用于通过无线通信网络的话音信道进行数据通信的方法

专利名称：用于通过无线通信网络的话音信道进行数据通信的方法
技术领域：
本发明 一般地涉及通过电信网络进行数据通信，更特别地涉及通过
诸如CDMA或GSM话音业务信道之类的电信话音信道进行数据通信。
背景技术：
对相关申请的交叉参者
本申请是2005年10月24日提交的美国申请No. 11/163,579的部分 继续，其完整内容被结合在此以作参考。
背景技术：
有线电话系统最初被设计成传送语音以便允许进行长距离的话音 会话。新近，公共交换电话系统已经成为不仅用于传输话音而且用于传 输非语音数据的主要介质，比如通过使用传真机在电话线上传输图像信 息，或者通过调制解调器在这些相同的电话线上交换各种形式的数字数 据(文本、二进制可执行文件、图像或视频文件)。
现今，蜂窝通信系统和其他无线通信系统被更多地用于话音和数据 通信的目的。现今世界上在使用的大多数蜂窝通信利用GSM (包括 UMTS)或者CDMA (IS-95或CDMA2000 )通信系统。这些系统利用 已调载波通过话音业务信道传输话音数据。例如，2GGSM使用GMSK 调制，而IS-95CDMA使用PSK调制。在对话音数据进行调制以进行无 线传输之前，话音输入行经一个诸如声码器之类的语音压缩电路，以便 把该话音输入压缩成更小的数据量。这减少了需要通过无线网络传输的 话音数据量，从而允许使用更小的比特率并且允许数目更多的用户共享 相同的通信系统。
已经提出并且使用了各种声码器技术。最常见的是各种形式的线性 预测编码(LPC);例如，2GGSM使用RPE-LPC语音编解码器，而IS-95 CDMA使用可变速率CELP编解码器。这些预测压缩技术被专门设计用 于话音编码，并且因此被设计成滤出噪声和其他非语音分量。结果，数 字数据(比如ASCII文本、字节代码、二进制文件)的传输可能是成问 题的，这是因为声码器处理可能会破坏所述数字数据，从而使得在所述
传输的接收端无法恢复所述数字数据。例如，最近引入的Qualcomm1M 4G声码器是一种CDMA2000设备，其显示出时变的、非线性的转移函 数，这虽然对于话音编码来说是可以接受的，但是在试图通过该声码器 传输数字数据时可能会带来显著的失真。
所述4G声码器使用基于3gpp2标准的EVRC-B编解码器，其具有 9.6kbps的全速率。该编解码器还支持较低的比特率，其中包括4.8kbps 半速率和1.2kbps八分之一速率。当该声码器确定不需要所述全速率就 能足够好地传输其所接收的声音信号时，就使用这些较低的速率。例 如，典型地在所述八分之一速率下传输背景噪声。所述EVRC-B声码器
一总体编码4程可:使得S二通过该声码器成功地发送非语音i据。

发明内容
本发明提供一种使用无线通信网络来进行数据通信的方法，其允许 通过所述通信网络的话音信道传输数字数据。根据一个实施例，该方法 包括以下步骤
(a) 利用数字数据来调制一个或多个载波信号，其中对所述一个或 多个载波信号使用差分相移键控，从而产生已调载波信号；
(b) 通过无线电信网络的话音信道传输该已调载波信号；
(c) 接收通过该无线电信网络传输的该已调载波信号；并且
(d) 把所接收的已调栽波信号解调回到所述数字数据。 优选地使用差分二进制相移键控编码，尽管根据对于特定应用所得
到的误比特率，还可以使用正交和其他DPSK编码。
根据本发明的另一方面，提供一种利用话音编码器通过无线电信网 络传送数字数据的方法，该话音编码器根据把输入数据分类成各类别而 操作在不同模式下。这些类别至少包括发声的、不发声的以及瞬态语 音，其中所述不同模式中的每一种与一种用于对输入数据进行编码的编 码方案相关联。该方法包括以下步骤
(a) 把已调载波信号输入到该话音编码器中，该已调栽波信号具有 使得该话音编码器将该已调载波信号分类为瞬态语音的间断性和能量 特性；
(b) 获得已编码输出，该已编码输出是由该话音编码器使用所输入 的已调载波信号所生成的；
(c) 通过无线电信网络的话音信道传输该已编码输出；
(d) 接收通过该无线电信网络传输的该已编码输出；
(e) 通过利用话音解码器对所接收的已编码输出进行解码来生成已 解码已调载波信号；并且
(f) 对该已解码已调栽波信号进行解调。
根据本发明的另一方面，提供一种利用EVRC-B声码器来无线传输 数字数据的方法。该方法包括以下步骤
(a) 对数字数据进行编码，这是通过利用该数字数据来调制至少一 个载波信号并从中产生已调载波信号而进行的，该已调载波信号具有使 得该声码器将该已调载波信号分类为瞬态语音的间断性和能量特性；
(b) 把该已调栽波信号输入到EVRC-B声码器中；
(c) 获得来自该声码器的已编码输出；并且
(d) 通过天线传输该已编码输出。


下文将结合附图描述本发明优选的示例性实施例，其中相同的附图
标记表示相同的元件，在附图中
图1是描绘根据本发明构造的电子通信系统的方框图2是示出在10比特/帧的比特率下对CDMA数据帧进行BPSK编
码的一对曲线图3是在12比特/帧的比特率下的图2的BPSK基带的曲线图4描绘了利用图3的BPSK波形的样本声码器输出；
图5描绘了利用10比特/帧的随机比特模式通过BPSK调制的500Hz
载波；
图6是利用图5的BPSK波形的样本声码器输出；
图7是BPSK解调器的方框图8是样本BPSK已解调数据的星座图9描绘了由EVRC-B声码器所使用的语音分类和速率确定方案的 概观；
图IO是利用10比特/帧的随机比特模式通过DBPSK调制的500Hz 载波；
