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摘要
隨著通信技術的進步，利用網絡進行語音通信已經日趨成熟和普及。網絡的語音通信通信成本低廉，又具有較高的通信質量，在很多場景下，已經替代了傳統的語音通信手段。目前，軟件市場上的網絡語音通信的軟件種類繁多，不同的語音通信軟件往往針對不同的應用場景設計，有的針對陌生人之間的通信場景，有的應用于熟人交際圈，有的基于學術討論等。
本文深入分析了現有語音通信軟件的特點，目標是設計一款基于Java的校園語音通信軟件，為學校教師和職工提供適用、穩定的語音通信服務。并針對校園語音通信這一應用場景，專門為校園活動、管理而設計，具有如下特點：
�。�1）滿足教職工日常辦公語音通信的需要。
�。�2）針對校園大型師生活動時的高噪聲環境，本文的語音通信軟件有較強的抗噪聲能力，滿足組織人員之間語音通信的需要。
�。�3）針對校園語音信息發布、校園應急指揮的需求，能夠結合學校廣播系統，提供分區域語音信息發布，分區域喊話的功能。
本論文對本項目的研究背景與意義進行了詳細分析，同時介紹了本軟件所涉及到或直接適用的相關技術及理論，包括Java語言、Android平臺、語音采集和輸出技術、噪聲與回音消除、編碼方式、服務器技術等。繪制了用例圖幫助分析軟件需求，使用用例表描述了系統的需求。從系統架構、語音通信實現方案、編解碼方案、降噪方案、數據庫架構、UI等方面來逐漸形成系統的整體設計。并進一步細化設計，實現系統設計要求。之后，本文總結了項目完成后的優勢和不足，針對不足之處提出了修改方法。同時，通過分析提出了本軟件可改進和發展的方向。
關鍵詞：Java,Android,XMPP、語音通信，噪聲抑制
ABSTRACT
With the progress of technology, network voice communication technology has become more and more mature. The use of voice communication network with low communication cost, high communication quality, in many situations, has replaced the traditional voice communication means. At present, there are many kinds of network voice communication software in the software market. Different voice communication software is often designed for different application scenarios, some for communication scenarios between strangers, some for acquaintance communication circles, some based on academic discussions.
Through the deeply analyses the characteristics of the existing voice communication software, designing a Java-based campus voice communication software to provide free and stable voice communication services for campus users. In view of the application scenario of campus voice communication, it is specially designed for campus activities and management. It has the following characteristics:
�。�1） Satisfy the needs of office voice communication for teachers.
�。�2） In view of the high noise environment of campus teachers, the voice communication software has strong anti-noise ability, which meets the needs of voice communication among the organizers.
�。�3） To meet the needs of campus voice information publishing and emergency command, it can provide the function of voice information publishing and shouting in different regions in combination with the school broadcasting system.
The research background and significance of this project are analyzed in this paper.And the related technologies and theories related to or directly applicable to this software are introduced. Including Java language, Android platform, voice acquisition and output technology, noise and echo cancellation, coding method, server technology, etc.Use case diagrams are drawn to help analyze software requirements, and use case tables are used to describe the requirements of the system. From the system architecture, voice communication implementation scheme, coding and decoding scheme, noise reduction scheme, database architecture, UI and other aspects to gradually form the overall design of the system. After that, summarizes the advantages and disadvantages of the project after completion, and proposes modification methods for the shortcomings. At the same time, the direction of improvement and development of this software is put forward through analysis.
