TWI513262B - Digital voice transmission system and method - Google Patents

Description

數位語音傳輸系統及方法

本發明係與無線語音傳輸技術有關，特別係指一種數位語音傳輸系統及方法。

目前市面上的麥克風、擴音器及廣播器大都採用單向及有線連接，即便是無線功能的麥克風、廣播器，也經常受干擾而產生雜音，使用者常要更換麥克風，或經常變換位置，除造成使用者不便外，並未能實際解決問題。加上無線對講機也只是單純傳送類比語音訊號，並無傳送數位訊號，亦無多跳及自動換頻抗干擾功能，更無法依實際應用情境而動態布建及隨建即連。傳統的無線語音傳輸裝置諸如無線對講機和無線麥克風是類比訊號，並沒有含數位訊號，傳統的無線語音傳輸裝置如無線對講機，其傳輸方式為單跳星狀(廣播)方式，傳輸頻率為單頻容易造成干擾、或可手動切換頻率來尋求較乾淨的頻段來傳輸，但無頻率自動切換功能。另有多跳單頻傳輸方式，為避免路由器間之相互干擾，在頻寬的使用上會依據路由器之數量越多，可使用的頻寬也隨之減少。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種數位語音傳輸系統及方法，具有雙向語音多跳換頻抗干擾及求救功能，且其機動性佳，可動態布建、隨建即連，可做為無線語音廣播、無線緊急呼叫器，可無線緊急呼叫主控端(server)，方便無線短距離緊急連絡、監控及求救目的使用。

本發明係提供一種數位語音傳輸系統，包括：中央控制單元，其用於發送與接收訊號封包；一個以上之路由單元，係以無線通訊網路與該中央控制單元互連，其用於過濾與轉送該訊號封包；以及一個以上之行動單元，係以無線通訊網路與該路由單元互連，其可發送與接收該訊 號封包；其中該中央控制單元發往該路由單元之傳輸路徑為下行方向，該路由單元發往該中央控制單元之傳輸路徑為上行方向，該路由單元接收到該中央控制單元發送之訊號封包後，將該訊號封包中屬於該路由單元之資訊移除，然後繼續送出該訊號封包給其他路由單元，最後一個路由單元接收到該訊號封包後，將欲傳回該中央控制單元之資訊寫入該訊號封包，再將該訊號封包回傳給前一個路由單元，各路由單元將各自欲傳回給該中央控制單元之資訊分別寫入該訊號封包後，將該訊號封包循上行方向傳送至該中央控制單元。該訊號封包之內容係包括控管封包與語音封包；該無線通訊網路係使用ZigBee通訊協定。

本發明之數位語音傳輸系統係具有中央控制單元，該中央控制單元係用於管理該無線通訊網路之訊號時序與頻道設定，並具有一語音傳輸介面，可對全系統網路中所有路由單元與行動單元進行語音廣播，亦可對單一行動單元進行語音通訊；該中央控制單元係用於監測該路由單元與該行動單元之運作狀態、感測資訊與位置，並決定該無線通訊網路之訊號發送時序與頻道管理機制。

本發明之數位語音傳輸系統係具有一個以上之路由單元，該路由單元在不傳送訊號封包時，必須一直處於接收狀態，當該路由單元接收到附近行動單元傳送之訊號封包時，先暫存該訊號封包之資訊，當往上行方向之上行訊號封包經過時，再將該路由單元內暫存之資訊填入該上行訊號封包，以將該資訊傳回該中央控制單元。

本發明之數位語音傳輸系統係具有一個以上之行動單元，該行動單元係具有電源鍵、發話鍵與註冊鍵，該行動單元於開始運作時，必須先按下該註冊鍵，對該中央控制單元發送一註冊訊號封包，當該中央控制單元接收到該註冊訊號封包並確認無誤後，該行動單元方可進行語音通訊；該行動單元於發送語音封包前，必須先按下該發話鍵，先發送一具發話請求之訊號封包，該中央控制單元接收到該具發話請求之訊號封包並設定允許該行動單元通話後，發送一發話通知給該行動單元，該行動單元發送之語音封包資訊始可上傳至該無線通訊網路上，進行語音通訊；該行動單元未進行語音通訊時，係定期發送一控管封包至該無線通訊網路，供該 中央控制單元擷取監控，該控管封包亦可發送至位於該行動單元附近的路由單元，由該路由單元轉傳至該無線通訊網路或該中央控制單元。

