专利名称：一种数字信号音的相位反转检测方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在语音与低速数据混合通讯系统中实现对2100Hz数字信号音的相位反转进行检测的方法和设备，属于通讯领域中的信号音检测技术。
G.168与G.165是国际电联(ITU-T)提出的关于回波抵消的协议。其中规定，符合该协议的回波抵消器中应装备音检测器，该音检测器应在当检测到含有周期性反转相位的2100Hz信号音的信号时，能够关闭回波抵消器，而任何其它带内信号，如语音和无相位反转的2100Hz信号，都不可以关闭回波抵消器。例如当通话双方以MODEM等方式进行数据通讯之前，双方终端均会发送周期性反转相位的2100Hz信号音，需要关闭回波抵消器。
G.168、G.165、V.25与V.8等协议中规定，回波抵消器禁止音发送标准为频率范围2100Hz±15Hz，持续时间2.6秒～4.0秒，每隔450毫秒±25毫秒发生一次相位反转，在1毫秒内相位变化达到180°±10°。检测标准为频率范围2100Hz±21Hz，电平范围-31dBm0～-6dBm0，当每隔450毫秒±25毫秒发生一次相位反转并且相位变化在180°±25°时能检测到，若相位变化在0°～±110°间需保证检测不到，动作时间在1秒以内(以保证能检测到2100Hz音并至少产生2次相位反转)，错误率应达到每100小时内不超过10次。
音检测器主要包括两部分，一是2100Hz频率的检测，二是每450毫秒发生的相位反转的检测。第一部分的解决方案目前已很成熟、全面，且较简便、可靠，而第二部分的解决方案却见之甚少。就目前所知的相位反转检测方法主要为反正切法、相关法、积分法、过零检测法等常规方法，虽能解决问题，但往往过于复杂或可靠性不高。例如，美国专利6259750为积分法，5528632为双相关法，都较为复杂。由于该信号检测在通话过程中需一直进行，若算法过于复杂，必然浪费大量的处理器资源，而且，相位反转的产生方式很多，协议并无硬性规定，例如可采用频率突变、相位连续的方式在一定时间内达到相位反转，也可采用频率不变、相位渐变等方式达到相位反转，这些常规检测方法无法良好适应各种相位反转方式。
本发明提供了一种数字信号音的相位反转检测设备，包括记忆单元A、B、C，乘法器D、E，加法器F以及判决器G；记忆单元A、B、C依次连接，分别用于延时并存放设定的三个采样点的输入量化数字信号；乘法器D的输入端与记忆单元B的输出端和采样输入x(k)相连；乘法器E的输入端与记忆单元A的输出端和记忆单元C的输出端相连；加法器F的输入端与乘法器D的输出端和乘法器E的输出端相连；判决器G的输入端与加法器F的输出端相连，将加法器F的输出值与判决器G的限值对比，判断出是否发生相位反转。
对于相位突变引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判决器G限值的取值范围为-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0为采样输入信号的幅值。
对于频率突变引起的相位反转或未知方式引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判决器G限值的取值范围为sin218°A02～sin313°A02，A0为采样输入信号的幅值。
在所述判决器G限值的取值范围内可以设定一组上、下限值，对于在上下限值之间的情况可判断为相位可能发生反转或可能未发生反转。
本发明所述的数字信号音的相位反转检测方法，具体实现步骤是第一步，以采样频率为8kHz进行数字信号采样的序列x(k)k＝-0，1，2，3...输入经过三个记忆单元A、B、C的延迟；第二步，将采样序列x(k)和记忆单元B作为输入信号连接到乘法器D，记忆单元A和C作为输入信号连接到乘法器E，再把乘法器D和E作为输入信号连接到加法器F；第三步，把加法器F中的输出结果送到判决器G中进行判断，若加法器F的结果大于判决器G的限值，则判断相位未发生反转；若加法器F的结果小于判决器G的限值，则判断相位发生反转。
对于相位突变引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判决器G限值的取值范围为-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0为采样输入信号的幅值。
对于频率突变引起的相位反转或未知方式引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判决器G限值的取值范围为sin218°A02～sin313°A02，A0为采样输入信号的幅值。
在所述判决器G限值的取值范围内可以设定一组上、下限值，对于在上下限值之间的情况可判断为相位可能发生反转或可能未发生反转；如果大于上限值，则判断相位未发生反转，如果小于下限值，则判断相位发生反转。
