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嵌入式语音数据传输系统设计 信号与信息处理专业 研究生田彬指导教师黄宏光副教授 i n t e r n e t 现已成为社会重要的信息流通渠道。随着硬件价格的下降，高性 能微处理器被越来越多地应用在嵌入式系统中，这就为嵌入式设备的“上网” 提供了条件。如果嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可以方便、低廉地 将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。可以预言，嵌入式系统与i n t e r n e t 的结合已经成为今后嵌入式系统发展的重要方向。 通过t c p i p 协议，任何一个嵌入式系统都可以获得一个全球唯一的i p 地 址，实现和“上网”的其它系统互联互通。但是由于传统的t c p i p 实现起来过 于复杂，需占用大量系统资源，这对于很多低性能的8 1 6 位微处理器系统来说 根本就无法实现。因此，我们需要采用高性能的微处理器来作为嵌入式系统的 “发动机”，以提升其硬件性能，并把传统t c p i p 在不违背协议标准的前提下 加以改进实现，使其实现性得到提高，占用的存储空问尽可能少，以满足嵌入 式应用的要求。 本方案首先对几种不同的低速率语音压缩算法及应用进行分析、比较，采 用了先进的多带激励语音压缩编码技术，接着讨论了几种不同的嵌入式系统的 常见方案，最后设计出一款很有实用价值的嵌入式语音数据传输系统。整个系 统由一台内嵌有t c p i p 协议的8 0 3 8 6 嵌入式网络模块和一块语音采集、压缩 解压电路板组成，此模块将语音板采集到的语音信号按照专用压缩算法进行压 缩后和数据经p t r 2 0 0 0 无线收发设备或局域网发送到远程的p c 上，p c 通过 p t r 2 0 0 0 或局域网卡进行接收。同时，p c 可以从指挥中心，发出各种命令数据 或语音信号，通过p t r 2 0 0 0 或局域网传送到8 0 3 8 6 嵌入式网络模块，从而实现 t 远程监控。在本系统中，8 0 3 8 6 嵌入式网络模块和语音采集、压缩板再加h p t e 2 0 0 0 作为整个系统的通信终端设备；安装了网络设备的p c 机加上 y i r 2 0 0 0 无线设备作为整个系统的服务器，实现控制和指挥功能。 本方案所论述的语音数据传输系统，根据工作环境和使用上的不同，可以 方便的进行无线和有线之间的选择。其中，无线传输系统所采用的网络与我们 平时所讨论的公共移动通信网络不同，它采用了一系列先进的扩频通信技术、 信道编解码技术、差错控制技术，并结合数字语音压缩等多媒体网络传输技术， 能够在较高速移动环境下实现语音、数据等宽带多媒体业务的实时传输。具有 覆盖范围广、灵敏度高、移动性好、抗干扰能力强、保密性好、稳定性和可靠 性突出等显著优点，特别是在进行野外作业时，采用本系统，能够将数十公里 外的语音、数据等信息传输到指挥中心，使指挥中心及时做出反应。同时，还 可广泛应用于1 1 9 消防救灾系统、1 2 2 交通事故受理指挥系统等国家重要部门。 关键词：嵌入式系统、8 0 3 8 6 c p u 、a m b e 一2 0 0 0 压缩解压j 卷片、t c p i p 、 r s 一2 3 2 、数据分组 e m b e d d e dv o i c e d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n m a j o r ；s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s g r a d u a t e ：t i a nb i n a d v i s o r ：h o n g g u a n gh u a n g t o d a y , i n t e r n e th a sb e c o m ep o p u l a rf a c i l i t yt og e ti n f o r m a t i o nf r o mm o d e r n s o c i e t y w i t ht h ed e s c e n do fh a r d w a r ep r i c e ，h i g hp e r f o r m a n c em p ui sm o r ea n d m o r eu s e di ne m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et oa c c e s st ot h ei n t e r n e ti f t h ee m b e d d e ds y s t e mi sc o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e t ，t h ei n f o r m a t i o nc a nb et r a n s m i t t e d t oe v e r yc o r n e ra r o u n dt h ew o r l d 。