自適應語音緩存的方法和系統的製作方法

2023-07-16 06:38:11

專利名稱：自適應語音緩存的方法和系統的製作方法
背景技術：
本發明與電信技術有關，具體地說，涉及可以使用多種語音編碼率和/或多種前向糾錯(FEC)編碼率的數字語音通信系統。
近十年來，無線電話通信技術和超大規模集成(VLSI)技術的發展促進了無線電通信在家電設備中的廣泛應用。現在可以生產出價格、尺寸和功率消耗都可以接受的諸如移動無線電電話機之類的可攜式設備。消費市場的行動電話通信開始於為了滿足公安和援救業務需要的電話系統，基於在二十世紀七十年代和八十年代得到改進和優化的模擬技術。模擬電話系統的例子有北歐行動電話系統(NMT)和全接入通信系統(TACS)。在二十世紀九十年代，由於引進了基於數位技術的行動電話系統，如全球移動通信系統(GSM)、高級數字行動電話系統(D-AMPS)和個人數字蜂窩網(PDC)，行動電話的應用顯著增加。
今天使用的大多數數字無線系統都採用時分體制。用戶信息(例如，語音)經分段、壓縮、分組化後在預先配給的時隙內發送。可以將一些時隙分配給不同的用戶，這通常稱為時分多址(TDMA)方式。也可以將時隙交替地分配給上行鏈路和下行鏈路傳輸，這通常稱為時分雙工(TDD)方式。為了改善抗幹擾和衰落，時隙可以分配給不同的載波頻率，使得發送給同一個用戶的相繼分組不用相同的載波頻率發送。由於發射機為每個新的時隙跳到一個新的頻率，這種方式通常稱為跳頻(FH)。FH技術可以與TDD技術相結合。一種實現FH和TDD這兩種技術的典型系統是最近引入的藍牙(Bluetooth)系統，這是一種用來提供象行動電話機和膝上計算機那樣的可攜式設備之間的無線連接的民用無線電系統。
對於大多數民用無線系統來說語音通信仍然是主要業務。現在廣泛地接受了無繩和網絡電話通信，在某些發達國家已超過了總電話通信的30％。可以用一些技術通過數字鏈路來傳送語音信息。通常，遵循以下這些步驟。首先，對模擬語音波形採樣(通常以每秒8千個樣點的速率進行)，再將這些樣點數位化(即，用二進位字來近似模擬樣點值)。然後，將數位訊號分段、壓縮、分組化後通過無線接口發送。接收機實現逆處理，將數位訊號變換回可識別的可識別語音信號。
在壓縮前，先將數字語音數據分段。一個例如表示20ms語音的有N個比特的段收集起來，加以緩存。此後，將這個段壓縮(例如編碼)後再分成分組。例如，在GSM中，一個20ms的全速率語音段分成8個分組，納入8個時隙。每個時隙大約為577微秒(μs)。在半速率編解碼器的情況下，20ms的語音段分為4個分組。
通常要對這些數位化語音幀進行壓縮，以減小通過無線接口發送的信息量。減小在每個語音鏈路上發送的信息量就增加了在所分配的射頻頻譜內可以支持的語音鏈路，因此增加了系統的容量。語音壓縮可以用多種方式進行。通常，語音壓縮將從語音信息中除去一些冗餘信息。在傳統的系統中，無線接口的語音速率從衛星鏈路的2.4kb/s到如D-AMPS和GSM的蜂窩鏈路的8至13kb/s之間，到DECT的32kb/s和藍牙系統的64kb/s。一些高級系統應用多速率聲碼器，可以根據鏈路的幹擾狀況增減語音編碼率。如果減小語音速率，就可以將省出的帶寬用來實現糾錯協議，使語音信息更不容易受誤碼的影響。或者，也可以將省出的帶寬用來增加系統的容量。GSM內所用的半速率語音編解碼器減小語音速率，以增加系統的容量。
實施FEC編碼技術要影響系統容量和鏈路延遲。增加加到一個給定鏈路上的FEC編碼比特由於增加在這個鏈路上支持一個恆定語音速率連接所需要的數據率，從而減小了整個系統的容量。因為一個系統通常具有固定的總帶寬，所以增加一個特定鏈路的數據率就會使整個系統的容量減小。
鏈路延遲由緩存一個要傳輸的分組所需的時間量確定，增加數據率需要發射機使用更多的時隙來支持一個恆定速率的語音連接，從而減小了緩存一個要傳輸的分組所需的時間量。增加加到一個給定鏈路上的FEC編碼比特就要增大這個鏈路上所需的數據率，這會減小這個鏈路上的延遲。
例如，P.Dent和J.Haartsen提出的美國專利申請No.08/685,069「近程無線電系統」(「A SHORT-RANGE RADIO SYSTEM」)揭示了一種在一個給定的鏈路上採用64kb/s的恆定語音速率的近程無線電系統，該申請所揭示的在這裡列作參考予以引用。在這種系統中，用2/3的編碼率(例如，每2個數據比特加1個額外的編碼比特)實現FEC，使鏈路所需的數據速率從64kb/s增大到96kb/s。類似，用1/3的編碼率(例如，每1個數據比特加2個額外的編碼比特)實現FEC使鏈路所需的數據速率從64kb/s增大到192kb/s。
在一些情況下，所希望的是可以動態地改變FEC編碼率(例如，在通過一個在用鏈路傳輸期間)。例如，在受到幹擾時，可能希望增大FEC編碼率，以提供附加的糾錯保護。相反，在系統需要額外的容量時，希望減小一個或多個鏈路上的FEC編碼率，以省出容量。可以將省出的容量用於與鏈路有關的操作，諸如尋呼或越區切換之類。或者，也可以用省出的容量來支持系統內追加的一些鏈路。
動態地改變FEC編碼率可以引起鏈路上延遲的相應改變。語音傳輸要求的是實時傳輸服務。像其他實時應用那樣，語音傳輸容忍不了可被收聽方察覺的延遲改變。因此，在這個技術領域內有必要開發一種系統和方法，可以切換一個在用語音鏈路上的FEC編碼方案而不會使延遲改變被這個語音鏈路的用戶察覺。
