一種基於PCM編碼特徵的語音失步檢測方法與流程
2024-03-29 07:43:05 1
本發明涉及語音通信技術領域，特別是一種基於PCM編碼特徵的語音失步檢測方法。
背景技術：
現代數字通信系統中，語音通信的工作原理為：由終端設備對語音信號進行採樣、量化、編碼等處理後，通過各種信道傳輸，對端終端接收之後，再進行解碼等處理還原話音信號，實現端到端通信。這一處理過程中，語音信號的編碼方式幾乎都採用PCM(脈衝編碼調製)或以PCM為基礎的編碼壓縮算法，PCM編碼採樣頻率為8k，每個採樣點對應一個8位二進位碼，通信雙方需嚴格按照這個格式進行編、解碼，才能還原出原始的語音信號。傳輸過程中，一旦發生數據報文的丟失或錯誤，都可能導致語音通信的失步或中斷，因此如何實現通信中的失步檢測是每個通信系統必須解決的問題。
目前常用的失步檢測方法：發端插入同步碼，收端逐位比較的方式。這種方法需要佔用信道冗餘帶寬(傳輸有效載荷之外的信道資源)，發端周期性集中或分散插入同步碼，如圖1所示。在接收端產生一組與發送端插入同步碼相同的本地同步碼組，在識別電路中使用本地同步碼組與接收的信號序列進行逐位的比較、識別，進行失步檢測。當系統處於同步狀態時，各個對應比較的碼位都相同，則沒有失步脈衝輸出；當系統處於非同步狀態，對應比較的碼位不同，這時就有失步脈衝輸出，使本地同步碼組逐位移動，向接收序列中的同步碼組靠近，直至重新進入同步狀態。逐位比較的失步檢測方法，首先要求傳輸信道提供額外的帶寬資源，插入幀同步碼增加了傳輸設計的複雜性，同時為降低載荷數據的偽同步概率，同步碼組往往較長，這勢必進一步降低信道的容量。此外在通信過程中，還可能由於傳輸信道誤碼，引起同步識別電路也會誤認為失步，從而造成「假失步」等問題。
因此，當信道帶寬有限或傳輸誤碼率較高時，現有失步檢測方法的效率較低。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供了一種基於PCM編碼特徵的語音失步檢測方法。
本發明採用的技術方案如下：一種基於PCM編碼特徵的語音失步檢測方法，具體包括以下過程，步驟1、語音接收端將加密數據解密成PCM數據；步驟2、啟動失步檢測，將PCM數據的每個採樣點的8位二進位編碼進行預處理；步驟3、對預處理後的數據進行「段位碼差值」和「段位碼峰值」兩項的統計、分析；步驟4、檢測周期結束後，將「段位碼差值」和「段位碼峰值」的統計值與失步檢測預設的門限值相比較，如不滿足失步判決門限值，則判斷通信同步；如滿足失步判決門限值，則判斷該檢測周期的通信處於失步狀態，應啟動重新同步機制。
進一步的，所述步驟2中的預處理過程，將8位二進位編碼轉化為符號位+段位碼+段內碼」格式。
進一步的，所述步驟3中「段位碼差值」統計、分析的具體過程為：(1)每個檢測周期開始前，將「段位碼差值」計數器清0；(2)檢測啟動後，對檢測周期內每兩個相鄰採樣點的預處理數據之間的「段位碼差值」進行統計；(3)將統計結果進行分析，如果「段位碼差值」的絕對值≤1，則「段位碼差值」計數器加1；如果「段位碼差值」的絕對值＞1，則「段位碼差值」計數器不變。
進一步的，所述步驟3中「段位碼峰值」統計、分析的具體過程為：(1)每個檢測周期開始前，將「段位碼峰值」計數器清0；檢測啟動後，對檢測周期內每兩個相鄰採樣點的預處理數據之間的「段位碼峰值」進行統計；(3)將統計結果進行分析，如果段位碼的絕對值≥5，則「段位碼差值」計數器加1；如果段位碼的絕對值＜5，則「段位碼峰值」計數器不變。
與現有技術相比，採用上述技術方案的有益效果為：本發明通過對語音數據本身的編碼特徵進行檢測，統計「段位碼差值」和「段位碼峰值」，即統計「跳變頻率」和「能量分布」，與檢測門限值相比較，有效地實現語音通信的失步檢測。與常用的「插入同步碼，逐位比較」方式相比較，本發明不佔用額外的信道資源，有利於提高信道容量；具備極強的抗傳輸誤碼能力，有效防止「假失步」問題；此外本發明的設計簡單，無論採用軟體、硬體均可實現，可應用於有線、無線、衛星等多種類型的通信系統中。
附圖說明
圖1是傳統失步檢測方法中插入同步碼的示意圖。
圖2是本發明失步檢測流程圖。
圖3是本發明實施例提供的網絡環境應用的示意圖。
圖4是本發明PCM數據預處理示意圖。
圖5是本發明段位碼差值統計示意圖。
圖6是本發明失步判決門限示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
