專利名稱：通過數字通信網絡的語音信道傳送數字數據的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信，更具體地說涉及通過數字無線網絡“帶內”的語音信道傳送 數字數據的系統(tǒng)。
背景技術：
蜂窩電話機允許用戶與另ー用戶交談，而不必束縛于“陸線”。蜂窩電話機包括從用戶的語音抽取語音信號樣本的電路。利用A-D轉換器，這些語音信號被轉換成數字形式。數字化的語音信號被語音編碼器編碼，隨后被調制到載波頻率上，所述載波頻率通過蜂窩網絡傳送該語音信號。語音信號通過無線蜂窩網絡被發(fā)送給無線蜂窩網絡中的另ー電話機或者被發(fā)送給陸線電話網絡中的另ー電話機。在蜂窩和陸線電話網絡中使用不同的編碼器/解碼器(編譯碼器)、調制器、語音編碼器、自動增益控制器(AGC)、摸-數轉換器(A/D)、降噪電路和數-模轉換器(D/A)。這些電話組件可實現用于對語音信號編碼和解碼的不同編碼方案。通信組件被設計成通過無線和陸線語音通信信道有效傳送語音信號。例如，數字語音編碼器使用預測編碼技術來表示語音信號。這些預測編碼器濾出噪聲(非語音信號)，同時在通過語音信道傳送語音信號之前，壓縮和估計語音信號的頻率分量。當諸如語音編碼器之類的語音通信設備被用于傳送數字數據時會發(fā)生問題。語音編碼器可將代表數字數據的信號解釋為非語音信號。語音編碼器可能完全濾出或者破壞這些數字數據信號。于是，不能通過用于傳送語音信號的相同數字語音信道可靠地傳送數字數據。有時用戶必須同時向另一位置既傳送語音信號又傳送數字數據。例如，當蜂窩電話機用戶呼叫“ 911”尋求緊急幫助時，用戶可能需要向呼叫中心發(fā)送數字位置數據，同時ロ頭向操作人員說明緊急情況。最好通過蜂窩電話機傳送該數字數據，而不必使用単獨的模擬無線調制解調器。因此存在通過數字無線通信網絡的語音信道傳送數字數據的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了帶內信令調制解調器通過數字無線通信網絡中的語音信道傳送數字數據。輸入端接收數字數據。編碼器將數字數據轉換成合成人類語音的頻率特征的音頻音調。數字數據還被編碼，以防止通信網絡中的語音編碼電路破壞代表數字數據的合成音頻音調。輸出端隨后將合成的音頻音調輸出給數字無線通信網絡的語音信道。根據本發(fā)明，提供了一種通過數字通信網絡的語音信道傳送數字數據的系統(tǒng)，包括
接收數字數據的輸入端；將所述數字數據轉換成音頻音調的處理器；和將所述音頻音調輸出給數字傳輸電路的輸出端，其中所述數字傳輸電路按照對語音信號編碼的相同方式對所述音頻音調編碼，并且通過所述數字通信網絡中與用于傳送語音信號相同的語音信道，傳送所述編碼后的音頻音調。


參考附圖，根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的下述詳細說明，本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。圖I表示根據本發(fā)明提供帶內信令(IBS)的無線通信網絡。
圖2詳細說明與根據本發(fā)明的一個實施例的IBS調制解調器耦接的蜂窩電話機。圖3是根據本發(fā)明的IBS調制解調器的另ー實施例。圖4詳細說明IBS調制解調器編碼器。圖5是IBS分組的示意圖。圖6是從IBS調制器輸出的數字數據音調的示意圖。圖7表示了自動增益控制器如何破壞數字數據。圖8表示了數字無線網絡如何能夠濾除數字數據音調。圖9詳細表示與IBS調制解調器解碼器耦接的接收電路。圖10是圖9中所示的IBS解碼器的狀態(tài)圖。圖11是表示IBS解碼器中的搜索狀態(tài)的方框圖。圖12是表示IBS解碼器中的激活狀態(tài)的方框圖。圖13是表示IBS解碼器中的時鐘恢復狀態(tài)的方框圖。圖14是當IBS調制解調器位于可拆卸的電池組中時的蜂窩電話機的示意圖。 圖15是表示通過IBS調制解調器與蜂窩電話機耦接的不同數據源的示意圖。圖16是表示使用聲卡的IBS調制解調器的實現的示意圖。圖17和18是表示釁16中的聲卡如何工作的方框圖。圖19是IBS調制解調器的同步電路的方框圖。圖20是圖19中的同步電路的詳細圖。圖21是表示圖19中的同步電路如何工作的計時圖。圖22表不了同步電路如何確定最佳同步開始時間。圖23是同步電路的一種備選實現。圖24是多信道IBS調制解調器的編碼器圖。圖25是多信道IBS調制解調器的解碼器圖。圖26和27表示圖24和25中所示的多信道IBS調制解調器的不同信道配置。圖28是多載波IBS調制解調器的編碼器圖。圖29是多載波IBS調制解調器的解碼器圖。
具體實施例方式參見圖1，無線通信網絡12包括從用戶23接收語音信號22的蜂窩電話機14。蜂窩電話機14中的語音編碼器18將語音信號22編碼成通過無線數字語音信道34傳送的編碼數字語音信號31(小區(qū)呼叫(cell call))。蜂窩電話機14將編碼語音信號31傳送給蜂窩通信站點(小區(qū)站點)36，所述蜂窩通信站點將小區(qū)呼叫轉播給蜂窩通信交換系統(tǒng)(CTSS)38。CTSS 38或者將小區(qū)呼叫連接到無線蜂窩網絡12中的另ー蜂窩電話機，或者作為線路交換呼叫連接到PSTN網絡42上的陸線電話機，或者作為IP語音(VoIP)呼叫通過分組交換網際協(xié)議(IP)網絡46發(fā)送該小區(qū)呼叫。該小區(qū)呼叫也可從PSTN網絡42回送給蜂窩網絡12或者從PSTN網絡42發(fā)送給IP網絡46，或者反之亦然。小區(qū)呼叫最后到達和最初在蜂窩電話機14上輸入的目的地電話號碼對應的電話機44。在蜂窩網絡12中的任意點，例如在PSTN網絡42和IP網絡46中可插入額外的數 據，并且該信號被重新調制，以便通過有線或蜂窩網絡傳輸。