專(zhuān)利名稱(chēng)：一種數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在語(yǔ)音與低速數(shù)據(jù)混合通訊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)2100Hz數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)的方法和設(shè)備，屬于通訊領(lǐng)域中的信號(hào)音檢測(cè)技術(shù)。
G.168與G.165是國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)提出的關(guān)于回波抵消的協(xié)議。其中規(guī)定，符合該協(xié)議的回波抵消器中應(yīng)裝備音檢測(cè)器，該音檢測(cè)器應(yīng)在當(dāng)檢測(cè)到含有周期性反轉(zhuǎn)相位的2100Hz信號(hào)音的信號(hào)時(shí)，能夠關(guān)閉回波抵消器，而任何其它帶內(nèi)信號(hào)，如語(yǔ)音和無(wú)相位反轉(zhuǎn)的2100Hz信號(hào)，都不可以關(guān)閉回波抵消器。例如當(dāng)通話(huà)雙方以MODEM等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊之前，雙方終端均會(huì)發(fā)送周期性反轉(zhuǎn)相位的2100Hz信號(hào)音，需要關(guān)閉回波抵消器。
G.168、G.165、V.25與V.8等協(xié)議中規(guī)定，回波抵消器禁止音發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)為頻率范圍2100Hz±15Hz，持續(xù)時(shí)間2.6秒～4.0秒，每隔450毫秒±25毫秒發(fā)生一次相位反轉(zhuǎn)，在1毫秒內(nèi)相位變化達(dá)到180°±10°。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為頻率范圍2100Hz±21Hz，電平范圍-31dBm0～-6dBm0，當(dāng)每隔450毫秒±25毫秒發(fā)生一次相位反轉(zhuǎn)并且相位變化在180°±25°時(shí)能檢測(cè)到，若相位變化在0°～±110°間需保證檢測(cè)不到，動(dòng)作時(shí)間在1秒以?xún)?nèi)(以保證能檢測(cè)到2100Hz音并至少產(chǎn)生2次相位反轉(zhuǎn))，錯(cuò)誤率應(yīng)達(dá)到每100小時(shí)內(nèi)不超過(guò)10次。
音檢測(cè)器主要包括兩部分，一是2100Hz頻率的檢測(cè)，二是每450毫秒發(fā)生的相位反轉(zhuǎn)的檢測(cè)。第一部分的解決方案目前已很成熟、全面，且較簡(jiǎn)便、可靠，而第二部分的解決方案卻見(jiàn)之甚少。就目前所知的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法主要為反正切法、相關(guān)法、積分法、過(guò)零檢測(cè)法等常規(guī)方法，雖能解決問(wèn)題，但往往過(guò)于復(fù)雜或可靠性不高。例如，美國(guó)專(zhuān)利6259750為積分法，5528632為雙相關(guān)法，都較為復(fù)雜。由于該信號(hào)檢測(cè)在通話(huà)過(guò)程中需一直進(jìn)行，若算法過(guò)于復(fù)雜，必然浪費(fèi)大量的處理器資源，而且，相位反轉(zhuǎn)的產(chǎn)生方式很多，協(xié)議并無(wú)硬性規(guī)定，例如可采用頻率突變、相位連續(xù)的方式在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到相位反轉(zhuǎn)，也可采用頻率不變、相位漸變等方式達(dá)到相位反轉(zhuǎn)，這些常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法良好適應(yīng)各種相位反轉(zhuǎn)方式。
本發(fā)明提供了一種數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，包括記憶單元A、B、C，乘法器D、E，加法器F以及判決器G；記憶單元A、B、C依次連接，分別用于延時(shí)并存放設(shè)定的三個(gè)采樣點(diǎn)的輸入量化數(shù)字信號(hào)；乘法器D的輸入端與記憶單元B的輸出端和采樣輸入x(k)相連；乘法器E的輸入端與記憶單元A的輸出端和記憶單元C的輸出端相連；加法器F的輸入端與乘法器D的輸出端和乘法器E的輸出端相連；判決器G的輸入端與加法器F的輸出端相連，將加法器F的輸出值與判決器G的限值對(duì)比，判斷出是否發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。
