（机械设计及理论专业论文）usb网络电话的设计及语音质量的研究.pdf

u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京鲣电盍堂亟堂鱼迨皇 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究 摘要 u s b 网络电话是一种基于u s b 接口的数字电话，属于i p 电话的范畴。 它使用通用串行接口作为i p 电话与计算机的通讯接口，是一种新型的电 话。因此，对u s b 网络电话进行优化设计并且对语音质量进行测试及分 析具有重要的价值。本论文就以下几个方面进行了研究。 基于对u s b 网络电话通讯关键技术的研究，论文对回声消除、语音 活动检测及抖动消除等技术进行了分析，并将它们应用到u s b 网络电话 的设计之中。测试表明经过改进和优化实现的u s b 网络电话的语音质量 得到了较大的改善。 论文根据设备与驱动程序的层次结构，研究了语音信息在u s b 网络 电话与主机之间通信的机制。在此基础上，实现了基于w i n d o w s 驱动程 序模型的设备驱动程序，使u s b 网络电话与计算机进行有效的通信。 论文研究分析了通讯终端及网络环境对语音质量的影响因素，而且 在实际网络中，对u s b 网络电话的语音质量进行了测试。通过对丢包的 测试以及对r t p 的研究，提出了利用r t c p 提供的网络o o s 性能监测手段 来分析当前网络的q o s ，从而决定接纳或拒绝新的呼叫。此外，论文就语 音连续播放问题作深入的量化分析，得出了网关的缓冲区数和预取的语 音包等参数计算方法并建立了计算模型。基于此模型，论文对网关中缓 冲区的数量进行了定量的实例分析，并且通过测试验证了计算结果的正 确性。 关键词：u s b 网络电话驱动程序模型语音质量丢包率 d e s i g n o fu s bn e t w o r kp h o n ea n ds t u d yo f s p e e c hq u a l i t y a b s t r a c t u s bn e t w o r kp h o n ei sak i n do fd i g i t a lp h o n eb a s e do nu s b ，w h i c h b e l o n g st oi pp h o n e i tu s e s l s ba st h ei n t e r f a c eb e t w e e ni pp h o n ea n dc o m p u t e r , w h i c hi san e ws o r to f p h o n e t h e r e f o r e i ti s g r e a t w o r t h yo f o p t i m i z i n g t h e u s b n e t w o r k p h o n e a n d t e s t i n gs p e e c h q u a i i t yo f t h e p h o n e q u a l i t y t h i s p a p e r r e s e a r c h e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w b a s e do ns m d y m g k e yt e c h n o l o g yo f c o m m u n i c a t i o no f u s b n e t w o r k p h o n e ，t h i sp a p e ra n a l y z e s e c h oe l i m i n a t e ，v a da n dj i t t e re l i m i n a t et e c h n o l o g yw h i c hi su t i l i z e di nt h ed e s i g no fn e t w o r kp h o n e s p e e c hq u a l i t yo ft h ea m e l i o r a t e da n do p t i m i z e du s bn e t w o r kt e l e p h o n eh a sb e e ng r e a ti m p r o v e d t h r o u g h t e s t t h ep a p e rr e s e a r c h e st h es p e e c hi n f o r m a t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nu s b n e t w o r kp h o n ea n d c o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo f d e v i c ea n dd r i v e rp r o g r a m b a s e do nt h a t w ea c c o m p l i s ht h ed e v i c ed r i v e r p r o g r a ma c c o r d i n gw d m a n di tm a k e su s bn e t w o r kp h o n e t e l e c o m m u n i