专利名称：高质量低功率的无线音频系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别地，涉及增强无线音频系统。
背景技术：
如图1所示为一个典型的便携式数字无线音频系统的最简模式，其包括两个设备个人无线音频播放器100以及与其通信的无线远程控制器120或无线耳机140。音频数据是从作为音频源端的个人无线音频播放器100到作为音频目标端的无线耳机140的单向数据流。在无线远程控制器120的情况下，作为音频源端的个人无线音频播放器100也可发送LCD显示信息至作为音频目标端的无线远程控制器120，并且该音频目标端将返回包括按键信息的包(例如，音轨选择)。
目前的无线技术能够承载较高质量的立体声音频，这种技术消耗过多能量，从而不能使用在市场上与无线个人音频播放器100成功结合的无线耳机120或者无线远程控制器140。目前，大部分个人音频播放器，例如CD播放器、迷你盘播放器以及MP3播放器都不是与耳机或远程控制器无线连接的，而是通过硬线与连接的。此类个人音频播放器趋于向可移动方向发展(即，易于用户携带)，并且由电池供电以支持这种便携性。现今，大部分此类个人音频产品使用一个电池，并且与其连接的耳机(或者远程控制器)通过硬线从播放器中的电池接收电能。
连接播放器与耳机和/或远程控制器的硬线通常会给用户带来不便。例如，当用户要将播放器放到口袋、背包或者公文包中时，连接至耳机或远程控制器的硬线必须延伸出来，以连接至耳机或远程控制器。此外，这些硬线容易纠结或断开。
如果去除从播放器延伸的硬线，则耳机/远程控制器需要自身供电并且电池必须供电的其中一个部件是无线接口。个人音频设备制造商提出无线耳机和远程控制器必须小巧、轻便，而且能持续工作100小时而无需更换电池。在450mAHr3v电源下(2枚CR2032 Li纽扣电池)工作100小时需要耳机和/或远程控制器从2v的电源平均消耗不多于约6mA，其中4mA用于无线电。现在的无线技术消耗大概20mA或以上，所以不能满足制造商建议的标准。
尽管能耗是个人音频应用的无线(即无线电)技术方案所要面临的主要问题，但是这些技术方案还必须解决以下问题，即提供高质量音频，处理来自其它无线音频源的多种干扰，并且小巧划算。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高质量低功耗的个人无线音频系统，对该系统进行了多种改善，从而提高了用户的全面音频体验。本发明具有以下特点可重发的确认信息包传输、在音频源端和音频目标端之间动态调节发送间隔、改进的音频同步、无损压缩、动态信道选择和切换以及动态调节发送功率动态调节，从而使得无线音频系统能快速解决了被识别的无线电干扰，并能够发送可根据传输介质的环境调节强度的信号。
根据本发明的一个方面，本发明提供一个无线音频系统，包括(a)音频源端，用于从第一外部设备接收音频信号和音频状态信息，以及通过无线连接发送所述音频信号和所述音频状态信息；以及(b)至少一个音频目标端，用于从所述音频源端接收所述音频信号和所述音频状态信息，以及将所述音频信号和所述音频状态信息发送至第二外部设备，其中所述至少一个音频目标端中的一个指定音频目标端从所述第二外部设备接收音频控制信息并通过所述无线连接将所述音频控制信息发送至所述音频源端。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一个音频源端，包括(a)与所述第一外部设备通信的源端包格式化处理器和源端缓冲器，其中所述源端包格式化处理器创建包含有所述音频信号和所述音频状态信息的多个源端传输包，以及在将所述多个源端传输包发送至所述音频目标端之前，所述源端缓冲器对所述多个源端传输包进行存储；(b)与所述源端包格式化处理器和源端缓冲器通信的源端发送器，用于从所述源端缓冲器接收所述多个源端传输包，并在每一定义单位时间将所述多个源端传输包发送至所述音频目标端；(c)与所述源端发送器通信的源端音频同步器，用于为所述源端发送器定义所述单位时间；(d)源端接收器，用于从所述音频目标端接收所述音频控制信息，其中所述音频控制信息是以多个目标端传输包的形式，以及所述源端接收器与所述源端发送器通信，以在各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；(e)与所述源端接收器通信的源端包去格式化处理器，用于接收所述多个目标端传输包并提取所述音频控制信息；以及(f)与所述源端包去格式化处理器和源端发送器通信的源端信道质量监控器，用于监控所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道。
优选的，如果从所述第一外部设备发出模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括与所述第一外部设备通信的模数转换器(ADC)，其中将由所述源端音频同步器生成的源端音频采样时钟信号馈送至所述ADC。
另外，所述的无线音频系统还包括与所述ADC通信的压缩模块，用于压缩由所述ADC输出的数字音频信号。
根据本发明的第三个方面，本发明提供一个音频目标端，包括(a)目标端接收器，用于在每一定义单位时间从所述音频源端接收所述多个源端传输包；(b)与所述目标端接收器通信的目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器，其中所述目标端包去格式化处理器从所述源端传输包提取所述音频信号和所述音频状态信息，以及所述目标端缓冲器对所述提取的音频信号和所述音频状态信息进行存储；(c)与所述目标端接收器通信的目标端音频同步器，用于为所述目标端接收器定义所述单位时间；(d)与所述第二外部设备通信的目标端包格式化处理器，用于创建包含有所述音频控制信息的所述多个目标端传输包；(e)与所述目标端包格式化处理器通信的目标端发送器，用于发送所述多个目标端传输包，其中所述目标端接收器与所述目标端发送器通信，以在指定的各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；以及(f)与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器以及所述目标端接收器通信的目标端信道质量监控器，用于监控所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道。
