（信号与信息处理专业论文）基于样点交织算法的座谈式语音会议系统的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 在快速发展的信息时代，人们对信息交换的方式和速度要求 日 益提高。语音的交换在信息交换方式中占 据着重要地位，语音 同各种信息交换方式的结合，使语音通信系统不断地发展，会议 系统便是其中之一。 国家计委“ 九五” 科技攻关项目“ 可视化通信平台的研制与 实施”的重要科研成果对语声混合算法的研究，对现有的语 音会议系统有着重要的应用价值，它的研究成果样点交织算 法获得了国家2 0 0 3 年的发明专利。 这种算法可以实现一种新型座 谈式的语音会议功能，改善现有的会议系统任意时刻只能接听一 路的弊端，使远程语音会议更加生动和完善。 本文继承了前人在语声混合算法方面的研究成果样点 交织算法。侧重于把这个算法与现有的语音会议系统相结合，构 建出能够实现随机加入、座谈式的语音会议系统。文章对样点交 织算法的原理做了简单的分析，主要对这种算法的现实可行性做 了大量的工作。包括这种算法软件，硬件实现方法，并首次成功 应用与铁路产品中; 通过实际工程项目 证明了其可行性之后，笔 者以 局域网为媒介， 构建了 局域网内部交互座谈式会议的演示系 统。 由于主要侧重于实践应用， 文中 所涉及的具体工程技术较多， 硬件有可编程逻辑器件的设计， 各接口电路的逻辑时序关系， p c i 接口控制，软件方面包括驱动程序编写，网络编程，应用程序编 写等，最终把样点交织算法运用在了网络会议系统中，为这种算 法的实际应用做了有益的探索和尝试。 北京交通大学硕士学位论文 ab s tract i n r a p i d d e v e lo p i n g i n f o r m a t i o n s o c i e ty , p e o p l e as p i r e m o r e c o n v e n i e n c e a n d f as t e r i n f o r m a t i o n e x c h a n g e . t h e p o p u l a r i ty o f n e t w o r k m a k e s t h e m e a n s o f a c q u i r i n g i n f o r m a t i o n m o r e fl e x i b l e . s o f a r v o i c e i s s t i l l i m p o r t a n t f o r i n f o r m a t i o n e x c h a n g e . . t h e c o m b i n a t i o n o f v o i c e a n d v a r i e t y m e a n s o f i n f o r m a t i o n e x c h a n g e p r o m p t s t h e v o i c e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s . a m o n g t h e m t h e r e i s c o n f e r e n c e c a l l s y s t e m . a u d i o m i x i n g a l g o r i t h m , a i m p o rt a n t p a r t o f t h e r e s e a r c h a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e v i s u a l i z e d t e l e c o m m u n i c a t i o n p la t f o r m , w h i c h i s a k e y p r o j e c t o f n a t i o n a l p l a n n i n g c o m m i tt e e , i s v a l u a b l e t o c o n f e r e n c e c a l l s y s t e m s n o w . i t c a n m a k e a r e a l d i s c u s s i o n a t m o s p h e r e r a t h e r t h a n o n l y t a lk t o o n e t e r m i n a t i o n a t a t i m e w h i c h i s a p p l i e d b y c o n f e r e n c e c a l l s y s t e m n o w . n o d o u b t t h i s w i l l m a k e t h e c o n f e r e n c e c a l l mo r e v i v i d . b as e d o n t h e a c h i e v e m e n t b e f o r e 一一s a