CN1398055A - 无线音频传输***及方法 - Google Patents

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胡家明
苏仁昆
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Abstract

一种在固定的范围内的传递模拟信号的无线发送和接收***。无线传输***包括第一编码器，用于接收模拟信号，数字化所述的模拟信号，并使用MP－3压缩方式来压缩数字化模拟信号；调制器，用压缩的数字化模拟信号调制载波信号；和发射器，用于无线发送已调制的RF载波信号。接收***有接收器，用来获取已调制的载波信号；解调器，从已调制的载波信号中提取压缩的数字化模拟信号；和第一解码器，用以用MP－3解压缩对压缩的数字化模拟信号解压缩并将数字化模拟信号转换为模拟信号的再现。

Description

无线音频传输***及方法
发明领域
本发明通常涉及模拟信号通过大气无线地发射和接收。本发明更尤其涉及对模拟信号数字化、按照活动图象专家组(MPEG)第3层运算法则压缩数字化模拟信号、无线发射和接收压缩的、数字化模拟信号并恢复压缩的、数字化模拟信号以再现模拟信号。
背景技术
模拟信号，比如音频信号的无线传输在本技术领域中是公知的。当前商业上存在的装置，比如无绳电话和蜂窝电话就是音频模拟信号无线发射和接收的例子。美国专利5,832,024(Schotz等)说明了由比如AM/FM调谐器的装置产生的音频模拟信号无线传递到扬声器。该无线传递通常由将模拟信号调制到射频(RF)载波信号上来完成。
美国(U.S.)政府的联邦通信委员会(FCC)严格地管理信息能够被发射到大气的条件。按照47CFR§15.249，FCC已经分配高于900MHz的射频波段为非特许的。这些波段通常对用传统的调制的信号要求用小于1mw功率的射频信号传送，而对于扩频调制的信号要求用小于1w的功率。均属于Borchardt等的美国专利5,272,525、美国专利5,410,735和美国专利5,666,658描述了工作在大于900MHz的频率的无线音频***。美国专利6,212,359(Knox)描述了从使用大于900MHz的频率的接收机调谐器接收数字化的音乐的传输***。
由MPEG定义的用于数字化模拟信号的压缩的运算法则被出版为ISO/IEC11172和ISO/IEC13818。按照ISO/IEC11172公开的运算法则一般被指定为MPEG-1第3层，而按照ISO/IEC13818公开的运算法则一般被指定为MPEG-2先进的音频编码(AAC)。这些运算法则在下文中将被指作MP-3，并包括这些和任何导出的作为在MPEG支持下发展的运算法则。
为了数字化模拟信号的MP-3压缩，模拟信号以44.1kHz的频率被取样。每个样本有16比特。不压缩的话，立体声音频信号的二分之一需要超过1.4M比特的数据。MP-3运算法则允许对具有大于15KHz的带宽的立体声音频用12倍到具有大约2.5KHz的带宽以96倍数据压缩以获取电话质量音频。
MP3是具有执行本标准的程序的很多译本的开放的标准。而且，也提供经济的硬件来完成执行运算法则的程序的数字信号处理器和微控制器。由于对更廉价的需求和更多消费者对音频***需求的增加，专用集成电路(ASIC′s)被发展以完成MP3规范的运算。原先，MP3标准打算主要由对数字存储介质视频编码使用。然而，目前MP3标准被用在数字音频广播、对广播内容的发送的电话传送、广播***中的档案的存储、数字电视的声音、互联网的音频信号(音乐)流中，用来在包含用来重放的已存储的音频内容的便携的音频装置中使用，并用于数字化的音乐文件在计算机中的存储和交换。这些应用中的每一个在存储介质(半导体存储器或磁性或光学的存储介质)上存储或保留压缩的、数字化的音频信号或者使用在音频信号广播到广泛的范围被普通居民所使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种传递模拟信号的无线传输***。