优选地，如果所述第二外部设备需要模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括数模转换器(DAC)，其中将由所述目标端音频同步器生成的目标端音频采样时钟信号馈送给所述DAC。
另外，所述的无线音频系统还包括与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器通信的解压缩模块，用于解压缩从所述目标端缓冲器接收的所述数字音频信号。
本发明的优点非常清楚。加强的无线音频系统通过可无缝地运行的一系列集成的特性使用最低可能的功率提供了无干扰的音频播放，，以向用户提供了优质的无线音频体验。
根据结合附图的以下详细描述，本发明的其它特点及优点将变得清楚。
参照以下附图，通过以下详细描述将有助于更好地理解本发明，其中 图1显示典型的无线数字音频系统的示意图； 图2显示无线数字音频系统的框图； 图3显示图2中音频源端的框图； 图4显示图2中音频目标端的框图； 图5显示根据本发明的无线介质占空比的示意图； 图6显示根据本发明的包确认信息方案的示意图； 图7显示根据本发明的音频缓冲存储操作； 图8显示在重传带宽和传输超帧大小之间关系的曲线图； 图9显示在开销容量和传输超帧大小之间关系的曲线图； 图10显示在抗干扰性和传输超帧大小之间关系的曲线图； 图11显示用于在无线共享介质中用于调节干扰的变化的TFS长度的实例； 图12显示对于启动动态信道切换的阈值的图表； 图13显示在传输处于激活状态以确定是否采取适当避免干扰措施由信道质量监控器370使用的决策矩阵； 图14显示根据本发明的动态传输功率特征的应用的示意性应用图；以及 图15显示支持双向音频传输的音频源端的可选实施例的框图。
具体实施例 参照图2，本系统的无线音频系统一般地包括音频源端200、音频目标端210和无线连接(一般地如220所示) (a)音频源端200接收来自外部设备(如音频播放器，未示出)的模拟或数字音频和音频状态信息并通过无线连接220将其发送至音频目标端210，以及通过无线连接220接收来自音频目标端210的音频控制信息并将其发送至外部设备。音频状态信息包括传输过程中的音频的相关信息，例如，歌曲名、演唱者等等。音频状态信息还可包括音频播放器的相关信息，例如，播放、停止、倒回等等。音频控制信息包括用以控制音频源端100的相关信息，例如播放、停止、倒回、快进、跳过、暂停等等； (b)音频目标端210通过无线连接220接收来自音频源端100的音频数据和音频状态信息并将其发送至外部设备(例如，耳机)，以及接收来自外部设备的音频控制信息并通过无线连接220将其发送至音频源端200；和 (c)音频源端200和音频目标端210之间的无线连接220。无线连接220假设使用无线共享介质(例如无线电)的一个信道，此外该无线共享介质包含多个信道。
参照图3，音频源端200包括 (a)音频模数转换器(ADC)300，其利用音频同步器310提供的采样时钟将从外部设备(如音频播放器)接收的模拟数据转换为数字数据。如果(例如，从具有数字输出的CD播放器)直接提供数字数据，则可省略音频模数转换器300； (b)音频同步器310，其以根据已知关系式可从一个得到另一个的方式生成音频采样时钟以及传输超帧间隔(TSF Interval)； (c)无损压缩模块320，其通过检测并去除冗余信息来降低数字音频数据的平均比特率，因而原始数字信号可在正常情况下完全恢复； (d)包格式化处理器和缓冲器330，其生成包含有压缩音频数据、音频状态数据以及用以支持包描绘、错误检测、无线链路管理等所需的任意开销(overhead)的包。包被缓存以等待无线电传输。在音频目标端210对先前包发出确认信息时，包格式化处理器和缓冲器330向发送器340仅提供一新的包； (e)发送器340，其在每一TSF Interval单位时间传输由包格式化处理器和缓冲器330提供的包。应注意的时，由于与此同时音频源端200不在无线共享介质上进行发送或者接收，所以在发送器340和接收器350之间可存在共享电路； (f)接收器350，在发送器340将一包发送至音频目标端210后，该接收器350从音频目标端210接收该包。接收器350对包进行错误检测，如果未出错则将其传递至包去格式化处理器360。由于与此同时音频源端100不在无线共享介质上进行发送或者接收，所以在发送器340和接收器350之间可存在共享电路； (g)包去格式化处理器360，其从接收到的包提取音频控制数据和确认信息。将确认信息传送至包格式化处理器和缓冲器330，其使用该信息确定是否向发送器340提供一新的包；以及 (h)信道质量监控器370，其持续监控当前信道的质量，控制动态TSF间隔切换，保持优选信道序列，并控制动态信道切换。
参照图4，音频目标端210包括 (a)接收器400，其在每一TSF Interval接收包。接收器400对包进行错误检测，如果未出错则将其传递至包去格式化处理器和缓冲器410。由于与此同时音频目标端210不在无线共享介质上进行发送或者接收，所以在发送器420和接收器400之间可存在共享电路； (b)包去格式化处理器和缓冲器410，其提取音频数据和音频状态数据并缓存该音频数据来保持流畅的音频回放； (c)发送器420，其在每一TSF Interval从音频源端200接收到包后即刻将该包发送至音频源端200。由于与此同时音频目标端210不在无线共享介质上进行发送或者接收，所以在发送器420和接收器400之间可存在共享电路； (d)无损解压缩模块430，根据在包中接收的压缩数据重新构成原始数字音频数据； (e)音频数模转换器(DAC)440，其利用由音频同步器450提供的采样时钟将数字音频数据转换为模拟音频； (f)音频同步器450，其根据从接收器400接收的包检测信号生成TSF Interval和音频采样时钟； (g)包格式化处理器460，其生成包含有音频控制数据和确认信息的包；以及 (h)信道质量监控器470，其持续监控当前信道的质量，控制动态TSF间隔切换，保持优选信道序列，并控制动态信道切换。
