一种基于PCM编码特征的语音失步检测方法与流程

本发明涉及语音通信技术领域，特别是一种基于PCM编码特征的语音失步检测方法。

背景技术：

现代数字通信系统中，语音通信的工作原理为：由终端设备对语音信号进行采样、量化、编码等处理后，通过各种信道传输，对端终端接收之后，再进行解码等处理还原话音信号，实现端到端通信。这一处理过程中，语音信号的编码方式几乎都采用PCM(脉冲编码调制)或以PCM为基础的编码压缩算法，PCM编码采样频率为8k，每个采样点对应一个8位二进制码，通信双方需严格按照这个格式进行编、解码，才能还原出原始的语音信号。传输过程中，一旦发生数据报文的丢失或错误，都可能导致语音通信的失步或中断，因此如何实现通信中的失步检测是每个通信系统必须解决的问题。

目前常用的失步检测方法：发端插入同步码，收端逐位比较的方式。这种方法需要占用信道冗余带宽(传输有效载荷之外的信道资源)，发端周期性集中或分散插入同步码，如图1所示。在接收端产生一组与发送端插入同步码相同的本地同步码组，在识别电路中使用本地同步码组与接收的信号序列进行逐位的比较、识别，进行失步检测。当系统处于同步状态时，各个对应比较的码位都相同，则没有失步脉冲输出；当系统处于非同步状态，对应比较的码位不同，这时就有失步脉冲输出，使本地同步码组逐位移动，向接收序列中的同步码组靠近，直至重新进入同步状态。逐位比较的失步检测方法，首先要求传输信道提供额外的带宽资源，插入帧同步码增加了传输设计的复杂性，同时为降低载荷数据的伪同步概率，同步码组往往较长，这势必进一步降低信道的容量。此外在通信过程中，还可能由于传输信道误码，引起同步识别电路也会误认为失步，从而造成“假失步”等问题。

因此，当信道带宽有限或传输误码率较高时，现有失步检测方法的效率较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于PCM编码特征的语音失步检测方法。

本发明采用的技术方案如下：一种基于PCM编码特征的语音失步检测方法，具体包括以下过程，步骤1、语音接收端将加密数据解密成PCM数据；步骤2、启动失步检测，将PCM数据的每个采样点的8位二进制编码进行预处理；步骤3、对预处理后的数据进行“段位码差值”和“段位码峰值”两项的统计、分析；步骤4、检测周期结束后，将“段位码差值”和“段位码峰值”的统计值与失步检测预设的门限值相比较，如不满足失步判决门限值，则判断通信同步；如满足失步判决门限值，则判断该检测周期的通信处于失步状态，应启动重新同步机制。

进一步的，所述步骤2中的预处理过程，将8位二进制编码转化为符号位+段位码+段内码”格式。

进一步的，所述步骤3中“段位码差值”统计、分析的具体过程为：(1)每个检测周期开始前，将“段位码差值”计数器清0；(2)检测启动后，对检测周期内每两个相邻采样点的预处理数据之间的“段位码差值”进行统计；(3)将统计结果进行分析，如果“段位码差值”的绝对值≤1，则“段位码差值”计数器加1；如果“段位码差值”的绝对值＞1，则“段位码差值”计数器不变。

进一步的，所述步骤3中“段位码峰值”统计、分析的具体过程为：(1)每个检测周期开始前，将“段位码峰值”计数器清0；检测启动后，对检测周期内每两个相邻采样点的预处理数据之间的“段位码峰值”进行统计；(3)将统计结果进行分析，如果段位码的绝对值≥5，则“段位码差值”计数器加1；如果段位码的绝对值＜5，则“段位码峰值”计数器不变。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过对语音数据本身的编码特征进行检测，统计“段位码差值”和“段位码峰值”，即统计“跳变频率”和“能量分布”，与检测门限值相比较，有效地实现语音通信的失步检测。与常用的“插入同步码，逐位比较”方式相比较，本发明不占用额外的信道资源，有利于提高信道容量；具备极强的抗传输误码能力，有效防止“假失步”问题；此外本发明的设计简单，无论采用软件、硬件均可实现，可应用于有线、无线、卫星等多种类型的通信系统中。

附图说明

图1是传统失步检测方法中插入同步码的示意图。

图2是本发明失步检测流程图。

图3是本发明实施例提供的网络环境应用的示意图。

图4是本发明PCM数据预处理示意图。

图5是本发明段位码差值统计示意图。

图6是本发明失步判决门限示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

自然界中，正常的各类声音信号(例如人类话音、铃音、音乐、背景声、汽车鸣笛等)均是较为平缓、渐变的，在经过采样、量化、编码处理后，输出64kbps的PCM编码数(每一秒8000个采样点，每个采样点输出一个8位二进制码)，也具有相同的特性。其表现为每个采样点之间的段位码变化较小，同时在周期内的能量分布较为均匀。一旦出现周期内大量采样点间的段位码剧烈变化以及峰值能量分布，表明该周期的语音信号发生了不规律的跳变，预示着语音通信中出现了大量噪声，即语音失步。

