音频通信系统

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音频通信系统(Audio Communication System,ACS)

　　音频通信系统是传送和接收语言信息的通信系统。所谓“音频”，是指在人的声音频率范围内，用来传送语音的那部分频率，通常为200～3500Hz。音频通道一般为300～3000Hz，这段频带适合传送语音信号、传真信号和模拟信号。音频通信系统由语音输入设备、存储设备、传输设备和输出设备组成。

　　计算机的语音处理技术复杂，相对处理能力不及对文字、数据、图形、图像信息的处理。语音由拾音器进入音频通信系统，允许操作员用自然语言同机器交换信息，计算机对语音信息进行识别，并转换成数字形式存储在计算机系统中，计算机进行语音识别有两种方法。

　　一种是样板匹配法。即系统内存有大量的声音字典，字典内每一个字、词都存有标准的数字化声波波形信息。对输入的声音进行声波波形分析，然后在字典中逐字逐条查对，实现语音识别。这种方法容易实现，目前许多成功的语音识别系统都采用这种方法，但是，它需要占用很大的存贮容量。

　　另一种方法是按一定规则对测得的声音特征进行计算，转换成字、词、短语和句子。这种方法计算复杂，技术难度高，但是，它节省存贮容量，处理速度快，是一种最有发展前途的方法。但无论哪种语音识别方法，都可以对存储在计算机系统中的数字化语音信息进行编辑、修改、检索、传输等操作。

　　为了存储方便，要将语音模拟信号数字化，常用的技术有两种：脉冲编码调制(PCM)和信号差调制(Modulation Delta)，这两种调制技术产生的信息量分别为64kbps和32kbps。这样，若存储持续30秒的语音信息分别需要2Mbit和1Mbps的存储量。显然，只有研制出廉价的大容量存储器之后，语音邮件存储才能有较大进展。数字化光盘看来可以满足这个要求。数字通信对语音采用脉冲调制，只有在远程通信时才需要调制解调器。根据采样定理，通常PCM取8K速率采样，而每次采样8位，故常规PCM传输速率为64kbps。

　　在语音传输系统中一旦建立话路，在通话期间就不能中断，故专用自动小交换机PABX(Private automatic branch exchange)必须采用线路转接技术。而在传送数据信号时，允许采用时分交换技术。由此可见，数字语音传输比数字数据传输要严格。局部网能高效地传输数据，却很难支持连续的语音传输，而PABX很容易同时支持语音和数据，这正是办公自动化所希望的。语音邮件用存储转发的方法把数字化的语音传送到接收端，其工作方式与通信系统传送其它种类的电子报文非常相似，语音邮件系统中的报文，也可以由电话生成，传输并存储到其它电话中去，然后别的电话用户也可以从存储器中检索它们。接收端接收到通过通信网络传输来的数字化信息后，要对它进行语音合成。

　　计算机进行语音合成有两种方法，一种是波形存储法，一种是参数合成法。

　　波形存储法利用一个由单词和短语组成的词汇表，表中存储的是经过数字化处理的单词和短语的声波波形信息。计算机处理该文本后产生一系列波形，并把这些波形与所存储的单词和短语波形进行比较，自动选择那些与文本波形相同的单词和短语波形，并将它们顺序连接起来，经由数／模转换器，变成模拟信号去驱动音响设备发出相应的声音。

　　参数合成法不是存储声音的波形，而是把分析声音波形所得到的有关参数存于计算机中，再根据生成模型重现合成声音。因此对计算机存储容量的要求不太高。这种方法合成的声音，其节奏、强度和发音持续时间，能适应信息上下文的要求。但音质较差。

　　数字化音频通信系统对通信网络的要求并不高，它既可以是局部网，也可以是远程网，甚至连点到点通信也能够支持音频通信。因为在通信网络上传输的信号是数字化信号，而不是模拟信号，所以一般的计算机通信网就能够支持音频通信。随着科学技术的发展，音频通信的有关技术也必将取得突破性进展。音频通信系统的不断完善，在办公自动化系统中必将得到广泛的应用。

　　采用电话机或手机是音频通信中最普及的通讯系统。

　　(一)有线音频通信

　　传统的电话通信系统，是数字化楼宇不可缺少的系统，它能为楼宇内部各类人员提供快捷便利的通信服务。传统的电话通信系统主要包括用户交换设备、通信线路网络和用户终端设备三大部分，其中：用户交换设备一般采用程控数字用户交换机(privateautomatic branch exchange，PABX)或虚拟交换机(centrex)，是电信网络的核心；通信线路网络采用结构化综合布线系统(structuredcablingsystem，SCS)或常规线路传输系统；用户终端设备包括电话机、传真机等，将用户终端设备接人PABX的市话中继线便连成全国乃至全球电话网络。有线通信网络结构如图所示。