i ti sp r e d i c t e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h e e m b e d d e ds y s t e ma n dt h et c p 1 pi sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fm o d e r ne m b e d d e d t e c h n o l o g y t h r o u g ht c p i p , e v e r ye m b e d d e ds y s t e mc a ng e tau n i q u ei pa d d r e s si nt h e w o r l d a n dc o n n e c t e dw i t ho t h e rn e t 、v o r ks y s t e m b u tt h et r a d i t i o n a lt c p i pi st o o c o m p l e xt h a ti ti sd i f f i c u l tt oi m p l e m e n tt c p 1 pi nal o to fl o w - g r a d em p u s o ，t h e 1 1 i 曲p e r f o r m a n c em p uc a nb eu s e da st h ee m b e d d e ds y s t e m “e n g i n e ”t ou p g r a d e t h eh a r d w a r e ，i nt h eo t h e rh a n d ，t h et r a d i t i o n a lt c p i pw a sc u td o w no nt h er e q u e s t o f t h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n df e w e rh a r d w a r er e s o u r c e sw e r eo c c u p i e di nt h es y s t e m i nt h i sp r o j e c t ，s e v e r a ld i f f e r e n tv o i c ed a t ac o m p r e s sa l g o r i t h m i ca n dt h e i r a p p l i c a t i o nw e r ef i r s t l ya n a l y z e da n dt h ea d v a n c e dm u l t i b a n de x c i t a t i o n ( a m b e l v o i c ed a t a c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y w a ss e l e c t e d t h e ns o m eo t h e r e x i s t i n g e m b e d d e ds y s t e mw a sd i s c u s s e d a tl a s t ，av e r yu s e f u le m b e d d e dv o i c e d a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d t h ew h o l es y s t e md e s i g n e di n t h i sp r o j e c t c o n t a i n st w op a r t s ：at c p i pe m b e d d e d8 0 3 8 6n e t w o r km o d e la n dav o i c eb o a r da s t h er e m o t ec l i e n t ap c 、i mn e t w o r ka d a p t o ra st h es e r v e r t h ev o i c es i g n a lw a s t r a n s m i tf r o mt h ev o i c eb o a r dt ot h e3 8 6n e t w o r km o d e l ，a n dc o m p r e s s e db ya m b e v o i c ed a t ac o m p r e s s i o ns o f t w a r ea l g o r i t h m ，t h e ni tw a ss e n t t ot h er e m o t ep c t h r o u g ht h ei n t e m e ta n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tp t r 2 0 0 0 a t t h es a i l e t i m e c o n t r o li n f o r m a t i o na n dv o i c ed a t ac a l lb et r a n s m i t t e df r o mp ct o3 8 6n e t w o r k m o d e li nt h es a m ew a y t h ee m b e d d e dv o i c e d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sp r o j e c tc a l l c h o o s ei n t e