用於同時傳送聲音和數據的聲音信號的壓擴的製作方法
2023-10-28 17:22:22
專利名稱：用於同時傳送聲音和數據的聲音信號的壓擴的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如數據機的數據通信設備，特別是涉及在相同的通信設備上同時傳送聲音和數據信號。
在聲音信號具有較大動態幅度範圍時，其幅度概率分布加權趨於零，即聲音在幅度上通常很小，而偶爾會突然達到最大(滿度)。為了改變特性，電信網絡，例如公共交換電話網絡(PSTN)，使有壓擴器以放大相對於大的聲音信號的弱音信號。這樣，通過將平均聲音信號電平提高到通訊網絡的噪聲平臺以上來改進其信噪比(SNR)。
G，Bremer和K.D.KO的名為「同步模擬和數字通訊」的尚未決定美國專利08/076505申請日為1993年6月14日，公開了一種同時聲音和數據的通訊系統，其中聲音信號被加到二維正交調幅調製(QAM)的數據符號上，以便通過通信信道例如PSTN傳送到接收數據機。特別是，每個數據符號是一個參考信號點值，在其上加上了一個表示一個聲音信號的聲音信號矢量。將聲音信號矢量附加數據符號上，使得被選中信號點是選中的數據符號和聲音信號矢量大小的函數。不幸的是，由於聲音信號是有效地加到數據信號上，使聲音信號對於每個選中的數據符號具有不同的偏差。PSTN不希望聲音信號具有一個DC偏差。因此，導致低電平聲音信號沒有從PSTN壓擴器獲得增益，所以降低了從PSTN傳送聲音的質量。
因此，按照本發明，聲音信號或模擬信號在加到PSTN前被壓擴，其結果是低電平聲音信號被放大並且使聲音傳送的質量沒有降低。
在本發明的一個實施例中，代表的聲音信號在編碼成一序列信號點以前先被擴展，其中每個信號點是從一個二維信號空間中選出的並表示一個聲音信號矢量。
在本發明的一個實施例中，擴展發生在聲音信號被編碼成一序列二維信號點之後，其中每個信號點是從一個二維信號空間中選出的並表示一個聲音信號矢量。換句話說，每個聲音信號矢量在附加到數據符號之前被擴展。
在本發明的另一個實施例中，選出用於傳送的結果信號點被擴展。特別是，聲音信號被編碼成序列二維信號點，其中每個信號點是從一個二維信號空間選出的並表示了一個聲音信號矢量。，同時，將一個數據信號編碼成序列二維符號，其中每個符號由一個來自二維信號空間的信號點來表示。隨後將每個聲音信號矢量加到相應的序列表示數據信號的二維符號上，用以選出結果信號點。每個結果信號點在調製用於通過PSTN傳送前按照擴展算法進行變換。
在上面的實施例中，接收機實施相應的接收信號反相壓縮。
圖1表示了一個用於同時聲音和數據通信系統信號點星座(constellation);
圖2表示了一個μ律擴展/壓縮函數;
圖3表示了一個體現本發明原理的發射機的方框圖;
圖4表示了一個體現本發明原理的用於接收來自圖3發射機的信號的接收機的方框圖;
圖5表示了另一個體現本發明原理的發射機的方框圖;
圖6表示體現本發明原理的用於接收來自圖5發射機的信號的接收機的方框圖;
圖7表示了另一個體現本發明原理的發射機的方框圖;
圖8表示體現本發明原理的用於接收來自圖7發射機的信號的接收機的方框圖。
上面提到的未決申請×××××，在此做為參考，它公開了一種發射機，其中發射信號表示為N-維序列信號點，每個信號點是一個至少兩個分離信號的函數，顯然，這些信號之一是音頻信號或聲音信號，而其它信號是一個數據信號。如上所述，聲音信號具有很大的動態幅度範圍並且具有一個加權趨零的幅度概率分布，即聲音在幅度上通常很小而突然會達到最大。