m p l e i n t e r l e a v i n g a l g o r i t h m , t h e p a p e r f o c u s e s o n h o w t o c o m b i n e t h e s a m p l e i n t e r l e a v i n g a l g o r i t h m w i t h p r e s e n t c o n f e r e n c e c a l l s y s t e m s , t h u s p e o p l e t a k i n g p a r t i n t h e c o n f e r e n c e c a n m a k e d i s c u s s i o n s a n d w i t h d r a w a t r a n d o m . t h e p a p e r m a d e a s i m p l e a n a l y s i s o n t h e a l g o r i t h m b u t d i d a g r e a t d e a l o f w o r k o n i t s f e as i b i l i t y , i n c l u d i n g h a r d w a r e r e a l i z a t io n , s o ft w a r e r e a l i z a t i o n , i m p l e m e n t a t i o n ,a n d o t h e r s . a ft e r i t s f e asi b i l it y w a s v e r i f i e d t h r o u g h a p r o j e c t , i b e g a n t o d e s i g n a d i s c u s s i o n s y s t e m i n a l a n . b e c a u s e t h e p a p e r m a i n l y f o c u s o n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e a l g o r i t h m, m a n y t e c h n i q u e s w e r e in v o lv e d , s u c h a s e p l d , i n t e r f a c e d e s i g n , p c i i n t e r f a c e c o n t r o l , d r i v e r , s o c k e t a n d s o on. i i m p l e m e n t e dt h e a l g o r i t h m i n m a d e m y c o n t r i b u t i o n t o d e v e l o p a l a n c o n f e r e n c e s y s t e m a t l a s t , mo r e c o n v e n i e n c e c o n f e r e n c e c a l l s y s t e m s , w h i c h m y p a p e r f i n a l l y w a n t t o s a y . 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京交通大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对木研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了 谢意。 签名 日期 -7 -0 k. 3 今 未经作 _ 、 百 勿 全 文公 布 a u 1 9 1 意 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 烽火传信， 堪称我国 通信之源。中国古代边防通信， 就赖以 烽火、大鼓，后与邮传结合，沿用至明清。 这可以看作最简单的 单向 通信了。但是，信息的交流只有单向通信是不够的，人们无 时无刻不在想建立交互式的实时远距离通信系统，实现人们的通 信之梦。1 8 4 4 年， 莫尔斯电 报实现了人们的通信之梦。 形成最早 的具有交互功能的通信系统， 而3 1 年后贝尔电话机的发明更揭开 了人类语音通信的新篇章。 在今天人们的日常生活中，语言仍然是交流思想、传播信息 的一种最为直接、有效、快捷的方式。所以即使在今天这样高度 发达的信息社会中，语音通信仍占据着重要地位。通信系统发展 至今己日新月异，电话会议系统是其中之一。早期的电话会议系 统是模拟体制， 借助于电话线把主会场的语音信息送至各个终端， 但却无法把各个终端的语音信息同时送至主会场，只能由主会场 选择一路进行通话，无法完成多方同时通话的功能，即使经过了 数字化改造，问题依然没有很好的解决，这不能不说是会议通信 系统发展至今的一点遗憾。 