CN100558074C - 使白噪声数据分组对信道利用率影响最小的系统及方法 - Google Patents

Abstract

使必需的AGWN白噪声对传输信道利用率的影响最小，且不降低语音或音频通信中AGWN白噪声的感官质量。使所需的生成的背景噪声对传输信道利用率影响最小的系统包括以下的组合：用于形成顺序数字音频数据分组的传输流的实现，用于将允许产生背景噪声的有效载荷数据分组的数据编码表示和每个音频分组相关联的装置，接收站上响应每个数据表示、用于形成所表示的有效载荷数据分组的实现，所表示的有效载荷数据分组允许所述背景噪声的生成，接收站上用于将形成的允许背景噪声生成的有效载荷分组散布在相关音频数据分组之间的装置，和接收站上响应进行允许的有效载荷分组、用于在音频数据分组之间生成背景噪声的背景噪声生成装置。

Description

使白噪声数据分组对信道利用率影响最小的系统及方法

技术领域

本发明涉及电信系统，特别是用于产生音频或语音通信所需的白噪声的系统及方法。

背景技术

随着商业、工业及贸易的全球化，这些领域中的交易和活动已经从本地组织转变到遍布全球的多样化交易，相应地，电信行业迅速地普及起来。虽然电信技术开发已取得进展以跟上日益增加的需求，然而通信信道带宽仍然是相对昂贵的奢侈资源。带宽是在给定单位时间内(通常为一秒)通过给定通信信道所能传输的数据的量。信道及带宽的不足仍然是限制实现全效远程电信的因素。由于工业及商业的快速扩张，在上个十年始终存在通信带宽的需求，电信行业已经迅速扩大世界范围内为满足这些需求而需要的基础设施。

一个领域就是语音和其它音频电信通过因特网传输的网际协议(IP)电信。在这种IP电话通信中，以及在大多数常规有线和无线公共服务电话网(PSTN)通信中，语音通信被分成经过数字化并通过传统的PSTN或使用IP电信协议的因特网来传输的语音分组。在文献IP Telephony Demystified，Ken Camp，2003年出版，Mgcraw-Hill，New York，NY中，特别是在第三章的第54-69页中，描述了这种语音语音分组的传输。这些语音分组一般通过前向分组交换(forwardpacket switching)来传输，其中所述语音分组在节点处进行交换，在所述节点中这些语音分组存储在队列中，直到传输流中的空白(spaces)到达所述节点以接受语音分组。这种语音分组交换电信非常关系到电话呼叫的质量。一个即使在静音期间仍保持语音传输质量的传统方式是保持平稳的背景噪声(周知的白噪声)。为了保持这种背景白噪声，当前的技术是将白噪声产生分组散布所发送的语音分组之间。这些白噪声分组包含用于驱动位于接收电话站的白噪声生成器，以将白噪声分组中的数据转换成生成的白噪声的数据，所述生成的白噪声在语音分组之间的静音时被交织到声频电话信号中。最有效的白噪声生成当前是在以下文献中描述的加性高斯白噪声(AGWN)生成器中获得的：Newton′s Telecom Dictionary，2003，CMP Books，San Francisco，CA，第885页；该生成器在Generating Noise in VoIP Designs，by FBourget，Octasic System Design，2003年3月，http://www.eedesign.com/story/OEG20030303S0036中有更详细的描述。虽然生成的白噪声保持在电话声频质量，然而白噪声生成所需的分组，即AGWN分组在电信信道中已经变得如此普遍，使得用于传输数据内容的传输信道的部分已经被极大地减少。

发明内容

本发明的目的在于使必需的AGWN白噪声对传输信道利用率的影响最小，并且不必降低语音或音频通信中AGWN白噪声的感官质量。为此，本发明提供了一种用于使所需的所生成的背景噪声对传输信道利用率的影响最小的系统，包括以下部分的组合：用于形成顺序数字音频数据分组的传输流的实现，用于将允许产生所述背景噪声的有效载荷数据分组的数据编码表示和每个音频分组相关联的装置，和接收站上响应每个所述数据表示、用于形成所表示的有效载荷数据分组的实现，所述所表示的有效载荷数据分组允许所述背景噪声的生成，以及所述接收站上用于将所述形成的允许背景噪声生成的有效载荷分组散布在所述相关音频数据分组之间的装置，和所述接收站上响应所述进行允许的有效载荷分组、用于在音频数据分组之间生成背景噪声的背景噪声生成装置。在一个实施例中，数据编码可以象定义每个白噪声AGWN分组定义的期望幅度和持续时间的编码那样简单。根据本发明的一个方面，允许所述背景噪声的生成的有效载荷数据分组的相关数据编码表示包括在每个语音分组中。

