基于网络的语音传输系统 毕业设计 精品.docx
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基于网络的语音传输系统
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摘要:
随着Internet的迅速发展,数字通信网络不仅规模越来越大,服务也开始向话音通信等传统业务延伸。
由于Internet技术上的先进性,它可以以更低廉的价格提供话音服务,尤其是长途电话服务。
未来的语音通信必定会统一到Internet来。
本文在讨论了有关的网络技术后,对Internet上实现语音传输的关键问题进行了探讨,讨论基于分组交换技术的语音连续传输问题。
在上述研究的基础上,本文基于TCP/IP网络模型,根据所得结论使用VB作为开发工具,开发出基于TCP/IP网络(主要指局域网)的语音实时交互系统。
该语音传输系统由服务器端和客户端(Client/Sever,C/S)组成,实现全双工语音通信。
实验结果表明,在网络传输时延小,传输质量良好的条件下,该系统进行语音交互时语音清晰,杂声小,语音质量基本令人满意。
通过大量测试比较发现该系统具有一定实用性。
关键词:
语音传输分组交换VBDirectSound。
TheSystemOfVoiceTransportationBasedOnInternet
Abstract:
WiththedevelopmentofInternet,thedatecommunicationsnetwork(DCN)begantoexpanditsservicetotraditionalareaofvoiceservice.DuetotheadvantageofInternettechnology,itcanprovidevoiceservicewithmuchlessprice,especiallyinlongdistancetelephonecall.ThefuturevoiceservicewillsurelybeunitedbyInternet.
Inthispaper,wefirstintroducesomerelatednetworktechnology,thendosomeresearchworkaboutthekeypointsinvoicecommunicationthroughInternet,anddiscussspeechtransmissioninsuccessiononthebasisofPacketSwitchingTechnology.
Aftertheaboveresearchwork,thistreatisebaseonTCP/IPnetworkmodel,usingVBtodevelopinstrumentaccordingtotheconclusion,anddevelopareal-timespeechcommunicationsystemonthebasisofTCP/IPnetwork(meansLANsmainly).Experimentalresultindicate,intheconditionofnetworkdelaysmallandtransmitqualitywell,thissystemgetclearpronunciation,smallnoise,whenbeingusedtocommunication,pronunciationqualitysatisfactorybasically.Throughtestingandrelatively,wefindthatthissystemshouldhavecertainpracticality.
Keyword:
speechtransmissionpacketswitchingVBDirectSound.
第一章概述
1.1引言
随着信息高速公路的发展,人类社会进入了新的技术革命阶段——信息技术革命,它主要涉及到两个方面:
信息的采集、处理、存储和显示;信息的传输、共享和交互。
其支撑是多媒体技术和网络处理技术。
多媒体技术使得计算机处理的信息不再是单一的,而是丰富多彩的,如语音、图像、数据、文字、视频等;网络通信技术的高速发展,使得异地用户能共享各种信息并及时进行实时交互。
这也导致了语音传输应用技术的出现[1]。
1.2网络语音传输研究概况
通过Internet或Intranet等互联网络利用分组交换来传递语音的技术最早出现在1995年2月,人们使用这种技术通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理,然后把这些语音数据按TCP/IP标准打包,经过IP网络把数据包发送到接收地,再把这些语音数据包串起来,经解码解压处理后恢复成原来的语音信号,从而达到由互联网传送语音的目的。