本发明的另一个目的是提供一种接受模拟信号的无线射频传送的无线接收***。
本发明的另外一个目的是在固定的局部范围内模拟信号的无线发送和接收。
为了实现这些目的中的至少一个，无线音频传输***包括第一编码器，用来接收模拟信号以把模拟信号数字化，并使用MP-3压缩运算法则压缩数字化模拟信号。MP-3压缩运算法则提供数字化模拟信号与压缩的数字化模拟信号的压缩比，该压缩比从近似8∶1到近似96∶1并由模拟信号的音频再现的质量确定。
调制器与第一编码器连接以接收压缩的数字化模拟信号并用压缩的数字化模拟信号调制载波信号。调制的载波信号被传送到用于无线传送的发射器。本发明的载波信号处在由FCC指定的用于非特许通讯的RF频带内有大于900Mz的频率。
接收器获得已调制的载波信号并把它传送到解调器。解调器从调制载波信号中取出压缩的数字化模拟信号。取出的压缩的数字化模拟信号被传送到与解调器连接的第一解码器。第一解码器使用MP-3解压缩运算法则对压缩的数字化模拟信号解压缩并把数字化模拟信号转换为模拟信号的再现。
传输还可以包括连接在第一编码器和调制器之间的帧格式器，把压缩的数字化模拟信号分成帧。每一帧包括多个数据包，在每个数据包的起始部分有同步(SYNC)码。在每个帧的末尾有帧尾码(EOF)来划分帧的界限。
在压缩的数字化模拟信号的电压电平之间会有不充分的转换，这会引起在接收压缩的数字化模拟信号时的错误。为了补偿不充分的转换，传输***可以有比特填充电路。连接在帧格式器和调制器之间的比特填充电路把比特***到具有不充分的转换的任一帧中。为了在一个数据包中有适当的转换数量，使用7比1的比特填充率。
为了压缩的数字化模拟信号的传送，压缩的数字化模拟信号还在第二编码器中被编码为不归零反转码(NRZI)。第二编码器被自由选择地放在连接于第一编码器和调制器之间来执行NRZI编码。
如果传输***使用NRZI编码，传输***还包括放在连接于解调器和第一解码器之间的第二解码器。第二解码器恢复NRZI编码的压缩的数字化模拟信号，以从压缩的数字化模拟信号中消除NRZI编码。另外，如果压缩的数字化模拟信号已经有额外的比特填充到压缩的数字化模拟信号中以补偿不充分的转化，传输***有连接在第二解码器和第一解码器之间的比特提取器。该比特提取器消除***到压缩的数字化模拟信号中的所有比特以恢复压缩的数字化模拟信号的原始转换。
如果压缩的数字化模拟信号被分成帧，传输***还加入连接在解调器和第一解码器之间的帧消除器。该帧消除器从压缩的数字化模拟信号的每个数据包的起始部分中消除同步码并从压缩的数字化模拟信号的每一帧的末尾消除帧尾码。
附图说明
图1是本发明的模拟传输***的方框图。
图2是本发明的压缩的数字化模拟信号的数据包和帧结构的图。
图3是本发明的模拟音频信号的传输方法的流程图。
图4是本发明的压缩的数字化模拟信号的发送的数据结构构造的流程图。
图5是本发明从接收到的数据结构中提取以再现压缩的数字化模拟信号的流程图。
图6和7是本发明的NRZI数据编码的结构和对不充分的转换比特填充的图。
具体实施方式
如上所述，MP-3编码器和解码器在商业上被实现为数字信号处理器、微控制器或被编程以接收数字化模拟信号，比如从在话筒上的声音效果建立的音频信号的微处理器。另外，ASIC MP-3编码器和解码器是存在的，以对MP-3编码和解码提供经济的解决方案。
现在参照图1来说明本发明的模拟音频信号传输***。音频输入5连接到发射器子***10。发射器子***10把作为电磁波45的调制的RF载波信号传送到接收器子***50。接收器子***50提取并再现音频信号，该音频信号传送到音频输出85。