图ll描绘了图IO的样本DBPSK已解调数据的星座图12描绘了样本DQPSK已解调数据的星座图13是使用Costas环路进行相位跟踪的BPSK解调器的方框图14是多DPSK调制方案的流程图15描绘了不同频率下的两个DBPSK已调载波信号以及利用图14
的过程所得到的最终的复合已调载波信号；
图16是组合的FSK-DBPSK调制技术的流程图；以及 图17是组合的ASK-DBPSK调制技术的流程图。
具体实施例方式
参考图1，其中示出了根据本发明构造的电子通信系统10。该通信 系统10包括常规的蜂窝通信网络，其具有被用于在蜂窝电话之间进行 双向话音数据传输的话音业务信道。该通信系统10还具有利用所述蜂 窝系统话音信道来交换包含除了语音或其他音频之外的信息的数字数 据的能力。正如下面将要更详细地讨论的那样，这种数据通信至少部分 地是利用对一个或多个音频载波的差分相移键控调制来实施的，所述差 分相移键控调制是利用所述数字数据进行的。这一方法允许通过用于语 音传输的相同的话音信道进行数据通信，并且通过适当地选择载波频率 和比特率，允许在对大多数应用可接受的误比特率下实现该数据传输。
通信系统10 —般包括连接到陆地电话网络14的蜂窝通信网络12, 二者一起被用来在乘客交通工具20与呼叫中心40之间提供话音和数据 通信。交通工具20具有车栽电子系统，其一部分被示出在22处。电子 系统22具有远程信息处理单元23,其包括通常可以在蜂窝通信设备中 找到的组件，比如CDMA兼容芯片组24和天线26,其允许使用蜂窝网 络12以便允许交通工具乘客使用扬声器28和话筒30进行话音会话。 远程信息处理单元23的这些组件可以以常规方式来实施，正如本领域 技术人员所知的那样。除了话筒30输入之外，车载系统22还包括至少 一个按钮32,其可以被用来发起与位于呼叫中心40处的现场顾问42的 话音通信。
根据4G CDMA系统，使用声码器对来自交通工具乘客(未示出) 和现场顾问42的话音数据进行编码，以便在通过小区塔16在话音业务 信道上进行无线传输之前压缩语音。 一旦通过所述无线网络接收到已编
码语音，就通过所述声码器为收听者解码所述已编码语音。该声码器被
结合在芯片组24以及位于小区塔16处的基站设备中的CDMA兼容模 块18中。虽然可以使用各种压缩编解码器，但是在所示出的实施例中， 该4G声码器被实施为时变的非线性滤波器。使用线性预测技术的各种 这样的编解码器是公知的；比如RPE-LPC编解码器或者固定或可变速 率CELP编解码器。在图1的系统10中可以使用任何合适的编解码器(不
管是否是线性预测的)。
除了通过话音业务信道的典型话音数据传输之外，通信系统10还 允许通过该相同的话音业务信道以及通过声码器18、 24进行数据通信。 这是通过在声码器的每一侧使用调制解调器来实现的；也就是，使用结 合在车载交通工具通信系统22中的第 一调制解调器34和位于呼叫中心 40处的第二调制解调器44。这些调制解调器可以具有相同的构造和操 作，因此将仅仅描述调制解调器34，并且将会认识到，对于调制解调器 34的描述同样适用于调制解调器44。如图1所示，远程信息处理单元 23可以在调制解调器34与电话设备28-32之间切换或多路复用CDMA 4GV芯片组24,从而蜂窝通信网络12可以被用于话音或数据通信，或 者即使在相同的呼叫期间也可以被同时用于此二者。
不管蜂窝呼叫是在交通工具20处发起的还是在呼叫中心40处发起 的，发送调制解调器可以使用一个预定义的音调(例如2225Hz)或者一 系列音调来对所请求的数据传输的接收调制解调器进行告警，并且随后 可以由这两个调制解调器协商数据连接的各种属性。为了允许通过话音 信道进行数据通信，所述调制解调器应用差分相移键控(DPSK)编码 以便把所传输的数字数据转换成DPSK数据，所述DPSK数据可以通过 声码器18、 24并且在蜂窝网络12的话音业务信道上被成功地发送。在 所示出的不同实施例中，使用了一种或多种特定形式的DPSK编码；比 如差分二进制相移键控(DBPSK)调制。如下面将进一步讨论的那样， 对所述数字数据的编码是由调制解调器34利用一个或多个载波信号来 实施的，所述一个或多个载波信号是通过使用DPSK编码器/解码器36 利用所述数据来调制的。
如图1所示，调制解调器34及其编码器/解码器36可以利用运行在 远程信息处理微处理器35上的软件来实施。该软件可以被存储在远程 信息处理存储器37中。本领域技术人员将显而易见其他替换实施方式；
比如调制解调器34可以被结合到4GV芯片组24中，或者可以利用专用 IC或其他硬件组件来实施，或者调制解调器软件可以被存储在处理器35 本身之上或者被存储在未示出的其他存储器上。
在交通工具20上，可以通过远程信息处理单元23经由交通工具网 络39从一个或多个交通工具系统模块获得被DPSK编码并且经由调制 解调器34发送的数字数据。这些模块38可以是期望从呼叫中心40或 其他远程设备或计算机系统向其进行信息传输的任何交通工具系统，或 者可以是期望从该处对呼叫中心40或其他远程设备或计算机系统进行 信息传输的任何交通工具系统。例如， 一个VSM38可以是诊断系统， 其向呼叫中心40提供诊断故障代码或者其他诊断信息。作为另一个例 子，VSM38可以是允许使用GPS的导航系统，其把关于交通工具的位 置的坐标或其他此类信息上栽到呼叫中心。还可以从呼叫中心(或其他 远程设备或计算机系统)向交通工具传输数据。例如，在VSM38是导 航系统的情况下，可以把新的地图或者其他方向或感兴趣点信息下载到 交通工具。作为另一个例子，VSM 38可以是信息娱乐系统，其中可以 下载并且存储新的音乐或视频以用于稍后重放。此外，这里使用的术语 "数字数据"不仅包括信息，而且包括可执行代码，从而可以通过话音 业务信道从服务器或其他计算机把新程序下载到交通工具。本领域技术 人员将知道有其他这种VSM 38以及期望向/从交通工具20传送的其他 类型的数字数据。