在会议系统中，要求参与通信的各方， 必须实时、高效、方 便、舒适地进行语言交流。要完成这样的目 标。不分主会场的座 谈式语音会议系统是必须的。所谓座谈式，是指参会各方能够不 受约束的随时发言，而每一方都能实时听到所有其它参会方的语 北京交通火学硕士学位论文 音， 从而营造出所有参会者都在同一个会议室的逼真的会议气氛。 类似于实际的开会情况，这种会议机制允许参会者都能随机加入 或退出会议， 在公平发言的权限中， 靠听觉的效果实现自 然礼让， 从而不会引 起语音混乱。目前的会议系统还不能完成这种座谈式 的会议功能，这是会议系统急需改进的地方 1 . 1语声混合的重要意义及发展现状 电话会议系统发展至今也无法完成座谈式会议的功能，主要 是受制于现有的数字音频语声混合技术。所谓语声混合，就是把 多路语音混合成一路进行播放的技术。由于每一个会议终端通常 只有一套音频输出设备( 功放十 音箱) ， 为了能 够在每个终端同时播 放多个参会者的声音，必须采取多路音频混合方案。 如果是有会议控制中心( c o n f e re n c e c o n t r o l c e n t e r ) 或多点 控制单元 ( m c u ) 的 音频会议， 混音可以 集中 在m c u进 行。 这样 每个终端就收到只占了一个信道的混音音频流。如果是分布式的 音频会议，每个终端可以接收其余终端发的语音包，混音过程可 以 在各个终 端独自 完成。 用一 个输出 设 备播放多 个音 频流d 2 1 - 语声混合的核心技术在于语声混合的算法。 目 前的网络会议协 议通常不具体规定音频混合的算法。如h . 3 2 3 协议，对所支持的 高速率与低速率语音编解码方案规定较为明确， 如g .7 1 1 , g . 7 2 9 , g . 7 2 3 . 1 等。 但对会议系统中的音频棍合方案， 则只 提到集中型多 点会议由m c u对各终端送来的音频信号进行混合，再将处理后 的音频流送回各终端。 而分散型多点会议， 每个终端要接收来自 其他终端的音频信号， 执行音频混合功能，再将混合音频信号送 北京交通大学硕士学位论文 给用户。对语音混合的算法未置一词。目 前实际的网络会议产品 大多采用选择一路通话的方式避开多路语声混合。如广为人知的 mi c r o s o f t n e t m e e t i n g ， 发言人可以用多播的方式把语音送 至参会各方，但却只能选择一路进行通话，这也是目前的网络会 议系统所广泛采用的方式。 传统的语声混合算法无法实现多路语声混合的编解码，尽管 有些算法可以完成小规模的语声混合。这使座谈式会议系统无法 实现。但是现在，情况己 有所改变。一方面，样点交织算法的出 现，从理论上克服了传统算法的主要缺陷，使座谈式会议的实现 成为可能。 另一方面， 这种算法应用于实际所要求的高速d i a转 换器产品在市场上已 很常见， 价格也不高， 这就为 这种算法的实 际应用创造了便利条件。 样点交织算法与共线通信系统相结合，可以实现共线体制下 的座谈式会议功能， 如配以 适当的 帧结构及 信令， 甚至可在共线 系统内实现无交换机的电 话系统，在这个电 话系统内任一个分机 发起群呼后可实现交换机无法实现的多方座谈式会议功能，这是 共线电话的特点， 体现了 共线系统的优越性。样点交织算法与网 络系统相结合，可以实现网络上的座谈式会议功能，配以适当的 控制信令机制，就能实现与会者可以自由加入或退出的座谈式网 络会议系统。 这些都是除了实现座谈式会议功能以 外，在其它方 面对现有会议系统的改进之处。 本文立意就是围绕如何建立这样的座谈式会议系统，在实际 应用中，应用样点交织算法，改进原有系统的不足之处，建立起 真正的有现场真实感的座谈式会议系统。 北京交通大学硕士学位论文 1 . 2论文工作的介绍及论文结构 1 . 2 . 1 工作介绍: 为了实现座谈式语音会议系统，笔者继承了实验室前人的研 究成果用于语声混合的样点交织算法， 经过大量的实践验证， 实现了共线模式下的会议系统，并最终在局域网内构建出了新型 的能够完成随机加入的座谈式会议系统的演示系统。主要工作如 下: 1 ， 分析了座谈式会议系统与现有会议系统的不同， 指出座谈式会 会议系统难以实现的主要技术障碍语声混合技术。 对传统 的语声馄合算法及样点交织算法做了原理上的分析与比较， 指 出了样点交织算法的重要实际意义。 2 ，设计并实现了以样点交织算法为核心的机车共线电话系统， 使 这种专利算法首次用于实际。 在这个系统中， 笔者搭建了数字 语音接入终端， 完成了e p l d中各模块的逻辑时序设计。 为整 个系统设计实现了数据交换方式， 并做了必要的软件编程， 最 终使演示系统正常， 稳定地运行起来。 这种系统如配以适当的 帧结构设计，就可以实现无中心的共线电 话/ 会议系统 3 ，设计并实现了局域网内部基于样点交织算法的座谈式语音会 议系统。 这是本论文的主要工作。 在这部分工作中， 硬件方面， 笔者设计了适用于样点交织算法，以 p c i 接口为主要数据交 换接口的专用语音卡， 完成了e p l d中的逻辑设计及快速d / a 转换的设计。 