如图3所示是本发明实施例提供的网络环境应用的示意图，加密通信系统中的终端A和终端B，通过信道建立通信连接，实现语音通信功能，并采用本发明提出的方法实现语音通信的失步检测。终端A，将模拟语音信号经过采样、量化、编码后，PCM编码输出A率PCM数据，再经过加密后通过发送单元发往线路传输；终端B，接收单元收到加密语音数据后，首先进行解密运算，恢复A率PCM数据后，再进行失步检测。

本发明的检测周期指示每一次失步检测的数据量和时间，过短可能降低失步检测的准确性，过长则会延缓失步恢复时间，降低用户体验。检测周期通常设定在0.5～1秒之间，下面以输入信号为A率PCM数据，检测周期为1秒为例进行说明。本方案主要通过对语音数据本身的编码特征进行统计和分析，来判断通信系统的同/失步状态，解决在信道带宽有限和传输误码较大环境下的语音失步检测技术问题。

如图2所示，一种基于PCM编码特征的语音失步检测方法，具体包括以下过程。

步骤1、语音接收端将加密数据解密成PCM数据。

步骤2、启动失步检测，将PCM数据的每个采样点的8位二进制编码0x8d与0xd5相异或，将8位二进制编码0x8d转化为“符号位+段位码+段内码”格式，如图4所示，预处理后的8位二进制编码0x58中bit7为符号位，bit6～4为段位码，bit3～0为段内码。

步骤3、如图5所示，是段位码统计示意图，预处理后的数据中，以任意一个采样点的8位二进制数据作为失步检测起始点，本实施例是以0x68为起点，在第1个检测周期内(1秒),统计分析相邻两个采样点件的“段位码差值”和“段位码峰值”；段位码差值，表示在检测周期内，语音信号的变化频率，当相邻两个采样点的“段位码差值”的绝对值≤1时，“段位码差值”统计值Num_margin加1；当“段位码差值”的绝对值＞1时，“段位码差值”统计值Num_margin不变，每个检测周期结束后需将Num_margin清零；如图5中第1、2、3个采样数据依次为0x68、0x72、0xb2，对应的段位码为+6、+7、-3；其中第1和第2个采样点之间段位码相减的绝对值为1，则Num_margin加1，第2和第3个采样点间段位码相减的绝对值为10，则Num_margin不变仍为1，依次计算，直至检测周期结束。段位码峰值，体现了检测周期内，语音信号的能量分布。当一个采样点的段位码绝对值≥5时，“段位码峰值”统计值Num_chord加1；当采样点的段位码绝对值＜5时，“段位码峰值”统计值Num_chord不变，每个检测周期结束时需将“段位码峰值”统计值Num_chord清零；如图5所示，第1-3个采样数据依次为0x68、0x72、0xb2，对应的段位码绝对值为+6、+7、-3；其中第1和第2个采样点的段位码绝对值≥5，两个采样点均是段位码绝对值≥5，则“段位码峰值”统计值Num_chord加2，第3个采样点的段位码绝对值为3，不满足条件，则“段位码峰值”统计值Num_chord不变，依次计算，直至检测周期结束。

步骤4、检测周期结束后，将“段位码差值”和“段位码峰值”的统计值与失步检测预设的门限值相比较，如不满足失步判决门限值，则判断通信同步；如满足失步判决门限值，则判断该检测周期的通信处于失步状态，应启动重新同步机制。基于PCM编码的语音失步检测门限，是根据统计周期语音信号的变化频率和能量分布来设计，如图6所示，具体如下：

检测周期：1秒，包含8000采样点；判决条件：条件一，一个检测周期内，段位码差值的统计Num_margin≤4000；条件二，一个检测周期内，段位码峰值的统计Num_chord≥2000。(1)如果统计的段位码差值Num_margin和段位码峰值Num_chord同时满足判决条件一、二，则表示检测周期内语音通信处于失步状态；(2))如果统计的段位码差值Num_margin和段位码峰值Num_chord只满足任意一个判决条件，不满足另一个，则表示语音通信处于同步状态；(3)如果统计的段位码差值Num_margin和段位码峰值Num_chord同时不满足判决条件一、二，表示语音通信处于同步工作状态。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。