自然界中，正常的各類聲音信號(例如人類話音、鈴音、音樂、背景聲、汽車鳴笛等)均是較為平緩、漸變的，在經過採樣、量化、編碼處理後，輸出64kbps的PCM編碼數(每一秒8000個採樣點，每個採樣點輸出一個8位二進位碼)，也具有相同的特性。其表現為每個採樣點之間的段位碼變化較小，同時在周期內的能量分布較為均勻。一旦出現周期內大量採樣點間的段位碼劇烈變化以及峰值能量分布，表明該周期的語音信號發生了不規律的跳變，預示著語音通信中出現了大量噪聲，即語音失步。
如圖3所示是本發明實施例提供的網絡環境應用的示意圖，加密通信系統中的終端A和終端B，通過信道建立通信連接，實現語音通信功能，並採用本發明提出的方法實現語音通信的失步檢測。終端A，將模擬語音信號經過採樣、量化、編碼後，PCM編碼輸出A率PCM數據，再經過加密後通過發送單元發往線路傳輸；終端B，接收單元收到加密語音數據後，首先進行解密運算，恢復A率PCM數據後，再進行失步檢測。
本發明的檢測周期指示每一次失步檢測的數據量和時間，過短可能降低失步檢測的準確性，過長則會延緩失步恢復時間，降低用戶體驗。檢測周期通常設定在0.5～1秒之間，下面以輸入信號為A率PCM數據，檢測周期為1秒為例進行說明。本方案主要通過對語音數據本身的編碼特徵進行統計和分析，來判斷通信系統的同/失步狀態，解決在信道帶寬有限和傳輸誤碼較大環境下的語音失步檢測技術問題。
如圖2所示，一種基於PCM編碼特徵的語音失步檢測方法，具體包括以下過程。
步驟1、語音接收端將加密數據解密成PCM數據。
步驟2、啟動失步檢測，將PCM數據的每個採樣點的8位二進位編碼0x8d與0xd5相異或，將8位二進位編碼0x8d轉化為「符號位+段位碼+段內碼」格式，如圖4所示，預處理後的8位二進位編碼0x58中bit7為符號位，bit6～4為段位碼，bit3～0為段內碼。
步驟3、如圖5所示，是段位碼統計示意圖，預處理後的數據中，以任意一個採樣點的8位二進位數據作為失步檢測起始點，本實施例是以0x68為起點，在第1個檢測周期內(1秒),統計分析相鄰兩個採樣點件的「段位碼差值」和「段位碼峰值」；段位碼差值，表示在檢測周期內，語音信號的變化頻率，當相鄰兩個採樣點的「段位碼差值」的絕對值≤1時，「段位碼差值」統計值Num_margin加1；當「段位碼差值」的絕對值＞1時，「段位碼差值」統計值Num_margin不變，每個檢測周期結束後需將Num_margin清零；如圖5中第1、2、3個採樣數據依次為0x68、0x72、0xb2，對應的段位碼為+6、+7、-3；其中第1和第2個採樣點之間段位碼相減的絕對值為1，則Num_margin加1，第2和第3個採樣點間段位碼相減的絕對值為10，則Num_margin不變仍為1，依次計算，直至檢測周期結束。段位碼峰值，體現了檢測周期內，語音信號的能量分布。當一個採樣點的段位碼絕對值≥5時，「段位碼峰值」統計值Num_chord加1；當採樣點的段位碼絕對值＜5時，「段位碼峰值」統計值Num_chord不變，每個檢測周期結束時需將「段位碼峰值」統計值Num_chord清零；如圖5所示，第1-3個採樣數據依次為0x68、0x72、0xb2，對應的段位碼絕對值為+6、+7、-3；其中第1和第2個採樣點的段位碼絕對值≥5，兩個採樣點均是段位碼絕對值≥5，則「段位碼峰值」統計值Num_chord加2，第3個採樣點的段位碼絕對值為3，不滿足條件，則「段位碼峰值」統計值Num_chord不變，依次計算，直至檢測周期結束。
步驟4、檢測周期結束後，將「段位碼差值」和「段位碼峰值」的統計值與失步檢測預設的門限值相比較，如不滿足失步判決門限值，則判斷通信同步；如滿足失步判決門限值，則判斷該檢測周期的通信處於失步狀態，應啟動重新同步機制。基於PCM編碼的語音失步檢測門限，是根據統計周期語音信號的變化頻率和能量分布來設計，如圖6所示，具體如下：
檢測周期：1秒，包含8000採樣點；判決條件：條件一，一個檢測周期內，段位碼差值的統計Num_margin≤4000；條件二，一個檢測周期內，段位碼峰值的統計Num_chord≥2000。(1)如果統計的段位碼差值Num_margin和段位碼峰值Num_chord同時滿足判決條件一、二，則表示檢測周期內語音通信處於失步狀態；(2))如果統計的段位碼差值Num_margin和段位碼峰值Num_chord只滿足任意一個判決條件，不滿足另一個，則表示語音通信處於同步狀態；(3)如果統計的段位碼差值Num_margin和段位碼峰值Num_chord同時不滿足判決條件一、二，表示語音通信處於同步工作狀態。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。如果本領域技術人員，在不脫離本發明的精神所做的非實質性改變或改進，都應該屬於本發明權利要求保護的範圍。