發明概要本發明提供了一種緩存器驅動的系統和方法，可以在切換FEC編碼方案時調整通信鏈路上的延遲。一種包括邏輯上配置成一個環的多個緩存段的緩存器結構提供了一種在切換不同編碼方案時可以改變一個通信鏈路上的延遲的數據結構。這種環形緩衝器包括可以分別控制的讀指針和寫指針，用來在改變FEC編碼方案時調整鏈路延遲。可以維持最小的往返延遲，而由於延遲改變所引起的負面效應可以通過在語音間歇期間實現延遲改變來避免。
在一個情況中，本發明提供了一種用於通信系統的發射機。這種發射機包括一個以預定的採樣率對模擬語音信息採樣的採樣器、一個將模擬語音信息變換成表示模擬語音信息的數字數據的數字轉換器、一個對數字數據進行壓縮的編碼器、一個緩存預定量的要通過一個通信鏈路分組化傳輸的數字數據的環形緩存器系統和一個將分組發送到一個通信鏈路上的發送部分。環形緩存器可以包括多個獨立的存儲段，而每個獨立的存儲段內的存儲單元的數目可以由發射機的延遲解析度確定。
在另一個情況中，本發明還提供了一種用於通信系統的接收機。這種接收機包括一個從一個通信鏈路接收分組的接收部分、一個緩存預定量的從通信鏈路接收的分組化數據的環形緩存器系統和一個對數字數據解壓縮的解碼器。環形緩存器可以包括多個獨立的存儲段，而每個獨立的存儲段內的存儲單元的數目可以由接收機的延遲解析度確定。
在又一個情況中，本發明提供了一種操作一個通信系統的方法。這種方法包括下列步驟以預定的採樣率對模擬語音信息採樣，將模擬語音信息變換成表示這模擬語音信息的數字數據，對數字數據進行壓縮，將經壓縮的數字數據存儲在一個緩存預定量的要通過一個通信鏈路分組化傳輸的數字數據的環形緩存器系統，以及將分組發送到一個通信鏈路上。
在又一個情況中，本發明提供了一種在一個包括配置在一個發射機和接收機內的存儲表示語音信息的數字數據的環形緩存器的通信系統中改變一個在用通信鏈路上的延遲的方法，這種方法包括下列步驟在發射機處監測語音信息以檢測語音間歇期，以及在語音間歇期期間改變發射機的讀指針和寫指針的相對位置。在發射機中，可以減小發射機的寫指針與發射機的讀指針之間的間隔，以減小鏈路上的延遲。或者，也可以增大發射機的寫指針與發射機的讀指針之間的間隔，以增大鏈路上的延遲。
附圖簡要說明

圖1為例示在一個FH/TDD通信系統內的分組交換的示意性時序圖。
圖2為在一個FH/TDD信道上交換的分組的格式的示意圖。
圖3為一個在無線電環境中實現CVSD編碼方案的典型傳輸系統的示意圖。
圖4為CVSD編碼設想的示意圖。
圖5為例示在一個不執行FEC編碼的FH/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意性時序圖。
圖6為一個緩存要通過一個不執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。
圖7為例示在一個用2/3的編碼率執行FEC編碼的FE/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意性時序圖。
圖8為一個緩存要通過一個用2/3的編碼率執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。
圖9為例示在一個用1/3的編碼率執行FEC編碼的FE/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意性時序圖。
圖10為一個緩存要通過一個用1/3的編碼率執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。
圖11為一個數據流傳輸的示意圖，例示了接收信號中由於在通信鏈路在用時FEC編碼率改變引起的延遲改變的情況。
圖12為一個在FEC編碼率改變時延遲保持不變的數據流傳輸的示意圖。
圖13為一個按照本發明的一個實施例設計的具有一些獨立的段的發射機環形緩存器的示意圖。
圖14(a)為圖13的環形緩存器的示意圖，例示了延遲為1.25 ms時W指針與R指針的相對位置。
圖14(b)為圖13的環形緩存器的示意圖，例示了延遲為2.5ms時W指針與R指針的相對位置。
圖14(c)為圖13的環形緩存器的示意圖，例示了延遲為3.75ms時W指針與R指針的相對位置。
圖15為一個按照本發明的一個實施例設計的具有一些獨立的段的接收機環形緩存器的示意圖。
圖16為例示按照本發明的一個實施例實現延遲改變和分組類型改變的示意圖。
圖17為例示按照本發明的一個實施例實現時隙負移的示意圖。
圖18為例示按照本發明的一個實施例實現時隙正移的示意圖。
詳細說明圖1為例示在一個FH/TDD通信系統內的分組交換的示意性時序圖。一種典型的用於FH/TDD通信程序的無線電接口可參見美國專利申請No.08/685,069。在圖1所示的FH/TDD時序圖中，時間維被分成一系列各為625μs的可發送一個分組或突發脈衝串的離散時隙110a-110f。這些時隙通過時分雙工(TDD)交替地用於發送和接收，支持全雙工通信。一個正向時隙和一個反向時隙一起形成一個1.25ms的幀120a-120c。每個時隙可以使用一個不同的載波頻率130a-130f。發送方和接收方同步地切換頻率。在以上引用的美國專利申請中所揭示的FH/TDD系統執行與時隙速率相應的1600周/秒的頻率跳變。在每個時隙110a-110f內可以發送一個分組140a-140f的數據。
