СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ
METHOD OF TRANSMITTING DATA IN COMMUNICATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам связи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству для кодирования, передачи и приема данных в системе связи.
Уровень техники
В системе связи предусмотрена сеть передачи данных, которая может связывать вместе два терминала связи так, что терминалы могут отправлять информацию друг другу при вызове или другом событии связи. Информация может включать в себя речь, текст, изображения или видео.
Современные системы связи основаны на передаче цифровых сигналов. Аналоговая информация, такая как речь, вводится в аналогово-цифровой преобразователь в передатчике одного терминала и преобразуется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал затем кодируется и помещается в пакеты данных для передачи по каналу к приемнику другого терминала.
Каждый пакет данных включает в себя часть заголовка и часть рабочих данных. Часть заголовока пакета данных содержит данные для передачи и обработки пакета данных. Эта информация может включать в себя идентификационный номер и адрес источника, которые уникально идентифицируют пакет, контрольную сумму заголовок, используемую, чтобы обнаруживать ошибки обработки, и адрес получателя. Часть рабочих данных пакета данных включает в себя информацию из цифрового сигнала, предназначенную для передачи. Эта информация может быть включена в рабочие данные как кодированные кадры, такие как голосовые кадры, в которых каждый кадр представляет часть аналогового сигнала.
Ухудшения в канале, по которому отправляется информация, будут влиять на информацию, принимаемую в приемнике. Ухудшения в канале могут вызывать изменения в последовательности пакетов, задержку прибытия некоторых пакетов в приемник и вызвать потерю других пакетов. Ухудшения могут быть вызваны недостатками канала, шумом и перегрузкой в канале. Это, в конечном счете, приводит в результате к снижению качества сигнала, выводимого принимающим терминалом.
Одним типом сети передачи данных, подходящим для передачи цифровой информации, является Интернет. Протоколы, которые используются, чтобы передавать голосовые сигналы по сети на базе Интернет-протокола, обычно называются как "голос по IP" (VoIP). VoIP является маршрутизацией переговоров через Интернет или через любую другую IP-сеть.
Каналы, которые маршрутизируют информацию через Интернет, особенно чувствительны к ухудшению характеристик. Известные способы преодоления ухудшения характеристик канала применяют схемы кодирования, которые формируют сигналы, которые очень устойчивы к ухудшениям характеристик в канале. Однако кодирование сигнала с помощью таких схем кодирования удаляет некоторую информацию из сигнала. По существу, качество принимаемого сигнала понижается.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является повышение воспринимаемого качества принимаемого сигнала. Дополнительной задачей настоящего изобретения является предоставление способа повышения качества принимаемого сигнала без использования сложных вычислительных методов.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставляется способ кодирования сигнала, который должен быть передан из терминала через канал в сети передачи данных, содержащий: прием сигнала в терминале; определение характеристик канала; кодирование первой части сигнала в соответствии с первым способом кодирования, чтобы создать первую кодированную часть сигнала; кодирование второй части сигнала в соответствии со вторым способом кодирования, чтобы создать вторую кодированную часть сигнала; при этом первая часть сигнала, кодированная с помощью первого способа кодирования, зависит от определенных характеристик канала; и передачу первой кодированной части сигнала и второй кодированной части сигнала через канал.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставляется устройство, выполненное с возможностью кодировать сигнал, который должен быть передан из терминала через канал в сети передачи данных, содержащее: приемник, выполненный с возможностью принимать сигнал в терминале; определитель, выполненный с возможностью определять характеристики канала; первый кодер, выполненный с возможностью кодировать первую часть сигнала в соответствии с первым способом кодирования, чтобы создать первую кодированную часть сигнала; при этом первая часть зависит от определенных характеристик канала; второй кодер, выполненный с возможностью кодировать вторую часть сигнала в соответствии со вторым способом кодирования, чтобы создать вторую кодированную часть сигнала; и передатчик, выполненный с возможностью передавать первую кодированную часть сигнала и вторую кодированную часть сигнала через канал.