本發明係提供一種數位語音傳輸方法，其步驟包括：中央控制單元透過無線通訊網路發送一訊號封包；路由單元從該無線通訊網路接收到該訊號封包後，將該訊號封包中屬於該路由單元之資訊移除，然後繼續送出該訊號封包給其他路由單元；最後一個路由單元接收到該訊號封包後，將欲傳回該中央控制單元之資訊寫入該訊號封包，然後將該訊號封包經由該無線通訊網路傳送至該中央控制單元；該訊號封包之內容係包括控管封包與語音封包；該無線通訊網路係使用ZigBee通訊協定。

本發明係提供一種數位語音傳輸方法，進一步包括下列步驟：行動單元透過無線通訊網路發送一訊號封包；路由單元接收到該訊號封包後，儲存將該訊號封包之資訊；路由單元透過無線通訊網路將該訊號封包發送至其他路由單元，或直接傳回該中央控制單元。

本發明之數位語音傳輸方法，其中該中央控制單元、該路由單元與該行動單元係具有一變頻傳輸機制，當該中央控制單元循下行方向以第一頻率送出第一筆訊號封包，該路由單元接收該第一筆訊號封包後，以第一頻率繼續將該第一筆訊號封包發送給其他路由單元與行動單元，上述動作進行同時，中央控制單元若需發送第二筆訊號封包或其他訊號封包，則以與該第一頻率不同之第二頻率或其他頻率發送該第二筆訊號封包或其他訊號封包，各路由單元接收到以第二頻率或其他頻率發送之第二筆訊號封包或其他訊號封包時，必須以相對應之頻率將該訊號封包繼續發送至其他路由單元與行動單元；同理類推，該行動單元循上行方向將訊號封包回傳至該路由單元與該中央控制單元時，亦採用相同之變頻傳輸機制，將不同筆訊號封包以不同頻率分批上傳，以避免頻道衝突造成訊號干擾與資訊失真之狀況發生。該路由單元接收到該中央控制單元或其他路由單元發送之訊號封包時，亦可選擇使用與發送端頻率不同之頻率繼續發送該訊號封包，以增進通訊傳輸之流暢度；該中央控制單元、該路由單元與該行動單元均可同時或分批接收以不同頻率發送之不同筆訊號封包。

本發明之數位語音傳輸系統及方法，其中該訊號封包之內容 係包括控管封包與語音封包，該控管封包之內容係包括：定義位址(Predefined grouping address)，係用於定義各單元之身分為中央控制單元、路由單元或行動單元；傳輸路徑方向，由中央控制單元發向路由單元或行動單元之方向為下行(download)方向，由行動單元或路由單元發向中央控制單元之方向為上行(upload)方向。其中上行方向之訊號封包內容係進一步包括該單元之註冊位址(address)、訊號距離強度(RSSi)、感測器資料(sensor data)及發話請求，下行方向之訊號封包內容係進一步包括運作模式、頻率分配、發話通知、通話結束及語音封包。各路由單元與各行動單元所發送之語音資料均需先傳回中央控制單元，由中央控制單元管控該語音資料發送至系統中各單元。

本發明之數位語音傳輸系統及方法，其中該路由單元與該行動單元於傳送該訊號封包時，係使用CSMA/CA機制(Carrier Sense Multiple Access with collision Avoidance)，可避免訊號產生碰撞與互相干擾，造成資訊傳遞錯誤與失敗。

本發明係使用ZigBee無線通訊網路作為通訊介面，具有可換頻傳輸、避免干擾之優點，本發明在傳輸語音訊號時，尚可同時傳輸其他的數位管控資訊或數位應用資料，運用範圍較傳統語音無線電系統更為廣泛；本發明使用之ZigBee網路最多可擴充至65000個節點，遠高於WIFI之32個節點或bluetooth之7個節點，且傳輸距離長、機動性高，視實際應用環境而可即時布建。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11‧‧‧中央控制單元