Keywords: Java,Android,XMPP, voice communication,noise reduction
目 錄
第一章 緒 論
本章主要介紹了本課題研究背景，介紹了國內外研究現狀，分析了基于 Java 的校園語音通信軟件的研究價值、研究意義和需要解決的問題。最后介紹了本文 的整體組織結構。
1.1 課題的研究背景與意義
隨著通信技術的不斷進步， 5G 時代即將來臨，4G 等移動通信技術已經十分 成熟，無線移動通信的傳輸速率和傳輸質量都有了很大的提高，音頻、視頻等多 媒體數據的通訊一變得容易實現。高速率和高質量的通信改變了移動互聯網的應 用場景和使用體驗。 Apple 公司的 IOS 和 Google 公司的 Android 操作系統不斷推出新版本，性能 和功能不斷提高和完備。另一方面，以智能手機為代表的智能終端的硬件技術也 不斷進步，性能不斷提升，已經可以充分處理音頻、視頻等復雜的多媒體數據。 智能手機已經成為人們日常生活中的必需品，成為人們連接互聯網，享受各種服 務的主要途徑。
即時通訊這種通訊手段也隨著終端和高速網絡的普及，與人們的生活的關系 已經越來越密切。近年來即時通訊軟件蓬勃發展，QQ、微信等移動即時通訊軟件 日益普及，功能也越來越完備。即時通訊軟件的通訊手段，已經從最基礎的文本 通信，發展到現在可以發送圖片、音頻、視頻等多媒體信息。特別在語音通信方 面，利用高速網絡、智能終端和即時通訊軟件實現的的即時語音通信以其低廉的 通信成本，較高的通信質量，在很多場景下，已經逐漸代替了傳統語音通信手段。
雖然目前市面上的語音即時通信的軟件種類繁多，且不同的語音通信軟件往 往針對不同的應用場景設計，有的針對陌生人之間的通信場景，有的應用于熟人 交際圈，有的基于學術討論等。
本文所設計的基于 Java 的校園語音通信軟件，設計目的是為了滿足校園這一 特殊使用環境的需求。針對校園中的辦公、管理等應用場景而設計。能夠滿足教 職工日常辦公語音通信的需要，能夠應對校園大型師生活動時的高噪聲環境，能 夠實現校園語音廣播發布、校園應急指揮的需求。
1.2 國內外研究現狀
在即時通訊范疇內，國內和國外都有成熟的軟件，這些即時通訊軟件幾乎都能夠支持即時語音通信。在國內有，騰訊公司的微信、QQ,陌陌科技公司的陌陌， 小米公司的米聊等。在國外有 Gtalk、Skype、Kakao Talk 等。這些即時通訊軟件既 非常成功，也支持即時語音通信功能。 QQ:QQ 是騰訊公司開發的一款基于互聯網得即時通信軟件，覆蓋 Windows、 OS X、Android、iOS、Windows Phone 等多種主流平臺，其標志是一只戴著紅色圍 巾的小企鵝。騰訊 QQ 支持文本聊天、語音聊天、視頻聊天、群聊、文件傳輸、 群文件、網絡硬盤、QQ 空間、郵箱等多種功能。 微信：微信是騰訊公司開發的多功能信息、社交媒體和移動支付應用程序。 它于 2011 年首次發布，到 2018 年，它已成為全球最大的獨立移動應用程序之一， 每月活躍用戶超過 10 億（每天活躍用戶 9.02 億）。
微信被福布斯稱為世界上最強 大的應用程序之一，也被稱為中國的"一切應用程序"和"超級應用程序"使用 其廣泛的功能和平臺除了中國，它還是丹最受歡迎的消息應用程序 陌陌：陌陌是一款免費的社交搜索和即時通訊移動應用程序。該應用允許用 戶與附近的朋友和陌生人聊天。MOMO 通過 WiFi、3G 和 4G 為用戶提供免費的即 時通訊服務�？蛻舳塑浖捎糜� Android、iOS、和 Windows Phone.它可以根據手 機定位，通過視頻、文字、語音等向附近的人展示自己，或開放附近直播。 米聊：米聊是小米科技推出出品的一款即時通信移動應用，主要應用于熟人 即時通訊。它支持主流手機操作系統，可以與聯系人進行實時語音通信、文本通 信或收發圖片。
