CN109412624B - 一种音频数据通信系统及头戴设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例中提供了一种音频数据通信系统及头戴设备，该方法包括：从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送；播放另一个声道的音频。采用本申请实施例中提供的方案，能够在减少射频辐射对人体健康危害的同时，实现左右声道音频的无线传输。
Description
技术领域
本申请涉及音频通信技术领域，尤其涉及一种音频数据通信系统及头戴设备。
背景技术
射频无线通信技术，如蓝牙的快速发展使无线通信成为人们生活的一部分。例如，以智能手机为中心，以HFP(Hands-free Profile，免提协议)和A2DP(Advanced AudioDistribution Profile，先进音频传输协议)为主要应用的蓝牙音乐耳机带给人们极大的方便。左右声道通过无线连接的蓝牙双无线立体声音乐耳机更是深受人们欢迎。
然而，连接左右声道的蓝牙射频信号被头阻隔，往往需要很大的发射功率才能获得满意的传输性能。而大的发射功率对人类的大脑存在危害。
发明内容
本申请实施例中提供了一种音频数据通信系统及头戴设备，用于在降低射频辐射对人体健康危害的同时，实现左右声道音频的无线传输。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种头戴设备，包括：射频收发机，用于从音频源设备接收两个声道的音频数据；微处理器，用于执行通信协议，对两个声道的音频数据进行解码，对其中一个声道的音频数据进行重新编码；超声波基带与调制解调器，用于将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制；超声波变换器，用于通过超声波发送预定的数据格式；扬声器，用于播放另一个声道的音频数据。
根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种头戴设备，包括：超声波变换器，用于接收以超声波方式发送的一个声道的音频信号；超声波基带与调制解调器，用于解调所述音频信号；微处理器，用于从解调后的音频信号中提取一个声道的音频数据并进行解码；扬声器，用于与另一个声道同步地播放解码后的该一个声道的音频数据，其中，该另一个声道为与该一个声道对应的声道。
根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种音频数据通信系统，包括：主耳机，该主耳机为根据本申请实施例的第一个方面的头戴设备；以及从耳机，该从耳机为根据本申请实施例的第二个方面的头戴设备。
采用本申请实施例中提供的音频数据通信系统及头戴设备，在主耳机从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送至从耳机；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请实施例一的实施场景示意图；
图2示出了根据本申请实施例一的音频数据通信方法的流程图；
图3示出了根据本申请实施例一中的超声波通信的数据帧的帧格式示意图；
图4示出了根据本申请实施例一中的超声波通信的数据帧时序图；
图5示出了根据本申请实施例一中的超声波通信的数据帧中的包头的数据结构示意图；
图6中示出了根据本申请实施例二的音频数据通信方法的流程图；
图7示出了根据本申请实施例三的头戴设备的结构示意图；
图8示出了根据本申请实施例四的头戴设备的结构示意图；
图9示出了根据本申请实施例五的音频数据通信系统的结构示意图；
图10示出了根据本申请实施例六的主耳机和从耳机的结构示意图；
图11示出了采用QPSK调制的超声波基带与调制解调器的结构示意图；
图12示出了如图11所示超声波基带与调制解调器结构图中的QPSK调制的映射示意图；
图13示出了如图11所示超声波基带与调制解调器结构图中的数字脉冲成形和数字滤波器采用的根升滚降余弦滤波器的时域波形图。
具体实施方式
在实现本申请的过程中，发明人发现，在左右声道通过无线连接的蓝牙双无线立体声音乐耳机更是深受人们欢迎的同时，连接左右声道的蓝牙射频信号被头阻隔，往往需要很大的发射功率才能获得满意的传输性能。
尤其是在室外时，由于周围较为空旷，需要非常大的发射功率才能获得满意的传输性能。但是，发明人经研究发现，蓝牙所在的2.4GHz频段也是微波炉频段。众所周知，微波炉辐射的2.4GHz电磁波同水分子产生共振而加热食品，甚至使蛋白质脱水而碳化。而根据医学研究表明，如果大脑长时间密集吸收2.4GHz频段的电磁辐射后，轻则导致大脑发热而头晕，严重的可能导致个别细胞的DNA脱水而产生癌症或脑瘤。
因此，发明人认为，现有技术中这种通过蓝牙射频信号来连接左右声道的方式会对人们的健康带来危害。