在目前网络传输语音技术主要有IP电话,谈到IP电话,我们不得不谈谈CTI(ComputerTelephonyIntergration)。
CTI技术是一种计算机与电信技术相接合的产物,是在现有的通信交换设备上,综合计算机和电话的功能,提供更先进更完善的通信方法。
它集计算机和通信的优势于一身,将计算机系统良好的用户界面、庞大的数据库、优良的应用软件和通信系统的呼叫控制相结合,能提供基于呼叫的数据选择、计算机拨号、呼叫监视、屏幕管理和语音等功能[1]。
在CTI发展的基础上,近年来出现了IP电话技术。
IP电话是IP网与公用电话网相结合的产物。
最初IP电话是利用Internet来实现远程通话的,只用于实现语音通信。
1995年3月,以色列VocalTec公司率先推出了InternetPhone,他可以利用VocalTec软件、一个声卡、麦克风和Internet连接在PC机上进行实时语音通信。
虽然开始IP电话以CTI的子集出现,但到目前,从技术上看它与CTI已没有太大的区别,并且产品已大规模地应用于市场。
IP电话也称为VoIP(VoiceoverIP,基于IP协议的语音通信),它诞生于CTI(ComputerTelephonyIntergration),是CTI的一个子集,是随着CTI的发展而发展起来的。
它是一种利用TCP/IP协议实现计算机-计算机、电话-电话、计算机-电话之间的语音通信的技术,由于其采用分组交换技术,整个网络的运营成本大大低于传统的基于线路交换技术的公用电话网,因此具有广阔的发展前景。
而H.323作为一种国际标准,为建立技术上统一、可互连互通的IP电话系统提供了很好的基础。
图1-1为IP电话系统的一般结构。
该系统可以完成电话-电话、电话-计算机、计算机-计算机之间的语音通信。
图中的IP电话网关属于H.323网关,它提供与公用电话交换网(PSTN)的接口,并完成话音数据的编码/解码;H.323管理器负责将受话方的电话号码转换为IP地址,并完成认证、计费等工作。
自从IP电话出现至今,它已经经历了4代演变。
第一代IP电话称为Internet电话,是通过PC上的软件来实现的。
通话双方必须用在线PC上相同的软件和语音压缩声卡进行通话。
这是初级阶段的IP电话,它比传统的电话繁琐。
第二代IP电话是通过电话黑盒子实现的,在黑盒子中集成了Modem和IP电话软件的功能,通过这个黑盒子用户可以直接用电话上网通话而不必经过PC。
但是,这种方式在本质上和第一代IP电话没有区别,你仍不能和没有约好的人通话。
前两代IP电话由于自身的局限性,还没能构成对传统电话的威胁。
第三代IP电话是用软件进行通话,它向传统电话发起了挑战。
这也是一种基于IP的通话方式,通过IP电话软件,用户可以通过PC将电话拨到任意一部普通电话机上,这时打IP电话已经没有时间限制,所要求的只是主叫方的PC在线,并且安装了IP电话软件。
这种方式已经能够降低电话费用,但对用户来讲还不够方便。
IP电话发展过程中的一个重大突破是1996年VocalTec公司推出了“网关"服务器。
网关负责将Internet和企业Intranet等数据网络与公用电话网连接起来,这样Internet电话就能通过网关从计算机传送到对方的电话机,也可以在两端都安装网关,实现从一方的电话机向另一方的电话机传送Internet电话,而费用仅为本地的电话费加上很少的服务费,于是就出现了第四代IP电话。
目前,第四代IP电话已经有成熟的产品出现,它和打普通电话一样方便,而费用只有普通电话的几分之一到几十分之一。
第四代IP电话是基于IP网关的真正意义上的IP电话,对用户来讲,它既经济又方便。
1.3本文主要工作
本文对语音传输处理方法做了基本的一些说明和分类,特别介绍了现在网络的基础,现状以及未来的发展趋势。
当今较为重要、流行的协议,语音传输实现过程以及如何处理的方法。
下面的章节将包含以下部分:
第二章描述了现代网络通信网络方面的基本知识,包括通信网的种类,各种网络的优劣,主要的协议以及未来的发展趋势。
第三章叙述了语音的处理方式过程,如何采集,采集完后又是如何实现的具体步骤。
第四章讲述了语音传输的设计方案,主要是C\S模型结构。
第五章说明了语音传输系统的实现与结果。
第六章是结束语同时包含了对这一技术未来的展望。
第二章网络通信
2.1现代通信网络概述
现代通信网络种类繁多,根据使用的交换方式的不同,可将网络分为基于电路交换的网络和基于分组交换的网络。
[2]