對(duì)于相位突變引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判決器G限值的取值范圍為-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
對(duì)于頻率突變引起的相位反轉(zhuǎn)或未知方式引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判決器G限值的取值范圍為sin218°A02～sin313°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
在所述判決器G限值的取值范圍內(nèi)可以設(shè)定一組上、下限值，對(duì)于在上下限值之間的情況可判斷為相位可能發(fā)生反轉(zhuǎn)或可能未發(fā)生反轉(zhuǎn)。
本發(fā)明所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟是第一步，以采樣頻率為8kHz進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采樣的序列x(k)k＝-0，1，2，3...輸入經(jīng)過(guò)三個(gè)記憶單元A、B、C的延遲；第二步，將采樣序列x(k)和記憶單元B作為輸入信號(hào)連接到乘法器D，記憶單元A和C作為輸入信號(hào)連接到乘法器E，再把乘法器D和E作為輸入信號(hào)連接到加法器F；第三步，把加法器F中的輸出結(jié)果送到判決器G中進(jìn)行判斷，若加法器F的結(jié)果大于判決器G的限值，則判斷相位未發(fā)生反轉(zhuǎn)；若加法器F的結(jié)果小于判決器G的限值，則判斷相位發(fā)生反轉(zhuǎn)。
對(duì)于相位突變引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判決器G限值的取值范圍為-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
對(duì)于頻率突變引起的相位反轉(zhuǎn)或未知方式引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判決器G限值的取值范圍為sin218°A02～sin313°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
在所述判決器G限值的取值范圍內(nèi)可以設(shè)定一組上、下限值，對(duì)于在上下限值之間的情況可判斷為相位可能發(fā)生反轉(zhuǎn)或可能未發(fā)生反轉(zhuǎn)；如果大于上限值，則判斷相位未發(fā)生反轉(zhuǎn)，如果小于下限值，則判斷相位發(fā)生反轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法充分利用8kHz采樣得到的2100Hz數(shù)字單音信號(hào)各采樣點(diǎn)間相位差的特點(diǎn)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了對(duì)2100Hz信號(hào)音相位反轉(zhuǎn)的檢測(cè)，簡(jiǎn)單、有效、運(yùn)算量極低。由于信號(hào)幅度A0的估計(jì)在頻率檢測(cè)過(guò)程中必須完成，因而使用該方法對(duì)每一采樣點(diǎn)只需做二次乘法和一次加法運(yùn)算，僅需三個(gè)記憶單元、兩個(gè)乘法器、一個(gè)加法器和一個(gè)判別器即可，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)復(fù)雜、適應(yīng)性差、可靠性低等不足之處，既可使用DSP、通用處理器實(shí)現(xiàn)，也可使用FPGA很方便地實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)精度完全符合國(guó)際電聯(lián)相關(guān)協(xié)議的要求，可方便地應(yīng)用于語(yǔ)音與低速數(shù)據(jù)混合通訊系統(tǒng)中。本發(fā)明方法可靠性高，大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，在各種常見(jiàn)用戶(hù)通話(huà)環(huán)境下，等效誤檢率達(dá)到了每100小時(shí)不超過(guò)2次。
