基于P的音频通信系统设计I.pdf

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1、第 3 2 卷第 2 期 2 0 0 0年 6月 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报 J Xi 8 1-1 Un i v o f Ar c h 8 L Te c h V o】3 2 N o 2 J u n，2 0 0 0 一基于 I P的音频通信系统设计 T V z-3 r?6，z 一查 ：塑 查 兰：，周 俊 辉 ，郑 守 淇 jf 捕要 多媒 体实时应用是未来 I n t e r n e t 上 的重要业务之一 针对 I P电话和多点音频会议，本 文提 出 了一种 基 于单播和组播的、混合通信方式语 音实时通信 系统的实现方击，着 重舟绍 了系统结构的设计、语音编码、传 鞠、通信及相关

2、控制技术 多欢实验表啊，系 统在 I n t r a n e t 上运行情况 良好 关 t 词：苎 ：竺，苎 主 苎 苎 生!墅 ；苎 播-；车 f，闰 中田分类号：T P 3 9 1 文t标识码：A 文章编号：1 0 0 6 7 9 3 0(2 0 0 0)0 2 0 1 9 6 0 3 I P-b a s e d a u d i o c o nf e r e n c i ng s y s t e m d e s i g n ZH U L i ，ZHENG Zh i J“，ZHOU J u n h u i。，ZHENG S h o u q i (1 De p t a r t me n t o

3、 f Co mp u t e r Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 4 9 Ch i n a 2 Xi a n Un i v o f Ar c h Te c h Xi a n 7 1 0 0 5 5 Ch i n a 3 D e p t o fEl e c En g，X i d i a n Un i v ，Xi a n 7 1 0 0 7 1，C h i n a)Ab s t r a c t：Ap p l i c a t i o n r e a l t i me mu l t i me d i a i s o n

4、e o f t h e mo s t i mp o r t a n t s e r v i c e s o n t h e i n t e r n e t Th i s p a p e r p r o p o s e s a n i mp l e me n t i n g s c h e me o f a u d i o c o mm u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n mu l t i c a s t，t o g e t h e r wi t h u n i c a s t f o r a u d i o c o n f e r e n c

5、 e a n d I P p h o n e r e s p e c t i v e l y Th e d e s i g n o f t h e s y s t e m s t r u c t u r e，t h e a u d i o c o d e，t h e t r a n s mi s s i o n o f a u d i o d a t a，t h e c o mmu n i c a t i o n mo d e s a s we l l a s t h e c o n t r o l t e c h n i q u e s a s s o c i a t e d wi t h

6、t h e s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l Nu mb e r s o f e x p e r i me n t s i n d i c a t e t h a t t h e s y s t e m r u n n i n g o n t h e i n t r a n e t i s a l wa y s i n g o o d c o n d i t i o n K e y w o r d s：4“d f。c o m mu n i c a t i o n mu d i o e n c o d i n g F a

7、u d i o c o n f e r e n c e F mu l t i c a s t I n t e r n e t 在全球范围内的快速发展和语音信号处理技术的进步，促使 了 I P网上语音业务的兴起 目前，|n t e r n e t 语音通信技术的发展主要集中在两个方面：I n t e r n e t 体系结构的研究，即针对目前的 I n t e r n e t 只适 于传输非实时业务的不足，提出新的协议如 I P V6、R S VP、Qo S路 由 等支持实时语音传 输，以及可确保多媒体业务质量的网络物理结构；面向 I n t e r n e t 语音应用系统的研究开发 目前这方

8、 面的研究也取得了较大的进展，出现了I P P h o n e，N e t me e t i n g等系统 然而，Ne t me e t i n g是面向 T C P方 式的，语音通信的时延较大；I P P h o n e 或可视 电话也是面向连接方式的，仅局 限于两方通话，不适宜于 多方实时交流或讨论 针对这些局限性，本文提 出一种基于单播和组播(Mu l t i c a s t)的实时语音通信方 案，以实现 I P电话和 I P语音会议功能 1 系统设计 1 1 系统软件结构 考虑到系统在多媒体应用方面的可扩展性(如视频和一般数据通信)及资源应用的台理性，我们在 收藕 日期 2 0 0 0

9、 0 2 1 8 基盒项 目 车谭厦得到国采“8 6 3”项 目部分资助(8 6 3-3 1 7-9 6 0 4 0 1)作者筒舟 朱 利(1 9 6 7-)男 安徽，助理研究 员 博士生、从事计算机系牦锖柑及计算机 同培的研究 维普资讯 http:/ 第 2 期 朱剃等：基于 I P的音频通信系统设 计 l 9 7 实现 中采 用 了多线 程机 制、事件 驱动、消息 驱动 和定 时 驱动 方 式 其 软件 系统结 构如 图 l所示 语 音发送 线 程执行 语 音 的采 集、滤波、编码、R TP n 打包 和发 送过 程，过 程停 止 时线 程 被挂起；语 音接 收模 块执 行 R T P包接