m e tc h a r m e lo rw i r e l e s sc b a n n e li nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t i nw i r e l e s s m o d e ，i ti sd i f f e r e n tf r o mt h ep u b l i cm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h es p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y , c h a n n e lc o d i n g d e c o d i n gl e c l m o l o g y a n dm r o rc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g ya r ed e p l o y e di nt h i ss y s t e m v o i c e d a t ac a l lb et r a n s m i t t e di nh i 曲s p e e d m o b i l ee n v i r o n m e n tb yt h i ss y s t e m t h i ss y s t e mh a sa d v a n t a g es u c ha sw i d eo v e r c a s t ，h i g hs e c r e c y ，h i g hf l e x i b l e ，s t r o n ga n t i - j m m n i n g ，h i g hs e n s r i v i t y , h i g hr e l i a b l e t h i ss y s t e m a l s oc a n b e u s e d b y1 1 9 、1 2 2e t c k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m 、8 0 3 8 6 c u p 、a m b e 一2 0 0 0 、t c p i p 、 r s 一2 3 2 、d a t ap a c k a g e i v 四川大学硕十学位论文 第1 章概论 1 1 课题的提出背景 当今世界，由于社会化大生产和全球经济一体化等因素的影响，信息在社 会发展的过程中起到了越来越重要的作用，人们的工作、学习乃至日常生活都 越来越离不开各种各样的信息。因此，信息技术的发展程度不仅体现了人类对 整个宇宙认知的深度和广度，而且也作为一个国家科技实力的体现。 i n t e r n e t 网和无线网络技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性 能、质量和可靠性得到稳步提高，造就了高性能微处理器嵌入式系统的蓬勃发 展。在3 2 位处理器的处理速度和存储容量的支持下，通过嵌入式系统实现 t c p i p 协议，产生了大量信息产品，主要包括p d a ，w e b 可视电话、智能手机、 t v 顶视盒、电视会议机等嵌入式设备“3 。但其仅占嵌入式系统应用的- - 4 部分， 而大量的嵌入式系统集中在8 1 6 位处理器产品上。包括家用嵌入式系统中的各 种家用电器，过程控制和工业自动化的各种嵌入式设备。这一部分的嵌入式系 统，由于处理器实现的功能单一、从使用效率和成本要求上，不可能全部采用 3 2 位的处理器。然而，由于实现t c p i p 协议需要大量的软、硬件资源，这对于 8 1 6 位系统来说，要占用大量的资源或者根本是不可能实现的。计算机领域_ ；l 前的趋势就是网络化，实现嵌入式系统与i n t e r n e t 的连接，使大量的嵌入式系 统能够利用网络的高速和共享，是网络化的发展方向。整个计算机领域将是各 种网络的结合，它们互相连接。构成一个无缝的智能体系。嵌入式设备也必将 连入其它网络而与各种网络实现互联。两络只被简单的看作是网络，而不管它 传递的内容如何( 数据或控制) ，这种发展趋势是不可避免的“1 。 实现嵌入式i n t e m e t ，为每一个嵌入式设备提供一个i p 地址，这样，只要在 有i n t e m e t 的地方，通过唯一的i p 地址，就可以接收关于这个设备的状态信息， 发送对该设备的控制信息。 因此，嵌入式i n t e r a c t 是计算机发展的必然趋势，嵌入式系统结合网络技术 与系统集成技术将成为今后研究的焦点。 阳川大学硕士学位论文 1 2 业界相关技术的发展 语音通信技术足信息技术中的一个重要的组成部分。根据传输介质的不同， 语著通信网络可分为有线网络和无线网络。 在有线网络方面，主要是通过i n t e r n e t 进行语音通信和数据的收发。其f | 最广泛的技术是v o i p ( 、o i c eo v e ri p ) 技术”1 。 v o i p 是以i p 分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包 等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 哳议进行传输。从网络组织 来看，目前比较流行的方式有两种：一种是利用i n t e r n e t 网络进行的语音通信， 我们称之为网络电话；另一种是利用i p 技术，电信运行商之间通过专线点对点 联接进行的语音通信，有人称之为经济电话或廉价电话。 