一种多链路随身通信装置及其语音编码压缩和解码方法与流程

本发明涉及通信
技术领域：
，具体是一种星地融合且多链路通信的随身通信装置及其语音编码压缩和解码方法。
背景技术：
：由于现有的随身通信装置，即随身wi-fi类通信产品存在各种的不足，其一般采用接入移动运营商的移动无线网络，而且该移动无线网络需要有地面基站的有效覆盖区域才能接入。诸如沙漠、雪山、海岛等特殊地理环境，或不具备地面基站建设条件的地区，则现有的随身通信装置无法接入移动无线网络，当遇到紧急状况需要求助时无法与外界取得通信联系。而我国的天通卫星、北斗卫星的信号覆盖面广且稳定，并完全覆盖我国境内，北斗卫星的信号更是覆盖全球地区，目前还没有随身通信装置将天通卫星通信模块、北斗卫星通信模块与目前最先进的移动无线网络4g/5g通信技术进行融合，造成现有的随身通信装置不具备与北斗卫星和天通卫星的通信能力，且无法以多链路的形式并行发送紧急求助信息。此外，随身通信装置野外充电问题也亟待解决，特别是在沙漠、雪山、海岛等特殊环境，在没有市电的情况下，当随身通信装置的电能耗尽时，无法与外界取得通信联系。再者，由于北斗卫星通信采用短报文形式发送，被限制在最多每条120个汉字或者1680bit，且最高发送频次为1秒1次，所以传统码率大于每秒8kbit以上的语音信息不利于以短报文形式发送，同时还要考虑北斗卫星通信对数据包到达的顺序不一致而造成无法解析的时延问题，一旦解析错误可能造成重大损失。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多链路随身通信装置及其语音编码压缩和解码方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多链路随身通信装置，包括壳体，所述壳体内设有电路板，其中电路板上安装有arm主控制器、驱动arm主控制器的电源管理模块，所述电路板上还安装有连接arm主控制器的路由器、连接路由器且带vpn网关的4g/5g通信模块、通过uart集线器连接arm主控制器的卫星通信模块，其中卫星通信模块包括天通卫星通信模块、北斗卫星通信模块，所述arm主控制器固定在电路板上的第一接地端，所述电源管理模块固定在电路板上的第二接地端，所述4g/5g通信模块、天通卫星通信模块、北斗卫星通信模块分别固定在电路板上的第三接地端。其中：所述第一接地端、第二接地端、第三接地端分别通过磁珠与电源管理模块单点连接接地。其中：所述壳体的外壁设有容置槽，位于容置槽内设有与电源管理模块连接的外部电源插口、安装在壳体上并铰接于容置槽中与电源管理模块连接兼能给锂电池组充电的手摇发电手柄，其中手摇发电手柄与电源管理模块电连接，所述电源管理模块还与锂电池组电连接。其中：所述arm主控制器还电连接有储存模块、usb接口、紧急求助按键、以及进行语音编码压缩的dsp数字信号处理模块，其中dsp数字信号处理模块与路由器连接，所述dsp数字信号处理模块还电连接有麦克风。其中：所述路由器还电连接有数据加密模块、wi-fi模块、安装在壳体外侧的rj45wan接口。一种多链路随身通信装置的工作方法，包括多个网络数据链路的判断管理、多个网络数据链路信息的并行发送管理。其中：所述多个网络数据链路的判断管理由连接rj45wan接口的外部网络、连接4g/5g通信模块的移动无线网络、连接天通卫星通信模块的天通卫星网络、连接北斗卫星通信模块的北斗卫星网络构成，其中多个网络数据链路的判断管理对外部网络、移动无线网络、天通卫星网络、北斗卫星网络的传输质量进行判断和选择切换。其中：所述多个网络数据链路信息的并行发送管理由紧急求助按键触发启动，将实时地理位置信息通过多个网络数据链路发送，以及将通过麦克风的语音信息拾取、通过arm主控制器和dsp数字信号处理模块对语音信息进行编码压缩的语音信息通过多个网络数据链路发送，其中地理位置信息和语音信息的多个网络数据链路发送由4g/5g通信模块、天通卫星通信模块、北斗卫星通信模块同时并行发送，所述语音信息包括高保真语音编码和/或仅限于5秒内的语音极低速率压缩编码。