根据本发明的一个重要方面，权利要求4所述的电信系统是一种IP电信系统；并且还具有用于将因特网页面分组插入所述传输流中，以使所述因特网页面分组被定序在通常为AGWN分组所占据的语音分组之间的空间上。

附图说明

通过参考以下发明详述与附图，本领域普通技术人员将能更好地理解本发明的众多目的和优点。

图1是通向本发明可以在其中实现的IP电信网络部分的PSTN的一部分的概括示意图；

图2是包括处理器单元的通用显示计算机系统的结构图，该处理器单元可以执行借以能够发送(TX)和接收(RX)IP通信的显示计算机的功能；

图3是具有根据现有技术的语音分组传输的传输信道的示例图；

图4是具有根据本发明的语音分组传输的传输信道的示例图；

图5是在根据本发明的电信接收站上处理的语音分组传输的示例图；而

图6是描述了本发明的电信系统如何被设置以使AGWN分组对信道传输利用率的影响最小的流程图。

具体实施方式

参考图1，其中示出了表示信道路径去往和来自传统有线和移动无线信道及设备的PSTN环境的部分的一般性示意图。其中也有涉及因特网或万维网上的传输的IP电话环境的互连部分。在下面的论述中，应当理解，所描述概念分别涉及PSTN环境、IP环境或将在下面详细描述的、通过适当网关连接的两种环境中的分组传输信道。PSTN网络包括去往和来自传统有线和移动无线信道，和根据本发明的蜂窝设备的信道路径。假定蜂窝电话38是位于蜂窝面积范围内的区域中的许多移动蜂窝电话的代表，所述蜂窝面积由连接到蜂窝基站36的小区塔33确定，所述蜂窝基站36连接到交换中心35，所述交换中心35将通信信号传送到如电话37所示的传统硬连线电话站所连接到的PSTN 30。虽然为了举例的方便将无线移动电话38和有线电话37都表示为普通电话，然而应当理解，这些电话站很有可能是通过PSTN连接到万维网50的计算机，其通过连接72连接到万维网服务器53，接着通过连接71连接到万维网50并且进入到IP环境中。

因为无线移动通信，特别是来自手持或膝上型计算机的无线移动通信在PSTN系统中正变得非常普遍，一些关于无线通信的背景介绍在此处是合适的。在广泛使用的用于移动无线通信的蜂窝系统中，一个区域，例如一个城市，被分解为小面积的小区。每个小区的面积大约是10平方英里。每个小区都具有其自己的基站，所述基站具有用于接收/发送的塔和连接到PSTN的基设备。尽管典型的载波被分配了约800个频率信道，小区的建立则允许广泛的频率再利用，使得城市中数万人可以同时使用他们的蜂窝电话。蜂窝电话系统现在最好是数字的，其中每个小区具有超过160个可用信道来分配给用户。在一个大城市中可能有数百个小区，每个小区都有其自己的塔和基站。因为塔和每个载波的用户的数量，每个载波具有一个控制城市或区域中所有基站，并且控制所有到地基PSTN的连接的移动电话交换局(MTSO)。当一个客户蜂窝电话获得一个打入的电话呼叫时，MTSO试图确定客户蜂窝电话所位于的小区。MTSO接着指定一个频率对给针对该蜂窝电话的呼叫。MTSO接着通过控制信道与该客户通信以告知该客户或用户要使用的频率信道。一旦用户电话和它的相应的小区塔连接上，呼叫在蜂窝电话和塔之间通过双向长距离RF通信而进行。在美国，蜂窝电话被指定以824-894兆赫范围内的频率。因为在蜂窝电话和小区塔之间的传输是数字的，但电话中的扬声器和麦克风是模拟的，蜂窝电话不得不具有从输入到电话扬声器的数模转换器和从麦克风到针对小区塔的输出的模数转换器。

现在，关于图1中的万维网IP电话技术，在上文中提到的IPTelephony Demystified中，特别是在第四章，第97-117页详述了环境协议。IP网络通常通过网关连接到PSTN，所述网关这里没有特别示出，但它可以是万维网接入服务器系统53的一部分。IP TelephonyDemystified一文在第七章，第145-156页中描述了在PSTN和IP通信网络之间的几种传统的网关。

在进一步详细说明使用图1中IP网络的特定实施例之前，从更一般的角度考察因特网或万维网将是有帮助的。对于有关因特网节点、对象和链接的细节，可参考G.H.Cady等人所著的Mastering theInternet，Sybex Inc.，Alameda，CA，1996。因特网或万维网是计算机技术及操作系统的异构混合的全球性网络。高层对象通过各类网络服务器计算机链接到层次结构中的低层对象。

