音頻通信系統

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音頻通信系統(Audio Communication System,ACS)

　　音頻通信系統是傳送和接收語言信息的通信系統。所謂“音頻”，是指在人的聲音頻率範圍內，用來傳送語音的那部分頻率，通常為200～3500Hz。音頻通道一般為300～3000Hz，這段頻帶適合傳送語音信號、傳真信號和模擬信號。音頻通信系統由語音輸入設備、存儲設備、傳輸設備和輸出設備組成。

　　電腦的語音處理技術複雜，相對處理能力不及對文字、數據、圖形、圖像信息的處理。語音由拾音器進入音頻通信系統，允許操作員用自然語言同機器交換信息，電腦對語音信息進行識別，並轉換成數字形式存儲在電腦系統中，電腦進行語音識別有兩種方法。

　　一種是樣板匹配法。即系統記憶體有大量的聲音字典，字典內每一個字、詞都存有標準的數字化聲波波形信息。對輸入的聲音進行聲波波形分析，然後在字典中逐字逐條查對，實現語音識別。這種方法容易實現，目前許多成功的語音識別系統都採用這種方法，但是，它需要占用很大的存貯容量。

　　另一種方法是按一定規則對測得的聲音特征進行計算，轉換成字、詞、短語和句子。這種方法計算複雜，技術難度高，但是，它節省存貯容量，處理速度快，是一種最有發展前途的方法。但無論哪種語音識別方法，都可以對存儲在電腦系統中的數字化語音信息進行編輯、修改、檢索、傳輸等操作。

　　為了存儲方便，要將語音模擬信號數字化，常用的技術有兩種：脈衝編碼調製(PCM)和信號差調製(Modulation Delta)，這兩種調製技術產生的信息量分別為64kbps和32kbps。這樣，若存儲持續30秒的語音信息分別需要2Mbit和1Mbps的存儲量。顯然，只有研製出廉價的大容量存儲器之後，語音郵件存儲才能有較大進展。數字化光碟看來可以滿足這個要求。數字通信對語音採用脈衝調製，只有在遠程通信時才需要數據機。根據採樣定理，通常PCM取8K速率採樣，而每次採樣8位，故常規PCM傳輸速率為64kbps。

　　在語音傳輸系統中一旦建立話路，在通話期間就不能中斷，故專用自動小交換機PABX(Private automatic branch exchange)必須採用線路轉接技術。而在傳送數據信號時，允許採用時分交換技術。由此可見，數字語音傳輸比數字數據傳輸要嚴格。局部網能高效地傳輸數據，卻很難支持連續的語音傳輸，而PABX很容易同時支持語音和數據，這正是辦公自動化所希望的。語音郵件用存儲轉發的方法把數字化的語音傳送到接收端，其工作方式與通信系統傳送其它種類的電子報文非常相似，語音郵件系統中的報文，也可以由電話生成，傳輸並存儲到其它電話中去，然後別的電話用戶也可以從存儲器中檢索它們。接收端接收到通過通信網路傳輸來的數字化信息後，要對它進行語音合成。

　　電腦進行語音合成有兩種方法，一種是波形存儲法，一種是參數合成法。

　　波形存儲法利用一個由單詞和短語組成的辭彙表，表中存儲的是經過數字化處理的單詞和短語的聲波波形信息。電腦處理該文本後產生一系列波形，並把這些波形與所存儲的單詞和短語波形進行比較，自動選擇那些與文本波形相同的單詞和短語波形，並將它們順序連接起來，經由數／模轉換器，變成模擬信號去驅動音響設備發出相應的聲音。

　　參數合成法不是存儲聲音的波形，而是把分析聲音波形所得到的有關參數存於電腦中，再根據生成模型重現合成聲音。因此對電腦存儲容量的要求不太高。這種方法合成的聲音，其節奏、強度和發音持續時間，能適應信息上下文的要求。但音質較差。

　　數字化音頻通信系統對通信網路的要求並不高，它既可以是局部網，也可以是遠程網，甚至連點到點通信也能夠支持音頻通信。因為在通信網路上傳輸的信號是數字化信號，而不是模擬信號，所以一般的電腦通信網就能夠支持音頻通信。隨著科學技術的發展，音頻通信的有關技術也必將取得突破性進展。音頻通信系統的不斷完善，在辦公自動化系統中必將得到廣泛的應用。

