（通信与信息系统专业论文）音频探生仪数据传输与存放系统的设计与研究.pdf

摘要 音频探生仪数据传输与存放系统的设计与研究 作者简介：李培栋，男，1 9 8 5 年1 2 月生，师从成都理工大学郭勇教授，2 0 1 1 年0 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业，获得工学硕士学位。 摘要 我国处于环太平洋地震带和地中海一喜马拉雅地震带的交汇部分，加上太平 洋板块、菲律宾板块向西北方向的俯冲和印度洋板块向北的推挤，导致我国地震 活动频繁和强烈，并且地震灾害给我国带来的破坏十分严重。总体来说，我国地 震活动的特点是频度高、强度大、分布广、震源浅、成灾率高。 目前，我国的城市化进程发展的越来越快，人口向大城市聚集，城市中的建 筑物密度越来越大，高层、生命线设施日益繁多，城乡地震灾害的潜在危险与日 俱增，一旦发生中强度破坏性地震，将造成国家和人民生命财产的巨大损失，并 由此可能引起社会经济混乱。因此，最大限度地减轻灾害的损失是防震减灾工作 的首要任务。但是我国在地震搜救技术和装备的研制和生产方面还比较落后，许 多救援设备在实际的救援过程中效果不佳。因此在目前设备的基础上，发现救援 设备的不足，对救援设备的效能进行提升是十分必要的。 本课题的研究是在对“微型音频探生系统 ( 项目编号：来源于2 0 0 7 年科 技部公益性行业科研专项经费项目“地震应急救援设备和装备的需求及关键参数 研究”，项目编号：2 0 0 7 0 7 0 8 0 5 2 - 0 3 ) 的科研样机充分了解与测试的基础上进行 的。在对科研样机的多次测试的基础上，本课题提出了音频探生仪数据传输与存 放系统的设计方案。本课题的总体目标是改进原有的无线传输覆盖范围，使用高 集成度的无线射频芯片，从而可以大大增加救援设备的可搜索范围；利用a m b e 算法将大量的音频信息进行压缩编码，在软件方面配合使用文件系统，从而将实 现对现场采集的多通道音频信息的存储与回放，救援人员可以对各个通道采集的 信息进行反复播放与分析，提高救援的效率。 本系统由探钡u j j , 球和接收终端两部分组成。探测小球主要由射频模块、音频 模块、主控模块、电源模块等部分组成。其中音频模块主要负责对音频数据的采 集，完成对音频数据的a d 和d a 转换，利用a m b e 算法进行压缩编码与解压缩 解码，完成音频数据的重建以及输出；主控模块负责所有设备控制、任务调度、 通信协议控制；射频模块完成音频数据的传输和接收，完成对所接收音频数据的 校验；电源模块主要完成电压转换，对系统各个模块供电。在探测小球的基础上 加上存储模块和人机接口就构成了接收终端，接收终端负责各个探测小球的频道 摘要 选择以及监听，对数据进行存储与回放。 本设计主要对救灾设备的发展现状进行了了解，对语音压缩算法进行了学 习，并完成了系统各个模块的设计与研究，绘n t 功能实验板，完成了系统的软 件调试，基本实现了预期功能。 关键词：生命探测语音压缩a m b e 算法s i 4 4 3 2a m b e i 0 0 0 a b s t r a c t d e s i g na n ds t u d y o fd a t at r a n s m i s s i o na n ds t o r a g es y s t e mo f a u d i ol i f ed e t e c t o r i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：l ip e i d o n g ，m a l e ，w a sb o r ni nd e c e m b e r , 1 9 8 5w h o s et u t o rw a s p r o f e s s o rg u oy o n g h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e mm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 1 1 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sl o o t e da tt h ei u n c t i o no ft h ec i r c u r n p a c i f i cs e i s m i cb e l ta n dt h e m e d i t e r r a n e a n h i m a l a y a ns e i s m i cb e l t ，a n du n d e rt h ee f f e c to ft h en o r t h w e s t s u b d u c t i n go fp a c i f i cp l a t ea n dp h i l i p p i n ep l a t ea n dt h ep u g l l i n go f i n d i a no c e a np l a t e , e a r t h q u a k e sh a p p e nf r e q u e n t l ya n dv i o l e n t l ya n dc a u s es e r i o u