发射器子***10有接收模拟输入信号的MP-3编码器15。MP-3编码器包括模拟到数字转换器，它以44.1kHz的取样率对模拟信号取样。被取样的模拟信号随后被数字化以在取样点描述模拟信号的电压电平。MP-3编码器再按照如上所述的MP-3压缩运算法则对取样的、数字化模拟信号进行压缩。
压缩的数字化模拟信号20可以被直接传送到发射器35来发射到接收器子***50或优先送到第二数据编码器25。第二数据编码器25包括如图2所示把压缩的数字化模拟信号分成数据包的帧格式器。每个数据包有添加到每个数据包的起始部分的同步码字(0000 0001)。十六个数据包一起组成为一帧。每一帧用帧尾码字划分界限。
如果压缩的数字化模拟信号的帧不包含充分的转换，接收器子***50会不能正确地恢复被传送来的压缩的数字化模拟信号。参照图7，压缩的数字化模拟信号有从时刻t4到时刻t12都在一个电平(1)的一系列数据比特。该时间段引起压缩的数字化的音频信号的频率成分不适当地偏离于确保由图1的接收器50正确接收所要求的频率。为了使得频率成分实质上正确，第一逻辑电平(0)的比特被***(填充)在时刻t10和时刻t11之间。填充的比特不影响压缩的数字化模拟信号的信息内容。
为了确保压缩的数字化模拟信号的每一帧内转换的适当的数量，第二数据编码器包含比特填充器电路，以确保转换的适当的数量出现在发射的信号中。在优选实施例的情况中，一系列包含一定数量的特殊的逻辑电平的比特，在该情况下，连续的一组中六个电平必须被转换为相反的逻辑电平(一个零)跟随。比特填充器处理压缩的数字化模拟信号的每一帧并按照在压缩的数字化模拟信号中的连续的逻辑电平的数量放置必要的比特。
数字化模拟信号的标准格式被称为不归零(NRZ)，它表明数字化模拟信号的电压电平在***的每一时间段或时钟上改变。在通信***中，已经发现数字化模拟信号的编码比如如图6所示不归零反转(NRZI)在数字化模拟信号恢复时较少倾向于误差情况，并且要求较少的带宽。NRZI编码基于先前的比特和当前的比特的电压电平。如果先前的比特是第一电压电平(0)，并且当前的比特是第二逻辑电平(1)，编码的数据保持在如在时刻t2、t5、t10和t13所示的先前的编码的比特的逻辑电平。如果先前的比特是第一电压电平(0)并且当前的比特也是第一逻辑电平(0)，编码的数据翻转或改变为如时刻t1、t7、t9和t12所示的先前的编码的比特的相反的逻辑电平。如果先前的比特是第二电压电平(1)并且当前的比特也是第二逻辑电平(1)，编码的数据保持在如在时刻t3所示的先前的编码的比特的逻辑电平。同时，如果先前的比特是第二电压电平(1)并且当前的比特是第一逻辑电平(0)，编码的数据翻转或改变为如时刻t4、t6和t11所示的先前的编码的比特的相反的逻辑电平。
在每个数据包的起始部分的同步码提供时钟脉冲，该时钟脉冲允许接收器子***50监测每个数据包的边界。在每一帧的末尾的帧尾码产生独特的码，它允许接收器子***50划分每一帧的界限。
回到图1，数据编码器用NRZI编码电路把压缩的数字化模拟信号转换为NRIZ编码的数据30。NRZI编码的数据30被传递给发射器35。发射器包括调制器，它把压缩的数字化模拟信号(NRZI编码的或未编码的)和RF载波信号用普通的移频键控(FSK)合并。RF载波信号处于大于900MHz的非特许频带。其他通常的调制方式比如调幅调制(AM)和相位调制(PM)可以被使用。另外，更复杂的调制技术比如扩频调制或正交移相键控可以被使用并仍然与本发明结合在一起。
调制的RF载波信号被传送到发射器激励器，它激励包含电磁波45的天线40发送信号到大气。电磁波50在接收器子***50的天线55被接收。
