用于高速同时进行语音/数据通信的装置 本发明涉及采用数据预编码的高速调制解调器，特别是那些可以进行同步语音/数据信号发送和接收的调制解调器。
在技术上，高速数据调制解调器可以以高达28.8KBit/s的速率在普通电话交换网和租用的点对点两线电话线路上传输数据。国际电信联盟ITU-T的V.34建议对其进行了描述，题为“电话网络上的数据通信”，于1994年9月提交国际电联电信标准化部。为获得高传输速率，这种调制解调器的发射器配有预编码器，用来减小(均化)或补偿通信信道中的噪声信号影响，这种噪声会影响如此高速下的数据传输。在接收传输信号的调制解调器中的接收器必须含有必要的电路来恢复预编码的信号。
对数据信号的预编码处理可以在高功率和低失真条件下实现高速数据传输。但是，这种高速调制解调器却无法发送与/或接收同时传输的语音和数据信号。
沿单条通信线路同时发送语音和数据信号是可以做到的，例如在一条模拟电话信道上。专门为发送和接收这种同时信号设计的调制解调器可以用来实现语音/数据信号的同时传输。但是，这种调制解调器却无法象采用预编码技术的调制解调器那样在高功率和低失真的条件下进行语音/数据信号的同时传输。
因此，希望提供一种引入预编码技术地高速同步语音/数据调制解调器，这能获得比传统的同步语音/数据调制解调器更高的传输功率和更小的失真。
这一发明的思想是在高速调制解调器中实现同步传输语音/数据信号，这也就意味着在高达28.8Kbps甚至更高的传输速率下，同时要保持比现有的常规同步语音/数据调制解调器更高的功率和更低的失真。
为达到这一目标，对输入到调制解调器的模拟语音信号，根据已知的过程进行编码，产生语音矢量信号和控制信号，而用户输入到调制解调器的数字数据信号，在进行传统的数字数据编码之前先进行预编码，和语音信号组合后进行传输。
根据本发明设计的调制解调器包括一个先进先出(FIFO)的缓冲器，在模拟语音信号编码过程中产生的控制信号和数字数据信号输入其中，并对这些信号进行复用。然后，多路复用的数据被传送到映射器、外壳映射器(shell mapper)或差分编码器。数据在映射器中映射并旋转，经差分编码器送入映射器的数据，和直接送入映射器的数据以及一个输入映射器的反馈数据位，被选用来作为定义或表示映射数据信号旋转量的代表数据位。通过映射器后，对这些多路复用数据进行预编码，以减小并补偿在信号传输过程中引入的噪声影响。
所选的定义映射数字信号旋转的代表数据被直接送到旋转器，在这里它们与语音矢量信号进行组合。模拟语音信号在送入旋转器之前，先采用这里提到的传统编码技术进行编码。旋转器根据所选的代表数据位所定义的旋转量相应地对语音矢量信号进行旋转。旋转后的语音信号也进行预编码或预加重处理，以改善信号的频率响应，并补偿远地接收调制解调器的滤波。预编码后的数字数据信号和旋转后的语音矢量信号在加法器中进行组合并送到非线性编码器中，该编码器用传统技术对组合信号进行编码，以便通过通信信道传输给远地调制解调器。
通过通信信道传送的组合信号被远地调制解调器所接收，并对它们进行解调、均衡和非线性解码处理。经过滤波后，语音矢量信号和预编码数字信号被分离开来，根据发送器所采用的预编码技术，对预编码数字数据信号进行恢复，生成原始的映射信号。并且根据从恢复预编码数字数据信号的电路中接收的控制信号，对语音矢量信号进行反向旋转(de-rotating)。映射数字数据信号经解码获得接收或输入到发送端调制解调器的原始数字数据信号。同样，根据发送器所采用的编码技术，对反向旋转后的语音矢量信号进行解码，来获得发送端调制解调器接收的原始模拟语音信号。
本发明的其它目的和特点将在下文的详细描述和附图中进一步阐明。应该说明的是，这些附图仅作为图解，而不是对本发明适用范围的确切定义。对发明范围的定义应参照所附的权利要求。
各图中相同的标号表示相同的电路单元。
图1中方块图代表根据本发明构造的同时传送语音/数据调制解调器的发送电路；
图2中方块图代表图1发送电路中对语音矢量信号进行预加重的电路；
图3中方块图代表根据本发明构造的同步语音/数据调制解调器的接收电路；
图4中方块图代表对从图3接收电路所用的预编码数字信号中分离出来的语音矢量信号进行补偿的滤波器；
图5表示出了映射器产生的信号；
图6表示出了预编码后的数字数据信号；
图7表示出了依据本发明组合传输的语音和数据信号；