sd e s t r u c t i o n s t oo i l l c o u n t r y g e n e r a l l y , s e i s m i ca c t i v i t i e si no u rc o u n t r ya r ef e a t u r e db yh i 曲f r e q u e n c y , h e a v yi n t e n s i t y , w i d ed i s t r i b u t i o n ，s h a l l o we p i c e n t e ra n dh i g hh a z a r dr a t e c u r r e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n , t h e d e n s i t i e so f p o p u l a t i o na n db u i l d i n g sa r eh i g hi nm e t r o p o l i s ，h i g h r i s e sa n d l i f e l i n ef a c i l i t i e s i n c r e a s ed a yb yd a y , a n dt h er e s u l ti s ，o n c em o d e r a t ed e s t r u c t i v ee a r t h q u a k e sh a p p e n , t h ec o u n t r ya n dh u m a nl i f ea n dp r o p e r t yw i l ls u f f e rh u g el o s s e s ，a n ds o c i a le c o n o m i c c h a o sm a ya l s ob ea r o u s e d t h ep r i m a r yt a s ko fe a r t h q u a k ep r e v e n t i o na n dd i s a s t e r r e d u c t i o ni sm i t i g a t i o no fl o s s e sc a u s e db yt h ee a r t h q u a k et ot h em a x i m u me x t e n t h o w e v e r , o u rc o u n t r yi sy e a r sb e h i n di nt h er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no fe a r t h q u a k e r e s c u e st e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t ，s om a n yr e s c u ee q u i p m e n ta r eu s e l e s si nt h e a c t u a lr e s c u ep r o c e s s o nt h eb a s i so fc u r r e n te q u i p m e n t ，d i s c o v e r yo fd e f e c t so f r e s c u ee q u i p m e n ta n di m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c e so ft h ee q u i p m e n tb yu s i n go f n e wt e c h n o l o g i e sa n dn e wm e t h o d sa r ei m p e r a t i v e t h es t u d yo ft h i ss u b j e c ti sc a r r i e do u to nt h eb a s i so fa d e q u a t eu n d e r s t a n d i n g a n dt e s t so fr e s e a r c hp r o t o t y p eo f m i c r oa u d i ol i f ed e t e c t i o ns y s t e m ”b a s e do nt h e m u l t i p l et e s t s ，t h i ss u b j e c tp u tf o r w a r d st h ed e s i g np l a n sf o rt h ed a t at r a n s m i s s i o na n d s t o r a g es y s t e mo fa u d i ol i f ed e t e c t o r t h eo v e r a l lo b je c t i v ei s t oi m p r o v ec o v e r a g e r a n g eo fo r i g i n a lw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n i nt h en e wp l a n ，r a d i of r e q u e n c yc h i p so f h i g hi n t e g r a t i o na r eu t i l i z e dt oe x t e n dt h es e a r c h a b l er a n g eo f t h er e s c u ee q u i p m e n t a b s t 阳c t g r e a t l y ；a m b ea l g o r i t h mi sa d o p t e dt oc o m p r e s sa n dc o d eag r e a td e a lo fa u d i o i n f o r m a t i o n ，a n dw i t ht h eh e l po ff i l es y s t e m ，s t o r a g ea n dp l a y b a c ko fm u l t i - c h a n n e l a u d i oi n f o r m a t i o nc o l l e c t e do n s i t ec a l lb er e a l i z e d ；r e s c u ew o r k e r sc a np l a ya n d a n a l y z et h ei n f o r m a t i o nr e p e a t e d l yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f r e s c u e t h es y s t e mc o n s i s t so fd e t e c t i o nb a l la n dr e c e i v i n gt e r m i n a l t h ed e t e c t i o nb a l l i sm a i n l yc o m p o s e do fr fm o d u l e ，a u d i om o d u l e ，m a s t e rm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h ea u d i om o d u l ei sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i o no fa u d i od a t a , a sw e l la s r e e s t a b l i s h m e n ta n do u t p u to fa u d i od a t a ；t h em a s t e rm o d u l ei sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o r c o n t r o lo fa l le q u i p m e n t ，t a s ks c h e d u l i n ga n dc o n t r o lo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ；t h e r fm o d u l ei sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n go fa u d i od a t aa n d v e r i f i c a t i o no ft h ed a t ar e c e i v e d ；t h ep o w e rm o d d ei sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rv o l t a g e s w i t c h o v e ra n dp o w e rs u p p l yo fa l lm o d u l e si nt h es y s t e m o nt h eb a s i so fd e t e c t i o n b a l l ，m e m o r ym o d u l ea n dm a l l m a c h i n ei n t e r f a c ea l ea d d e dt of o r mt h er e c e i v i n g t e r m i n a l ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rc h a n n e ls e l e c t i o na n dm o n i t o r i n go fa l ld e t e c t i o n b a l l s ，a sw a l la ss t o r a g ea n dp l a y b a c ko fd a t a t h i sp a p e rm a i n l yc o n c e r n sa b o u tt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fr e s c u ee q u i p m e n t ， s t u d i e st h ev o i c ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，c o m p l e t e sd e s i g na n dr e s e a r c ho fa l l m o d u l e si nt h es y s t e m ，d r a f t sf u n c t i o n a lt e s tb o a r d ，c o m p l e t e ss o f t w a r ed e b u g g i n go f t h es y s t e m ，a n db a s i c a l l yr e a l i z e se x p e c t e df u n c t i o n s k e y w o r d s ：“f ed e t e c t i o n v o i c ec o m p r e s s i o na m b ea l g o r i t h ms i 4 4 3 2 a m b e 1 0 0 0 i v 第i 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 自古以来中国人民都饱受自然灾害的摧残，2 0 1 0 年上半年中国自然灾害频 发，受灾人口达2 5 亿人，因灾造成的直接经济损失达2 1 1 3 9 亿元，农作物受灾 面积2 0 2 9 4 万公顷，其中绝收面积达到3 0 4 6 万公耐3 5 】。各种各样的自然灾害 给中国造成的损失是巨大的。 在各种自然灾害中，地震灾害给人类造成的破坏是相当严重的。地震灾害是 一种危及国家公共安全的自然灾害现象，它的突发性、灾害性、社会性及整个过 程的长期性等特征要比洪水、飓风等灾害明显得多。1 9 8 5 年墨西哥城地震、1 9 8 8 年亚美尼亚地震、1 9 8 9 年美国洛马普列塔地震、1 9 9 0 年菲律宾马尼拉地震、1 9 9 4 年美国北岭地震和1 9 9 5 年日本阪神地震的影响时间分别是7 年、7 年、2 5 年、 3 年、3 年和4 年。因此，地震灾害引起了各国政府的高度重视，有些国家把地 震灾害作为巨灾危机来处理。 我国的地震灾害又是处于一种什么状态呢? 从地理位置上看，我国刚好位于 环太平洋地震带和地中海一喜马拉雅地震带的交汇部分，加上太平洋板块、菲律 宾板块向西北方向的俯冲和印度洋板块向北的推挤，这些因素导致我国地震活动 频繁而强烈，地震灾害给我国带来了严重的破坏。总体来说，我国地震活动呈现 出频率高、强度大、分布广、震源浅、成灾率高等特点【l 】。在2 0 世纪，全球1 3 的大陆地震发生在我国，我国因地震死亡的人数占全球的一半。新中国成立以来 因地震死亡人数占各类自然灾害死亡人数的一半以上。有历史记载以来，我国各 省、自治区、直辖市都发生过5 级以上地震。近几年，特别是2 0 0 8 年发生在四 j i i 汶lj i 的特大地震灾害，更是造成了巨大的损失。据民政部报告，截至2 0 0 8 年 7 月2 4 日1 2 时，四川汶川地震已确认6 9 1 9 7 人遇难，3 7 4 1 7 6 人受伤，失踪1 8 2 0 9 人，汶川地震造成的直接经济损失达到8 4 5 1 亿元人民币【3 3 j 。因此，在众多自然 灾害中，不论是从对人民群众生命财产的威胁来看，还是对国家经济造成的损失， 地震灾害都是群害之首。 目前，我国的城市化进程发展的越来越快，人口向大城市聚集，城市中的建 筑物密度越来越大，高层、生命线设施日益繁多，城乡地震灾害的潜在危险与日 俱增，旦发生中强度破坏性地震，将造成国家和人民生命财产的巨大损失，并 可能由此引起社会经济混乱。上述情况已被国内外许多大地震所证明。因此，最 大限度地减轻地震灾害所造成的损失是防震减灾工作的首要任务。 国内外抢救事实说明，地震后3 天之内是进行救援的关键时期，而震后半天 成都理工大学硕士学位论文 或l 2 天则是最有效的救援时段，在此段时间内救活率最高。据有关专家调查 统计，唐山地震后，震后第一天内将被压埋人员救出，救活率为8 1 ；第二天内 救出，救活率为5 3 ；第三天内救出，救活率为3 6 7 ；第四天内救出，救活率 为1 9 ；第五天内救出，救活率为7 4 ；再晚，救活的希望就很小了【1 1 。上述 资料也印证了震后7 2 小时内是救助被困人员的黄金时段。因此，这就对灾后救 援的及时性、高效率提出了严格的要求。 为何地震灾后救援如此困难呢? 这是因为地震造成建筑物倒塌是造成伤亡 的主要原因。地震发生后大批伤亡者被埋压在废墟瓦砾之中，地表震动直接造成 的伤亡是很少的，绝大多数人是在建筑物倒塌、住宅毁坏时受到猛力砸击，被压 埋在倒塌建筑废墟堆中，9 0 的伤亡均是由此造成的。地震发生后，被压埋人员 如果得不到尽快的救助，就有可能因缺乏空气或失血而死亡。在以往的震后救灾 中，救灾人员到达现场后往往依靠简单工具和双手进行救援，这样的救援办法只 对低楼层简单建筑的被困人员有效。在科技突飞猛进的今天，仅依靠原有方法和 工具根本不能完成当今震后救援的任务。如何才能针对被困人员进行高效救援 呢? 给救援队伍配备先进的救援设备是当务之急。先进的技术装备可以提高救助 成功率，为减轻人员伤亡提供技术保障。目前我国在地震搜救技术和装备的研制 和生产方面还比较落后，许多救援设备在实际的救援过程中效果不佳。