软件方面， 笔者以w in d o w 2 0 0 0 操作系统为平台， 开发出专用语音卡的底层驱动程序。并以 s o c k e t为网络数据 北京交通大学硕士学位论文 传输手段，完成了 应用程序中从接收数据，到语音数据混合， 再到与驱动程序通信，直至语音播放的全过程. 1 . 2 .2 本论文的创新之处在于: 1 . 把样点交织算法这个被国家专利部门认可的理论算法首 次用于实践，创建出可实现座谈式体制的新型共线电话/ 会议 系统。 并在机车共线电话及网络座谈式会议系统中， 分别以硬 件及软件方式实现了该算法， 证明了该算法的可行性， 实用性 及灵活性 2 . 在机车共线电话系统的实现过程中， 创建了一种在异步通信系 统中实现时钟同步的新方法， 在实际应用中获得了良 好效果， 也为实现无中心的共线电话侩议体制创造了条件。 3 . 在网络座谈式会议系统中，把样点交织算法与硬件技术相结 合， 为实现用户随机加入与退出提供了一种控制机制， 对现有 会议系统是一种功能上的改进。 1 .2 .3论文结构安排如下 论文第一章是对论文课题重要性的概述， 指出 现有网络会议 系统的不足， 提出新型会议系统座谈式语音会议系统的构想。 论文第二章是对各种语声混合算法的分析和比较，着重介绍样点 交织算法。论文第三章详细讲述了样点交织算法现实可行性的证 明 一一机车共线电话系统的实现， 包括机车共线电话实现的原理， 样点交织算法的硬件实现方法以及最后所完成的功能等。论文第 四章是论文主体，详细讲述了座谈式多路语音会议系统的构建， 北京交通大学硕士学位论文 包括系统结构设计， 样点交织算法的软件实现， p c i 局部总线，专 用语音卡的硬件设计，wd m 驱动程序以及应用程序等一系列实 现座谈式会议的必要条件以及最终实现的结果。第五章指出所构 建的网络会议系统的不足之处及改进的方法和手段。 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于以太网的语声混合算法简介 目前， 应用较广的语声混合算法，主要有 “ 选大” 和 “ 线性 叠加”两大类。选大算法由于只能选出一路语音送给用户，无法 完成所有终端都能同时进行语音通话的功能，故不在我们的讨论 之列。下面简要介绍线性叠加算法和我们实验室自主开发的专利 算法样点交织算法。 2 . 1线性要加算法及其软件实现 2 . 1 . 1 线性叠加算法原理 话音是连续的，时间要求严格的媒体流，但它不象典型的视 频流在空间/ 时间域占有唯一位置， 图像元素的叠加没有意义。 人 耳可以感知同一时间的多个音频流， 这是线性叠加算法的合理性。 我们假设输入语声信号的幅值相互独立。通常认为语声信号 的幅值服从正态分布。以 u j 表示第l 路输入的模拟值，则有u ;- n ( 0 , 砰) 。 设 翁路 部 分 和 信 号 对 应 的 模 拟 值 为 u 。 则 有 呢 = 乙eq : u k 队: 被 选 中 的 输 入 话 路 集 合 ) o 以 f ;和 f j : 表 示 u 和 玛 : 的 特征函 数， 则 有 f e = f l . . , f , 。 容易求得 f , = ! e 一z ， 从而， 北京交通大学硕士学位论文 凡 : = 告 2 一 f x.n0 xw 3 。 由 f j : 可知 i 7ii - n ( 0 ,艺a , xk ) k . 日 夕 这表明线性叠加使得部分和信号s . 1 , ， s u n 的动态范围有 较大幅度的增大。上述推导过程，同样也可以证明，经过混合过 程，噪声信号的动态范围也有较大幅度的增加。在各录输入信号 的信噪比 相同的情况下，噪声信号的动态范围与语声信号的动态 范围有相同的增加幅度。 信号的动态范围过大，就有可能产生溢出，造成信号失真， 严重影响语音质量。关于信号幅度溢出的控制，马金明硕士在毕 业论文中做了详尽的阐述，这里不再赘述。 另一种混合的 简便方法是把n路信号在混合前就缩小n倍， 再进行线性叠加。 这样虽不至产生溢出， 但随着n的增大， 声音 幅度被降的很小。这会带来两个问题，一是当某一路信号能量很 小时，这一路信号的能量会被大信号所抑制， 这样在实际中听不 到小信号的声音。还有就是每一路信号在混合前信号和噪声幅度 被同时缩小了n倍， 混合后信号幅度没有变化， 而噪声又恢复到 原来的能量， 造成信噪比的降低， n越大，信噪比 越低，最终达 到人耳无法忍受的程度。 笔者用w a v e 文件做了仿真实验， 得到 了预期的结果。 2 . 1 . 2线性叠加算法的仿真 w a v e文件， 是由mic r o s o f 下公司开发的一种wa v声音文 件格式，是如今电脑上最为常见的声音文件， 用于保存wi n d o ws 北京交通大学硕士学 位论文 平台的音频信息资源，被 wi n d o ws平台机器应用程序所广泛支 持， wa v e格式支持 m s a d p c m , c c i p t a t a w, c c i p t - l a w 和 其他压缩算法，支持多种音频位数，采样频率和声道，但其缺点是 文件体积较大，所以不适合长时间纪录。