无线共享介质连接 图5示出无线共享介质占空比(duty cycle)。在本发明的技术方案中，采用时分双向传输方案来控制对无线共享介质的访问。这表示，使用相同的无线共享介质(但并非同时)从音频源端200向音频目标端210传输包以及从音频目标端210向音频源端200传输包。所以，包在音频源端200和音频目标端210两端之间来回反复发送(“乒乓”)。
传输超帧间隔(TSF Interval)(后称“TSF 500”)是在音频源端100与音频目标端110连接时不停重复的预定长度时间段。在该段时间内，具包含为音频源端100访问无线共享介质所分配的时间，以发送音频源端包510至音频目标端110，以及为音频目标端110访问无线共享介质所分配的时间，以发送音频目标端包520至音频源端100。由于传输方向在这两个时段内改变，所以还包含为使得无线电在发送模式和接收模式之间或在接收模式和发送模式之间转换所分配的时间。此外，由于TSF 500可包含比传输所有数据所需时间更长的时间，因而还可包含为不进行无线电传输所分配的空闲时段530。
通过启动TSF 500来触发对音频源端包510的启动。无论该包中是否包含有音频数据，都对该包进行传输。该包还是具有预定最大尺寸的可变长度包。音频目标端110在音频源端包510结束之后(在允许无线电时间切换方向之后)即刻开始传输其音频目标端包520。音频目标端包520总被传输而且还具有预定最大尺寸的可变长度，但是典型地更小于音频源端包510。
由音频源端200中的音频同步器3 10执行的音频同步功能控制TSF 500的长度。该信息以音频源端包510的开销被通信至音频源端210。TSF 500的长度必须考虑到在下表中列出的竞争因素。其目的在于最大化可用于音频的容量，并同时最小化通过使用无损压缩的音频率。
表一系统参数 在本发明的技术方案中，采用以约2.4Mb/s的比特率发送和接收的无线电接口。TSF 500为4msec。这是通过将音频采样时钟(44.1KHz)除以176所得出的。以2.4Mb/s的速率，在4msec之内大约可发送1183字节。但是，在该4msec中，保留100usec以用于启动TSF 500时开启无线电，还保留100usec以用于使无线电切换方向(Rx<一>Tx)。从而使得在特定TSF500期间可被传输的比特数量减少了59字节至1124字节。音频目标端包520占用大约27字节，剩余1097字节用于音频源端包510。传输的最大包尺寸为1000字节，因此在每个TSF500中都会有空闲时间。在每个TSF传输的1000字节包表示大约2Mb/s的压缩音频容量。以平均比率为0.7压缩的1.4Mb/s音频流仅需大概1Mb/s。所以，可利用的容量是压缩音频所需的两倍。多余的1Mb/s可用于重新传输错误包。总而言之，存在足够将每个音频源端包传输两次的容量。
稍后将讨论用以选择这些参数值的其它驱动因素。所提出的方法保证了音频源端200和音频目标端210避免同时在无线电上传输，这样可导致数据冲突和丢失。还提供定时配合处理，其保证一端处于发送模式而另一端处于传输模式。该方法还通过根据存在干扰的多少调节TSF 500的长度以在抗干扰性和能耗之间进行实时地折衷选择。最终，该方法允许将TSF 500的开始用作从音频源端200发送到音频目标端210的频率基准。其可用于同步在音频目标端210的定时。
可重发的确认信息包传输 本领域技术人员可以理解的是，确认信息包传输方法使得发送端得到清楚的确认信息，其用以指示由接收端正确接收该发送端发送的每一包。如果未收到确认信息(原包或确认信息丢失或损坏)，则发送端重发该包。因此丢失或损坏的信息被替换。此方法通常被称为基于发送端的修复。在传统的确认信息包传输方法中，完好的包的接收端通过包含有接收包标识符的确认信息包来响应发送端。该标识符典型地为数据序号(DNS)，该数据序号使发送端对多个包进行传输，而无需在发送下一包前等待每一包的确认信息。从而这种方法可用于具有同时对多个包进行传输功能的多点网络技术方案中，并且对于实现合理吞吐量非常重要。
在本发明的技术方案中没有明确的确认信息包类型。通过将每个包用作对数据以及对最终完好接收的包的确认信息的发送工具来实现包来回反复发送(“乒乓”)的情况。参照图6，每个包在包开销中包括DSN。当一端发送包含有DSN＝x的包时，则这一端期望在从另一端接收的下一包中包含有DSN＝x+l。如果下一包中包含有DSN＝x+1，则这一端将发送包含有DSN＝x+2的新包。如果原始发送的包丢失或损坏，则从另一端接收的下一包(如果存在一个包)包含有DSN＝x-1，在此情况下，DSN＝x的包将被重发。如果来自另一端的包丢失或损坏，则DSN＝x的包将被再次重发。该过程将持续进行直到接收到DSN＝x+1的包，或到达用以表示无线电连接失败的时间。从而可触发到另一无线电信道的切换。
可重发的确认信息包传输的实施需要用以保存被传输包的缓冲器，从而如果没有该包的确认信息，则重发该包。另外，具有持续音频流的无线音频应用必须对音频进行缓冲存储，并在同时发送当前包。当无线共享介质不可靠而导致需要频繁重发时，可在缓冲器中建立音频数据，等待无线共享介质清空时对该音频数据进行发送。
参照图7，压缩的数字音频存储在音频源端200的音频缓冲器330A中。当音频源端200准备好在下一TSF中待发送的包时，其从音频缓冲器330A中提取音频数据，在包格式化处理器330B中将该数据与音频状态数据和其它包开销合并，并将其提供给发送器340。音频源端200将在不超过最大允许包尺寸的情况下尽量从音频缓冲器700中提取更多音频数据。