本发明的相位反转检测方法充分利用8kHz采样得到的2100Hz数字单音信号各采样点间相位差的特点，巧妙地实现了对2100Hz信号音相位反转的检测，简单、有效、运算量极低。由于信号幅度A0的估计在频率检测过程中必须完成，因而使用该方法对每一采样点只需做二次乘法和一次加法运算，仅需三个记忆单元、两个乘法器、一个加法器和一个判别器即可，从而克服了现有技术复杂、适应性差、可靠性低等不足之处，既可使用DSP、通用处理器实现，也可使用FPGA很方便地实现。检测精度完全符合国际电联相关协议的要求，可方便地应用于语音与低速数据混合通讯系统中。本发明方法可靠性高，大量实验统计表明，在各种常见用户通话环境下，等效误检率达到了每100小时不超过2次。
在数字式电话交换网络中，语音和低速数据都是以8kHz的样点量化值为单位进行传输的。设x(k)为8kHz采样的2100Hz信号音，则x(k)＝A0·cos(2πf0kTs+α0)k＝0，1，2，3，…………………(1)公式(1)中，A0为幅度，α0为初相，f0＝2100Hz±21Hz，Ts＝1/8000s为采样周期，k为采样序号。该信号音相邻二点x(k)、x(k+1)的相位分别为θ(k)、θ(k+1)，它们之间的相位差用Δθ表示，则Δθ＝θ(k+1)-θ(k)＝360°·f0·Ts……………………………(2)计算公式(2)得到其取值为93.6°≤Δθ≤95.4°。因此在无相位反转处相邻二采样点的相位差不仅与信号的初相无关，而且近似为90°，即θ(k+1)≈θ(k)+90°……………………………………………(3)而在相位反转处，相位差不再具有公式(3)的关系。如果相位反转是通过相位突变实现的，变化量为θd，则相位突变后采样点kd与其前一采样点之间的相位差应为Δθ+θd。
相位检测时，直接由输入信号的采样值计算其相位很复杂，而且对DSP的精度要求也比较高。本发明巧妙回避直接的相位计算，充分利用2100Hz数字信号采样点之间相位差的特殊关系实现相位检测。其核心在于，除相位反转前一点外，无论是否是相位反转点，均可以用下式近似估计相邻二点相位差的正弦值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)]]>相位反转时该相差正弦值在-1附近，其余情况则在1附近，具体的取值情况在后面说明。而对于相位反转前一点，采用公式(4)右边的计算方式，结果在-1～1之间不定，所以可以提前检测出相位反转。
根据G.168协议要求，当θd为180°±25°时，认为是合格的2100Hz信号音；当θd为0°±110°时，认为是不合格的2100Hz信号音。对于合格的2100Hz信号音，Δθ的取值范围为93.6°≤Δθ≤95.4°。由于相位突变点与其前一点之间的相位差为Δθ+θd，所以合格与不合格2100Hz信号的Δθ+θd取值范围分别为(248.6°，300.4°)与(-16.4°，205.4°)，Δθ+θd与其正弦量之间的关系如
图1所示。从图1中可以看出允许检测和不允许检测二个区域是可分的正弦值小于sin300.4°则检测为相位反转，正弦值大于sin205.4°则检测为相位未反转。正弦值在sin205.4°～sin300.4°之间可检测也可不检测，这给检测留有足够的调整余地。
所以可以通过如图2所示的相位反转检测设备，记忆单元A、B、C分别缓存采样信号x(k-1)，x(k-2)，x(k-3)，可以检测x(k-1)点是否为相位反转点(即相位反转发生在k-1和k-2之间)。对于x(k-1)点，公式(4)右边的x(k)·x(k-2)+x(k-1)·x(k-3)可以采用图2中的乘法器D、E和加法器F实现，在判决器中可以将限值设定在-sin205.4°A02～-sin300.4°A02即可。还可以在-sin205.4°A02～-sin300.4°A02内设定一组上下限值，对于加法器的输出在上下限值之间时，判断相位可能发生相位反转，也可能未发生相位反转。
另外，实际MODEM发出的2100Hz信号音可能不是通过相位突变实现相位反转的，而是通过短时间变化信号频率，经过几个采样周期达到相位反转的，只要此过程在1毫秒内完成即可，或者未知是什么方式引起相位反转时，这些情况下仍可以采用本发明方法，只需估计间隔多点的相位差的正弦值。由于相邻采样点相位差只是近似90°，如对于2100Hz±15Hz信号，相邻采样点的相位差为93.6°≤Δθ≤95.4°，其中心点是94.5°，所以为避免引入积累误差(4.5°的倍数)，采用下式估计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)]]>当没有发生相位反转时，公式(5)中20个采样点间的相差范围为(93.6°～95.4°)*20＝72°～108°，如果相位反转发生在k和k-20之间，则合格与不合格2100Hz信号的相位差分别为(227°～313°)与(-38°～218°)，所以正弦值小于sin313°则检测为相位反转，正弦值大于sin218°则检测为相位未反转。正弦值在sin218°～sin313°之间可检测也可不检测，这给检测留有足够的调整余地。
应注意的是，对于在不足20个采样周期内即完成相位反转的情况，将在连续几个采样周期内检测到相位反转，这时应认为是一次相位反转。