圖2為在一個FH/TDD信道上交換的分組的格式的示意圖。如圖2所示，一個分組200包括前同步210、頭標220和淨荷230。前同步210用於幀同步和比特同步，還可以用來調整象接收機內的頻率和相位那樣的無線電參數。頭標220也可以含有通常的鏈路監控信息。淨荷230的格式取決於所提供的業務服務。對於數據業務，淨荷230可以用檢錯的循環冗餘校驗(CRC)保護。配合CRC，可以採用像自動重發請求(ARQ)那樣的重發程序，從而使得含有差錯的淨荷可由發送方自動重發。此外，可以應用附加的FEC編碼來糾正淨荷230內可能的差錯。如果執行一種重發方案，這種重發方案就會在數據傳送中引起可變延遲。對於大多數數據業務來說，數據傳送中的可變延遲並不是問題；數據完整性與延遲改變相比是第一位的。
象語音那樣的實時業務不能容忍鏈路上的可變延遲。然而，語音業務可以容忍一些差錯，只要用戶並不察覺到質量有所降低。在本發明的一個實施例中，承載語音業務的分組是不重發的。因此，不需要觸發ARQ的CRC。但是，仍然可以應用FEC來提供更好一些的保護，克服幹擾。對於本發明來說，所執行的具體語音編碼方案不是決定性的。本發明所關注的是使用消除大部分冗餘提供大壓縮的語音編碼方案，如聲碼簿激勵的線性預測(V-CELP)或殘留脈衝激勵長期預測(RPE-LTP)。這樣消除冗餘會使信號更容易受到幹擾，因此應該執行FEC編碼來提供附加保護克服幹擾。這樣，用消除冗餘的語音壓縮技術得到的帶寬增益部分將由於要添加一些額外的FEC比特而損失。本發明還關注使用提供比較小的壓縮而保持一定冗餘的壓縮算法，如連續可變斜率增量調製(CVSD)算法。一個經CVSD壓縮的信號較為不容易受幹擾影響。CVSD是一種增量調製編碼算法，對差錯有相當的免疫力。CVSD適合在幹擾狀況可能對於每個分組有顯著改變的FH/TDD方案中使用。
圖3為一個按照本發明的一個實施例設計的在無線電環境中實現CVSD編碼方案的典型傳輸系統的示意圖。如圖3所示，採樣器310對模擬語音波形採樣，數字轉換器312將模擬語音波形變換成數位訊號。在一個實施例中，本發明採用了以64ks/s速率採樣的64kb/s CVSD編解碼器。這個採樣率可以通過直接以64ks/s對模擬波形採樣得到，也可以通過以8ks/s(按語音信號的需要)採樣後再內插成一個64ks/s的信號流得到。
CVSD編碼器314通過重新生成經數位化的輸入信號的像產生一個隨輸入信號改變的數字輸出信號。這個像與輸入信號之差提供了一個比特的信息(即，像是大於還是小於輸入信號)，用來控制這個像。這個比特也通過無線接口發送。在接收方，CVSD解碼器332用所接收的比特生成這個像。由於像在發送方和接收方是相同的，而像隨輸入語音信號改變，因此在接收方可以重新生成語音信號。所發送的比特表示當前的語音值與前一語音值之間的步長。為了避免在信號改變很大時斜率過載，步長可以自動調整(例如，通過音節複合)。
圖4為一個CVSD編碼器的工作情況的示意圖，例示了CVSD像信號隨模擬輸入波形改變的情況。如圖4所示，隨著信號斜率增大步長也增大。CVSD編碼技術在通信技術中是眾所周知的。例如可參見Jayant，N.S.和Noll，P.的「信號波形的數字編碼」(「Digital Codingof Waveforms」，Prentice-Hall，1984)，其中所揭示的在此列作參考予以引用。
再來看圖3，CVSD編碼器輸出的比特流經分段後分組化，形成一個個分組。比特流可以用傳統的分段(例如緩存)方法分段。在一個優選實施例中，比特流分成一些長度與分組的淨荷長度相應的段。例如，如果淨荷長度為240比特，於是CVSD輸出的比特流分成一些240比特的段。相繼的段在相繼的分組內發送。無線電發射機324可以包括一些對數據流分段用的適當緩存器和形成要發送的分組的分組形成電路。或者，也可以用一個配置在CVSD編碼器314與對載波信號進行調製後提供給適當天線的無線電發射機324之間的獨立裝置來管理緩存和分組形成。
數位訊號在無線電接收機330接收後送到CVSD解碼器332，以已知方式解壓縮。經解壓縮的信號通過低通濾波器(LPF)338平滑後再現為一個模擬語音信號。
圖5為在一個不執行FEC編碼的FH/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意圖。由圖5可見，為了支持64kb/s的語音速率，在每個第三幀內發送一個分組，每個分組有240個用戶比特，佔用一個長度為625μs的時隙(例如，一個完整的TDD幀有一個正向時隙和一個反向時隙，佔用1.25ms)。具體地說，在時隙510a內發送分組540a，而在時隙510b內在相反方向上發送分組540b。在時隙510c-510f內沒有數據發送。在時隙510g和510h內交換分組，而在後續的4個時隙期間不進行傳輸。這個過程一直繼續到釋放這個語音連接或改變FEC編碼為止。
關於圖5有幾點是應該注意的。第一，只有由時隙510a-510b表示的三分之一的總鏈路帶寬需用來支持這個64kb/s的語音連接。剩下的由時隙510e-510g表示的三分之二可用來擴展系統的容量(例如添加其他鏈路)或支持其他操作(例如，尋呼、越區切換等等)。符號V3用來表示分組540a-540d，指出三個幀中有一個幀用於這個語音鏈路。