Краткое описание чертежей
Для более лучшего понимания настоящего изобретения и чтобы показать, как оно может быть осуществлено, варианты настоящего изобретения теперь будут описаны со ссылкой на следующие чертежи:
Фиг. 1 - схема системы связи;
Фиг. 2 - график, показывающий сравнительные качества разных схем кодирования;
Фиг. 3 - схема приемника и передатчика согласно варианту осуществления изобретения; и
Фиг. 4 - схема приемника и передатчика согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Сначала будет сделана ссылка на фиг. 1, которая показывает терминал-источник 100 и терминал-получатель 112, подключенные к сети 104 передачи данных. Терминал-источник выполнен с возможностью передавать данные терминалу-получателю 112 через сеть 104 передачи данных. В одном варианте осуществления изобретения сетью передачи данных является VoIP-сеть, предоставленная посредством Интернета. Должно быть понятно, что даже если приводимая здесь в качестве примера система связи, показанная и описанная более подробно в данном документе, использует терминологию VoIP-сети, варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться в любой другой подходящей системе связи, которая содействует передаче данных.
Терминалы 100 и 112 могут быть, например, персональным компьютером, игровым устройством, персональным цифровым помощником, мобильным телефоном с соответствующей возможностью, телевизором или другим устройством, способным соединяться с сетью 104.
Чтобы преодолевать ухудшения канала в сети 104, известным является использование параметрических кодеров, которые кодируют параметры сигнала и передают параметры сигнала по сети. Параметры восстанавливаются в декодере терминала-получателя согласно модели. Способы кодирования на основе параметрической модели особенно устойчивы к ухудшениям характеристик канала, так как потерянный пакет, содержащий информацию о параметрах, относительно легко восстанавливается.
Схемы кодирования, которые очень устойчивы к ухудшению характеристик канала, такие как параметрические кодеры на основе модели, ограничивают качество кодированного сигнала. Даже если информация, переданная в сигнале, увеличивается посредством увеличения скорости передачи битов кодера, декодированный сигнал не достигнет качества чистого звука. Изменение в качестве сигнала в связи с увеличением скорости передачи информации кодера на основе модели иллюстрируется на фиг. 2. Качество сигнала для кодера формы сигнала, который не использует способ кодирования на основе модели, также иллюстрируется. Как показано на фиг. 2, кодеры на основе модели превосходят кодеры формы сигнала на более низких скоростях передачи данных, но не приближаются к прозрачному качеству, когда скорость передачи данных увеличивается.
Изобретатели настоящего изобретения предлагают компенсировать ограниченное качество устойчивых способов кодирования посредством кодирования части сигнала с помощью способа высококачественного кодирования, который не использует способы кодирования на основе модели.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения высококачественный кодер не на основе модели и кодер на основе устойчивой к ошибкам модели используются, чтобы закодировать разные части сигнала, в зависимости от условий канала, используемого, чтобы передавать сигнал. Соответственно, при плохих условиях канала сигнал может кодироваться так, что на качество сигнала, по существу, не влияют ухудшения в качестве канала. Однако, когда условия канала хорошие, качество сигнала может быть улучшено посредством кодирования части сигнала с помощью высококачественного кодера не на основе модели.
Реализация варианта осуществления настоящего изобретения теперь будет описана со ссылкой на фиг. 3.
Фиг. 3 показывает передатчик 10 сигнала, предусмотренный в терминале-источнике 100, и приемник 24 сигнала, предусмотренный в терминале-получателе 112. Понятно, что описанные передатчик 10 и приемник 24 могут быть присутствовать как в терминале-источнике, так и в терминале-получателе.
Как показано на фиг. 3, передатчик 10 сигнала включает в себя аналогово-цифровой преобразователь 14, основной кодер 16, расширенный кодер 20, устройство 8 оценки канала и устройство 22 формирования пакетов.
В работе, аналоговые сигналы, такие как речь, вводятся в аналогово-цифровой преобразователь 14 из микрофона 12. Цифровые сигналы, выведенные из аналогово-цифрового преобразователя 14, вводятся в основной кодер 16.
Согласно варианту осуществления изобретения основной кодер использует способ параметрического кодирования на основе модели. В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ параметрического кодирования на основе модели предусматривает аппроксимацию формы колебания входного сигнала.