Gtalk:Gtalk 是 Google 公司推出的即時聊天工具，它基于 Jingle 協議開發， 能夠實現點對點的語音通信。同時，Gtalk 集成了 Gmail 功能，可以與 Gmail 上的 好友進行通信。 Skype:Skype 是一款即時通訊軟件，它在提供 PC、電話和移動設備之間提供 語音、視頻通訊服務。同時，Skype 也提供即時通信服務，可以傳輸文本、視頻、 音頻和圖像，或進行視頻電話會議。 Kakao Talk:kakao talk 是一款免費的移動即時通訊應用程序，適用于具有免 費文本和免費通話功能的智能手機，由 kakao 公司運營。它于 2010 年 3 月 18 日發 布，目前在 iOS、Android、Bada OS、BlackBerry、Windows Phone、Nokia Asha、 Windows 和 MacOS 上提供。截至 2017 年 5 月，Kakao talk 擁有 2.2 億注冊用戶和 4900 萬每月活躍用戶。它有 15 種語言可供使用。在韓國，93%的智能手機用戶也 使用該應用程序，在那里它是頭號信息應用程序。
除了軟件市場中的即時語音通訊軟件，一些學者設計和實現了針對特定場景 的即時語音通訊軟件：賴建評的學者為了高校管理中小學在校學生、家長、教師信息，實現家�；ネü芾�，設計了一個基于 Android 的家校通系統。此系統客戶端 采用了 C/S 架構，在 Android 平臺上使用 Java 進行開發，使用了基于 XMPP 協議 的融云平臺實現了基于 XMPP 協議的語音通信[1].郭倩利用 Openfire 作為 XMPP 服務器，并對對 XMPP 協議進行了認真的分析。同時，為了實現實時語音通信， 使用了 RTP/RTCP 協議進行傳輸并保證傳輸質量[2]. 孟賀實現了使用 XMPP 協議 在局域網內的即時通信軟件[3]. 在實現技術的研究方面，XMPP 協議已成為即時通訊軟件最常用的通信協議。 基于 XMPP 協議的通信技術已經日趨成熟和穩定[4],并在實現基本的文本即時通 訊的基礎上，通過 XML 的強擴展能力，已經能夠較好的解決圖片、語音信息在 XMPP 協議框架下的通信問題。
1.3 要解決的問題
本課題所要解決的問題包括四個部分：
1、網絡連接和服務器端的搭建。
2、語音編碼和降噪。
3、聯系人的管理。
4、與原有校園廣播系統的連接。
1.4 本文的主要工作
論文主要工作是在分析了校園語音通信這一場景下需求的基礎上，采用 C/S （客戶端/服務器）的軟件架構，搭建即時通訊服務器，基于面對對象的 Java 編程 語言，在 Android 操作系統上設計實現一個校園語音通信軟件系統。 從功能需求和非功能需求兩個方面，對軟件系統進行需求分析。在功能需求 分析中，以教職工日常辦公、校園活動組織者、廣播播報者三類用戶作為分析對 象，繪制了用例圖，進行了用例描述。在非功能需求分析中，從語音質量、運行 環境等方面進行了分析。 根據需求分析，對軟件系統的主要模塊進行了設計。進行了系統架構設計、 及系統功能設計、語音通信方案設計、編解碼、降噪方案設計、數據庫設計、界 面設計，完成了對軟件所使用的技術實現方案的設計。
在系統的整體架構設計上，根據軟件的需求可知，P2P 通信方式難以滿足軟件 通信的需要，選擇采用一般通訊系統常用的 C/S 架構。 在服務器方面，選擇 XMPP 協議作為軟件的主要通信協議。
在 Windows Server 操作系統上安裝和配置了開源的 Openfire 服務器，作為 XMPP 協議服務器。為了方面數據操作，安裝和配置了 MySQL 數據庫，并將數據庫與 Openfire 服務器成功 連接。使用 Java 語言在 Android 平臺上開發客戶端軟件。在開發中，使用 Android Studio 和 Android SDK 作為基本的集成開發環境，使用 smack 庫作為客戶端的 XMPP 實現庫。通過 Smack 庫完成了用戶登錄、一對一文本通信、群組文本通信 等即時通訊的基本功能�？蛻舳嗽O計可以有不同的登錄形態，可以安裝于嵌入式 安卓平臺，使得使得本軟件系統能夠方便的連接校園廣播，實現語音廣播與播放 控制。在編解碼、降噪方面，首先研究了常用的語音降噪和編碼方法，選擇使用較 為有效的 CELP 算法進行編碼，STSA-MMSE 算法進行降噪、語音增強。選擇了 Speex 庫作為語音降噪和編碼的實現庫，實現了對語音的錄制、降噪、編碼和解碼。 克服了 XMPP 協議不直接支持語音通信的困難，使用數據封裝的辦法，將語 音文件封裝為 XMPP 協議支持的 XML 數據。實現了 Openfire 服務器、XMPP 協 議框架下的語音通信。
1.5 各章節安排
本文共分為六章，每個章節的主要內容如下：
