CN111478924A - 一种超短波电台多跳中继语音通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超短波电台多跳中继语音的通信方法,在有限的无线链路带宽下,利用超短波电台IP数据的传输特点,选择基于Android系统平台的混合激励线性预测的2.4Kbps语音编码,按照IP数据传输协议进行封装,接收端采用动态等待延时对链路动态变化下的语音传输接收做出保护,能够解决在超短波电台自组网模式下,传输速率动态变化或信道质量恶化的环境下数据传输的不连续而导致的语音接收播放的断续问题;保证了多跳中继动态变化链路环境下,语音播放的连续性和完整性。
Description
技术领域
本发明属于语音通信技术领域,尤其涉及一种超短波电台多跳中继语音的通信方法。
背景技术
传统的超短波电台以语音和数据传输为核心功能,语音通信是通过配备的送受话器完成语音的采集与接收。数据传输方面,通常要配备电脑,便携性较差。语音与数据的传输采用分离的设备,操作不方便。在应用场景方面,超短波电台多用于近距离通信,在进行远距离通信时,通过增大超短波电台的发射功率、改变天线的形式、使用中继站等方式可以延伸语音的通信距离,但通过以上手段仍然难以保证语音远距离的可靠传输。
现有超短波电台语音传输技术是通过超短波电台送受话器完成话音的采集,经超短波电台声码器、业务单元进行压缩编码后在无线链路上进行传输,接收端通过解码解压缩将语音从送受话器端播放。用户对电台的遥控及数据通信是通过配备的电脑来完成,这样的使用方式在某些特定场景下不能够真正的实现人机分离,操作不方便。
现役超短波电台在组网模式下,中继链路的传输速率是根据信道质量的好坏来动态调整的。另外语音在远距离通信中,利用现有的送受话器采集话音不能够实现多跳中继传输,当无线链路的传输速率动态变化或急剧恶劣下降时,现有的语音很难保证连续可靠的传输。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是提出一种超短波电台多跳中继语音通信方法,在有限的无线链路带宽下,通过配备信息终端代替超短波送受话器,完成语音的采集、编码及压缩;利用超短波电台IP数据传输可中继的特点,将压缩后的语音数据按照超短波电台IP数据的信令格式,通过有线或无线的传输方式至超短波电台业务单元,利用超短波无线通信链路,实现超短波电台语音的多跳中继可靠传输。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以解决。
一种超短波电台多跳中继语音通信方法,包括以下步骤:
步骤1,发送端采集原始语音数据,原始语音数据经模数转换成数字语音信号,采用基于混合激励线性预测的低速语音编码对数字语音信号进行压缩编码后,对压缩编码后的原始语音数据按照IP数据传输格式进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包;
步骤2,适于多跳中继传输的原始语音数据包通过无线或有线方式发送至超短波中继电台,通过多跳中继链路传输至接收端;
步骤3,接收端根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时;对接收的语音数据包依次进行数据格式解析、解码解压缩、数模转换,还原出原始语音数据,并在语音播放等待延时内对原始语音数据进行连续播放,从而实现超短波电台的多跳中继语音通信。
进一步地,所述混合激励线性预测的低速语音编码为基于Android系统平台的混合激励线性预测的2.4Kbps语音编码。
进一步地,所述对压缩编码后的原始语音数据按照IP数据传输协议进行封装,具体为:
首先,建立标准网络IP数据帧格式:从前到后依次包含MAC头、IP头、UDP头和UDP数据;
其次,对UDP数据部分进行协议扩展,得到扩展后的UDP数据,进而得到扩展后的IP数据协议;
其中,扩展后的UDP数据包含超短波电台IP数据信令标识、数据包长度标识、扩展后UDP数据内容、校验码、时间戳;所述扩展后UDP数据内容包含语音标识、语音数据包总包数、包号和语音数据;
最后,采用扩展后的IP数据协议对压缩编码后的原始语音数据进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包。