电路交换(CircuitSwitching)是两计算机或终端相互通信时,使用的同一条实际物理链路,在通信中自始至终使用该线路传输,且不允许其它计算机或终端同时共享该链路。
电路交换适用于一次接续后传输长报文的通信。
具有实时性强,延迟小的优点,但是也存在线路利用率低的缺点。
目前,其承载的主要是语音业务,如传统的电话通信网。
电话通信网是进行交互型话音通信,开放电话业务的电信网,简称电话网。
它是一种电信业务量最大,服务面积最广的专业网,可兼容其它许多种非话业务网,是电信网的基本形式和基础,包括本地电话网、长途电话网和国际电话网。
电话网主要采用电路交换方式,主要由四部分组成:
发送和接收电话信号的用户终端设备、进行电路交换的交换设备、连接用户终端和交换设备的线路和交换设备之间的链路。
2.1.1基于分组交换的网络
分组交换(PacketSwitching)也叫包交换,它将用户发来的一整份报文分割成若干定长的数据块(即分组),让它们以“存储-转发”的方式在网内传输。
每一个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识,在传送数据分组之前,必须首先进行路由选择建立虚电路,然后依序传送。
它主要有X.25分组交换数据网、帧中继网(FrameRelay)、ATM异步传输模式等。
相对于电话通信网的话音业务,分组交换网主要用来传输数据业务。
1X.25分组交换数据网
1976年,ITUI(国际电讯联盟标准化部门)正式公布了分组交换数据网的重要标准X.25协议。
以X.25为核心的数据通讯网有传输率高、通讯质量好、接续时间短、响应快等特点。
这些特性的产生是由于该网采用了统计复用技术,实现了建立数据通信链路由固定性、永久性连接向交换式任意连接的转换,大大提高了通信线路的利用率。
2帧中继网(FrameRelay)
帧中继不象X.25在低层中实现处理功能,简化了节点的处理过程、缩短处理时间,有效地利用了高速数字传输信息。
智能计算机的发展使用户终端设备可处理更高层的协议,从而简化网络功能。
帧中继是一种快速分组技术,具有简化网络规程、高速(1.544Mbps-45Mbps)、延迟短、吞吐量大等特点,目前己被广泛采用。
3ATM异步传输模式
ATM是一种新兴的网络技术,它与现用的时分交换的信息传输方式不同,它是采用统计复用的快速分组交换技术,特别适用于突发式信息传输业务。
ATM的标准目前还正在进一步完善中。
2.1.2数据通信的交换方式
通常数据通信有三种交换方式:
[3]
(1)电路交换
电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时,使用同一条实际的物理链路,通信中自始至终使用该链路进行信息传输,且不允许其它计算机或终端同时共亨该电路。
(2)报文交换
报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中(内存或外存),当所需输出电路空闲时,再将该报文发往需接收的交换机或终端。
这种存储_转发的方式可以提高中继线和电路的利用率。
(3)分组交换
分组交换是将用户发来的整份报文分割成若于个定长的数据块(称为分组或打包),将这些分组以存储_转发的方式在网内传输。
第一个分组信息都连有接收地址和发送地址的标识。
在分组交换网中,不同用户的分组数据均采用动态复用的技术传送,即网络具有路由选择,同一条路由可以有不同用户的分组在传送,所以线路利用率较高。
2.1.3各种交换方式的适用范围
(1)电路交换方式通常应用于公用电话网、公用电报网及电路交换的公用数据网(CSPDN)等通信网络中。
前两种电路交换方式系传统方式;后一种方式与公用电话网基本相似,但它是用四线或二线方式连接用户,适用于较高速率的数据交换。
正由于它是专用的公用数据网,其接通率、工作速率、用户线距离、线路均衡条件等均优于公用电话网。
其优点是实时性强、延迟很小、交换成本较低;其缺点是线路利用率低。
电路交换适用于一次接续后,长报文的通信。
(2)报文交换方式适用于实现不同速率、不同协议、不同代码终端的终端间或一点对多点的同文为单位进行存储转发的数据通信。
由于这种方式,网络传输时延大,并且占用了大量的内存与外存空间,因而不适用于要求系统安全性高、网络时延较小的数据通信。
(3)分组交换是在存储_转发方式的基础上发展起来的,但它兼有电路交换及报文交换的优点。
它适用于对话式的计算机通信,如数据库检索、图文信息存取、电子邮件传递和计算机间通信等各方面,传输质量高、成本较低,并可在不同速率终端间通信。
其缺点是不适宜于实时性要求高、信息量很大的业务使用。
2.2现代通信网的发展
进入信息社会,人类的活动越来越多地依赖于网络,网络日益成为现代社会的基础结构,网络社会将由包含若干个不同种类的网络逐渐发展为仅包含一个综合性的网络。