第一章為緒論。對課題研究的背景及意義進行介紹，引出本文主題，分析了 國內外相關研究的現狀和設計基于 Java 的校園語音通信軟件所要解決的問題，簡 述了本文的主要工作，描述了論文的篇章結構。 第二章為本軟件相關技術簡介。簡要介紹了與本系統相關的 Android 系統、 Android 軟件架構、即時通訊模式和協議、語音即時通訊音頻處理技術等。 第三章為基于 Java 的校園語音通信軟件的需求分析。從功能需求和非功能需 求兩個方面進行需求分析。以教職工日常辦公、校園活動組織者、廣播播報者三 類用戶為分析對象進行功能需求分析。從語音質量的需求、運行環境的需求和其 他非功能需求三個方面分析了熊的非功能需求。經過分析，得出用例圖等分析結 果，為基于 Java 的校園語音通信軟件的系統的設計做好準備。 第四章為基于 Java 的校園語音通信軟件系統的設計。根據第三章的需求分析， 首先進行了系統的架構設計，以 XMPP 為主要通信協議，Openfire 為服務器。根 據系統用例分析結果，形成了系統功能設計。接著根據 XMPP 協議的數據結構和 軟系統對語音通信質量的需求，形成了語音通信方案，并選擇用 AudioRecord 實現 錄音，用 Speex 實現降噪和編解碼。然后，根據軟件系統所需的數據結構，分別 設計登錄服務器端和客戶端的數據庫結構。最后，根據功能設計并參考了主流即時通信軟件的界面，進行了軟件主要界面的設計。 第五章為軟件系統的實現與測試，詳細描述了開發環境準備、服務器部署、 登錄模塊、文本通信、錄音、編碼、降噪、校園廣播連接等模塊的實現方法，并 進行了軟件系統的測試。 第六章為總結，總結本人在課題中所作的工作和軟件達到的效果，分析目前 研究尚存在的不足之處和對課題未來發展的期望。
校園語音通信軟件設計的開發歷程：
第二章 軟件相關技術簡介
2.1 Java 語言
2.1.1 Java 語言概述
2.1.2 Java 的移植性
2.1.3 Java 與 Android 系統
2.2 Android 系統概述
2.2.1 Android 系統簡介
2.2.2 Android 系統架構
2.3 即時通信的通訊模式
2.3.1 C/S
2.3.2 P2P
2.3.3 B/S
2.4 即時通信的傳輸協議
2.4.1 IMPP 協議
2.4.2 SIMPLE 協議
2.4.3 XMPP 協議
2.5 語音即時通信的音頻處理技術
2.5.1 常用語音編碼簡介
2.5.2 語音處理簡介
2.6 語音處理算法簡介
2.7 本章小結
第三章 基于 JAVA 的校園語音通信軟件的需求分析
3.1 系統概述
3.2 教職工日常辦公中的需求
3.2.1 功能描述
3.2.2 用例圖
3.2.3 用例描述
3.3 校園活動組織者的需求
3.3.1 功能描述
3.3.2 用例圖
3.3.3 用例描述
3.4 廣播播報者的需求
3.4.1 功能描述
3.4.2 用例圖
3.4.3 用例描述
3.5 系統總體用例圖
3.6 非功能需求
3.6.1 對語音通信質量的需求
3.6.2 運行環境需求
3.6.3 其他非功能需求
3.7 本章小結
第四章 基于 JAVA 的校園語音通信軟件系統的設計
4.1 系統架構
4.2 系統功能設計
4.3 語音通信方案設計
4.3.1 錄音方案設計
4.3.2 編解碼、降噪方案設計
4.4 數據庫設計
4.4.1 服務器端的數據庫設計
4.4.2 客戶端的數據庫設計
4.5 軟件主要界面設計
4.6本章小結
第五章 基于 JAVA 的校園語音通信軟件系統的實現與測試
5.1 系統開發準備
5.1.1 軟件開發環境的準備
5.1.2 服務器的部署與測試
5.2 登錄模塊的實現
5.2.1 登錄界面的創建
5.2.2 登錄功能的實現
5.3 文本通信的實現
5.3.1 顯示通信窗口
5.3.2 文本消息的發送
5.4 錄音、編碼與降噪的實現
5.4.1 錄音
5.4.2 降噪與編碼
5.5 語音通信的實現
5.5.1 文件格式的轉換
5.5.2 語音文件的發送
5.6 與校園廣播連接的實現
5.7 軟件系統的測試
5.7.1 功能測試
5.7.2 非功能測試
5.8 本章小結
第六章全文總結
本章主要對課題的研究意義、軟件系統的設計和實現方法以及本文所完成的工作做了總結�？偨Y了課題的優勢和不足之處，針對不足之處提出了修改方法。分析了本軟件可改進和發展的方向，得出了后續研究的主要方向。
6.1全文總結