更进一步地,所述超短波电台IP数据信令标识用于标识数据类型为超短波电台IP数据,使超短波中继电台对该数据格式进行多跳中继传输;
所述数据包长度标识用于标识整个UDP数据包的长度;
所述语音标识用于区分语音数据和普通数据;
所述语音数据包总包数用于标识压缩编码后的语音包的总包数;
所述包号用于标识当前传输的语音包的编号。
进一步地,所述根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时,具体为:
(a)对于接收到的第一个语音数据包,解析获取数据传输协议中的语音数据包总包数,并查询当前链路的传输速率及对应的相邻语音数据包的时间间隔t1,生成第一等待时间T1=t1×m;其中,m为语音数据包总包数;
(b)当接收端接收到的语音数据包的数量为m/2时,再次查询当前链路的传输速率及对应相邻语音数据包的时间间隔t2,生成第二等待时间T2=1/2×t2×m;
(c)判断是否接受到最后ε个语音数据包,若是,则正常播放语音数据包,否则,判断是否成功获取第二等待时间T2,若是,则采用第二等待时间T2作为语音播放等待延时;否则,采用第一等待时间T1作为语音播放等待延时;
其中,ε为正整数,且ε<10。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明利用超短波电台IP数据的传输特点,选择基于Android系统平台的混合激励线性预测的2.4Kbps语音编码,按照IP数据传输协议进行封装,接收端对链路动态变化下的语音传输接收做出保护,能够解决在超短波电台自组网模式下,传输速率动态变化或信道质量恶化的环境下数据传输的不连续而导致的语音接收播放的断续问题;保证了多跳中继动态变化链路环境下,语音播放的连续性和完整性。
(2)利用信息终端可代替超短波电台现有的送受话器及配套电脑完成语音数据的一体化操作。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的实现流程框图;
图2是本发明实施例中多跳中继语音的IP数据传输协议设计示意图;
图3是本发明实施例中基于多跳语音传输的语音播放等待延时确定的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。
参考图1,本发明提出一种基于超短波电台多跳中继的语音通信方法,
步骤1,发送端采集原始语音数据,原始语音数据经模数转换成数字语音信号,采用基于混合激励线性预测的低速语音编码对数字语音信号进行压缩编码后,对压缩编码后的原始语音数据按照IP数据传输格式进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包;
发送端的配套终端采集原始语音数据,原始语音数据经A/D转换成数字语音信号,而本发明将混合激励线性预测的低速语音编码应用于端到端的语音通信动态变化链路中,低速率语音通信是提供安全和保密语音通信的有效手段,通过尽可能少的通信资源,传送尽可能高质量的语音。
以现役的某型超短波电台为例,当信道条件恶化时,链路的传输速率在2.4Kbps~38.4Kbps范围内动态变化;即使用户在通信之初设置最高的传输速率,在传输过程中实际的速率也有可能降低,因此语音数据如何压缩适合于通信链路动态变化速率下的传输显得尤为重要。本发明基于Android系统常用的语音编码算法有:64Kbps的脉冲编码调制(PulseCode Modulation,PCM)、自适应多速率(Adaptive Multi-Rate,AMR);在军事无线链路中,常遇到信道带宽很窄、误码率较高的情况,有时还有强干扰,显然Android系统的常用算法不能满足超短波组网模式下的语音传输。对比线性预测(Linear Predictive Coding,LPC)、高级多带激励(Advanced Multi-Band Excitation,AMBE)、码激励线性预测(CodeExcited Linear Prediction,CELP)等多种低速的候选编码方案,结合超短波无线链路在组网模式下传输速率的动态变化范围,本发明选择基于混合激励线性预测(MixedExcitation Linear Prediction,MELP)的2.4Kbps的语音编码方案在基于Android系统平台上实现。而配套终端选择合适语音编码的主要目的就是尽可能地减小超短波链路传输或存储所需要的比特数,在给定通信系统的带宽和存储空间下,尽可能地提高通信的语音质量。