接收器子***50有接收器60，它恢复通过电磁波45被天线55感应的调制的RF载波信号。接收器60用接收放大器来恢复并放大已调制的RF载波信号。恢复后的RF载波信号被提供给接受器中的解调器来提取NRZI编码的或标准NRZ编码的压缩的数字化模拟信号。如果压缩的数字化模拟信号被NRZ编码，与NRZI编码相对，压缩的模拟信号被传送到MP-3解码器80，模拟信号被解压缩以再现原始的数字化模拟信号。再现的数字化模拟信号被传送到数字到模拟转换器以再现模拟信号。
如果提取的压缩的数字化模拟信号被NRZI编码，恢复的NRZI编码的数字化模拟信号65被传送到数据解码器70。数据解码器70用NRZI解码器来恢复NRZI编码的压缩的数字化模拟信号。数据解码器70另外用比特提取器来除去添加到压缩的数字化的数据中用来确保在压缩的数字化模拟信号中转换的正确数量的额外的比特。帧提取器除去添加在压缩的数字化的数据的每个数据包的起始部分的同步码字和添加在每一帧的末尾的帧尾码字。这再现了被传送到MP-3解码器的原始的MP-3压缩的数字化模拟信号75。
MP-3解码器展开压缩的数字化模拟信号以再现原始的数字化模拟信号。原始的数字化模拟信号的再现是如上所述的模拟到数字转换器输入，而原始的模拟信号输出的再现被传送到外部电路。
现在参照图3、4和5来论述模拟音频信号的发送和接收的方法。音频信号被周期地取样并被转换为表明音频信号的幅度的数字值(步骤300)。数字化的音频信号按照MP-3运算法则被压缩(步骤305)以形成MP-3编码的比特流。MP-3编码的比特流再被格式化(步骤310)为帧。帧通过把MP-3编码的比特流分为如图2所示的数据包来形成。同步字(0000 0001)被放置在每个数据包的开始部分。十六个数据包则被形成为带有放置在每一帧的末尾的帧尾码字(0101 0101)的帧。如上所述，如果在一帧内有非常少的转换，额外的比特必须被填充到帧中以确保MP-3编码的数据的正确的恢复。在步骤315，额外的比特被***到MP-3编码数的帧中。为了提供MP-3编码的数据的最佳的频率成分，MP-3编码的数据被进一步编码(步骤320)为NRZI格式。NRZI格式化也如图6中所述。
现在参照图4以进一步论述帧格式化(步骤310)、比特填充(步骤315)和NRZI编码(步骤320)。MP-3编码的比特流被提供(步骤400)。MP-3编码的比特流的字节数(n)被选择(步骤405)并且同步字在数据包的起始部分被***(步骤410)。为了确保每个数据包内正确数量转换，如图7所示每个数据包有比特***到每个数据包中。每个数据包再用NRZI编码被编码(步骤420)。数据包的形成(步骤405-420)被重复许多次(m)(步骤425)以形成帧。在帧的形成结束时，帧尾码字在每一帧的末尾被添加(步骤430)为NRZI格式。
回到图3，RF载波信号被MP-3编码的比特流的NRZI编码的帧调制(步骤325)并通过大气被发送(步骤330)为电磁波。电磁波被接收并且已调制的载波信号被恢复(步骤335)。接收的RF载波信号则被解调以再现MP-3编码比特流的NRZI编码帧。MP-3编码比特流的NRZI编码帧再被解码(步骤345)以恢复MP-3编码比特流的帧。为确保转换正确数量而***的额外的比特从MP-3编码的数据帧中消除(步骤350)。同步字从每个数据包消除并且帧尾码字从每一帧中被消除以提取(步骤355)MP-3编码比特流。MP-3编码比特流被按照MP-3运算法则解码(步骤360)以解压缩MP-3编码比特流来再现原始的数字化模拟信号的复制品。原始的数字化模拟信号的复制品被恢复(步骤365)为基本上相等于原始的模拟音频信号的模拟信号。