一种多链路随身通信装置的语音编码压缩方法，包括一种多链路随身通信装置及其工作方法，所述语音编码压缩基于lpc-10声码器的极限优化算法，包括以下步骤：a、语音信息经5阶最大平坦lpf滤波器100-3600hz滤波，滤波器按传递函数建模，归一化计算；b、对步骤a处理后的语音波纹信息进行8khz采样，然后将采样进行12bita/d变换，传输到dsp数字信号处理模块中，并分别以基音分析和预加重处理；c、对步骤b中的基音分析和预加重处理分别进行量化，再将其编码储存分析，并按每帧小于或等于1496bit将存储的数据重新组帧通过北斗卫星通信模块进行发送。一种多链路随身通信装置的语音编码解码方法，包括一种多链路随身通信装置及其工作方法，所述解码方法在dsp数字信号处理模块中完成，包括以下步骤：i、将多个数字语音帧按帧序号顺序提取数据并合并数据，得出合并码流并进行串并转换同步检测，得出帧块；ii、对步骤i得出的帧块通过转换和插值提取出lsf系数与帧间插值、基音、噪声，同时将lsf系数与帧间插值与基音和噪声通过清浊音开关生成数据进行综合，再与rms计算增益；iii、对步骤ii去掉预加重处理，经过d/a变换和3600hz的5阶最大平坦lpf滤波合成语音。本发明的有益效果是：将多种通信方式进行了链路融合，使得可通过天通卫星、北斗卫星、地面4g/5g网络进行数据交换，即使在极端环境条件下也能提供北斗短报文通信，解决荒漠环境下无移动无线网络时的通信需要；同时通过手摇发电手柄能为装置自身锂电池及各种智能终端充电，解决了在野外无法充电的问题；而且还设置了紧急求助按键，通过多链路同时发送地理位置信息，求救信号等，保障使用者的人生安全。对语音信息进行转码和编码压缩、分拆、发送、按帧序重组、解码、播放，使得在只有北斗卫星的信号时也可以通过语音发送紧急求助信号。同时解决各帧数据包到达的顺序可能不一致而造成无法解析的问题，对语音信息进行编码压缩，确保语音信息能够被北斗通信系统传输并可靠接收。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明模块连接的示意图；图2是本发明模块接地的示意图；图3是本发明电路板的结构示意图；图4是本发明壳体的结构示意图；图5是本发明壳体的结构示意图；图6是本发明壳体的俯视图；图7是本发明arm主控制器的电路图；图8是本发明电源管理模块的电路图；图9是本发明4g/5g通信模块的电路图；图10是本发明天通卫星通信模块的电路图；图11是本发明北斗卫星通信模块的电路图；图12是本发明的操作流程图；图13是本发明的语音编码压缩流程图；图14是本发明的语音编码解压流程图。具体实施方式参照图1至图14，一种多链路随身通信装置，包括壳体1，所述壳体1内设有电路板2，其中电路板2上安装有arm主控制器3、驱动arm主控制器3的电源管理模块4，所述电路板2上还安装有连接arm主控制器3的路由器5、连接路由器5且带vpn网关51的4g/5g通信模块52、通过uart集线器31连接arm主控制器3的卫星通信模块，其中卫星通信模块包括天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7，所述arm主控制器3固定在电路板2上的第一接地端21，所述电源管理模块4固定在电路板2上的第二接地端22，所述4g/5g通信模块52、天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7分别固定在电路板2上的第三接地端23。进一步地：所述电源管理模块4分别与arm主控制器3、4g/5g通信模块52、天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7电连接，同时与所述第一接地端21、第二接地端22、第三接地端23构成各自独立的接地电路。再进一步地：所述第一接地端21、第二接地端22、第三接地端23分别由磁珠与电源管理模块4单点连接接地。其中，电源管理模块4与4g/5g通信模块52、天通卫星通信模块6分别采用阻抗z在3ghz附近呈现最大值的磁珠与电源管理模块4单点连接接地；电源管理模块4与arm主控制器3、北斗卫星通信模块7分别采用阻抗z在1ghz附近呈现最大值的磁珠与电源管理模块4单点连接接地。