结合附图3详细说明本发明方法的优选实施例。图3是回波抵消器部件内的回波抵消器开关控制部分的示意流程图。回波抵消器的输入信号为8kHz采样的数字信号，程序先使用DFT等方法检测输入信号中是否含有合格的2100Hz信号，在此同时也计算出了2100Hz频率分量的电平值，若没有，则回波抵消功能保持打开，并继续检测后续输入信号中是否含有2100Hz信号。若有，则使用本发明的方法(如图2所示)判别2100Hz信号是否含有相位反转，若没有，则回波抵消功能保持打开，并继续检测后续输入信号中是否含有2100Hz信号；若有相位反转，则将回波抵消器功能关闭，此后系统将切入数据通讯模式。实验证明，采用本发明的方法和设备非常有效，运算量极低，大大减少了处理器开销，可靠性很高，等效误检率达到了每100小时不超过2次。
以上详细说明了本发明方法在回波抵消器中的具体应用，但这不应被视为是对本发明范围的限制。本发明方法同时还可适用于其它与此具有类似特征的信号的相位反转检测。
权利要求
1.一种数字信号音的相位反转检测设备，其特征在于，包括记忆单元A、B、C，乘法器D、E，加法器F以及判决器G；记忆单元A、B、C依次连接，分别用于延时并存放设定的三个采样点的输入量化数字信号；乘法器D的输入端与记忆单元B的输出端和采样输入x(k)相连；乘法器E的输入端与记忆单元A的输出端和记忆单元C的输出端相连；加法器F的输入端与乘法器D的输出端和乘法器E的输出端相连；判决器G的输入端与加法器F的输出端相连，将加法器F的输出值与判决器G的限值对比，判断出是否发生相位反转。
2.根据权利要求1所述的数字信号音的相位反转检测设备，其特征在于，对于相位突变引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判决器G限值的取值范围为-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0为采样输入信号的幅值。
3.根据权利要求1所述的数字信号音的相位反转检测设备，其特征在于，对于频率突变引起的相位反转或未知方式引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判决器G限值的取值范围为sin218°A02～sin313°A02，A0为采样输入信号的幅值。
4.根据权利要求2或3所述的数字信号音的相位反转检测设备，其特征在于，在所述判决器G限值的取值范围内可以设定一组上、下限值，对于在上下限值之间的情况可判断为相位可能发生反转或可能未发生反转。
5.一种数字信号音的相位反转检测方法，其特征在于，实现步骤是第一步，以采样频率为8kHz进行数字信号采样的序列x(k)k＝0，1，2，3...输入经过三个记忆单元A、B、C的延迟；第二步，将采样序列x(k)和记忆单元B作为输入信号连接到乘法器D，记忆单元A和C作为输入信号连接到乘法器E，再把乘法器D和E作为输入信号连接到加法器F；第三步，把加法器F中的输出结果送到判决器G中进行判断，若加法器F的结果大于判决器G的限值，则判断相位未发生反转；若加法器F的结果小于判决器G的限值，则判断相位发生反转。
6.根据权利要求5所述的数字信号音的相位反转检测方法，其特征在于，对于相位突变引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-2)、x(k-3)；判决器G限值的取值范围为-sin205.4°A02～-sin300.4°A02，A0为采样输入信号的幅值。
7.根据权利要求5所述的数字信号音的相位反转检测方法，其特征在于，对于频率突变引起的相位反转或未知方式引起的相位反转检测，三个记忆单元A、B、C分别保存得到量化的数字信号x(k-1)、x(k-19)、x(k-20)；判决器G限值的取值范围为sin218°A02～sin313°A02，A0为采样输入信号的幅值。
8.根据权利要求6或7所述的数字信号音的相位反转检测方法，其特征在于，在所述判决器G限值的取值范围内可以设定一组上、下限值，对于在上下限值之间的情况可判断为相位可能发生反转或可能未发生反转；如果大于上限值，则判断相位未发生反转，如果小于下限值，则判断相位发生反转。
全文摘要
本发明公开了一种数字信号音的相位反转检测方法和设备，不采用直接的相位计算，而是利用2100Hz数字信号采样点之间相位差的特殊关系并通过合理的估算实现相位检测。对每一采样点只需做二次乘法和一次加法运算，仅需三个记忆单元、两个乘法器、一个加法器和一个判别器即可实现，克服了现有技术复杂、适应性差、可靠性低等不足之处，既可使用DSP、通用处理器实现，也可使用FPGA很方便地实现。检测精度完全符合国际电联相关协议的要求，可方便地应用于语音与低速数据混合通讯系统中。
文档编号H04L29/02GK1464647SQ02112090
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月13日 优先权日2002年6月13日
发明者樊荣虎, 饶俊阳, 吴红文, 邱晓晖 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司