i p 电话与传统电话具有明显区别。首先，传统电话使用公众电话网作为语 音传输的媒介；而i p 电话则是将语音信号在公众电话网和i n t e r n e t 之问进行 转换，对语音信号进行压缩封装，转换成i p 包，同时，i p 技术允许多个用户共 用同一一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用 户使用单独信道的费用。其次，出于技术和市场的推动，将语音转化成i p 包的 技术已变得更为实用、便宜。同时，i p 电话的核心元件之一数字信号处理器的 价格在下降，从而使电话费用大大降低，这一点在国际电话通信费用上尤为明 显，这也是i p 电话迅速发展的重要原因“1 。 无线网络通信是当今世界通信技术的又一个发展热点。其发展正在经历从 窄带到宽带、从固定到移动的过程，网络能力在不断增强。无线通信系统所采 用的调制技术也正从传统的单载波方式走向多载波调制方式”1 。在无线通信系统 中常见的个人移动通信技术有以下几种。1 ： a ) g s m 与c d m a 第一代模拟系统对应的按入技术是频分多址技术f d m a ，它仅能提供9 6 k b p s 通信带宽。第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术t d m a 和码分多 址技术c d m a 两种，它可以提供9 6 2 8 8 k b p s 的传输速率。其典型系统，如欧 洲的全球移动通信系统g s m 、北美的数字增强型系统i s 一1 3 6 、i s 一9 5 等。与第一 代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、 四j i l 大学硕士学位论文 能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。 b ) g p r s 与c d l i a 2 0 0 01 x g p r s 是基于g s m 的分组交换技术，它为g s m 运营商由提供话音业务向提供 综合信息服务业务领域拓展提供了重要的网络平台，并为g s m 向第三代移动通 信的过渡打下基础，被喻为“未来3 g 市场的助推器”。业内普遍认为，g p r s 是 g s m 向第三代系统过渡，问时又兼顾现有第二代系统的2 5 g 系统。 与g p r s 作为g s m 向第三代过渡的作用相似，c d 淞2 0 0 0i x 则是窄带i s9 5 系统向第三代系统平滑过渡的标准，它可以提供1 4 4 k b p s 速率以上的数据业务， 而且增加了辅助信道等，可以对一个用户同时承载多个数据流和多种业务，为 支持未来的各种多媒体分组业务打下了基础。 c ) 3 g 目前，国际电联i t u 接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国 提出的c d i a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d f l a 和我国提出的t d s c d m a 。 w c d m a 系统的核心网是基于g s m m f i p ，可以从第二代g s m 系统逐步演进；支 持一条连线上传输多条并行业务，支持高速率的分组接入；采用更加灵活的系 统操作，包括支持基站间的异步操作、支持自适应天线阵技术与多用户检测的 技术、支持非平衡频带下采用时分双工的模式，采用单信元频率复用等。 c d m a 2 0 0 0 的核心网是基于a n s i 一4 1 ，采用直接扩频码分多址技术的无线接 口。具备先进的媒体接入控制，从而有效地支持高速分组数据业务；具有先进 的多媒体业务质量控制能力，处理竞争业务间的优先权问题等；可以根据环境 和需要灵活地选择语音、语音数据和数据模式，支持分布式和集中式的分组 数据业务；支持频分数字双工f d d 和时分数字双工t d d ；支持前向多载波结构和 正交直接扩频。具有较好的灵活性与可伸缩性，可非常容易地从现有的c d m ao n o 平滑过渡。 t d s c d m a 基于g s m 系统，采用智能天线和低码速率技术，频谱利用率很高， 能够解决人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移动数 据和视频点播等多媒体业务方面具有突出优势。系统的基站天线是一个智能化 的天线阵，能够自动确定并跟踪手机的方位，发射波束始终对准手机方向，可 降低基站的发射功率。上行同步c d m a 技术可使上行信号与基站解调器完全同步， 3 四川1 人学硕士学位论文 降低了码元间的干扰，使硬件得到简化，成本得到降低。t d s c d m a 技术采用软 件：无线电技术，使运营商在增加业务时，日j 在同硬件平台上利用软件处理基 带信号，通过加载不同的软件就可实现不同的业务。此外，t d s c d m a 系统可与 第二代移动通信系统6 s m 兼容。 第三代移动通信有如下关键技术：一是高效信道编译码技术；二是智能天 线技术；三是初始同步与r a k e 多径分集接收技术；四是多用户检测技术：五是 功率控制技术。 d ) 4 6 未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝 隙漫游。