c a t et oc o m p m e r e f f e c t i v e l y t h ep a p e ra n a l y z e sf a c t o r so fs p e e c hq u a l i t yi n f l u e n c e d b yt e l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l a n d n e t w o r ke n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，i tt e s t ss p e e c hq u a l i t yo fu s b n e t w o r kp h o n eo nt h ec o n d i t i o no f f a c t u a ln e t w o r k a f t e rt e s t i n gl o s sp a c k e ta n d s t u d y i n gr t pp r o t o c o l ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam e t h o d d e c i d i n gw h e t h e ra d m i tn e wc a l lo rn o t , w h i c ha n a l y z e dq o so fc u r r e n tn e t w o r kb yu t i l i z i n gq o s p e r f o r m a n c em e a n so fr t c p i na d d i t i o n , t h i sp a p e rg e t st h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h en u m b e ro f b u f f e r , p r e t r e a t m e n ts p e e c hp a c k e ta n d 咖m o r e o v e r , i tb u i l d sac o m p u t a t i o n a lm o d e lb yg o i n gd e e p i n t oa n a l y z i n gt h ep r o b l e mo f s p e e c hs e q u e n t i a lp l a y b a s e do nt h em o d e li tc o m p u t e sa n da n a l y s e st h e n u m b e ro f b u f f e r o f g a t e w a yb ye x a m p l e s a n dv a l i d a t e st h em o d e l b ye x p e r i m e n t a t i o na n d t e s t k e yw o r d s ：u s bn e t w o r kp h o n ev a d w d ms p e e c h q u a l i t y m o s h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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本研究所傲的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：叠；翻丝 日期： 本人承担一切相关责任。 z0 0v 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：! ：竺! ：! 日期：a 笪理：垒：望 女塑旦鳖皇适丝丝盐垦重童堕量堕堑塞 i ! 室塑皇盔堂塑主堂堡堡兰 1 1 发展状况及趋势 第一章引言 1 9 9 5 年，微软公司推出了网络会议软件( n e t m e e t i n g ) ，同时v o c a l t e c 公司也推 出了网络电话软件( i n t e r n e t - p h o n e ) 。安装这些软件后，只需要给电脑配上音箱和麦 克风并连上网，就可以通过网络进行交谈，i p 电话就此诞生“1 。 初期的i p 电话软件虽然以其免费、方便、新颖的优势得到应用，但是在使用中 出现很多问题；语音质量相当差而且时间延迟比较严重；以及无法进行双工对话等。 直到1 9 9 7 年5 月，i p 电话的h 3 2 3 标准开始得到应用，这成为i p 电话发展的里程 碑。随后，各大厂商如c i s c o 、c l a r e n t 、3 c o m 、v o c a l t e c 、a t & t 、a p l i o 和i n f o t a l k 公司开始统入到i p 电话设备的生产当中。中国是亚太地区i p 电话发展最快的国家之 一，同时也是全世界未来i p 电话市场最主要的增长点“1 。 下一代网络必然是以现有计算机互联网为基础，融合各种传统电信网络，提供在 内共和业务的综合网络。现有的电信业务业必然要以此网络为支撑，语音分组交换技 术成为必然的选择。 传统的基于t d m 电路交换技术的p s t n ，虽然可以提供6 4 k b s 的业务，但业务和 控制都是由交换机来完成。