随着音频目标端210从音频源端200接收包，其在包去格式化处理器410A提取音频数据并将其存储在音频缓冲器410B中。从音频缓冲器410B中提取压缩的音频数据，并对其进行解压缩。当音频数据首先开始在本系统中流动时，音频目标端210将不从音频缓冲器410B提取任何数据，直到其空间完全被占用。一旦音频目标端210开始从音频缓冲器410B中提取数据，其无法停止否则其将影响音频流的顺畅。
当无线共享介质可靠时，音频缓冲器330A会处于相对较空的状态而音频缓冲器410B会处于相对较满的状态。当无线共享介质不佳时，随着音频流持续流入外部器件(例如耳机)，所以发送器的音频缓冲器330A开始被占用而接收端的音频缓冲器410开始空闲。
动态TSF间隔 TSF 500主要控制无线电占空比(即无线电发送与接收的比或相反情况的时间量)也因此影响音频源端200和音频目标端210的平均能耗。瞬间能耗是由在接收、发送和空闲过程中的无线电能耗峰值定义的。平均能耗是由在TSF500期间在接收模式、发送模式以及空闲模式中的无线电时间定义的。由于平均能耗值是影响电池寿命的主要因素，所以其非常重要。
由于音频源端包510总在TSF500开始时发送，因此较短的TSF500表示更频繁地发送音频源端包510，但是可通过TSF500的大小限制包长度。相反，较长的TSF 500表示不频繁地发送音频源端包510，但是这些包的长度可达到预定最大值。因此，随着TSF500的大小增加，可承载音频的总容量也增加，直到达到最大包尺寸，此时随着TSF500的大小继续增加，总容量开始而减小。如图8所示，由于压缩音频数据率相对固定，所以随着TSF500的大小增加，用于重发的空闲容量增加，直到达到最大包尺寸，此时重发的空闲容量开始减少。
由于在不考虑包长度的情况下每个包(音频源端包510或音频目标端包520)包含有相对固定量的开销，因此较长的包使得由开销传输所占用的容量更小，并减少了能耗。所以，通过调节至较长TSF500来降低能耗。由于无线共享介质可靠，所以在不需要重传带宽时，可利用这一方法降低能耗。当音频回放功能关闭时(由于不需要用于音频的容量)，也可利用这一方法，以降低能耗到绝对最低程度，并且同时保持无线电链路的状态。
由于多种原因会导致无线共享介质有缺陷，以及发生数据错误。在无线电通信中，如果发送器和传输器之间距离太长，则不存在足够的能量，以到达接收端用于无误接收。多径效应(multi-path effect)可能使得到达接收器的多个信号复本具有略微不同的传播延迟，从而导致损害性干扰和比特误差或区间误差。如果以相同频谱运行的其它无线电(例如，WLAN、蓝牙、无绳电话、微波炉)在同一范围内，则在它们之间的干扰也会产生比特误差或区间误差。
虽然较长的TSF导致较长包以及较低能耗，但是较长的包对无线共享介质错误更为敏感。有争议的是，与发送频率高的较小包碰撞的干扰可能性与发送频率低的较大包碰撞的干扰可能性基本相同(争议之处在于由于通过较小包发送更多的开销，并且碰撞开销的影响与碰撞数据净荷的影响相同)。但是，如果错误多为字节错误，或者小区间错误(相对于包大小来说小)，则长包的重发导致对更多“完好”信息进行重发，反之短包的重发对较少的“完好”信息进行重发，因而需要较少时间和带宽来进行重发。所以，导致较短包大小的较短TSF500意味着需要更小的重发带宽。但是，较长TSF500导致需要更多重发带宽达到某个程度。因此，存在可平衡重发带宽的需求量以及可用量的最佳TSF500长度。
图10显示抗干扰性如何随TSF500变化(重发带宽的需求量和重发带宽的可用量之间的差值)。在较低的错误率下，满足重发带宽的需求量的TSF500大小处于较大范围。但是，随着错误率增加，仅有较小尺寸的TSF 500可以满足需求。需要注意的是，在使用短包时能耗也较大。因此，控制TSF500可使得无线电根据当前条件进行调节，在无线共享介质较佳时(或者无需音频带宽时)使用较长TSF500来优化能耗，而当无线共享介质不可靠时使用较短TSF来优化错误率。
简而言之，使用动态TSF控制来解决在能耗和抗干扰性之间的折衷选择。当与音频源端200关联的信道质量监控器370判断该信道质量降低时，其将指示音频同步器310切换到较短TSF500。在包开销中将新的TSF500传送至音频目标端210。在接收到具有新的TSF500的包时，音频目标端210也将转换到较短TSF500。
使用TSF间隔进行音频同步 数字音频数据必须在用于驱动扬声器的放大过程之前转换回模拟信号。数模转换需要所需的时钟必须具有较低的抖动，并且与最初用于模数音频转换的音频采样时钟准确同步。在本发明的技术方案中，音频源端将TSF同步为本地音频采样时钟。所以，在音频目标端，每个音频源端包的第一比特的到达是同步于音频采样时钟的频率基准。音频目标端将该基准用于锁相环或频率锁定环来重新生成采样时钟。
在本发明的技术方案中，音频源端200使得TSF500同步于由音频同步器310生成的本地音频采样时钟。所以，在音频目标端210，每个音频源端包510的第一比特的到达是同步于音频采样时钟的频率基准。音频目标端210将该基准用于锁相环或频率锁定环来重新生成采样时钟。
无损压缩 通常，在音频目标端210接收到的无数据错误或损失的数字音频数据与在音频源端210具有的数字音频数据具有同样的音频质量。换而言之，音频质量不受无线电传输的限制。一个比特错误是可以听出来的。音频采样的最低有效位(LSB)中的一个错误比最高有效位(MSB)中的一个错误更不容易听出来。LSB错误对于用户可能听上去像轻缓的“滴答”声，而MSB错误可能听上去像响亮的“砰砰”声。区间错误听上去也像响亮的“砰砰”声。频繁的字节错误则可能听上去像无线电的“静电噪声”。