实现这些要求在技术上将面临更大挑战。4 g 移动通信的数据传输应该 比3 g 高一个数量级。4 g 应该包含以下四个主要特点：一是自适应的资源分配， 能够处理变化的业务流、信道条件不同的环境，有很强的自组织性和灵活性； 二是能综合固定移动广播网络或其它的一些规则，实现对这些功能体积分布的 控制；三是这个协议应该能根据网络的动态和自行变化的信道条件，使低码与 高码的用户能够共存；四是主要发展数字宽带( b r o a db a n d ) 为基础的概念。 e ) 数字集群系统 集群通信系统( t r u n kc o m m t m i c a t i o ns y s t e m ) 是种用在集团调度指挥通 信的移动通信系统，主要应用在专业移动通信领域。和普通的移动通信不同， 集群通信最大的特点是话音通信采用p t t ( p u s ht ot a l k ) 一键通的方式接续， 被叫无须摘机即可接听，且接续速度较快，并能支持群组呼叫等功能。 吲川i 大学硕上学位论文 第2 章基本设计原理 2 1 方案设想 本方案主要由上位机和下位机及传输信道所组成。其中上位机由p c 、以太 网卡、专用语音采集，压缩解压卡组成，实现整个系统的控制、指挥功能；下 位机由8 0 3 8 6 嵌入式网络模块和专用语音采集，压缩解压电路板组成，主要实 现的功能是：对现场进行语音采集、压缩解压，传输，同时还可以接收来自上 位机的命令数据。上位机与下位机之间进行语音数据的实时传输的信道有两种 实现方式：一种是通过r s - 2 3 2 串口连接无线传输设备实现；另一种是通过以太 网实现语音数据的有线传输。具体采用何种方式，可以根据应用目的及使用环 境来进行选择。例如在野外环境下，缺少有线网络接口，这时可以采用无线传 输设备实现：如果使用环境中有方便的以太网络接口，则使用以太网络功能来 传输语音数据。 2 2r s 一2 3 2 串口通信标准 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 全 称是e i a r s 一2 3 2 c 标准。它是1 9 6 9 年由e i a 联合贝尔、调制解调器厂家及计算 机终端生产厂商共同制定的用于串行通信的标准。它的全名是“数据终端设备 ( d t e ) 和数据通信设备( d c e ) 之间的串行二进制数据交换接口技术标准”。 r s 一2 3 2 是一个全双工的通讯协议，它可以同时进行数据接收和发送的工作。 r s 2 3 2 的端口通常有两种：9 针( d b 9 ) 和2 5 针( d b 2 5 ) 。3 。 在r s 一2 3 2 的应用中，常见的通讯方式是三线式，这种方式是将两个r s2 3 2 设备的发送端( t x d ) 和接收端( r x d ) 及接地端( g n d ) 互相连接，即分别将两端的 r s 2 3 2 接口的2 - - 3 ，3 - - - 2 ，5 ( 7 ) 5 ( 7 ) 针脚连接起来。其中2 是数据接收端 ( r x d ) ，3 是数据发送端( t x d ) ，5 ( 7 ) 是接地( g n d ) 。用三线式可以将大多数的 r s 一2 3 2 设备连接起来。 d b 9 和d b 2 5 的常用针脚定义见表2 1 四川人学硕士学位论文 表2 1 串口的常用针脚定义 d b - 2 5d b 一9 信号名称方向 含义 2 3 t x d 输出数据发送端 32 r x d 输入数据接收端 47r t $ 输出请求发送( 计算机要求发送数据) 5 8 c t s 输入清除发送( m o d e m 准备接收数据) 66 d s r 输入数据设备准备就绪 75s g 信号地 81d c d 输入数据载波检测 2 04d t r 输出数据终端准备就绪( 计算机) 2 29r i 输入响铃指示 需要说明的是r s 一2 3 2 c 标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在d t e 立场上，而不是站在d c e 的立场来定义的 典型的r s 一2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输 出正电平十5 + 1 5 v 表示逻辑0 ，负电平在一5 一1 5 v 电平表示逻辑“1 ”。当无 数据传输时，线上为t t l ，从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 一2 3 2 电平再返回t t l 电平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与一3 - - 一1 2 v 。由于发 送电平与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差，再加t 双 绞线上的分布电容，其传送距离最大为约1 5 米。r s2 3 2 是为点对点( 即只用一 对收、发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。 2 3t o p i p 协议 t c p i p 协议是一组包括t c p 协议和i p 协议，u d p 协议、i c m p ( i n t e r n e t c o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 协议和其他一些协议的协议组。