CN106301403A - 无线设备及无线设备中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线设备和该无线设备中的方法，公开了发射器和接收器及其中的方法。本发明的发射器包括模数转换器、音频信号压缩器、成帧器、扰码器、调制器以及发送单元。模数转换器将模拟音频信号转化为脉冲编码调制格式音频信号。音频信号压缩器采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将脉冲编码调制格式音频信号压缩为编码位流。成帧器通过在编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将编码位流打包为1.125ms帧数据。通过标识号对帧数据进行扰码处理。采用预定调制方案对扰码的帧数据进行调制以生成调制信号。发送单元发射调制信号。本发明的无线设备可以实现极低延迟的高保真音频无线传送。

Description

无线设备及无线设备中的方法
技术领域
本发明涉及无线设备和该无线设备中的方法，更具体地但不限于涉及一种实现超低延时数字音频传输的无线设备。
背景技术
市场上常见的传统产品使用通用的2.4GHz高斯频移键控(GFSK)收发器来传输压缩的音频数据。然而，这些传统产品占用带宽宽，并不适合多用户应用程序。此外，传统产品的延时为几十毫秒，并不适合采用无线音响的视频显示，例如卡拉OK应用中的无线话筒。因此，市面大部分的无线麦克风要么是模拟方式失真较大，要么是2.4GHz数字方式延迟很大。
发明内容
本发明公开一种无线设备及无线设备中的方法，可实现极低延迟的高保真音频无线传送。
在本发明的一实施例中，发射器包括模数转换器、音频信号压缩器、成帧器、扰码器、调制器以及发送单元。模数转换器将模拟音频信号转化为数字脉冲编码调制(PCM)格式的音频信号。音频信号压缩器采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法将脉冲编码调制格式的音频信号压缩为编码位流。成帧器通过在编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将编码位流打包为1.125ms的帧数据。扰码器对具有标识号的帧数据进行扰码处理。该标识号为发射器的标识符。不同的发射器具有唯一的标识号。调制器通过采用预定调制方案对扰码后的帧数据进行调制，以生成调制信号。发送单元发送调制信号。
在本发明的另一实施例中，接收器包括接收单元、解调器、解扰器、解帧器、音频信号解压缩器、数模转换器。接收单元接收信号。解调制器通过采用预定解调方案对信号进行解调制，以生成解调信号。解扰器采用标识号对解调信号进行解扰码处理。解帧器通过从解扰码的信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将解扰码后的信号解包为编码位流。音频信号解压缩器采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法将编码位流解压缩为脉冲编码调制格式音频信号。数模转换器将脉冲编码调制(PCM)格式的音频信号转化为模拟音频信号。
在本发明的另一实施例中，一种发射器中的方法，包括以下步骤：
转化模拟音频信号为脉冲编码调制格式的音频信号；
采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将脉冲编码调制格式的音频信号压缩为编码位流；
通过在编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将编码位流打包为1.125ms的帧数据；
采用标识号对帧数据进行扰码处理；
通过采用预定调制方案对扰码后的帧数据进行调制，以生成调制信号；以及
发送调制信号。
在本发明的另一实施例中，一种接收器中的方法，包括以下步骤：
接收信号；
通过采用预定解调方案对所述信号进行解调制，以生成解调信号；
采用标识号对解调信号进行解扰码处理；
通过从解扰码的信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将解扰码后的信号解包为编码位流；
采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将编码位流解压缩为脉冲编码调制格式的音频信号；
将脉冲编码调制格式的音频信号转化为模拟音频信号。
本发明实施例与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
可实现超低延迟的数字音频无线传送，并且通讯距离远，成本低。
附图说明
本发明的非限制性和非详尽的各实施方式将参照下列附图进行说明，其中类似附图标记除详细说明外在各种视图中指示类似部件。
图1示出了一种发射器的实施例的框图；
图2示出了一种接收器的实施例的框图；
图3示出了一种帧结构的实施例的示意图；
图4示出了一种帧处理的实施例的示意图；
图5示出了一种传输方法的实施例的流程示意图；
图6示出了一种接收方法的实施例的流程示意图。
具体实施方式
现将对本发明的各方面和实例进行描述。以下的描述为了全面理解和说明这些实例而提供了特定的细节。但是，本领域的技术人员可以理解，即使没有这些细节，也可以实施本发明。此外，一些公知的结构或功能可能没有被示出或详细说明，以避免不必要的模糊相关说明。
图1示出了一种发射器的实施例的框图。