在數(shù)字式電話(huà)交換網(wǎng)絡(luò)中，語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)都是以8kHz的樣點(diǎn)量化值為單位進(jìn)行傳輸?shù)?。設(shè)x(k)為8kHz采樣的2100Hz信號(hào)音，則x(k)＝A0·cos(2πf0kTs+α0)k＝0，1，2，3，…………………(1)公式(1)中，A0為幅度，α0為初相，f0＝2100Hz±21Hz，Ts＝1/8000s為采樣周期，k為采樣序號(hào)。該信號(hào)音相鄰二點(diǎn)x(k)、x(k+1)的相位分別為θ(k)、θ(k+1)，它們之間的相位差用Δθ表示，則Δθ＝θ(k+1)-θ(k)＝360°·f0·Ts……………………………(2)計(jì)算公式(2)得到其取值為93.6°≤Δθ≤95.4°。因此在無(wú)相位反轉(zhuǎn)處相鄰二采樣點(diǎn)的相位差不僅與信號(hào)的初相無(wú)關(guān)，而且近似為90°，即θ(k+1)≈θ(k)+90°……………………………………………(3)而在相位反轉(zhuǎn)處，相位差不再具有公式(3)的關(guān)系。如果相位反轉(zhuǎn)是通過(guò)相位突變實(shí)現(xiàn)的，變化量為θd，則相位突變后采樣點(diǎn)kd與其前一采樣點(diǎn)之間的相位差應(yīng)為Δθ+θd。
相位檢測(cè)時(shí)，直接由輸入信號(hào)的采樣值計(jì)算其相位很復(fù)雜，而且對(duì)DSP的精度要求也比較高。本發(fā)明巧妙回避直接的相位計(jì)算，充分利用2100Hz數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)之間相位差的特殊關(guān)系實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)。其核心在于，除相位反轉(zhuǎn)前一點(diǎn)外，無(wú)論是否是相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)，均可以用下式近似估計(jì)相鄰二點(diǎn)相位差的正弦值sin(θ(k)-θ(k-1))]]>=sin(θ(k))·cos(θ(k-1))-cos(θ(k))·sin(θ(k-1))]]>≈-cos(θ(k+1))·cos(θ(k-1))-cos(θ(k))·cos(θ(k-2))]]>=1A02[-x(k+1)·x(k-1)-x(k)·x(k-2)]---(4)]]>相位反轉(zhuǎn)時(shí)該相差正弦值在-1附近，其余情況則在1附近，具體的取值情況在后面說(shuō)明。而對(duì)于相位反轉(zhuǎn)前一點(diǎn)，采用公式(4)右邊的計(jì)算方式，結(jié)果在-1～1之間不定，所以可以提前檢測(cè)出相位反轉(zhuǎn)。
根據(jù)G.168協(xié)議要求，當(dāng)θd為180°±25°時(shí)，認(rèn)為是合格的2100Hz信號(hào)音；當(dāng)θd為0°±110°時(shí)，認(rèn)為是不合格的2100Hz信號(hào)音。對(duì)于合格的2100Hz信號(hào)音，Δθ的取值范圍為93.6°≤Δθ≤95.4°。由于相位突變點(diǎn)與其前一點(diǎn)之間的相位差為Δθ+θd，所以合格與不合格2100Hz信號(hào)的Δθ+θd取值范圍分別為(248.6°，300.4°)與(-16.4°，205.4°)，Δθ+θd與其正弦量之間的關(guān)系如

圖1所示。從圖1中可以看出允許檢測(cè)和不允許檢測(cè)二個(gè)區(qū)域是可分的正弦值小于sin300.4°則檢測(cè)為相位反轉(zhuǎn)，正弦值大于sin205.4°則檢測(cè)為相位未反轉(zhuǎn)。正弦值在sin205.4°～sin300.4°之間可檢測(cè)也可不檢測(cè)，這給檢測(cè)留有足夠的調(diào)整余地。
所以可以通過(guò)如圖2所示的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，記憶單元A、B、C分別緩存采樣信號(hào)x(k-1)，x(k-2)，x(k-3)，可以檢測(cè)x(k-1)點(diǎn)是否為相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)(即相位反轉(zhuǎn)發(fā)生在k-1和k-2之間)。對(duì)于x(k-1)點(diǎn)，公式(4)右邊的x(k)·x(k-2)+x(k-1)·x(k-3)可以采用圖2中的乘法器D、E和加法器F實(shí)現(xiàn)，在判決器中可以將限值設(shè)定在-sin205.4°A02～-sin300.4°A02即可。還可以在-sin205.4°A02～-sin300.4°A02內(nèi)設(shè)定一組上下限值，對(duì)于加法器的輸出在上下限值之間時(shí)，判斷相位可能發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，也可能未發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。