第二，所發送的每個分組數據表示3.75ms的語音信息。由於每個站每3幀(相應於每3.75ms)發送一個分組，因此每個分組內的信號段表示3.75ms的模擬語音信息。這模擬語音信息以連續流的形式到達輸入端，因此在可以加到無線接口前必須用一些緩存器來收集3.75ms的模擬語音信息。
圖6為一個緩存要通過一個不執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。在圖3所示的系統中，最好在CVSD編碼器314後執行緩存。如圖6所示，這個緩存系統包括並行緩存器630和640，由開關620連接到CVSD編碼器上和由開關650連接到發射機660上。緩存器630、640最好足以存儲相當的壓縮語音信息，在與FEC編碼比特結合後等於通過這個鏈路發送的分組的淨荷長度。在圖3所示的例子中，緩存器630、640最好能存儲240個比特。
在工作中，來自CVSD編碼器610的數據流由開關620交替地送往緩存器630、640。連續進入的模擬語音信號以64kb/s的速率填入緩存器630、640其中的一個緩存器。每3.75ms，讀取緩存器630、640之一的內容，經分組化後再由無線電發送部分通過無線接口發送。緩存單元不能同時由編碼器填入和由無線電發射機清空。為了避免競爭問題，應用一種「當前」和「後續」緩存配置，在CVSD編碼器填「後續」緩存器時無線電發射機可以讀「當前」緩存器。在一個緩存器充滿時，「當前」與「後續」緩存器改變地位(由開關S0和S1實現)。應指出的是，雖然「後續」緩存器以64kb/s的速率填寫，但「當前」緩存器可由TX部分以較高的速率清空，放入一個分組的淨荷。很清楚，緩存將引入延遲，語音數據必須先收集起來再可以放入一個分組的淨荷。在本例中，這個延遲等於3.75ms。發射和接收部分及其他處理可以引入附加的延遲(dT)。往返延遲等於單程延遲3.7Sms+dT的兩倍，即7.5ms+2*dT。
圖7為在一個執行編碼率為2/3的FEC編碼的FH/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意圖。例如，可以應用(15，10)縮短的Hamming碼。在執行編碼率為2/3的FEC編碼時，分組的240比特淨荷欄位包括160個語音比特，而剩下的80比特是FEC比特。為了通過無線接口承載64kb/s的用戶速率，發射機必須每兩幀發送一個分組，如圖7所示。具體地說，在時隙710a發送分組740a而在時隙710b內在相反方向上發送分組740b。在時隙710c-710d內沒有數據發送。在時隙710e和710f內交換分組，而在後續的2個時隙期間不進行傳輸。
關於圖7有幾點是應該注意的。第一，只有由時隙710a-710b表示的百分之五十的總鏈路帶寬需用來支持這個64kb/s的語音連接。剩下的由時隙710c-710d表示的百分之五十可用來擴展系統的容量(例如添加其他鏈路)或支持其他操作(例如，尋呼、越區切換等等)。符號V2用來表示分組740a-740e，指出兩個幀中有一個幀用於這個語音鏈路。
第二，所發送的每個分組數據表示2.50ms的語音信息。由於每個站每2幀(相應於每2.50ms)發送一個分組，因此每個分組內的信號段表示2.50ms的模擬語音信息。這模擬語音信息以連續流的形式到達輸入端，因此在可以加到無線接口前必須用一些緩存器來收集2.50ms的模擬語音信息。
圖8為一個緩存要通過一個用2/3的編碼率執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。在圖3所示的系統中，最好在CVSD編碼器314後執行緩存。如圖8所示，這個緩衝系統包括並行緩存器830和840，由開關820連接到CVSD編碼器810上和由開關850連接到2/3比率FEC編碼器855再連接到發射機860上。緩存器830、840最好包括足以存儲相當的壓縮語音信息，在與FEC編碼比特結合後等於通過這個鏈路發送的分組的淨荷長度。在圖3所示的例子中，緩存器830、840最好能存儲160個比特。
在工作中，圖8所示的緩存器的情況基本上與圖6所示的緩存器的情況相同。來自CVSD編碼器810的數據流由開關820交替地送往緩存器830、840。連續進入的模擬語音信號以64kb/s的速率填入緩存器830、840其中的一個緩存器。每2.50ms緩存器830、840之一的內容傳送給FEC編碼器855，添加一個80比特的FEC碼，由無線電發送部分讀取，經分組化後通過無線接口發送。緩存器830、840採用「當前」和「後續」配置，以避免競爭問題。圖8所示的緩存過程引入2.5ms的延遲。發送和接收部分及其他處理可以引入附加的延遲dT。往返延遲等於單程延遲2.5ms+dT的兩倍，即5ms+2*dT。
圖9為在一個執行編碼率為1/3的FEC編碼的FH/TDD信道上典型的64kb/s語音傳輸的示意圖。在執行編碼率為1/3的FEC編碼時，分組的240比特淨荷欄位包括80個語音比特，而剩下的160比特是FEC碼比特。為了通過無線接口傳送64kb/s用戶速率的信息，發射機必須每幀發送一個分組(例如，940a-940i)，如圖9所示。