這種數據可以是和系統(tǒng)相關的數據，例如路由信息、長途或價目表信息等。帶內信令(IBS)調制解調器28使蜂窩電話機14能夠通過蜂窩網絡12的無線電信道34，送來自于數據源30的數字數據29。IBS調制解調器28將數字數據29調制成合成的數字數據音調26。數字數據音調26防止蜂窩網絡12和陸線網絡42中的編碼組件，例如語音編碼器18破壞數字數據。IBS調制解調器28中使用的編碼和調制方案允許通過蜂窩電話機14中使用的對語音信號22編碼的相同語音編碼器18傳送數字數據29。利用這種技術，可增強諸如自動售貨機之類的器具。合成音調被定義成代表也具有信令特性的數字數據的信號，所述信令特性使得所述信號能夠由語音編碼器進行編碼和解碼，而不會失去信號中的數字數據信息。在ー個例子中，頻移鍵控(FSK)信號被用于產生人類語音的語音范圍內不同頻率下的合成音調。IBS調制解調器28使得能夠利用相同的蜂窩電話機電路，通過相同的數字語音信道傳送語音信號22和數字數據29。這可避免用戶不得不利用単獨的無線調制解調器傳送數字數據，并且允許蜂窩電話機用戶在相同的數字無線呼叫內進行交談和發(fā)送數據。本發(fā)明將數字數據29調制成合成的語音音調。這可防止蜂窩電話機語音編碼器18過濾或破壞與數字數據29有關的ニ進制數值。相同的蜂窩電話機收發(fā)器和編碼電路被用于傳送和接收語音信號和數字數據。這使得IBS調制解調器28能夠比獨立的無線調制解調器小得多，更簡單并且能量效率更高。在一些實施例中，僅僅利用蜂窩電話機14中的現有硬件組件，完全以軟件的形式實現ISB調制解調器28。一個或多個服務器40位于無線網絡12、PSTN網絡42或IP網絡46中的任意不同位置。每個服務器40包括ー個或多個對通過數字語音信道34傳送和接收的數字數據29編碼、檢測和解碼的IBS調制解調器28。解碼后的數字數據或者在服務器40被處理，或者被發(fā)送給另ー計算機，例如計算機50。參見圖2，IBS調制解調器28的第一傳送部分包括IBS編碼器52和數模轉換器(D/A)54。一般利用數字信號處理器(DSP)實現IBS編碼器52。數據源30代表需要數字數據的無線傳送或接收的任意裝置。例如，數據源30可以是膝上型計算機、掌上型計算機或者全球定位系統(tǒng)(GPS)(參見圖15)。數據源30將數字位流29輸出給IBS編碼器52。IBS編碼器52將數字數據29轉換成專門格式化的IBS分組，以便通過數字無線語音信道傳送。IBS編碼器52隨后將ニ進制位從IBS分組轉換成數字數據音調，所述數字數據音調隨后被送入D/A轉換器54。IBS調制解調器28輸出均代表音頻音調的幅度和相位分量的ニ進制數值。D/A轉換器54將這些數字數值轉換成模擬音頻音調26，所述模擬音頻音調26隨后被輸出給蜂窩電話機14上的輔助音頻端ロ 15。蜂窩電話機14隨后處理模擬音頻音調26。蜂窩電話機14中的模數(A/D) 轉換器16將合成的模擬音頻音調26編碼成數字數值。語音編碼器18將合成音調26的數字表現編碼成編碼數字數據32，并且將編碼數據輸出給收發(fā)器19，收發(fā)器19通過數字語音信道34傳送編碼數字數據32。從D/A轉換器26輸出的合成音頻音調26的優(yōu)選電壓約為25毫伏(正負峰間幅值)。該電壓水平可防止音頻音調26使蜂窩電話機14中的語音信道電路飽和。由于數字數據29通過蜂窩電話機14中的現有輔助免手音頻端ロ 15被輸入，因此IBS調制解調器28可被安裝成可使任意數據源30與蜂窩電話機14相連的售后裝置。數據源30可以任意數字格式傳送數字數據29。例如，可通過RS-232接ロ、通用串行總線(USB)接ロ或者任意其它串行或并行接ロ發(fā)送數字數據29。圖3表示IBS調制解調器28的備選實施例。圖3中的IBS調制解調器28位于蜂窩電話機14內，并且通過利用現有的蜂窩電話機處理器或者利用其自身組件和現有蜂窩電話機組件的某些組合，以軟件的形式實現。本實施例中，蜂窩電話機14可包括從外部數據源30接收數字數據29的數據端ロ 56。在備選實施例中，數字數據源30在蜂窩電話機14內部。例如，數據源30可以是包括用于從GPS衛(wèi)星(圖14)接收全球定位數據的GPS接收器(未示出)的全球定位系統(tǒng)(GPS)芯片。一般通過利用DSP以軟件的形式實現上述圖3中的IBS編碼器52，并且可使用用于實現語音編碼器18的相同DSP。D/A轉換器54將代表數字數據29的合成音頻音調輸出給蜂窩電話機14的內部A/D轉換器16。備選實施例中的IBS編碼器52不僅將數字數據29合成為音頻音調，而且還量化數字頻率值。IBS編碼器52隨后直接將量化數據55輸入語音編碼器18。在本發(fā)明的又一個實施例中，在實現語音編碼器18的相同DSP內，完全以軟件的形式實現IBS編碼器52。語音編碼器18使用與無線通信網絡12 (圖I)相關的特定編碼方案。例如，語音編碼器18可以是將語音信號轉換成數字CDMA信號的VCELP編碼器。A/D轉換器16、D/A轉換器54和收發(fā)器19是本領域的技術人員已知的現有蜂窩電話機組件。重要的是注意ISB編碼器52能夠利用傳送語音信號的相同蜂窩電話機電路傳送數字數據29。IBS編碼器52防止A/D轉換器16、語音編碼器18或者收發(fā)器19進行的任意信號近似、量化、編碼、調制等破壞或濾除數字數據29的任意ニ進制位。圖4詳細說明了圖2和圖3中所示的IBS編碼器52。數據緩沖器58保存來自于數據源30的ニ進制位流29。分組器60將緩沖器58中的ニ進制位分割成包含IBS分組有效負載的字節(jié)。分組格式化器62添加幫助防止IBS分組有效負載的破壞的分組前置碼和后同步碼。隨后IBS調制器64利用兩個或多個不同頻率66和68調制IBS分組中的ニ進制位，以便產生數字數據音調69。