交通工具网络39可以被实施为任何合适的网络，比如控制器区域 网络(CAN)、面向媒体的系统传输(MOST)、局部互连网络(LIN)、 以太网、局域网(LAN)，并且其可以利用适当的连接和协议，比如符 合已知的ISO、 SAE和IEEE标准和规范的连接和协议。还可以包括单 独的信息娱乐网络(未示出)以便由远程信息处理单元23访问交通工 具无线电系统，在这种情况下，可以除去扬声器28，代之以使用(多个) 交通工具无线电系统扬声器在通过通信系统12的话音会话期间进行音 频输出。
陆地网络14可以是常规的基于陆地的电信网络，其被连接到一个 或多个陆线电话并且把无线载波网络12连接到呼叫中心40。例如，本 领域技术人员将认识到，陆地网络14可以包括公共交换电话网(PSTN) 和/或因特网协议(IP)网络。当然，可以通过使用标准有线网络、光纤 或其他光学网络、电缆网络、输电线、诸如无线局域网(WLAN)或提 供宽带无线接入(BWA)的网络之类的其他无线网络、或者它们的任何 组合来实施陆地网络14的一个或多个段。此外，呼叫中心40不需要通 过陆地网络14连接，而是可以包括无线电话设备，从而它可以直4妄与 无线网络12通信。
呼叫中心40不仅包括现场顾问42和调制解调器44,而且包括几个 其他组件。它包括PBX交换机46，其用来把呼入路由到一个或多个电 话48以用于话音通信或者路由到调制解调器44以用于数据传输。调制 解调器44本身可以被连接到各种设备，比如提供信息服务和数据存储 的服务器50以及由现场顾问42使用的计算机。这些设备可以通过,网络 52被连接到调制解调器44，或者可选择地可以被连接到该调制解调器 44所处的特定计算机。图1的各种组件包括一些常规组件以及可以基于 这里所包含的描述和本领域技术人员所拥有的知识来实施的其他组 件。例如，尽管调制解调器34、 44及其DPSK编码器/解码器不是常规 组件，但是用于实施DPSK编码和解码的技术是已知的，并且可以由本 领域技术人员利用诸如DSP和ASIC之类的组件来实施。类似地，实施 调制解调器34、 44所需的其他特征是本领域技术人员所公知的。
现在转向图2-8，将描述各种相移键控(PSK)方法和结果。由于用 于蜂窝通信的声码器滤出语音传输所需的频率之上的频率，因此，在蜂 窝话音业务信道上的成功的数据传输被限于使用处在或低于几千赫兹 的频率。因此，在应当使用数据调制技术的情况下，载波频率应当被限 制到该上限频率以内的频率。图2包括用于二进制相移键控(BPSK) 调制的随机比特模式的两个曲线图，第一曲线图(a)是表示随机的 0011101011比特模式的基带BPSK，以及第二曲线图(b)是使用BPSK 利用该比特冲莫式调制的500Hz栽波频率。对于8kHz采样频率下的160 个样本的采样率，这IO个比特表示典型的20ms数据帧，比如在CDMA 中所使用的那样。为了比较，图3是类似的BPSK基带波形，但是处在 12比特/帧的比特率下，其中该波形描绘了两个半的数据帧。在图4中 示出了图3中的相同波形，但是图4中示出的是其被发送通过声码器而 没有首先被用来调制音频载波的情况。由该声码器实施的滤波使得无法 从该声码器的输出(图4)恢复所述数字数据。在使用500Hz的载波频 率的BPSK调制的情况下(图5)，所得到的声码器的输出(图6)至
少在某种程度上保留了原始数据。
更详细地查看图5,图5的已调500Hz波形是在10比特/帧的比特
率下利用以下随机比特模式调制的
0100001100001001101111001。
随后可以对图6的所得到的声码器输出进行解码，这是通过提取相位信 息以便把所述波形解析回到原始数字数据。这可以按照例如图7中所示 的已知方式来进行，其中把声码器波形乘以正弦波形并且把结果求和以 便得到I轴数据点，并且还将所述声码器波形单独地乘以余弦波形以便 得到Q轴信息。用于根据图7分解声码器波形并且从中生成所得到的比 特模式的数字处理技术是本领域技术人员所公知的。图8中示出行经利 用BPSK的声码器的样本比特模式的样本星座图。如该星座图所示，通 过声码器使用BPSK不能很好地保留原始数字数据，结果其误比特率 (BER)对于大多数应用都高得不可接受。使用BPSK的信息损失看来像 是声码器的非线性、时变属性的结果，所述属性可能在通过声码器的信 号中引入相位漂移。
除了作为所述明显的相位漂移的结果的信息损失之外，通过声码器 的成功的数字数据传输还可能在很大程度上取决于由该声码器使用的 编码和传输速率。对于诸如使用遵循3GPP2 C.S0014-B 1.0版规范(可 以在www.3gpp2.org得到)的EVRC-B编解码器的Qualcomm⑧的4G声 码器来说，对于不同类型的语音、音调和背景噪声使用不同的速率。一 般来说，声码器对输入数据进行编码和传输的速率是通过把所输入的信