某些音频传输方法使用压缩来降低需发送的音频数据量，并从而降低传输介质所需的容量。通过压缩来影响数据传输错误的效果。本领域的技术人员可知，压缩方法可分为两种(有损压缩和无损压缩) (a)有损压缩基于人类听觉机制的心理声学模型。将音频信号分为频率分量，并且消除对于人耳难以听出来的那些分量。该方法可导致高压缩比达到20∶1。但是由于音频信息丢失使得音频质量受到了影响，而且通常压缩比越大，影响越大。这种压缩方法还使得计算更加复杂，并且在进行实时执行时需要较大能耗。MP3压缩是有损压缩方法的一例；以及 (b)无损压缩采用音频信息中的内在冗余，偶尔发送基本采样(冗余信息)，对于其余采样则只发送其与基本采样的差值。这种方法可达到3∶1的压缩比，但是压缩比取决于音频类型(有些音频类型的冗余多于其他类型)。但是，如果信息没有损失，则最初的音频数据可以完全重新构成，因而音频质量不受影响。
通常，由于在每个比特中包含很多的信息，所以压缩比越高，产生错误的可能越大。在有损压缩中，某些错误可导致会引起“回声”和“颤音”的频率失真。在无损压缩中，基本采样包括20％的发送容量，其余80％主要表示音频采样的LSB。所以在无损压缩音频中的字节错误听上去大部分像轻缓的“滴答”声。
本发明的技术方案使用无损压缩来最大化音频质量，并且同时降低所需音频容量。这有两个优点。当无线共享介质可靠时，可降低无线电占空比，从而降低能耗。当无线共享介质不佳时，可提供更多用于重发的容量。动态信道选择和变换 为了在多信道共享介质中建立无线连接，音频源端200和音频目标端210必须使用相同的信道。理想地，考虑到质量以及支持无错音频传输的功能，这种信道也是最可靠的可用信道。
与音频源端200关联的信道质量监控器370保存有优选信道序列(PCS)，该序列为在共享介质中以信道的期望顺序排列的信道列表。由于可能知道在以后可能表现出较差质量的信道，所以该列表可能有偏差。例如，与已知干扰端所使用的频谱重叠的无线电信道可能出现偏差而被排列在PCS的后边。在建立连接之前，音频源端200扫描可用信道，以寻找信号能量。高能量被解析为已被占用的信道，因此该信道不是期望的信道，并且再次将该信道排列在PCS的后边。在音频源端200得到PCS之后，其将在最优选的信道开始发送。开始传输后，音频源端200将周期性重新扫描可用信道以保持PCS的流动性。
一旦建立与音频目标端210的连接，音频源端200将PCS发送给音频目标端210。与音频源端200以及音频目标端210关联的信道质量监控器370将持续监控信号能量、丢失的确认信息比以及音频缓冲器330A的占用量，以得出当前信道的质量评估。
如果在预定时间段内质量低于某个预定阈值，则信道质量监控器370触发动态信道切换(DCS)。参照图12，如果音频源端200在16个可能信道的信道X中运行，并且如果信道X遇到来自例如无线局域网(WLAN)的干扰，则音频源端200将移动到PCS中的下一个优选信道(如“Y”所示)，而且如果所述下一个优选信道仍为一个可靠信道，则开始在该信道发送并等待音频目标端210以找到音频目标端210。音频目标端210也将移到PCS中的下一个信道，并找到音频源端200。同时，也可能发生这种情况，音频继续在与音频源端200关联的音频缓冲器330A中聚集。使用丢失的确认信息保证了音频源端200和音频目标端210在大致相同的时间决定放弃当前的信道。在音频目标端210切换之前施加额外的延迟，从而使得音频源端200有时间在新信道上开始传输。
图13提供在传输处于激活状态以确定是否采取适当避免干扰措施(特别地，确定是否调用动态TSF间隔或动态信道选择)的由信道质量监控器370使用的决策矩阵。持续监控选定信道(例如Y)上的信道能量以及音频缓冲器330A占用量(注意也可以使用丢失的确认信息比来代替音频缓冲器330A占用量)。如果信道能量高而音频缓冲器330A占用量在降低(即，由于频繁重发使得缓冲器被占用)，则可推断高信道能量是干扰的结果。起初，选择较短TSF间隔来判断是否解决降低了的缓冲器条件。如果没有，则触发动态信道切换。如果信道能量低而音频缓冲器330A占用量在降低，则可推断没有干扰。因而选择较短TSF间隔。如果较短TSF间隔不能解决问题，则可认为音频目标端210超出了音频源端200的工作范围，并向用户提供一个超出范围的信号。最后，如果信道能量低但是音频缓冲器330A占用量稳定，则可推断音频目标端210正在离开音频源端200的工作范围，并向用户提供一个超出范围的信号。
动态的发送功率 根据无线电的链路预算(link budget)，可存在较大的信噪比(SNR)富余，来对抗干扰。但是，如果无线共享介质可靠(即，基于使用中的信道的质量测定)，可减小发送器340的输出功率。如图14所示，随着音频目标端210靠近音频源端200，所需输出功率也越少。其具有减少发送器340的能耗的效果。其还具有降低由其它无线电引起的干扰的效果。因此在重新使用其中一个信道前在个人音频设备之间所需的距离减小，并同时释放其它待由动态信道切换所使用的信道，以对抗其它干扰源。
虽然，本发明已经公开多个实施例，但是本领域的技术人员仍可在不脱离本发明真实范围的情况下做出变化和改进来达到本发明的某些优点。例如，以下改进都包括在本发明的范围内。
(a)可向音频源端200提供模拟或数字音频数据。如果提供模拟音频数据，则无需音频ADC300； (b)可由音频目标端210产生模拟或数字音频数据。如果产生数字音频数据，则无需音频DAC440； (c)如上所述，音频压缩可为无损压缩，或者有损压缩。有损压缩具有更大的压缩比从而降低了音频带宽要求。但是有损压缩降低了音频质量而且更为复杂，因此比无损压缩消耗更多能量。由于在压缩/解压缩的高能耗和由低数据率导致的低无线电平均能耗之间存在折衷选择，所以使用有损压缩的潜在优势取决于无线电的峰值能耗； (d)如果音频数据率相对于无线连接的峰值比特率足够低，则压缩过程可以一并去除； (e)本发明适用于支持在同时全部监听同一音频源的多个音频目标端。但是，仅有一个音频目标端可发送音频控制数据。其它音频目标端仅可接收音频数据和音频状态数据； (f)共享介质可接有线路； (g)无线共享介质可为无线电、红外线或其它等同物；以及 (h)本发明适用于支持双向音频传输，例如可用于便携式电话和无线耳机之间。这种应用的系统设置如图15所示。在此设置中，音频源端200的发送路径(即，部件300、320、330和340)与音频目标端21 0的接收路径(即，部件400、410、430和440)组合，从而提供双向音频通信。每一连接端可具有相同的设置，但是，对于音频同步以及动态信道选择和切换功能来说，将其中一端设置为主设备(Master)而将另一端设置为从设备(Slave)。
