区域15都被旋转45°。如从图3中所能看到的，话音信号矢量和基础话音信号是这样的以致于在每一维中的取样被快射到一个较长轴，以及很不相关的取样被映射一个较短轴，所以在一个整个时间期间话音信号矢量γ描出的形状装在图3的矩形20中。虽然上述描述是在话音信号的范围内，但应该注意到，当以足够高速率取样时，任何模拟信号的“取样对”将是非常相关的。

因此，并根据本发明，信号空间的每个区域的维数被选作话音信号矢量的特征的函数，而该话音信号矢量依次又是该话音信号和处理该话音信号之方法两者的函数。在这个实例中，每个区域的合成图形是一个矩形，它提供了比共同申请的Gordon    Bremer和Kenneth    D.Ko的专利申请中披露的正形区域更好的与话音信号取样的匹配。结果，因为信号点的星座能被分成多个区域（因此支持一较高数据速率），而仍能在话音通信中维持给定的质量等级，所以对于一给定的话音质量等级能支持一较高的数据速率。换句话说，通过使用具有矩形形状的区域，话音信号的质量得到维持、或对于给定的数据速率，话音信号的质量被提高。

具体地讲，图4示出了一个说明性的信号点星座。其中每个区域是矩形。与图比较1，图4的每个区域具有沿实轴一半的宽度，而沿虚轴宽度保持不变。如从图4中所能看到的，数据码元的数量已以4个（图1所示）增加到图4中的8个。换句话说，更多的数据码元被装入由半径P1限定的圆周中，而被映射到虚轴方向的话音信号的容许动态范围是相同的。结果较高的数据速率在含后可以具有较高的数据速率在今后可以具有较高的话音传输质量。

图5描述了一种配置，它很基本地说明了本发明的原理。一个话音信号经线路51被加到1对2映射器50。映射器50以两倍的码元速率1/T（每个信号间隔T）对话音信号取样，工在线睡52和53上生成两个信号，它们被分到施加到元件30和35。这两个信号表示图3中所示的话音信号点的坐标。映射器50有仅对话音信号取样，而且旋转取样45°，即映射器50以这样的方式变换，话信号被映射到信号空间。按照本发明，元件30和35以这样一种方式对映射器50的输出进行定标，即由话音矢量和数据矢量（下面讨论）的矢量相加获得的合成信号点位于所选矩形区域内。为了实现本例的目的，表示实轴的M等于N/2。换句话说，元件30和35把话音矢量耦合到所选区域。

在每个信号间隔T期间，已编码的数字信号被施加到1对2维映射器60，它在线路62和63上产生两个输出脉冲，每个脉冲具有一个与到达线路61上的已编码数字信号相关的幅度。这两个输出脉冲表示来自图4的数据码元之一的信号空间中的坐标。输出58和62在加法器70中被合并，输出58和63在加法器80中被合并。加法器70和80的输出构成信号的各分量，即从图4的信号空间中选择的用于传输的合成信号点。加法器70和80的输出被施加到调制器120和130，并在加法器140求和，以构成本领域典型公知的已调信号。虽然为了简化没有示出，但应该注意到，加法器70和80的输出能由滤波器辅加处理，为了避免假混频，这些滤波器被带限到不大于ω，和带限到至少是映射器60的输出取样速率倒数的一半。

在图5中，元件60被描述为一个1对2映射器。然而，应该理解，该元件可以是一个M对N映射器。这就是说，元件60能够响应多个（M）已编码数字信号，并且其能产生不同的多个（N）输出信号。类似地，元件50可以是一个M对N编码器，它响应多个模拟信号。同样地，元件50和60后面的元件的集合（即元件70，80，120，130和140），它们构成正交调制90，能被构造成响应元件50和60的多个输出。更确切地说，这些元件必须考虑所有的被施加信号，并且意味着它们必须能够处理K或N个信号，无论其中哪个大。然而，在这样一种情况下，用户能够假设两个（K或N）中较大的是系统的维数，并且，无论提供哪种信号，某些维既不具有数字数据，也不具有模拟数据。当然，如果存在没有数字或模拟数据的“维数”，则其它信息能经这些维数发送，例如等“面”（side）信息。

