CN101741409A - 双向通信设备 - Google Patents

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CN101741409A CN200810043914A CN200810043914A CN101741409A CN 101741409 A CN101741409 A CN 101741409A CN 200810043914 A CN200810043914 A CN 200810043914A CN 200810043914 A CN200810043914 A CN 200810043914A CN 101741409 A CN101741409 A CN 101741409A
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张鹏飞
俞曹刚
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Abstract

本发明公开了一种在双向通信设备中的半双工器。该装置在几乎相同的周期内估计第一输入信号和第二输入信号的功率和背景噪音。该装置进一步根据一个或多个判断结果提供至少一个控制信号。这些判断可以包括是否第一输入信号和第二输入信号中至少一个所估计的信号功率超过一阈值，是否第一输入信号所估计的信号功率超过第一阈值和所述第一输入信号所估计背景噪音的总和，和是否第二输入信号所估计的信号功率超过第二阈值和所述第二输入信号所估计背景噪音的总和。

Description

双向通信设备
技术领域
本发明涉及一种双向通信设备，特别涉及包含半双工扬声器的双向通信设备。
背景技术
扬声器能允许电话，包括移动电话和传统的有线或无线电话电话进行免提使用。一般扬声器利用话筒来发射声音，包括所接收到的来自电话另一端的拨号音或声音。扬声器还利用麦克风探测使用者的声音或其他扬声器附近的声音，使这些声音就可以被传输。
由于扬声器的话筒通常位于麦克风的附近，这就使当麦克风接收和传送来自话筒的声音时，可能会发生反馈(例如，回声，振动等)。因此，扬声器通常执行全双工通信制或半双工通信制以防止反馈。具有全双工通信制的扬声器，允许用户在说话的同时听呼叫者说话。为了防止反馈，此类全双工系统通常从麦克风拾音器中过滤出话筒信号。相比之下，半双工扬声器通常通过给其中一个扬声器或麦克风特定的时间来防止反馈。其他除了扩音器之外的双向通信设备，如对讲机及其他无线通信设备，也往往执行半双工通信制。
执行半双工通信制的扬声器，一般包括半双工器成分，其用于决定是否发送或接收声音。通常情况下，该成分能够确定电话线中是否存在拨号音，能确定电话另一端的呼叫者是否在说话或发出其他声音，以及使用者的扬声器是否在说话或发出别的声音进麦克风。另外，半双工组成应该通常能够基于这些判断控制传输给扬声器和/或电话另一端的信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双向通信设备，其能避免收发整个接受发送回路的增益过高，而引起的系统震荡，导致啸叫。
为解决上述技术问题，本发明的双向通信设备，包括半双工器，半双工器包含接收衰减器，用于通过缩放从第一输入中接收到的第一输入信号来提供第一输出信号；发射衰减器，用于通过缩放从第二输入中接收到的第二输入信号来提供第二输出信号；数字逻辑模块，用于提供第一控制信号给所述接收衰减器来控制所述接收衰减器缩放所述第一输入信号的方式，和用于提供第二控制信号给所述发射衰减器来控制所述发射衰减器缩放所述第一输入信号的方式；以及校准模块，用于在输出间接上发出一测试信号，来测量在反应所述测试信号而在输入连接接收到回波信号，并基于所述测量到的回波信号调整阈值。
本发明的双向通信设备，解决了整个接受发送回路增益过高而导致震荡的问题，从而使系统在高增益情况下能正常工作。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为阐明典型的扬声器往来通信流程的框图；
图2为通过扬声器中半双工的信号流程的框图；