它是i n t e r n e t 最 基本的协议。 2 3 1t o p i p 协议分层 t c p i p 通讯协议采用了4 层的层级结构，这4 层分别为“： 应用层：应用程序问互通的层，如简单电子邮件传输( s m t p ) 、文件传输协 叫川1 人学硕士学位论文 议( f t p ) 、网络远程访问协议( t e l n e t ) 等。 传输层：它的功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话。这 里定义了两个端到端的协议。一个是面向连接的传输控制协议( t c p ) ，另一个 是不可靠的、无连接的用户数据报协议( u d p ) 。t c p 和u d p 给数据包加入传输数 据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接 收。 互联网络层：这一层也被称作网际层，它是整个体系结构的关键部分。它 负责提供基本的数据封包传送功能，让每一个数据包都能够到达目的主机( 但 不检查是否被正确接收) ，它定义了正式的分组格式和协议，即网际协议( i p ) 。 网络接口层：有时也称作数据链路层或链路层，通常包括操作系统中的设 备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何 传输媒介) 的物理接口细节。在t c p i p 协议簇中，链路层的协议比较多，它决 定了网络形态，但很多都不是专门为t c p i p 设计的。常用的链路层协议包括： 以太网协议、p p p 协议、帧中继协议、a t m 等。 t c p i p 协议采用的分层模型及协议如表2 2 所示： 表2 2t c p i p 协议采用的分层模型及协议 应用层( a d p l i c a t i o n ) h t t p 、t e l n e t 、f t p 、s m t p 、s n m pi 传输层( t r a n s p o r t ) t c p 、u d p l 网际层( i n t e r n e t )i p ( a r p 、r a r p 、i c m p ) 网络接口层( n e t w o r k ) e t h e r n e t 、x 2 5 、s l i p 、p p p t c p i p 协议采用分层结构，因此，数据报文也采用分层封装的方法。如图 2 1 所示，在发送端，数据由应用程序产生，它被封装在传输层的段中，该段再 封装到网络层报文包中，网络层报文包再封装到数据链路帧，以便在所选的网 络介质上传送。当接收端系统接收到数据时，是解封装过程。当数据沿着协议 栈向上传递时，首先检查帧的格式，决定网络类型，去掉帧的格式，检查内含 的报文包，决定传输协议。数据由某个传输层处理，最后数据递交给正确的应 用程序。 四川大学硕卜学位论史 应用层 传输层 i p 层 _ 曩网缀_ 毒 溪鬻董 j “| 用户数据 o 7 f c p 段 o i p 包 0 实际物理 网络的帧 p d d a t a 用户数据 口 g m e n t t c p 段 口 f r a m e b i t 日 实际传输 图2 1t c p i p 数据流封装过程 应用层 传输层 i p 层 攀i l 蒺攀j ； 2 3 2t o p i p 协议报头 在t c p i p 协议中，各层都有专用的报头。典型的以太网帧格式如图2 2 所 示。 报头l 目的地址l 源地址l 帧类型 l 数据 l c r c 8 字节l 6 字节 l6 字节l 2 字节 l4 6 1 5 0 0 字节l4 字节 图2 2 以太网帧格式 8 字节的报头用于帧同步，c r c 域用于帧校验。它们由网卡芯片自动添加。 目的地址和源地址是指网卡的物理地址，即m a c 地址，具有唯一性。帧类型或 协议类型是指数据包的高级扔议，如0 x 0 8 0 6 表示a r p 协议，0 x 0 8 0 0 表示i p 协 议等。 i p 数据报头格式如图2 3 ”1 所示。 四川大学硕士学位论文 版本i h l服务类型总长 标识 标志分段偏移 生命期协议头校验和 源地址 目的地址 选项 图2 3i p 报头的组成 使用嵌入式系统实现t c p i p 协议要作一些技术处理，不考虑数据分片和优 先权。【司此，在这里我们不讨论服务类型和标志偏移域，只需填0 即可。 协议“版本”为4 ，“头长度”单位为3 2 b i t ，“总长度”以字节为单位，表示 整个i p 数据报长度。“标识”是数据包的i d 号，用于识别不同的i p 数据包。 “生存时间”t t l 是个数量级的概念，防止无用数据包一直存在网络中。一般 每经过一个路由器时减1 ，因此通过t t l 可以算出数据包到达目的地所经过的 路由器个数。“扔议”域表示创建该数据包的高级协议类型。如1 表示i c m p 协议，6 表示t c p 协议，1 7 表示u d p 协议等。i p 数据包为简化数据转发时间， 仅采用头校验的方法，数据正确性由高层协议保证。 在t c p i p 模型中，u d p 为网络层以下和应用层以上提供了一个简单的接口。 u d p 只提供数据的不可靠传送，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去， 就不保留数据备份( 所以u d p 有时候也被认为是不可靠的数据报协议) 。