总而言之，本发明适用于需要流等时(即，需要可成功地定时坐标的传输)数字数据(包括语音)的点对点无线通信的所有应用。
如本领域技术人员可知，本说明书中所述的功能可通过硬件或硬件和软件的结合获得。所述软件可作为存储在微处理器上的一系列计算机可读指令来执行。所述计算机可读指令可以通过过程编程的语言(例如C语言)或或面向对象的语言(C++)来编程。优选的，包括音频源端200和音频目标端210的部件是构建在各个集成电路中，所述集成电路可结合其它芯片上或芯片外部件来使用，以上述的功能。
在射频和集成电路领域内的技术人员可以理解，上述可替代结构和实施例或其变化都将落入由所附权利要求所限定的保护范围内。
权利要求
1.一种无线音频系统，包括
(a)音频源端，用于从第一外部设备接收音频信号和音频状态信息，以及通过无线连接传送所述音频信号和所述音频状态信息；以及
(b)至少一个音频目标端，用于从所述音频源端接收所述音频信号和所述音频状态信息，以及将所述音频信号和所述音频状态信息传送至第二外部设备，其中所述至少一个音频目标端中的一个指定音频目标端从所述第二外部设备接收音频控制信息并通过所述无线连接将所述音频控制信息传送至所述音频源端。
2.如权利要求1所述的无线音频系统，其特征在于，所述音频信号取自包含有数字信号和模拟信号的集合。
3.如权利要求2所述的无线音频系统，其特征在于，所述第一外部设备取自包含有压缩盘(CD)播放器、MP3播放器和迷你盘播放器的集合。
4.如权利要求2所述的无线音频系统，其特征在于，所述第二外部设备取自包含有耳机和远程控制器的集合。
5.如权利要求1所述的无线音频系统，其特征在于，所述音频状态信息取自包含有歌曲名、歌曲演唱者和歌曲编号的集合。
6.如权利要求1所述的无线音频系统，其特征在于，所述音频控制信息包括一指令，该指令取自包含有播放、停止、倒回、快进、跳过和暂停的集合。
7.如权利要求1所述的无线音频系统，其特征在于，所述无线连接为射频连接，所述无线连接采用多个可用信道中的一个指定可用信道。
8.如权利要求1所述的无线音频系统，其特征在于，所述无线连接为红外线连接。
9.如权利要求7所述的无线音频系统，其特征在于，所述射频连接为时分复用射频连接。
10.如权利要求9所述的无线音频系统，其特征在于，所述音频源端包括
(a)与所述第一外部设备通信的源端包格式化处理器和源端缓冲器，其中所述源端包格式化处理器创建包含有所述音频信号和所述音频状态信息的多个源端传输包，以及在将所述多个源端传输包发送至所述音频目标端之前，所述源端缓冲器对所述多个源端传输包进行存储；
(b)与所述源端包格式化处理器和源端缓冲器通信的源端发送器，用于从所述源端缓冲器接收所述多个源端传输包，并在每一定义单位时间将所述多个源端传输包发送至所述音频目标端；
(c)与所述源端发送器通信的源端音频同步器，用于为所述源端发送器定义所述单位时间；
(d)源端接收器，用于从所述音频目标端接收所述音频控制信息，其中所述音频控制信息是以多个目标端传输包的形式，以及所述源端接收器与所述源端发送器通信，以在各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；
(e)与所述源端接收器通信的源端包去格式化处理器，用于接收所述多个目标端传输包并提取所述音频控制信息；以及
(f)与所述源端包去格式化处理器和源端发送器通信的源端信道质量监控器，用于监控所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道。
11.如权利要求10所述的无线音频系统，其特征在于，所述音频目标端包括
(a)目标端接收器，用于在每一定义单位时间从所述音频源端接收所述多个源端传输包；
(b)与所述目标端接收器通信的目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器，其中所述目标端包去格式化处理器从所述源端传输包提取所述音频信号和所述音频状态信息，以及所述目标端缓冲器对所述提取的音频信号和所述音频状态信息进行存储；
(c)与所述目标端接收器通信的目标端音频同步器，用于为所述目标端接收器定义所述单位时间；
(d)与所述第二外部设备通信的目标端包格式化处理器，用于创建包含有所述音频控制信息的所述多个目标端传输包；
(e)与所述目标端包格式化处理器通信的目标端发送器，用于发送所述多个目标端传输包，其中所述目标端接收器与所述目标端发送器通信，以在指定的各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；以及
(f)与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器以及所述目标端接收器通信的目标端信道质量监控器，用于监控所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道。
12.如权利要求11所述的无线音频系统，其特征在于，如果从所述第一外部设备发出模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括与所述第一外部设备通信的模数转换器(ADC)，其中将由所述源端音频同步器生成的源端音频采样时钟信号馈送至所述ADC。
13.如权利要求12所述的无线音频系统，其特征在于，如果所述第二外部设备需要模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括数模转换器(DAC)，其中将由所述目标端音频同步器生成的目标端音频采样时钟信号馈送给所述DAC。
14.如权利要求13所述的无线音频系统，其特征在于，还包括与所述ADC通信的压缩模块，用于压缩由所述ADC输出的数字音频信号。