　　採用電話機或手機是音頻通信中最普及的通訊系統。

　　(一)有線音頻通信

　　傳統的電話通信系統，是數字化樓宇不可缺少的系統，它能為樓宇內部各類人員提供快捷便利的通信服務。傳統的電話通信系統主要包括用戶交換設備、通信線路網路和用戶終端設備三大部分，其中：用戶交換設備一般採用程式控制數字用戶交換機(privateautomatic branch exchange，PABX)或虛擬交換機(centrex)，是電信網路的核心；通信線路網路採用結構化綜合佈線系統(structuredcablingsystem，SCS)或常規線路傳輸系統；用戶終端設備包括電話機、傳真機等，將用戶終端設備接人PABX的市話中繼線便連成全國乃至全球電話網路。有線通信網路結構如圖所示。

　　傳統電信通信網路是以電話網為主，有線音頻通信系統採用基於時分復用電路交換技術——包括電路交換或分組交換兩類——實現各用戶之間的通信，從交換局到用戶之間為點到點連接，為通信雙方建立了一條點到點的通信鏈路，在通信過程中通信雙方始終占有這條通路。無線通信與有線通信始終在互補支持發展。與無線通信相比，有線通信具有容量大、速率高、寬頻帶和傳輸質量穩定的特點，能滿足高速數據通信和寬頻多媒體業務的通信需求。

　　(二)無線音頻通信

　　無線世界的發展前景，就是實現移動通信與Intemet的技術結合，從而實現全球的接人，用戶可以自由地將他們的移動終端用於多種多樣的用途，實現可視通話、互聯網瀏覽和上網等嶄新的多媒體功能，真正使無線通信融入網路世界。更高頻段的無線接人亦在向更高速率邁進，無線通信正利用其實現個人通信的優勢始終與有線通信在互補支持發展著。移動通信系統經歷了三個階段：採用和模擬頻分多址(FDMA)技術的第一代通信系統；採用包括以GSM(global standard fo rmobile system)為代表的時分多址(TDMA)和數字式窄帶(CDMA)的數字式技術的第二代(2G)通信系統；採用以寬頻碼分多址技術為核心的第三代(3C)寬頻系統。國際電信聯盟總稱第三代移動通信系統為IMT—2000(intemational mobile telecommunications--2000)。目前，正處於從第二代移動通信系統向第三代移動通信系統平滑演進階段，同時這種演進需要上下兼容、平滑過渡。

　　第一代移動通信系統採用頻分多址(FDMA)的模擬調製方式，這種系統的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業務。

　　第二代GSM和CDMA網路的業務是以話音為主，主要採用時分多址(TDMA)的數字調製方式，提高了系統容量，並採用獨立通道傳送信令，使系統性能大為改善，但TDMA的系統容量仍然有限，越區切換性能仍不完善。但其網路資源潛力很大，可開發移動數據和移動網際網路市場。現在主要的發展是實現移動與數據向融合的GPRS產品和實現移動與網際網路相結合的WAP應用。

　　第三代(3G)寬頻系統是指將無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合的新一代移動通信系統，它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。為了提供這種服務，無線網路必須能夠支持不同的數據傳輸速度，也就是說在室內、室外和行車的環境中能夠分別支持至少2Mbps(兆位元組／每秒)、384kbps(千位元組／每秒)以及144kbps的傳輸速度。隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，適應移動數據、移動計算及移動多媒體運作需要的第四代移動通信開始興起。就在3G通信技術正處於醞釀之中時，第四代移動通信系統的最新技術也在實驗室悄然進行當中。

　　到目前為止人們還無法對4G通信進行精確地定義，但4G通信技術並沒有脫離以前的通信技術，而是以傳統通信技術為基礎，並利用了一些新的通信技術，來不斷提高無線通信的網路效率和功能。如果說現在的3G能為我們提供一個高速傳輸的無線通信環境的話，那麼4G通信將是一種超高速無線網路，一種不需要電纜的信息超級高速公路，這種新網路可使電話用戶以無線及三維空間虛擬實境連線。

　　4G通信技術將是繼第三代以後的又一次無線通信技術演進，其開發更加具有明確的目標性：提高移動裝置無線訪問互聯網的速度。與傳統的通信技術相比，4G通信技術最明顯的優勢在於：

　　(1)通信速度更快。專家預估，第四代移動通信系統可以達到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以達到100Mbps速度傳輸無線信息，這種速度將相當於目前手機的傳輸速度的1萬倍左右。

　　(2)網路頻譜更寬。據研究估計每個4G通道將占有100MHz的頻譜，相當於W—CDMA3G網路的20倍。

　　(3)通信更加靈活。未來的4G通信將使我們不僅可以隨時隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，當然更可以和陌生人網上聯線對打游戲。也許你將有被網上定位系統永遠鎖定無處遁形的苦惱，但是與其提供的地圖帶來的便利和安全相比，這簡直可以忽略不計。