这种技术虽然能够保证优良的语音品质，但在通信的过程 中，所分配的电路资源被通信的双方独占，电路的利用率很低。经测试，就是在人们 不断地讲话时，电路的利用率也只有3 0 左右。其次，整个网络的构造没有的构造并 没有考虑到多媒体的通信要求，对新业务的提供需要较长的周期，面对日益竞争的市 场显得力不从心。国内的电信运营商只是在现有的p s t n 上提供了一些简单的窄带智 能网的业务，对这些传统的电信运营商来说，将网络改造可以支撑多业务的网络，是 迫切的需求。 随着数据网的迅速发展，除了在其上传输数据业务外，也开始尝试传输语音等传 统p s t n 业务，特别是h 3 2 3 协议的推出，是的i p 电话业务开始从使用走入正式运营。 与传统电话相比，分组网传送语音具有成本低、网络利用率高等优势。采用分组交换 技术取代传统的电路交换，形成可以提供语音、数据、视频综合业务的新一代电信网 络已经得到众多电信运营商的青睐，建设下一代网络成为新的发展趋势。 但是，目前i p 电话网络并未达到电信级的要求，而且存在一系列的问题。i p 电 第1 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究 北京邮电大学硕士学位论文 话目前要解决的主要问题： 1 服务质量( q o s ) 问题 服务质量是目前i p 电话技术中存在的主要问题，它直接制约了i p 电话用户群的 扩展。可以说，到目前为止该问题仍未得到彻底解决。 由于i p 电话是在i n t e r n e t 基础上发展起来的一种语音传输方案，匿此它是一种 面系那个无连接的应用，其数据传输遵循一种“尽力而为”的原则。i p 语音报从远 端发出后，其所经路径并没有确定，时延无法保证，丢包也不可预料。网络时延河时 延抖动随着网络状况的好坏而变化，具有不可预测性和不确定性。同时，任何个传 输系统必将收到带宽的限制，网络传输业不例外，如果网络丢包数量达到某一极限， 也将引起语音质量的下降。 对于i p 电话而言，保证其q o s 即使保证语音传输的最低延迟几减少丢包率。i p 电话与传统电话一样，系统延迟门限为4 0 0 m s ，只有将端到端的延迟降低到4 0 0 m s 以 下，丢包率才能降低到5 以下，此时才能保证i p 电话具有与传统电话相当的语音质 量。 2 标准、互通性和可靠性问题 i p 电话的互通性包括业务互通和产品互通两个方面，它们是制约i p 电话发展的 另一个主要因素。 为了保证i p 电话网络具有点心急服务质量和可靠性，在建设电信给的i p 电话业 务及承载网络时，还需采用负载分担、路由备份等技术来保障网络的可靠性、可用性 及服务质量，同时还必须保证i p 网络的可管理性和可扩展形。 3 承载网络问题 i p 电话诞生于互联网，但至今投入商业运行的i p 电话骨干网没有一个时基于互 联网平台的。一方面，传统的互联网采用t c p i p 协议，i p 协议负责主机之间的数据 传输，不进行纠错处理，无法提供量化的语音业务。为了提供服务质量保证，需要在 传统的互联网中增加r s v p 协议，并采用网络流量控制、拥塞，使网络瘫痪。目前， 在所有的t c p 应用中都采用一种称为“慢启动”的技术来解决这一问题。但v o i p 语 音传输主要采用u d p 协议，这将有相当部分的互联网流量失去慢启动的限制，其影响 尚未可知。 4 安全问题 安全性和开放性是永远相矛盾的，只要是一个开放的系统，就没有绝对的安全可 言。所谓安全性考虑，就是寻求在某一开放的环境下最大的安全可能。i p 电话运行 在一个开放的网络环境下，这必然存在安全问题，诸如系统的管理权限、用户数据信 第2 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 息、计费信息的保密、非法入侵的记录和追查等。 i p 电话采用了分组交换技术，提高了传输系统资源的利用率，降低了对交换设 备的要求；其网管、计费系统简单，有利于降低运营成本；基于开放的计算机平台， 有利于新型业务的推出。因此，i p 电话技术可有效降低人们使用语音业务的费用， 刺激社会语音消费，有利于全面提高我国信息化水平，促进社会的发展。因此，i p 电话具有良好的发展前景。 许多现存技术还没有应用到用户终端设备，这使得大量存在于用户的个人计算机 和工作站上的i p 具有决定性的优势。i p 的这一“地位”使它成为处理语音业务的理 想平台。 u s b 网络电话正是利用p c 机来帮助人们完成电话呼叫。不久的将来，基于计算 机的网络电话就会变得很普遍，并成为现有电话系统的自然扩展。 三项关键技术的成熟将有力地推动信息技术革命。这就是： ( a ) 通信信道容量不断增加 ( b ) 计算机c p u 处理能力不断增强 ( c ) 具有人工智能的可重用即插即用软件代码技术的出现 整个世界正在经历一次从电路交换网向分组交换网( 即数据网) 的转变。目前， 随着应用软件的发展，这就要求w e b 服务器必须具有与用户进行数据、语音和视频图 像交互的能力，而这势必要求语音和数据业务相融合。 1 2 论文目的及意义 u s b 网络电话是一种基于u s b 接口的数字电话，属于i p 电话的范畴。它使用通 用串行接口作为i p 电话与计算机的通讯接口，弥补了传统i p 电话的不足。而语音质 量控制一直是v o i p 中的难题，因为影响语音质量的因素纷繁复杂。 