本发明利用超短波电台自组网模式下的IP数据传输特点,将经过压缩编码的原始数据按照IP数据传输的格式进行封装,为了保证数据经过超短波多跳中继链路还能够连续可靠地传输至接收端,需要对语音数据按照特定格式进行标识。
首先,建立标准网络IP数据帧格式:从前到后依次包含MAC头、IP头、UDP头和UDP数据;具体地,如图2所示,MAC帧头包含目的局域网(MAC)地址、源MAC地址、类型、数据部分和循环冗余校验码(CRC);IP头包含:版本、表头长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生成时间、协议、首部校验和、源地址、目的地址、可选的选项位等;UDP头部分包含源端口号、目的端口号、信息长度及校验和;UDP数据包包头是基于开放式系统互联通信参考(OSI)模型中标准的协议格式封装。
其次,对UDP数据部分进行协议扩展,得到扩展后的UDP数据,进而得到扩展后的IP数据协议;
其中,扩展后的UDP数据包含超短波电台IP数据信令标识、数据包长度标识(LEN)、扩展后UDP数据内容、校验、时间戳;所述扩展后UDP数据内容包含语音标识、语音数据包总包数、包号和语音数据;
所述超短波电台IP数据信令标识用于标识数据类型为超短波电台IP数据,使超短波中继电台对该数据格式进行多跳中继传输;
所述数据包长度标识用于标识整个UDP数据包的长度;
所述语音标识用于区分语音数据和普通数据;
所述语音数据包总包数用于标识压缩编码后的语音包的总包数;
所述包号用于标识当前传输的语音包的编号。
最后,采用扩展后的IP数据协议对压缩编码后的原始语音数据进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包。
本发明采用扩展后的IP数据协议进行多跳中继语音协议设计的优点在于:解决了现有超短波电台语音不能够直接进行多跳中继的传输问题,在接收端正确提取语音消息数据,接收端通过总包数、包号标识信息做出语音可靠性传输保证。
步骤2,适于多跳中继传输的原始语音数据包通过无线或有线方式发送至超短波中继电台,通过多跳中继链路传输至接收端;
具体如图1所示,多跳中继链路中包含n个超短波中继节点,n>1。
步骤3,接收端根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时;对接收的语音数据包依次进行数据格式解析、解码解压缩、D/A转换,还原出原始语音数据,并在语音播放等待延时内对原始语音数据进行连续播放,从而实现超短波电台的多跳中继语音通信。
具体地,如图3所示,根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时,具体为:
(a)对于接收到的第一个语音数据包,解析获取数据传输协议中的语音数据包总包数,并查询当前链路的传输速率及对应的相邻语音数据包的时间间隔t1,生成第一等待时间T1=t1×m;其中,m为语音数据包总包数;
(b)当接收端接收到的语音数据包的数量为m/2时,再次查询当前链路的传输速率及对应相邻语音数据包的时间间隔t2,生成第二等待时间T2=1/2×t2×m;
(c)判断是否接受到最后ε个语音数据包,若是,则正常播放语音数据,否则,判断是否成功获取第二等待时间T2,若是,则采用第二等待时间T2作为语音播放等待延时;否则,采用第一等待时间T1作为语音播放等待延时;
其中,ε为正整数,且ε<10。
超短波电台在经过多跳中继时,随着网络节点数量的增加或链路质量的恶化,很难保证接收端语音的连续播放,接收端组包播放的时机选择比较困难,当最后一包(或几包)语音数据未到达接收端,而接收端提前组包播放会导致语音的不完整。若持续等待最后一包(或几包)语音数据的到来,等待时延很难控制从而导致多跳中继语音传输的用户体验不好。为了保证在多跳中继的网络环境下的语音连续可靠的传输,结合超短波电台自组网的特性,通过在传输过程中多次获取链路的传输速率,计算多个接收端的等待延时,选择最短最优的等待延时的方法,尽可能保证语音通信的可靠性。具体设计如下:
作为发送端的配套终端,将采集到的语音数据按照MELP的2.4Kbps的编码算法进行压缩编码,尽可能减小发送端的数据量,同时按照多跳中继语音特有的IP数据协议格式进行语音数据的封装,经过超短波电台多跳中继链路的传输至接收端的配套终端。