现在参照图5以论述MP-3编码比特流的NRZI编码帧的解码(步骤345)、被***比特的消除(步骤350)和MP-3编码比特流的提取(步骤355)。解调的RF载波的接收比特流被提供(步骤500)。同步字被检出(步骤505)并且数据包被提取(步骤510)。数据包再被解码以把NRZI编码的数据包转换为MP3编码的比特流。如果比特流有同一逻辑电平六个连续的比特(在本实施例中为1)，如图7所示，随后的比特被忽略(步骤515)。该过程(步骤505-530)被重复许多次(m)以完成帧。帧尾码字被消除并且MP-3编码的数据被恢复。
目前，MP-3编码/解码ASIC提供压缩和解压缩数字化模拟信号以限制它们传输带宽的经济的方法。而且，工作在大于900MHz的非特许的RF波段的发射器和接收器也花费有效的通信装置。MP-3编码/解码ASIC的组合和900MHz RF发射器和接收器允许如本发明所述的发射和接收***的实现。
尽管本发明已经被详细地示出并参照优选实施例被说明，可以理解在不偏离本发明的宗旨和范围的情况下，通过现有技术的指导可以在形式和细节上作出各种改变。

Claims (30)

1.一种无线音频发送和接收***，其特征在于所述***包括：
第一编码器，用于接收模拟信号，数字化所述的模拟信号，并使用MP-3压缩方式来压缩数字化模拟信号；
调制器，与第一编码器连接，以接收压缩的数字化模拟信号并用压缩的数字化模拟信号调制载波频率；
发射器，与已调制的载波信号连接，以无线发送已调制的载波信号；
接收器，接收已调制的载波信号；
解调器，与接收器连接，从已调制的载波信号中提取压缩的数字化模拟信号；以及
第一解码器，与解调器连接，用以用MP-3解压缩对压缩的数字化模拟信号解压缩并将所述的数字化模拟信号转换为模拟信号的再现。
2.如权利要求1的***，其特征在于所述***进一步包括帧格式器，它连接在第一编码器和调制器之间，用来把压缩的数字化模拟信号分为数据包，在每个数据包的起始部分放置同步码，将多个数据包组装到一帧中，并在所述帧的末尾放置帧尾码。
3.如权利要求2的***，其特征在于所述***进一步包括比特填充电路，它连接在帧格式器和调制器之间，用来向具有不充分的转换的任一帧中***比特，因为在接收压缩的数字化模拟信号时所述的不充分的转换会引起错误。
4.如权利要求3的***，其特征在于所述***进一步包括第二编码器，用来将压缩的数字化模拟信号编码为不归零反转(NRZI)编码。
5.如权利要求1的***，其特征在于所述***进一步包括第二解码器装置，连接在解调器和第一解码器之间，用来把NRZI编码的、压缩的数字化模拟信号恢复为压缩的数字化模拟信号。
6.如权利要求5的***，其特征在于所述***进一步包括比特提取器电路，连接在第二解码器和第一解码器之间，用来消除***到压缩的数字化模拟信号中的比特以恢复压缩的数字化模拟信号的原始传送。
7.如权利要求1的***，其特征在于所述***进一步包括帧消除器，连接在解调器和第一解码器之间，用来从压缩的数字化模拟信号的每个数据包的开始部分消除同步码，并从压缩的数字化模拟信号的数据包的每一帧的末尾消除帧尾码。
8.如权利要求1的***，其特征在于所述载波频率至少是900MHz。
9.如权利要求1的***，其特征在于所述数字化模拟信号的压缩比从近似8∶1到近似96∶1并且由模拟信号的音频再现的质量确定。
10.一种无线音频发射***，其特征在于所述***包括：
第一编码器，用于接收模拟信号，数字化所述的模拟信号，并使用MP-3压缩方式来压缩数字化模拟信号；
调制器，与第一编码器连接，以接收压缩的数字化模拟信号并用压缩的数字化模拟信号调制载波频率；
发射器，与已调制的载波信号连接，以无线发送调制的载波信号。
11.如权利要求10的***，其特征在于所述***进一步包括帧格式器，它连接在第一编码器和调制器之间，用来把压缩的数字化模拟信号分为数据包，在每个数据包的起始部分放置同步码，将多个数据包组装到一帧中，并在所述帧的末尾放置帧尾码。