笔者录制了带有背景噪声 的几段语音，缩小n倍后把它们叠加在一起，四路混合后背景噪声 己经把语音淹没。当然具体混合的路数与每一路的信噪比都有关。 但这己经足够说明了线性叠加算法用在座谈式会议系统上是不合适 的。若要完成座谈式会议系统的功能，必须另寻其他算法。 2 . 2 样点交织算法及其实现 样点交织算法从根本上克服了 线性叠加算法的缺点，具有实 现 简单， 原理明析，实际应用效果好等诸多 优点。笔者在实际工程中 应用了这种算法并取得了预期的效果，证明了样点交织算法的正确 性和可实现性。笔者正是在这种算法广阔的应用前景启发一 ，设计 并实现了座谈式会议系统的模型。 2 . 2 . 1样点交织算法概述 下图为样点交织算法的一个典型的应用方框图。其中左边的 小虚线方框为各个远端终端的上行话路部分，其功能是将当地的 语声 信号又( i tii - n ) 完 成模数 ( a / d ) 转换后， 通过通信网 络 传输出去。 右边用虚线框起来的部分为本地终端的下行话路部分， 即应用于各个多媒体通信终端的， 基于样点交织的语声混合电路。 该语声棍合电路主要由 样点交织、 数模转换( d / a ) 和低通滤波三 个部分组成。由于电 路本身具有数模转换功能，来自 其他终端的 北京交通大学硕士学位论文 图3 . 1 样点 交 织算 法溯呈 图 数字化语声信息，在实现混合的同时，完成数模转换。 如图3 . 1 所 示， 在各 个 发 送端， 模 拟话 音 信 号仅( 1 i n ) , 以 取样频率f 。 ( 通常为8 0 0 0 h z ) 完成模数 ( a / d ) 转换，得到数 字 信 号又 ， 经 过 各 种 通 信网 络向 接 收 端 发 送。 在 接 收 端， 假 设 各 个发 送 端发 送来的 语 声 码 流s ; c 1 1 n ) 一 共 有n路， 我 们 将 每一帧分为 n个时隙，将数模 c d / a )转换的帧频率 f 。 提高到 f = n - f 。在进行数模转换时，每一个固定的时隙插入一路固定的 语 声 码 流( 样 点 交 织 ) ， 形 成 一 路 新 的 码 流 s l 。 对 码 流 s f ， 以 f = n - f : 的帧频率进行数模转换，就相当于对每一路语声码流以f 的帧频率进行解码。这样就完成了样点织的过程。 图3 .2以8 0 0 0 h z 取样频率为例， 给出了 样点交织实现的码 流示意图。 具体 做法 就 是 将 来自 其 他 n 个 发 送 端的 语 声 码 流凤( 1 i n ) ，按照固定的顺序在缓冲区里排列成一个队列s # 。以 北京交通大学硕士学位论文 f d = n f b y t e / s 的 速率从缓冲区中 按顺序取出 各个样点 进行数 模转 51 ( ， 1 /f。 s 【 。 1 /f : 门工 万e 西一飞 n 一 l n 2- n 一1 2- n 图3 . 2 样 点 交 织 示 意 图 换，即可将样点交织的过程与数模转换结合在一起，同时实现。 只 不 过， 除了 在队 列几中 排 在0 , n , 2 n , ， j - n ( j 为 正 整 数) 等 位 置 上 的 一 路 语声 s o 没 有 延 迟 外， 其 他 各 路 语 声 都 会 引 入 一 个 延 迟 。 设 反 为 队 列 亏 : 中 排 列 在i , i + n , ， i + j - n 等 位 置 上 的 一 路 语声 码流， 则 混合 后， 该路 语声引 入的 延 迟为i l 凡。 由 于i/ 凡 小于1/ f . = 1 2 5 u s ，人的听觉器官根本无法发现，可以 不予考虑。、 2 .2 . 2 样点交织算法原理 由前面的叙述可知，s ， 的第n 个样值 s ( ) - n - o s r(r) s (n ,) 一 s 。 ) . z - o s ( ， ) ， ( 1 i n , : 二 11 f ， s (n =) 为单位冲激函数) 。 s , ( ) ，. 反 ， 。 ) 经 过 样 点 交 织， 得 到 序 列 北京交通大学硕士学位论文 爪 伽 )= 艺 ， 艺 几 。 5 (f 一 。 丁 外r . 。 ) ( 丁 = r i n， 1 一 m f n ， 运 算符 .表示取整数部分，1 n l -+ i i 较 ha p o r t 0月 。灯 f r o m团 1 拍 o r0 叮八以 t a o一 盯 f r o m p c u4i n s t r n 俪 p o r t 2p 2 .a 一 p i t o r m a 1 5 f r o m o r i丫朋 a 1 5 f r o m p c h 图 3 . 5 实际应用中， e p l d中的两个模块作为c p u的两个外部器件， 分别需要一个地址， 只需用p 2 口 的两个端口 就可实现。 e p l d中 定义这两根地址线为c h i p s l n , c h ip s 2 n . ， 从而忽略了p o 口 上的 地 址。实际数据交换过程中以w r n ( r d n ) 信号的边缘为界， 判定读取 数据的时间，使时序逻辑关系的实现大为简化。以状态机实现的 从c p u读数据的状态转换关系如图3 . 