发声的、不发声的和瞬态以及静默和上、下瞬态。最初，取决于这一分 类，而且还取决于附加的测试，声码器特定的操作模式，在该操作模式 下，它使用特定的编码方案和速率来编码及传输所接收的数据。 一般来 说，该过程在逐帧的基础上实施，其中每一帧对应于在8kHz下采样的 20ms的数据。对于话音通信来说，该过程被设计成提供对语音的忠实 再现，同时适应其他通信需求(比如回铃音)并且尝试最小化带宽利用 率。然而，该过程可能会显著地抑制话音信道上的数据通信，这是因为 它可能会导致低于全速率的传输。在没有全速率传输的情况下，可能4艮 难(如果不是不可能的话)在对于大多数应用来说可以接受的误比特率 下通过EVRC-B声码器传输数字数据。 对于利用EVRC-A的先前世代的声码器来说，输入信号只需要看起 来像语音就可以得到全速率。因此，可以利用诸如连续FSK之类的调制 技术来荻得全速率。然而，对于4G声码器来说，达到全速率的能力更 加困难。图9描绘了对于在3GPP2 C.S0014-B 1.0版规范中包含的 EVRC-B语音分类方案的分析，其中示出了用来对输入数据进行分类的 不同测试以及其中的哪些测试导致全速率传输。EVRC-B使用三个主要 的锚操作点(AOP) : AOP0、 AOPl和AOP2。这些操作点被用来确定 速率选择，并且所述锚操作点本身是基于可以通过无线栽波调节的目标 平均速率来确定的。因此，期望通过所述声码器发送数字数据的服务供 应商通常无法控制锚操作点确定。相反，获得所期望的全速率可以通过 根据图9的一条或多条导致全速率确定的路径来调制或者以其他方式调 节已编码载波信号来实现。
一般来说，图9的过程把输入数据分类为多个语音类别的其中之一 (比如瞬态或发声的)，并且基于所述分类来确定是否要在全速率下传 输该数据。作为EVRC-B声码器处理的一部分，使用Levinson Durbin 递归，并且不管把语音分类为瞬态还是其他，都监视这一递归的误差参 数，以便确定是否应当分配全速率。特别地，计算Stoporder30迭代指 数，并且如果该值小于或等于4，则使用全速率传输。这允许在全速率 下传输回铃音。如图9所示，如果输入数据被分类为瞬态语音，则分配 全速率。无论声码器是操作在AOP0模式(在这种情况下，瞬态语音将 被分类为给出全速率的语音)下还是代之以操作在AOP1或AOP2模式 下，这都将是成立的。
为了把输入数据归类为瞬态语音，已经发现，通过调节输入数据信 号以使它具有间断性和适当的能量特性，该信号将被声码器解释为瞬态 语音，从而为其分配全速率。因此，鉴于上面结合图2-8讨论的编码方 案的特性以及针对获得全速率的需求，可以通过选择调制方案来实现通 过EVRC-B声码器的成功的数据传输，所述调制方案按照以下方式把数 字数据编码成一个或多个载波信号(1)可以经受得住所使用的特定 线性预测编码方案(例如CELP);以及(2)向所述(多个)栽波信号 赋予间断性和能量特性，从而使得声码器把所输入的信号分类为瞬态语 音。下面将结合特定调制方案更加详细地讨论这些间断性和能量特性， 现在将讨论其中的若干个。
转向图IO和图11，现在将讨论使用差分相移键控(DPSK)的几种 调制技术当中的第一种。使用DPSK避免了由声码器引入的相位问题。 DPSK根据所述比特模式中的连续信息比特之间的差异来调制载波，并 且通过这样做，消除了由随机相位漂移所导致的问题。优选地，使用差 分二进制相移键控(DBPSK)，在图IO和图11中示出了它的一个例子。 在图10中，再次使用与图5相同的比特模式，但是这一次使用该比特 模式对500Hz载波进行DBPSK调制。图11示出了在进行DBPSK解码 之后的已分解的声码器输出的星座图。如该图所示，解调的结果沿着I 轴差异很大，其中所述比特模式的O和1集中在通过原点延伸的Q轴线 两侧的两个节点周围。因此，可以以相对较低的误比特率来恢复原始数 字数据。利用运行在不同操作模式下的Qualcomm 4G声码器测试了如 图10中所示的使用了 DBPSK的样本数据。使用500Hz的载波频率和 500比特/秒(10比特/帧)的样本数据的误比特率是大约1.5%。只要所 得到的误比特率对于所涉及的特定应用来说是可以接受的，就可以使用 其他的频率和比特率(比特/帧)的组合。例如，在500比特/秒下使用 DBPSK,已经在500Hz、 800Hz、 850Hz、 900Hz、 950Hz、 1000Hz、 1300Hz、 1350Hz和1850Hz的栽波频率下获得了良好的结果，并且这些载波频率 可以被向上和向下改变大约50Hz而不会显著恶化误比特率。这给出了 450-550Hz、 750-1050Hz、 1250-1400Hz以及1800-1900Hz的优选频率范 围。对于话音信道上的双向通信，优选地在每个方向上使用不同的频 率，其间具有足够的频率分隔；例如使用500Hz和950Hz。
如图10中所示，使用DPSK导致了相移，所述相移在已调栽波信 号中提供了间断性，所述间断性是在上面标识出的有助于通过声码器把 信号归类为瞬态语音的其中 一个特征。输入到声码器中的已调载波信号 内的间断性的好处在于，它为信号给出了低周期性，这是EVRC-B声码 器在对输入信号进行归类时所使用的其中一个因素。声码器使用第二子 帧的计算得到的归一化自相关函数(NACF)来确定输入信号的周期性， 该归一化自相关函数在这里被称为NACFsf2,并且可以利用在3GPP2 C.S0014-B 1.0版规范中给出的用于其的等式来计算。在NACFsf2低于与 不发声语音相关联的阈值的情况下，信号的周期性被视为低，并且这是 由声码器使用的应当把该信号分类为瞬态语音的 一个指标。该不发声阈 值被称为UNVOICEDTH，它是由声码器基于信噪比确定的。从DPSK
调制得到的相移实现了用于NACFsf2的该低值。
声码器在确定语音分类(发声、不发声、瞬态等等)时所分析的输 入信号的另一个特征是能量特性。其中两个能量特性是bER (频带能量 比)和vER2， vER2是基于当前帧能量与三帧平均话音能量的比值而计 算的值。bER是在0-2kHz的较低频带中包含的能量与在2-4kHz的较高 频带中包含的能量的比值的量度。利用下面的等式来计算bER:
阳0^