　　传统电信通信网络是以电话网为主，有线音频通信系统采用基于时分复用电路交换技术——包括电路交换或分组交换两类——实现各用户之间的通信，从交换局到用户之间为点到点连接，为通信双方建立了一条点到点的通信链路，在通信过程中通信双方始终占有这条通路。无线通信与有线通信始终在互补支持发展。与无线通信相比，有线通信具有容量大、速率高、宽频带和传输质量稳定的特点，能满足高速数据通信和宽带多媒体业务的通信需求。

　　(二)无线音频通信

　　无线世界的发展前景，就是实现移动通信与Intemet的技术结合，从而实现全球的接人，用户可以自由地将他们的移动终端用于多种多样的用途，实现可视通话、互联网浏览和上网等崭新的多媒体功能，真正使无线通信融入网络世界。更高频段的无线接人亦在向更高速率迈进，无线通信正利用其实现个人通信的优势始终与有线通信在互补支持发展着。移动通信系统经历了三个阶段：采用和模拟频分多址(FDMA)技术的第一代通信系统；采用包括以GSM(global standard fo rmobile system)为代表的时分多址(TDMA)和数字式窄带(CDMA)的数字式技术的第二代(2G)通信系统；采用以宽带码分多址技术为核心的第三代(3C)宽带系统。国际电信联盟总称第三代移动通信系统为IMT—2000(intemational mobile telecommunications--2000)。目前，正处于从第二代移动通信系统向第三代移动通信系统平滑演进阶段，同时这种演进需要上下兼容、平滑过渡。

　　第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。

　　第二代GSM和CDMA网络的业务是以话音为主，主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。但其网络资源潜力很大，可开发移动数据和移动因特网市场。现在主要的发展是实现移动与数据向融合的GPRS产品和实现移动与因特网相结合的WAP应用。

　　第三代(3G)宽带系统是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆字节／每秒)、384kbps(千字节／每秒)以及144kbps的传输速度。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起。就在3G通信技术正处于酝酿之中时，第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。

　　到目前为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，但4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能。如果说现在的3G能为我们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信将是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。

　　4G通信技术将是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度。与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于：

　　(1)通信速度更快。专家预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到100Mbps速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。

　　(2)网络频谱更宽。据研究估计每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W—CDMA3G网路的20倍。

　　(3)通信更加灵活。未来的4G通信将使我们不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，当然更可以和陌生人网上联线对打游戏。也许你将有被网上定位系统永远锁定无处遁形的苦恼，但是与其提供的地图带来的便利和安全相比，这简直可以忽略不计。

　　(4)智能性更高。第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能。4G手机可以被看作是一台手提电视，用来看体育比赛之类的各种现场直播。

　　(5)兼容性能更平滑。未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。

　　(6)提供各种增值服务。4G通信并不是从3G通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它们的核心建设技术从根本上就是不同的，3G移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而4G移动通信系统技术则以正交多任务分频技术(OFDM)最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增值服务；不过考虑到与3G通信的过渡性，第四代移动通信系统不会在未来仅仅只采用OFDM一种技术，CDMA技术将会在第四代移动通信系统中，与OFDM技术相互配合以便发挥出更大的作用。

　　(7)实现更高质量的多媒体通信。尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的4G通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通信系统也称为“多媒体移动通信”。

　　(8)频率使用效率更高。相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术。按照最乐观的情况估计，4G无线频率的使用比第二代和第三代系统有效得多，可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度相当快，下载速率有可能达到5Mbps到10Mbps。

　　(9)通信费用更加便宜。4G通信引人了许多尖端的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，相对其他技术来说，4C通信部署起来就容易得多；同时在建设4G通信网络系统时，通信营运商们将考虑直接在3C通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运行者和用户的费用。

　　(三)可视电话系统

　　可视电话是利用电话线路实时传送人的语音和图像(用户的半身像、照片物品等)的一种通信方式。如果说普通电话是“顺风耳”的话，可视电话就既是“顺风耳”，又是“千里眼”了。可视电话设备是由电话机、摄像设备、电视接收显示设备及控制器组成的。可视电话的话机和普通电话机一样是用来通话的；摄像设备的功能，是摄取本方用户的图像传送给对方；电视接收显示设备，其作用是接收对方的图像信号并在荧屏上显示对方的图像。可视电话还可以加入录像设备，就像录音电话一样，把图像录制下来，以便保留。

　　可视电话根据图像显示的不同，分为静态图像可视电话和动态图像可视电话。静态图像可视电话在荧光屏上显示的图像是静止的，图像信号和话音信号利用现有的模拟电话系统交替传送，即传送图像时不能通话；传送一帧用户的半身静止图像需5—10秒。一部可视电话设备可以像一部普通电话机一样接人公用电话岗使用。动态图像可视电话所显示的图像是活动的，用户可以看到对方笑逐颜开的表情或说话的形象。动态图像可视电话的图像信号因包含的信息量大，占用频带宽，不能直接在用户线上传输，需要把原有的图像信号数字化，变为数字图像信号，而后还必须采用频带压缩技术，对数字图像信号进行“压缩”，使它所占的频带变窄，这样才可在用户线上传输。动态图像可视电话的信号因是数字信号，所以要在数字网中进行传输。