从语音活动检测、回声消除及抖动消除等方面对u s b 网络电话进行优化设计并且 对其语音质量进行测试及对比，为进一步改进提供可靠的依据。论文对影响语音质量 的因素进行分析，指出对语音质量影响最大的因素。通过对丢包的测试以及对r t p 的研究，提出了利用r t c p 提供的网络q o s 性能监测手段来分析当前网络的q o s ，从 而决定接纳或拒绝新的呼叫。此外，论文就语音连续播放问题作深入的量化分析，得 出了网关的缓冲区数和预取的语音包等参数计算方法并建立了计算模型。基于此模型 论文对网关中缓冲区的数量进行了定量的实例分析，并且通过测试验证了计算结果的 正确性。这些工作为以后进一步从终端到网络设备改进语音质量提供了可靠的依据。 第3 页 ! 塑堕垫皇重塑堡生垄至童堕量盟堑塞 j ! 塞墼皇盔堂婴主堂焦望塞一 1 3 论文研究的主要内容 论文对u s b 网络电话进行了优化设计，加入了语音活动检测、回声消除和抖动消 除技术，有效的改善了语音质量。论文就语音质量进行了一系列的工作，影响语音质 量的关键因素分析，丢包对语音质量影响的测试分析，服务质量动态控制和网关中缓 冲区的定量分析与测试。通过试验测试分析，得出了相应的数据，定量的描述了通话 终端对语音质量以及网络环境对语音质量的影响。本论文研究的主要内容包括以下三 个方面： 1 u s b 网络电话的设计与实现 论文首先研究了设计u s b 网络电话的关键技术及相应的技术标准。并在此基础 上，通过对语音活动检测、回声消除和抖动消除技术的研究，在u s b 网络电话的设计 实现中用到了它们。测试表明经过改进和优化实现的u s b 网络电话的语音质量得到了 较大的改善。 2 驱动程序的研究与开发 其次，论文根据设备与驱动程序的层次结构，研究了信息如何在u s b 网络电话与 主机之间进行通信的机制，基于此实现了u s b 网络电话驱动程序，从而使计算机可以 识别u s b 网络电话，并对它传输过来的语音信号进行处理和发送。 3 语音质量的研究 论文研究分析了通讯终端及网络环境对语音质量的影响因素，而且在实际网络 中，对u s b 网络电话的语音质量进行了测试。通过对丢包的测试以及对r t p 的研究， 提出了利用r t c p 提供的网络o o s 性能监测手段来分析当前网络的q o s ，从而决定接 纳或拒绝新的呼叫。此外，论文就语音连续播放问题作深入的量化分析，得出了网关 的缓冲区数和预取的语音包等参数计算方法并建立了计算模型。基于此模型，论文对 网关中缓冲区的数量进行了定量的实例分析，并且通过测试验证了计算结果的正确 性。 第4 页 ! 塑旦竺皇堡丝堡生墨堕童垦墨塑笪窒 ! ! 室塑鱼奎兰堡主堂篁笙苎 第二章关键技术分析 u s b 网络电话通讯是基于h 3 2 3 协议，而课题研究的u s b 网络电话是h 3 2 3 体系 结构中的一部分，h 3 2 3 体系结构包括终端、m c u 、网闸和网关等部分。h 3 2 3 的概念 及体系结构，如图2 1 所示。 图2 - ih 3 2 3 的体系结构 u s b 网络电话属于图2 - 1 中的h 3 2 3 终端，其设计及实现涉及到的最关键的 技术是语音、按键的传输以及u s b 语音设备的传输层次结构。 2 1 u s b 网络电话的传输技术 1 概述 i n t e l 公司开发的通用串行总线架构( u s b ) 的目的主要基于以下三方面考虑： ( 1 ) 计算机与电话之间的连接；显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算 机基本的应用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。然而， 由于目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而u s b 则可以广泛的连接计算 第5 页 u s 8 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 机和电话。 ( 2 ) 易用性：众所周知，p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接口和 些软硬件机制的结合，加上新代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易于改 装。但以终端用户的眼光来看，p c 机的输入输出，如串行并行端口、键盘、鼠标、 操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，u s b 正是在这种情况下问世的。 ( 3 ) 端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一个双 向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备( 诸如电话电传调制解调 器的适配器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接只可对极少设备进行优化，对 于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要，u s b 就应运而 生a 它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可以满足p c 机发展 的现在和未来的需要。 