这就是网络发展的趋势-综合化。
如果从电路交换和分组交换方式来看信息网的发展,那么它们最终将过渡到ISDN。
如图2-1所示。
图2-1网络的发展
网络的发展不仅要实现交换和传输的综合,也将实现各种信息业务(包括语音业务)的综合。
数字传输和数字交换技术的发展,促使传统的模拟电话网向综合数字网(IntegratedDigitalNetwork)过渡。
在IDN的基础上,80年代初提出了不仅可实现传输和交换的综合,也可实现各种业务信息的综合,即综合业务数字网(ISDN:
IntegratedServiceDigitalNetwork)。
综合业务数字网(ISDN)是通过网络为用户提供包括数据、话音、图象和传真等各类业务的手段。
1984年6月CCITT通过了I系列建议书,提出了ISDN的概念:
ISDN是以电话IDN的概念为基础发展而成的网络。
它可以在同一个网络中支持话音和非话音的多种业务,提供端对端的数字连接,用户可通过有限的一组标准多用途用户/网络接口接入网络。
“综合业务”的关键是指用标准的用户/网络接口实现对业务范围的保证,它既应保证话音信号的传输,又应保证非话音数字信号的传输。
ISDN的定义可以归纳为以下几点:
(1)ISDN是以综合数字网(IDN)为基础发展而成的通信网;
(2)ISDN支持端到端的数字连接;
(3)ISDN支持话音和非话音的各种通信;
(4)ISDN提供标准的用户/网络接口。
ISDN的发展大致可分为以下四个阶段:
第一阶段:
1985~1990年,实现64kbit/s电路交换的ISDN,即由IDN演变形成ISDN。
第二阶段:
1990~1995年,实现用户数字化以及通过数字接口使得用户出入口系统能够和64kbit/s的电路交换网及分组交换网连接。
结构如图2-3所示。
第三阶段:
1995~2000年,提供各种已有的和即将出现的新业务,实现语音、数据及图象等三种业务的融合,形成高速电路交换和高速分组交换的宽带ISDN(B-ISDN)。
第四阶段:
2000年之后,ISDN将是能够提供各种通信业务,具有智能功能的宽带综合业务通信网。
此时的ISDN应具有分组交换功能。
结构如图2-4所示。
图2-4高级ISDN结构
由于网络发展的趋势必然是综合化,话音业务也将由基于传统的电路交换的网络承载逐步向基于分组交换的网络转变,这也使得研究基于分组交换网络的语音传输变得更有意义,这也促使了这种技术的迅速发展。
2.3主要的通信协议
几年前,Internet仅仅是用于文件传输(FTP)、电子邮件(Email)、终端仿真(telnet)和网络新闻,用户数量很少,数据通信基于建立在IP上的两个传输层协议:
传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。
随着用户的不断增加以及多媒体应用的不断发展,现有的Internet协议系统己经逐渐转向多媒体应用的需要。
多媒体应用的需求促成了IP版本6(IPv6)、实时传输协议(RTP)和资源预留协议(RSVP)等协议的产生。
这些底层协议使得一些Internet上的多媒体应用如视频会议、视频点播等成为可能。
下图显示了适应多媒体应用的Internet协议系统。
标准的Internet应用
(SNMP,NFS,FTP)
可靠的组播应用
(SRM)
实时(音/视频)应用
(RTP)
WWW应用
(HTTP,RSTP)
UDP
RSVP
TCP
IPV4/V6
低层(IEEE802,XLAN,ATM)
随着音频、视频压缩技术的发展,低速率的视频音频广播己开始出现。
在Internet上传送实时业务的新技术、新协议也将有着较快的发展和完善。
实时业务的传送有着本身的特点,主要是对传输的时延、抖动和带宽有严格要求,即服务质量要有保证。
根据TCP/IP协议,IP网络并不能提供严格的服务质量保证。
实际上,当初Internet设计只有一种简单的服务质量,即点对点的“besteffort”数据传送。
为了适应实时业务的需求,IETF规定了Internet的综合业务结构(integratedservicearchitecture),其中按照业务的应用要求不同,将业务分为两类:
弹性业务和非弹性业务。
弹性业务,如Ftp,Email等,能够按照网络的当前状态调整自身的服务质量要求。
属于非弹性业务的实时业务不能按照网络的状态调整自身的业务特性,网络必须保证其服务质量,这就需要网络在流量处理、队列管理、拥塞控制等方面建立相应的机制。
目前IETF已经提出了RTP.RTCP,RSVP等协议。