对于图1的IP网络，代表性的电话站27和28可被常规地有线连接到所示的万维网50。每个电话站27-28具有相关的万维网网络终端15和17，所述网络终端15和17具有可以在其上显示屏幕面板56的显示器57。终端15和17可以通过以随后的图2中描述的方式建立的计算机系统来实现，并且图2中的网络连接是在图1中示出的万维网连接51。为了本实施例的目的，终端15和17是分别用于相应支持和监视电话站27-28的万维网显示站的代表。可以参考上文提到的Mastering the Internet，第136-147页中描述的通过网络服务器在本地显示站和万维网之间建立的典型连接；任何这样的连接均可被用来实现将本发明应用于其中的系统。除了上述标准的拨入或拨出之外，万维网或者类似的与计算机终端15、17(将在图2中描述)相关的浏览器程序可以通过应用程序进行修改，所述应用程序将电话站27和28直接拨入如图1中所示的PSTN。

参见图2，在其中示出了典型的数据处理系统，该系统可作为计算机控制的网络终端或万维网站15和17，图1，通信或用于任何万维网接入服务器中的数据处理。

中央处理单元(CPU)10可以是IBM公司或Dell公司的个人计算机中的商用微处理器之一；当所示出的系统被用作将后面描述的万维网发布站点的服务器计算机时，最好使用工作站，如IBM的RISCSystem/6000^TM(RS/6000)系列。CPU通过系统总线12与各其他组成部分互连。操作系统41在CPU10上运行，提供控制并用于协调图1中不同组成部分的功能。操作系统41可以是市场上可获得的操作系统之一，如IBM的AIX 6000^TM操作系统；微软的Windows XP^TM或Windows 2000^TM，以及UNIX和其他的IBM AIX操作系统。由系统控制的应用程序40被存入和取出主存储器随机存取存储器(RAM)14。这些程序可以包含本发明的用于实现根据本发明的修改电信白噪声分组和语音分组传输的程序。任何常规的万维网浏览器应用程序59，如微软的Internet Explorer^TM，或Lotus Notes^TM Personal WebNavigator或Server Web Navigator可以在用于语音和白噪声分组接收和发送的终端15和17上应用。只读存储器(ROM)16通过总线12连接到CPU 10，并包含控制基本计算机功能的基本输入输出系统(BIOS)。RAM 14，I/O适配器18及通信适配器34也互连到系统总线12。I/O适配器18与磁盘存储设备20进行通信。通信适配器34将总线12与外部网络互连，从而允许计算机系统通过万维网或因特网与其他这样的的计算机进行通信。I/O设备同样经由用户接口适配器22及显示适配器36与系统总线12连接。键盘24及鼠标26全部通过用户接口适配器22与总线12相连。通过这样的输入设备，接收站的用户可以与万维网互动关联以访问万维网文件及电信分组。显示适配器36包括帧缓冲器39，帧缓冲器是保持显示屏幕38上的每个象素的表示的存储设备。图像可以存储在帧缓冲器39中，以便通过不同组件如数模转换器(未示出)等等显示在监视器38上。利用前述的I/O设备，用户能够通过键盘24或鼠标26输入信息到系统，并通过显示器38从系统接收输出信息。

图3示出了用于PSTN环境中分组交换通信的传统传输信道。TX61是示例性的传输源，该传输包括语音分组63和65，以及对于每个语音分组，相应的白噪声(AGWN)分组64、66，所述白噪声分组被称为有效载荷分组，因为每个白噪声分组都包括在传输的接收RX站中驱动AGWN生成装置所需的全部数据。

应当注意，为了举例的方便，语音分组及其相关AGWN分组按照其被与RX 62相关的电话接收系统转换为声音的顺序在传输信道中示出。

实际上，在分组交换传输中，语音分组不太可能按照顺序位于传输信道中。分组甚至不需要在相同的信道中移动，只要当它们到达RX62时所述分组具有所示的顺序，使得可以在相关语音生成之间生成造当的AGWN白噪声序列。当结合图4和图5描述本发明时，应理解这些。因此，正如将要描述的那样，本发明的优点不在于特定AGWN有效载荷分组被直接从传输信道中删除以留出空间使另一个分组能够直接插入其中。相反，其优点在于通过将AGWN分组从传输信道中删除，信道中的通信量大大减少，从而留出空间以使各种被传输的分组能够插入其中。

在本发明中，如图4所示，代替离散的AGWN分组，以通常和有关语音分组63、65相关的方式发送少量噪声编码67。这种相关编码可实际上被直接附加在语音分组上，例如头(header)。所述编码可仅够用于定义AGWN白噪声的振幅和持续时间，由所述编码可随后在通信的接收端RX 62处创建AGWN分组，正如将结合图5所描述的那样。因此，在传输信道中有用于要发明的附加分组的空间。在IP环境中，如所示，被插入的页面有效载荷分组68和69可以是为任何万维网发布功能而发送的万维网文档分组。现在，如在图5中所例举的，在RX端，通过能够在接收站的万维网浏览器中实现的编程重新装配语音通信语音流。如果此前没有清除，则清除页面有效载荷分组68和69。接着根据由相应编码67定义的数据形成完整AGWN数据(有效载荷)分组74和76。现在图5中接收器端的语音数据流与图3的常规语音流具有相同的最终结构，因此，白噪声(AGWN)分组74、76是完整的有效载荷分组，包括驱动在传输的接收RX站的AGWN生成装置，以将具有适当幅度和持续时间的白噪声插入由相应语音分组63和65所生成的语音之间所需的全部数据。

