通过无线通信网络的语音信道进行数据通信的方法

专利名称：通过无线通信网络的语音信道进行数据通信的方法
技术领域：
本发明总体涉及通过电信网络的数据通信，尤其涉及通过电信语音信道(诸如CDMA或GSM语音业务信道)的数据通信。
背景技术：
有线电话系统最初被设计成载送话音，以便能够进行长距离语音通话。最近，公共交换电话系统成为了不仅用于传输语音而且还用于传输非语音数据的一种主要的媒介，例如通过使用在电话线上传输图像信息的传真机，或者通过在这些相同的电话线上交换各种形式(文本、二进制可执行文件、图像或视频文件)的数字数据的调制解调器。
现在，蜂窝无线通信系统和其他无线通信系统被大量地用于语音和数据通信。如今，世界上使用的大多数蜂窝通信采用GSM(包括UMTS)或CDM(IS-95或CDMA2000)通信系统。这些系统利用已调制的载波在语音业务信道上传输语音数据。例如，2G GSM使用GMSK调制，IS-95 CDMA使用PSK调制。在调制该语音数据以用于无线传输之前，该语音输入经过一个语音压缩电路(诸如声码器)，以便将该语音输入压缩成更小的数据量。这样减小了需要通过无线网络传输的语音数据量，从而允许使用更小的比特率并且允许更大量的用户共享同一通信系统。
已经提出和使用了多种声码器技术。最普遍的是各种形式的线性预测编码(LPC)；例如，2G GSM使用RPE-LPC语音编解码器，而IS-95 CDMA使用可变速率CELP编解码器。这些预测压缩技术被专门设计用于语音编码，因而也被设计成用于滤除噪声和其他非语音成分。结果，由于声码器处理可能破坏数字数据(诸如ASCII文本、字节代码、二进制文件)从而使其在传输的接收端不可恢复，因此该数字数据的传输可能是成问题的。例如，最近提出的QualcommTM4G Vocoder是一种CDMA2000装置，其展现出时变的、非线性的转移函数，这对于语音编码虽然是可以接受的，但是当试图通过该声码器传输数字数据时则会带来显著的失真。

发明内容
本发明提供了一种在无线通信网络上进行数据通信的方法，其允许在该通信网络的语音信道上传输数字数据。根据一个实施例，该方法包括以下步骤(a)利用差分相移键控编码从数字数据产生DPSK数据；(b)通过无线电信网络的语音信道传输该DPSK数据；(c)接收通过该无线电信网络所传输的DPSK数据；以及(d)将所接收的DPSK数据解调回该数字数据。
尽管也可以根据对于特定应用所得到的误比特率而使用正交和其他DPSK编码，但是优选地使用差分二进制相移键控编码。虽然也可使用其他合适的编解码器，但是语音信道上的DPSK数据传输优选地是利用一个应用线性预测编解码器的话音压缩电路来实现的。


下面将结合附图描述本发明的优选的示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中图1是描述根据本发明构造的电子通信系统的框图；图2是显示在10比特/帧的比特率下对CDMA数据帧进行BPSK编码的一对曲线图；图3是图2所示的BPSK基带的曲线图，但是是在12比特/帧的比特率下；图4描述了使用图3的BPSK波形的样本声码器输出；图5描述了利用10比特/帧的随机比特模式由BPSK调制的500Hz载波；图6是使用图5的BPSK波形的样本声码器输出；图7是BPSK解调器的框图；图8是样本BPSK已解调数据的星座图；图9是利用10比特/帧的随机比特模式由DBPSK调制的500Hz载波；图10描述了图9的样本DBPSK已解调数据的星座图；以及图11描述了样本DQPSK已解调数据的星座图。
具体实施例方式
参考图1，其中示出了根据本发明构造的电子通信系统10。该通信系统10包括一个具有语音业务信道的传统蜂窝通信网络，该语音业务信道用于在蜂窝电话之间对语音数据进行双向传输。通信系统10还包括利用该蜂窝系统语音信道来交换包含除话音或其他音频以外的信息的数字数据的能力。如以下将详细讨论的那样，该数据通信是通过利用所述数字数据对音频载波进行差分相移键控调制来实施的。该方法允许在被用于话音传输的同一语音信道上进行数据通信，并且通过适当地选择载波频率和比特率，其允许在对于大多数应用而言能够接受的误比特率下实现该数据传输。