2 设计目标 u s b 的工业标准是对p c 机现有的体系结构的扩充。u s b 的设计主要遵循以下几个 准则： 1 ) 易于扩充多个外围设备； 2 ) 价格低廉，且支持1 2 m 比特率的数据传输； 3 ) 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持： 4 ) 协议灵活，综合了同步和异步数据传输： 5 ) 兼容了不同设备的技术； 6 ) 综合了不同p c 机的结构和体系特点； 7 ) 提供一个标准接口，广泛接纳各种设备： 8 ) 赋予p c 机新的功能，使之可以接纳许多新设备。 3 使用的分类 表2 1 按照数据传输率( u s b i 1 可以达到) 进行了分类。可以看到，1 2 m 比特率可 以包括中速和低速的情况。总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互的 设备，u s b 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的。软件体系通 过对各种主机控制器提供支持以保证将来对u s b 的扩充。 表2 - 1 使用分类 性能应用 特性 低速 键盘、鼠标、游戏棒 低价格、热插拔、易用 交互设备性 1 0 - 2 0 k b s 第6 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 中速i s b n 、p b x 、p o t s低价格、易用性、动态 电话、音频、压缩插拔、限定带宽和延迟 视频 5 0 0 k b s 一1 0 m b s 高速音频、磁盘高带宽、限定延迟、易 音频、磁盘用性 2 5 - 5 0 0 m b s 2 i 1i i s b 的传输方式 数据和控制信号在主机和u s b 设备间的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的 数据传送是在主机软件和一个t j s b 设备的指定端口之间。这种主机软件和u s b 设备的 端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一个指定 的u s b 设备可有许多通道。例如，一个u s b 设备存在一个端口，可建立一个向其它 u s b 设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其它u s b 设备的端口接收数据的 通道。 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型： 1 ) 控制数据传送：在设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定设备进行控 制，如通道控制。 2 ) 批量数据传送：大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很广的动态 范围。 3 ) 中断数据的传送：用来描述或匹配人的感觉或对特征反应的回馈。 4 ) 同步数据的传送：由预先确定的传送延迟来填满预定的u s b 带宽。 2 1 2 语音传输模式 语音在u s b 环境下进行传输是采用u s b 的等时传输方式。在非u s b 的环境下，同 步传送意味着恒定速率、错误容忍( e r r o r t o l e r a n t ) 的传送。在u s b 环境下，要求同 步传送能提供以下几点： 1 ) 固定的延迟下，确保对u s b 带宽的访问 2 ) 只要数据能提供得上，就能保证通道上的恒定数据传送速度 3 ) 如果由于错误而造成传送失败，并不重传数据 当u s b 同步传送类型被用来支持同步的源和目的时，使用这个传送类型的软件并 第7 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 不要求是同步的。 1 同步传送的数据格式 对于同步传送的通道( 同步通道) ，u s b 并不对数据格式做要求。 2 同步传送的方向 同步通道是一种流通道，所以是单方向的。在对端点的描述中指明了与它相连的 通道的数据流方向。如果设备要同步的双向流的话，只好用两个同步通道，一个流进， 一个流出。 3 同步传送中包的大小的限制 同步通道的端点确定了数据区的最大长度，u s b 在设置端点期间，使用这一个信 息，看是否可在每帧内为最大长度的数据区留下足够的时间。如果可以，设置端点成 功；否则，不成功。 u s b 系统软件可为一个控制传送的通道调整最大数据区长度，但无法为同步通道 进行如此调整。在确定的u s b 设置下，同步通道要么被支持，要么不被支持。 u s b 限制了同步通道的最大数据区长度为1 0 2 3 字节，表2 - 2 列出了不同规格的 同步传送，以及一帧内可能的最大传送数。表中未包括管理开销的字节。 