另外，實(shí)際MODEM發(fā)出的2100Hz信號(hào)音可能不是通過(guò)相位突變實(shí)現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)的，而是通過(guò)短時(shí)間變化信號(hào)頻率，經(jīng)過(guò)幾個(gè)采樣周期達(dá)到相位反轉(zhuǎn)的，只要此過(guò)程在1毫秒內(nèi)完成即可，或者未知是什么方式引起相位反轉(zhuǎn)時(shí)，這些情況下仍可以采用本發(fā)明方法，只需估計(jì)間隔多點(diǎn)的相位差的正弦值。由于相鄰采樣點(diǎn)相位差只是近似90°，如對(duì)于2100Hz±15Hz信號(hào)，相鄰采樣點(diǎn)的相位差為93.6°≤Δθ≤95.4°，其中心點(diǎn)是94.5°，所以為避免引入積累誤差(4.5°的倍數(shù))，采用下式估計(jì)sin(θ(k)-θ(k-20))]]>=sin(θ(k))·cos(θ(k-20))-cos(θ(k))·sin(θ(k-20))]]>≈cos(θ(k-1))·cos(θ(k-20))+cos(θ(k))·cos(θ(k-19))]]>=1A02[x(k-1)·x(k-20)+x(k)·x(k-19)]---(5)]]>當(dāng)沒(méi)有發(fā)生相位反轉(zhuǎn)時(shí)，公式(5)中20個(gè)采樣點(diǎn)間的相差范圍為(93.6°～95.4°)*20＝72°～108°，如果相位反轉(zhuǎn)發(fā)生在k和k-20之間，則合格與不合格2100Hz信號(hào)的相位差分別為(227°～313°)與(-38°～218°)，所以正弦值小于sin313°則檢測(cè)為相位反轉(zhuǎn)，正弦值大于sin218°則檢測(cè)為相位未反轉(zhuǎn)。正弦值在sin218°～sin313°之間可檢測(cè)也可不檢測(cè)，這給檢測(cè)留有足夠的調(diào)整余地。
應(yīng)注意的是，對(duì)于在不足20個(gè)采樣周期內(nèi)即完成相位反轉(zhuǎn)的情況，將在連續(xù)幾個(gè)采樣周期內(nèi)檢測(cè)到相位反轉(zhuǎn)，這時(shí)應(yīng)認(rèn)為是一次相位反轉(zhuǎn)。
結(jié)合附圖3詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例。圖3是回波抵消器部件內(nèi)的回波抵消器開(kāi)關(guān)控制部分的示意流程圖?；夭ǖ窒鞯妮斎胄盘?hào)為8kHz采樣的數(shù)字信號(hào)，程序先使用DFT等方法檢測(cè)輸入信號(hào)中是否含有合格的2100Hz信號(hào)，在此同時(shí)也計(jì)算出了2100Hz頻率分量的電平值，若沒(méi)有，則回波抵消功能保持打開(kāi)，并繼續(xù)檢測(cè)后續(xù)輸入信號(hào)中是否含有2100Hz信號(hào)。若有，則使用本發(fā)明的方法(如圖2所示)判別2100Hz信號(hào)是否含有相位反轉(zhuǎn)，若沒(méi)有，則回波抵消功能保持打開(kāi)，并繼續(xù)檢測(cè)后續(xù)輸入信號(hào)中是否含有2100Hz信號(hào)；若有相位反轉(zhuǎn)，則將回波抵消器功能關(guān)閉，此后系統(tǒng)將切入數(shù)據(jù)通訊模式。實(shí)驗(yàn)證明，采用本發(fā)明的方法和設(shè)備非常有效，運(yùn)算量極低，大大減少了處理器開(kāi)銷(xiāo)，可靠性很高，等效誤檢率達(dá)到了每100小時(shí)不超過(guò)2次。
以上詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明方法在回波抵消器中的具體應(yīng)用，但這不應(yīng)被視為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明方法同時(shí)還可適用于其它與此具有類(lèi)似特征的信號(hào)的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，包括記憶單元A、B、C，乘法器D、E，加法器F以及判決器G；記憶單元A、B、C依次連接，分別用于延時(shí)并存放設(shè)定的三個(gè)采樣點(diǎn)的輸入量化數(shù)字信號(hào)；乘法器D的輸入端與記憶單元B的輸出端和采樣輸入x(k)相連；乘法器E的輸入端與記憶單元A的輸出端和記憶單元C的輸出端相連；加法器F的輸入端與乘法器D的輸出端和乘法器E的輸出端相連；判決器G的輸入端與加法器F的輸出端相連，將加法器F的輸出值與判決器G的限值對(duì)比，判斷出是否發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，對(duì)于相位突變引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