通信系统10通常包括连接到公共交换电话系统14的蜂窝通信网络12，它们一起被用来在乘客车辆20和呼叫中心40之间提供语音和数据通信。车辆20具有一个包括了在蜂窝通信装置中常见的组件的车载通信系统22，所述组件例如有CDMA兼容芯片组24和天线26，其能够使用该蜂窝网络12以允许车主利用扬声器28和麦克风30来进行语音通话。车载系统22的这些组件可以以传统的方式实现，正如本领域技术人员已知的那样。除了麦克风30的输入之外，车载系统22还包括至少一个按钮32，其可以被用来启动与位于呼叫中心40的实时顾问(live advisor)42的语音通信。
根据4G CDMA系统，使用声码器对来自车主(未示出)和实时顾问42的语音数据进行编码，以便在经由蜂窝塔16在语音业务信道上进行无线传输之前对话音进行压缩。一旦通过该无线网络接收到之后，该已编码的话音接着由声码器解码给收听者。该声码器被合并入芯片组24以及位于蜂窝塔16处的基本设备内的CDMA兼容模块18中。尽管可以使用多种压缩编解码器，但是在所示出的实施例中，该4G声码器由时变的、非线性滤波器来实现。多种此类编解码器公知地使用线性预测技术例如RPE-LPC编解码器，或者固定或可变速率的CELP编解码器。任何合适的编解码器(无论是否是线性预测的)均可被使用在图1的系统10中。
除了在语音业务信道上的典型的语音数据传输之外，通信系统10还能通过该相同的语音业务信道以及通过声码器18、24实现数据通信。这是利用声码器两侧的调制解调器来实现的；也就是说，利用合并入车载通信系统22的第一调制解调器34和位于呼叫中心40的第二调制解调器44。这些调制解调器可以具有相同的结构和操作，因此只描述调制解调器34，应该理解，对调制解调器34的描述同样适应于调制解调器44。如图1所示，调制解调器34连接到CDMA 4GV芯片组24，该芯片组可以被设计成在调制解调器34和电话装置28-32之间进行切换或复用，这样，即使在同一呼叫期间，蜂窝通信网络12可以被用于语音或数据通信或者二者兼有。
无论蜂窝呼叫是在车辆20处还是在呼叫中心40处发起的，发送调制解调器可以使用预定义的音调或者一系列音调来警告所请求的数据传输的接收调制解调器，然后该数据连接的各种属性可以由这两个调制解调器协商。为了能够在语音信道上进行数据通信，所述调制解调器应用差分相移键控(DPSK)编码以便把正在传输的数字数据转换成能够通过声码器18、24并且在蜂窝网络12的语音业务信道上成功发送的DPSK数据。在所示出的实施例中，使用特定形式的DPSK编码；即由DBPSK编码器/解码器36提供的差分二进制相移键控(DBPSK)调制。这种以及其他形式的DPSK将在下面进一步讨论。
在车辆20上，经过DBPSK编码并且通过调制解调器34发送的数字数据可以从一个或多个车辆系统模块(VSM)38获得。这些模块38可以是任何车辆系统或其他远程装置或计算机系统，其中期望所述车辆系统向呼叫中心40进行信息传输或者从呼叫中心40接收信息传输。例如，一个VSM 38可以是诊断系统，其向呼叫中心40提供诊断故障代码或其他诊断信息。作为另一个例子，VSM 38可以是启用GPS的导航系统，其向呼叫中心上载坐标或者关于车辆位置的其他此类信息。数据也可以从呼叫中心(或其他远程装置或计算机系统)被发送至车辆。例如，当VSM 38是一个导航系统时，新的地图或者其他方向信息或名胜信息可以被下载到该车辆。作为另一个例子，VSM 38可以是一个信息系统，其中新的音乐或视频可以被下载和存储以用于随后重放。此外，此处使用的术语“数字数据”不仅包括信息而且还包括可执行代码，从而新的程序可以通过所述语音业务信道从服务器或其他计算机下载到车辆。本领域技术人员将知道其他这样的VSM 38和其他类型的数字数据，其中期望将所述数字数据传送到车辆20和/或从车辆20传送所述数字数据。