图8表示出了经本发明接收电路接收并滤波后组合的语音和数据信号；
下面将通过对附图的详细介绍使读者对本发明有一个更加清楚的认识。图1描述了发送电路的结构。这是依据本发明构造的同步语音/数据调制解调器的一部分，用数字100来标识。
模拟的语音信号和数字数据信号例如由用户送入始发调制解调器中。在编码器101中对模拟语音信号进行处理，例如可以采用传统的编码技术产生语音矢量信号和数字语音控制信号，其中控制信号提供了与模拟语音信号编码有关的信息。用户输入的数字数据信号和语音控制信号被输入到先入先出(FIFO)缓冲器102中，在这里两种信号进行多路复用处理，多路复用信号的某些预定数据位被分别送往外壳映射器104、差分编码器106或映射器108。实际上，预先选择哪些数据位送往哪个单元是无关紧要的，只要我们在生产中固定寻址路径(routing)或统一标准(或至少相对于收/发端来说寻址路径是固定的)，那么每一个调制解调器都会把相同的数据位定位到相同的单元。可以预见，在上面的例子中，先(及时)完成编码的数据位将被送入外壳映射器104中，因为外壳映射器将比其它单元花更多的时间处理数据。因此，外壳映射器104将用来处理高速传输下的分数数据位，对它们进行映射使数据传输以最有效的方式进行。在高速传输的情况下有可能出现分数数据位，比如在3200Hz符号速率下(也就是每秒传输3200个符号)。对于传输速率是14.4Kbps的调制解调器，那么每秒传送3200个符号不能整除传输允许的14.4K每秒，在这种情况下将得到分数数据位，结果是用4比特传输一个符号。这时，外壳映射器104将在8个符号桢上相应地映射该分数位，这样映射的数据在8个符号周期中传送36比特或在每个符号周期中平均传输4个比特，如果传输过程中不需要分数数据位映射，那么外壳映射器104将不起特别的作用，输入数据直接被送往映射器108。
通过在编码器101中对模拟语音信号进行处理而获得的语音控制信号，被通过先入先出(FIFO)缓冲器102直接送到映射器108中。映射器108对接收到的数字数据信号进行映射和旋转，并从中选出四个预定数据位R1、R2、R3、R4。这四个数据位定义了两个旋转控制符号或标志(token)，用来表示数字数据信号的旋转量。R1、R2定义了第一个两位旋转符号，它们是从通过差分编码器106的数据中选出的。R3代表的旋转位是从由FIFO缓冲器102传到映射器108的数据中选出的。旋转位R4是从网格编码器(trellis encoder)32送来的反馈符号，用来完成对数字数据信号的预编码(参见下文)。这种映射方法是目前被广泛采用的，本文无需赘述。数据位R3与R4定义了第二个旋转符号。
所述的由R1、R2、R3、R4定义的旋转控制符号被从映射器108送往旋转器112中，对模拟语音信号编码产生的语音矢量信号也被送入旋转器112中。在这里，语音矢量信号的旋转根据所选的位R1、R2、R3、R4的旋转信息进行的。就象上文提到的，这四个数据位记载了数字数据信号在映射器108中的旋转量。因此，语音矢量信号的旋转完全依据数字数据信号的旋转；如果数字数据信号不旋转，那么旋转器112对语音矢量信号也不作旋转。
经映射器108映射旋转后的代码化数字数据信号被送往预编码器20，与高频脉动信号在这里组合。图5显示了映射后数据信号的数据集(constellation)，包括映射器108输出的数字数据信号和语音控制信号；该信号在图1中用“1”标志。图中数字数据信号被表示为离散的点集。
在预编码器20电路中，从映射器108送来的数字数据信号被送入滤波器22中，该滤波器可以是有限脉冲响应(FIR，Finite ImpulseResponse)滤波器和舍入单元(round-off device)的组合。滤波器22的输出被送入舍入单元24中，在这里，滤波器的输出经舍入处理成为有预定数据位的整数值。这为发送端调制解调器提供了对称性有助于接收端调制解调器以正确的顺序来解码。如果信号在滤波器22中已经进行了舍入处理，那么舍入单元24将不对滤波器输出起作用。舍入单元24的输出被送往量化器26和减法器28的负(反相)输入端。在量化器26中，舍入单元24的输出经量化生成一个高频脉动矢量(dither vector)。这个脉动矢量被送加法器30与送入预编码器20的数字数据信号相加。加法器30的输出将被送往减法器28的正相输入端，与舍入单元24的输出信号相减，产生预编码器20的输出信号x(n)，该信号在图1中被标识为“2”，并在图6进行图示。当然，减法器28的输出也被送入滤波器22。