圖1是在上述未決專利申請中公開的同時聲音與數據系統中使用的4-QAM符號星座(constellation)。正如該未決申請描述的那樣，數據首先按各信號間隔T編碼，以選擇四個區域之一，每個區域由參考符號「A」、「B」、「C」和「D」表示。例如，符號「A」表示區域1，並特別是與信號相關點由信號空間坐標(-1，+1)表示，如現有技術中已知的表示「同相」和「正交」分量。在已有的僅是數據通信系統中，發射機僅發射從該符號星座中選出的四個符號之一。換句話說，僅有四個有效信號點坐標可以發送。然而，如在G.Bremer和K.D.KO的未決申請中所公開的，一個例如聲音信號的模擬信號被加到選出數據符號上，其結果是在一個選定區域內的任意信號點被選出用於傳送，每個有效區域是與一個不同的數據符號相關。例如，在每個信號傳送間隔T中，聲音信號被處理，於是提供聲音信號的兩個取樣。這兩個取樣用於在信號星座空間中產生一個「聲音信號矢量」例如圖1中所示的聲音信號矢量V。換句話說，聲音信號的兩個取樣，即每個信號傳送間隔，選定了一個關於信號點星座的原始點的信號點。該信號點的坐標決定了來自信號點星座原始點的聲音信號矢量V的大小和角度。然後將聲音信號矢量由矢量附加裝置附加到一個表示在每個信號傳送間隔T中選出的數據符號的數據矢量d上。其合成矢量r選出了一個特殊信號點R來從選定的區域發送。不幸的是，如圖1所示，由於將聲音信號矢量V附加到數據矢量d，其結果對任何聲音信號產生一個偏移。因此，在PSTN網絡內的壓擴器不希望接收具有一個DC偏移的聲音信號，這使得低電平聲音信號沒有從PSTN壓擴器得到增益-所以，通過PSTN發送的聲音質量下降。
根據本發明的原理，聲音信號在通過PSTN發送前得到擴展，以便改進通信系統的信噪比。擴展是在小幅值的聲音信號電平相對於大幅度值的聲音信號電平得到增加的方式完成。圖2表示的是一種現有技術的μ律擴展函數。如圖2所示的壓縮函數。在接收機中使用時(下面討論)，執行擴展的相反過程，特別是其擴展的方程為y(x)＝ (1n(1+μ·x))/(1n(1+μ)) (1)其中，x表示被擴展的信號，相反地，壓縮方程式為y = (ex·ln (1 + μ) - 1)/(μ) (2)其中x表示被壓縮的信號。在這兩種情形中，μ是一個大於零的常數。在典型的網絡壓擴器中，μ＝255，但用於本發明時，可以使用任何μ值。
圖3為本發明的一個實施例。它包括一個擴展聲音信號的擴展器，聲音信號由線21加入。擴展器20的函數如圖2所示並與方程式(1)(上述)相一致，並向1到2映象器50輸入一個模擬輸出信號。映象器50接收並在線52和53上產生兩個模擬信號，再分別送到加法器70和80上。在線52和53上的兩個模擬信號表示了聲音信號的取樣，並且為在每個信號傳送間隔T中的聲音信號矢量提供了信號點坐標，映象器50標出聲音信號矢量的大小，以便將聲音信號矢量附加到一個數據符號(下面將討論)產生一個在四個方形信號區域點之一中的合成信號點r，如圖1所示。
在每個信號傳送間隔T中，編碼數位訊號加到1到2維映象器60，並在線62和63上產生兩個輸出脈衝，每個輸出脈衝相對於輸入線61上的編碼數位訊號具有一個幅度。輸出52和62在加法器70合成而輸出53和63在加法器80合成。加法器70和80的輸出形成了由圖1中信號空間表示的信號分量，即合成信號點r。加法器70和80的輸出加到調製器120和130並在加法器140相加並形成一個在現有技術中已知的典型調製信號，雖然沒有簡單地示出，仍然可將加法器70和80的輸出經過帶寬限制在ω以下的濾波器的附加處理，以便避免混淆，並且至少是映象器60輸出取樣率的反相的一半。
在圖3中將器件60描述為1到2映象器。然而，應該理解到該器件可以為一個M到N映象器。因此，器件60可以響應一組(M)編碼數位訊號並且可產生不同組(M)輸出信號。相同地，器件50可以為響應多個模擬信號的M到K編碼器。同樣，器件50和60後面的器件組(即器件70、80、120、130和140)構成了正交調製器90，並響應器件50和60的多個輸出。更確切地說，這些器件必須考慮到所有的輸入信號，這意味著它們必須能夠處理K或N個信號，而無論其有多大。然而在這種情況下，用戶可設定系統的維數大於2(K或N)，並且一些維無論加入什麼，即沒有數位訊號也沒有模擬信號。當然，如果有其中即沒有數位訊號也沒有模擬數據的「維數」，則將其它信息，例如補償「副」(side)信息送到這些維上。