o d p 在 i p 数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验( 字段) 。 如图2 4 ”。所示，u i ) p 首部字段由4 个部分组成，其中两个是可选的。各 1 6 一b i t 的源端口和目的端口用来标记发送和接收的应用进程。因为u d p 不需要 应答，所以源端口是可选的，如果源端口不用，那么置为零。在目的端口后面 是长度固定的以字节为单位的长度域，用来指定1 j o p 数据报包括数据部分的长 度，长度最小值为8 。首部剩下的1 6b i t 是用来对首部和数据部分一起做校验和 的，这部分是可选的，但在实际应用中一般都使用这功能脚。 四i i 大学硕十学位论文 u d p 源端口u d p 源端口 ( 1 6 一b i t )( 1 6 一b i t ) u d p 长度u d p 校验和 ( 1 6 一b i t )( 1 6 一b i t ) u d p 数据 图2 4 u d p 数据 由于缺乏可靠性，u d p 应用一般必须允许一定量的丢包、出错。有些应用， 比如t f f p ，可根据需要在应用层增加可靠机制。但是绝大多数u d p 应用都不需 要可靠机制，甚至可能因为引入可靠机制而降低性能。流媒体s t r e a m i n gm e d i a 、 实时多媒体游戏和v o i c eo v e ri p ( v o i p ) 就是典型的u d p 应用。如果某个应用 需要很高的可靠性，那么可以用传输控制协议t c p 来代替u d p 。例如有相当实际 应用价值的低速率语音在以太网中的传输就是基于u d p 的。 典型网络上的众多使用u d p 协议的关键应用在一定程度上是相似的。这些 应用包括域名系统d o m a i nn a m es y s t e m ( d n s ) 、简单网络管理协议s i m 口l e n e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c o l ( s n m p ) 、动态主机配置协议d y n a m i oh o s t c o n f i g u r a t i o n p r o t o c o l ( d h c p ) 和路由信息协议r o u t i n g i n f o r m a t i o n p r o t o c o l ( r i p ) 等等。 2 4 语音编码器 随着信息社会和通信技术的高速发展，频率资源越来越宝贵。人们通过增 加信道的传输带宽或降低信道的传输码率来改变频率资源匮乏所带给人们的不 便a 其中，语音编码器就是这一问题的解决方案之。语音编码器是指压缩语 音信号的数字表示而使表达这些信号所需的比特需求量减小。具体来讲，所谓 语音编码就是将音源设备来的模拟语音信号通过a d 转换器进行数字化采样， 然后再将这些采样值进行有效的压缩编码，使之成为数字比特流，用于传输或 存储。相应的语音解码器接收到这些数字比特流后，将其解压缩还原成数字化 四川大学硕士学位论文 的语音采样值，然后通过d a 转换器和扬声器将这些采样值还原成模拟的语卢 信号。 语音编码质量是衡量语音编码算法优劣的关键性能之一，一般有两类方法： 主观评价法和客观评价法”旧。语音主观评价主要采用的是统计的方法，对高质 量的语音通常要求考虑语音质量的各种因素，例如清晰度和自然度等。对其评 价和测量通常用平均意见打分的办法，主要方法是m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) 。 m o s 得分通常采用从卜5 的5 级评分标准，级别越高，语音质量越好。常用的客 观评价法可以分为时域和频域失真的测量。对于时域失真，通常采用信噪比作 为测量方法；对于频域失真，通常采用频谱失真和包络失真作为评价方法”3 。 编码速率用“比特秒”( b i t s 或b p s ) 来度量，它代表了编码的总速率。 编解码的复杂度和语音编码的话音质量有密切的联系。在相同比特率的条 件下，复杂的编解码算法获得的语音质量较好。同时，复杂的编解码算法也增 加了硬件实现的复杂度、功耗和成本。 一般来说编解码的算法越复杂，造成的语音延时越大，延时太大时，将会 降低传输质量。 语音编码器主要有三种不同形式，即波形编码、参数编码和混合编码。每 种形式根据其比特率，复杂度以及语音质量的不同而各有其优缺点。 241 波形编码 波形编码方式是最早的音频数码压缩和编解码方式，它直接对音频波形进 行量化并在解码器端还原成原来的语音波形，力图使重建语音波形保持原语音 信号的波形形状，它通常将语音信号作为一般的波形信号来处理，具有适应能 力强、话音质量高等优点，但它产生的的比特率高，通常在1 6 6 4 k b p s 的速率 上有较高的编码质量，当速率降低时，其性能会显著下降”1 。 简单的p c m 波形编码器即是通过将每一采样值量化成一固定的数来实现上 述功能的。假设每个采样值用8 比特( 2 5 6 个量化级) 编码，采样频率为8 k h z ， 则总的数据传输速率为6 4 k b p s 。 常见的波形编码算法有p c h l ( 脉冲编码调制算法) 、a d p c m ( 自适应差分p c m 算法) 、a d m ( 自适应增量调制算法) 等8 1 。这类算法具有声音自然度和保真度高 的优点，缺点是数据存储量大。