6 示: 北京交通大学硕士学位论文 w r n 与c h i p s l n ( c h i p s 2 n ) 不 同时有效 与 c h i p s 2 n 同时有效 ， r n 有效 图 3 .6 向c p u传输数据的过程与上图 类似，只是要由c p u接口 模 块先通过班) 端口告知c p u有数据要传送，然后c p u发起数据 传输过程。各种信号的定义，状态机的定义及转换关系的实现也 由a h d l 语言实现。接口 逻辑时序的仿真结果如图3 .7 . 图中d a t a o u t 是收发模块的寄存器，l c r o s s , 2 c r o s s 是混合模 块的两路语音寄存器， d o e 是收发模块的状态机， m c r o s s 是混合 模块的状态机，以从 c p u读数据为例: 北京交通大学硕士学位论文 6 1 u s 1 2 .2 u s 1 8 .3 u s2 4 .4 u s 3 0 .5 u s 3 6 .6 u s 奋c h ip sl n 0 - c hip s2 n 企 w rn 砰d a la in vl .0 毋i c ro s sf . 0 ) 分2 c ro s s v .0 l 砂d ala ou l民 囚 砂d o c 砂m c ro s s ii 1 1 3ii i e c i ii 0 0 !o l d l i c l 1 c 2 1 c 3 图 3 . 7 3 .3 .3 数据收发模块 由于单片机串行通信接口收发速率不能达到理想要求，笔者 在e p l d中构建了数据收发模块，用来提高数据接入终端的串行 数据收发速率。 数据收发模块用来把从c p u收到的数据以 通用串 行异步通信的标准，1 mb / s的速率发送到总线上去，并随时从总 线上接收数据。按通用异步串行通信收发格式的要求，发送数据 以帧为单位，每帧以一个低电平为起始位，后面接 8位数据位 ( l s b在先) ，无奇偶较验，最后以一位高电平为结束位。每帧 i o b i t 数据。而在接收端，为提高抗干扰性，以总线上出现低电 平为 起始定时 时刻， 把每一个b i t 的时间 ( l u s ) 1 6 等分， 在第7 , 8 , 9等分处分别取样，择大为准。若起始位及停止位接收有误，则 整个一帧全部丢弃，等待下一帧数据。由于特殊的格式及判定准 北京交通大学硕士学位论文 则要求， 收发模块的实现具有一定的复杂性。在发送部分，只需 在 1 m b / s发送时钟的控制下，把寄存器 d a t a o u t中的数据按 l s b -ms b的顺序， 加上起始位与停止位发送到总线上即可。而 在接受部分， 却涉及到复杂的定时， 同步及判定准则实现的问题。 笔者在此定义了许多状态转换关系及各种起指示作用的结点，粗 略的定时功能框图及状态转换关系大致如图3 . 8 所示: 图3 . 8 只是大略的状态转换图，在m r c o u 计数器为1 和为1 0 的时刻内，为了实现功能要求，笔者定义了许多结点与状态机， 具体实现过程不便以 文字一一细说， 模块的仿真结果如图3 .9 . 图3 .9 中i n 为串行数据输入端， a c c o u n t 为最终的数据接收寄 存器， n i r c o u 为1 m计数器， wc o u 为1 6 分频计数器， v r c o u 为电 平状态计数器。虚线框内的时序关系放大如图3 . 1 0 所示 北京交通大学硕士 学位论文 停 止位 有 效 北京交通大学硕士学位论文 争 !n 留u w e 醉m rc lp 川 砂re d r 0 w c ou p -0 1 毋x c o u(1 _0 l 矽n 1c 砂m o n 醛a csmp 班 图 3 . 9 图31 0 对于数据发送部分， 则以收到c p u 数据为起始时刻， 在1 m b l s 发送脉冲控制下， 连续发送起始 位， 数 据位( l s b -m s b ) ， 停止 位 北京交通火学硕士学位论文 即可，逻辑关系较简单，仿真结果如图3 . 1 1 : 图3 . 1 1 图中。 l l t 为串 行数据发送端， s e $ d c o u n t 为发 送数据计数器。 3 . 4时隙分配及定时控制 机车共线电 话采用共线模式，所有终端都挂在一对共用的总 线上，同时m a x 1 4 8 7 是半双工方式，为避免冲突，必须以一定 的方式错开各个终端的发送数据时间。 在这方面，传统而可靠的 方式是令牌方式。 但在本系统中，由 于采用高 速 p c m编码， 一 个终端的发送数据间隔只有 1 2 5 u s ， 也就是说在总线上必须在每 个1 2 5 u s 周 期内， 完 成 三 个 终 端 ( 3 fl b it 数 据 ) 的 数 据交 互 过 程。 如 果4算上定时同步信息， c p u与数据收发模块的 数据交换时间， 时间资源就成了非常宝贵的资源。而令牌的发送会占 用更多的时 间， 所以 在这个系统中采用令牌方式是行不通的。 笔者经过考虑， 决定放弃令牌方式， 采用时分复用，为每个终端规定固定的发送 时隙来避免冲突， 在实际应用中取得了良 好的效果。