因此在目 前设备的基础上，发现救援设备的不足，通过使用新技术新方法对救援设备的性 能进行提升是十分必要的。 为进一步提高地震救灾设备的性能，本课题提出了音频探生仪数据传输与存 放系统的设计与研究工作。该系统将增大音频探生仪的探测范围，并且使音频探 生仪具有现场救援信息回放的功能，从而可以提升救援效率。该系统还具有较强 的抗干扰能力、良好的环境适应性等特点。该系统的设计与研发是对音频探生仪 性能的一次提升，具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 目前世界上许多国家都已经在生命搜索技术和装备的研制开发方面取得了 很大的成功。他们利用先进的电子、微光、热红外阵列成像等高新技术研制开发 了生命搜索、定位的技术和设备，以及用于地震专业救助的数百种不同类型的机 械工具和装备。另外将一些重型设备改装使其适应了救援的需要，更加灵活机动， 具备了专业救援功能。这些技术装备在一些地区和国家的震后救援工作中发挥了 极其重要的作用，挽救了许多人的生命。如在墨西哥地震时，日本利用光学目视 探测定位系统在瓦砾堆下发现并救助了对夫妇；瑞士等国家利用生命探生仪发 现了许多被困人员；英国救援队利用红外成像仪同样也在废墟下发现了很多被困 2 第1 章绪论 已经较为成熟。为了进一步不断完善救援技术装备，当前人们的研发重点集中在 超声波探测技术、低频电磁探测技术、超宽带电磁探测技术以及r f i d 技术等几 个方面。 超声波探测技术是利用超声波的反射特性以及在其生物体中的衰减特性，从 而可以进行生物体的识别和测定，尤其在火灾现场等环境中可以有效的探测人体 的存在。因为人体对超声波的吸收率与超声波的频率有很大关系，所以可以采用 多频段超声波对障碍物进行扫描来判断障碍物是否就是人体，还可以利用超声波 多普勒效应判断物体的相对运动，也可以运用单一频率幅度检测来判断是否符合 人体吸收规律来判断生命体的存在与否，甚至可以利用超声波阵列组成超声波雷 达来判断障碍物的形状从而去判断是否为人体。尽管超声波救援设备在某些救援 场合的使用时受到一定的限制，但是超声波技术运用于救援在一定环境下已经取 得了一定的效果，是以后的发展趋势。 低频电磁探测技术是利用人体心脏跳动所发出的3 0 h z 以下的超低频电波， 在人体周围扩展形成的超低频非均匀电磁场进行探测的。这种超低频电磁场虽然 能量很低，但是由于其本身具有的特点，使其很容易穿透障碍物，被仪器检测出， 这样为灾害救援技术的发展提供了一条研究途径。美国d k l 实验室开发的d k l 生命探测器就是利用了人体发出的超低频电磁场来进行搜救探测的。在美国 “9 1 1 ”发生后，救援队员使用该仪器在8 0 m 的废墟下发现了一位受伤的消防队 员，从而使其获得了救助。 超宽带电磁探测技术是随着电磁脉冲探测技术的发展和对电磁脉冲能源的 利用的基础上发展起来的。人们在科学实验中发现超宽带电磁场在遥感、探测和 目标识别方面有着广阔的运用前景。在灾后救援方面可以利用超宽带电磁场的特 征，通过超宽带电磁波的散射和反射信号的处理、解释、识别等研究，完成信号 的实时处理与成像方法研究，进而建立判别有效信号及确定探测目标准确位置的 处理方法，为生命搜索提供扎实的电磁探测技术。 r f i d 技术，即射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射 频信号自动识别目标并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可以工作于各种 恶劣环境。目前国内采用r f i d 自动识别技术开发了“煤矿井下人员、设备监测 及跟踪管理系统”，取得了较好的效果。如果遇到灾害发生，r f i d 技术设备配合 其他救援设备的使用，可以准确知晓废墟下的人员分布情况，提高救援效率。 1 3 论文的主要研究内容 本课题的研究是在对“微型音频探生系统”( 项目编号：来源于2 0 0 7 年科 技部公益性行业科研专项经费项目“地震应急救援设备和装备的需求及关键参数 成者l j 理工人学顺l ：学位论文 研究”，项目编号：2 0 0 7 0 7 0 8 0 5 2 - 0 3 ) 的科研样机充分了解与测试的基础上进行 的。在对科研样机的多次测试的基础上，本课题提出了音频探生仪数据传输与存 放系统的设计方案。本课题的总体目标是改进原有的无线传输覆盖范围，使用高 集成度的无线射频芯片，从而可以大大增加救援设备的可搜索范围；利用a m b e 算法将大量的音频信息进行压缩编码，在软件方面配合使用文件系统，从而将实 现对现场采集的多通道音频信息的存储与回放，救援人员可以对各个通道采集的 信息进行反复播放与分析，提高救援的效率。本系统由探测小球和接收终端两部 分组成。救援人员首先利用房屋倒塌后，废墟中存在的空隙将体积小巧的探测小 球编号后投放到废墟中；然后通过广播的方式告知生还者目前正在进行救援；生 还者听到广播后，通过呼救或者敲击地面发出声音作为回应；该信号会被投放到 附近的高灵敏度生命探测小球拾取，并传送到接收仪器0 3 。探测小球主要由射频 模块、音频模块、主控模块、电源模块等部分组成。其中音频模块主要负责对音 频数据的采集，完成对音频数据的a d 和d a 转换，利用a m b e 算法进行压缩编 码与解压缩解码，完成音频数据的重建以及输出；主控模块负责所有设备控制、 任务调度、通信协议控制；射频模块完成音频数据的传输和接收，完成对所接收 音频数据的校验；电源模块主要完成电压转换，对系统各个模块供电。