　　静态图像可视电话现已在公用电话网上使用，而动态图像可视电话因成本较高尚未大量应用。但是可以预料，随着微电子技术的发展，大规模、超大规模集成电路的广泛使用，以及综合业务数字网的迅速发展，动态图像可视电话必然会在未来的通信中发挥重要的作用。

　　(四)互联网电话系统

　　IP网络电话通常被称做Internet电话或网络电话，它采用压缩编码及统计复用等技术，节省了网络的带宽，降低了通信成本，所以IP网络电话可以为用户提供更经济的电话服务，尤其是更为经济的国际长途电话业务。从广义上说，它就被称为Internet电信，因为它还包括语音，传真，视频传输等多种电信业务。

　　IP网络电话的语音利用基于路由渺分组交换的IP(Internet／Intranet)数据网进行传输，由于Internet中是采用“存储—转发”的方式传递数据包，并不独占电路，而且对语音信号进行了很大的压缩处理，因此IP网络电话所占用的带宽仅为8khps-101daps，再加上分组交换的计费方式与距离的远近无关，自然大大节省了长途通信费用。

　　Internet是由各种不同的计算机网络组成的，遍布世界各地，Internet的出现和普及极大地改变了人们的交流和通信方式。Internet使用标准的TCP／IP协议来实现计算机之间的相互通信和数据交换。TCP／IP协议负责将要传输的IP数据包分组排队发送到网络上，每个组均包含地址及数据重组信息，以确保数据安全和数据包交换正确无误。IP电信通过Intemet作为主要传输介质进行语音传送。语音信号首先通过公用电话网络被传输到IPTelephony网关，然后网关再将语音信号转换压缩成数字信号传递进入Internet，而该数字信号通过遍及全球且成本低廉的网络将信号传递到对方所在地的网关，再由这个网关将数字信号还原成模拟信号，输入当地的公共电话网络，最终将语音信号传给受话人。本地网关对数据进行特定的压缩算法处理，组织成包含主叫号码、被叫号码、时间、通话信息等数据的IP包，并分析被叫号码，根据路由表，把它映射成为一个IP地址，通过路由选择，发往该IP地址对应的远端网关。远端网关接收传输过来的IP数据包，并进行解压缩，再发往其本地端的PSTN网。这样，就实现了两地的实时通信。

　　(五)数字程控交换机

　　当今电信世界日新月异，电信技术也正在以前所未有的速度突飞猛进，数字交换技术、电子计算机技术和微电子技术的融合，彻底改变了传统的通信行业。数字程控交换机(PABX)是作为通信网络的核心，也在不断地更新技术、改变自己以跟上新技术和新需求的发展速度。

　　程控交换机的出现不是偶然的，是电子技术高度发展的必然结果，是计算机技术与交换技术相结合的产物。程控交换技术发展经历了以下几个阶段：

　　第一阶段：20世纪60-70年代初，采用大型计算机进行集中控制的空分模拟式程控交换机；

　　第二阶段：20世纪70年代中期，采用小型机或微机进行分散的两级控制的程控交换机；

　　第三阶段：20世纪80年代初，采用微机进行全分散控制的时分数字程控交换机，可进行话音和数据的电路交换；

　　第四阶段：20世纪80年代中期，在数字交换机上既能进行电路交换，又能进行分组交换，实现话音和非话音业务等多种业务通信。

　　与上述发展阶段相对应，电话交换技术有以下几种类型：步进制交换机、纵横制交换机、空分模拟程控交换机和时分数字程控交换机。

　　目前，数字程控交换机正处于飞速发展时期。IP数字程控交换机是全数字、时分、A律编码的交换系统，集话音交换、数字传输、计算机通信和微电子技术为一体，具有综合数据业务网(ISDN)功能的最新一代数字程控交换机。

　　组成ISDN程控交换技术的发展过程如下：从话路交换网来看，由金属接点组成的空分交换网向大规模集成电路组成的数字交换网演变；从传输信息来看，由连续的模拟信号向时分PCM数字信号变化；从控制方式来看，由集中控制向分级控制和分散控制发展；从控制设备来看，由专用的大型计算机向微型机、微处理器发展，处理速度和处理能力不断提高；从交换方式来看，由单一的电路交换向电路交换与分组交换结合的交换方式发展，既能进行话音交换又能进行数据交换，以便向综合业务交换发展。

　　程控交换机系统的控制方式有分级控制和全分散控制。目前，系统多采用多路总线控制方式，公共控制采用冗余配置方式工作，两套公共设备之间有双断随机存储单元进行数据交换，保证了当公用设备出现故障时，系统能自动切换，布置丢失实时数据。

　　随着网络中数据业务量成为主导后，从传统的电路交换体系逐步转向以数据特别是IP为基础的整个电信新框架将是历史的必然。当然这种转变不是一朝一夕就能完成的，可能需要漫长的时间，但其对电信业的影响却是100年来最重大和最深刻的一次。