其中，EL是在0-2kHz频带中包含的能量的量，以及EH是在24kHz频
带中包含的能量的量。为了满足用于瞬态语音的要求，大多数能量必须 位于较低频带中，从而使得bER>0。对于所输入的信号的每一帧确定 EL和EH的等式和技术是本领域技术人员所已知的。
对于vER2，瞬态语音要求所述计算值必须超出-15的固定阈值，其 中vER2是根据下面的等式确定的
v￡/ 2 =廳(20,10 * logl0
其中，E是当前帧的能量，以及vEav是三个先前发声帧上的平均能量。 虽然在此公开的调制技术的一个目标是避免任何帧被声码器归类为发 声的，但是通过蜂窝通信系统12的典型的电话连接将不仅仅涉及到数 据传输，而且还将涉及到实际的语音(例如在交通工具乘客与呼叫中心 人员42之间)，从而通常将有其中可以确定vEav的发声帧，并且即便 没有的话，在存在被分类为不发声或不活跃语音的帧的情况下，声码器 也可以对于vEav使用0.1的默认值。
当输入到声码器的信号满足全部三个前述测试时(也就是 NACFsf2<UNVOICEDTH， bER〉0,并且vER2〉-15),该信号^f皮声码器
分类为瞬态，并且被给出全速率。通过实验已经确定，对于特定的比特 率和载波频率，DPSK调制技术调节载波信号，从而使它具有使得声码 器为其分配全速率的间断性和能量特性。已经发现上面对于DBPSK所 述的比特率和载波频率对于Qualcomn^4G声码器有效。然而，不同的 声码器设计(其常常使用不同的语音压缩编解码器)可能要求使用不同
特率。对于任何特定声码器设计，可以通过利用样本波形测试声码器来
确定适当的频率和比特率。 一般来说，优选地使用4,000Hz或更低(低 到大约lHz)的任何载波频率，更优选地，栽波频率处在400Hz到2,500Hz 的范围内。除了载波频率之外，不仅可以为了获得低的误比特率来选择 比特率，而且还可以按照对于特定应用所必须或者所期望的那样选择比 特率。优选地，所述数字数据具有250到3,000比特/秒的比特率。当选 择特定载波频率和比特率时，应当在声码器的任何可能的操作模式下检 查已调载波，以便确保误比特率对于预定应用来说是可以接受的。
除了 DBPSK之外，可以使用其他形式的差分相移键控调制，只要 它们对于所涉及的特定声码器导致合适的误比特率即可。例如，图12 描绘了使用5比特/帧和500Hz载波的差分正交相移键控(DQPSK)的 星座图。从该图可以看出，误比特率较高。在用于DBPSK测试的相同 的500Hz、 10比特/帧输入下对于上述Qualcomm⑧4G声码器的测试在该 声码器的所有三个操作模式下显示出大约6%的误比特率。虽然该正交 方法展现出了高于DBPSK的误比特率，但是它仍然可以被使用在其中 能够容忍较高误比特率的应用中。在1000比特/秒下，DQPSK可以运行 在900Hz、 9WHz和1350Hz的频率下，再次，50Hz的向上或向下频率 变化给出了 850-1000Hz和1300-1400Hz的优选频率范围。
向回参考图2 (b)和图5的BPSK实例，并且把这些已调信号与图 10的DBPSK实例进行比较，可以看出，已调BPSK载波包括与图10 的DBPSK调制类似的间断性和能量特性。因此，BPSK已调载波的成功
述存在i认为是由于信号的相位漂移所导致发生的信息损失。因此，在 期望使用PSK (二进制或其他)而不是DPSK的情况下，可以在对所接 收的载波信号进行解调时使用相位跟踪器或PLL (比如图13中示出的 Costas环路)，从而使得所述相位漂移不会妨碍恢复已编码数据。该 Costas环路可以被实施为用在图1的调制解调器34、44中的DPSK编码 器/解码器36的一部分，并且可以用软件实施。Costas环路的编程和使 用是本领域技术人员所已知的。
现在转向图14，其中示出了第二种类型的DPSK调制，其可以被用 来通过EVRC-B声码器并且通过蜂窝通信系统12的话音信道传输数字 数据。在该实施例中，与上面结合图10和图ll所讨论的调制方案一样
使用DBPSK,其不同之处在于它是通过如下方式完成的把数字数据 分成所期望的数目(")的不同的流，在每个流上使用DBPSK以便基于 该数字数据中的符号之间的改变(即0到1或1到0)来编码不同频率 的栽波信号。随后把各已调栽波信号在一起求和，以便形成复合已调载 波信号。当把输入数字数据分成不同的流时，所述数据的不同部分被用 于每个流，从而例如在仅仅使用两个流(两个载波频率)的情况下，交 替的各组数字数据(例如每次10个字节)被用来调制载波信号#1,并 且剩余的交替的各组数字数据被用来调制载波信号#2。可以按照对于特 定应用所期望或者所适当的情况选择每一组的尺寸，而不管是以更大的 组进行还是仅仅作为单个比特进行，从而在不同于其在前比特的频率下 调制每一个相继比特。所迷各组的尺寸不必是相同的，从而例如可以在 较高频率下对较大的数据组进行编码，同时可以在较低频率下对较小的 数据组进行编码。图15描绘了两个单独的已调栽波信号的例子，其中 的每一个处在不同频率下，并且该图还示出了在把它们在一起求和之后 所得到的复合已调栽波信号。
对于DBPSK数据流的解调可以联合执行。可以通过在不同的载波 频率之间进行区分来分出所迷数据流。 一旦按照频率进行了分离之后， 就可以随后对于每个已知的栽波频率确定正确的差分相位，并且可以随 后通过标准的DBPSK解调技术来恢复所述数字数据。