为了解决上述问题，本申请实施例中提供了一种音频数据通信系统及头戴设备，在主设备从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送至从设备；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
简言之，本申请实施例中的头戴设备可以包括主耳机和从耳机，主耳机可以通过射频无线通信同音源设备建立无线连接并接收包括左声道和右声道的立体声音频数据，例如，音乐数据，再通过超声波无线通信把其中一路单声道音乐数据重新编码后转发给从耳机，从而实现双无线立体声功能。
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在具体实施时，主设备和从设备可以是例如耳机的头戴设备。为了示例的目的，在本申请实施例中，将采用主耳机和从耳机来进行详细描述。本领域技术人员应当理解，其他头戴设备也在本申请实施例的保护范围之内。
图1示出了根据本申请实施例一的实施场景示意图。
如1所示，根据本申请实施例一的通信系统10，包括：音频源设备100，主耳机200，从耳机300。在具体实施时，主耳机可以通过射频无线通信同智能手机或平板电脑等音频源设备无线连接，并接收音频源设备通过射频无线传输的立体声音乐。主耳机解码立体声音乐后，一路存放在本地播放，另一路重新编码后通过超声波无线通信传输给从耳机。
在具体实施时，图1中所示的主耳机既可以是左声道耳机也可以是右声道耳机，而从耳机则对应为右声道耳机或左声道耳机。
在具体实施时，主耳机和从耳机可以是分别仅执行各自相应功能的不同耳机。即，主耳机仅具有从音频源设备接收双声道音频数据，再通过超声波无线通信把其中一路单声道音乐数据重新编码后转发给从耳机的功能；而从耳机仅具有从主耳机接收超声波，并解码再同步播放的功能。
在另一种具体实施方式中，主耳机和从耳机也可以是同时具备接收和发射超声波功能的耳机。即，主耳机和从耳机均具有从音频源设备接收双声道音频数据，再通过超声波无线通信把其中一路单声道音乐数据重新编码后转发给另一耳机、并且具有从另一耳机接收超声波，并解码再同步播放的功能。应当理解，此时的“主”和“从”是相对概念，在不同的场景下，主耳机和从耳机的位置可以互换。例如，在某个场景下，左耳机可以被作为主耳机，右耳机作为从耳机；而在另一场景下，也可以是由右耳机作为主耳机，而左耳机作为从耳机。应当理解，当两个耳机中的一个被作为“主耳机”时，另一个就相应的作为“从耳机”。
具体地，可以根据多种方式确定主耳机，例如，可以将先接入音频源设备的耳机作为主耳机，后接入的作为从耳机；也可以由用户在音频源设备上进行选择或设置来确定主耳机和从耳机，本申请对此均不作限制。
实施例一
图2示出了根据本申请实施例一的主耳机侧执行的音频数据通信方法的流程图。
应当理解，本申请实施例一的主耳机是作为通信中的发送端。
如图2所示，根据本申请实施例一的主耳机侧执行的音频数据通信方法包括：
S201，从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据。
在具体实施时，音频源设备可以是智能手机或平板电脑等音频源设备。该两个声道可以是左声道和右声道。
S202，将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送。
在具体实施时，该预定的数据格式可以为如图3所示的帧格式，该帧格式包括：前导符单元、同步字单元、包头、数据负载单元及循环冗余CRC校验单元。具体地，前导符单元承载用于实现自动增益控制，符号和频率同步的字段；同步字单元承载用于帧同步的字段；包头用于传递数据包序列号和数据负载长度；数据负载单元承载音频编码数据；CRC校验单元承载用于实现数据包错误检测的字段。
在具体实施时，将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送具体可以包括：对解码后的、一个声道的音频数据重新编码；对音频数据的数据负载及包头进行CRC校验；对经CRC校验的信号执行白化；对白化后的信号进行纠错编码；在纠错编码后的信号中插入前导符；在纠错编码后的信号中插入同步字；对插入前导符和同步字后的信号进行调制；对调制后的信号执行数字脉冲成型和过采样；将经数字脉冲成型和过采样的信号调制在数字载波上；将调制后的信号通过数模转换变为模拟信号；对所述模拟信号进行功率放大；对经功率放大后的信号执行带通滤波；变换为超声波发送。
在具体实施时，超声波调制方式可以采用现有技术中的幅度调制，相位调制，频率调制，OFDM等调制方式的任意一种。
在具体实施时，可以采用固定帧间隔的方式通过超声波发送封装为预定的数据格式的数据包，数据包长度由编码速率，超声波带宽和调制方式等共同决定，只需要小于固定帧间隔即可。具体地，该超声波通信的数据帧时序图可以如图4所示。
具体地，包头的数据结构可以如图5所示，包含序列号(SEQN)字段，负载数据的长度(LENGTH)字段和循环校验字段。
