专利名称：以处理器为基础的连接的压缩-扩展器电信系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电信系统，並特别地涉及以使用数字信号处理器实现的连接的压缩-扩展器系统(Lincompex)。本发明是对颁发给J.HowardLeveque的4，271，499号美国专利的一种改进。
自二十世纪六十年代初期以来，Lincompex系统已普遍为人所知。基本上，Lincompex被用于高频无线电通信网络以显著地改进其质量与稳定性标准，接近电缆与卫星系统的标准。Lincompex的基本原理如下。进入的语言信号被分成语言与控制通路。在控制通路中，检测出输入语言的幅级的包络並生成一个正比于这一检测到的幅级的信号。在语言通路中的一个压缩器电路应用来自控制通路的这一信号，根据以音节频率测得的语言幅级，调整其增益，以便以大体恒定和压缩过的振幅输出语言信号。控制通路信号转换成对数信号以补偿从伏特到分贝的转换，而且该对数信号作用于一电压控制的振荡器，该振荡器生成一个与实现在对应的音节上的语言信号压缩量相关的输出频率，然后将压缩后的语言信号与控制频率信号合并，放大后输入到发送器。
在接收器一边，包含语言与控制频率成份的经过解调的信号被滤波並分离到语言与控制信号通路。控制信号频率经过测定后通过一个对数到线性网络以重现语言包络幅级信号。然后将这一信号作用于语言通路中的一个扩展器电路，该电路放大压缩后的语言信号成为原来的语言输入信号。
从历史上看，Lincompex系统具有模拟的本质。这一模拟系统体积较大，价格昂贵，並由于需要大量的周期性调整而必须有无线电操作人员的支持。模拟电路本质上很复杂，並且必须设计成能在大范围的温度变化和振动下精确地工作，並且必须保持在严格的参数限度内以便与其他设备兼容。
在该领域内公知的还有一种在以上参考的Leveque专利中所描述的数字Lincompex系统，其中压缩器的衰减功能是由数字控制信号驱动的数字电路提供的。电压控制的振荡器被一个数字控制信号递增地改变以生成一正弦形输出控制信号。控制压缩器和频率振荡器电路的数字控制信号来自一表示测得的输入语言信号的频率的数字信号。
在专利号4271499中所实施的公知的数字Lincompex系统，在增进S/N比，减少定标调整以及加大工作温度范围方面取得超过模拟设计的显著进步的同时，硬连线的数字系统仍然需要使用各种模拟电路用于滤波，包络检测，控制音调生成以及信号混合，其模拟电路仍受到噪声干扰，严重的能量耗散，较大的体积，以及有限的稳定性和可靠性的不利影响。
因而增进Lincompex通信系统的稳定性，适应性和可靠性便是本发明的目的之一。
减少数字Lincompex通信系统中的噪声生成和能量耗散也是本发明的另一个目的。
本发明的这两个和其它目的是以提供一种以处理器为基础的电信系统来实现的，其中压缩器与扩展器功能是在可编程数字信号处理器上完成的，包括模拟到数字转换器，用于将模拟的音频信号转换成供数字信号压缩器装置压缩的并行数据数字信号，该数字信号处理器装置执行下述步骤对数字信号滤波以消除超过预定的频率的成份，将滤波后的数字信号的相位偏移90°，在滤波后的数字信号上加上移位后的数字信号生成一个复信号，从该复信号计算音频信号的幅值，求出计算得的幅值的时间平均值以近似地表示音频信号的音节频率，生成具有代表时间平均幅值的频率的数字控制音调信号，将该数字信号乘以一个与时间平均幅值具有反比关系的量生成一个压缩的数字信号，並输出这压缩后的数字信号以及该数字控制音调信号。这些输出信号作用在一个数-模转换装置，把压缩的数字信号与数字控制音调信号转换成一个供传送介质传送的组合的模拟信号。扩展器功能也是由数字信号处理器装置完成的，它执行的步骤如下将一个模-数转换器装置响应一个输入的包含数据的调制后的扩展器控制成份的经过压缩的模拟信号所生成一个并行数据数字信号分离为压缩的数据成份与扩展器控制成分，将调制后的扩展器控制成份乘以预先确定的频率成分以获得一个解调后的控制成份，以解调后的控制成份为基础计算出表示数据成份的压缩因子的值，根据算得的压缩因子计算扩展因子。将数据成份乘以扩展因子生成扩展后的数据信号並输出该扩展后的数据信号。装设了一个数-模转换器装置将扩展后的数据信号转换成音频模拟信号。