應注意的是，需要用整個鏈路帶寬來支持這個64kb/s的語音連接。符號V1用來表示分組940a-940i，指出必須用每個幀來支持這個語音鏈路。也應注意，所發送的每個分組數據表示1.25ms的語音信息。由於每個站每幀(相應於每1.25ms)發送一個分組，因此每個分組內的信號段表示1.25ms的模擬語音信息。這模擬語音信息以連續流的形式到達輸入端，因此在可以加到無線接口前必須用一些緩存器來收集1.25ms的模擬語音信息。
圖10為一個緩存要通過一個用1/3的編碼率執行FEC編碼的FH/TDD信道傳輸的語音信息的系統的示意圖。在圖3所示的系統中，最好在CVSD編碼器314後執行緩存。如圖10所示，這個緩衝系統包括並行緩存器1030和1040，由開關1020連接到CVSD編碼器1010上和由開關1050連接到1/3比率FEC編碼器1055再連接到發射機1066上。緩存器1030、1040最好包括足以存儲相當的壓縮語音信息，在與FEC編碼比特結合後等於通過這個鏈路發送的分組的淨荷長度。在圖3所示的例子中，緩存器830、840最好能存儲80個比特。
在工作中，圖10所示的緩存器的情況基本上與圖6和圖8所示的緩存器的情況相同。來自CVSD編碼器1010的數據流由開關1020交替地送往緩存器1030、1040。連續進入的模擬語音信號以64kb/s的速率填入緩存器1030、1040其中的一個緩存器。每1.25ms緩存器1030、1040之一的內容傳送給FEC編碼器1055，添加一個160比特的FEC碼。然後數據流由無線電發送部分讀取，經分組化後通過無線接口發送。緩存器1030、1040採用「當前」和「後續」配置，以避免競爭問題。圖10所示的緩存過程引入1.25ms的延遲。發射和接收部分及其他處理可以引入附加的延遲dT。往返延遲等於單程延遲1.25ms+dT的兩倍，即2.5ms+2*dT。
總之，在一個鏈路上增添額外的FEC編碼會耗費較多的帶寬。假設語音速率恆定(例如，在以上所舉的例子中為64kb/s)，而以無FEC編碼的情況(V3分組格式)作為基準，如果應用2/3比率編碼(V2分組類型)，所需的帶寬將增加60％，而在應用1/3比率編碼(V1分組類型)時，所需的帶寬將增加100％。同時，延遲可以減少為2/3和1/3，因為隨著一個鏈路所需帶寬的增大必須更為經常地發送分組。
正如以上所討論的，所希望的是，可以動態地改變對一個在用的通信鏈路的FEC編碼方案。通常，網絡運營方寧願選擇使它們網絡的容量達到最大。因此，在正常工作情況下，網絡運營方通常優先選用能提供滿意的語音質量所需的最低量的FEC編碼。增大鏈路帶寬來增強FEC保護應該只在需要時(例如在鏈路上有幹擾時)才執行。在其他情況下，為了在一個鏈路上執行一些輔助的網絡操作(例如，尋呼、越區切換等等)可能要暫時減小加到這個鏈路上的FEC編碼量。
圖11為一個數據流傳輸情況的示意圖，示出了在這個信道在用時FEC編碼率動態地從分組類型V1(例如，FEC糾錯編碼率2/3)改變為分組類型V3(例如，無FEC糾錯編碼)再回到分組類型V1的情況。圖11隻示出了在一個傳輸方向上的時隙；可以理解，這個傳輸方向可以任意選定。如圖11所示，傳輸以一些與FEC編碼率2/3相應的類型V1的分組開始。再提一下，傳輸分組類型V1需要整個鏈路帶寬來支持一個64kb/s的語音傳輸。因此，在這個鏈路上沒有可用帶寬可用來增加系統容量或在這個鏈路上執行輔助的網絡操作。
在時間A，分組類型從V1改變為V3。這可以是需要為系統釋放附加的容量或在這個鏈路上執行輔助的網絡操作而引起的。從延遲為1.25ms的分組類型V1躍變到延遲為3.75ms的類型V3導致在接收機收到的數據流的信息中有一個間隙1110。間隙1110是令人不快的，如果它可以被用戶聽出來的話。在時間B，分組類型從V3改變到V1。這可以是由於在這個鏈路上的幹擾使系統要執行附加的FEC編碼引起的。從延遲為3.75ms的分組類型V3躍變到延遲為1.25ms的分組類型V1引起在收到接收機的數據流的信息中有一個重疊1120。重疊1120也是令人不快的，如果它可以被用戶聽出來的話。
圖12為一個數據流傳輸情況的示意圖，示出了一種消除圖11所示的語音傳輸中的間隙1110和重疊1120的方法。如圖12所示，在緩存器內可以為V1和V2分組格式引入附加的延遲，使得總延遲固定為3.75ms。通過採用一種恆定的緩存配置消除了通過無線接口傳輸中的延遲的改變。因此，在語音流中既不會有間隙也不會有重疊出現。然而，這種解決方案形成一個為7.5ms的最小往返延遲。一些延遲會累積起來，任何附加的鏈路應增添儘可能小的延遲。最好，應該使系統的往返延遲減到最小。如果延遲過大，回聲可能在鏈路上引起一些問題，特別是在這個無線接口要與另一個例如GSM那樣的無線接口串接時。
消除間隙1110和重疊1120的另一種方法是按需改變延遲，最好在收聽方不會察覺的時間，例如在這個鏈路上沒有語音傳輸時，改變延遲。眾所周知，一個說出的句子大約有百分之四十是無聲的間歇期。無線系統可以在發射機處用一個監測語音信號能量的語音活動檢測器(VOD)，使得在間歇期期間停止傳輸信息，從而利用這些間歇期。這個過程通常稱為斷續傳輸或DTX。在一個情況中，本發明設計了在間歇期期間進行延遲改變，如果可能的話。雖然不能保證如圖11所示的切換點A和B與間歇期相符，但實際上切換點A和B經常是事先很清楚的，因此系統可以在切換點A前的一個時間出現的間歇期期間及時增大延遲。類似，也可以在切換點B後的一個時間出現的間歇期期間及時減小延遲。在間歇期期間發生的延遲改變不容易被系統的用戶察覺。