在一信号空间的范围内，元件50和60的N个输出信号（假设N＞K）对应着多维空间例如N维空间中和矢量的分量的集合。该多维空间的坐标对应着正交调制器90中的正交调制信号。在图5中，两个正交调制信号是coswt和sinwt，但其它调制信号也是可能的。例如，码分多址（CDMA）方法。为了本发明的目的，正交调制信号是产生一包括并行单元信号的被发送信号的调制信号，然而允许接收机把接收的信号分成它的组成单元信号，这些信号是响应每个调制信号产生的信号。相对于图1如上所述还可以看到，正交调制器90执行码元矢量的矢量求和，所述码元矢量是由通过元件60利用由由元件50产生的各分量表示的模拟信号矢量产生的各分量表示。

图6求示出了与本发明原理一致的一个接收机的基本方框图。从信道接收的已调输入信号被施加到解调器210，它产生同相和正交分量。这些分量被施加到限幅器220，它鉴识各码元，即把接收的信号点映射到距图4星座最近的数据码元。限幅器220提供被识别的各码元给去映射器230，它执行上述映射器230相反的功能。此外，图6包括1对2映射器240，它响应由信道限幅器220产生的各码元。映射器240的输出是同相和正交分量组（在图5的配置中它们被施加到元件70和80）。映射器240的输出在减位器250和260中从解调器210的输出中减去。减法器250和260的输出被分别施加到元件255和265。后者执行上述元件30和35的相反限幅功能。元件255和265的输出被施加到2对1去映射器270，它执行映射器50的相反功能，并重新组合话音取样的构成线路271上的话音信号。

利用本发明原理的另一发送机示于图7中，它说明性地使用了图8中所示的信号点星座。图7的发送机除添加了信道编码器40外，与图5的发送机类似，信道编码器40响应在线路41上提供的数字信号。信道编码器40根据公知的编码技术进行操作，并且典型地是一个在CCITT    V.32中定义的那种格型编码器，或者在其他现有技术中所示的诸如1990年7月10公开的L.F.Wei的美国专利4，941，154中的编码器。格型（trellis）编码器是卷积编码的形式的。在每个信号间隔T中，信道编码器40提供格型数字信号给1对2维映射器60，它将该格型数字信号映射到图8所示的信号空间星座。发送机的剩余部分起着上述的图3中发送机相应部分的功能。

如在共同申请的，申请人为NilliamL.Betts，Gordon    Bremer和Edward    S.Zwranski的美国专利申请中所描述的在同时进行话音和数据通信的系统中，信道编码数据信号允许信号空间的区域垂直叠，尽管在接收机中会偶然引入“硬差错”。因此，对于给定的区域形状，能够实现数据码元的更密集的装填。这一点由图8中所示的信号空间说明。该信号空间除了每个区域目前与每个相邻区域重叠外，与图4的信号空间类似。如从图8中所能看到的，装填在半径P1圆周限定的信号空间的数据码元数量大于装填图4中所求信号空间的码元数量，然而即使获得了一较高数据速率但话音信号的质量相同。

图9示出了与本发明原理一致的一个接收机的基本框图。除了添加的缓冲器290和信道解码器280外，该接收机类似于图6的接收机。自信道接收的已调输入信号被施加到解调器210。它产生同相和正交分量。这些分量被提供给限幅器220，它根据图8的星座计算每个数据码元的“差错量度”即“转换量度”。该差错量度不过是被接收信号点随每个数据码元的距离。限幅器将每个数据码元的差错量度提供给道解码器280，它典型地是一个本领域公知的维特比解码器。一般地讲，信道解码器280把每个转换量度加到用于格型码的每个状态的一个已存贮的“通路量度”上，然后为每个格型编码状态选择一个新的通路量度。每个新的通路量度具有差错量度的最小和。换句话说，在对一特定码元解码之前，信道解码器280对接收的数据码元进行估计，以使在整个被接收码元序列中的整个差错最小化。例如，如图8中所示，一旦接收到信号点R，则一个硬决定将导致选择数据码元B。然而，这是一个硬错，因为对于接收了数据码元的这样一个硬差错来说，当与剩余数据码元的差错量度比较时，其相应的差错量度是最小的，而由其本射导致选择错误的数据码元。换句话说，话音信号矢量γ被加到码元A上，以这种方式，接收机在确定被接收码元中产生了硬差错。然而，由于基础格型码过去被用于选择用于传输的每个数据码元，所以信道解码器280允许该接收器从这种硬差错中恢复，或避免这种硬差错。因此，在大量码元间隔末尾，信道解码器280提供校正后的数据码元即码元A给解映射器230，其中码元间隔的数量典型地等于解码深度。