该发射器100包括模数转换器(ADC)110、音频信号压缩器120、成帧器130、扰码器140、调制器150以及发送单元160。
模数转换器(ADC)110被配置为将模拟音频信号转化为数字脉冲编码调制(PCM)格式的音频信号。在一实施例中，数字PCM格式的音频信号的采样频率变化范围为28kHz到48kHz。数字PCM格式音频信号的有效位数(ENOB)大于16位。
音频信号压缩器120可以通过一个音频编码器来实现，并被配置为采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法，将PCM格式音频信号压缩为编码位流。在一实施例中，编码位流具有336千比特每秒(kbps)的比特率。
成帧器130被配置为通过在编码位流中添加前导码、同步字、信令(S)、数据域(数据)、以及循环冗余校验(CRC)字段，将编码位流打包为1.125ms的帧。成帧器130可以通过扰码和留空处理打包编码位流。将对应扰码器140对扰码程序进行更详细的描述。
扰码器140被配置为对包含音频数据的数据包或还被称为具有标识(ID)号的编码位流进行扰码处理。在另一实施例中，扰码器104还被配置为通过在数据包和ID号的多个拷贝上以逐位的方式执行异或(XOR)操作，将包含编码位流、数据域以及信令字段的数据包和ID号的多个拷贝对齐。ID号可以是随机数，从而使多个ID号的重复呈现随机序列。
现参考图4，图4示出了一种帧处理的实施例的示意图。在框410中，基于数据包计算循环冗余校验码CRC，该数据包包括378个比特(或189个符号)的编码位流、2个比特(或1个符号)的信令字段以及8个比特(或4个符号)的数据域。该编码位流在图4中表示为音频。注意，前导码和同步字并不是为CRC计算的，因为他们被用于物理层传输，并不携带数据有效荷载。进一步地，不同的发射器共享相同的前导码和同步字。接着，在框图420中，计算完CRC后，将CRC添加给编码位流的最低有效位(LSB)。接着，在框图430中，通过在数据包和ID号的多个拷贝上以逐位的方式执行XOR操作，将包含音频数据、数据域和信令字段的数据包与ID号的多个拷贝对齐。假定ID号的长度为32位。为了将ID号和数据包对齐，ID号的完整副本需要被拷贝12次，而ID号最高的4位，即ID号的第31位至28位被添加到该ID号的12个拷贝的末尾。因此，ID号的12个拷贝和最高的4位总共388位，与388位数据包的长度相等，该数据包包括378位编码位流、2位信令字段和8位数据域。本领域技术人员应当理解，ID号的长度可以改变，因此ID号的拷贝数目可以相应地改变，以满足条件：ID号拷贝长度和数目的乘积始终与包含音频数据的数据包的长度相等。接着，在框440中，XOR的结果被留空以便随机化数据，从而减轻或避免串扰，其中，XOR的结果被表示为具有388位的X。留空处理使信号的频谱更均匀，更容易满足美国联邦通信委员会的安全需求。在框450中，留空后最终的结果表示为Y，其也包括388个比特。值得注意的是，框410计算的CRC结果在框420至框450的过程中保持不变。
调制器150被配置为采用预定调制方案对扰码后的帧数据进行调制。例如，调制器150可以采用具有204.8kHz的符号率的aπ/4-DPSK(差分相移键控)或QPSK(正交相移键控)的调制方案，对被扰码的信号进行调制。发送单元160被配置为发送调制信号。发送单元160可以包括射频(RF)发射器。
图3示出了一种帧结构的实施例的示意图。如图3所示，数据包包括前导码、同步字、数据域、音频信号有效荷载、CRC字段。该***采用具有1.125ms时隙持续时间的帧结构。符号率为204.8千符号每秒(ksps)，每个符号具有2个比特，其可以通过π/4DPSK调制进行传输。
在一实施例中，前导码具有16.4个符号，都被设置为零。接收器将利用前导码进行频偏估计、天线选择和自动增益控制。优选地，前导码字段具有至少8个符号的长度。
同步字具有12个符号的长度。在一实施例中，同步字可以具有值[3 1 13 3 1 1 1 3 3 1 3]。优选地，同步字可以具有值[1 1 3 1 1 3 3 3 1 1 3 1]。该同步字将协助接收器与发射器保持同步。值得注意的是，上述同步字的长度仅为了说明。优选地，同步字具有至少8个符号的长度。
S-字段用于专有指示，例如偶数时隙和奇数时隙。S-字段可以具有1个符号或2个比特的长度。例如，S＝2’b00表示偶数时隙，而S＝2’b11表示奇数时隙。2’b00表示2进制中的00或十进制中的0。2’b22表示2进制中的11或十进制中的3。
数据字段具有4个符号或1个比特，用于传输数据信息，如电池电压。该字段可由单片机MCU逐时隙编写。数据字段可以具有4个符号或8个比特的长度。
音频字段具有189个符号，用于传输压缩音频信息或编码位流。请注意，音频字段包括有效荷载。在一实施例中，控制器170被配置为以至少189个符号每帧的速度发送压缩的数字PCM格式的音频信号，即ADPCM(自适应差分脉冲编码调制)信号。
为了允许多用户共存，每对发射和接收***将具有相同的唯一ID码。该ID码可以是32位的，将用于对S-字段、D-字段和音频字段进行扰码处理。
在采用ID码进行扰码前，错误校验码CRC字段被应用于S-字段、D-字段和音频字段。
最后，对包含CRC字段的扰频序列进行留空处理并采用π/4的DPSK调制对其进行调制以进行RF(射频)传输。
图2示出了一种接收器的实施例的框图。该接收器200包括接收单元210、解调制器220、解扰器230、解帧器240、音频信号解压缩器250和数模转换器(DAC)260。