Пропорциональная часть сигнала, которая должна быть кодирована основным кодером, зависит от условий канала. В одном варианте осуществления изобретения условия канала оцениваются устройством 8 оценки канала. Устройство 8 оценки канала может быть выполнено с возможностью оценивать доступную полосу пропускания канала. Устройство оценки канала может определять качество сигнала, принятого в терминале-получателе, посредством информации, предоставленной терминалом-получателем 112. Информация, предоставленная терминалом 112, о качестве принятого сигнала может относиться к информации о потере пакетов и изменениях в задержке распространения сигнала, иначе называемой дрожанием.
Расширенный кодер 20 выполнен с возможностью кодирования части сигнала, не кодированной основным кодером. Согласно варианту осуществления изобретения расширенный кодер 20 выполнен с возможностью использования высококачественного способа кодирования не на основе модели, чтобы закодировать часть сигнала, некодированную основным кодером.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения схема кодирования, используемая расширенным кодером, является схемой кодирования формы сигнала на основе модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT).
Устройство оценки канала выполнено с возможностью сообщать, по меньшей мере, некоторые из параметров канала основному кодеру 16. На основе этих параметров основной кодер 16 решает, какую пропорциональную часть сигнала, введенного из аналогово-цифрового преобразователя 14, кодировать.
В одном варианте осуществления изобретения основной кодер 16 применяет алгоритм к параметрам канала, чтобы определять, какую пропорциональную часть сигнала кодировать в основном кодере. В альтернативном варианте осуществления изобретения предварительно определенные диапазоны устанавливаются для параметра канала, такого как пропускная способность, чтобы определять, в какой диапазон попадает параметр. Основной кодер выполнен с возможностью затем кодировать пропорциональную часть сигнала, которая соответствует диапазону, которому принадлежит параметр.
Сигнал, введенный в основной кодер, может быть сигналом частотной области. В этом случае часть сигнала, кодированного основным и расширенным кодером, может регулироваться посредством регулировки частот, которые кодируются основным кодером и расширенным кодером.
c
Согласно варианту осуществления изобретения основной кодер может выбирать граничную частоту f, выше которой основной кодер не будет кодировать. Уменьшая граничную частоту, часть информации, которая содержится в кодированном сигнале, кодированном основным кодером, уменьшается.
c
Граничная частота f может быть определена из характеристик канала, таких как: величина потерь пакетов и величина дрожания, которые сообщаются терминалом 112, и из полосы пропускания, доступной в канале. Изобретатели обнаружили преимущественное установление граничной частоты высокой, так что большая часть сигнала кодируется с помощью основного кодера, когда характеристики канала указывают, что канал плохого качества.
c
В одном варианте осуществления изобретения граничная частота f устанавливается пропорциональной значению показателя ухудшения характеристик канала. Показатель ухудшения характеристик канала вычисляется так, чтобы быть пропорциональным величине потери пакетов и уровню дрожания и обратно пропорциональным доступной полосе пропускания.
c
В одном варианте осуществления изобретения граничная частота f пропорциональна только уровню потерь пакетов и дрожания.
c
В одном варианте осуществления изобретения граничная частота f пропорциональна только уровню потерь пакетов.
c
В одном варианте осуществления изобретения граничная частота f пропорциональна только уровню дрожания.
c
В одном варианте осуществления изобретения граничная частота f обратно пропорциональна только доступной полосе пропускания.
После того как основной кодер 16 закодировал часть сигнала, определенную граничной частотой, кодер выполнен с возможностью выводить кодированный сигнал a(n) устройству формирования пакетов 22.
Расширенный кодер выполнен с возможностью кодировать оставшуюся часть сигнала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения часть сигнала, некодированная основным кодером, может быть определена посредством изъятия информации, кодированной основным кодером, из сигнала, выведенного из аналогово-цифрового преобразователя, z(n), чтобы сформировать остаточный сигнал r(n). Информация, кодированная кодером, может быть определена посредством частичного или полного декодирования кодированного сигнала a(n), чтобы сформировать сигнал x(n).