　　(4)智能性更高。第四代移動通信的智能性更高，不僅表現在4G通信的終端設備的設計和操作具有智能化，更重要的是4G手機可以實現許多難以想象的功能。4G手機可以被看作是一臺手提電視，用來看體育比賽之類的各種現場直播。

　　(5)兼容性能更平滑。未來的第四代移動通信系統應當具備全球漫游，介面開放，能跟多種網路互聯，終端多樣化以及能從第二代平穩過渡等特點。

　　(6)提供各種增值服務。4G通信並不是從3G通信的基礎上經過簡單的升級而演變過來的，它們的核心建設技術從根本上就是不同的，3G移動通信系統主要是以CDMA為核心技術，而4G移動通信系統技術則以正交多任務分頻技術(OFDM)最受矚目，利用這種技術人們可以實現例如無線區域環路(WLL)、數字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務；不過考慮到與3G通信的過渡性，第四代移動通信系統不會在未來僅僅只採用OFDM一種技術，CDMA技術將會在第四代移動通信系統中，與OFDM技術相互配合以便發揮出更大的作用。

　　(7)實現更高質量的多媒體通信。儘管第三代移動通信系統也能實現各種多媒體通信，但未來的4G通信能滿足第三代移動通信尚不能達到的在覆蓋範圍、通信質量、造價上支持的高速數據和高解析度多媒體服務的需要，第四代移動通信系統提供的無線多媒體通信服務將包括語音、數據、影像等大量信息透過寬頻的通道傳送出去，為此未來的第四代移動通信系統也稱為“多媒體移動通信”。

　　(8)頻率使用效率更高。相比第三代移動通信技術來說，第四代移動通信技術在開發研製過程中使用和引入許多功能強大的突破性技術。按照最樂觀的情況估計，4G無線頻率的使用比第二代和第三代系統有效得多，可以讓更多的人使用與以前相同數量的無線頻譜做更多的事情，而且做這些事情的時候速度相當快，下載速率有可能達到5Mbps到10Mbps。

　　(9)通信費用更加便宜。4G通信引人了許多尖端的通信技術，這些技術保證了4G通信能提供一種靈活性非常高的系統操作方式，相對其他技術來說，4C通信部署起來就容易得多；同時在建設4G通信網路系統時，通信營運商們將考慮直接在3C通信網路的基礎設施之上，採用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運行者和用戶的費用。

　　(三)可視電話系統

　　可視電話是利用電話線路實時傳送人的語音和圖像(用戶的半身像、照片物品等)的一種通信方式。如果說普通電話是“順風耳”的話，可視電話就既是“順風耳”，又是“千里眼”了。可視電話設備是由電話機、攝像設備、電視接收顯示設備及控制器組成的。可視電話的話機和普通電話機一樣是用來通話的；攝像設備的功能，是攝取本方用戶的圖像傳送給對方；電視接收顯示設備，其作用是接收對方的圖像信號併在熒屏上顯示對方的圖像。可視電話還可以加入錄像設備，就像錄音電話一樣，把圖像錄製下來，以便保留。

　　可視電話根據圖像顯示的不同，分為靜態圖像可視電話和動態圖像可視電話。靜態圖像可視電話在熒光屏上顯示的圖像是靜止的，圖像信號和話音信號利用現有的模擬電話系統交替傳送，即傳送圖像時不能通話；傳送一幀用戶的半身靜止圖像需5—10秒。一部可視電話設備可以像一部普通電話機一樣接人公用電話崗使用。動態圖像可視電話所顯示的圖像是活動的，用戶可以看到對方笑逐顏開的表情或說話的形象。動態圖像可視電話的圖像信號因包含的信息量大，占用頻帶寬，不能直接在用戶線上傳輸，需要把原有的圖像信號數字化，變為數字圖像信號，而後還必須採用頻帶壓縮技術，對數字圖像信號進行“壓縮”，使它所占的頻帶變窄，這樣才可在用戶線上傳輸。動態圖像可視電話的信號因是數字信號，所以要在數字網中進行傳輸。

　　靜態圖像可視電話現已在公用電話網上使用，而動態圖像可視電話因成本較高尚未大量應用。但是可以預料，隨著微電子技術的發展，大規模、超大規模集成電路的廣泛使用，以及綜合業務數字網的迅速發展，動態圖像可視電話必然會在未來的通信中發揮重要的作用。

　　(四)互聯網電話系統

　　IP網路電話通常被稱做Internet電話或網路電話，它採用壓縮編碼及統計復用等技術，節省了網路的帶寬，降低了通信成本，所以IP網路電話可以為用戶提供更經濟的電話服務，尤其是更為經濟的國際長途電話業務。從廣義上說，它就被稱為Internet電信，因為它還包括語音，傳真，視頻傳輸等多種電信業務。