_0] 防止語音信道中數字數據的破壞蜂窩電話機語音編碼器通過利用試圖在不必發(fā)送與人類語音相關的所有信息的情況下，描述語音信號的預測編碼技術，増大語音信道中的帶寬。如果在語音信道中產生任何非自然的頻率或音調(即代表數字數據的頻率)，這些頻率可能被語音編碼器18 (圖2)否決。例如，如果數字數據音調的幅度大于正常語音信號的幅度，或者在過長的一段時間內產生相同的數字數據音調，則語音編碼器18會濾出該高幅值或者延長的頻率信號。根據數字數據音調的編碼方式，由這些非自然音頻音調代表的數字位可能部分或者整個地從語音信道中被除去。IBS編碼器52以語音編碼器不會濾出或破壞代表數字數據的音調的方式對數字數據29編碼。IBS編碼器52通過控制用于表示ニ進制位值的合成音頻音調的幅度、時間周期和模式來完成這一點。參見圖5，分組格式化器62 (圖4)將分組前置碼73和報頭75添加到IBS分組70之前。分組前置碼73包括前置碼模式72和sync模式74。檢查和78和分組后同步碼79被附到IBS分組70的后端。圖6表示從IBS調制器64 (圖4)輸出的合成數字數據音調69。IBS調制器64 (圖
4)將IBS分組70中的數字位轉換成兩種不同音調之一。第一種音調產生于fl頻率下，并代表ニ進制“I”值，第二種音調產生于f2頻率下，并代表ニ進制“O”值。在一個實施例中，Π頻率為600Hz, f2頻率為500Hz ο已確定產生代表ニ進制位值的音調的最有效頻率范圍在400Hz和1000Hz之間的某處。IBS調制器64包括用于產生代表Π和f2頻率下的不同幅度和相位值的數字數值的正弦和余弦表格。在本發(fā)明的一個實施例中，在語音信道34上以100位/秒的波特率輸出數字數據。已發(fā)現該波特率可有效防止各種各樣不同蜂窩電話機語音編碼器破壞數字音頻數據。各個Π和f2音調的正弦波開始并終止于零幅度點，并且持續(xù)10毫秒。對于每個數字數據音調,產生80個樣本。參見圖7，自動增益控制器(AGC)80是蜂窩電話機14中使用的一種編碼功能元件。AGC 80可以是位于實現語音編碼器18的相同DSP中的軟件。AGC 80按比例放大語音信號中的瞬時能量變化。存在一段時間沒有向AGC 80輸入任何語音信號時，之后跟隨包含IBS 分組70的始點的一系列音頻音調82的情況。AGC 80按比例放大位于IBS分組70始點的第一組音調82。在IBS分組70的終點之后，AGC 80還超前檢查零信號水平84，并將按比例放大位于IBS分組70終點的音調83，作為其預測縮放方案的一部分。這種縮放防止當在語音信道中發(fā)生瞬時能量變化時信號或噪聲的過分放大。如前面圖6中所示，IBS分組70的“I”和“O”位分別由音調fl和f2代表。如果這些音調被AGC 80放大，則在編碼中可能丟棄由這些頻率代表的數字位。例如，語音編碼器18可將放大后的音調看作噪聲，并將它們從語音信道中濾除。為了防止無意濾除代表數字數據的音調，圖5中的IBS分組70包括前置碼位72和后同步碼位79。前置碼位72和后同步碼位79不包含來自數據源的任意數字數據位29，但是包括一定數目的犧牲位，所述犧牲位不是檢測或對IBS分組70編碼所必需的。從而，為前置碼和后同步碼中的這些犧牲位產生的音調可被AGC 80按比例縮放或者過濾，而不會影響包含在IBS分組有效負載76中的任意數字數據。前置碼72和sync模式74中的位模式被專門格式化，以進ー步防止破壞分組有效負載76。隨機序列和/或交替的ニ進制位“I”- “O”序列被用在前置碼72和/或sync模式74中。這些交替或者隨機位模式防止蜂窩電話機語音編碼器18中的自適應過濾器(圖2)濾除代表IBS分組70中剩余ニ進制位的音調。參見圖8，自適應過濾器圍繞當前通過無線網絡傳送的頻率作出適應。例如如果當前正在傳送長周期的相同fl音調，則蜂窩電話機中使用的自適應過濾器可圍繞如過濾器86所示的fl頻譜作出適應。另ー頻率f2下的另ー短音調可緊隨長周期的Π音調之后。如果過濾器86太慢以致不能作出適應，則會從語音信道濾除頭幾個f2音調。如果濾除的f2音調代表IBS位 流中的ニ進制位，則這些ニ進制位被丟失。為了防止蜂窩電話機中的自適應過濾器丟棄ニ進制位，前置碼73的ー些部分包括隨機的或者交替的“I”- “O”位模式。這使由過濾器88所示的自適應過濾器預先作好準備。前置碼73 (圖5)試圖包括可能或者確實產生于分組有效負載76中的一部分相同位序列。例如，IBS編碼器52可超前檢查有效負載76中的位模式。隨后編碼器52可將ニ進制位的子集放入一部分前置碼中，以代表分組有效負載中的位序列。這使自適應過濾器為相同持續(xù)時間，并且以可能遵循IBS分組有效負載76中類似序列的相同Π和f2頻率做好準備。從而，自適應過濾器不太可能濾出實際代表正在傳送的數字數據的音調。圖9是接收無線電信道34中的語音和數據信號的接收電路91的方框圖。IBS調制解調器28還包括檢測并對在語音信道34中傳送的數字數據音調解碼的IBS解碼器98。接收電路91位于從小區(qū)站點36 (圖I)接收無線傳輸的CTSS 38 (圖I)處。同樣的接收電路91還位于蜂窩電話機14中。如同前面在圖2和圖3中所述那樣，IBS調制解調器28的解碼器部分可位于蜂窩電話機14外面或者可位于蜂窩電話機14之內。虛線104表示位于蜂窩電話機之外的IBS調制解調器28，虛線106表示位于蜂窩電話機之內的內置IBS調制解調器28。IBS調制解調器14可位于PSTN網絡42或者IP網絡46 (圖I)中的任意電話機位置。當IBS調制解調器28與陸線耦接時，接收電路91可不同。但是，通過經電話線的語音信道上傳送和接收合成音調，IBS調制解調器28按照相同的原理工作。無線電信道34中的信號由收發(fā)器90接收。語音編碼器92譯解接收的信號。