图3为根据本发明的半双工框图；
图4为适用于图3中半双工的接收模块的框图；
图5为适用于图3中半双工的接收模块中的接收衰减器的示意图；
图6为适用于图3中半双工的传送模块的框图；
图7为用于设置图3中半双工运行模式的处理流程图；
图8为适用于图3中半双工中，可由数字逻辑模块执行的详细计算和状态转换的处理流程图。
具体实施方式
图1为阐明典型的扬声器105通信来去的流程框图。扬声器105允许使用者110和使用另一电话115或相类似双向通讯设备的远处呼叫者120进行双向通信。在打电话给远处的呼叫者时，扬声器105可以通过输入连接130接收输入信号Rx_in和通过输出连接140传送输出信号Tx_out。典型地，输入信号Rx_in具体为讲话声或其他由远处呼叫者120发出的声音，和/或信号包括来自例如为PSTN电话网等中间设备的拨号音。输出信号Tx_out一般包括讲话声或其他由扬声器105的使用者110发出的声音，和/或其他由扬声器105发出的信号，例如双音多频信号。在具体实施中，输入连接130和输出连接140可以是同一个连接，例如单根传统的有线电话线或对蜂窝塔的无线连接。在其他实施例中，输入连接130和输出连接140可以是截然不同的。扬声器105也可以与电话或其他使用其他协议和其他类型输入/输出连接的双向通讯设备通话。例如，有些扬声器可以利用互联网电话技术VoIP和利用网络连接进行通讯而不是电话线，或局域通信系统进行通讯。
图2为根据本发明的扬声器205中通过半双工器245的信号流程框图。半双工器245从麦克风255接收电子信号Tx_in，该电子信号包括讲话声或其他存在于麦克风邻近的声音265，包括发自扬声器205的使用者210的讲话声。半双工器245也接收来自输入连接230的信号Rx_in。根据对这两种输入信号的分析，半双工器245发射输出信号Tx_out给输出连接240和输出信号Rx_out给话筒250。
虽然图2举例说明了本发明适合应用的环境，不同的修改方案，例如包括附加的设备，合并和/或上除不同设备，将功能从一个设备转移到另一设备，都没有背离本发明。举例来说，在一些实施例中，输出信号Tx_out和Rx_out可能在被分别发射到输出连接240和话筒250之前进行进一步的处理。例如，在将输出信号Tx_out发射到输出连接240之前，可以和由扬声器205产生的其他信号(如DTMF信号)相结合。
图3为根据本发明的一个方面的半双工器245的框图。半双工器245可以作为图2中半双工器的实例使用。如图3所示，半双工器245包括接收模块305、发射模块310和数字逻辑模块315。根据对输入信号Tx_in(t)和Rx_in(t)的分析，半双工器衰减其中一个或两个信号，产生输出信号。通过这种方式，半双工器245可以减少反馈。信号Tx_in(t)、Rx_in(t)、Tx_out(t)和Rx_out(t)通常为模拟信号。但是，在一些实施例中，这些信号中的一个或多个也可以是数字信号。
接收模块305接收两个信号：输入信号Rx_in(t)和控制信号RxS[n]。接收模块305将输入信号Rx_in(t)数字化为数字信号以利于通过数字逻辑模块315进行后续分析。接收模块305也衰减或放大Rx_in(t)信号以产生输出信号Rx_out(t)。半双工器245的运行模式控制着接收模块305是作为衰减器运行还是作为放大器运行。
发射模块310接收两个信号：来自麦克风255的信号Tx_in(t)和控制信号TxS[n]。发射模块310将信号Tx_in(t)数字化为数字信号以利于通过数字逻辑模块315进行后续分析。发射模块也衰减或放大信号Tx_in(t)以产生输出信号Rx_out(t)。半双工器245的运行模式控制着发射模块310是作为衰减器运行还是作为放大器运行。
数字逻辑模块315设置半双工器245的运行模式，它通过分析数字化后的信号Rx_in[n]和Tx_in[n]来决定扬声器使用者210是否在说话，远处呼叫者是否在说话和/或拨号音是否存在。依赖该次判断的结果，数字逻辑模块315通过调制两个控制信号RxS[n]和TxS[n]来调整扬声器205的运行方式。在一些具体实施中，数字逻辑模块可以像执行在数字信息处理器中的数字信息处理器编码。