接收单元210接收信号。解调制器220通过采用预定解调方案对信号进行解调制，以生成解调信号。解扰器230采用ID号对解调信号进行解扰码处理。预选地，解扰器230通过在数据包和ID号的多个拷贝上以逐位的方式执行XOR操作，将包含编码位流、数据域和信令字段的数据包与ID号的多个拷贝对齐。解帧器240通过从解扰码的信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将解扰码信号解包为编码位流。音频信号解压缩器250采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法将编码位流解压缩为PCM格式音频信号。数模转换器(DAC)260将PCM格式的音频信号转化为模拟音频信号
优选地，前导码具有至少8个符号的长度，且该前导码表示为所述信号执行频率估计。
优选地，信令字段具有1个符号的长度，且该信令字段表示偶数或奇数时隙。
优选地，数据域具有4个符号的长度，且该数据域表示编码位流的数据信息。
优选地，预定调制方案包括具有204.8kHz符号率的π/4-DPSK(差分相移键控)或QPSK(正交相移键控)。
优选地，数字PCM格式的音频信号的采样率变化范围为28kHz到48kHz，数字PCM格式音频信号的有效位数大于16位，编码位流具有336kbps的比特率。
图5示出了一种传输方法的实施例的流程图。一种发射器中的方法包括：在方框510中，转化模拟音频信号为数字脉冲编码调制(PCM)格式的音频信号；在方框520中，采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法将数字PCM格式的音频信号压缩为编码位流；在方框530中，通过在编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将编码位流打包为1.125ms的帧数据；在方框540中，采用ID号对帧数据进行扰码操作；在方框550中，通过采用预定的调制方案对扰码后的帧数据进行调制，以生成调制信号；以及在方框560中，发射调制信号。
在一实施例中，发射器100可以是卡拉OK话筒，接收器200可以是功率放大器，该功率放大器接收来自卡拉OK话筒的信号并放大接收到的信号。
在至少一个实施例中，由于帧结构省去了地址字段，并采用ID号来识别不同的发射器，因而该实施例减少了空中下载(OTA)的开销。进一步地，XOR操作和ID号的引入仅需要很小的计算量，却极大地降低了延迟，因为其采用独特的帧结构。
图6示出了一种传输方法的实施例的流程图。该方法600包括：在框图610中，接收信号；在框图620中，通过采用预定的解调制方案对信号进行解调，以生成解调制信号；在框图630中，采用ID号对解调制信号进行解扰码操作；在框图640中，通过从解扰码信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验码，将解扰码后的信号解包为编码位流；在框图650中，采用改进的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)算法将编码位流解压缩为PCM格式的音频信号；在框图660中，将该PCM格式的音频信号转化为模拟音频信号。
在上述实施例中，采用音频数据作为例子。本领域技术人员可以理解上述实施例也可以采用其他数据，例如图像信号和视频信号，并且也可以将音频信号压缩器或解压缩器分别替换为图像或视频信号压缩器或解压缩器。
在本发明至少一个实施例中，电路可以自动跟随检测频道的频道选择机构的速度。该电路在不错失频道的情况下可以精确搜索频道。该频道搜索体验可以被改进。
本领域技术人员应当理解，可以将不同实施例中的元件进行组合以产生另一个技术方案。该书面说明书使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且为了使本领域任何技术人员能实施本发明，包括了制造和使用任何装置或***，以及执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由本权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。这些其他实例如果具有与本权利要求书的文字语言相同的结构元件，或包括与本权利要求书的文字语言没有本质区别的等同结构元件，则这些其他实例也在该权利要求书包含的范围之内。

Claims (20)

1.一种发射器，其特征在于，包括：
模数转换器，被配置为将模拟音频信号转化为脉冲编码调制格式的音频信号；
音频信号压缩器，被配置为采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将脉冲编码调制格式的音频信号压缩为编码位流；
成帧器，被配置为通过在所述编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将编码位流打包为1.125ms的帧数据；
扰码器，被配置为对具有标识号的帧数据进行扰码处理；
调制器，被配置为通过采用预定调制方案对扰码后的帧数据进行调制，以生成调制信号；以及
发送单元，被配置为发送所述调制信号。
2.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，还包括：
控制器，被配置为以至少189符号每帧的速度发送数字自适应差分脉冲编码调制格式的音频信号。