例如，語音編碼器92可譯解在TDMA、CDMA、AMPS等中傳送的信號。D/A轉換器94將數字語音信號轉換成模擬信號。模擬語音信號隨后從音頻揚聲器17輸出。如果IBS調制解調器28在接收電路91之外，則A/D轉換器96將模擬信號重新轉換成數字信號。IBS解碼器98將代表數字數據的任意音調重新解調成數字IBS分組。分組分解器100從IBS分組70分解分組有效負載，并且將解碼后的數字數據保存在數據緩沖器102 中。圖10是說明圖9中的IBS解碼器98如何工作的狀態(tài)圖。IBS解碼器98反復對從無線電信道34接收的語音信號采樣并解碼。狀態(tài)110搜索語音信號中代表數字數據的音調。如果數字數據音調的頻率范圍內音調的信噪比(SNR)大于預定值，則IBS解碼器98進入激活狀態(tài)112。激活狀態(tài)112收集音調樣本。如果在激活狀態(tài)112內的任意時間，SNR低于激活閾值，或者在收集到足夠的音調樣本之前超吋，則IBS解碼器98返回捜索狀態(tài)110，并且再次開始搜索數字數據音調。
在收集許多祥本之后，IBS解碼器98查找識別IBS分組70中的前置碼73 (圖5)的ニ進制位。如果檢測到前置碼73，則IBS解碼器98前進到時鐘恢復狀態(tài)114。時鐘恢復狀態(tài)114與IBS分組70中的同步模式74 (圖5)同步。IBS解碼器98隨后在狀態(tài)116下對分組有效負載76解調。如果沒有找到前置碼73，則IBS解碼器98返回捜索狀態(tài)110，開始再次搜索IBS分組70的起點。IBS解碼器98解調所有的分組有效負載76，隨后進行檢查和78，作為已成功解調有效IBS分組70的最終確認?？刂齐S后返回到搜索狀態(tài)110，開始搜索下一 IBS分組70。圖11是IBS解碼器98的搜索狀態(tài)110的詳細圖。搜索狀態(tài)110使用帶內和帶外過濾。下述說明中使用的“帶內”指的是代表數字數據ニ進制“ I”值的音調(500HZ)和代表數字數據ニ進制“O”值的音調(600Hz)的頻率范圍內的音調。第一帶通濾波器118 (帶內)測量語音信道中在約400Hz-700Hz頻率范圍內的信號的能量。第二帶通濾波器120 (帶外)測量語音信道中在400Hz-700Hz范圍外的信號的能量。在方框122中計算帶內能量和帶外能量之間的信噪比(SNR)。如果在語音信道中存在 代表數字數據的音調，則帶內濾波器118測得的能量將遠大于帶外濾波器120測得的能量。如果在比較器124中SNR低于選擇的閾值，則確定語音信道中的信號是實際的語音信號或者是噪聲。如果SNR高于閾值，則IBS解碼器98確定音調代表帶內數字數據。當檢測到數字數據時，IBS解碼98前進到激活狀態(tài)112 (圖10)，開始搜索IBS分組70的起點。圖12表示IBS解碼器98的激活狀態(tài)。當在語音信道中檢測到帶內音調時，捜索狀態(tài)110通知方框130。在方框132中利用與單個ニ進制位相關的許多樣本對音頻音調的樣本開窗。在一個實施例中，獲取數字數據音調的80個樣本，并用零填充，隨后使之與離散傅里葉變換(DFT)發(fā)生聯系。第一 DFT具有代表500Hz音調的系數，并在方框134中被應用于開窗數據。如果樣本包含500Hz音調(“O” ニ進制位值)，則第一 DFT產生高相關值。第二 DFT代表600Hz音調，并且在方框136中被應用于開窗數據。如果開窗樣本包含600Hz音調(“I”ニ進制位值)，則第二 DFT產生高相關值。方框138根據500Hz DFT或600HzDFT中哪個產生最大的相關值，為開窗數據選擇ニ進制“O”或ニ進制“ I ”位值。在判定方框140中，IBS解碼器98繼續(xù)對音調解調，直到檢測到IBS分組70的前置碼為止。IBS解碼器98隨后前進到時鐘恢復狀態(tài)114 (圖13)，以便與IBS分組70中的sync模式74 (圖5)同歩。如果在能夠驗證前置碼73之前，需要解調更多的ニ進制位，則判定方框140返回方框132，并對數字數據音調的下80個樣本開窗和解調。圖13描述IBS解碼器98的時鐘恢復狀態(tài)114。在激活狀態(tài)112中檢測到IBS分組70中的前置碼73之后，時鐘恢復狀態(tài)114對與sync模式74 (圖5)相關的下一串ニ進制位解調。時鐘恢復狀態(tài)114使音調樣本和在激活狀態(tài)112中描述的相關過濾器的中心對準。這提高了對IBS分組有效負載76解調時解碼器的精度。判定方框142查找IBS分組70中的sync模式74。如果在解調下一音調之后，沒有找到sync模式74，則判定方框142在方框148中使用于對sync模式74采樣的窗ロ偏移ー個樣本。隨后判定方框150重新檢查sync模式74。如果找到sync模式74,則判定方框144確定檢測到的sync模式的功率比。該功率比代表解調器與sync模式有多同步的置信度。將該功率 比與對于不同的窗ロ移位采樣位置得到的功率比進行比較。如果該功率比大于前ー采樣位置的功率比，則在方框146中將該功率比保存為新的最大功率比。如果sync模式74的功率比小于先前測量的功率比，則在方框148中，解碼器使采樣窗ロ偏移ー個樣本位置。隨后確定移位窗ロ的功率比，并在判定方框144中將其與當前的最大功率比進行比較。移動窗ロ直到找到sync模式74的最大功率比為止。最大功率比處的窗ロ偏移值被用于使解調器相關過濾器和IBS分組報頭75中的第一位77 (圖5)的中心樣本對準。IBS解碼器89隨后跳到解調狀態(tài)116(圖10)，在解調狀態(tài)下，確定的窗ロ偏移被用于解調代表分組有效負載位76和檢查和位78的剩余500Hz和600Hz音調。解調狀態(tài)116按照和激活狀態(tài)(圖12)中相同的方式，使fl和f2音調和DFT相關。