在一個信號空間範圍內，器件50和60的N組(假設N大於K)輸出信號對應於多維空間-例如N維空間中的矢量分量組，該多維空間的坐標與正交調製器90中的正交調製信號相對應。在圖3中兩個正交調製信號是coswt和sinwt，但其它調製信號也是可能的，例如，碼分多路傳輸(CDMA)模式。本發明目的，正交調製信號是可生成一個傳送信號的正交信號，該傳送信號包括共存元素信號並仍見接收機將接收號分離成組成元素信號，這些信號由相應的各調製信號產生。通過上述圖1中討論過的情況可以看到，正交調製器90的作用是將由器件60產生的符號矢量與由器件50產生的模擬信息矢量進行向量累加。
圖4表示了下個與本發明原理一致的一個接收機的基本方框圖。從信道接收到的調製輸入信號被送到解調器210。後者產生同相和正交分量。將這些送到限制器220，限制器220識別符號。即從圖1點集(Constellation)到最近的數據符號的接收信號點的圖集，限制器220給去映象器230提供識別的符號，完成上述映象器60相反的作用。另外，圖5還包括1到2映象器240，它響應由信道限制器220產生的符號。映象器240的輸出是一組同相和正交分量(在圖3的布置中送入器件70和80)。映象器240的輸出在減法器250和260中減去調製器210的輸出。減法器250和260的輸出被送入2到1去映象器270並由後者重新組合模擬取樣以便形成一個擴展的模擬信號，去映象器270執行映象器50的相反作用。擴展的模擬信號送到壓縮器95，執行與上述例如方程式(2)的擴展器20相反作用。壓縮器95向線296提供恢復的聲音信號。
另一個本發明的實施例如圖5所示，圖5與上面討論的本發明的第一實施例的僅有的區別在於擴展是在將聲音信號映象到坐標信號空間後進行的，即聲音信號先加到1到2映象器50上。映象器50響應並在線52和53產生兩個模擬信號，再送入擴展器15。如上所述並如圖2所示的擴展器15將低電平信號擴展到更高一些電平的模擬信號。擴展器15在線58和59上產生輸出信號到圖5的其它器件。後者的作用如圖3中的實施例所描述的。同樣，圖6表示了一個與本發明原理一致的一個接收機的方框圖。圖6接收機的作用與圖4接收器的作用除了一點外基本相同，即壓縮器395接收來自加法器250和260的輸出信號並在線296和297上向2到1去映器提供輸出信號，去映象器270重組模擬取樣以形成模擬信號，去映象器270執行映象器50相反的作用。
本發明的另一個實施例如圖7所示。在這裡，擴展發生在選出用於調製的合成信號點之後。模擬信號被加到1到2映象器50，後者響應並在線52和53上產生兩個模擬信號，然後分別送到加法器70和80。在線52和53上的兩個模擬信號表示了相對於在每個信號傳送間隙T中模擬信號矢量的信號點坐標。映象器50限制聲音信號矢量的大小，以便後續的模擬信號矢量加到一個數據符號的合成能產生一個在四個信號點區域之一內的合成信號點V，如圖1所示。
在每個信號傳送間隔T中，編碼的數位訊號送入1到2維映象器60，映象器60在線62和63上產生兩個輸出脈衝，每個輸出脈衝具有一個與線61上的編碼數位訊號相關的幅度。輸出52和62在加法器70組合而輸出53和63在加法器80組合。加法器70和80形成了由圖1中信號空間表示的信號分量。加法器70和80的輸出送到擴展器10，擴展器如上面描述並由圖2圖示的，將低電平模擬信號擴展成更高電平的模擬信號。擴展器10由線11和12向調製器120和130提供輸出信號，其輸出信號在加法器140相加以便形成一個本領域中已知典型的調製信號。在本例中，合成信號的擴展是按照選定區域的參考點來獲得的。因此，在線62和63上的輸出信號被送入擴展器10。例如，如果選定了圖1的A區域，數據符號A的坐標提供了用於合成信號點的擴展的參考坐標。