本論文主要介紹了基于Java的校園語音通信軟件的設計。本校園語音通信軟件實用C/S的軟件結構。采用XMPP協議作為基本的即時通訊協議，語音通信實用數據打包轉換的方法完成。服務器端采用在WindowServer操作系統上的開源Openfire服務器，數據庫實用MySQL.客戶端基于Android操作系統開發，實用smack作為XMPP協議的實現庫。為了適應噪聲環境下的語音通信實用Speex對錄制的語音進行噪聲抑制等語音增強處理。軟件系統可以安裝于嵌入式Android平臺，從而能夠方便的連接校園廣播系統，實現用客戶端進行校園語音廣播�？傮w上，論文完成了以下工作：
1、闡述了即時語音通訊的常用協議、語音處理的相關技術。
2、分析了基于Java的校園語音通信軟件的功能需求和非功能需求。
3、使用C/S模型建立軟件系統的架構。選擇XMPP協議、開源Openfire服務器與MySQL數據庫構成服務器端�？蛻舳藙t基于Android平臺。
4、完成Openfire服務器的搭建和配置，并成功連接了MySQL數據庫。
5、設計和實現了Android客戶端的界面和功能。在客戶端上完成了用戶登錄、通訊錄、個人管理、一對一語音/文本通信，群組語音/文本通信、單獨廣播、群組廣播等功能模塊。
6、針對校園語音環境的特點，設計和實現了語音通信方案。其中包括語音的降噪、編解碼和在XMPP協議框架下封裝語音。
7、完成客戶端在嵌入式Android設備上的安裝與配置，實現與校園廣播的連接。
本文設計并實現了基于Java的校園語音通信軟件的主要功能需求，但由于個人能力有限，本軟件距離成熟穩定的軟件系統還有一定的差距。目前，本軟件存在的不足之處，主要包括如下幾個方面：
1、軟件的用戶界面不夠人性化和個性化。目前軟件的界面只是借鑒和模仿常見即時通信軟件，沒有根據軟件自身的功能進行人性化和個性化設計。
2、軟件完成了即時語音通信和文本通信，而沒有實現實時語音通信。在某些情況下，類似實時語音通信可以更加便捷的進行溝通。
3、功能不夠豐富，集成度不夠。只能完成以語音通信為主的通信功能和校園廣播，不能繼承校園中需要的其他辦公功能。
4、針對用戶群體比較單一。目前，本軟件只適用于教職工使用，而校園的另一大群體--學生則不適用。
6.2后續工作展望
作為一款針對校園場景的即時通信軟件，該軟件在功能和設計上可以向以下幾個方向擴展
1、在交互和界面設計上進一步借鑒軟件市場上優秀的應用，還可以借助設計方面的專業人員的幫助，進一步改進交互和界面設計，讓軟件的使用更加便捷，界面更有校園特色。
2、本軟件涉及到用戶的隱私和學校信息，軟件系統應當對這些數據給予有效的保護。如對傳輸的數據進行有效的加密處理，對軟件系統的維護工作進行有效的權限管理和監控。在保護數據的同時，也應當在合法合規的基礎上利用數據，輔助學校的管理工作和科研工作。
3、在功能方面，與其他辦公輔助系統連接或繼承更多的校園辦公功能，如通知發布功能、教務管理、學生請假管理等功能。成為集成化程度更高，使用更為方便的辦公平臺。
4、4G移動通信技術已經成熟，5G移動通信的時代已經來臨。隨著移動互聯網的進一步普及，移動互聯網的通信速率和質量的不段提高，即時通信軟件也會隨著技術的進步不斷發展。這些發展的方向將十分多元化，其創新程度將難以在當下想象。如果本文的校園語音通信軟件能成為開放平臺，則可以集眾多開發者的力量，完成更快速豐富的創新。
致 謝
在完成論文的期間，很感謝導師們對我的淳淳教誨。本文的研究工作是在老師 的悉心指導下完成的從論文的選題、研究計劃的制定、技術路線的選擇到系統的 開發研制各個方面都離不開老師熱情耐心的幫助和教導。老師認真的工作態度誠 信寬厚的為人處世態度都給我留下了難以磨滅的印象，也為我今后的工作樹立了 優秀的榜樣。導師不僅為我指點理論知識，還教會了我們勤奮學習誠實做人踏 實做事以寬容之心面對生活。指引著我們沿著正確方向前進。在點滴匯聚中使我 逐漸形成正確、成熟的人生觀、價值觀。衷心感謝我的導師給予我的巨大幫助。
同時感謝我的家人對我學業的支持和幫助，他們是我永遠的支持者，正是在 你們殷切目光的注視下我才一步步的完成了求學生涯。沒有你們就不會有今天的 我。感謝你們讓我擁有一個如此溫馨的家庭，讓我所做的一切都可以在你們這里 得到理解與支持得到諒解和分擔。你們的支持和鼓勵是我前進的動力。
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