12.如权利要求11的***，其特征在于所述***进一步包括比特填充电路，它连接在帧格式器和调制器之间，用来向具有不充分的转换的任一帧中***比特，因为在接收压缩的数字化模拟信号时所述的不充分的转换会引起错误。
13.如权利要求12的***，其特征在于所述***进一步包括第二编码器，用来将压缩的数字化模拟信号编码为不归零反转(NRZI)编码。
14.如权利要求10的***，其特征在于所述载波频率至少是900MHz。
15.如权利要求10的***，其特征在于所述数字化模拟信号的压缩比从近似8∶1到近似96∶1并且由模拟信号的音频再现的质量确定。
16.无线音频接收器***，其特征在于所述***包括：
接收器，接收已调制的载波信号；
解调器，与接收器连接，从已调制的载波信号中提取压缩的数字化模拟信号；以及
第一解码器，与解调器连接，用以用MP-3解压缩对压缩的数字化模拟信号解压缩并将所述的数字化模拟信号转换为模拟信号的再现。
17.如权利要求16的***，其特征在于所述***进一步包括第二解码器装置，连接在解调器和第一解码器之间，用来把NRZI编码的、压缩的数字化模拟信号恢复为压缩的数字化模拟信号。
18.如权利要求17的***，其特征在于所述***进一步包括比特提取器电路，连接在第二解码器和第一解码器之间，用来消除***到压缩的数字化模拟信号中的比特以恢复压缩的数字化模拟信号的原始传送。
19.如权利要求16的***，其特征在于所述***进一步包括帧消除器，连接在解调器和第一解码器之间，用来从压缩的数字化模拟信号的每个数据包的开始部分消除同步码并从压缩的数字化模拟信号的数据包的每一帧的末尾消除帧尾码。
20.如权利要求16的***，其特征在于所述载波频率至少是900MHz。
21.如权利要求16的***，其特征在于所述数字化模拟信号的压缩比从近似8∶1到近似96∶1并且由模拟信号的音频再现的质量确定。
22.一种模拟信号的无线传输方法，包括步骤：
获取模拟信号；
数字化模拟信号；
按照MP-3编码运算法则压缩数字化模拟信号；
用压缩的数字化模拟信号调制载波信号；并
发送所述的已调制的载波信号；
接收所述的已调制的载波信号；
解调所述的已调制的载波信号以提取压缩的数字化模拟信号；
按照MP-3解码运算法则对压缩的数字化模拟信号解压缩；
把数字化模拟信号转换为再现的模拟信号。
23.如权利要求22的方法，进一步包括形成压缩的数字化模拟信号的帧的步骤，该步骤有以下步骤：
组合多个压缩的模拟信号的字节以建立数据包；
在每个数据包的起始部分放置同步码；
组合多个所述的数据包以形成帧；并
在每一帧的末尾放置帧尾码。
24.如权利要求23的方法，进一步包括步骤：
在具有不充分的转换的任一帧内***附加的比特，因为在接收压缩的数字化模拟信号时所述的不充分的转换会引起错误。
25.如权利要求22的方法，进一步包括步骤：
将压缩的数字化模拟信号编码为NRZI格式。
26.如权利要求22的方法，进一步包括步骤：
解码NRZI编码的、压缩的和数字化模拟信号以恢复压缩的数字化模拟信号。
27.如权利要求22的方法，进一步包括步骤：
提取***到压缩的数字化模拟信号中的比特以恢复压缩的数字化模拟信号的原始的传送。
28.如权利要求22的方法，进一步包括步骤：
通过从每个数据包的起始部分消除同步码，从压缩的数字化模拟信号中消除帧；并
从每一帧的末尾消除帧尾码。
29.如权利要求22的方法，其特征在于所述载波频率至少是900MHz。
30.如权利要求22的方法，其特征在于所述数字化模拟信号的压缩比从近似8∶1到近似96∶1并且由模拟信号的音频再现的质量确定。
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