在探测小 球的基础上加上存储模块和人机接口就构成了接收终端，接收终端负责各个探测 小球的频道选择以及监听，对数据进行存储与回放。 本课题进行的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对地震救援设备的发展现状有了大致的了解，并对救援设备的现场使 用要求进行了分析； ( 2 ) 对数字语音压缩编码算法进行了学习，本系统采用基于a m b e 算法的专 用语音压缩编解码芯片a m b e 一1 0 0 0 ，压缩率高，可以实现数字语音信号极低速 率的传输，实现比较好的语音质量。 ( 3 ) 设计了数字式音频生命探测系统的硬件方案，完成了系统射频模块、 音频模块、主控模块、存储模块、人机接口以及电源模块的芯片选型和电路设计。 ( 4 ) 完成系统各个模块的软件驱动编写，并且完成了系统各个模块的联合 调试。 4 第2 章系统设计 2 1 系统设计思路 第2 章系统设计 由于地震灾害过后，受灾现场的复杂性，救灾现场的倒塌房屋存在二次坍塌 的危险以及有可能发生的次生灾害都严重威胁着救援人员的生命安全。在这种特 殊情况下，需要近距离使用的生命救援设备受到了现场环境的制约，因此研发一 种能够大范围搜救，使用危险系数低的救援设备是十分必要的。 本课题的设计与研究是建立在“分布式微型音频探生系统”的基础上进行 的。分布式微型音频生命探测系统采用了无线收发系统，将传感器探测到的信号 处理后以无线的方式传送给救援人员，而无需救援人员携带救援设备进入到危机 四伏的灾害现场，能有效解决救援人员的自身安全问题。其次，由于探n d , 球是 通过房屋倒塌后的缝隙投入到现场，这样做的目的可以使探测小球更接近被困幸 存者，能更好的探测被困幸存者发生的呼喊、敲击等声音信号，从而使系统的可 靠性更高，速度也更快。再者，由于投放到现场的探测小球的数量可根据具体灾 害现场的面积而定，灵活性更大，能适用于各种灾害现场的救援工作，故系统的 搜救范围也就更广。 在对“分布式微型音频探生系统 科研样机的研究与测试时发现如果系统能 实现采集信号的数字化，将能进一步完善系统的功能，提升系统的性能。因此提 出了音频探生仪数据传输与存放系统的设计与研究。数字化的音频数据，便于实 现现场救援数据的存储与加密，提高现场救援的效率；在无线传输方面，采用高 性能的无线射频芯片，扩展了搜救范围，系统组网更加便利与灵活。由于音频数 据量很大，射频芯片要兼顾发射速度与发射距离，这就要考虑音频数据的压缩编 解码问题，此部分将在论文以后章节介绍。 2 2 系统工作原理 在现场救援工作中，救援人员首先利用房屋倒塌后废墟中存在的空隙将体积 小巧的探n d , 球编号后投放到废墟中，进行位置标记；然后通过广播的方式告知 生还者目前正在进行救援；生还者听到广播后，通过呼救或者敲击地面发出声音 作为回应；求救信号会被投放到附近的高灵敏度生命探n d , 球拾取，并传送到接 收仪器【3 1 。接收仪器接收到检测的音频信息，就可以确定生还者的大致位置并及 时进行抢救。 探n d , 球配有高灵敏度、大范围的拾音器( 本系统不涉及) ，采集现场的有 成都理工大学硕上学位论文 效信号通过a d c 转换后，传给a m b e 1 0 0 0 编码器进行语音编码，然后由射频 模块进行无线传输。接收终端通过射频模块接收到压缩过的音频数据后，通过音 频模块进行解码工作，还原音频信息输出，从而实现对探n d , 球采集数据的监听。 2 3 系统整体设计 本系统分为探测小球和接收终端构成。探测小球和接收终端的硬件框图如图 2 1 所示。 图2 - 1音频探生仪系统框图 探测小球主要由射频模块、音频模块、主控模块、电源模块组成。接收终端 主要由射频模块、音频模块、主控模块、存储模块、人机接口以及电源模块组成。 以下对每个模块基本情况和功能进行简单说明。 2 3 1 射频模块 射频模块主要负责系统数据的无线传输。探测小球将采集到的压缩过后的数 据通过射频模块打包调制以一定的载波频率发射出去：接收终端通过射频模块以 相同的频率接收信息，将接收到的信息解调，滤波，数据包处理后提供给系统后 级使用。 2 3 2 音频模块 音频模块主要负责对音频数据的采集，完成对音频数据的a d 和d a 转换， 6 第2 章系统设计 编解码，完成音频数据的重建以及输出等功能。当模拟的语音信号被拾音器采集 后，经过a d 转换后变成数字信号，该数据再经语音编码单元编码压缩后送至 控制单元。当接收端接收到数据后，音频模块负责压缩数据的解压缩，解压缩后 的数据经过d a 转换后产生模拟语音信号送入耳机。本系统采用基于多带激励 的a m b e 算法编码方式，它能在较低的编码速率下提供极优的重建语音质量， 它引入了语音分析和合成及矢量量化等新算法，在背景噪声和信道误码方面也有 极强的鲁棒性。 2 3 3 主控模块 系统主控模块以a r m 微控制器为核心，主要完成对系统各个部分的驱动与 控制，任务调度，通信协议控制，以及与人机接口通信获得必要的参数设置以及 完成数据的显示、传输。 2 3 4 存储模块 数据存储模块主要实现将现场采集的音频数据实时存储入s d 卡，可以在需 要时对现场采集的数据进行回放分析。