为了恢复话音信号，图9包括缓冲器290，它接收来自调制210的输出，并提供一个时间延迟，该时间延迟可以借将首先在信道解码器280中完成的格型编码使用。图9包括一个1对2映射器240，它响应由信道解码器产生的各码元。映射器240的输出是同相和正交分量组（在图7的配置中，它们被施加给元件70和80）。在减法器250和260中映射器240的输出被从缓冲器290的输出中减去。减法器250和260的输出经反限幅元件255和265施加到2对1解映射器270，它重新组合话音取样，以构成原来的话音信号。解映射器270执行映射器50的相反功能。

以上仅仅说明了本发明的原理，可以理解本领域的技术人员将能够设计出多种可替换的体现本发明原理的实施例（虽然在这里没有明确地描述），而不超出本发明的精神和范围。

例如，虽然这里利用分立功能组件例如元件30等来实现以说明本发明，但这些组件的任何一种或多种功能都能够利用一个或多个相应的编程处理器来执行。

除此之外，可以使用其他的形状，例如椭圆形形状，它从信号空间的中心辐射。另外，能够对模拟信号进行其他处理，以进一步变化每个区域的合成形状，例如模拟信号的差分编码。

Claims (8)

1、一种发送的方法，包括下列步骤：

a).选择一数据码元作为一数据信号的函数，其中每个数据码元代表多个N维信号空间之区域中一个不同的区域，并且每个数据码元与该N维信号空间中一不同的N维信号点相关联；

b).选择一个N维信号作为一被施加信号的函数，其中该信号点选自所述N维信号空间；

c).把被选数据码元的各信号空间从标与被选N维信号点相加，以提供一合成信号点；

其中每个合成信号点取自与数据码元相关的区域，并且多个区域中的每一个都为非正方形形状。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于其中多个区域中的每一个是被施加信号的特征的一个函数。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于被施加信号是一个话音信号，而在步骤b）中所选信号点的每个坐标是一话音信号的取样。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于其中选择步骤b）包括下列步骤：

d）.对被施加信号取样，以提供至多等于N维信号空间维数值的大量取样。

e）.对大量取样标定，以提供大量被标定的取样，其中以这样一种方式执行该标定步骤，即对该大量取样中的至少一个取样的标定不同于对该大量取样中剩余的其他取样的标定;和

f）.选择N维信号点作为大量被限幅取样的函数。

5、用于发送的装置，其特征在于它包括：

第一选择装置，用于选择一个N维信号点作为一第一信号的函数，其中该信号点选自一N维信号空间;

第二选择装置，用于选择一数据码元作为一数据信号的函数，其中每一数据码元表示信号空间中多个区域之一，并且每个数据码元与N维信号空间中一不同信号相关联;和

用于在每一信号间隔T中把两个所选信号点的信号空间坐标相加，以提供一合成信号点的装置;

其中每个合成信号点取自与在一相应信号间隔中出现的数据码元相关的区域，并且其中大量区域中的每一个都为非正方形形状。

6、根据权利要求5的装置，其特征在于多个区域中的每一个的形状是第一信号的特征在函数。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于第一信号是一话音信号，由第一选择装置选取的信号点的每个坐标是该话音信号的取样。

8、根据权利要求5的装置，其特征在于所述的第一选择装置包括：

用于对第一信号取样以提供至多等于N维信号空间维数值的大量取样的装置;

用于对该大量取样标定以提供大量已标定取样的装置，其中以这样一种方式执行标定，即对该大量取样中的至少一个取样的标定不同于该大量取样中剩余的其他取样的标定;和

第三选择装置，用于选择该N维信号点作为该大量已定标取样的函数。

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