通过适当选择比特率和栽波频率，所得到的复合栽波信号将具有获 得作为瞬态语音通过EVRC-B声码器的全速率传输所必需的间断性和能 量特性。虽然该调制方法可以用于被确定来提供可接受的低误比特率的 任何比特率和载波频率，但是一般来说，该调制方法优选地用于250-3,000比特/秒的比特率以及从低至大约1Hz直到4,000Hz并且更优选是 从400Hz到2,500Hz的频率。用于1,000比特/秒速率下的2栽波信号调 制(即"=2)的高度优选的频率是650和U50Hz以及900和1400Hz(或 者在这些频率的士SOHz以内)。 一个频率对可以被用在话音信道上的一 个方向上，另一个频率对可以被用在另一个方向上。
现在参考图16,公开了另一个DPSK实施例，其中与DPSK(优选 是DBPSK)相结合地使用频移键控(FSK)来编码数字数据。在该实施 例中，所述数字数据被用来对栽波信号实施FSK,从而根据该数字数据 在两个不同频率之间进行切换。该相同的数据还被用来对经过FSK调制
的载波信号执行DBPSK。因此，栽波信号的频率和相位都被调制，并 且所述数据同时由所发送的特定音调(FSK部分)以及由该音调的开头 处的特定相移(DBPSK部分)来表示。解调可以被联合执行，并且一 旦知道了特定符号的频率之后，随后就可以确定正确的差分相位。作为 该方案的结果，已解调数据将对于所输入的数字数据的每个符号产生2 个比特，而不是上面讨论的调制方案的1个比特。虽然优选地使用
形式的DPSK。与上面讨^的其他DPSK调制技口术二样，通过使用DPSK 导致的已调载波信号中的相移连同适当的频率以及可能的比特率选 择，为已调载波信号给出了必要的间断性和能量特性，从而导致EVRC-B 声码器把该信号分类为瞬态语音并且为其分配全速率。上面对于其他 DPSK技术所指定的一般频率和比特率范围可以用于该FSK-DPSK调制 方案。在一个更高度优选的实施例中，在1000比特/秒下可以使用下面 的频率对(再次在所给出的频率的士50Hz以内的频率下)850和 1400Hz， 850和1450 Hz, 900和1350 Hz, 900和1550 Hz, 950和1550 Hz， 1000和1550 Hz， 1100和1800 Hz, 1150和1550 Hz， 1150和1750 Hz, 1400和2050 Hz， 1450和2000 Hz， 1500和2000 Hz，以及1500和 2050 Hz。
图17中示出了与该FSK-DPSK技术类似的方法，其不同之处在亍， 使用了幅移键控(ASK)来代替FSK。上面对于其他DPSK技术所指定 的一般频率和比特率范围可以用于该ASK-DPSK调制方案。因此，比特 率可以是250-3,000比特/秒，频率可以是从低至大约1Hz直到4,000Hz， 并且更优选是从400Hz到2,500Hz。通过对经过ASK调制的栽波信号应 用DPSK调制，并且通过适当选择比特率和频率，所得到的已调栽波信 号可以具有获得作为瞬态语音通过声码器的全速率传输所必需的间断 性(因此是低周期性)和能量特性。
如上面结合图13所讨论的那样，对于任何这些先前的调制技术(例 如多DPSK、 FSK-DPSK和ASK-DPSK),都可以利用常规的PSK而不 是DPSK来获得载波信号中的间断性，其中Costas环路或其他合适的相 位跟踪器被用来避免由于相位漂移所造成的信息损失。
暂时回来参考图1，因此下述将是显而易见的，根据本发明的方法 的 一个实施例，可以按照以下步骤通过无线网络传送数字数据
(a) 利用数字数据来调制一个或多个载波信号，其中对所述一个 或多个载波信号使用差分相移鍵控，从而产生已调栽波信号；
(b) 通过无线电信网络的话音信道传输该已调栽波信号；
(c) 接收通过该无线电信网络传输的该已调栽波信号；并且
(d) 把所接收的已调栽波信号解调回到所述数字数据。
在其中把数据从交通工具20传输到呼叫中心40的例子中，可以由调制 解调器34利用从其中 一个交通工具系统模块38接收的数字数据来实施 步骤(a)。在该例子中，可以通过首先利用CDMA 4GV芯片组24对 来自调制解调器34的已调载波信号进行编码来实施步骤(b),并且这 是通过使用显示出时变、非线性转移函数的那种类型的线性预测编解码 器来完成的，所述转移函数至少部分地滤出所输入的数据的非语音分 量。随后可以经由交通工具天线26在蜂窝网络12上传输该已编码输 出。该例子的步骤(c)涉及到在所述已调载波信号已经通过所述CDMA 4GV模块18之后在呼叫中心40处接收该已调载波信号。最后，步骤(d ) 涉及到把该已调载波信号解码回到来自VSM38的原始数字数据。可以 由DPSK编码器/解码器36使用上面结合图11-12以及14-17讨论的任何 DPSK调制方案；可选择地，可以使用常规的PSK，其使用Costas环路 或在解调器处的其他相位跟踪。
应当理解，前面描述了本发明的一个或多个优选的示例性实施例。 本发明不限于在此公开的特定实施例，而是仅仅由以下的权利要求书来 限定。此外，在前面的描述中包含的陈述涉及到特定实施例，并且不应 被解释为对本发明的范围或者对权利要求书中所使用的术语的定义的 限制，除非在上面明确地定义了术语或短语。对于本领域技术人员而 言，各种其他实施例以及对所公开的实施例的各种其他改变和修改将变 得显而易见。所有这种其他实施例、改变和修改都打算在所附权利要求 书的范围之内。
如在本说明书和权利要求书中所用的那样，当与一个或多个组件或 其他项目的列举结合使用时，术语"例如"和"诸如"以及动词"包括"、 "具有"、"包含"和它们的其他动词形式均应当被解释为开放式的， 这意味着所述列举不应被视为排除其他附加的组件或项目。除非被用在 要求不同解释的上下文内，否则应当使用其最广的合理含义来解释其他 术语。
权利要求