檢查和位78隨后被用作驗證已接收并準確譯解有效IBS分組的最終檢驗。圖14表示了位干與蜂窩電話機14相連的電池組中的IBS調制解調器28。免手語音信道引線200使IBS調制解調器28與蜂窩電話機14中的語音信道202耦接。開關204使來自麥克風17的語音信號或者來自IBS調制解調器28的數字數據音調與語音信道202耦接。通過蜂窩電話機14中屏幕上的菜單(圖中未示出)，或者借助伸出電池組208后端的按鈕206控制開關204。開關204也可由蜂窩電話機14的鍵盤上的按鍵之ー控制。按鈕206也可用于起動通過IBS調制解調器28提供的其它功能。例如，全球定位系統(tǒng)(GPS)包括位于電池組208中的GPS接收器210。GPS接收器210從GPS衛(wèi)星212接收GPS數據。在緊急情況下，蜂窩電話機操作者只需按壓按鈕206。按壓按鈕206自動使GPS接收器210收集來自于GPS衛(wèi)星212的GPS數據。同時，開關204將IBS調制解調器28連接到蜂窩電話機14的語音信道202上。從而激活IBS調制解調器28。一旦在IBS調制解調器28中收集GPS數據，則該數據就被IBS調制解調器28格式化、編碼并輸出給蜂窩電話機14的語音信道202。用戶23可在手動呼叫某一電話號碼之后的任意時刻按壓按鈕206。在建立與另ー端點的語音信道之后，用戶23按壓按鈕206。開關204連接到IBS調制解調器28，IBS調制解調器28被激活。隨后GPS數據(或者其它數字源)經IBS調制解調器28，以數字數據音調的形式通過建立的語音信道發(fā)送給端點。在數據被成功傳送之后，用戶再次按下按鈕206，使開關204重新與音頻接收器17相連。圖15表示可與IBS調制解調器28相連的不同類型的數據源。掌上型計算機212、GPS接收器214或者計算機216等均可與IBS調制解調器28耦接。IBS調制解調器28將來自上述裝置的位輸出轉換成隨后通過無線網絡中的無線電信道34輸出的數字數據音調。由于可通過蜂窩電話機14將數據傳送給另一端點，因此裝置212、214或216都不需要単獨的無線調制解調器。聲卡中帶內信令調制解調器的實現可在標準計算機聲卡中實現IBS調制解調器。參見圖16,諸如Stillwater, Ok74075 ;Creative Labs, Inc. , 1523Cimarron Plaza 生產的 Sound Blaster 卡之類的聲卡包含在計算機250中。聲卡252的揚聲器輸出端253將音頻音調輸出給蜂窩電話機258上的免手端ロ 257。聲卡252上的麥克風輸入端與蜂窩電話機258的揚聲器輸出端相連。
計算機包括將數字數據轉換成聲卡252使用的音頻格式，以便輸出合成音頻音調的處理器254。蜂窩電話機258對這些音頻音調編碼，并通過無線通信網絡的語音信道傳送這些音頻音調。小區(qū)站點261接收傳送的音頻音調，并且通過PSTN網絡263轉發(fā)音頻音調。計算機262與電話呼叫的目的地位置處的電話線260相連。計算機262中的另一聲卡264和處理器266將音頻音調解調成數字數據。在計算機262上顯示音頻音調代表的數字數據。聲卡可用于數據編碼、解碼或者既用于數據編碼又用于數據解碼?？稍谟嬎銠C250或計算機262使用聲卡，或者既在計算機250又在計算機262使用聲卡。參見圖16和17，在方框270中，數據文件、GPS數據、用戶利用鍵盤輸入的數據或者其它任意數字數據由計算機250分組并格 式化成IBS分組。圖4和5中描述了分組和分組格式化。在方框272中，IBS分組中的ニ進制位值被轉換成聲卡252 (圖16)使用的用于產生合成音頻音調的數字格式。例如，IBS分組中的ニ進制“I”位值被轉換成代表第一 fI頻率音調的數字格式，ニ進制“O”位值被轉換成第二頻率音調。類似于圖6中描述的方式產生Π和f2音調。在方框274中，按照和圖3中描述的IBS編碼器52和數-模轉換器54相似的方式，聲卡輸出代表ニ進制位值的模塊音調。在方框276中，蜂窩電話機276對音頻音調編碼，并在方框278中，在無線通信網絡中通過語音信道傳送編碼后的音頻音調。參見圖16和18，建立關于目的地電話號碼的蜂窩電話呼叫。在方框280中，用戶撿起振鈴電話線，或者位于蜂窩電話呼叫的目的地端的計算機262 (圖16)被編程，以便從電話線260檢測振鈴信號。如果檢測到振鈴信號，則在方框282中，用戶或者計算機262在電話線260上產生“摘機”信號。在方框284中，聲卡264通過將電話線260上的音頻音調轉換成數字數據，起類似于模-數轉換器的作用。類似于圖9-13中描述的IBS解碼器98，聲卡264和處理器266 (圖16)—起譯解IBS音頻音調。隨后在方框290中，在計算機262的屏幕上顯示檢測到的IBS音調的數字表現。在一個例子中，用戶希望找出蜂窩電話機258的位置。用戶指令計算機262 (圖16)撥打蜂窩電話機258的電話號碼。計算機262使用聲卡264發(fā)送指令蜂窩電話機258回送GPS位置數據的IBS音調。計算機250可具有GPS接收器，或者蜂窩電話機258可具有單獨的GPS接收器。如果GPS接收器和IBS調制解調器在蜂窩電話機258之內，如圖2_9中所示，則計算機250不需與蜂窩電話機258相連。GPS數據由聲卡252轉換成IBS音調，如圖17中所示，或者通過內部IBS調制解調器被轉換成IBS音調，如圖2-9中所述。代表GPS數據的IBS音調通過無線通信信道和PSTN網絡263被回送給電話線260。計算機262中的聲卡264關于IBS音頻音調監(jiān)視電話線260。當被檢測到吋，IBS音調被轉換成數字GPS數據，并由處理器266在計算機262的屏幕上向用戶顯示。計算機262中的映射程序隨后可將GPS經度和緯度值轉換成國家、城市和街1道地址。同步圖19表示了 IBS解碼器300中解調并使IBS調制解調器同步的備選技木。在接ロ 301，通過無線通信網絡的語音信道接收IBS音頻音調。接收的音調由A/D轉換器302從模擬形式轉換成數字形式。IBS信號檢測器304按照和圖11中描述的相同方式，檢測IBS音頻音調的存在。