更进一步地：如图3所示，为避免arm主控制器3、4g/5g通信模块52、wi-fi模块54、天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7相互产生干扰，在电路板2的设计时，将上述各个控制器和模块分别以a_gnd和d_gng独立接地，并通过特定频率点磁珠与电源管理模块4的接地gnd单点连接，避免产生地线回路干扰。而在各个控制器和模块独立的a_gnd和d_gng中采用多点接地的方式，以免产生电压差形成电磁辐射。所述arm主控制器3、4g/5g通信模块52、wi-fi模块54、天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7按各自频率和功能在电路板2上进行划分布局。其中4g/5g通信模块52、天通卫星通信模块6安装在电路板2a、b两面的对角位置，wi-fi模块54、北斗卫星通信模块7安装在电路板2a、b两面的另一对角位置。即所述4g/5g通信模块52、北斗卫星通信模块7安装在电路板2的一侧；wi-fi模块54、天通卫星通信模块6安装在电路板2的另一侧。利于避免产生上述各个控制器和模块各节点电磁辐射干扰，同时安装屏蔽罩避免vco电磁辐射干扰；利用电路板2空间距离及电路板2中间接地层的屏蔽作用，使电磁屏蔽衰减值达到50db以上，满足各射频信号相互间的隔离及减小天线间的互扰。在本发明中：如图3，所述天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7、wi-fi模块54的天线接口分别设置在电路板2的边缘上，其中该天线接口为50欧姆的sma接口，所述4g/5g通信模块52的天线接口设置在壳体1内。进一步地：所述壳体1的外壁设有容置槽11，位于容置槽11内设有与电源管理模块4连接的外部电源插口12、安装在壳体1上并铰接于容置槽11中与电源管理模块4连接兼能给锂电池组41充电的手摇发电手柄13，其中手摇发电手柄13与电源管理模块4电连接，所述电源管理模块4还与锂电池组41电连接。通过手摇发电手柄13能为装置自身锂电池及通过usb接口33为各种智能终端充电，解决了在野外无法充电的问题。在本发明中：如图7所示，所述arm主控制器3还电连接有储存模块32、usb接口33、紧急求助按键34、以及dsp数字信号处理模块35，其中dsp数字信号处理模块35与路由器5连接，所述dsp数字信号处理模块35还电连接有麦克风36。所述arm主控制器3由arm926ej-s为主控芯片，为加快dsp数字信号处理模块35的运作，本装置同时搭载双通道64kb的内存。usb接口33与arm主控制器3、电源管理模块4关联，构成能够为各种智能终端充电的充电电路。进一步地：所述路由器5还电连接有数据加密模块53、wi-fi模块54、安装在壳体1外侧的rj45wan接口55。本装置可与移动终端通信连接，还可以通过rj45wan接口55与外部网络进行有线连接，通过wi-fi模块54以无线路由的形式将数据热点分享给移动终端。在本发明中：如图12的操作流程图所示，按动如图5中未标注的电源开关，启动设备或者按动未标注的重启按键重置设备，使本装置初始化后自动进入选择最优链路方式进入网络数据交互。如按下紧急求助按键34，则本设备同时通过多链路进行发送地理位置信息，求助语音信息等数据。即通过4g/5g的移动无线网络、天通卫星通信网络、北斗卫星通信网络同时发送，使得求助信息传输可靠性和及时性得到有效保障。一种多链路随身通信装置的工作方法，包括多个网络数据链路的判断管理、多个网络数据链路信息的并行发送管理。具体地本设备的启动流程是：首先设备初始化；然后紧急求助判断；最后链路选择。其中：所述多个网络数据链路的判断管理由连接rj45wan接口55的外部网络、连接4g/5g通信模块52的移动无线网络、连接天通卫星通信模块6的天通卫星网络、连接北斗卫星通信模块7的北斗卫星网络构成，其中多个网络数据链路的判断管理对外部网络、移动无线网络、天通卫星网络、北斗卫星网络的传输质量进行判断和选择切换。