预编码器20的作用是使信号传输功率保持一个平滑的功率谱分布，这样在通信信道的接收端就可以得到更高的信号电平。预编码器20把量化器26产生的脉动矢量信号组合到传输信号上，这样可以控制信号的幅度在正常或需要的功率允许范围内。量化器26进而可以限制高频脉动矢量的幅度，从而减小传输信号的失真，并使数据能以较高的功率传输。
量化器26的输出也被送到模数编码器36中，它能对预编码信号的状态进行校正。加法器30的输出也被输入到符号-比特转换器38中。预编码器在操作的不同阶段中产生的中间信号被送入模数编码器36和符号-比特转换器38中，经处理后送到网格编码器32。网格编码技术是大家所熟悉的，产生的网格输出信号，被反馈到映射器108作为旋转符号R4。
值得一提的是，在反馈环路中设置预编码器20和网格编码器32可以减小信号在数据集上的扩展，并减小组合到数据信号上的高频脉动矢量的幅度。此外，网格编码器32还向映射器提供冗余位选作旋转位R4，以改善性能，并且加入到外壳映射器104所处理的发送的分数数据中。
图6显示了预编码器20的输出信号x(n)的数据集，该信号即图1中标为“2”的信号。预编码器能有效地填充该发送的数据集，并组合上高频脉动矢量(用一个矢量来描述)以减小和补偿传输信道中的噪声。这样能有效地削弱信道噪声，在较差的信道中将能获得1-2dB的信号改善。
经过预编码的数据信号x(n)被送往加法器114，在这里，它与编码器101产生的旋转语音矢量信号组合。图7表示了加法器114输出的组合的预编码数字数据和语音矢量信号，在图1中标识为“3”。如图所示，语音矢量的起点被平移到所组合的预编码数字数据信号矢量上。在传统的语音/数据传输中，语音信号的功率是受到限制的，如图所示，语音信号矢量的末端不能超出它起始端所在的象限，这减小了接收端的解码误差。在语音矢量信号与预编码数据信号组合的同时，脉动矢量也被组合上去，它可以有效地移动语音矢量信号；但是，这种移动使语音矢量信号的末端有可能进入另一个象限，在传统的同步语音/数据传输中将在接收端造成一个解码错误；但是在本发明中，这种错误不会发生，因为在解码前将从语音矢量信号中减去脉动矢量，使语音矢量信号移位回到原来的象限和幅度。无论怎样，加法器114产生的语音和数据的组合信号都将依次通过非线性编码器116和调制器117，信号依据传统技术编码或调制后传输给远地接收端的调制解调器。
图2表示出了预加重电路111，它可以有选择地引入到图1的发送电路中，用以对语音信号进行预编码或预加重，当然，这是在语音矢量信号与预编码数字数据信号组合之前进行的。实际上，它与上文提到的数据预编码器具有相似的功能，可以用来改善在接收电路中滤波和解码之后得到的语音矢量信号的频率响应。在图2中，预加重电路连接为反馈环路，位于旋转器112和加法器114之间。在电路111中，从旋转器112传来的语音矢量信号被输入到加法器113中，其输出将被送往加法器114和滤波器115，例如有限脉冲响应滤波器和舍入单元的组合。滤波器115对旋转语音矢量信号进行滤波，并将滤波后的信号反馈到加法器113以与旋转语音矢量信号相加，这样就完成了对旋转语音矢量信号的预加重处理。可以在滤波器115的输出和加法器113之间插入一个语音矢量调制器117，接收滤波器115的滤波信号，并对旋转的语音矢量信号提供进一步的调制和预加重。在图1发送电路中加入预加重电路111的负效应是会使传输信号的功率有所增加，但是，由于预加重显著地改善了接收器中接收信号的频率响应，因此我们完全可以忽略这点小小的影响。
在远地或接收调制解调器中(见图3)，从通信信道传输来的信号依次通过均衡器118和非线性解码器120，接收调制解调器采用现有的调制解调技术和相应的发送电路使用的编码方法对信号进行均衡和解码。非线性解码器120的输出信号在图3中标识为“3”，图7显示出了该输出信号，它与发送端调制解调器100中非线性编码器116的输入信号相同。