10、 收、数 据筛 选、解 码 与输 出过 程，这 一过 程 由 消息 驱 动 参 与通 信 的站点 信息 和 控制信息 的发送采 用交互操 作事件 和定时 驱动方 式，而接 收 则通过 消息 驱动方式 实现 1 2 系统通信 模型 图 l 可扩展 的软 件 系统站构 系统的通信模型设计为如图 2所示的五层模型 第一层 为 应用 层，包 括语 音数 据 的采集、编 码、组 包、人机 交互 操 作、控 一一 信 墨 等；!T P R T c P 是 向 应 用 层 的 协 议，为 了 提 嚣 l 嚣 I 高 通 信 效 率，我们将其和具体应用结合在一起放人应用层 第二L _ _ r _ _ J 层为

11、操作系统和应用接 口层，向上提供音频处理和可视化支持，菇 向下屏蔽 T C P I P协议和 网络 资源；第 三层 以下为 I P网络 I L L 2 语音C o d e c匝 匝 语 音 编码 解码 器(c o d e c)最好由硬 件实现 但考 虑到 成本 1 王 l _ 理 嗍 络 竺 蔷 嚣 图 z 系 统 的 通 信 模 型 证 一 定 质 量 的 前 提 下 应 考 虑 下 面 两 个 方 面：速 率 尽 可 能 低(高 压缩 比)，以节省 I n t e r n e t 带宽资源：算法复杂度要小，以保证实时性 基 于这个思想我们设计 了三个 语音编码 器，以适应 不 同的网络状况

12、 和 Qo S要求 (1)基 于 G 7 l 1 标准 的 P C M 编码 器，码率输 出为 6 4 k b p s I (2)基于G 7 2 6 7 2 7标准的 AD P C M 编码器，码率输出为 3 2 k b p s i (3)V ADP C M，一种 改进 的 AD P C M 编码 器，输 出平 均 2 l k b p s的可变码率 语音信号的采样率为 8 k Hz，对每一采样接 律(和微 软标准一 致)压扩 量化为 8 位 的 6 4 Kb p s的数字 信号，以此 作为编码 器的输入 V AD P C M 编码算 法 中，和 AD P C M【3 不 同的是将 预测 值 限

13、定 为 2 5 6级，即 预 测 值 一 1 2 8，1 2 7 ，然 后 将 AD P C M 的输 出再进行 1 6级、最长码为 8位哈夫曼编码，输出变速率的码流 我们在算法 中，取=2 5 5，因此，实现 了对 小信号 增强、大信号压缩的 且标 和 A DP CM 相 比，VAD P C M 的帧 编码 的平 均 时间 开销要 多 0 5 ms，但 输出 码 流减少 近一 倍，如 图 3 所 示 V AD P CM 的解码 器可通 过 编码 器逆 向导 出，本文 不再 赘述 3 语音实时传输 2 6 2 4 2 2 2 0 1 8 I 6 I 4 l 2 1 0 图 3 VADP CM

14、蝙 码 输 出流 为了实现语音数据的实时传输，除了采用传输开销较小的 UDP协议外在应用层还应做适当的技 术 处理 3 I 数据帧大小确定 编码数据在传输前应分割成适当大小的 AD u(应用数据单元)，使得ADU为一独立的解码单元，最好能封装于一个 ND u(网络数据单元，一个 I n t e r n e t 的 ND U5 7 6字节)中；AD U在数据包中所 占的有效信息应尽可能大 太大的 AD U 在传输前要拆分成若干个 ND U，解码前叉要进行 ND U 重组，这样会加大通信时延且发生丢包时对Qo S影响较大：太小的 AD U会产生过多的包含有效信息较少的 上 斟窖 维普资讯 http

15、:/ 1 9 8 西安建筑科技大学学报 第 3 2卷 小包，浪费 I n t e r n e t 带宽资 源 基 于此，我 们选用】K 的数据 为一语音 帧，经 VAD P C M 编 码后 的数据 一 般不超 过 4 0 0字节，再 加 1 2个 字节 的上 RT P 删头、1 6字节 的 UD P和 I P头及 物 理帧 头，仍 小于 5 7 6字 节 实验证明此选择下的语音通信的连续性和实时性均很好 AD U 的传输采用 了适合 I n t e r n e t 实 时业务传 输的R T P协议，经R T P打包后编码数据包结构如匝 v=2 l pI x I c c l M I P T s