Как показано на фиг. 3, основной кодер 16 выполнен с возможностью выводить сигнал x(n), указывающий информацию, которая была кодирована основным кодером. Сигнал x(n) предоставляется смесителю 18, где он вычитается из сигнала z(n), выводимого из аналогово-цифрового преобразователя 14.
c
В предпочтительном варианте осуществления изобретения основной кодер 16 будет кодировать частоты ниже граничной частоты согласно способу параметрического кодирования. Частоты выше граничной частоты f могут быть кодированы кодером как последовательности нулей. Кодированный сигнал затем либо частично, либо полностью декодируется, чтобы создавать сигнал x(n), который вычитается из сигнала z(n).
c
c
Кодирование сигнала в кодере удалит некоторую информацию из сигнала z(n), который кодирован. Таким образом, декодированный сигнал x(n) будет содержать меньше информации, чем сигнал z(n). По существу, когда сигнал x(n) вычитается из сигнала z(n) в смесителе 18, частоты, которые не кодированы основным кодером, будут предоставлены расширенному кодеру в остаточном сигнале r(n). Более конкретно, остаточный сигнал r(n) будет содержать первоначальные значения сигнала z(n), которые выше граничной частоты f, и дополнительно любую информацию, которая не была кодирована основным кодером, ниже граничной частоты f, таким образом, учитывая ошибку основного кодера.
Остаточный сигнал r(n) кодируется расширенным кодером с помощью высококачественного способа кодирования не на основе модели. Сигнал y(n), кодированный расширенным кодером, затем выводится устройству 22 формирования пакетов.
Устройство 22 формирования пакетов выполнено с возможностью вводить кодированные сигналы a(n) и y(n), принятые от основного кодера 16 и расширенного кодера 20, соответственно, в рабочие данные пакетов данных. В одном варианте осуществления изобретения кадры кодированных сигналов кодированных сигналов a(n) и  y(n) могут передаваться в одних и тех же рабочих данных пакета данных. В альтернативном варианте осуществления изобретения отдельные пакеты данных могут использоваться, чтобы передавать кадры кодированных сигналов a(n) и y(n), соответственно. Информация заголовка, предоставленная в заголовке каждого пакета данных, может указывать схему кодирования, используемую для кадров, содержащихся в рабочих данных. Пакеты данных могут затем быть переданы терминалу-получателю 112 по сети 104.
Теперь будет сделана ссылка на схему 24 приема сигнала, предусмотренную в терминале-получателе 112, который также показан на фиг. 3. Схема приема содержит основной декодер 30, расширенный декодер 28, разборщик 26 пакетов и цифроаналоговый преобразователь.
Пакеты данных, принятые терминалом 112, вводятся в разборщик 26 пакетов, который выполнен с возможностью извлекать кодированные кадры, предоставленные в рабочих данных. Кадры, которые были декодированы основным кодером, могут быть идентифицированы устройством формирования пакетов с помощью особой информации, предоставленной в заголовке пакета, или из параметров, которые могут быть извлечены из кодированных кадров.
Разборщик 26 пакетов выполнен с возможностью выводить кодированные кадры, которые были кодированы основным кодером, в основной декодер 30. Подобным образом, разборщик пакетов выполнен с возможностью выводить кодированные кадры, которые были кодированы расширенным кодером 20, в расширенный декодер 28.
Основной кодер выполнен с возможностью декодировать сигнал, принятый от устройства формирования пакетов, согласно схеме кодирования, используемой в основном кодере. Расширенный декодер выполнен с возможностью декодировать сигнал, принятый от устройства формирования пакетов, согласно схеме кодирования, используемой в расширенном кодере.
Декодированный сигнал, выведенный из основного декодера 30, вводится в смеситель 32. Подобным образом, декодированный сигнал, выведенный из расширенного декодера 28, вводится в смеситель 32. В смесителе декодированные сигналы, выведенные из основного декодера и расширенного декодера, объединяются. Выходной сигнал смесителя является восстановленным декодированным цифровым сигналом.
Декодированный цифровой сигнал, выведенный из смесителя 32, затем вводится в цифроаналоговый преобразователь 34, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал затем выводится в устройство вывода, такое как динамик 36.