1、一种通过无线电信网络来传送数字数据的方法，包括以下步骤利用该数字数据来调制一个或多个载波信号，其中对所述一个或多个载波信号使用差分相移键控，从而产生已调载波信号；通过无线电信网络的话音信道传输该已调载波信号；接收通过该无线电信网络传输的该已调载波信号；并且把所接收的已调载波信号解调回到所述数字数据。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤还包括在 所选比特率下利用所述数字数据来调制单个频率载波信号，其中使用差 分二进制相移键控调制。
3、 根据权利要求2所述的方法，其中，所述比特率处在250比特/ 秒到3,000比特/秒的范围内，并且所述载波频率处在400Hz到2,500Hz 的范围内。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤还包括通过 实施以下步骤作为复合已调载波信号来生成所述已调栽波信号调制多个载波信号，其中每个载波信号具有一个不同的频率并且通 过使用差分相移键控调制利用所述数字数据的一部分来进行调制；并且 把所述多个已调载波信号组合成一个复合已调栽波信号。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤还包括通过 实施以下步骤作为复合已调载波信号来生成所述已调载波信号利用所述数字数据的一部分调制具有第一频率的第一载波信号，其 中使用差分二进制相移键控调制；利用所述数字数据的剩余部分调制具有第二频率的第二载波信 号，其中使用差分二进制相移键控调制；并且把所述两个已调载波信号组合成一个复合已调载波信号。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤包括使用 频移键控调制和差分相移键控调制来调制载波信号。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述调制步骤还包括通过 以下步骤生成所述已调载波信号(a) 通过利用所述数字数据的一部分调制该载波信号来生成经过 FSK调制的载波信号，其中使用频移键控调制；并且(b) 利用该数字数据的剩余部分来调制该经过FSK调制的栽波信 号，其中使用差分相移键控调制。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中，所述差分相移键控调制包 括差分二进制相移键控调制。
9、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤包括使用 幅移键控调制和差分相移键控调制来调制载波信号。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中，所述调制步骤还包括通过 以下步骤生成所述已调栽波信号(a)通过利用所述数字数据的一部分调制该栽波信号来生成经过 ASK调制的载波信号，其中使用幅移键控调制；并且(b )利用该数字数据的剩余部分来调制该经过ASK调制的载波信 号，其中使用差分相移键控调制。
11、 一种利用话音编码器通过无线电信网络传送数字数据的方法， 该话音编码器根据把输入数据分类成各类别而操作在不同模式下，所述 各类别至少包括发声的、不发声的以及瞬态语音，其中所述不同模式中 的每一种与用于对输入数据进行编码的编码方案相关联，该方法包括以下步骤把已调载波信号输入到该话音编码器中，该已调栽波信号具有使得 该话音编码器将该已调载波信号分类为瞬态语音的间断性和能量特 性；获得已编码输出，该已编码输出是由该话音编码器使用所输入的已 调载波信号所生成的；通过该无线电信网络的话音信道传输该已编码输出；接收通过该无线电信网络传输的该已编码输出；通过利用话音解码器对所接收的已编码输出进行解码来生成已解 码已调载波信号；并且对该已解码已调栽波信号进行解调。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中，在所述输入步骤之前， 该方法还包括以下步骤通过利用数字数据调制一个或多个载波信号来 生成所述已调载波信号，其中对所述一个或多个载波信号使用差分相移 键控调制。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中，所述差分相移键控调制 包括差分二进制相移键控调制。
14、 根据权利要求12所述的方法，其中，所述差分相移键控调制 包括差分正交相移鍵控调制。
15、 根据权利要求12所述的方法，其中，所述生成步骤还包括通 过实施以下步骤作为复合已调载波信号来生成所述已调载波信号调制多个载波信号，其中每个栽波信号具有一个不同的频率并且通 过使用差分相移键控调制利用所述数字数据的一部分来调制；并且 把所述多个已调栽波信号组合成一个复合已调载波信号。
16、 根据权利要求12所述的方法，其中，所述生成步骤还包括通 过实施以下步骤作为复合已调载波信号来生成所述已调栽波信号利用所述数字数据的 一部分调制具有第 一频率的第 一栽波信号，其 中使用差分二进制相移键控调制；利用所述数字数据的剩余部分调制具有第二频率的第二栽波信 号，其中使用差分二进制相移键控调制；并且把所述两个已调栽波信号组合成一个复合已调栽波信号。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中，所述调制第一和第二栽 波信号的步骤还包括把所述数字数据分成交替的第 一和第二组数据， 利用第 一组数据调制第 一栽波信号，并且利用第二组数据调制第二载波 信号。
18、 根据权利要求11所述的方法，其中，在所述输入步骤之前， 该方法还包括以下步骤通过使用频移键控调制和差分相移键控调制来 调制载波信号而生成所述已调栽波信号。