圖13例示了一種新穎的按照本發明的一個實施例設計的發射機環形緩存器。如圖13所示，總長為480比特的發射機環形緩存器1300配置在CVSD編碼器1310與無線電發送部分1360之間。在圖3所示的系統中，發射機環形緩存器1300最好配置在CVSD編碼器314與無線電發射機324之間。發射機環形緩存器1300包括六個獨立的段1330a-1330f。緩存段1330a-1330f每個含有80比特的存儲器，存儲1.25ms的壓縮語音信息(假設語音速率為64kb/s)。可以對每個緩存段1330a-1330f進行寫入和讀出，但是不能同時進行。通過W指針1320進行寫緩存器1330a-1330f，通過R指針1322進行讀緩存器。原理上，W指針1320和R指針1322在相同的方向上轉動(例如，順時針轉動)。可以用發射機緩存器1300來代替圖6、圖8或圖10所示的任何交替緩存器配置。
在工作中，W指針1320以等於CVSD編碼器1310輸出率的速率(通常近似為語音速率(例如，64kb/s))連續地在每個存儲單元內寫入一個比特的數位化語音信息。在寫入80比特後，W指針1320前進到下一個緩存段。R指針1322從每個存儲單元讀取一個比特。在讀取了80比特後，R指針1322就跳過一個緩存段。讀取可以以批處理方式進行。在一個分組準備好可以發送時，可以以受無線電發送部分1360內的分組形成器(可以還包括未示出的FEC編碼器)控制的速率讀緩存段，以便填分組的淨荷段。通過限制W指針1320和R指針1322不能指向同一個緩存段來避免競爭問題。在發射機緩存器1300內，R指針1322始終落後於W指針1320。
圖14a-14c例示了發射機緩存器內寫指針和讀指針對於不同的延遲的相對位置。在圖14(a)中，R指針1410落後於W指針1412一個緩存段，相當於一段1.25ms的延遲。這個相對位置只能用於V1分組類型。在圖14(b)中，R指針1420落後於W指針1422兩個緩存段，相當於一段2.5ms的延遲。這個相對位置可以用於V2型分組和V1型分組。可以看到，在這種情況下V1型分組就具有比必需的長的延遲。在圖14(c)中，R指針1430落後於W指針1432三個緩存段，相當於一段3.75ms的延遲。這個相對位置對於V3分組類型來說是必需的，但是也可以用於V2或V1分組類型的情況。可以看到，指針的絕對位置是無關緊要的，重要的是它們相互的相對位置。
圖15為一個新穎的按照本發明的一個實施例設計的接收機環形緩存器1500的示意圖。如圖15所示，總長為480比特的環形接收機(RX)緩存器1500配置在無線電接收部分1510與CVSD解碼器1560之間。對於圖3所示的系統，環形緩存器1500最好配置在無線電接收機330與CVSD解碼器332之間。原理上，環形緩存器1500以類似於環形緩存器1300的方式進行工作。然而，在接收機環形緩存器1500內，W指針1520受無線電RX部分控制，可以以高數據率進行寫入，而R指針1522受CVSD解碼器1560控制，以等於語音速率(例如，64kb/s)的恆定速率進行讀取。
以下這些例子例示了自適應環形緩存器1300、1500的工作情況。首先，假設對於每個分組類型延遲固定為3.75ms，因此R指針1322落後W指針1320三個緩存段，如圖14c所示。R指針1322一次讀幾個緩存段取決於所用的分組類型對於V1分組類型是一個緩存段，對於V2分組類型是兩個緩存段，而對於V3分組類型是三個緩存段。同樣，在接收方的接收機緩存器1500內，R指針1522落後於W指針1520三個緩存段。根據所用的分組類型，W指針1320和R指針1522控制成提供從連續的語音流到分組化的數據流再回到連續的語音流的適當變換。
圖13-15所示的這些環形緩存器各包括六個離散的段，每段保存80比特的數據，相應於64kb/s採樣系統的1.25ms的語音信息。在圖5-12所示的通信系統中，1.25ms表示系統的延遲解析度(例如，為系統可以實現的最小延遲)。一般地說，最好環形緩存器的每個獨立的段所保存的數據量表示等於系統延遲解析度的時間量。可以理解，每個離散的存儲段的長度在本發明的另一些實施例中可以根據一些系統變量改變，這些系統變量包括語音採樣率、時隙長度、分組淨荷長度和在系統內所執行的FEC編碼方案。熟悉該技術領域的人員在有了有關參數時就能確定一個通信系統的延遲解析度。
圖16為一個數據流傳輸情況的示意圖，示出了在這個信道在用時FEC編碼率動態地在切換點A從分組類型V1(例如，FEC糾錯編碼率為2/3)改變為分組類型V3(例如，無FEC糾錯編碼)再在切換點B回到分組類型V1的情況。如圖16所示，模擬語音信號1610例示於第一時間行。數位化話音分組1620a-1620p例示於一個單獨的時間行。最後，接收語音流分組1630a-1630p例示於第三時間行。通信會話以傳輸與FEC編碼率為2/3相應的類型V1的分組開始。再提一下，分組類型V1的傳輸將導致1.25ms的延遲，需要整個鏈路帶寬來支持64kb/s語音傳輸。因此，在這個鏈路上沒有帶寬可用來增加系統帶寬或在這個鏈路上執行輔助的網絡操作。