圖8為一個按照本發明原理的一個接收機的基本方框圖。從信道接收的調製輸入信號被送到解調器210，解調器210產生同相和正交分量並被送入壓縮器495和限制器220。後者識別符號，即每個接收信號點由圖1的坐標集到最近的數據符號，限制器220給去映象器230提供識別符號。執行上述映象器60的相反作用。限制器220向1到2映象器240和壓縮495提供識別的符號。壓縮器495執行與上面討論過的擴展器10相反作用，即具有選定的壓縮算法和在每信號傳送間隔T內的各自識別的一個符號的作用。壓縮器495在線496和497上提供輸出信號。映象器240的輸出信號是一組同相和正交分量(在圖7中加到器件70和80)。映象器240的輸出在減法器250和260中從壓縮器459的輸出減去。減法器250和260的輸出被送到2到1去映象器270，去映象器270重組模擬取樣以便形成模擬信號。去映象器的作用與映象器50相反。
上面僅僅舉例說明了本發明的原理，雖然這裡沒有明確描述而本領域中的技術人員是能夠設計出各種實施本發明原理並不脫離其精神及範圍的替換布置。
例如，雖然上面圖示的各實施例是本發明概念的基本示例，可以清楚地看到，本發明的概念可容易地加到更複雜的數據通信設備的設計中，如圖3所示的發射機實施例可以修改為包括一個例如一個格碼的錯誤校正技術或其它除了3QAM有其它調製。
另外，雖然這裡圖示的本發明帶有連續函數的結構單元，例如擴展器30等，但也可通過使用一個或多個適當的程序處理器來執行任意一個或多個這些結構單元的函數。
最後，雖然在這裡圖示的本發明具有一個μ-律壓擴算法，但也可用其它算法替換，例如A-律或一個分段線性或其它接近的μ-律或A-律，或者一個正弦函數，或者其它的本領域技術人員熟知的壓擴技術。
權利要求
1.一種發送方法，包括如下步驟擴展一個第一加入的信號以便產生一個第一信號，這裡的擴展是執行增加相對於大幅度第一加入信號來說是小幅度第一加入信號的大小；以及處理擴展的第一信號和一個數據信號以便產生一個用於傳送的合成信號，該合成信號表示一個第一順序的N-維信號點，其每一個N-維信號點被選出作為一個擴展的第一信號和數據信號的函數。
2.如權利要求1的方法，其中，處理過程包括如下步驟對擴展的第一信號編碼以便產生一個第二序列的N-維信號點，其每個N-維信號點確定一個來自一個信號空間原點的信號矢量;對數據信號編碼以便產生一個序列的數據符號，每個數據符號由一個不同的N-維信號點來表示;以及將每個信號矢量與各自的數據符號之一相加，以便產生一個N-維信號點的第一序列。
3.如權利要求2的方法，其中，加入的第一信號是一個聲音信號。
4.如權利要求1的方法，其中，每個信號點是在一個信號空間的區域中，並由該數據信號決定，並且是在該區域中的一個點上，由擴展的第一信號來決定。
5.用於發送的設備，包括一裝置，用於對加入的第一信號編碼以便產生一組第一信號矢量，其中每個第一信號矢量由一個來自一個信號空間的N-維信號點的坐標來確定。一裝置用於對數據信號編碼以便產生一組數據符號，每個數據符號是由一個來自該信號點集的N-維信號點來表示;一裝置用於將一組第一信號矢量的每一個分別加到一組數據符號以便產生合成的N-維信號點的序列;一裝置按照擴展方程式和相應的一組數據符號來改變每一個所述序列的合成信號點;和一裝置用於發送一個表示改變的合成信號點序列的合成信號。
6.如權利要求5的裝置，其中，加入的第一信號是聲音信號。
7.如權利要求5的裝置，其中，每個合成信號點是在一個信號空間的區域中並由該數據信號決定，並且是在該區域中的一個點上，由相應的第一信號矢量來決定。
全文摘要
在一個同時聲音和數據通信系統中，聲音信號在傳送到公共交換電話網(PSTN)之前被加到數據符號上，特別是，在每個信號傳送間隔內，選出一個信息點，用於傳送作為即聲音信號也是數據信號的一個函數。由於聲音信號已數據信號偏移，所在在PSTN中普遍使用的壓擴器不能有效地改進傳送聲音和數據信號的信噪比。因此，聲音信號在傳輸到PSTN之前應附加壓擴。這種由發送機產生的附加的壓擴改進了合成的聲音和數據信號的信噪比。
文檔編號H03G7/00GK1113057SQ9410890
公開日1995年12月6日 申請日期1994年6月13日 優先權日1993年6月14日
發明者高頓·布雷莫, 肯尼斯·戴維·考, 盧克·J·斯密斯威克 申請人:美國電報電話公司