图4为接收模块305的框图，该接收模块适合于用在图3中半双工器245中。模数转换器405接收模拟信号Rx_in(t)，并产生数字信号Rx_in[n]。很多类型的模数转换器都可用作模数转换器405，包括逐次逼近模数转换器，差分编码模数转换器，流水线模数转换器和积分差分模数转换器。接收衰减器410接收模拟信号Rx_in(t)和控制信号RxS[n]，并生成输出信号Rx_out(t)。对照图5对接收衰减器410作进一步详细的介绍。
图5是接收模块305上接收衰减器410的示意图，其可适用于半双工器245中。如图所示，衰减器410可作为一个反馈放大器或任何其他类型的负反馈运算放大器电路，其可提供Rx_in(t)信号的可变扩大。这种的反馈放大器可能包含运算放大器412，固定的电阻元件R1，和可变电阻R2，如数字电位器。在具体实施中，对反馈放大器的增益控制范围为在2dB步长内约-46dB至6dB。通过由数字逻辑模块315发出的控制信号RxS[n]提供的控制字码来调节该增益。例如，控制字码可以是5位控制字码，当然任何合适的长度都可使用。其他类型的衰减器也可用做接收衰减器410，包括运算放大器、功率放大器、R放大器和差分放大器。
图6是发射模块310的框图，该发射模块适用于半双工器245中。如图，模数转换器605接收输入信号Tx_in(t)并生成输出信号Tx_in[n]。很多类型的模数转换器都可适用于作为模数转换器605，包括上述图4中描述的类型。在具体实施中，输入信号Tx_in可能是数字信号，那么模数转换器605就可以省略。发射衰减器610通常作为数字乘法器实现。在具体实施中，数字乘法器有着范围为0至3.996的缩放比率，每步步长为0.0004。由数字逻辑模块315发出的控制信号TxS[n]提供的数字控制字码“Ka”，通常为20位的控制字码，用以调制缩放比率。其他合适的衰减器也可用作发射衰减器610，例如运算放大器、功率放大器、R放大器和差分放大器。
回过头看图3，通过由控制信号RxS[n]和TxS[n]提供的控制字码分别调整接收衰减器410的增益和发射衰减器610的缩放比率，数字逻辑模块315控制半双工器245的运行模式。数字逻辑模块315将半双工器245设置成三种可能的模式中的任一种。首先，半双工器245可以运行在空闲模式下，在空闲模式中数字逻辑模块315提供的控制字码使接收衰减器410和发射衰减器610分别运行在最低增益和最小缩放比率下。其次，半双工器245可以运行在接收模式下，在接收模式中数字逻辑模块315提供的控制字码使发射衰减器610运行在最小缩放比率下而接收衰减器410运行在最高增益下。再次，半双工器245可以运行在发射模式下，在发射模式中数字逻辑模块315提供的控制字码使接收衰减器410运行在最低增益下而发射衰减器610运行在最大缩放比率下。
举个例子，在周期Ttr1中半双工器245从空闲模式转换到接收模式中，数字逻辑模块315通过控制信号RxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐增加接收衰减器410的增益至最大增益值。当半双工器245从发射模式转换到接收模式时，数字逻辑模块315也在近似的周期中通过控制信号提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐减小发射衰减器610的缩放因子至最小缩放因子值。
另一个例子，当从空闲模式转换到发射模式时，数字逻辑模块315在Ttr2的周期内通过控制信号TxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐增大发射衰减器610的缩放因子至最大缩放因子值。当从接收模式转换到发射模式时，数字逻辑模块315在大约相同的周期内通过控制信号RxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐减小接收衰减器410的增益至最小增益值。