備選的同步技術開始于解碼器300利用乘法器306和308將IBS信號調諧到復合基帶。乘法器306有效地將第一和第二 IBS頻率Π和f2下的任意IBS音調移動到DC。第一基帶信號被稱為S/，第二基帶信號被稱為Sb'。匹配濾波器組310將匹配濾波器應用于對于代表ニ進制“ I”和ニ進制“ O”值的兩個音頻音調，具有預期脈沖形狀的基帶信號。從匹配濾波器組310輸出的Sa信號代表ニ進制I值，Sb信號代表ニ進制O值?？紤]到可能存在于Sa或Sb信號中的無線通信信道的已知特性，匹配濾波器組還可增加濾波。選擇匹配濾波器，以便匹配應用于調制器的脈沖整形?？紤]到信令帶寬、位速率和符號間干擾之間的最佳權衡，選拔脈沖整形。脈沖整形濾波器被應用于調制器的數字振蕩器的集分階段。IBS同步器312使調制器和附加在IBS分組前端的同步模式一致。來自Sa和Sb信號的樣本段316和樣本開始時間Tb —起被輸入同步解調器314中。解調器314將指示 解調器與同步模式中的起始位有多同步的功率值320輸出給IBS同步器312。IBS同步器312使用相對于各個樣本開始時間Tb的功率值320確定對IBS分組中的其余ニ進制位進行解調的最佳開始時間(*TB)。IBS分組調制器322隨后使用最佳開始時間*TB解調來自Sa和Sb信號的ニ進制位值。圖20更詳細地描述了圖19中的sync解調器314和IBS分組解調器322。第一積分器324對Sa信號的第一樣本段積分。積分器開始于樣本開始時間Tb,并對代表ー個IBS位的持續(xù)時間(波特時間)的N個樣本積分。檢波器326將積分值的幅值送入加法器332。按照相似的方式，積分器328對始于樣本開始時間Tb的信號Sb的樣本段積分。檢波器330將Sb信號的積分段的幅值送入加法器332。加法器332的輸出是被送回同步器312的功率信號320。IBS分組解調器322 (圖19)還包括根據Sa和Sb信號的幅值，產生ニ進制I值或者ニ進制O值的比較器334。為了進ー步說明，圖21表示了從匹配濾波器組310輸出的信號Sa和Sb的圖形表不。Sa和Sb信號的若干樣本336代表ー個IBS音調的位持續(xù)時間。在圖21中所不的例子中，對于每個位持續(xù)時間T，獲取5個樣本。對每次積分,樣本開始時間Tb移動ー個樣本。第一積分的起始樣本始于樣本開始時間Tbl。如圖21中所示，樣本開始時間Tbl并不和代表ニ進制“ I”值的Sa信號或者代表ニ進制“O”值的Sb信號一致。對于Tbl，圖20中的sync解調器314產生為O. O的功率輸出值。當使用樣本開始時間Tb2時，調解器314產生為-2. O的輸出值。樣本開始時間Tb3代表與信號Sb中的“O”音調的始點同步最好的樣本。在同步開始時間Tb3，輸出功率為-3。當樣本開始時間Tb4和Tb5進ー步遠離最佳同步位置時，輸出功率的幅值降低。圖22表示了對于不同樣本開始時間的功率分布的量值。最大功率量值位于樣本開始時間TB3。從而，IBS同步器312使用最佳樣本開始時間Tb3 (圖19)。參見圖20和21，始于樣本時間Tb3的第一采樣段338從圖20中的加法器332產生為_3的輸出值。對于小于零的任意加法器數值，圖20中的比較器334產生ニ進制“O”。對于第二段的樣本值340，加法器332的輸出產生+3的輸出值。由于第二樣本段的輸出值大于0，因此比較器334產生ニ進制“I”值。IBS分組解調器322 (圖19)繼續(xù)為剩余的IBS位流譯解Sa和Sb信號中的音調。圖23表示圖19-22中描述的同步方案的變化。在方框341中檢測IBS音調。對于代表ニ進制位“ I ”值的音頻音調頻率fA和代表ニ進制位“O”的音頻音調fB，乘法器342將IBS音調移動到基調。對fA和fB信號的每個單個樣本T (x)進行基帶移動。替代對整個波特的樣本求和，改為在方框344中利用新樣本T (x)獲得最新波特值的運行和。例如，在每位20個樣本的樣本速率的情況下，從運行和中刪除第21個樣本T(N+1)，并將下一祥本T (X)添加到運行和中。在方框345中分別獲取關于音調A和音調B的兩個運行和的量值，并且由比較器346比較這兩個量值。根據A音調或B音調樣本中哪個樣本具有最大量值，從比較器346輸出ニ進制“ I”或ニ進制“ O”值。在相關性方框347中，使從比較器346輸出的ニ進制位值與已知的sync模式相關。選擇的樣本開始時間*TB被確定為產生與同步模式的最大相關值的最新樣本。隨后根據選擇的樣本開始時間*TB，解調IBS分組中的剩余ニ進制位。多信道帶內信令調制解調器圖24表示了多信道帶內信令(MIBS)調制解調器的編碼器部分350。數據源351、產生ニ進制位流。MIBS編碼器350在相同的語音信道內產生多個帶內信令信道。數據緩沖器352保存來自于數據源351的ニ進制位流。分組裝配器353將緩沖器352中的ニ進制位裝配成分組有效負載，并對該分組有效負載添加前置碼和后同步碼，從而形成如上圖4中所述的IBS分組。編碼器350包括均產生代表IBS分組中二進制位的不同音頻音調的兩個調制器356和362。調制器356利用Π頻率360調制ニ進制“I”值，利用f2頻率358調制ニ進制“O”值。調制器362利用f3頻率364調制IBS分組中具有ニ進制“I”值的其它ニ進制位，利用f4頻率366調制ニ進制“O”值。從調制器356輸出的fl和f2被稱為第一帶內信令信道，從調制器362輸出的f3和f4音調被稱為第二 IBS信道。從這兩個調制器356和362輸出的音調由加法器368組合在一起，隨后被輸出給D/A轉換器370和其它蜂窩電話機電路14 (圖2)。