图1 1 2 为三 北京交通大学硕士学位论文 个终端的发送数据时隙分配关系: 5 4 m 6 4 u s us机机 0主从 从机2 9 4 u s 1 0 4 a s 图3 . 1 2 如图3 . 1 2 示， 三个终端共占用三个发送时隙， 每个时隙1 4 u s , 除了 在本机发送时刻本地终端处于发送状态外， 其余时刻本地终 端均处在接收状态，这样就避免了总线上的数据冲突。在每个 1 2 5 u s周期的起始时刻，主机发送定时同步码，从机 1 和从机 2 收到同步码后，要完成两个动作。一是e p l d中的时钟模块复位 本地时钟计数器，避免因各个终端上晶 振频率的微小差异造成时 钟偏差的积累，这种积累会最终导致各个终端时钟不同步。二是 终端 上的c p u ( 单片 机 ) 收到 同 步 码 之 后， 要 立即 启 动内 部定 时 器 来确定本地终端的发送时 刻。 把定时器放在c p u中， 能有效地减 少e p l d中资源占用，更合理的分配系统资源。 北京交通大学硕士学位论文 3 . 5关于同步时钟的考虑 由上文可知，各个终端接收和发送数据均是采用通用串行异 步收发模式， 即收发数据的 格式是: 每帧数据1 0 b i t , 1 位起始位， 8 位数据位， 1 位停止位， 各个终端在发现接收出现低电平起始位 后开始接收数据，这种方式本来是不需要总线上的同步时钟的。 但是， 由于采用时分复用， 各个终端的发送时刻又必需严格定时。 而且， 各个终端板上的晶 振尽管标定频率相同， 但其实际的 振荡 频率必然存在微小差异，若没有统一的同步时钟信息，这种微小 的差异会逐渐积，造成各个终端发送数据时刻的偏差，这种发送 数据时刻的偏差又会造成终端的 c p u在接收总线上的数据时刻 与接收本地语音数据时刻相冲突， 图3 . 1 3 为发生冲突时的示意图。 i ndsam sfr 图 3 - t 3 图 3 . 1 3中，s f r 与 i n d s a m分别为总线上有数据到来的 c p u 中断信号和本地。 o d e c ( 1 4 5 4 8 0 ) 有数据到来的c p u中断信号。 本 来 s f r 信号应在虚线位置所示时刻出现，但由于时刻的偏差它会 在每个1 2 5 u s 周期内 逐渐向in d s a m出 现时 刻靠近， 当它们重合时， 任何快速的c p u都无法同时响 应两个中断， 造成数据的丢失。 数 据丢失本系统内的影响 就是语音周期性的瞬间中断。 所以， 为了 消除这种情况，必须引入同步机制。 典型的同步方式是由发送方发送时钟脉冲，使发送和接收同 北京交通大学硕士学位论文 步， 如8 4 5 1 c p u 的串 行同 步 通 信 方式 。 8 1 。 但 在 本 系 统中 显 然是 不 合适的。为此。笔者采用了以异步方式接收同步码的方式进行同 步， 由主机在每个1 2 5 u s 周期的起始时刻发送同步码( 异步方式) ， 各个分机在收到同步码以 后复位本地时钟， 这样使各个终端的时 钟计数器完全一致。这种方式在本系统中发挥了 重要作用，被证 明是行之有效的。 3 . 6关于数字共线电话实际应用的设想 数字共线电话是一种低成本实用的通信系统， 应用上文的 通 信模式，不仅可以实现语音的互通，还可以 用于数据的传输，例 如构建如图3 . 1 4 所示的基于列车总线的数字共线通信系统。 专用电话 l r军皿1 目洲 擞据设各 一 罐兰沐 尾车 在传输过程中加入适当的控制信令机制，可完成多种功能， 如各种监控，报警信息的互通等等。信令的设置及交换机制的设 定较复杂，如车长开会的信令，普通人员通话的信令，数据传输 的包格式等。由于时间有限，我无法在这方面做进一步的探索. 但我所构建的共线会议模式和底层的时分复用的帧结构，已验证 出最基本数话同传的通信功能，为今后先进的列车总线电 话系统 的群呼、组呼和数据传输创造了条件。 这也是数字共线电话/ 会议 北京交通大学硕士学位论文 系统应用的前景之一。 3 . 7本章小结 在本章笔者详细介绍了机车共线电话核心硬件模块的设计及 实现方法。是第一次把样点交织算法用于实际的工程项目。实践 证明，样点交织算法在实践中是完全可行的，并具有实现简单， 原理明析，可靠性高的特点。 但是， 在机车共线电 话系统中，笔 者使用样点交织算法只完成了 两路语音的混合，这种算法的优越 性并没有完全发挥出来。笔者在完成这个项目 之后，在导师的启 发下，开始着手构建座谈式网络会议系统，期望能最大限度地发 挥样点交织算法的优点，实现对现有网络会议系统的一大突破。 此外，本章中采用的时分复用同步方式也是值得一提的事， 它采 用异步方式实现同步控制，吸收了异步通信与时分复用方式的共 同优点，简化了系统设计，不失为一个创新之处。至于对共线系 统的信令及发展前景的展望， 还有待于系统的进一步设计和完善。 北京交通大学硕士学位论文 第四章座谈式网络会议系统的设计及实现 由于在机车共线电话系统中成功地应用了 样点交织算法，笔 者受到了很大鼓舞。同时，笔者看到现有的网络会议产品在语音 通信方面还无法实现实时座谈式的语音会议功能，而样点交织算 法正适合于解决这一类问题，于是产生了构造新型的随机座谈式 网络会议系统的设想。