表2 2 同步传送格式 协议开销( 9 字节)i ( 2s y n cb y t e s ，2p i db y t e s ，2 e n d p o i n t + c r cb y t e s ，2 i c r cb y t e s ，a n dai b y t ei n t e rp a c k e td e l a y ) 数据净荷最大带宽f r a m e 带宽最大传送数剩余字节有用数据 区字节秒传送字节f r a m e 11 5 0 0 0 01 1 5 0o 1 5 0 22 7 2 0 0 01 1 3 642 7 2 44 6 0 0 0 01 1 1 5 54 6 0 87 0 4 0 0 01 8 84 7 0 4 1 69 6 0 0 0 02 6 0o9 6 0 3 21 1 5 2 0 0 03 3 62 4 1 1 5 2 6 41 2 8 0 0 0 05 2 04 01 2 8 0 1 2 81 2 8 0 0 0 09 1 01 3 0 1 2 8 0 2 5 61 2 8 0 0 0 01 8 51 7 5 1 2 8 0 5 1 21 0 2 4 0 0 03 5 2 4 5 81 0 2 4 第8 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 并不是每一次的数据区都要达到最大长度。数据区的长度由发送者( 客户软件或 应用软件) 决定，每次可以不同。u s b 可保证主机控制器看到的包有多长，在总线上 传的包就有多长。数据的实际长度由发送者决定，可以小于早先协商好的最大长度。 总线错误可以使接收者看到的长度比实际长度有了变化。但这些错误可被检测到。具 体地讲，或者通过数据上的c r c 码，或者让接收者预先知道实际应该的长度，以此进 行检测。 4 同步传送的总线方向限制 只有高速设备可以使用同步方式。 u s b 设备要求一个帧内不能有超过9 0 的时间用于周期性传送( 同步传送或中断 传送) 。 同步通道的端点描述自己的总线访问频率。所有的同步通道一般在一帧内传一个 包( 也就是说，i m s 一个包) 。但总线上的错误或者操作系统对客户软件调度上的延迟 会造成一个帧内一个包也没有的情况。此时，设备将一个错误指示信息作为状态信息 返回给客户软件。设备可以通过跟踪s o f ( 帧开始) 信号来测到此类错误。如果两个 s o f 信号间无数据包，则出错。 总线频率和帧定时限制了一个帧内的同步传送的上限，在任何u s b 系统内，最多 有1 5 0 个单字节的数据区。但由于实现上的原因，主机控制器可能无法支持到理论上 的最大传送数。 5 同步传送的数据顺序 同步传送不支持因总线错误而进行的重传。接收器可以判断是否发生了一个错 误，低级的u s b 协议不允许有握手信号给同步通道的发送者。一般情况下，是可以有 握手信号来通知发送者包是否被成功地接收。对于同步传送来说，定时比正确性和重 传更重要。考虑到总线的错误率较低，协议就认为传送一般均能成功。同步接收者可 以判断自己是否在一个帧内错过了一些数据，而且能知道丢失了多少数据。 因为没有用来指示引起中止的条件的握手信号，所以同步传送的端点从不中途停 止a 虽然，错误信息可作为i r p 的状态来报告，但同步通道不会因此停下。错误即使 被查到，主机仍继续处理下一帧的数据。因为同步传送的协议不支持每次事务都进行 握手，所以错误检测的功能可以相对弱一些。 在u s b 网络电话中语音的传输是采用u s b 传输模式中的等时传输模式，从表2 2 中可以看出数据静荷范围是l 一1 0 2 3 均可。但是，通过试验测得，u s b 网络电话的等 第9 页 1 r 网络由语的诲壬卜碍语音后骨的研窑j k 甫邮电大学硕士学付诊立 时传输最大包大小不能超过9 4 9 ，否则将不能正常通话。 2 1 3 按键传输模式 在u s b 环境下进行按键传输是采用u s b 的中断传输方式。中断传送是为这样一类 设备设计的，它们只传或收少量数据，而且并不经常进行传送，但它们有一个确定的 服务周期，对中断传送有以下要求： 1 ) 通道的最大服务期得到保证 2 ) 由于错误而引起的重发在下一服务期进行 1 中断传送的数据格式 u s b 对中断通道上的数据流格式无要求 2 中断传送的方向 中断通道是一种流通道，所以是单向的。端点描述信息指明了通道的数据流方向。 3 中断传送对包的长度的限制 中断通道的端点决定自己能接收和发送的最大数据区长度，高速设备允许最大不 超过6 4 字节( 或更少) 的数据区，而低速设备只允许不超过8 个( 或更少) 字的数据区， 这个数字不包括协议要求的附加信息。u s b 并不需求所有的包都到最大长度。如果长 度不到的话，不用加字节填充。 所有的主机控制器都要示支持高速设备的6 4 字节数据区和低速设备的8 字节( 或 更少) 的最大数据区，对超过最大值的数据区则不要求支持。 u s b 系统软件设置中断通道的最大数据区长度。在设备设置期间，这一信息将被 使用，只有此设置有效，这个数值是不会改变的。在设置有效期闻，u s b 系统软件根 据此数值来看分给这个通道的总线时间是否充分。如果充分，则通道建立，否则不建 立。与控制通道不同，u s b 系统不为中断通道调整总线时间。所以对给定的u s b 系统， 要么支持此通道，要么不支持。实际传送的数据区长度由发送器决定，可以小于最大 长度。 端点所发的数据区中的数据长度不能超过端点的w m a xp a c k e ts i z e 的值。而设 备可以通过中断传送来传比此值多的数据。客户软件可以通过中断传送的i r p 来接收 这批数据，这个中断传送要求多个总线处理事务来完成，且要求每个事务后都有i r p 完成的信号。可以设置一个缓冲区，它的长度为w m a xp a c k e ts i z e 的整数倍，再加 上一个零头。