存储介质采用s d 卡，这样可以适应各种 容量的存储要求，也更加便利于音频数据的转存与备份。 2 3 5 电源模块 电源模块主要负责电压转换，对整个系统供电。 2 3 6 人机接口 人机接口电路由显示电路和按键电路两部分组成，用于监听频道等参数显示 以及参数设置。 成都理工大学硕上学位论文 第3 章语音压缩编码技术 3 1 语音压缩编码技术概述 语音信号是模拟信号，不能直接在数字通信系统中传输，首先进行模数转 换和数模转换。这种相互转换就称为语音编码技术，其作用是在发送端将语音 模拟信号转换为数字信号，到了接收端，再将收到的语音数字信号还原为语音模 拟信号。经过转换后，与模拟语音相比，数字信号在可靠性和抗干扰性方面都更 有优势，并且更加便于数据存储和加密。为了减小存储空间或降低传输比特率， 节省通信带宽，对数字化之后的数字信号进行压缩编码，这就是语音压缩编码技 术。 在科技迅猛发展的最近2 0 年，语音压缩编码技术得到了快速发展，在各个 领域的应用也越来越广泛，在移动通信、卫星通信、多媒体技术以及口电话通 信等领域都得到普遍应用，发挥着至关重要的作用。 3 1 1 语音压缩编码技术的发展 从1 9 3 7 年脉冲编码调制被提出开始计算，语音编码技术已经发展了7 0 多年。 在语音压缩编码技术的发展史上，语音编码标准g 7 11 于1 9 7 2 年由c c i t t ( 国 际电报电话咨询委员会) 确定，它主要用p c m 算法对语音进行处理，并且通过 一个6 4 k b p s 未压缩通道传输语音信号【1 4 】。这种编码算法，可以获得较好的语音 质量，但是传输时占用带宽较多。鉴于这种情况，8 0 年代初c c i t t 着手研究低 于6 4 k b p s 的非p c m 编码算法，语音编码标准g 7 2 1 于1 9 8 4 年诞生，它是利用 3 2 k b p s 的a d p c m 编码方式对声音进行编码的规科1 4 】。随后，c c i t t 于1 9 9 2 年 公布了基于1 6 k b p s 低延迟码激励线性预测( l d c e l p ) 的语音编码标准g 7 2 8 。 最后在1 9 9 5 年1 1 月i t i 卜- t s g l 5 全会上通过了语音编码标准g 7 2 9 ，此标准采 用共轭代数码激励线性预测算法，速率仅为8 k b p s ，次年6 月通过了g 7 2 9 的简 化版语音编解码标准【l 引。 目前8 4 k b p s 语音编码已经有了一些地区标准，这一速率段的语音编码国 际标准以及4 k b p s 以下速率的语音编码国际标准的指定，将是各国竞相研究开发 的重点。低速率、极低速率语音编码技术将是今后语音编码技术研究和发展的重 要方向之一。 此外，近年来在数字广播、消费电子技术以及电话会议迅速发展的影响下， 语音编码技术也在朝着宽频带高音质音频编码的方向发展。其应用领域主要是数 字广播、电视电话会议系统、家电以及娱乐技术。由于受到社会需求的强大推动， 第3 章语音压缩编码技术 这种编码技术也是一个相当重要的发展方向。 第三代移动通信( 3 g ) 和第四代移动通信( 4 g ) 的语音编码技术是语音编 码技术另一个受到广泛关注的研究方向。t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 作为第三代移动通信的三大主流技术，都采用了变速率语音编码技术。其中 t d s c d m a 和w c d m a 都采用自适应多速率( a m r ) 语音编码，但是w c d m a 还将可选模式声码器作为备用技术；c d m a 2 0 0 0 选用变速率c e l p 声码器或增 强型变速率编码器。此外，在数字卫星通信等系统中，也有采用了变速率语音编 码技术。变速率语音编码器由于能够在保证重建信号质量的条件下进一步压缩编 码速率，其应用前景十分广阔，是语音及音频编码技术另一个重要的发展方向。 近年来随着d s p 芯片技术、语音学、语义学、神经生理学和心理学的迅速 发展和广泛应用，发展起来一种利用人类听觉系统特性的感知编码技术，在音频 压缩编码中受到广泛关注，应用越来越广。这也是语音压缩编码技术一个重要的 发展方向。 3 1 2 语音压缩编码技术的分类 语音压缩编码技术可分为波形编码、参量编码和混合编码三大类。 波形编码的指导思想是将语音信号当作一般波形来处理，使重构的语 音波形与原始的语音波形尽可能保持一致，即在编码端以波形逼近为原则 对语音信号进行压缩编码，而在译码端根据这些编码数据恢复出语音信号 的波形。波形编码具有适应能力强、语音质量好和抗噪性能强等优点，但 所需要的编码速率较高，一般在1 6 k b p s 6 4 k b p s 速率能得到较好的编码效 果。由于所用的编码速率高，编码速率下降后，性能随之下降的很快，在 对信号带宽要求不太严格的通信中得到应用，多用于有线通信中，而对频 率资源相对紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不合适。