作为接收端,当接收端由于超短波电台链路的延时导致最后一包(或几包)数据延时到来,还要尽可能保证语音数据的完整性,设计了超短波电台多跳中继传输语音播放延时的可靠性保障方法,从而尽可能实现在较短的时间内保证接收语音数据的完整可靠。
本发明的多个接收语音等待延时的设计,能够解决在超短波电台自组网模式下传输速率动态变化或信道质量恶化的环境下数据传输的不连续性,从而导致语音接收播放的断续问题。在接收端正常按顺序接收到语音包数据时,可以连续接收并播放完整的语音数据,但在多跳中继动态变化的链路环境下,在对语音数据包播放的时机做出合理保护设计,尽可能地保证语音播放的连续性和完整性。
相比于现有的超短波语音的通信方案,本发明方法解决了现有超短波电台语音多跳中继的问题;同时对于超短波电台自组网模式下自适应速率下语音接收的完整及可靠性做了一定的提升;利用信息终端可代替超短波电台现有的送受话器及配套电脑完成语音数据的一体化操作。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种超短波电台多跳中继语音的通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,发送端采集原始语音数据,原始语音数据经模数转换成数字语音信号,采用基于混合激励线性预测的低速语音编码对数字语音信号进行压缩编码后,对压缩编码后的原始语音数据按照IP数据传输格式进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包;
步骤2,适于多跳中继传输的原始语音数据包通过无线或有线方式发送至超短波中继电台,通过多跳中继链路传输至接收端;
步骤3,接收端根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时;对接收的语音数据包依次进行数据格式解析、解码解压缩、数模转换,还原出原始语音数据,并在语音播放等待延时内对原始语音数据进行连续播放,从而实现超短波电台的多跳中继语音通信。
2.根据权利要求1所述的超短波电台多跳中继语音的通信方法,其特征在于,所述混合激励线性预测的低速语音编码为基于Android系统平台的混合激励线性预测的2.4Kbps语音编码。
3.根据权利要求1所述的超短波电台多跳中继语音的通信方法,其特征在于,所述对压缩编码后的原始语音数据按照IP数据传输协议进行封装,具体为:
首先,建立标准网络IP数据帧格式:从前到后依次包含MAC头、IP头、UDP头和UDP数据;
其次,对UDP数据部分进行协议扩展,得到扩展后的UDP数据,进而得到扩展后的IP数据协议;
其中,扩展后的UDP数据包含超短波电台IP数据信令标识、数据包长度标识、扩展后UDP数据内容、校验、时间戳;所述扩展后UDP数据内容包含语音标识、语音数据包总包数、包号和语音数据;
最后,采用扩展后的IP数据协议对压缩编码后的原始语音数据进行封装,得到适于多跳中继传输的原始语音数据包。
4.根据权利要求3所述的超短波电台多跳中继语音的通信方法,其特征在于,所述超短波电台IP数据信令标识用于标识数据类型为超短波电台IP数据,使超短波中继电台对该数据格式进行多跳中继传输;
所述数据包长度标识用于标识整个UDP数据包的长度;
所述语音标识用于区分语音数据和普通数据;
所述语音数据包总包数用于标识压缩编码后的语音包的总包数;
所述包号用于标识当前传输的语音包的编号。
5.根据权利要求1所述的超短波电台多跳中继语音的通信方法,其特征在于,所述根据超短波电台多跳中继链路状态,确定语音播放等待延时,具体为:
(a)对于接收到的第一个语音数据包,解析获取数据传输协议中的语音数据包总包数,并查询当前链路的传输速率及对应的相邻语音数据包的时间间隔t1,生成第一等待时间T1=t1×m;其中,m为语音数据包总包数;
(b)当接收端接收到的语音数据包的数量为m/2时,再次查询当前链路的传输速率及对应相邻语音数据包的时间间隔t2,生成第二等待时间T2=1/2×t2×m;
(c)判断是否接受到最后ε个语音数据包,若是,则正常播放语音数据包,否则,判断是否成功获取第二等待时间T2,若是,则采用第二等待时间T2作为语音播放等待延时;否则,采用第一等待时间T1作为语音播放等待延时;
其中,ε为正整数,且ε<10。
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