在時間A，希望將分組類型從V1改變為V3。這可以是希望為系統釋放附加的容量或在這個鏈路上執行輔助的網絡操作而引起的。按照本發明，可以通過將發射機緩存器1300的W指針1320的位置提前來使延遲從1.25ms增大到3.75ms(比較圖14(a)與圖14(c)的情況)。在一個優選實施例中，發射機包括一個檢測什麼時候沒有語音輸入發射機的VOD，從而可以在這樣的時間增大延遲。如圖16所示，在時間C基本上沒有語音輸入。在時間C提前W指針1320的位置，使W指針跳過兩個緩存段。所跳過的緩存器用在接收分組1630c和1630d之間的兩個標有「X」的段表示。如果應用DTX，這些緩存段的內容不通過無線接口發送，因此它們的內容是無關緊要的。如果不應用DTX，在W指針1320跳過的兩個緩存器內的信息在由R指針1322讀取後通過無線接口發送。如果W指針1320在間歇期期間提前，在跳過的這兩段內發送的語音信息就不會被用戶聽出來。如果需要，緩存器的內容可以用數字噪聲信號(例如在CVSD內的0101010...)初始化，以保證發送信號是聽不見的。
如圖16所示，在點C執行了延遲改變後，發射機可以在點A從分組類型V1改變為分組類型V3，而不會引入延遲改變。由於在點A前已經引入了3.75ms的延遲，一個V3分組可以直接跟在一個V1分組的後面，因此不出現延遲改變。
在接收機緩存器1500中，W指針1520受分組類型控制。W指針1520隻在一個分組到達時提前。在本發明的一個實施例中，分組頭標220(圖2)包括一個指出分組200是一個V1、V2還是V3分組的指示。分組頭標220可以由接收機內的邏輯解釋。在一個V1分組到達時，W指針1520被限制成只寫一個緩存段。在一個V2分組到達時，W指針1520允許寫一個或兩個緩存段。而在一個V3分組到達時，W指針1520允許寫一個、兩個或三個緩存段。相反，R指針1522用連續的64kb/s速率控制。在點A分組類型改變期間，在語音流中沒有間斷，因此不會使收聽者感到不舒服。
在時間B，希望從分組類型V3改變回分組類型V1。在時間B就改變分組類型，但是發射機緩存器1300仍維持3.75ms的延遲。可以看到，接收機緩存器1500內的W指針1520根據分組頭標中的分組類型指示自動調整。因此，在接收到第一個類型V1的分組(例如，分組1620k)時，就將W指針1520限制成寫單個緩存段。在分組類型改變回V1後，希望可以減小鏈路上的延遲。圖16例示了將延遲從分組類型V3要求的3.75ms減小到最小延遲的1.25ms的情況。同樣，在本發明的一個優選實施例中，發射機內的VOD檢測出沒有語音輸入的時間，從而在這樣的時間增大延遲。為了實現延遲從3.75ms到1.25ms的改變，發射機緩存器1300內的W指針1320往後退兩個緩存段。要指出的是，這使W指針1320蓋寫為傳輸緩存的信息。同樣，如果發射機執行DIX，這些緩存段的內容是不要通過無線接口發送的，因此蓋寫它們的內容就沒有關係。如果不應用DTX，在W指針1320改寫的這兩個緩存器內的信息就通過無線接口重發。如果在間歇期期間移動W指針1320，重發的在這兩個蓋寫的段內的語音信息就不會被用戶聽出來。
應該指出本發明的一些情況。第一，改變分組類型和準備改變延遲只需在發射機緩存器內進行；接收機緩存器根據分組類型的改變自動調整。第二，改變分組類型和緩存器延遲可以在正向和反向鏈路上獨立進行。最好，兩個鏈路使用相同的分組類型，以便利用點A與B之間時間窗口內省出的帶寬。在本發明的一個實施例中，一個發射機起著決定改變分組類型的主控器的作用，而另一個發射機作為從控器始終用同樣類型的分組響應。第三，主控發射機和從控發射機內的延遲改變不必同步。只要這兩個發射機都在點A前將延遲增大到3.75ms，就沒有問題。在圖16所示的通信鏈路中，往返延遲從開始時的2.5ms(1.25ms+1.25ms)改變為在只是一個改變時的5ms(例如，3.75ms+1.25ms)，再改變為剛在點A前和在點A和B之間的期間的7.5ms，然後回到5ms再回到2.5ms。
自適應環形緩存器1300、1500還可以用來實現通信鏈路上的正或負時移。這個功能可以用來同步不同的獨立無線電鏈路。環形緩存器1300、1500的長度最好為要通過鏈路發送的最長的段的兩倍。可以看到，增加壓縮比特也就增大緩衝段的長度。延遲分辯率由緩存段的長度Lsection確定，而這長度與時幀長度TF和語音速率Rvoice有關Lsection＝TF*Rvoice比特圖17為例示按照本發明的一個實施例實現時隙負移動的示意圖。如圖17所示，語音鏈路用類型V3分組實現。為了將鏈路定時提前一個時隙，使R指針1322提前2個緩存段(而不是3個緩存段)，發送一個V2分組。在接收方接收到一個V2分組時，使W指針1520提前2段而不是3段。然而，從時間E可以看到在V2分組期間延遲仍然是3.75ms。由於發送的是單個V2分組而不是一個V3分組，因此引起一個幀的負向時移。為了實現一個幀的正向時移，可以發送兩個V2分組而不是一個V3分組，如圖18所示。