判決器G限值的取值范圍為-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，對(duì)于頻率突變引起的相位反轉(zhuǎn)或未知方式引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判決器G限值的取值范圍為sin218°A02～sin313°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，在所述判決器G限值的取值范圍內(nèi)可以設(shè)定一組上、下限值，對(duì)于在上下限值之間的情況可判斷為相位可能發(fā)生反轉(zhuǎn)或可能未發(fā)生反轉(zhuǎn)。
5.一種數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟是第一步，以采樣頻率為8kHz進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采樣的序列x(k)k＝0，1，2，3...輸入經(jīng)過(guò)三個(gè)記憶單元A、B、C的延遲；第二步，將采樣序列x(k)和記憶單元B作為輸入信號(hào)連接到乘法器D，記憶單元A和C作為輸入信號(hào)連接到乘法器E，再把乘法器D和E作為輸入信號(hào)連接到加法器F；第三步，把加法器F中的輸出結(jié)果送到判決器G中進(jìn)行判斷，若加法器F的結(jié)果大于判決器G的限值，則判斷相位未發(fā)生反轉(zhuǎn)；若加法器F的結(jié)果小于判決器G的限值，則判斷相位發(fā)生反轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，其特征在于，對(duì)于相位突變引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判決器G限值的取值范圍為-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，其特征在于，對(duì)于頻率突變引起的相位反轉(zhuǎn)或未知方式引起的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)，三個(gè)記憶單元A、B、C分別保存得到量化的數(shù)字信號(hào)x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判決器G限值的取值范圍為sin218°A02～sin313°A02，A0為采樣輸入信號(hào)的幅值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，其特征在于，在所述判決器G限值的取值范圍內(nèi)可以設(shè)定一組上、下限值，對(duì)于在上下限值之間的情況可判斷為相位可能發(fā)生反轉(zhuǎn)或可能未發(fā)生反轉(zhuǎn)；如果大于上限值，則判斷相位未發(fā)生反轉(zhuǎn)，如果小于下限值，則判斷相位發(fā)生反轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字信號(hào)音的相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)方法和設(shè)備，不采用直接的相位計(jì)算，而是利用2100Hz數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)之間相位差的特殊關(guān)系并通過(guò)合理的估算實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)。對(duì)每一采樣點(diǎn)只需做二次乘法和一次加法運(yùn)算，僅需三個(gè)記憶單元、兩個(gè)乘法器、一個(gè)加法器和一個(gè)判別器即可實(shí)現(xiàn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)復(fù)雜、適應(yīng)性差、可靠性低等不足之處，既可使用DSP、通用處理器實(shí)現(xiàn)，也可使用FPGA很方便地實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)精度完全符合國(guó)際電聯(lián)相關(guān)協(xié)議的要求，可方便地應(yīng)用于語(yǔ)音與低速數(shù)據(jù)混合通訊系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H04L29/02GK1464647SQ02112090
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者樊榮虎, 饒俊陽(yáng), 吳紅文, 邱曉暉 申請(qǐng)人:深圳市中興通訊股份有限公司