对需要的多个总线事务来说，除最后一个外，前面的事务都传递w m a x p a c k e ts i z e 长度的包，后一个传剩下的零头。这些总线处理事务都在为通道建立的 第1 0 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 服务周期内进行。 如果一个中断传送要传的数据不能放在一个数据区中，就分几个区，前几个区都 是最大长度，最后一个包含剩下的长度。当出现以下情况时，认为中断传送结束： 1 ) 已传的数据量恰好与期望的数据量同。 2 ) 传了一个有一个数据区的包，此包的长度小于w m a xp a c k e ts i z e 或传了一 个长度为零的包。 如果一个中断传送完成，那么主机控制器结束当前的i r p ，并开始下一个i r p 。 如果数据区的长度比预料的长，当前i r p 中止，并且只有等到出错条件被确认且清除 后，才能开始后面的i r p 。 4 中断传送对总线访问的限制 高速设备和低速设备均可使用中断传送。 u s b 要求不能有多于9 0 9 6 的帧时间用于阶段传送( 同步传送或中断传送) 。 总线频率和帧的定时限制了一帧内能传的最大中断传送数。对任一u s b 系统来 说，高速单字数据区少于1 0 8 个，低速单字节数据区少于1 4 个。由于实现上的原因， 主机控制器不一定能够支持此理论上的上限。 表2 3 列出了不同规格的高速中断传送的情况，以及一帧内可能的最大传送数。 表2 4 列的是对低速设备的相关情况。它们均不包括管理开销的字节。 袁2 3 高谏中断侍输 协议开销( 1 3 字 ( 3s y n cb y t e s ，3p i db y t e s ，2e n d p o i n t + c r cb y t e s ， 节)2c r cb y t e s ，a n da3b y t ei n t e rp a c k e td e l a y ) 数据净最大带宽f r a m e 带宽传最大传送数剩余字节 有用数据 荷区( 字节秒)送字节f r a m e 1 1 0 7 0 0 01 i 0 72 1 0 7 22 0 0 0 0 0 1 i 0 0 02 0 0 43 5 2 0 0 01 8 843 5 2 85 6 8 0 0 01 7 195 6 8 1 68 1 6 0 0 02 5 l2 l8 1 6 3 21 0 5 6 0 0 0 3 3 31 5 1 0 5 6 6 41 2 1 6 0 0 0 5 1 9 3 71 2 1 6 1 5 0 0 0 0 0 1 5 0 0 第l l 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 中断通道的端点可以指明它要求的总线访问周期。高速设备要求的时间周期可以 i m s 到2 5 5 m s ，而低速设备从l o m s 到2 5 5 m s 。在设置期间，u s b 系统软件根据它们的 要求来决定一个服务周期长度。u s b 提供的服务周期长度可能比设备要求的要短些， 但不会少于最短的l m s 。客户软件和设备只能够确定两次传送之间的时间长度不会比 要求的周期时间长。但如果传送中出现错误，那么周期时间必然要越界。当客户软件 有一个中断传送的i r p 时，端点只是被选中。如果总线轮到此中断传送使用时，没有 i r p 处于待发状态，则端点没有机会在此时间传数据，一旦一个i r p 出现了，它的数 据在下一个轮到它的时间时被发出。 轰2 4 低谏中断传输 协议开销( 1 3 字节)( 3s y n cb y t e s ，3p i db y l ：e s ，2e n d p o i n t + c r cb y t e s ， 2c r cb y t e s ，a n da3b y e i n t e rp a c k e td e l a y ) 数据净荷最大带宽数据净荷区最大带宽 数据净荷最大带宽( 字节 区( 字节秒) ( 字节秒)区秒) l 1 3 0 0 07 1 3 51 3 22 4 0 0 08 1 27 2 4 44 4 0 0 09 1 lo 4 4 86 4 0 0 01 1 8 1 96 4 m a x1 8 7 5 0 0 1 8 7 要在u s b 上进行中断传送，必须在每个周期对端口进行访问。主机无法知道何时 一个端口准备好了一个中断传送，除非它访问这个端点，并同时请求一个中断传送， 等待回答a 如果端口无数据需要中断传送，就对其请求回送一个n a k 信号。如果端口 传送数据的会有中断情况发生，一定要用中断传送，以防中断产生时，客户软件误以 为i r p 结束长度为0 的数据净负荷区的传送是合法的，而且对某些实现是很有用的。 5 中断传送的数据顺序 中断传送可以利用0 1 跳变位( t o g g l e 位) 的机制，当成功的进行了一个传送， 该位就跳变一次。 主机总是认为设备是遵守完备的握手协议和重发协议。但如果无论传送成功否， 设备都在d a t a l d a t a0 问跳变p i d ，就忽略主机发来的握手信号。但这时，客户软 件会丢失一些包。因为有错误发生时，主机控制器会把设备发的下一个包当作上个 包的重发。 一旦在中断通道上检测到一个引起中止的条件，或收到设备发来的s 眦l 握手信 第1 2 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 号，所有正等待的i r p 都会中止。