В альтернативном варианте осуществления изобретения сигнал z(n) может быть трансформирован в область линейного предсказания (LP), применяя кодирование с линейным предсказанием (LPC) к сигналу z(n) прежде, чем он кодируется. Этот вариант осуществления изобретения будет описан со ссылкой на фиг. 4.
LPC является известным способом анализа речевых сигналов. LPC анализирует речевые сигналы, чтобы создавать набор LP-параметров и LP-остаточный сигнал. Сигнал LP-области менее чувствителен к потере пакета, так как возможно предсказать параметры потерянного LP-пакета данных.
Фиг. 4 показывает схематическое представление части схемы 10' передачи передающего терминала 100 и часть схемы 24' приема принимающего терминала 112. На компоненты принимающей и передающей схемы, которые были описаны относительно фиг. 3, дается ссылка с помощью аналогичных ссылочных номеров.
Как показано на фиг. 4, сигнал z(n), выведенный из аналогово-цифрового преобразователя, вводится в блок 40 фильтрования и кодирования LP-анализа. Блок 40 фильтрования и кодирования LP-анализа формирует набор LP-параметров и LP-остаточный сигнал z*(n). LP-параметры выводятся в устройство 22 формирования пакетов.
LP-остаточный сигнал z*(n) вводится в основной кодер 16 и в смеситель 18. Основной кодер кодирует информацию в LP-остаточном сигнале z*(n) согласно способу кодирования на основе модели, который предпочтительно предусматривает аппроксимацию формы LP-остаточного сигнала. Кодированный сигнал a*(n) выводится из основного кодера в устройство 22 формирования пакетов. Основной кодер также выводит сигнал x*(n), представляющий информацию в LP-остаточном сигнале, которая была кодирована основным кодером. Пропорциональная часть информации в LP-остаточном сигнале z*(n), которая кодирована кодером, может управляться в зависимости от параметров канала, как описано ранее.
Сигнал x*(n) вычитается из LP-остаточного сигнала z*(n) в смесителе 18. Это создает остаточный сигнал r*(n), который вводится в расширенный кодер 20.
Расширенный кодер выполнен с возможностью кодировать остаточный сигнал r*(n) согласно высококачественной схеме кодирования не на основе модели. Расширенный кодер выводит кодированный сигнал y*(n) в устройство 22 формирования пакетов.
LP-параметры и кодированные сигналы a*(n) и y*(n) передаются в пакетах данных через сеть терминалу-получателю 112. В одном варианте осуществления изобретения LP-параметры и служебные кадры кодированных сигналов a*(n) и y*(n) могут быть объединены в рабочих данных одних и тех же пакетов. В альтернативном варианте осуществления изобретения LP-параметры, кодированные служебные кадры  сигнала a*(n) и кодированные служебные кадры сигнала y*(n) могут быть переданы в отдельных пакетах.
В терминале-получателе основной кодер 30 выполнен с возможностью декодировать кодированный сигнал a*(n) согласно схеме кодирования, используемой в основном кодере 16. Подобным образом, расширенный декодер 28 выполнен с возможностью декодировать кодированный сигнал y*(n) согласно схеме кодирования, используемой в расширенном кодере 20.
Декодированные сигналы, выведенные из основного декодера и расширенного декодера, объединяются, чтобы создать LP-остаточный сигнал. LP-остаточный сигнал и LP-параметры вводятся в блок 41 LP-синтеза, который выполнен с возможностью формирования цифрового сигнала z(n).
В альтернативном варианте осуществления изобретения основной кодер 16 использует только систему кодирования с аппроксимацией формы сигнала, когда сигнал включает в себя звуки речи. Звуки речи могут быть обнаружены с помощью способа классификации звука, известного в области техники. Когда звук не классифицируется как голос, кодер может смоделировать вывод как случайный белый шум в комбинации с огибающей спектра.