又一例子，当从发射模式转换到空闲模式时，数字逻辑模块315在Ttr3的周期内通过控制信号RxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐降低接收衰减器410的增益至最小增益值。当从发射模式转换到空闲模式时，数字逻辑模块315在大约相同的周期内通过控制信号RxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐通过控制信号TxS[n]提供一连串控制字码，该串控制字码相应地逐渐减小发射衰减器610的缩放因子至最小缩放因子值。
在具体实施例中，周期Ttr1、Ttr2和Ttr3可选为同一数值，可编辑的数值，并有一个定义数值26ms，有着最大可控范围到30ms和最小分辨率260μs。在别的实施例中，这些周期可以是不相同的，固定值和/或可以有着不同的定义数值和可编辑的范围。
图7是处理流程700的示意图，该流程可适用于设置图3中半双工器245的运行模式。在处理流程700的一开始，在步骤705中数字逻辑模块315计算输入信号Tx_in的噪音和功率，而后在步骤710中计算输入信号Rx_in的噪音和功率。
接下来，在判断步骤715，使用这些噪音和功率的计算值，数字逻辑模块315界定是否在输入信号Rx_in中探测到响铃声。如果响铃声被探测到，在步骤720中数字逻辑模块315将半双工器245切换到接收模式，或者半双工器245已经在接收模式下，系统将维持在这个模式下。
如果没有在输入信号Rx_in中没有探测到响铃声，数字逻辑模块315在判决步骤725中判定在输入信号Tx_in中是否探测到讲话声或其他声音。如果在输入信号Tx_in中探测到讲话声或其他声音，在步骤730中将半双工器245切换到发射模式，或者半双工器245已经在发射模式下，系统将维持在这个模式下。
如果在输入信号Tx_in中没有探测到讲话声或其他声音，数字逻辑模块315在判决步骤735中判定在输入信号Rx_in中是否探测到讲话声或其他声音。如果在输入信号Rx_in中探测到讲话声，在步骤720中数字逻辑模块315将半双工器245切换到接收模式，或者半双工器245已经在接收模式下，系统将维持在这个模式下。
另外，数字逻辑模块315在步骤740中将半双工器245转换到空闲模式，或者如果半双工器245已经在空闲模式中，将维持在该模式。
图8是详细的计算和状态机制转变的处理流程800的示意图，该流程由数字逻辑模块315为了执行流程700而进行的。为了实现处理流程800的步骤，数字逻辑模块315可利用可编程的变量和计算出的变量。可编程的变量可以通过微处理器来设置，并存储在挥发性或非挥发性随机存取存储器中。在一些实施例中，可编程变量可以通过用户的修改变化或可以为固定值。
表1为图8中提到的可编程变量和对这些可编程变量提供代表值。一些实施例也可以包括串行外围接口以允许使用者来设置或调整这些参数。
在一写实施例中，阈值TxVspA可通过校准模块进行进一步校准。校准模块可调整该阈值来补偿回声或其他由于共享同一条输入线而可能被扬声器接收到的反馈。例如，校准模块可以调整阈值TxVspA来修正由ADSL调制解调器引起的回声或其他类似的合并到同一条电话线中与扬声器一样的设备。如此，当扬声器不被用来打电话时，校准模块可以发送约1(kHz)的测试信号在输出连接上，且测量随后在输入连接上接收到的任一个回声信号的强度。依据所接收到的回声，校准模块可以调整TxVspA变量。在其他实施例中，也可使用其他与1kHz不同的合适频率
表1：数字逻辑模块315的可编辑变量
  变量   含义   典型值
  Vd   拨号音的检测阈值   25mV
  N   在一个周期内收集的取样总数   额定值为2000，最大可控范围至8000，有着最小分辨率为74
  Nx   在一个周期内被用于计算信号功率的取样数量   1024
  Nn   在一个周期内被用于计算背景噪音的取样数量   1024
  RxVsp   对Rx中讲话声或声音的探测阈值   5mV
  TxVsp   在没有探测到信号Rx中的讲话声或声音时，对信号Tx中讲话声或声音的探测阈值   2.5mV