21‧‧‧A路由單元

22‧‧‧B路由單元

23‧‧‧C路由單元

31‧‧‧行動單元

f0‧‧‧基礎頻率

f1‧‧‧A路由頻率

f2‧‧‧B路由頻率

f3‧‧‧C路由頻率

fm‧‧‧中控頻率

圖1係為本發明之數位語音傳輸系統及方法實施例運作架構圖。

圖2係為本發明之數位語音傳輸系統及方法另一實施例運作架構圖。

圖3係為本發明之時序規劃實施例示意圖。

圖4係為本發明實施例之非語音傳送期間網路管控機制實施例示意圖。

圖5係為本發明實施例之語音傳送期間網路管控機制實施例示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明之數位語音傳輸系統及方法實施例運作架構圖如圖1所示，本發明係使用ZigBee通訊網路；中央控制單元11以基礎頻率f0送出一訊號封包，該訊號封包之內容係包括數位管控訊號與語音訊號；A路由單元21以基礎頻率f0接收該訊號封包後，以A路由頻率f1發送該訊號封包；B路由單元22以A路由頻率f1接收該訊號封包後，以B路由頻率f2發送該訊號封包；C路由單元23以B路由頻率f2接收該訊號封包後，以C路由頻率f3發送該訊號封包；行動單元31可同時接收不同頻率之訊號封包，故無論在網路中任一位置均可接收到由該中央控制單元發出之訊號封包。由於中央控制單元與各路由單元均使用不同之發送頻率，故不會產生傳統單頻通訊系統頻道被占用、信號易受干擾之缺點。且本發明在收發語音訊號時，亦可同時收發數位管控訊號如感測器資料、特殊定義指令、求救訊號等，相較於傳統類比式訊號系統，本發明之運作彈性與功能更為完善。

本發明之數位語音傳輸系統及方法另一實施例運作架構圖如圖2所示，本發明係使用ZigBee通訊網路；行動單元31以基礎頻率f0送出一訊號封包，該訊號封包之內容係包括控管訊號與語音訊號；B路由單元22以基礎頻率f0接收該訊號封包後，以B路由頻率f2發送該訊號封包；A路由單元21以B路由頻率f2接收該訊號封包後，以A路由頻率f1發送該訊號封包；C路由單元23以B路由頻率f2接收該訊號封包後，以C路由頻率f3發送該訊號封包；該中央控制單元接收該行動單元發出之訊號封包時，同時以與基礎頻率不同之中控頻率fm發送另一訊號封包。由於行動單元、中央控制單元與各路由單元均使用不同之發送頻率，故不會產生傳統單頻通訊系統頻道被占用、信號易受干擾之缺點。且本發明在收發語音訊號時，亦可同時收發控管訊號如感測器資料、特殊定義指令、求救訊 號等，相較於傳統類比式訊號系統，本發明之運作彈性與功能更為完善。

本發明之時序規劃實施例示意圖如圖3所示，其基本週期6075μs是根據50個語音取樣週期所訂出(50×121.5μs=6075μs)。在傳遞語音資料時，每個基本週期將再分割為三部份，首先是傳遞管控封包的時槽，接著兩個是送收語音封包的時槽，每個語音封包所攜帶的語音資料量為25bytes，也就是50個語音取樣點的ADPCM資料，取樣間隔為121.5μs。配合語音之取樣間隔，本發明所建立之callback週期規劃為取樣間隔的兩倍，也就是243μs，所以圖3中每個基本週期可劃分為25個callback週期。圖3中，從第0號callback週期開始的封包為控管封包；從第7號和第16號callback週期開始的封包則為語音封包。

圖4係為本發明之非語音傳送期間網路管控機制實施例示意圖，如圖所示，在不傳送語音狀況下，整個網路將回歸基礎頻率f0。針對鏈狀網路，本發明設計了單純的「列車式」管控機制。如圖4所示，中央控制單元11每隔一段固定時間以基礎頻率f0發出一個下行封包，封包內可以攜帶欲下傳的資訊。A路由單元21收到後可以將專屬於它的下傳資訊從封包中移除，然後同樣以基礎頻率f0重新送出封包。接著B路由單元22也是做類似的動作。當終點站C路由單元23收到封包後，開始將上傳資料裝入新的上行封包後送出，B路由單元收到後也可裝入它要上傳的資料然後送出。最後當封包抵達中央控制單元時，即告完成一趟列車行程。