在以下的详细说明中可以明显地看出本发明的进一步应用范围。然而该详细说明和特殊例子在指明本发明的优选实施例的同时，应当理解为仅供举例说明之用，因为在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本专业领域内的技术人员根据这一详细说明是显而易见的。
从以下参照附图所作的详细说明中本发明将得到更完整的理解，这些附图只是为了说明用的，因而並非本发明的界限，其中
图1是本发明数字Lincompex硬件的一个实施例的框图;
图2是图1中的模-数转换器10的示意图。
图3是图1中的复式数字信号处理器20的电路示意图。
图4是图1中的处理器间存储器30的示意图。
图5是图1中的数-模转换器40的示意图。
图6和图7是分别说明用于信号压缩和信号扩展的复式数字信号处理器20的操作的流程图。
图8是说明图7中的线性预测步骤E3的流程图。
图1示出了本发明的Lincompex通信系统的一个优选实施例的硬件框图。模-数接口10是一个十六位音频模-数转换片包括一个典型的5KHz抗混淆滤波器，一个串-并行转换器，一个时钟频率分频/计数器用于以每秒11K次采样。设置了一个复式数字信号处理器20，在一个实施例中包括两个通用数字信号处理器片，每个装有-16位乘法器累加器，局部存储器，和内部排序和逻辑控制。设置两个信号处理器只是因为单独一个处理器的处理速度太慢。设置了一个处理器间双港口存储器30允许第一信号处理器执行程序的前一半然后将中间结果经由处理器间存储器传送给第二片处理器。然后第二处理器执行程序的后一半。数-模接口40是一个10位音频数-模转换器片包括一个典型的再显滤波器和一个并-串行数据转换器。接线器50表示一个具体的接线器，由插头，插座，和导线组成，它传递数据和控制信号在外部环境与本系统之间往来。要注意的是上面描述的硬件对于执行系统的压缩与扩展功能是完全一样的，这些功能是由编程在处理器片上的软件实现的。
图2示出了图1中的系统的模拟接口部分的结构的细节。接口10包括一个模-数转换器11，两个分接移位寄存器12用于将转换器11的位串行输出转换成并行格式，一个计数器13以及一个触发器14用于向转换器11提供11KHz的时钟以每秒11K个样本的频率采样。向内部时钟18提供20MHz的主时钟信号用于驱动信号处理器片。
图3是本发明的一个优选实施例的复式数字信号处理器的示意图，其中第一处理器21接收在数据总线AD上的来自A/D接口10的数据。处理器21执行存储在程序只读存储器23和24中的程序的前一半，並通过数据总线AD将结果传送给处理器间存储器30。第二处理器22访问处理器间存储器从数据总线BD上接收中间结果。第二处理器22执行存储在只读存储器25与26中的程序的后一半，並经由数据总线BD将最后结果传送到数-模接口40。外部控制信号是从输入C10至C17经由控制缓冲器27输入到处理器21的。
图4示出了处理器间存储器30的结构。由于处理器21将数据写入单港口RAM31而处理器22则从RAM31读取数据，所以设置了2∶1多路器32允许每个处理器经由地址总线AA与BA依次访问RAM31。数据总线AD和BD是经由三态缓冲器33连接到存储器31的，在一个时间瞬间只允许一条总线连接到RAM31以避免总线争用。
图5示出了数-模接口40的结构。数据从第二处理器22经由数据总线BD进入并-串行移位寄存器41输入到转换器40，D/A转换器40是由11KHz时钟16经线路DACCLK驱动的。然后音频数-模转换器42将串行数据转换成音频模拟信号並在输出11处输出这一信号。
现在对本申请的一个优选实施例的Lincompex系统的操作参照图6和7中的流程图进行说明。在步骤C1一个要求传输的语言信号经由来自A/D接口10的数据总线AD以16位並行数字信号的形式输入处理器21。在步骤C2，处理器21对该数字信号进行滤波使2700Hz以下的频率成份通过並消除2800至5500Hz的所有信号成份，而在步骤C3，则消除250Hz以下的低频噪声成份。滤波步骤C2和C3的上限是由A/D转换器11中的11KHzNyqwist采样频率确定的。在步骤C4，中间结果在数据线AD上传送到处理器间存储器30，它们被存储在这里並经由数据总线8送至处理器22。在步骤C6，经过滤波的数字语音数据信号是经过Hilbert变形的，即语言频率移位90°以生成一个复信号的同相的和相移90°的成份使在步骤C7处能够测出语言包络。