由软件通过独立的控制通道来消除中止条件。清除 后，设备和主机都复位到d a t a0 的状态。如果总线上出现了一个影响传送的错误， 则中断处理事务会停止。 在u s b 网络电话中按键的传输是采用u s b 传输模式中的中断传输模式，我们中 断传输采用的低速中断传输。因此，从表2 - 4 中可以看出数据静荷范围是l 8 均可。 由于u s b 网络电话的按键基本上是数字何字母，所以u s b 网络电话的按键传输最大包 大为2 。 2 2 语音设备传输结构描述 u s b 网络电话属于音频设备，因此，它不但要遵循u s b 协议而且要遵循a u d i o 协 议。不同的设备有不同的描述符，用于操作系统识别不同的外设。 2 2 1 描述符的层次结构 描述符必须包括设备描述符、配置描述符、接口描述符以及端点描述符。而字符 串描述符、报告描述符、群组描述符则可以根据不同的设备加以添加或删减。 如图2 2 所示是必须包含的设备描述符的层次结构。 图2 - 2 描述符层次结构 第1 3 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 2 2 2u s b 电话描述符的层次结构 如图2 3 所示，图中的每一个描述符都应当按照标准格式描述设备的特性。其中， 描述符的格式详参a u d i c l 0 协议。 图2 - 3u s b 电话描述符层次结构 从图2 - 3 中可以开除u s b 本身通信有层次结构，而且还规定了基于u s b 接口的数 字电话的层次结构。在实现u s b 网络电话过程中，按照层次结构我们设置了u s b 网络 电话进行通信的一系列参数，部分描述符参附录i 。 第1 4 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 2 3 回声消除 随着消除回声技术的发展，当前回声消除研究的重点，己由“电气回声”的消除， 转向了“声学回声”的消除。声学回声指的是设备的部分声音信号回馈到同一设备 的受话器。典型的声学回声相对于在麦克风讲话的人来说，是一种大约1 0 至l j l 5 d b 以下 的寄生信号。这种级别的声学回声，如果它的延迟在2 9 m s 以下不会引起人的注意：而 在4 0 m s 时，线路另一端的人听对方的声音就会受到影响；延迟超过4 0 m s 时的情况会更 糟。声学回声可分为直接回声和间接回声。直接回声是指扬声器播放出来的声音未经 任何反射直接进入麦克风。这种回声的延迟最短，且与远端说话者的语音能量、扬声 器与话筒之间的距离、角度、扬声器的播放音量及话筒的拾取灵敏度等因素有关。间 接回声是指扬声器播放的声音经不同的路径一次或多次反射后进入麦克风所产生的 回声集合。另外，背景噪声也是产生回声的原因之一。在因特网的语音传输中，影响回 声的延迟来源有三种：压缩延迟、分组传输延迟和处理延迟。语音压缩延迟是产生回 声的主要延迟。分组传输延迟也是一个很重要的来源，测试表明端到端的最大传输延 迟可达2 5 0 m s 以上。处理延迟是指语音包的封装时延及缓冲时延等。在因特网的语音 传输过程中，由于回声路径、语音压缩时延和分组传输路由等存在诸多不确定因素， 延迟较大，且波动范围也较大，一般在2 0 5 0 m s 之间。 2 3 1 声学回声的消除方法及特点 ( 1 ) 周围环境的处理分析声学回声产生的机理可以知道，声学回声最简单的 控制方法是改善扬声器周围的环境，尽量减少扬声器播放声音的反射。这样既可以控 制反射，又不会令讲话者感到不适。改善环境可有效的抑制间接声学回声，但对直接 声学回声却无能为力。 ( 2 ) 回声抑制器回声抑制器是较早使用的一种回声控制方法，它出现在1 9 7 0 年。这种概念是在对方讲话时在其发送路径上引入一个很大损耗。回声抑制器是一种 非线性的回声消除，它通过简单的比较器将接收到的准备由扬声器播放的声音与当 前话筒拾取的声音电平进行比较。如果前者高于某个阈值，则允许其传送至扬声器， 且话筒被关闭，以阻止它拾取扬声器播放的声音而引起远端回声。如果话筒拾取的声 音电平高于某个阂值，则扬声器被禁止，以达到消除回声的目的。这种技术在低端免 提电话中被广泛使用，但在双方同时讲话时会抑制讲话者。影响回声消除的效果随着 高性能回声消除器的出现，回声抑制器己很少有人使用了。 第1 5 页 u s b 网络电话的设计及语音质量的研究北京邮电大学硕士学位论文 ( 3 ) 声学回声消除器声学回声消除的另一方法是使用声学回声消除器 ( a c o u s t i ce c h oc a n c e l l o r ，a e c ) ，a e c 是以扬声器信号与由它产生的多路径回声的 相关性为基础，建立远端信号的语音模型。利用它对回声进行估计，并不断的修改滤 波器的系数，使估计值更加逼近真实的回声。然后。将回声估计值从话筒的输入信号 中减去，从而达到消除回声的目的。a e c 还将话筒的输入与扬声器过去的值相比较， 从而消除延迟的多次反射的声学回声。根据存储器存放的过去的扬声器的输出值，a e c 可以消除各种延迟的回声。 2 3 2 声学回声消除墨的基本结构 图2 4 显示了单向传输的声学回声消除器的结构原理。 近端信号 ”0 ) = x 0 ) + r 0 ) 一，1 g ) 图2 - 4 声学回声消除器的原理 在图2 4 中，y ( 帕代表远端语音信号，r ( 万) 代表回声，x ( n ) 是近端语音信号，d 端的 近端