15.如权利要求14所述的无线音频系统，其特征在于，还包括与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器通信的解压缩模块，用于解压缩从所述目标端缓冲器接收的所述数字音频信号。
16.如权利要求11所述的无线音频系统，其特征在于，所述定义单位时间为传输超帧间隔(TSF_Interval)。
17.如权利要求16所述的无线音频系统，其特征在于，在指定TSF_Interval中包含所述多个源端传输包和所述目标端传输包中的指定源端传输包和目标端传输包，其中所述TSF_Interval还包括空闲时段。
18.如权利要求11所述的无线音频系统，其特征在于，所述多个目标端传输包中的一个指定目标端传输包还包括用以表示所述源端接收器已经接收到所述多个源端传输包中的一个指定源端传输包的确认信息，其中所述确认信息包括数据序号(DSN)，并且所述DSN包含在与所述多个目标端传输包中的所述指定目标端传输包关联的开销部分中。
19.如权利要求18所述的无线音频系统，其特征在于，当所述源端接收器接收到连续的DSN号时，所述源端包格式化处理器和源端缓冲器发送所述多个源端传输包中的下一个源端传输包。
20.如权利要求19所述的无线音频系统，其特征在于，如果所述目标端接收器没有接收到所述多个源端传输包中的一个指定源端传输包，则在所述源端接收器接收到不连续的DSN时，重发所述多个源端传输包中的所述指定源端传输包。
21.如权利要求16所述的无线音频系统，其特征在于，所述TSF_Interval为4m/sec，以2.4Mb/s的比特率接收所述多个源端和目标端传输包，以及所述音频采样时钟信号为44.1KHz。
22.如权利要求16所述的无线音频系统，其特征在于，当在所述源端信道质量监控器接收到表示所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道质量恶化的指示后，所述源端信道质量监控器指示所述源端音频同步器缩短所述TSF_Interval，其中在与所述多个源端传输包中的一个指定源端传输包关联的开销部分中将所述缩短的TSF_Interval传送至所述音频目标端。
23.如权利要求13所述的无线音频系统，其特征在于，在所述多个源端传输包中的一个指定源端传输包中包含与所述源端音频采样时钟信号同步的频率基准，其中，在由所述目标端接收器接收到所述多个源端传输包中的所述指定源端传输包时，将所述频率基准转发到所述目标端音频同步器，以生成所述目标端音频采样时钟信号。
24.如权利要求15所述的无线音频系统，其特征在于，与所述音频源端关联的所述压缩模块和与所述音频目标端关联的所述解压缩模块为有损压缩模块。
25.如权利要求15所述的无线音频系统，其特征在于，与所述音频源端关联的所述压缩模块和与所述音频目标端关联的所述解压缩模块为无损压缩模块。
26.如权利要求22所述的无线音频系统，其特征在于，所述源端信道质量监控器保存优选信道序列(PCS)，该优选信道序列包括所述多个可用信道的列表，其中，如果与所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道关联的质量测量结果低于预定阈值，则所述源端信道质量监控器切换到所述PCS中的下一个信道。
27.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，所述质量测量结果是与所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道关联的预定信号能量水平。
28.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，所述质量测量结果是与所述源端缓冲器关联的预定水平。
29.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，所述多个目标端传输包中的一个指定目标端传输包还包括用以表示所述源端接收器已经接收到所述多个源端传输包中的一个指定源端传输包的确认信息，其中所述质量测量结果是所述确认消息中丢失的确认信息的预定数量。
30.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，在建立从所述音频源端到所述音频目标端的无线连接之前，所述源端信道质量监控器扫描所述PCS并确定所述多个可用信道中的一个优选可用信道。
31.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，一旦建立从所述音频源端到所述音频目标端的无线连接，所述音频源端周期性重新扫描所述多个可用信道的所述列表，以确定是否需要更新列表。
32.如权利要求26所述的无线音频系统，其特征在于，所述质量测量结果为与所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道关联的预定信号能量水平和与所述源端缓冲器关联的预定水平的组合。
33.如权利要求32所述的无线音频系统，其特征在于，如果所述预定信号能量水平高而所述预定源端缓冲器水平降低，则缩短所述TSF_Interval；如果所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道质量继续恶化，则选择在所述PCS中的所述下一个信道。
34.如权利要求11所述的无线音频系统，其特征在于，如果与所述多个可用信道中正在使用的所述指定可用信道关联的质量测量结果高于预定阈值，则降低与所述源端发送器关联的功率输出。
35.一种无线音频系统中的音频源端，包括
(a)与第一外部设备通信的源端包格式化处理器和源端缓冲器，其中所述源端包格式化处理器创建包含有音频信号和音频状态信息的多个源端传输包，以及在将所述多个源端传输包发送至音频目标端之前所述源端缓冲器对所述多个源端传输包进行存储；