圖5係為本發明之語音傳送期間網路管控機制實施例示意圖，如圖所示，各路由單元在語音傳送期間大致有一半時間是在接收封包，另一半時間是在傳送，並無空餘時間得以傳送其他資訊。不過考慮到語音傳送期間，可能隨時會有數位管控資料必須上傳或下傳，並且網路必須仍能傳送控管資訊，因此本發明在收發語音封包前，再增加一個傳送前述控管列車之時槽，在該時槽內所有裝置均必須回歸基礎頻率f0。如圖5所示，在每一基本週期內之第一時槽內，控管封包仍和圖5一樣，依序逐站停靠後再出發；而在第二時槽和第三時槽內，則依據圖1之換頻機制傳遞語音封包。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非 用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11‧‧‧中央控制單元

21‧‧‧A路由單元

22‧‧‧B路由單元

23‧‧‧C路由單元

31‧‧‧行動單元

f0‧‧‧基礎頻率

f1‧‧‧A路由頻率

f2‧‧‧B路由頻率

f3‧‧‧C路由頻率

Claims (13)

1. 一種數位語音傳輸系統，包括：中央控制單元，其用於發送與接收訊號封包；一個以上之路由單元，係以無線通訊網路與該中央控制單元互連，其用於過濾與轉送該訊號封包；以及一個以上之行動單元，係以該無線通訊網路與該路由單元互連，其可發送與接收該訊號封包；其中該中央控制單元發往該路由單元之傳輸路徑為下行方向，該路由單元發往該中央控制單元之傳輸路徑為上行方向，該路由單元接收到該中央控制單元發送之訊號封包後，將該訊號封包中屬於該路由單元之資訊移除，然後繼續送出該訊號封包給其他路由單元，最後一個路由單元接收到該訊號封包後，將欲傳回該中央控制單元之資訊寫入該訊號封包，再將該訊號封包回傳給前一個路由單元，各路由單元將各自欲傳回給該中央控制單元之資訊分別寫入該訊號封包後，將該訊號封包循上行方向傳送至該中央控制單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該訊號封包之內容係包括控管封包與語音封包。
3. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該無線通訊網路係使用ZigBee通訊協定。
4. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該路由單元接收到附近行動單元傳送之訊號封包時，先暫存該訊號封包之資訊，當往上行方向之上行訊號封包經過時，再將該路由單元內暫存之資訊填入該上行訊號封包，以將該資訊傳回該中央控制單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該行動單元係具有電源鍵、發話鍵與註冊鍵。
6. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該行動單元於發送語音封包前，先發送一發話請求訊號封包，該中央控制單元接收到該發話請求訊號封包並設定允許該行動單元通話後，該行動單元發送之語音封包資訊始可上傳至該無線通訊網路上，進行語音通訊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之數位語音傳輸系統，其中該路由單元與該 行動單元於傳送該訊號封包時，係使用CSMA/CA機制。
8. 一種數位語音傳輸方法，其步驟包括：中央控制單元透過無線通訊網路發送一訊號封包；路由單元從該無線通訊網路接收到該訊號封包後，將該訊號封包中屬於該路由單元之資訊移除，然後繼續送出該訊號封包給其他路由單元；最後一個路由單元接收到該訊號封包後，將欲傳回該中央控制單元之資訊寫入該訊號封包，然後將該訊號封包經由該無線通訊網路傳送至該中央控制單元。
9. 如申請專利範圍第8項所述之數位語音傳輸方法，進一步包括下列步驟：行動單元透過無線通訊網路發送一訊號封包；路由單元接收到該訊號封包後，儲存將該訊號封包之資訊；路由單元透過無線通訊網路將該訊號封包發送至其他路由單元，或直接傳回該中央控制單元。
10. 如申請專利範圍第8項所述之數位語音傳輸方法，其中該訊號封包之內容係包括控管封包與語音封包。
11. 如申請專利範圍第8項所述之數位語音傳輸方法，其中該無線通訊網路係使用ZigBee通訊協定。
12. 如申請專利範圍第8項所述之數位語音傳輸方法，其中該中央控制單元、該路由單元與該行動單元係具有一變頻傳輸機制。
13. 如申請專利範圍第9項所述之數位語音傳輸方法，其中該路由單元與該行動單元於傳送該訊號封包時，係使用CSMA/CA機制。