16、e qu e ac e n u m be r 图 4 所 示 其 中，v e r s io n(V)：2 位 p a d d i n g(P)：1 位，卜 _ tim cstam p 若该位置位标志着包尾有非负荷信息，可用于加解 =_ 密、差错 控 制等；e x t e n s i o n(X)：1位，若 扩 展位 置 位。_ 表 示 固定头 后有 扩展 头；C S R C c o u n t(C C)：4位，提 图 4 语音 R T P数据 包 供负荷 的源标识符统计 ma r k e r(M)：l 位，标记重要事件(这里来用)；p a y l o a d t y p e(P T)：7位，音

17、频编 码格式(P C M，A D P C M，VA D P C M)标识，接收端据此来选择匹配的解码器；s e q u e n c e n u mb e r：1 6 位的 包序号；t i me s t a mp：3 2位时 戤，记 录该 包数 据 的采样 时刻；me mb e r i d：3 2位 的用户 识别 符，这里 使用 的 是源的 I P地址 3 2 传输方式 I n t e r n e t 上常用 的通信方 式是单播(u n l c a s t)通信，为 了实 现多点实 时语 音通信我 们还 对组播(mu h i e a s t)通信进行研究 并应用到系统中 这两种通信方式可在系统启

18、动时选择，也可在系统运行过 程中互相切换 组播是 I n t e r n e t 的一种新的通信方式，在 I P层得 以实现 组播将 I P数据包向“一组”传送，使数据 包可以到达 I n t e r n e t 上该组 的所有主机 其中“组 由一个 D类的I P地址来标识 就高层应用而言，它有 几个重要特性：高效，当一个或几个源发送 I P包时多个目的站均可收到，网络拓扑上给定的链路同一 I P包只使用过一次，节省网络带宽资源，和使用多次单播相比其实时性也好得多；透明，用户和应用 程序不必知道 目的站的数量和位置，接收者可随时加入或退出组：对等，参与通信的主机均使用同一 程序，无客户机 服务

19、器之分 因此，组播十分适合于 I n t e r n e t 上分布式语音实时通信，组播技术主要包 括两方面的内容，即主机组模式和组播路由寻径 使用组播技术需要 1)确定主机组，我们在实现时使 组播地址可变，当地址冲突时即I n t e r n e t 上其它应用使用了相同的地址，选用其它地址；2)寻径参量设 置 用 S e t s o c k o p fi o n函数进行相关参量设置后，即可通过组播方式发送数据 了 4 系统控制 4 1 通信过程控制 为了更适应于系统的要求，我们将 R T C P(实时传输控制协议)加以扩充来处理参与通信人员的加 人、离开、活动状况、编码器选择、接收的业务质

20、量如何等信息 系统将参与通信的站点分为活动站点(发 盲者)和不活动站点(收听者)两类，分别实时显示在屏幕上参与通信的人员表的上部和下部 系统初启 时，自动组播一个 S DE S 口 (源描述)包，将站点信息通报给所有 的参 与通信人员，源站在音频数据发送 前将编码标志位置位并通过 S DE S包组播至垒组(系统将解码标志的缺省篷为 1，编码标志的缺省擅为 0)，此外，系统每隔 i 0 ms周期性地组播一次本站的信息 为了避免信息内爆和业务质量降低，不同的站 点在周期性地组播发送控制信息时，进行了随机延时，使备站的平均发送周期为 1 0 ms 若在某站点退 出系统前，以组播方式向全组发送一个 4

21、字节长的 B y e信息包，所有站点收到信息包后立即修改站点信 息表并从屏幕的相应显示区中删去该站 若一段时间内未收到某站的任何信息，则该站被认为是已离开 系统 当所有站均退出系统时，通信过程结柬 4 2 Qo S控制 我们通过以下技术措施来保证一定的语音通信的业务质量：采用如前所述的较小的帧，减小通信 时延；在接收端设计了多个缓冲区，估计出包到达间隔抖动 L，将解码后的音频数据经缓冲后再输出，以克服语音抖动 估计 L，的算法如下：J=J 十(I D(l，)I-J)1 6 (下转第 2 0 2页)维普资讯 http:/ 2 0 2 西安建筑科技大学学报 第 3 2 卷 4 制冷、采暖技术的发展