呼叫中心40不仅包括实时顾问42和调制解调器44，而且还包括若干其他组件。所述呼叫中心包括PBX交换机46来把呼入的呼叫路由到一个或多个电话48以用于语音通信，或者将其路由到调制解调器44以用于数据传输。调制解调器44本身可以连接到各种装置，比如提供信息服务和数据存储的服务器50，以及由实时顾问42使用的计算机。这些装置可以通过网络52连接到调制解调器44，或者可以被连接到调制解调器44所在的特定的计算机。图1的各种组件包括一些传统的组件，以及可以基于在此包含的描述和本领域技术人员所具有的知识来实现的其他组件。例如，尽管调制解调器34、44和它们的DBPSK编码器/解码器不是传统的组件，但是用于实现DBPSK编码和解码的技术是已知的，并且可以由本领域技术人员利用诸如DSP和ASIC之类的组件来实现。类似地，实现调制解调器34、44所需的其他特征对本领域技术人员来说是熟知的。
现在转到图2-11，下面将说明各种相移键控方法和结果。因为用于蜂窝通信的声码器将把高于话音传输所需的频率滤除，因此在蜂窝语音业务信道上的成功的数据传输将被限制于使用几千赫兹或低于几千赫兹的频率。因此，当要使用数据调制技术时，载波频率应该被限制于在该上限频率之内的频率。图2包括了被用于二进制相移键控(BPSK)调制的随机比特模式的两个曲线图，其中第一个曲线图(a)是表示随机0011101011比特模式的基带BPSK，第二个曲线图(b)是使用BPSK并且利用该比特模式所调制的500Hz载波频率。对于8kHz采样频率下的160个样本的采样速率，这10个比特表示典型的20ms的数据帧，其例如被用在CDMA中。作为对照，图3是类似的BPSK基带波形，但是是在12比特/帧的比特率下，该波形描绘出了两个半数据帧。在已经通过声码器被发送之后(而没有首先被用于调制音频载波)，图3的波形在图4中示出。由声码器执行的滤波使得无法从该声码器输出(图4)中恢复所述数字数据。其中使用了500Hz载波频率的BPSK调制(图5)，所得到的声码器的输出结果(图6)至少在某种程度上保留了原始数据。
更详细地参看图5，图5的已调制500Hz波形是利用下面的随机比特模式在10比特/帧的比特率下得到的0100001100001001101111001图6的所得到的声码器输出然后可以通过提取相位信息而被解码，以便把所述波形转换回原始数字数据。这可以通过已知的方式来完成，如图7所示，其中把所述声码器波形乘以一个正弦波形并且对结果求和以便得到I轴数据点，此外还把所述声码器波形单独地乘以一个余弦波形以便得到Q轴信息。用于根据图7分解所述声码器波形并且从中产生所得到的比特模式的数字处理技术对本领域技术人员来说是公知的。通过利用BPSK的声码器运行的样本比特模式的样本星座图在图8中示出。如该星座图所示，通过该声码器使用BPSK并不能很好地保留原始数字数据，结果，其误比特率(BER)对于大部分应用来说高得不可接受。使用BPSK时的信息损失可能是声码器的非线性时变属性的结果，其可能在通过该声码器的信号中引入相位漂移。
因此，根据本发明所公开的实施例，采用差分相移键控(DPSK)来避免由声码器所引起的相位问题。所述DPSK根据所述比特模式中的相继信息比特之间的差别来调制载波，这样做消除了由随机相位漂移所引起的问题。优选地使用差分二进制相移键控(DBPSK)，图9和图10中示出了一个例子。在图9中，与图5相同的比特模式再次被使用，但是这次该比特模式被用于利用DBPSK来调制500Hz载波。图10示出了在经过DBPSK解码之后的已分解的声码器输出的星座图。如该图所示，解调结果在沿着I轴高度区分，其中所述比特模式的0和1集中在穿过原点延伸的Q轴线两侧的两个节点周围。因此，原始数字数据可以以相对低的误比特率被恢复。使用运行在不同操作模式下的Qualcomm4G声码器对利用诸如图9所示的DBPSK的样本数据进行测试。使用500Hz的载波频率和500比特/秒(10比特/帧)的样本数据的误比特率大约是1.5％。只要最后得到的误比特率对于所涉及的特定应用来说是可以接受的，就可以使用频率和比特率(比特/帧)的其他组合。此外，不同的声码器设计(其通常使用不同的话音压缩编解码器)可能需要使用不同的载波频率或者载波频率和比特率的不同组合，以便获得可以接受的误比特率。对于任何特定的声码器设计而言，适合的频率和比特率可以通过利用样本波形测试该声码器来确定。通常来说，优选地使用4,000Hz或低于4,000Hz(低至大约1Hz)的任何载波频率，更优选地，载波频率在400Hz至2,500Hz的范围内。除了载波频率之外，比特率不仅可以被选择来获得低误比特率，而且可以选择特定应用所必需或者所期望的比特率。优选地，所述数字数据具有250至3,000比特/秒的比特率。当选择特定的载波频率和比特率时，应该在声码器的任何可能的操作模式下检查已调载波，以便确保所述误比特率对于所想要的应用来说是可以接受的。