　　IP網路電話的語音利用基於路由渺分組交換的IP(Internet／Intranet)數據網進行傳輸，由於Internet中是採用“存儲—轉發”的方式傳遞數據包，並不獨占電路，而且對語音信號進行了很大的壓縮處理，因此IP網路電話所占用的帶寬僅為8khps-101daps，再加上分組交換的計費方式與距離的遠近無關，自然大大節省了長途通信費用。

　　Internet是由各種不同的電腦網路組成的，遍佈世界各地，Internet的出現和普及極大地改變了人們的交流和通信方式。Internet使用標準的TCP／IP協議來實現電腦之間的相互通信和數據交換。TCP／IP協議負責將要傳輸的IP數據包分組排隊發送到網路上，每個組均包含地址及數據重組信息，以確保數據安全和數據包交換正確無誤。IP電信通過Intemet作為主要傳輸介質進行語音傳送。語音信號首先通過公用電話網路被傳輸到IPTelephony網關，然後網關再將語音信號轉換壓縮成數字信號傳遞進入Internet，而該數字信號通過遍及全球且成本低廉的網路將信號傳遞到對方所在地的網關，再由這個網關將數字信號還原成模擬信號，輸入當地的公共電話網路，最終將語音信號傳給受話人。本地網關對數據進行特定的壓縮演算法處理，組織成包含主叫號碼、被叫號碼、時間、通話信息等數據的IP包，並分析被叫號碼，根據路由表，把它映射成為一個IP地址，通過路由選擇，發往該IP地址對應的遠端網關。遠端網關接收傳輸過來的IP數據包，併進行解壓縮，再發往其本地端的PSTN網。這樣，就實現了兩地的實時通信。

　　(五)數字程式控制交換機

　　當今電信世界日新月異，電信技術也正在以前所未有的速度突飛猛進，數字交換技術、電子電腦技術和微電子技術的融合，徹底改變了傳統的通信行業。數字程式控制交換機(PABX)是作為通信網路的核心，也在不斷地更新技術、改變自己以跟上新技術和新需求的發展速度。

　　程式控制交換機的出現不是偶然的，是電子技術高度發展的必然結果，是電腦技術與交換技術相結合的產物。程式控制交換技術發展經歷了以下幾個階段：

　　第一階段：20世紀60-70年代初，採用大型電腦進行集中控制的空分模擬式程式控制交換機；

　　第二階段：20世紀70年代中期，採用小型機或微機進行分散的兩級控制的程式控制交換機；

　　第三階段：20世紀80年代初，採用微機進行全分散控制的時分數字程式控制交換機，可進行話音和數據的電路交換；

　　第四階段：20世紀80年代中期，在數字交換機上既能進行電路交換，又能進行分組交換，實現話音和非話音業務等多種業務通信。

　　與上述發展階段相對應，電話交換技術有以下幾種類型：步進位交換機、縱橫制交換機、空分模擬程式控制交換機和時分數字程式控制交換機。

　　目前，數字程式控制交換機正處於飛速發展時期。IP數字程式控制交換機是全數字、時分、A律編碼的交換系統，集話音交換、數字傳輸、電腦通信和微電子技術為一體，具有綜合數據業務網(ISDN)功能的最新一代數字程式控制交換機。

　　組成ISDN程式控制交換技術的發展過程如下：從話路交換網來看，由金屬接點組成的空分交換網向大規模集成電路組成的數字交換網演變；從傳輸信息來看，由連續的模擬信號向時分PCM數字信號變化；從控制方式來看，由集中控制向分級控制和分散控制發展；從控制設備來看，由專用的大型電腦向微型機、微處理器發展，處理速度和處理能力不斷提高；從交換方式來看，由單一的電路交換向電路交換與分組交換結合的交換方式發展，既能進行話音交換又能進行數據交換，以便向綜合業務交換髮展。

　　程式控制交換機系統的控制方式有分級控制和全分散控制。目前，系統多採用多路匯流排控制方式，公共控制採用冗餘配置方式工作，兩套公共設備之間有雙斷隨機存儲單元進行數據交換，保證了當公用設備出現故障時，系統能自動切換，佈置丟失實時數據。

　　隨著網路中數據業務量成為主導後，從傳統的電路交換體系逐步轉向以數據特別是IP為基礎的整個電信新框架將是歷史的必然。當然這種轉變不是一朝一夕就能完成的，可能需要漫長的時間，但其對電信業的影響卻是100年來最重大和最深刻的一次。