В одном варианте осуществления изобретения расширенный кодер может быть выключен, таким образом, не создавая расширенный кодированный сигнал y(n). Расширенный кодер может быть выключен, если определено, что слишком много расширенного кодированного сигнала, например, больше, чем пороговая величина, не было принято кодером. Расширенный кодер может быть включен снова, когда условия канала улучшаются, что обнаруживается блоком 8 оценки канала.
В одном варианте осуществления изобретения пропорциональная часть сигнала, которая кодирована основным кодером 16, может быть скорректирована посредством регулировки числа битов, доступных основному кодеру, относительно числа битов, доступных расширенному кодеру. Для фиксированной скорости передачи информации число битов, доступных основному кодеру, будет расти, число битов, доступных расширенному кодеру, таким образом, увеличивается пропорционально сигналу, кодированному расширенным кодером.
В одном варианте осуществления изобретения энергия сигнала a(n), выводимого из основного кодера, масштабируется, чтобы компенсировать включение и выключение расширенного кодера. Энергия сигнала a(n) умножается на коэффициент масштабирования, когда уровень расширения выключен, чтобы сохранять правильную энергию сигнала.
В варианте осуществления изобретения основной кодер 16 использует схему кодирования, которая не применяет способы межкадрового кодирования. Одним примером межкадрового кодирования является способ кодирования, который определяет разницу между двумя кадрами и передает только информацию о разнице между кадрами. Используя схему кодирования, которая не применяет способы межкадрового кодирования, пакет может быть потерян без значительного влияния на воспринимаемое качество принятого сигнала.
В варианте осуществления изобретения, описанном выше, сигнал r(t), введенный в расширенный кодер, включает в себя часть сигнала, некодированную основным кодером из-за ошибки кодирования основного кодера, и часть сигнала, непопадающего в диапазон частот, кодированный основным кодером. В альтернативном варианте осуществления изобретения расширенный кодер может быть выполнен с возможностью кодирования только тех частей сигнала, которые не попали в диапазон частот, кодируемый кодером. Это может быть выполнено посредством точного разделения диапазонов частот сигналов, вводимых в основной кодер и расширенный кодер.  Альтернативно, остаточный сигнал может быть отфильтрован, чтобы удалять частоты, кодированные основным кодером.
В одном варианте осуществления изобретения набор граничных частот используется, чтобы определять часть сигнала, кодированную основным кодером, и часть сигнала, кодированную расширенным кодером. Например, две граничных частоты могут использоваться, чтобы определять частоты, которые должны быть кодированы кодером. Этот диапазон может изменяться в соответствии с качеством канала.
Если качество канала плохое, меньший диапазон частот может кодироваться расширенным кодером.
Альтернативно, более чем один диапазон может быть определен множеством граничных частот. Эти диапазоны могут определять полосы частот, которые более важны для надежной передачи, чем другие. Например, гармонические частоты могут рассматриваться как более важные, чем другие частоты. Согласно этому варианту осуществления изобретения характеристики сигнала могут быть анализированы для того, чтобы определять гармонические частоты в сигнале. Граничные частоты могут тогда быть установлены так, что больше гармонических частот кодируются основным кодером, когда значение ухудшения характеристик канала высоко. Расширенный кодер тогда будет кодировать оставшиеся частоты.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, когда больше, чем один диапазон частот, определен, больше, чем один расширенный кодер или основной кодер, может использоваться, чтобы кодировать различные диапазоны частот.
c
c
В одном альтернативном варианте осуществления изобретения регулируемый фильтр может использоваться, чтобы формировать остаточный сигнал, вместо смесителя 18. Согласно этому варианту осуществления изобретения основной кодер не приспособлен выводить сигнал x(n), вместо этого регулируемый фильтр может быть выполнен с возможностью удалять частоты из сигнала, которые кодированы основным кодером, чтобы создавать остаточный сигнал. В случае, где основной кодер кодирует частоты ниже граничной частоты f, регулируемый фильтр может удалять частоты ниже f из сигнала z(n), чтобы создавать сигнал r(n), который должен быть применен к расширенному кодеру.
В то время как это изобретение было частично показано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, специалистам в области техники будет понятно, что различные изменения в форме и деталях могут быть выполнены без отступления от сущности и объема изобретения, которые определены формулой изобретения.