3.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述前导码具有至少8个符号的长度，且该前导码表示为所述信号执行频率估计。
4.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述成帧器还被配置为添加至少8个符号的同步字到编码位流中，所述同步字表示协助接收器与发射器保持同步。
5.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述信令字段具有1个符号的长度，且该信令字段表示偶数或奇数时隙。
6.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述数据域具有4个符号的长度，且该数据域表示所述编码位流的数据信息。
7.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述扰码器还被配置为通过在数据包和标识号的多个拷贝上以逐位的方式执行异或操作，将包含编码位流、数据域和信令字段的数据包与标识号的多个拷贝对齐。
8.如权利要求7所述的发射器，其特征在于，所述控制器还被配置为通过在对齐的数据中添加循环冗余校验字段，生成校验数据。
9.如权利要求8所述的发射器，其特征在于，所述控制器还被配置为对所述校验数据进行留空处理。
10.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述预定调制方案包括具有204.8kHz符号率的π/4-差分相移键控或正交相移键控。
11.如权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述脉冲编码调制格式的音频信号的采样率变化范围为28kHz到48kHz，所述脉冲编码调制格式的音频信号的有效位数大于16位，且所述编码位流具有336千比特每秒的比特率。
12.一种接收器，其特征在于，包括：
接收单元，被配置为接收信号；
解调制器，被配置为通过采用预定解调制方案对所述信号进行解调制，以生成解调信号；
解扰器，被配置为采用标识号对所述解调信号进行解扰码处理；
解帧器，被配置为通过从解扰码后的信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将解扰码后的信号解包为编码位流；
音频信号解压缩器，被配置为采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将编码位流解压缩为脉冲编码调制格式的音频信号；
数模转换器，被配置为将脉冲编码调制格式的音频信号转化为模拟音频信号。
13.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述前导码具有至少8个符号的长度，且该前导码表示为所述信号执行频率估计。
14.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述信令字段具有1个符号的长度，且该信令字段表示偶数或奇数时隙。
15.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述数据域具有4个符号的长度，且该数据域表示所述编码位流的数据信息。
16.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述解扰器还被配置为通过在数据包和标识号的多个拷贝上以逐位的方式执行异或操作，将包含编码位流、数据域和信令字段的数据包与标识号的多个拷贝对齐。
17.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述预定调制方案包括具有204.8kHz符号率的π/4-差分相移键控或正交相移键控。
18.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，所述脉冲编码调制格式的音频信号的采样率变化范围为28kHz到48kHz，所述脉冲编码调制格式音频信号的有效位数大于16位，且所述编码位流具有336kbps的比特率。
19.一种发射器中的方法，其特征在于，包括以下步骤：
转化模拟音频信号为脉冲编码调制格式的音频信号；
采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将脉冲编码调制格式的音频信号压缩为编码位流；
通过在所述编码位流中添加前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将所述编码位流打包为1.125ms的帧数据；
采用标识号对所述帧数据进行扰码处理；
通过采用预定调制方案对扰码后的帧数据进行调制，以生成调制信号；以及
发送所述调制信号。
20.一种接收器中的方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收信号；
通过采用预定解调方案对所述信号进行解调制，以生成解调信号；
采用标识号对所述解调信号进行解扰码处理；
通过从解扰码的信号中移除前导码、同步字、信令字段、数据域和循环冗余校验字段，将解扰码后的信号解包为编码位流；
采用改进的自适应差分脉冲编码调制算法将编码位流解压缩为脉冲编码调制格式的音频信号；
将所述脉冲编码调制格式的音频信号转化为模拟音频信号。
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