步骤C7的幅值计算从语音数据信号的实与虚分量计算出它的弦线幅值，以此消除语音载波频率並且只留下语音数据的振幅包络供进一步处理。由于该包络必须以近似音节的频率采样，所以在步骤C8计算包络的时间平均值。在步骤C9，查倒数表确定压缩因子，由于输入语言越响，作用在语音数据信号上的增益越小，以便提供具有大致相同振幅的压缩信号。在步骤C5，对施加于步骤C6处的Hilbert变形的同一语音数据信号进行延迟因为考虑到这一信号要经过外加处理步骤C7至C9的过程。在步骤10，应用倒数因子减小输入的语音数据信号。在步骤11，2800Hz以上的频率成份被消除以避免混淆並为采样行动平衡信号。C12执行对包络的求时间平均值计算以接近语音数据信号的音节频率。然后在步骤13将包络幅值转换成对数值为控制音调频率移位的“伏特到分贝”要求进行补偿。然后在步骤C14将计算得的值进行处理生成一个数字控制音调信号，它的频率正比于查对数表所计算得的值，从而与压缩因子过对数关系。
最后，在步骤C15，来自步骤C11的压缩后的数字信号和在步骤C14计算得的对应数字控制音调信号经由数据总线BD作用于D/A转换器40，被转换成一个模拟信号並输入到传输设备。
图7是表示本发明的一个优选实施例的Lincompex接收机所执行的操作的流程图。在该设备的一台接收机上所接收的一个压缩后的模拟信号被输入到A/D接口11产生一个16位并行数字信号，该信号在步骤E1通过数据总线AD输入处理器21，然后将该主语音频率信号直接传送给处理器间存储器30。在步骤E2，将该数字信号滤波，只留下2800至2980Hz频带中的频率成份。这一频带包含数字控制音调频率。在步骤E3，所收到的数字控制音调信号与一个2900Hz的正弦波混合，将该数字控制音调信号与2900Hz波的正弦与余弦分量数字地相乘生成基频带控制音调的复分量。这些分量经过处理计算出它们的幅值和相位，並从此计算出一个相位增量信号，该信号正比于基频带控制音调的频率。
图8是线性预测步骤E3的详细操作流程图。生成的2900Hz信号在步骤E3(1)进行Hilbert变形生成该信号的一个正弦分量，然后在步骤E3(2)将该分量乘以控制音调信号，在这一点上该控制音调信号被调制在一个2900Hz的载波信号上。然后将同相的和相移90°的分量在步骤E3(3)进行低通滤波，只留下控制音调频带中的相移90°基频带控制音调位移信号。在步骤E3(4)与E3(5)对2900Hz信号的余弦分量执行类似的操作。在步骤E3(6)，根据简单的线性预测规则将每一个复样本与下一样本的复共轭值相乘，如下列等式所示(Re1+jIm1)×(Re2-jIm2)＝(Re1×Re2+Im1×Im2)+j(Re2×Im1-Re1×Im2)这一乘法运算是对4对接连而来的样本进行的，其中每一个积向量的角是正比于控制音调位移频率的，因为这一角表示样本到样本之间的位移量。在步骤E3(7)，将直角坐标积向量转换成极坐标表示，以此直接获得其角作为相增量信号。
在步骤E4，该相增量信号经由数据总线AD送至处理器间存储器，在步骤E5与E6，将语音数据信号进行滤波消除150Hz以下和2700Hz以上的频率成份。在步骤E7，将滤波后的信号乘以一个数字自动增益控制因子，该因子是由该信号本身滤波后的幅值确定的。这一自动音量控制对于将压缩信号的幅值保持在扩展器电路的16位定点数范围内是必要的。
在步骤E8，将相增量信号进行处理去除高频成份使压缩信号的扩展能在音节的基础上产生。在步骤E9，通过查反对数表将对数相位增量信号转换成与压缩因子成反比的线性增益因子。在步骤E10将这一数字增益因子，即扩展因子，作用于经过压缩的与平衡的语音数据信号以生成原来的语言幅值级。
然后将扩展的数字语音数据信号经由数据总线BD作用于D/A接口40，在此将它转换成一个音频语音信号並在输出设备上输出。
以上便是本发明的描述，明显地同一发明可以有多种变化，这些变化不应视为脱离本发明的精神与范围，凡是对本领域的技术人员显而易见的一切修改都应视作在下列权利要求所包括的范围内。
权利要求