除了DBPSK之外，只要其对于所涉及的特定声码器产生合适的误比特率，就可以使用其他形式的差分相移键控调制。例如，图11描绘了使用5比特/帧和500Hz载波的差分正交相移键控(DQPSK)的星座图。从该图可以看出，存在较高的误比特率。在被用于DBPSK测试的相同的500Hz、10比特/帧输入下对上述Qualcomm4G声码器的测试在该声码器的所有三种操作模式下表现出大约6％的误比特率。尽管这种正交方法表现出比DBPSK更高的误比特率，但是它仍然可以被用在其中可以容许较高误比特率的应用中。
现在暂时回到图1，根据本发明的方法的一个实施例，显然数字数据可以通过如下操作经由无线网络来传送(a)利用差分相移键控编码从数字数据产生DPSK数据；(b)通过无线电信网络的语音信道传输该DPSK数据；(c)经由该无线电信网络接收所传输的DPSK数据；以及(d)将所接收的DPSK数据解调回该数字数据。
在其中数据被从车辆20传输至呼叫中心40的例子中，步骤(a)可以由调制解调器34利用从其中一个车辆系统模块38所接收的数字数据来实施。在这个例子中，步骤(b)可以通过首先利用CDMA 4GV芯片组24对来自调制解调器34的DBPSK数据进行编码来完成，并且这可以使用展现出时变的、非线性的转移函数的线性预测编解码器类型来完成，所述线性预测编解码器至少部分地滤除所输入数据的非话音成分。编码后的输出然后可以通过车辆天线26在蜂窝网络12上被传输。在通过CDMA 4GV模块18内的语音解码器后，这个例子的步骤(c)包含在呼叫中心40处接收所述DBPSK数据。最后，步骤(d)包含把该DBPSK数据解码回来自VSM 38的原始数字数据。此外，尽管利用二进制编码的DPSK在图1中示出，但是也可以使用正交或者其他任何适当的编码比特数。
应该理解，上面的描述不是本发明本身的描述，而是本发明的一个或多个优选的示例性实施例的描述。本发明不限于在此所公开的特定实施例，而是只由以下的权利要求书限定。此外，上述的描述中所包含的语句涉及特定的实施例，并且不应被理解为限制本发明的范围或者限制在权利要求书中的使用的术语定义，除非在上面对术语或短语做了明确的定义。各种其他实施例和所公开的实施例的各种变化和修改对于本领域技术人员来说将变得明显。所有这些其他的实施例、变化和修改都落入所附权利要求书的范围之内。
如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，当与所列出的一个或多个组件或其他项目相结合地使用时，术语“例如”、“诸如”以及动词“包括”、“具有”、“包含”等等均应被理解为开放性的，其意思是所列出的组件或项目不应被认为排除其他的附加组件或项目。其他术语应当被理解为其最广泛的合理含义，除非其被使用在需要不同解释的上下文中。
权利要求
1.一种通过无线电信网络传送数字数据的方法，包括以下步骤利用差分相移键控编码从数字数据产生DPSK数据；通过无线电信网络的语音信道传输该DPSK数据；经由该无线电信网络接收所传输的该DPSK数据；以及将所接收的该DPSK数据解调回该数字数据。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述产生步骤进一步包括利用差分二进制相移键控编码产生所述DPSK数据以作为DBPSK数据。
3.根据权利要求2的方法，其中，所述传输步骤进一步包括通过语音编码器发送该DBPSK数据以及随后通过所述语音信道传输该DBPSK数据，从而获得声码器输出数据。
4.根据权利要求3的方法，其中，所述接收步骤进一步包括通过语音解码器发送所接收的输出数据，从而把所接收的输出数据转换为已解码DBPSK数据。
5.根据权利要求4的方法，其中，所述解调步骤进一步包括将所述DBPSK数据解码回所述数字数据。
6.根据权利要求3的方法，其中，所述获得声码器输出数据的步骤包括把所述DBPSK数据输入到话音压缩电路中，该话音压缩电路展现出时变的、非线性的转移函数，并且至少部分地滤除所输入数据的非话音成分。