常用的波形 编码方式包括脉冲编码调制( p c m ) 、差分脉冲编码调制( d p c m ) 、自适 应差分脉冲编码调制( a d p c m ) 、自适应差分脉冲编码调制( a d p c m ) 、 增量调制( d m ) 、连续可变斜率增量调制( c v s d m ) 、自适应变换编码 ( a t c ) 、子带编码( s b c ) 和自适应预测编码( a p c ) 等【l l 】。 参量编码一般称作声码器，它的出发点与波形编码不一样，其基本思想是通 过对语音信号特征参数的提取来进行编码，努力使重构的语音信号具有尽可能高 的可懂度，即保持原始语音信号的语义，而合成的语音信号波形可能与原始的语 音信号波形有较大的差别【1 1 1 。这类编码的优点是由于参量编码只需传送语音特征 参数，编码速率比较低，通常都在1 6 k b p s 以下，甚至可以低到2 4 k b p s 以下。它 的主要问题是合成语音质量较差，特别是自然度较低；另外它对说话环境的噪声 比较敏感，需要在较安静的环境下才能得到较高的可懂度，这种语音质量无法达 9 成都理工大学硕：仁学位论文 到商用语音通信的要求。共振峰声码器和线性预测编码( l p c ) 及其它各种改进 型都是典型的参量编码器。 由于上述两种编码方法都存在一定的不足，因此人们就想到了混合编码的方 法。混合编码是上述两种编码方法优点的有机结合，由于突破了波形编码和参量 编码的界限，因此混合编码得到了最广泛的应用。与参量编码相同的是，混合编 码也是基于语音产生模型的假定并采用了合成分析技术，同时它又利用了语音的 时间波形信息，增强了重构语音的自然度，使得合成语音质量有了明显的提高， 其代价是编码速率的相应上升，编码速率一般都在2 4 k b p s 1 6 k b p s 之间【l l 】。这 类编码器的典型代表有规则脉冲激励长期预测编解码器( r p e l t p ) 、矢量和激 励线性预测编码( v s e l p ) 、码激励线性预测编码( c e l p ) 和多带激励编码( m b e ) 篁【1 1 】 1 to 3 1 3 语音压缩编码常见算法的介绍 ( 1 ) p c m 编码 p c m 编码是应用最早和最广泛的语音编码技术，在很长的一段时间里p c m 编码一直在语音编码技术中占据统治地位，对于通信的数字化起过极为重要的推 动作用。近年来语音编码技术取得一系列突破性进展，出现了许多崭新的编码算 法和技术，已经动摇了p c m 编码的这种统治地位，但是在通信信息系统中，p c m 编码的应用依然相当普遍【1 3 1 。 p c m 编码的基本原理和工作过程如图3 1 所示。在编码端，输入信号经过 取样、量化和编码，实现模数转换，变换成为数字信号；到了译码端，再将接 收到的数字信号通过译码、低通平滑滤波实现数模转换，恢复为模拟信号。 模拟信号一 垂曼 一，( 三三 叫( 至三二卜二氅型芝巳- ， 三至二卜叫蛩模拟信号 图3 - 1p c m 编码的基本原理和工作过程 取样：由于输入的语音信号是随时间连续变化的模拟信号，要将它转换为数 字信号，就必须首先通过取样，将它变换为时间上不连续的信号。取样的目的就 是为了使模拟信号在时间上离散化。取样就是用一系列在时间上等间隔出现的脉 冲调幅信号来替代原来的模拟信号。取样脉冲序列必须满足奈奎斯特定理，即取 样频率必须大于或等于所传输的模拟信号的最高频率的2 倍。取样脉冲序列的特 点是：其出现的时间是等时间间隔的：而其出现时的脉冲幅度是变化的，脉冲幅 度的大小，取决于在取样点的时刻的模拟信号幅度值。 第3 章语音压缩编码技术 量化：所谓量化就是通过分级，用“四舍五入 的方法将取样脉冲序列的幅 度标准化。 编码：编码就是将量化分级的数目转换为二进制信号。 译码：译码的目的就是为了将收到的数字信号还原为发送端的量化样值脉冲 序列。 在一般p c m 通信过程中通常都是多路通信。p c m 通信实现多路通信的方式 主要有两种：一种是将各路信号用不同的频率来传送，称为频分复用；另一种是 将各路信号按照不同的时间划分顺序，让各路信号占用不同的时间进行传输，称 为时分复用。p c m 通信大多采用时分复用。与频分复用相比，时分复用由于信 号是分不同时间进行传输，所以各路信号占用的频带可以相同，节省了频带资源； 各路信号可以共用一个滤波器，对滤波器的频率特性要求不高，并且各路信号具 有较强的抗干扰性。p c m 时分复用多路通信系统如图3 2 所示。图中的k 1 是发 送端的取样电子开关，k 2 是接收端的分路电子开关。k 1 和k 2 是同步动作的， 它们同时依次轮流接通各路信号。 ( 2 ) 线性预测编码 在参数编码器中，迄今为止应用最为广泛的要算是l p c 声码器了。l p c 声 码器基于全极点声道模型，运用线性预测分析合成原理，对于模型参数和激励参 数进行编码传输【1 1 1 。接收端再根据译码得到的参数，重新合成语音。其工作原理 如图3 3 所示。l p c 声码器结合了预测编码的基本原理，但不属于波形编码。预 测编码就是利用以往的采样值对新样值进行预测，然后将样值的实际值与其预测 值相减得到一个误差信号，对这一误差进行编码。误差信号的动态范围远远小于 原始的语音信号的动态范围，从而可以大大减少量化所需的比特数，使编码速率 大幅度降低。l p c 声码器不是直接对预测误差编码，而是对由预测误差或语音信 号本身进行线性预测分析得到的参数进行编码，属于参数编码。 成都理工大学硕上学位论文 图3 - 3l p c 声码器工作原理图 线性