其优先选择网络的顺序为：wan接口55的外部网络→4g/5g的移动无线网络→天通卫星网络→北斗卫星网络。其中：所述多个网络数据链路信息的并行发送管理由紧急求助按键34触发启动，将实时地理位置信息通过多个网络数据链路发送，以及将通过麦克风36的语音信息拾取、通过arm主控制器3和dsp数字信号处理模块35对语音信息进行编码压缩的语音信息通过多个网络数据链路发送，其中地理位置信息和语音信息的多个网络数据链路发送由4g/5g通信模块52、天通卫星通信模块6、北斗卫星通信模块7同时并行发送，所述语音信息包括高保真语音编码和/或仅限于5秒内的语音极低速率压缩编码。一种多链路随身通信装置的语音编码压缩方法，包括一种多链路随身通信装置及其工作方法，所述语音编码压缩基于lpc-10声码器的极限优化算法，包括以下步骤：a、语音信息经5阶最大平坦lpf滤波器100-3600hz滤波，传递函数公式(一)：b、对步骤a处理后的语音波纹信息进行8khz采样，然后将采样进行12bita/d变换，传输到dsp数字信号处理模块35中，并分别以基音分析和预加重处理；c、对步骤b中的基音分析和预加重处理分别进行量化，再将其编码储存分析，并按每帧小于或等于1496bit将存储的数据重新组帧通过北斗卫星通信模块7进行发送。即基音分析按180个采样点22.5ms为一帧进行提取基音周期、预测系数及增益因子，再经7阶800hz椭圆函数lpf滤波器滤除高频共振峰和外部高频噪声，再经一个n＝8数值滤波器后进行量化。该量化公式(二)为：获取8个lsf的重建量阶，按参数分配量化bit分别为3、3、4、4、4、3、3、3，共27bit，与标准41bit所得合成语音，量化畸变约1.2db；预加重处理后进行计算rms及预测系数公式(三)：si为预加重后数字语音，m为分析帧长度。接着通过滤除背景音，采用3帧相关内插法，归一化函数基音提取，该归一化函数公式(四)为：s(n)为分析窗样点，n为分析窗时长。将用户语音压缩到978bit/s，获得drt测试分数85％以上的语音还原。计算公式(五)如下：n＝1000ms/22.5ms×22bit＝978bit，(五)其中，22bit的计算公式(六)如下a＝lsf参数+为清/浊音+rms+同步＝22bit(六)lsf参数＝27bit/3(3帧内插计算所得)，清/浊音＝7bit，rms＝5bit，同步＝1bit，共22bit。同时通过装置自带麦克风36采集最多5秒用户紧急求助语音,进行编码小于或等于4890bit的压缩(978bit×5s＝4890bit)，将数据分拆为最多4帧，并将数据压缩包头、帧同步码、目标地址及包尾所占字节，每帧数据小于187byte即1496bit，克服北斗传输短报文限制在最高120个汉字/条或1680bit/条以及由于时延造成各帧到达顺序混乱的问题。将压缩编码的语音数据转换为按北斗卫星rdss短报文发送帧结构如下：headdestinationaddresslocaladdressframeldatacrcendhead：包头2个字节；destinationaddress：目标地址6个字节；localnumber：本机地址6个字节；frame：帧同步码2个字节，h_byte总帧数，l_byte本帧帧号；l：数据长度2个字节；data：语音编码数据；crc：校验2个字节；end：结束2个字节。一种多链路随身通信装置的语音编码解码方法，包括一种多链路随身通信装置及其工作方法，所述解码方法在dsp数字信号处理模块35中完成，包括以下步骤：i、将多个数字语音帧按帧序号顺序提取数据并合并数据，得出合并码流并进行串并转换同步检测，得出帧块；ii、对步骤i得出的帧块通过转换和插值提取出lsf系数与帧间插值、基音、噪声，同时将lsf系数与帧间插值与基音和噪声通过清浊音开关生成数据进行综合，再与rms计算增益；iii、对步骤ii去掉预加重处理，经过d/a变换和3600hz的5阶最大平坦lpf滤波合成语音。在接收管理平台及智能终端，将各帧序号重组，解码，并进行dac变换，语音播放。管理平台及智能终端向该装置发送语音时，同样进行采样、编码、分拆、发送，到装置端时按帧序重组、解码、播放。当前第1页1 2 3