7.根据权利要求2的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在1Hz至4,000Hz的范围内的载波频率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在250比特/秒至3,000比特/秒的范围内的比特率下编码所述数字数据。
9.根据权利要求2的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在400Hz至2,500Hz的范围内的载波频率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
10.根据权利要求2的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在500Hz的载波频率以及500比特/秒的比特率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
11.一种通过包含时变的、非线性话音压缩电路的无线电信网络传输数字数据的方法，该方法包括以下步骤利用差分二进制相移键控调制数字数据；把该已调制数字数据输入到话音压缩电路中，该话音压缩电路展现出时变的、非线性的转移函数，并且至少部分地滤除所输入数据的非话音成分；从该话音压缩电路获得已编码的输出；通过天线传输该已编码的输出。
12.一种编码数字数据以便通过无线电信网络的语音业务信道传输的方法，包括以下步骤利用差分相移键控编码对数字数据进行编码以便产生DPSK数据；以及对该DPSK数据应用线性预测编码。
13.根据权利要求12的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在1Hz至4,000Hz的范围内的载波频率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
14.根据权利要求13的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在250比特/秒至3,000比特/秒的范围内的比特率下编码所述数字数据。
15.根据权利要求12的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在400Hz至2,500Hz的范围内的载波频率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
16.根据权利要求12的方法，其中，所述产生步骤进一步包括在500Hz的载波频率以及500比特/秒的比特率下、利用差分二进制相移键控编码对所述数字数据进行编码。
17.根据权利要求12的方法，其中，所述应用步骤进一步包括利用RPE-LPC编解码器对所述DPSK数据进行编码。
18.根据权利要求12的方法，其中，所述应用步骤进一步包括利用CELP编解码器对所述DPSK数据进行编码。
19.根据权利要求18的方法，其中，所述CELP编解码器是可变速率CELP编解码器。
20.根据权利要求12的方法，其中，所述应用步骤进一步包括利用话音压缩电路对所述DPSK数据进行编码，该话音压缩电路展现出时变的、非线性的转移函数，并且至少部分地滤除所输入数据的非话音成分。
全文摘要
本发明涉及一种用于在蜂窝通信网络上进行数据通信的系统和方法，其允许在通信网络的语音信道上传输数字数据。利用差分二进制相移键控编码把所述数字数据编码成DBPSK数据。接着利用具有线性预测或其他话音压缩编解码器的声码器通过蜂窝网络发送该DBPSK数据。在接收端，该DBPSK数据被解调回原始数字数据。该方法允许通过CDMA、GSM或者其他类型的语音业务信道在低误比特率下进行数据通信。
文档编号H04L27/20GK101035101SQ20061006432
公开日2007年9月12日 申请日期2006年10月23日 优先权日2005年10月24日
发明者S·K·马哈文, I·M·苏尔蒂, J·殷 申请人:通用汽车公司