在以上說明中，語音編碼率是恆定的，而延遲改變是由於FEC編碼率改變引起的。然而，可以理解，延遲改變可以是由於語音編碼率的改變引起的。例如，在語音編碼率降低時，信息就受到程度較大的壓縮，從而一個分組內可以裝進較多的語音。這導致分組之間的時間間隔增大，因此延遲改變。可以用與如上所述相同的技術來處理由語音編碼率改變所引起的延遲改變。
以上結合具體實施例對本發明作了說明，但熟悉該技術領域的人員容易理解，本發明可以用除了以上所說明的之外的其他一些方式實現。以上所說明的這些優選實施例只是例示性的，無論如何不應該認為是限制性的。本發明的專利保護範圍由以下權利要求書給定，屬於這些權利要求的範圍內的所有變型和等效實現都應列入本發明的專利保護範圍。
權利要求
1.一種用於通信系統的發射機，所述發射機包括一個以預定採樣率對模擬語音信息採樣的採樣器；一個將模擬語音信息變換成表示模擬語音信息的數字數據的數字轉換器；一個壓縮數字數據的編碼器；一個緩存預定量的要通過一個通信鏈路分組化傳輸的數字數據的環形緩存器系統；以及一個將分組發送到一個通信鏈路上的發送部分。
2.一種按照權利要求1所述的發射機，其中所述預定採樣率為64kb/s。
3.一種按照權利要求1所述的發射機，其中所述編碼器按照一個從包括CVSD、V-CELP和RPE-LTP的壓縮算法組中選出的壓縮算法壓縮數據。
4.一種按照權利要求1所述的發射機，其中所述發送部分包括彙編要傳輸的分組的分組形成電路。
5.一種按照權利要求1所述的發射機，其中所述環形緩存器包括多個獨立的存儲段。
6.一種按照權利要求5所述的發射機，其中所述每個獨立的存儲段內的離散存儲單元的數目由發射機的延遲解析度確定。
7.一種按照權利要求6所述的發射機，其中所述發射機的延遲解析度為1.25ms；以及所述每個獨立的存儲段包括數目足以保存1.25ms的數據的離散存儲單元。
8.一種用於通信系統的接收機，所述接收機包括一個接收來自一個通信鏈路的分組的接收部分；一個緩存預定量的從通信鏈路接收的分組化數據的環形緩存器系統；以及一個對數字數據解壓縮的解碼器。
9.一種按照權利要求8所述的接收機，所述接收機還包括將經解壓縮的數字數據變換成一個模擬語音信號的裝置。
10.一種按照權利要求8所述的接收機，其中所述編碼器按照一個從包括CVSD、V-CELP和RPE-LTP的壓縮算法組中選出的壓縮算法壓縮數據。
11.一種按照權利要求8所述的接收機，其中所述環形緩存器包括多個獨立的存儲段。
12.一種按照權利要求8所述的接收機，其中所述每個獨立的存儲段內的離散存儲單元的數目由接收機的延遲解析度確定。
13.一種按照權利要求8所述的接收機，其中所述接收機的延遲解析度為1.25ms；以及所述每個獨立的存儲段包括數目足以保存1.25ms的數據的離散存儲單元。
14.一種操作一個通信系統的方法，所述方法包括下列步驟以預定採樣率對模擬語音信息採樣；將模擬語音信息變換成表示模擬語音信息的數字數據；壓縮數字數據；將經壓縮的數字數據存儲在一個緩存預定量的數字數據的環形緩存器系統內；將經壓縮的數字數據形成分組，以便通過一個通信鏈路傳輸；以及將分組發送到一個通信鏈路上。
15.一種按照權利要求14所述的方法，其中所述將經壓縮的數字數據存儲在環形緩存器系統內的步驟包括將數據存儲在一些長度由發射機的延遲解析度確定的獨立存儲段內。
16.一種按照權利要求14所述的方法，所述方法還包括下列步驟從一個通信鏈路接收分組；從所接收的分組中提取數字數據；將預定量的從通信鏈路接收的數字數據緩存在一個環形緩存器內；以及對數字數據解壓縮。
17.一種在一個包括配置在一個發射機和接收機內的存儲表示語音信息的數字數據的環形緩存器的通信系統中改變一個在用通信鏈路上的延遲的方法，所述方法包括下列步驟在發射機處監測語音信息，以檢測語音間歇期；以及在一個間歇期期間，改變發射機的讀指針和寫指針的相對位置。
18.權利要求17的方法，其中所述改變發射機的讀指針和寫指針的相對位置的步驟包括減小的發射機的寫指針與發射機的讀指針之間的間隔，以減小鏈路上的延遲。
19.權利要求17的方法，其中所述改變發射機的讀指針和寫指針的相對位置的步驟包括增大發射機的寫指針與發射機的讀指針之間的間隔，以增大鏈路上的延遲。
20.權利要求17的方法，其中改變在用通信鏈路上的延遲是由於改變加到鏈路上的FEC編碼方案而引起的。
21.權利要求17的方法，其中改變在用通信鏈路上的延遲是由於改變加到鏈路上的語音編碼方案而引起的。
22.權利要求17的方法，其中改變在用通信鏈路上的延遲是由於改變時隙定時而引起的。
23.一種按照權利要求1所述的發射機，其中所述環形緩存器系統包括一個確定緩存數字數據的存儲單元的寫指針；以及一個確定從哪個存儲單元讀取緩存的要通過通信鏈路傳輸的數字數據的讀指針，其中通信鏈路上的延遲可以通過改變寫指針和讀指針的相對位置加以調整。
全文摘要
本發明揭示了一種用於自適應語音緩存的系統和方法。在語音發射機內,環形緩存器利用讀、寫指針來實現改變通信鏈路的延遲。接收機也配置了一個具有讀、寫指針的環形緩存器,用來緩存通過鏈路發來的數位化語音信息。延遲改變可以在語音間歇期期間實現,從而使得接收信號的延遲改變可以不被接收機的用戶察覺。
文檔編號H04J3/00GK1371560SQ00812019
公開日2002年9月25日 申請日期2000年6月8日 優先權日1999年6月25日
發明者J·哈爾特森 申請人:艾利森電話股份有限公司