  TxVspA   在探测到信号Rx中的讲话声或声音时(例如在空话条件下)，对信号Tx中讲话声或声音的探测阈值   7.5mV或者部分根据回波系数计算
  Th   接收或发射模式的持续时间   额定值为3ms。可编程最大值为30ms，最小分辨率260μs。
  Ti   空闲模式持续时间   额定值为3ms。可编程最大值为30ms，最小分辨率260μs。
表2为图8中提到的所计算出的变量，包括对每个变量所作的计算。
表2：数字逻辑模块315所计算的变量
  变量  含义   计算
  Vx_tx_in  信号Tx_in的功率大小   信号Tx_in取样Nx最大功率的平均值
  Vn_tx_in  信号Tx_in的背景噪音大小   信号Tx_in取样Nn最小功率的平均值
  Vx_rx_in  信号Rx_in的功率大小   信号Rx_in取样Nx最大功率的平均值
  Vn_rx_in  信号Rx_in的背景噪音大小   信号Rx_in取样Nx最小功率的平均值
如步骤805所示，数字逻辑模块315在空闲模式下初始化半双工器245。在步骤810，数字逻辑模块315在持续时间To＝N/fs(其中fs为半双工器245的取样频率)期间计算背景噪音Vn_tx_in和Vx_tx_in。如表2中所示，这些所计算数值可能分别相应于信号Tx_in的背景噪音和信号功率。在步骤815中，数字逻辑模块315在完全相同的期间中计算Vn_rx_in和Vx_rx_in功率大小。上述表2中显示这些所计算的数值可能分别相应于信号Rx_in的背景噪音和信号功率。
在判决步骤820，使用这些结果，数字逻辑模块315基于Vx_rx_in＞Vd判断在信号Rx_in中是否存在拨号音，其中Vd为可编程的阈值变量。如果探测到拨号音，在步骤840中数字逻辑模块315维持半双工器245在接收模式下Th秒。如果没有探测到拨号音，数字逻辑模块315进入判决步骤825，通过评估逻辑状态Vx_rx_in＞Vn_rx_in+RxVsp判断在信号Rx_in中是否非噪音信号，其中RxVsp为信号Rx_in中讲话声或声音探测阈值。
如果在信号Rx_in中探测到讲话声或声音，然后数字逻辑模块315在判决步骤835通过逻辑状态Vx_tx_in＞Vn_tx_in+TxVspA的评估判断在信号Tx_in中的讲话声或声音是否超过空话阈值，其中TxVspA为可编程的空话阈值变量。在信号Rx_in和Tx_in中都探测到讲话声或声音的情况下，执行步骤845：数字逻辑模块315将半双工器245的转换到发射模式下Th秒。否则，执行步骤840：数字逻辑模块315将半双工器245的转换到接收模式下Th秒。
如果在信号Rx_in中没有探测到讲话声和声音，进入判断步骤830，数字逻辑模块315通过评估逻辑状态Vx_tx_in＞Vn_tx_in+TxVsp判断在信号Tx_in中的讲话声或声音是否超过另一个不同的阈值，其中TxVsp为当在信号Rx_in中没有探测到讲话声或声音的情况下使用的可编程阈值变量。在仅在信号Tx_in中探测到讲话声或声音的情况下，进入步骤845：数字逻辑模块315将半双工器245的转换到发射模式下Th秒。
另外，在信号Rx_in和Tx_in中都没有探测到讲话声或声音的情况下，进入步骤850：数字逻辑模块315将半双工器245的转换到空闲模式下Ti秒。在扬声器205运行期间，处理流程800可以不确定地或在有限的期限内开始与步骤810重复。
处理流程700和800可以由软件、硬件或软件和硬件结合来实现。同样地，在图7和图8的流程中举例说明的运行方式可以表现为计算机执行指令，即什么时候执行、设置半双工器245的运行模式。例如，在一些实施例中，这些处理流程中的一个或两个，或者类似处理流程可以在DSP中以DSP编码被执行。为了清楚说明，处理流程700和800先前作为通过图2中半双工器245中的特别组成来履行。然而，处理流程700和800也可以通过其他组成或其他系统来执行，不论这些组成或系统是否在这里作过描述。
本领域的技术人员可以将显示在图7和图8中流程变化出多种方式。例如，可以重排步骤的次序，子步骤可以用平行的方式完成，其中的步骤可以省略或者包括别的步骤等。例如，在步骤825、830和835中可以同时作两个以上的判断，和/或部分使用一个以上异或门XOR来实现。