22、前景 总的 发展趋 势应是节 能，提高居 室热 环境 质量 和设 备的 多功能化 (1)完善和提高 目前风冷热泵空调器的性能；开发多功能热泵空调器和水一水热泵空调器；研制和 生产蓄冷(热)型热泵 空调器 (2)地 面水、地下 水的利用 发展水 源热泵技 术，可 比风冷热泵 节能 2 0 3 O (3)开发地热源热泵 由于地热源热泵具有可利用地下岩土(或地下水)的低位热源，夏热冬冷地区岩 土初始温度一般在 1 5 2 0 左右，因此可降低夏季制冷、冬季供暖的能耗 重庆建筑大学建设了 8 k W 的 地热源热泵 系统，比一般 住宅冬 季采 暖耗 电低 4 0 6 0 ，是一种很有前途的 高效节能热

23、泵 型式 (4)积极推广冷暖地板、冷暖吊顶等辐射供冷和采暖方式 (5)自然 能的利 用 充 分利用室外 低温空气供 冷；积 极推广太 阳能被动式 建筑 物供暖；利用太 阳能加 热热水作为热泵的热源或直接用于辐射采暖；蒸发冷却技术的应用；开展置换通风利用的研究(6)开发燃气热泵空调器 用燃气作为冷热源可平衡城市能源供应，缓解供电紧张(7)改进现有的小型风冷热泵冷热水机组产品，提高其能效 比和性能系数；增加功能；提高其可靠性 和品种系列 积极研制、开发适合国情的 VR V 多联分体热泵空调器产品，降低造价，增加功能 参考文献 E l l 重庆市地方标准 D B 5 O 5 0 0 9 1 9 9

24、9重庆市民用建筑热环境 与节艟设 计标准(居 住建筑部分)s 2 埭逢样主编 建筑节艟技术 M 北京：中国计射出版杜t i 9 9 6 3 刘宪英等 民用、公用及商用建筑 中央空调节能 J 台湾 中国冷冻空调杂志t 1 9 9 8，(4 1)：1 0 8 1 1 5 (上接第 1 9 8页)D(，J)一(R 一R，)一(5 -S )式中：5 为包 的 R TP时间戳；R，为包 i 的 RT P时间戳单元到达时的系统时间 5 实验结果 系统在 l n t r a n e t 上进行 了多次实验，三种编码效果、语音的连续性和实时性均很好 我们采用 MOS 和 D R T评价方法 对五个受试者进行了

25、话音质量和可懂度测试，音质较好，达到 4 1 4，可懂度好，达到 0 8 8以上 系 统对 于所 采集 的语 音 数据 流在 编码 前进 行 了滤 波 预处 理，去除 静音 和 高 频噪 声数 据 因 此，所测得的网络中对应的音频业务流量为 1 5 k b p s 左右，它对 TC P友好，不影响阿络中其它业务的正 常通信 目前，系统在 l n t r a n e t 上运行情况 良好 6 结 语 针对 l P电话和多点会议，我们设计并实现了一个实时语音通信系统 系统中的二个编码器可根据 网络状况 自适应地选择，两种通信方式可根据不同的应用需求实时切换 对于多点会议，系统是分布式 的，没有多点

26、控制服务器，与会人员可 自由加人或退出，具有很好的可扩展性 以后我们将采取适当的技 术措施如 F E C、Re e d S o l o mo n码 一 等进行丢包恢复，提高 I n t e r n e t 上实时语音通信的质量 参考文献：r 1 GA R C I A，F e t a 1 Qo S s u p p o r t f o r d i s t r i b u t e d mu l t i me d i a c o mm u n i c a t i o n s M I n：P r o e I C D P 9 6 一 I F I P I E E EI n t C0 n f o n D i

27、s t r i b u t e d Pl a t f o r ms Dr e s d e n，1 9 9 6，4 6 3-4 7 7 2 S C H UL Z R I N NE e t a 1 R T P：A t r a n s p o r t p r o t o c o l f o r r e a l t i m e a p p l l e a t i o n s R F C1 8 8 9 S ，1 9 9 6、1-6 2 3 C C I T T R e c o mme n d a t i o n G 7 z 6 s t i 9 9 0 t l-5 7 c 4 周傻辉等 计算机同培上的组播，第九届 中国计算机学会 罔培与数据通信学术会议论文集 c -西安：1 9 9 6 1 1 3 1 1 8-5 金罗军，裴先 登 会议电视 中语音编码算法的研究 J 计算机研究与发展，1 9 9 7，3 4(7)：5 2 9 5 3 5 r I s R O S E NB E R G J e t a 1 An R TP p a y l o a d f o r ma t f o r g e n e ti c f o r wa r d e r r o r c o r r e c ti o n J I E TF 1 9 9 8 1-1 8-维普资讯 http:/