在这个系统中语声混合部分采用样点交织 算法，希望能最大限度的发挥样点交织算法的优点，弥补现有网 络会议系统的不足，在网络语音会议系统中开拓出一片新天地。 4 . 1硬件设计的总体要求及设计特点 座谈式会议系统要连接多个终端，而目 前实验室最方便的媒 介就是网络。最常用的终端就是 p c机。如果语音编码方式采用 线性p c m制式， 1 6 b i t 单声道编码， 则每一路的速率为 1 2 8 k b i t / s . 若有 1 0 个终端参加会议，则需要1 2 8 0 k b i t/ s 。 现有的局域网是完 终 端 3 终 端 2 终 端 i 终端n 图4 . 1 网 络会议系统结构 北京交通大学硕士学位论文 全可以满足要求的。这样的网络会议系统结构可如图4 . 1所示。 图4 . 1 中所示的终端就是p c机， 由 于p c机本身已 具有强大 的数据处理能力和网络通信能力，样点交织算法可以在 p c机内 用软件来实现。硬件方面只要处理混合以后的语音流，并做好模 拟语音的输入输出就可以了。样点交织算法的一个明显特点是对 模拟语音信号采样速率与对数字语音流的解码速率是不同的。如 果模拟语音信号的采样率是 8 k h z ，解码速率则要随着终端数目 的增加而增至n * 8 k h z 。 这也是为了 不降低语音混合解码后的信 噪比 所付出的代价。 随着n的增大， 传统的声卡将无法满足要求 ( 解码上限 频率的限 制) 。 所以 笔者设 计了 新型p c i 声卡， 采用单 独的高频率 d / a转换器和普通 a / d转换器实现对多路混合的要 求。 终端的功能框图可如下图4 .2 示: kl 按u 图4 .2终端功能框图 如图4 . 2示，硬件部分的关键器件是语音卡，完成模拟语音 的输入输出与a i d , d / a变换。初看上去，这块语音卡与常用的 语音卡似乎没什么区别。但应注意到，这块的语音卡的解码频率 是n * 1 2 8 k b / s ( n * 8 k s p s ) , n是语声混合的 路数， 这是 用样点 交 织算法混合后的数字码流所必须的解码速率。随着路数的增加， 要求解码频率越来越快 ，普通标准声卡解码速率最快约为 北京交通大学硕士学位论文 4 4 k s p s ， 当n大 于5 时 就 无 法 满 足系 统 要 求， 另 外d a 之后 还 要 有专用的低通滤波器去除插值后引入的高频信号。所以必须使用 专用的语音卡，达到系统设计的功能要求。 下面笔者就对这个网络会议系统各个部分做详细的介绍。 4 . 1 . 1 p c i 总线接口 l . p c i 总线接口特点: 总线是解决信息传送问题的工具， 微机系统性能与总线性能是 密切相关的。因此，微机性能的提高必然要求总线性能的提高。 影响总线发展的因素很多， 其中商业利益是个很重要的因素， p c i 总线的特点有二: 1 )高速和大吞吐量: i b m i s a总线最大传输速率为8 m b / s , e i s a 总线为3 3 mb / s ，在笔者的座式会议系统中，若采用p c m, 单声道， 1 o b i t 线性编码， 每一路为1 2 8 k b / s ， 如果要采用双 声道， 再算上a / d变换及控制信令的开销， 十几个终端己 快 要达到了i s a总线的数据传输速率上限。 面p c i 总线的传输 速率为1 3 3 m b / s ， 基本上可以 满足座谈式会议的要求。 2 ) 较低的系统成本。 用大量面向p c i 总线的处理芯片构造设计的 系统机，工作站，外围设备及板卡性能十分优越，处理能力， 智能控制水平，传输速度都很高。 这些性能的实现，若不采用 面向p c i 的芯片设计，将使成本提高很多，因此，p c i 总线一 经推出，就得到了 广泛的应用。 北京交通大学硕士学位论文 2 .p c i 总线接口规范 p c i 总线是一种高性能，3 2 位或6 4 位地址擞据线复用的 总线，其用途是在高度集成的外设控制器件， 扩展板和处理器之 间提供一种内部联接机制。目 前应用的主要版本大多为2 .0 版。 2 .0版包括 p c t 局部总线部件和扩展板的协议，电气，机械和配 置规范。 其中电气规范适用于5 .0 v和 3 .3 v信号环境。 为了管理 数据和寻址，接口 控制，仲裁以及系统运行，p c i 接日对单个目 标设备需要至少4 7 个引脚， 对主控设备最少需要4 9 个引脚 ， 图 4 .3 给出的是按功能组划分的引脚， 标注的引脚为所需引 脚， 可选 引脚因与本系统关系不大，故未标注。图中的信号方向 是对主控 设备/ 目 标设备的组合而言的。 为简化起见， 本文采用了如下引脚， 其他引脚均不使用或置为高阻态 c i ) 由系统提供的 3 3 mh z的同步时钟信号 c l k和复位信号 r s t # # 表示低电 平有效) ; ( 2 )关于 数 据 传输 的 核 心 信y : 3 2 位 地 址 / 数 据复 用 线a d 3 1 :0 , 总 线 命 令 序节 使能 复 用线c t b e 3 :0 1 # 和 偶 校验