蜂窩電話機電路14對這兩個IBS信道中的音調編碼，并通過蜂窩電話網絡的語音信道傳送所述音調。單個調制器356和366在操作上和圖4中所示的IBS調制器64類似。在IBS調制器24中可產生任意數目的IBS信道。例如，通過將調制IBS分組的第三部分的ニ進制位的第三IBS調制器添加到利用頻率f5和f6的音調中，可提供第三IBS信道。第三IBS信道的輸出可被送入加法器368。但是，為了簡便起見，圖24中只表示了具有兩個對應IBS調制器356和362的兩信道IBS調制解調器。IBS信道控制器354控制發(fā)射和接收IBS調制解調器如何使用多個IBS信道。例如，第一 IBS信道只可被第一 IBS調制解調器用于IBS分組，第二 IBS信道只可被第一 IBS調制解調器用于接收IBS分組。位于傳輸另一端的第二 IBS調制解調器則使用第二 IBS信道進行傳輸，使用第一 IBS信道進行接收。IBS信道控制器354將控制位添加到商議這兩個通信IBS調制解調器之間多個IBS信道的使用的IBS分組中。下面在圖26和27中更詳細地說明IBS調制解調器的不同結構?？刂破?54還控制調制器356和362調制IBS分組的哪些部分。例如，調制器可調制所有其它的IBS分組或者每個調制器可調制相同IBS分組的不同部分。圖25表示了 MIBS調制解調器的解碼器375。來自語音信道的音頻音調由接收電路372解碼，并被送入A/D轉換器374。第一濾波器376過濾位于第一 IBS信道中兩個音調的頻率范圍之外的信號，第二濾波器378過濾位于第二 IBS信道中所述兩個音調的頻率范圍之外的信號。濾波器376的頻率范圍從fl-Af到f2+Af，濾波器378的頻率范圍從f3- Δ f到f4+ Λ f。濾波器376和378分別表示在解碼器380和382之間。但是，但是在解碼過程中，也可在相同DSP中的任意地方實現濾波器376和378。第一 IBS信道解碼器380檢測第一 IBS信道中的兩個音調，并將其解調成ニ進制位值，第二 IBS信道解碼器382檢測第二 IBS信道中的兩個音調，并將其解調成ニ進制位值。解碼器380和382按照前面關于圖19中的解碼器98或圖19中的解碼器300描述的相同方式，檢測、同步和解調IBS音調。分組裝配器386將從這兩個解碼器380和382輸出的ニ進制位裝配成隨后被輸出給數據緩沖器388的IBS分組。接收IBS調制解調器中的IBS信道控制器384使這兩個解碼器380和382同步，并且確定哪個解碼器解調哪些部分或者哪個IBS分組?？刂破?84還進行關于發(fā)射IBS調制解調器的通信協(xié)議，所述通信協(xié)議商議哪個IBS調制解調器正在通過哪些IBS信道傳送IBS分組和哪個IBS調制解調器正在通過哪些IBS信道接收IBS分組。 可在相同的DSP中以軟件的形式實現用于第一 IBS信道的濾波器376和解碼器380和用于第二 IBS信道的濾波器378和解碼器382。另ー方面，ー個DSP可用于每個MIBS調制解調器中的每個單獨的信道編碼器和解碼器?！癕IBS”調制解調器中，頻率fl&f2最好遠離頻率f2和f3。MIBS的優(yōu)點之ー是當性能變壞時，干擾減輕以及通過動態(tài)改變頻率適應橫跨多個制造商的蜂窩電話機性能方面的變化的能力。當一個調制解調器正在檢測錯誤時，可發(fā)送穩(wěn)固的低波特率控制信號選擇新的頻率。圖26表示了兩個多信道帶內信令(MIBS)調制解調器390和396的ー種可能結構。兩個IBS信道398和400通過無線通信網絡的語音信道從MIBS調制解調器390發(fā)出，隨后可通過陸線電話網絡到達MIBS調制解調器396。圖26中所示的兩個MIBS調制解調器按照半雙エ模式工作，其中兩個IBS調制解調器之一同時通過第一 IBS信道398和第二 IBS信道400傳送IBS分組。在第一 IBS調制解調器390通過兩個IBS信道完成IBS分組的傳輸392之后，允許第二 IBS調制解調器396通過兩個IBS信道398和400進行返回調制解調器390的傳輸394。MIBS調制解調器390在IBS分組之一中發(fā)送向MIBS調制解調器396指示傳輸392被完成的信息。圖27表示了第一 IBS信道398專用于傳送來自于MIBS調制解調器390的IBS分組，第二 IBS信道400專用于傳送來自于MIBS調制解調器396的分組的備選結構。從而，MIBS調制解調器390和396都可同時傳送和接收分組。這種全雙エ結構可為某些類型的IBS傳輸提供更快的通信。MIBS調制解調器390可通過兩個IBS信道398和400傳送相同IBS分組的不同部分，或者可通過兩個IBS信道交替?zhèn)魉筒煌腎BS分組。就其它結構而論，ー個IBS信道可用于傳送IBS分組，第二 IBS信道可專用于兩個MIBS調制解調器之間的信令和協(xié)議通信。就其它備選結構而論，在兩個IBS信道中交錯來自相同IBS分組的多個部分的ニ進制位，或者通過這兩個IBS信道冗余傳送相同的IBS分組?？筛鶕cIBS分組數據相關的應用重構這兩個IBS信道中的信息。
重構IBS信道的請求可被編碼到IBS分組報頭中。例如，MIBS調制解調器390中的IBS信道控制器354 (圖24)可向MIBS調制解調器396發(fā)送在IBS分組前置碼73 (圖