经解码器120解码后的信号被送入一个噪声均化(白化)滤波器122(noise whitening filter)，例如一个FIR滤波器和舍入单元组合，它把高频脉动矢量去掉，输出含有一群特征点集的信号，这些点代表预编码后的数字数据和语音矢量信号，该信号在图3中标识为“4”，图8显示了这些点的分布。噪声均化滤波器122接成前馈(feed-forward)方式，它的滤波输出信号与非线性解码器120的输出在加法器123中相加。图8比图5出现了更多的点，而图5是信号在传输预编码前的数据集，这说明预编码过程中预编码器往数据集中填入了“人造”的信号点。预编码器恢复电路能识别并移去图8数据集中的人造点，有关移去这些多余点的技术在现行的采用预编码和预编码器恢复的数据调制解调器中是成熟的，从图8还可以看到，语音矢量信号被移入单一象限中，而不会再进入第二个象限。这应归功于该滤波器成功地移去或减掉了高频脉动矢量。上文曾经提到，在图1的发送电路中加入预加重电路111平滑了传输信号，因而补偿了噪声均化滤波器122的影响。如果发送端没有预加重，那么滤波器122将会对没有加重(或没有编码)的语音矢量信号进行去加重或解码，这将对结果造成一定的影响。
滤波器122的输出被送往维特比(Viterbi)解码器124和均衡延迟线126。维特比解码器124检测和识别出语音/数据信号的旋转量，即发送电路用来旋转语音矢量信号的所选数据位R1、R2、R3、R4，所定义的旋转量并产生相应的反向旋转信号。延迟线126与维特比解码器124是并联的，它有效地补偿了在维特比解码器中处理和生成反向旋转信号所带来的延迟。上文曾提到，发送端调制解调器对信号矢量进行正常旋转变换是为了有效地抵抗传输信道的噪声干扰；如果发送端没有对信号进行旋转变换，那么信号将很容易受到传输信道的干扰；输入发送端旋转器112的数据位R1、R2、R3、R4将不对语音信号产生影响，维特比解码器124将不对信号作任何修改而直接传给限幅器128(slicer)。
限幅器128的两个输入分别来自维特比解码器124以及经过均衡延迟线126的延迟信号，该信号与发送电路中加法器123的输出是相同的。限幅器128由语音矢量信号中分离出数据信号，并将分离出的数据信号送往预编码重建电路130和减法器132的负反相输入端。
图8中数据集中的离散点集代表由限幅器128分离出的数据信号，该信号被送到预编码恢复电路130-它采用现有的现有技术重新恢复送到发送端调制解调器预编码器20的数据信号，图8的数据集与图5相比多了一些“人造”信号点，如前所述，恢复电路能识别出这些点。更具体来说，输入到恢复电路130的信号，在通过了减法器156后，被输入到滤波器154中，该滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器和舍入单元的组合，其输出被反馈到减法器156与限幅器128的输出信号相减。同时滤波器154的输出被依次送入模数解码器158(modulo decoder)和加法器160中，在加法器160中，它与减法器156的输出信号组合。加法器的输出被送入限幅器140中，该限幅器将移去被预编码器恢复电路130所识别出的“人造”信号点，并补偿维特比解码器124产生的反向旋转信号。
经均衡延迟线126的延迟信号被输入到减法器132的正向或非反相输入端，与由限幅器128送入负(反相)端的数据信号相减。相减后的语音矢量信号与经限幅器140补偿后的反向旋转信号一起被送入反向旋转电路150中，该电路有效地对语音矢量信号进行反向旋转处理。使用经限幅器140补偿后的反向旋转信号，能有效地补偿反向旋转信号-影响已由恢复电路130所识别出来的信号的“人造”位。
图4中的滤波电路129可以有选择性地被插入到图3中的减法器132和反向旋转器150中间，它可以补偿噪声均化滤波器122对语音矢量信号的影响。当发送电路中不包含预加重电路111时(参见图2)，则应使用该滤波电路。这两个电路在传输信道的两端起着相同的作用，两者的相互替换只是设计上的选择，比如可以在工业上制定标准来确定它。滤波电路129包括一个滤波器133，它可以是有限频率响应(FIR)滤波器和舍入单元的组合，它接收并过滤送往旋转器150的语音矢量信号，经滤波后的输出信号在减法器131中，与减法器132的输出信号相减。补偿后的信号被送往滤波器133和旋转器150。