RTP是实时信息传输协议,通过在数据包内采用时间标签、包含序号、编码方式等方法保证实时信息的传送.RSVP在IP协议的基础上实现资源预留,为非弹性业务保留带宽,并设置队列管理办法。
当一个业务需要在一条路径上预定带宽资源时,它向目的地发出一条路径消息,该消息向路径上所有的路由器申请保留资源,同时包含数据流的信息,如平均速率、突发长度等。
2.3.1TCP/IP协议
TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)协议是网络上流行的通信协议,它也是一套工业标准协议。
它具有路由性,其耐用性好,功能高效。
它最初是为维护核战争情况下现场通信联系和数据发送的快速传递而设计的一套WAN协议。
在此之后,该协议的发展从政府部门传到了Internet团体手中。
TCP/IP协议有如下优点:
如今它是一个工业标准协议。
由于TCP/IP不是由某个公司维护或编写的,所以就不存在像其它协议那样的兼容性问题.Internet从总体上考虑是否需要改变某个实现。
当然,这与迅速改变它相比,减慢了新特点和性能的实现速度,但它确实保证了该变动是经过详细考虑的并能利用其它的大多数TCP/IP工具为它提供功能,也保证了在Internet上可以随时获得公开说明书,它详细说明了怎样使用这一套协议和协议是怎样实现的。
它是一组连接不同操作系统的实用程序.人们为TCP/IP开发了许多连通性实用程序,包括文件传送协议(FTP)和终端仿真协议(Telnet)。
由于这些实用程序使用WindowsSocketsAPI,计算机之间的连接并不依赖于其上的操作系统。
例如,Microsoft的FTP客户可通过UNIXFTP服务器来发送文件,而收发双方都不用担心兼容性问题。
这个功能也使得运行Telnet的WindowsNT机可以在运行Telnet服务器的IBM主机上访问和运行命令。
它是一个可伸缩的交叉平台客户/服务器结构。
考虑TCP/IP协议组的应用程序的最初发展情况.厂商都想编写他们自己的客户/服务器应用程序,例如,SQL服务器和简单网络管理协议(SNMP)。
如何编写该应用程序的详细说明也是公开的。
究竟应该包括哪种操作系统?
每个用户都想利用TCP/IP提供的连通性选项,而不因使用的操作系统不同而改变。
因此,人们使用WindowsSocketsAPI,从而使得利用TCP/IP协议的应用程序被写成标准的、统一的界面。
由于使用者各异,所以操作系统也是多种多样,TCP/IP的WindowsSockets的详细说明使得操作系统对应用程序是透明的。
TCP/IP既支持WindowsSockets,也支持其它的WindowsSockets连通性,与TCP/IP组一致。
可访问Internet.TCP/IP实际上是Internet协议,允许访问地球上成千上万个站点的大量信息。
TCP/IF模型有四个层次组成,如图2-5所示:
应用层Application
传输层TCP
网间网层IP
网络接口Lan
图2-5
应用层:
向用户提供一组常用的应用程序。
比如文件传输访问,电子邮件等,用户也可以在传输层之上建立自己的专用的应用程序。
传输层:
提供应用程序间(端到端)的通讯。
其功能包括:
格式化信息流,提供可靠传输,为实现后者,传输层协议规定接收端必须发回确认(acknowledge),并且假如分组丢失,必须重新发送。
传输层还要解决不同应用程序的识别问题,为区别各种应用程序,传输层在每一分组中增加识别信源和信宿应用程序的信息。
另外,传输层每一分组均带校验和,接收机以此校验收到分组的正确性。
网间网层IP:
负责相邻计算机之间的通讯(点到点)。
其功能包括三个方面:
A.处理来自传输层的分组发送请求:
收到请求后,将分组装到IP数据报,填充报头,选择去往信宿机的路径,然后将数据发送到适当的网络接口。
B.处理输入数据报:
首先检验其合法性。
然后进行寻址—假如该数据报己经到达信宿地(本机),则去掉报头,将剩下部分(传输层分组)交给适当的传输协议,假如该数据报尚未到达信宿,则转发该数据报。
C.处理ICMP(InternetControlMessageProtocol)报文,处理路径、流控、拥塞等问题。
网络接口层:
这是TCP/IP的最底层,负责接收IF,数据报并发送出去,或者从网络上接收物理帧,抽出IF数据报,交给IP层。
网络接口有两种类型,第一种是设备驱动程序(如局域网的网络接口),第二重是含自身链路协议的复杂子系统(如X.25中的网络接口)。
其中,传输层的TCP是提供应用程序间(即端到端)的通信。
其功能包括:
格式化信息流;提供可靠传输。
它向应用程序提供面向连接的服务,即每次完整的数据传输都要
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