19、 根据权利要求11所述的方法，其中，在所述输入步骤之前， 该方法还包括以下步骤通过使用幅移键控调制和差分相移键控调制来 调制载波信号而生成所述已调载波信号。
20、 根据权利要求11所述的方法，其中，在所述输入步骤之前， 该方法还包括生成所述已调栽波信号的步骤，这是通过利用数字数据对 一个或多个载波信号进行调制，其中对所述一个或多个栽波信号使用相 移键控调制，并且其中所述解调步骤包括利用相位跟踪器对所述已解码 已调载波信号进行解调。
21、 一种利用EVRC-B声码器来无线传输数字数据的方法，该方法 包括以下步骤对数字数据进行编码，这是通过利用该数字数据来调制至少一个栽波信号并且从中产生已调栽波信号而进行的，该已调载波信号具有使得该声码器将该已调栽波信号分类为瞬态语音的间断性和能量特性；把该已调栽波信号输入到EVRC-B声码器中；获得来自该声码器的已编码输出；并且通过天线传输该已编码输出。
22、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述编码步骤还包括利用所述数字数据对一个或多个载波信号执行二进制差分相移键控 (DBPSK)调制。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述执行DBPSK调制的号，'其中使用差分二进制相移键控调制:— 口'"'
24、 根据权利要求23所述的方法，其中，所述比特率处在250比 特/秒到3,000比特/秒的范围内，并且所述载波频率处在400Hz到 2,500Hz的范围内。
25、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述编码步骤还包括通 过实施以下步骤作为复合已调栽波信号来生成所述已调栽波信号调制多个载波信号，其中每个载波信号具有一个不同的频率并且通 过使用差分相移键控调制利用所述数字数据的一部分来调制；并且 把所述多个已调载波信号组合成一个复合已调载波信号。
26、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述编码步骤还包括通 过实施以下步骤作为复合已调载波信号来生成所述已调栽波信号利用所述数字数据的一部分调制具有第一频率的第一栽波信号，其 中使用差分二进制相移键控调制；利用所述数字数据的剩余部分调制具有第二频率的第二载波信 号，其中使用差分二进制相移键控调制；并且把所述两个已调栽波信号组合成一个复合已调栽波信号。
27、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述编码步骤包括使 用频移键控调制和差分相移键控调制来调制栽波信号。
28、 根据权利要求27所述的方法，其中，所述调制步骤还包括通 过以下步骤生成所述已调栽波信号(a)通过利用所述数字数据的一部分调制该栽波信号来生成经过 FSK调制的载波信号，其中使用频移键控调制；并且 (b)利用该数字数据的剩余部分来调制该经过FSK调制的载波信 号，其中使用差分相移键控调制。
29、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述编码步骤还包括调 节所述载波信号相移。
30、 一种利用声码器通过无线电信网络传送数字数据的方法，该声 码器以多个不同速率当中的一个或多个来编码并传输输入数据信号，所 述多个不同速率包括全速率以及一个或多个更小速率，其中由该声码器 使用来对所述输入数据信号进行编码和传输的速率至少部分地取决于 该输入数据信号的周期性以及在该输入数据信号中包含的能量特性，其 中，该方法包括以下步骤利用数字数据调制一个或多个载波信号，从而产生具有以下特性的 所得到的已调载波信号a ) NACFsf2<UNVOICEDTH;b) bER〉0;以及c) vER2>-15 其中NACFsf2是第二子帧归一化自相关函数，以及UNVOICEDTH 是基于所确定的信噪比的阈值；bER是根据等式6W-l。g2!确定的频带能量比，其中EL是在0-2kHz的较低频带中包含的能量的量，以及EH是在2-4kHz的较高频 带中包含的能量的量；以及vER2是根据等式v朋2-MW(20,lo + l。g,。l)确定的，其中E是所述已调载波信号的当前帧的能量，以及vEav是该已调载波信号的三个 先前发声帧上的平均能量；通过无线电信网络的话音信道传输该已调载波信号； 接收通过该无线电信网络传输的该已调载波信号；并且 把所接收的已调载波信号解调回到所述数字数据。
全文摘要
本发明公开了一种用于通过无线通信网络的话音信道进行数据通信的方法。该方法允许利用根据其接收的输入信号的特性而操作在不同模式下的声码器在话音信道上进行数字数据传输。为了准备用于传输的数字数据，使用多种调制方案之一利用数字数据来编码一个或多个载波信号，所述调制方案利用差分相移键控来为所述已调载波信号给出特定的周期性和能量特性，从而允许其在全速率下通过声码器被传输。所述调制方案包括使用单个或多个频率的载波的DPSK、组合的FSK-DPSK调制、组合的ASK-DPSK以及在解调器中具有相位跟踪器的PSK。这些调制方案允许以低的误比特率通过CDMA、GSM或其他类型的话音业务信道进行数据通信。
文档编号H04Q7/22GK101175255SQ200710184969
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者E·彻斯努特, I·M·苏尔蒂, J·殷, S·K·马哈文 申请人:通用汽车公司