1.一种连接的压缩器-扩展器电信系统，包括一个压缩器，包括；模-数转换装置用于将一个模拟音频信号转换成一个并行数据数字信号；数字信号处理器装置用于压缩所述数字信号，所述处理器装置执行下述步骤；滤波所述数字信号消除高于一个预定频率的频率成份，将所述滤波后的数字信号的相位移动90°，将相移后的数字信号增加到滤波后的数字信号上生成一个复信号，从所述复信号计算音频信号的幅值，求所述幅值的时间平均值以接近所述音频信号的音节频率，生成一个具有代表所述时间平均幅值的频率的数字控制音调，将所述数字信号乘以与所述时间平均幅值成反比的量以生成一个具有-压缩因子的压缩数字信号，滤波所述乘后的数字信号以消除超过所述预先确定的频率的成份，以及输出所述压缩数字信号与所述数字控制音调；以及数-模转换器装置用于将所述压缩数字信号与所述数字控制音调转换成一个合成的模拟信号供传输介质传输；以及一个扩展器，包括；模-数转换器装置用于将一个包含数据与经过调制的扩展器控制成份的压缩模拟信号转换成一个并行数据数字信号；数字信号处理器装置用于将所述数字信号的所述压缩数据成份进行扩展，所述处理装置执行下述步骤；将所述数字信号的所述压缩数据成份和所述扩展器控制成份进行分离，将所述调制后的扩展器控制成份乘以一个预先确定的频率成份以求得一个解调后的控制成份，所述相乘步骤包括将接连到来的所述扩展控制成份的样本乘以所述预先确定的频率成份以获得多个复信号，将所述复信号乘以接连到来的复信号的复共轭值以获得一个积，並且将所述积转换成极坐标表示並得到所述极坐标积的一个角作为所述经过解调的控制成份，以所述经过解调的控制成份为基础计算一个代表数据成份的压缩因子的值，以所述计算得的压缩因子为基础计算一个扩展因子，将所述数据成份乘以所述扩展因子以生成一个经过扩展的数据信号，並且输出所述经过扩展的数据信号；以及数-模转换装置用于将所述经过扩展的数据信号转换成一个音频模拟信号。
2.权利要求1中所详述的压缩器其中所述并行数据数字信号包括一个16位并行数据信号。
3.权利要求1中所详述的压缩器其中所述模-数转换器装置包括用于以适当频率对所述音频信号进行采样的装置。
4.权利要求1中所详述的压缩器其中所述数字信号处理器装置包括多个数字信号处理器单元和处理器间存储器装置用于允许数据在有关的处理器单元之间传送。
5.权利要求1中所详述的压缩器其中所述音频信号是一个语音信号。
6.一个用于连接的压缩器-扩展器电信系统的扩展器，包括模-数转换器装置用于将一个包含数据与经过调制的扩展器控制成份的压缩模拟信号转换成一个并行数据数字信号;数字信号处理器装置用于扩展所述数字信号的所述压缩数据成份，所述处理装置执行下述步骤，分离所述数字信号的所述压缩数据成份与所述扩展器控制成份，将所述经过调制的扩展器控制成份乘以一个预先确定的频率成份以获得一个解调后的控制成份，所述相乘步骤包括将所述扩展器控制成份的接连到来的样本乘以所述预先确定的频率成份以获得多个复信号，将所述复信号乘以接连到来的一个复信号的复共轭值以获得一个积，並且将所述积转换成极坐标表示並获得所述极坐标积的一个角作为所述经过解调的控制成份，以所述经过解调的控制成份为基础计算一个表示数据成份的压缩因子的值，以所述计算得的压缩因子为基础计算一个扩展因子，将所述数据成份乘以所述扩展因子以生成一个扩展数据信号，並且输出所述扩展数据信号;以及数-模转换器装置用于将所述扩展数据信号转换成一个音频模拟信号。
7.权利要求6中详述的扩展器，其中所述压缩数据成份表示语言的音节。
8.权利要求6中详述的扩展器，其中所述并行数据数字信号包括一个16位并行数据信号。
9.权利要求6中详述的扩展器，其中所述模-数转换器装置包括用于以适当频率对所述压缩模拟信号进行采样的装置。
10.权利要求6中详述的扩展器，其中所述数字信号处理器装置包括多个数字信号处理器单元和处理器间存储器装置用于允许数据在有关处理器单元之间传送。
全文摘要
一种数字的连接的压缩器—扩展器电信系统(Lincompex)，用一台通用数字信号处理器实现，其中的压缩和扩展功能是由编程代码块执行的，输入音频模拟信号转换成并行数据数字信号，此时将该数字信号输入进行处理。处理以后，生成的信号被传送到一16位数—模转换器，在该转换器中压缩的或扩展的数字语音数据信号被转换同一个音频模拟信号，用于在一个输出设备上进行传输或通信。
文档编号H04B14/00GK1038732SQ8910341
公开日1990年1月10日 申请日期1989年5月19日 优先权日1988年5月20日
发明者詹姆斯·霍华德·莱维斯克, 弗雷德里克·A·威廉斯, 约翰·埃尔登 申请人:Amaf工业集团公司和Trw公司