让我们再回到图3，在反向旋转器150中根据限幅器140输出的补偿过的反向旋转信号，对语音矢量信号进行反向旋转处理。然后，语音矢量信号被送往解码器152，采用传统的语音信号解码技术进行解码，可以复原得到输入到发送端调制解调器的原始模拟语音信号。
限幅器40输出的数据信号被送往逆映射器142、外壳逆映射器或差分编码器146，最后通过一个先入先出FIFO缓冲器148，输出复原得到的输入发送端调制解调器的原始数字数据信号。
如上所述，按本发明构造的调制解调器能同时接收和传输语音和数据信号。在使用中，模拟语音信号被输入到调制解调器的发送电路100中，经传统的语音信号编码技术处理，产生语音矢量信号和表示或代表对语音信号编码所用编码表的控制信号。同时，数字数据信号也被从另一输入端输入到调制解调器，采用传统高速调制解调器的数据编码方式进行处理，当然，在本发明中还应进行预编码。语音控制信号和数字数据信号在先入先出FIFO缓冲器102中进行多路复用处理，然后依次进行映射、旋转和预编码。
映射器对数据进行映射旋转以便传输，并从接收的数字数据信号中预先选出4个数据位来定义数字数据信号的旋转量。选中的旋转数据位被送往旋转器112，用于将语音矢量信号和原数据信号按相同的方式旋转。没有被选中或余下数字数据信号位被送往预编码器进行预编码处理，这可以减小或补偿信号在传输过程中可能引入的噪声。然后，旋转后的语音信号与预编码数字数据信号组合，组合信号依次被送往常规的非线性编码器116和调制器117，进行编码和调制处理后，采用常规信号传输技术进行传输。在与数据信号进行组合之前，语音矢量信号应先进行预编码或预加重以平滑，并补偿接收端调制解调器的滤波影响。
发送的语音/数据信号到达远地接收调制解调器后，依次通过均衡器118和非线性解码器120(见图3)。然后被送往噪声均化滤波器122，去掉发送端对数字数据信号预编码时加入的高频脉动矢量，同时减小和补偿在传输信道中的噪声影响。滤波后的信号被同时送往维特比解码器124和均衡延迟线126。信号在延迟线上的预定延时恰好等于它通过维特比解码器的处理或延时。维特比解码器以输入信号的旋转量为基础生成一个旋转信号，这个信号与通过均衡传输延迟线126的输出在限幅器128中组合，以从组合的信号中分离出预编码后的数字数据信号。
被分离出的数字数据信号被送往预编码恢复电路130，它能有效地对预编码数字数据信号进行恢复，并识别出发送端调制解调器预编码器20所加入的“人造” 数字数据信号。恢复后的信号被送往限幅器140，该限幅器从中移去被恢复电路130所识别出的“人造”数字数据信号，并补偿维持比解码器产生的反向旋转信号。
从组合信号中减去经限幅器128分离出的预编码数字数据信号，就可以得到语音矢量信号。该信号和从限幅器140出来的经过补偿的反向旋转信号一起被送入反向旋转电路150中，对语音矢量信号进行有效的反向旋转处理。然后该语音矢量信号被送往解码电路152，采用常规的技术进行解码，复原出输入到发送端调制解调器的原始模拟语音信号。
类似的，限幅器140出来的数据信号经解码后，复原出输入到发送端调制解调器的原始数据信号。
因此，按本发明构造的调制解调器的发送和接收电路部分或单元，可以对同步语音和数据信号进行高速接收和发送，它对数字数据信号进行预编码，并对模拟语音信号进行预加重或预编码处理。对数据和语音信号的预编码使传输或通信信道中噪声的影响达到最小，并允许信号在高传输功率的情况下保持低失真。而在以前，在如此高速率、高功率、低失真的条件下同时发送语音和数据信号是不可能的。
当然，本发明的调制解调器，其发送和接收电路应分别做成独立的电路单元，这比把它们集成为一整块能同步发/收语音和数据信号的电路要好。这些相似的变化对于熟悉本发明技术领域的人来说是显而易见的，它们也都包含在本发明预期的范围之内。
上文对本发明应用于最佳实施方案的基本新功能给出了具体的描述，有经验的技术人员可以在不偏离本发明主旨的前提下，对其中某些单元电路的形成、细节及其功能操作进行许多改动、替换或删除。任何与本文所介绍电路本质上具有相同功能以相同方式产生相同结果的电路单元与/或方法步骤均在本发明范围之内。并且应该注意到，本发明的任何公开形式或实施方案中表示与/或描述的结构与/或单元与/或方法可以作为设计选择的整体形式体现在任何其他公开、叙述或建议的形式或实施方案中。因此，只能以后面所附的权利要求说明的范围来限制本发明。