(b)与所述源端包格式化处理器和源端缓冲器通信的源端发送器，用于从所述源端缓冲器接收所述多个源端传输包，并在每一定义单位时间将所述多个源端传输包发送至所述音频目标端；
(c)与所述源端发送器通信的源端音频同步器，用于为所述源端发送器定义所述单位时间；
(d)源端接收器，用于从所述音频目标端接收音频控制信息，其中所述音频控制信息是以多个目标端传输包的形式，以及所述源端接收器与所述源端发送器通信，以在各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；
(e)与所述源端接收器通信的源端包去格式化处理器，用于接收所述多个目标端传输包并提取所述音频控制信息；以及
(f)与所述源端包去格式化处理器和源端发送器通信的源端信道质量监控器，用于监控多个可用信道中的一个指定可用信道。
36.一种无线音频系统中的音频目标端，包括
(a)目标端接收器，用于在每一定义单位时间从音频源端接收多个源端传输包，其中所述多个源端传输包包含有音频信号和音频状态信息；
(b)与所述目标端接收器通信的目标端包去格式化处理器及目标端缓冲器，其中所述目标端包去格式化处理器从所述源端传输包提取所述音频信号和所述音频状态信息，以及所述目标端缓冲器对所述提取的音频信号和所述音频状态信息进行存储；
(c)与所述目标端接收器通信的目标端音频同步器，用于为所述目标端接收器定义所述单位时间；
(d)与第二外部设备通信的目标端包格式化处理器，用于创建包含有音频控制信息的多个目标端传输包；
(e)与所述目标端包格式化处理器通信的源端发送器，用于发送所述多个目标端传输包，其中所述目标端接收器与所述目标端发送器通信，以在指定的各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；以及
(f)与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器以及所述目标端接收器通信的目标端信道质量监控器，用于监控多个可用信道的一个指定可用信道。
37.如权利要求35所述的无线音频系统，其特征在于，所述第一外部设备取自包含有压缩盘(CD)播放器、MP3播放器和迷你盘播放器的集合。
38.如权利要求36所述的无线音频系统，其特征在于，所述第二外部设备取自包含有耳机和远程控制器的集合。
39.如权利要求37所述的无线音频系统，其特征在于，如果从所述第一外部设备发出模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括与所述第一外部设备通信的模数转换器(ADC)，其中将由所述源端音频同步器生成的源端音频采样时钟信号馈送至所述ADC。
40.如权利要求38所述的无线音频系统，其特征在于，如果所述第二外部设备需要模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括数模转换器(DAC)，其中将由所述目标端音频同步器生成的目标端音频采样时钟信号馈送给所述DAC。
41.如权利要求39所述的无线音频系统，其特征在于，还包括与所述ADC通信的压缩模块，用于压缩由所述ADC输出的数字音频信号。
42.如权利要求14所述的无线音频系统，其特征在于，还包括与所述目标端包去格式化处理器和目标端缓冲器通信的解压缩模块，用于解压缩从所述目标端缓冲器接收的所述数字音频信号。
43.一种双向无线音频系统，包括
(a)与外部设备通信的包格式化处理器和缓冲器，其中所述源端包格式化处理器创建包含有发送音频信号和音频状态信息的多个源端传输包，以及在发送所述多个源端传输包之前所述源端缓冲器对所述多个源端传输包进行存储；
(b)与所述包格式化处理器和缓冲器通信的发送器，用于从所述缓冲器接收所述多个传输包，并在每一定义单位时间发送所述多个传输包；
(c)与所述发送器通信的音频同步器，用于为所述发送器定义所述单位时间；
(d)接收器，用于接收接收音频信号和音频状态信息，其中所述接收音频信号和音频状态信息是以多个接收包的形式，以及所述接收器与所述发送器通信，以在各个所述定义单位时间内配合进行所述接收和发送处理；
(e)与所述接收器和所述外部设备通信的包去格式化处理器和缓冲器，用于接收所述多个接收包并提取所述接收音频信号和音频状态信息；以及
(f)与所述包去格式化处理器和缓冲器以及所述发送器通信的信道质量监控器，用于监控多个可用信道中一个指定可用信道；
其中，如果从所述外部设备发出模拟音频信号，则所述双向无线音频系统还包括与所述外部设备通信的模数转换器(ADC)，其中将由所述音频同步器生成的音频采样时钟信号馈送至所述ADC；
如果所述外部设备需要模拟音频信号，则所述无线音频系统还包括与所述包去格式化处理器和缓冲器通信的数模转换器(DAC)，其中将所述音频采样时钟信号馈送给所述DAC。
44.如权利要求1所述的双向无线音频系统，其特征在于，所述外部设备为蜂窝电话。
45.如权利要求1所述的双向无线音频系统，其特征在于，所述外部设备为无线耳机。
全文摘要
本发明涉及无线通信领域，特别是高质量低功率的无线音频系统。更具体地，本发明包括音频源端，用于从第一外部设备(例如，MP3播放器) 接收音频信号(例如，音乐)和音频状态信息(例如，歌曲名)，并通过无线连接发送所述音频信号和所述音频状态信息；以及至少一个音频目标端，用于从所述音频源端接收所述音频信号和所述音频状态信息，以及将所述音频信号和所述音频状态信息发送至第二外部设备(例如耳机)，其中所述至少一个音频目标端中的一个指定音频目标端从所述第二外部设备接收音频控制信息(例如暂停)并通过所述无线连接将所述音频控制信息发送至所述音频源端。在其它特点中，本发明的无线音频系统结合了动态信道选择以及动态调节发送间隔，从而以最低可能的功率保证了音频质量的提高。
文档编号H04R5/00GK101147421SQ200680009682
公开日2008年3月19日 申请日期2006年2月22日 优先权日2005年2月25日
发明者克里斯·帕西耶, 拉尔夫·梅森, 布伦特·艾伦 申请人:克勒尔半导体有限公司