图6的流程图示出了本发明的系统在最大化分组通信中传输信道利用率的发展。在IP通信中，进行从TX到RX的顺序分组的数据流的传输，步骤81。在所述顺序数据流中，确立协议，其中以和每个语音分组相关的方式发送代表AGWN白噪声分组的内容(有效载荷)的数据编码，步骤82。在传输信道的数据流的语音分组之间插入因特网网页或文档的分组，步骤83。在网络中的接收点处，及时清除因特网网页分组中的任何分组，并且将这些页面分组进一步发布到因特网上的其它点，步骤84。在传输的接收点处，转换步骤82的数据编码以形成在相应语音分组之间的每个AGWN分组，步骤85。通过每个顺序语音分组的转换而常规生成电话声音，步骤86。白噪声生成器将每个顺序AGWN分组转换成白噪声，所述白噪声相应散布在步骤86的声音单元中来提供完整的电话音频声音，步骤87。

尽管示出和描述了特定的最优实施例，应当理解，可以在不偏离权利要求范围和目的的情况下进行改变和修正。

Claims (14)

1.一种在为系统站之间的音频数据分组传输提供通信信道的通信系统中，用于使所需的所生成的背景噪声对所述传输信道利用率的影响最小的系统，包括：

用于形成顺序数字音频数据分组的传输流的装置；

用于将允许产生所述背景噪声的有效载荷数据分组的数据编码表示和每个音频分组相关联的装置；

在接收站响应每个所述数据表示、用于形成允许所述背景噪声的生成的所表示的有效载荷数据分组的装置；

在所述接收站用于将所述形成的允许背景噪声生成的有效载荷分组散布在所述相关音频数据分组之间的装置；和

在所述接收站响应所述进行允许的有效载荷分组、用于在音频数据分组之间生成所述背景噪声的背景噪声生成装置。

2.如权利要求1所述的通信系统，其中所述音频数据分组是语音数据分组。

3.如权利要求2所述的通信系统，其中所述生成的背景噪声是白噪声。

4.如权利要求3所述的通信系统，其中允许所述背景噪声生成的所述有效载荷分组是加性高斯白噪声AGWN分组。

5.如权利要求4所述的通信系统，其中所述数据编码表示包括表示所述AGWN分组的持续时间和幅度的数据。

6.如权利要求5所述的通信系统，其中所述允许产生所述背景噪声的有效载荷数据分组的相关数据编码表示被包括在每个语音数据分组之中。

7.如权利要求4所述的通信系统，其中：

所述系统是网际协议IP通信系统；并且

还包括用于将因特网页面分组放入所述传输流中的装置，其中所述因特网页面分组被定序在通常由AGWN分组所占据的语音分组之间的空间内。

8.一种在为系统站之间的音频数据分组传输提供通信信道的通信系统中，用于使所需的所生成的背景噪声对所述传输信道利用率的影响最小的方法，包括步骤：

形成顺序数字音频数据分组的传输流；

将允许产生所述背景噪声的有效载荷数据分组的数据编码表示和每个音频分组相关联；

在系统接收站上响应每个所述数据表示的接收，形成允许所述背景噪声的生成的所表示的有效载荷数据分组；

在所述接收站上将所述形成的允许背景噪声生成的有效载荷分组散布在所述相关音频数据分组之间；和

在所述接收站上响应所述进行允许的有效载荷分组在音频数据分组之间生成所述背景噪声。

9.如权利要求8所述的通信方法，其中所述音频数据分组是语音数据分组。

10.如权利要求9所述的通信方法，其中所述生成的背景噪声是白噪声。

11.如权利要求10所述的通信方法，其中允许所述背景噪声生成的所述有效载荷分组是加性高斯白噪声AGWN分组。

12.如权利要求11所述的通信方法，其中所述数据编码表示包括表示所述AWGN分组的持续时间和幅度的数据。

13.如权利要求12所述的通信方法，其中所述允许产生所述背景噪声的有效载荷分组的所述相关数据编码表示被包括在每个语音数据分组中。

14.如权利要求11所述的通信方法，其中：

所述系统是网际协议IP通信系统；并且

还包括步骤：

将因特网页面分组放入所述传输流中，其中所述因特网页面分组被定序在通常由AGWN分组所占据的语音分组之间的空间内。

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