5)中包含重構請求的IBS分組。來自調制解調器390的重構請求可請求第一 IBS信道398和第二 IBS信道400，隨后請求將波特率較慢的第三IBS信道401分配給MIBS調制解調器396，用于向調制解調器390回送確認消息。MIBS調制解調器390隨后等待來自于調制解調器396的構造請求的確認。MIBS調制解調器396中的IBS信道控制器384 (圖25)讀取IBS分組前置碼中的重構請求。控制器384隨后通過MIBS調制解調器396的編碼器反向輸出確認。編碼器將 所述確認格式化到應答IBS分組的前置碼中，隨后調制所述應答IBS分組，并且通過一條或多條當前分配的IBS信道向MIBS調制解調器390回送所述應答IBS分組。調制解調器396中的控制器隨后重新配置編碼器，以便通過第一和第二 IBS信道398和400接收IBS分組，并通過低波特率的第三信道401傳送分組。當在調制解調器390收到來自于調制解調器396的確認時，控制器指令調制解調器390中的編碼器和解碼器通過第一和第二 IBS信道進行傳送，并通過低波特率的第三信道進行接收。隨后兩個調制解調器390和396根據新的信道配置傳送和接收IBS分組。多載波帶內信令調制解調器圖28表示了根據本發(fā)明另一方面的多載波帶內信令調制解調器。圖24-27中描述的多信道調制解調器產生兩種不同的音頻音調，一種音調代表ニ進制“ I”值，另ー種音調代表ニ進制“O”值。在按照時間順序的音調流中產生這兩種音調，以便表現ニ進制位流。圖28中的多載波IBS調制解調器同時產生多個音頻音調，每個音調代表IBS分組的一個四位部分中的ー個不同ニ進制位位置。與這四個位位置之一相關的特定音頻音調代表ニ進制“ I”值(或者ニ進制“O”值)。如果對于特定的位時間(波持)沒有產生音頻音調，則IBS解碼器假定與該位位置相關的ニ進制位值為“O”。參見圖28，位流被輸入數據緩沖器402，以便通過無線通信網絡的語音信道傳輸。分組格式化器404將這些位格式化成IBS分組。IBS分組之ー的第一部分包含ニ進制位“1010”。分組格式化器404將這四位中的每一位分別輸入四個調制器406、408、410和412中。這四位中的第一位“I”被稱為位BI，第二位“O”被稱為位B2，該四位序列的第三位“I”被稱為位B3，第四位“O”被稱為位B4。調制器406接收位BI，調制器408接收位B2，調制器410接收位B3，調制412接收位B4。由于位BI是ニ進制“值”，因此調制器406在第一波特周期內產生頻率fl的音調。由于B2位為ニ進制“O”值，因此對于第一波特周期，調制器408不產生f2音調。據此，調制器410在第一波特周期內產生f3音調，調制器412在第一波特周期內不產生f4音調。除了對于ニ進制“ I”值產生頻率音調，對于ニ進制“O”值不產生任何音調之外，這些調制器的工作方式實質上和圖4中的IBS調制器64相同。Π和f3由加法器414組合在一起。數-模轉換器416將數字信號轉換成送入蜂窩電話機發(fā)射電路418中的模擬信號。發(fā)射電路418通過蜂窩電話網絡的語音信道傳送音
頻音調。圖29表示了多載波IBS調制解調器的解碼器。接收電路420從蜂窩通信網絡的語音信道接收IBS音調。A/D轉換器422將音頻音調轉換成數字信號。四個帶通濾波器424、426、428和430分別以音調H、f2、f3和f4的頻率為中心。代表ニ進制位BI的音調通過帶通濾波器424，而其它音調，例如音調f3被帶通濾波器Π過濾。解碼器432按照和圖11-13中描述的IBS解碼器相似的僅僅對于單個音調的方式確定音調fl。由于解碼器432檢測到fl音調，因此產生代表四位序列中的位BI的ニ進制“I”值。由于解碼器434不會檢測到任意f2音調，因此產生代表四位序列中的位B2的ニ進制“ O”值。解碼器436檢測到f3音調，因此產生代表位B3的ニ進制“ I”值。解碼器438產生代表位B4的ニ進制“O”值，因為多載波解碼器沒有產生任何f4音調。分組裝配器440接收這四個ニ進制位B1-B4，并將它們放入數據緩沖器442中適當的IBS分組位置中。
上面用本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述和舉例說明了本發(fā)明的原理，顯然在不脫離本發(fā)明的原理的情況下，可在方案和細節(jié)方面對本發(fā)明進行修改。所有這些修改和變化都在下述權利要求的精神和范圍之內。
權利要求
1.一種通過電信網絡的語音信道傳送數字數據的多載波帶內信令調制解調器，包括 接收數字數據的輸入端； 分別把數字數據中相關位位置的ニ進制值轉換成不同音頻音調的多個調制器；和 通過數字電信網絡的語音信道輸出音頻音調的輸出端。
2.按照權利要求I所述的調制解調器，其中對于第一ニ進制值，所述多個調制器分別產生不同音頻音調，對于第二ニ進制值，所述多個調制器不產生音頻音調。
3.按照權利要求I所述的調制解調器，包括與所有多個調制器的輸出端耦接、同時輸出代表所有相關位位置的所有位值的多音調信號的加法器。
4.按照權利要求I所述的調制解調器，包括分別監(jiān)視多個音頻音調中的相關音頻音調，并且當檢測到相關音頻音調時，產生第一ニ進制位值，當沒有檢測到相關音頻音調時，產生第二ニ進制位值的多個解碼器。
5.按照權利要求4所述的調制解調器，包括與所述多個解碼器中的每ー個耦接的、過濾位于音頻音調中相關音頻音調的頻率范圍之外的信號的帶通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過數字通信網絡的語音信道傳送數字數據的系統(tǒng)，包括接收數字數據的輸入端；將所述數字數據轉換成音頻音調的處理器；和將所述音頻音調輸出給數字傳輸電路的輸出端，其中所述數字傳輸電路按照對語音信號編碼的相同方式對所述音頻音調編碼，并且通過所述數字通信網絡中與用于傳送語音信號相同的語音信道，傳送所述編碼后的音頻音調。
文檔編號G10L19/00GK102685062SQ20121014052
公開日2012年9月19日 申請日期2001年6月22日 優(yōu)先權日2000年6月22日
發(fā)明者丹·A·普雷斯頓, 約瑟夫·D·普雷斯頓, 羅伯特·萊葉德克, 羅德·L·普洛克特, 韋恩·伊瑟利, 飛利浦·R·史密斯 申請人:愛爾比奎特公司