在本领域中实现所述计算和逻辑评估的多种方式是已知的。在一具体实施中，数字逻辑模块315可以用CMOS逻辑块、特定用途集成电路、域可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑设备或分离逻辑来实现。

Claims (10)

1.一种双向通信设备，其特征在于：包括半双工器，所述半双工器包含接收衰减器，用于通过缩放从第一输入中接收到的第一输入信号来提供第一输出信号；发射衰减器，用于通过缩放从第二输入中接收到的第二输入信号来提供第二输出信号；数字逻辑模块，用于提供第一控制信号给所述接收衰减器来控制所述接收衰减器缩放所述第一输入信号的方式，和用于提供第二控制信号给所述发射衰减器来控制所述发射衰减器缩放所述第一输入信号的方式；以及校准模块，用于在输出间接上发出一测试信号，来测量在反应所述测试信号而在输入连接接收到回波信号，并基于所述测量到的回波信号调整阈值。
2.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于：所述接收衰减器包含一个负反馈运放电路。
3.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于：所述发射衰减器包含一数字乘法器。
4.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于：所述数字逻辑模块与在数字信号处理器上执行的数字信号处理器代码一样来实现。
5.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于：所述半双工器进一步包括：
第一模数转换器，用于将所述第一输入信号转换为第一数字输入信号；第二模数转换器，用于将所述第二输入信号转换为第二数字输入信号；所述数字逻辑模块还用于接收所述第一数字输入信号和所述第二数字输入信号，并使用所述第一数字输入信号和所述第二数字输入信号在估计一周期内所述第一输入信号和所述第二输入信号的噪音和信号功率。
6.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于：所述数字逻辑模块还用于估计一周期内所述第一输入信号和所述第二输入信号的噪音和信号功率。
7.按照权利要求6所述的双向通信设备，其特征在于：所述数字逻辑模块进一步用于通过平均所述第一输入信号的第一组Nn取样来估计一个周期内所述第一输入信号的噪音，其中Nn为整数，并且第一组Nn取样包括在一个周期中所述第一输入信号中有着最低值的取样；
用于通过平均所述第一输入信号中第一组Nx取样来估计一个周期内所述第一输入信号的信号功率，其中Nx是整数，并且第一组Nx取样包括一周期内所述第一输入信号中有着最高值的取样；
用于通过平均所述第二输入信号的第二组Nn取样来估计一个周期内所述第二输入信号的噪音，其中所述第二组Nn取样包括在一个周期中所述第二输入信号中有着最低值的取样；
用于通过平均所述第二一输入信号中第二组Nx取样来估计一个周期内所述第二输入信号的信号功率，其中所述第二组Nx取样包括一个周期内所述第二输入信号中有着最高值的取样。
8.按照权利要求1所述的双向通信设备，其特征在于，所述数字逻辑模块进一步：
用于估计所述第一输入信号和所述第二输入信号中的噪音和信号功率；至少基于下述的判断来调节所述第一控制信号和所述第二控制信号，所估计的所述第一输入信号功率是否超过所估计的所述第一输入信号的噪音加上所述第一阈值的数值，以及所估计的所述第二输入信号功率是否超过所估计的所述第二输入信号的噪音加上所述第二阈值的数值。
9.按照权利要求8所述的双向通信设备，其特征在于：进一步包括异或门，用于调节所述第一控制信号和所述第二控制信号。
10.按照权利要求8所述的双向通信设备，其特征在于：进一步包括串行外部接口，用于能编程所述第一阈值和所述第二阈值。
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