国际电信联盟电信标准部( i t ut ) 制定的常用语 阴川大学硕士学位论文 音编码标准如表2 3 所示。 表23 语音编码标准【8 “o “9 7 1 比特率 标准编码类掣 m o s 复杂性时延( m s ) ( k b p s ) g 7 l l p c i v l6 44 310 1 2 5 g7 2 6a d p c 艟 3 2 4 01 0o 1 2 5 g 7 2 8l d c e l p1 64 o5 006 2 5 g s mr a el p t1 33 752 0 g 7 2 9c s a c e l p 84 o 3 0 1 5 g7 2 3 ，1a c e l p6 33 82 53 7 5 注：g7 2 6 是g 7 2 1 和g 7 2 3 的联台，在采用t g7 2 6 以后，从当前的i t u 标准目录中删掉了g 7 2 1 和g 7 2 3 建改。 以i t ug ，7 2 6 标准为例，其算法采用了a d p c m ，数据压缩后存取速率为3 2 k b p s ， 声音保真度和自然度都相当理想，频率响应范围可达l o k h z ，对于保留音乐和歌 曲的旋律、节奏特点没有问题。但是高达3 2 k b p s 的存取速率。又对其选用的存 储器产生了限制，一片4 m 位的存储器只能存1 2 5 秒的语音内容，如果采用捧电后 可保留的存储器，女n f l a s h 、e p r o m 等，要实现长时间录音，成本就太高了。凶 此，采用a d p c m 方式的电路实现长时间录音，通常要选用d r a m ，甚至更廉价的a r a l l 作为存储器”1 。 波形编码可以选择的芯片有t c 8 8 3 l f 、d s 2 1 3 2 a q 、m s m 6 2 5 8 等。像目前市场 上常见的t c 8 8 3 1 f 芯片，采用了a d p c m 算法，音质较优良。如果通过串并转换电 路和m c u 控制，用t c 8 8 3 1 f 实现外接4 片, n 8 片1 6 m 位d r a m ，就可实现高音质、低价 格的长时间数码录音电路，录音时间可分别达到3 6 分钟和7 2 分钟。但是，由于 d r a m 存储器是易失性器件，一旦断电将丢失全部录音，因此，不适于对其录音 做高可靠、长时间的保留。 从最新的国际流行音频产品来看，波形编码方案由于近一时期大容量 f l a s h r a m 存储器的快速发展而又重新处于重要地位，内置6 4 m b f l a s h r a m 的全数 网川大学硕十学位论文 码录音机可录音4 个多小时。波形编码方案不仅具有良好音质，而且其录音文件 能方便地与p c 电脑自由交换。 24 2 参数编码 参数编码通过语音信号的数学模型对语音信号特征参数( 主要是指表征卢 门振动的激励参数和表征声道特性的声道参数) 进行提取和编码，力图使重建 语音信号具有尽可能高的可懂性，并保持原语音的语意，这样一来，重建语音 信号的波形和原始语音信号波形就会有很大的差别。但是其编码速率可以很低， 可低至1 2 2 4 k b p s 。基于这种编码技术的编码系统一般称为声码器，它主要 用于窄带信道上的4 8 k b p s 以下的低数率语音通信”1 。 与波形编码器相反，基于模型的语音编码器采用参数模型去逼近短的语音 段( 如l o 4 0 m s 的语音段) 。每一个语音段采用一套模型参数，并将其转换成比 特流。解码器将上述比特流还原成模型参数，然后将这些模型参数合成为近似 于原始语音的信号。 该种解决方案并未试图去再生原始的语音样值，而只是通过预估的模型参 数去近似。采用模型参数可使语音编码器运行于较低的数据速率( 小于8 k b p s ) ， 但为了获得良好的性能则需要精确的语音模型。早期的语音编码器，如信道语 音编码器、同态语音编码器及l p c 语音编码器都具有在中低速率下产生智能语音 信号的能力”1 。 参数编码方式是指对语音分析后将音调、共振峰、频谱、发音域函数等语 音特征参数记录下来，然后根据这些特征将声音再合成重现，其最大的优点在 于可以以较小的数据存储量实现长时间数码录音。参数编码方式包括l p c ( 线性 预测编码) 、m e l p ( 混合激励线性预测编码) 、c e l p ( 码激励线性预测编码) 、 m b e ( 多频段激励编码) 。l p c 方式用1 6 k b p s 的存取速率就能完成语音编码，但 是声音自然度和保真度不理想。m e l p 方式存取速率为2 4 k b p s 和3 2 k b p s ，声音 自然度和保真度较l p c 有了一定的改进，但仍有明显的不自然感觉。c e l p 方式具 有了较逼真的语音效果，特别是在1 3 2 k b s p 或9 6 k b p s 高码率情况下，基本上能 反映所录语音的特点。c e l p 在较低码率( 如4 8 k b p s 或5 2 k b p s ) 情况下，作为 般语音记录或通信可以达到要求，声音自然度也还可以接受。m b e 是由美国麻省 理工学院最新发展的编码方法，其码率可以在2 4 9 6 k b p s 范围内由用户选择， 四川大学硕士学位论文 语音自然度和保真度要比其他编码方式高个等级，应该说是目前最好的参数 编码方式。 基于模型的编码器的发展对一些领域产生了很大的影响，如无线通信、语 声存储及数字电话。这些领域都需要高质量的语音和高的带宽利用率。比如d v s i 推出的a m b e ( a d v a n c e dm u l t i - b