具体地，超声波基带与调制解调器的超声波调制方式可以采用QPSK调制，音频可以采用Opus编码，单声道音频数据编码后的速率为50kbps，10ms帧间隔内的音频数据编码后为500bits，采用1/2纠错编码后的数据为1000bits，调制为500个QPSK符号。具体地，前导符单元可以采用如下序列：01 10 01 10 01 10 01 10 01 10 01 10 01 10 01 10，调制为16个QPSK符号。同步字单元可以采用如下序列：10 10 11 00 11 11 11 00 00 00 10 0110 10 01 10，调制为16个QPSK符号。包头中包含4bits序列号(SEQN)，12bits负载数据的长度(LENGTH)和16bits循环校验(HEC:Header Error Check)，总共32bits，调制为16个QPSK符号。CRC校验单元为24bits，采用1/2纠错码后的数据为48bits，调制为24个QPSK符号。因此，图4中的数据包总共包含572个QPSK符号。
在具体实施时，可以采用中心频率为80kHz的超声波进行通信，使用带宽为100kHz，即，信号有效带宽从30kHz到130kHz，最大传输速率可以达到200kbps。此时，QPSK符号速率为100kHz，符号长度为10us；因此，在图3所示的数据包结构中，前导符序列，同步字和包头的长度都是160us，数据负载5000us，CRC长度240us，数据包总长度为5720us。
为了对抗射频无线通信信道不可靠导致的随机延迟问题，在具体实施时，在通过超声波发送之前，还可以包括：缓存预定数量的数据帧。
即，主耳机缓存一定的数据之后再通过超声波发送重新编码的单声道数据给从耳机。具体地，该预定数量可以是6帧、8帧、10帧等。
S203，播放另一个声道的音频数据。
在具体实施时，为了保证主耳机和从耳机播放的左右声道同步，具体可以在发送第一个该数据帧的同步字单元后，延迟第一预定时间长度后，播放与第一个该数据帧相对应的、另一个声道的音频。
即，主耳机以发送第一个数据帧的同步字单元结束的时间点为基准，延迟一个预定的时间长度后，开始从头播放另一个声道的音频数据。
具体地，该第一预定的时间长度可以根据从耳机缓存数据的大小和超声波传输延迟共同决定。在具体实施时，从耳机缓存数据的大小也可以是预先设定的，而超声波在人体内的传输速率为1500m/s，超声波从主耳机传播到从耳机的延迟大约150us。例如，当从耳机缓存数据的大小为6帧时，6帧数据帧的时长为60ms，则该第一预定的时间长度为60ms+150us。
在具体实施时，该一个声道可以是左声道，也可以是右声道；相应的，该另一个声道是右声道和左声道。具体地，当主耳机是右声道耳机时，该一个声道是左声道，该另一个声道是右声道；当主耳机是左声道耳机时，该一个声道是右声道，该另一个声道是左声道。而当两个耳机不分左右时，可以随机选择发送一个声道，并播放另一个声道。本领域技术人员应当理解，上述实施方式均在本申请的保护范围之内。
采用本申请实施例中的音频数据通信方法，在主耳机从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送至从耳机；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
实施例二
图6中示出了根据本申请实施例二的从耳机侧执行的音频数据通信方法的流程图。
如图6所示，根据本申请实施例二的从耳机侧执行的音频数据通信方法包括：
S601，接收以超声波方式发送的一个声道的音频信号。
S602，解调该音频信号，并根据预定的数据格式，从解调后的音频信号中提取一个声道的音频数据并进行解码。
应当理解，本申请实施例二中的从耳机是作为通信中的接收端。因此，其采用的数据格式是与实施例一中的主耳机的数据格式一致的，该预定的数据格式的实施可以参见本申请实施例一中的相关描述，重复之处不再赘述。
在具体实施时，解调该音频信号具体可以包括：对超声波变换的电信号进行带通滤波；对经带通滤波后的信号执行低噪声放大；将经低噪声放大后的信号变为数字信号；将数字信号解调为数字基带信号；对数字基带信号进行数字滤波和下采样；对数字滤波和下采样模块输出的信号执行信号检测、自控增益控制、采样与频率同步；执行同步字检测获得数据解调的起始位置；对数字滤波和下采样模块输出的信号进行偏差补偿；根据解调的起始位置执行解调；对解调后的信号执行纠错编码；对执行纠错编码后的信号执行解白化；对解白化后的信号执行CRC校验，并输出CRC校验后的音频数据。
S603，与另一个声道同步地播放解码后的该一个声道的音频数据，其中，该另一个声道为与该一个声道对应的声道。
在具体实施时，为了保证主耳机和从耳机播放的左右声道同步，从耳机可以在解码到第一个数据帧的同步字单元后，延迟第二预定时间长度后，从第一个数据帧开始播放该一个声道的音频，该第二预定时间长度比第一预定时间长度小预定大小，该第一预定时间长度为该另一个声道的音频数据的延迟播放时间。
具体地，从耳机可以以收到如图3中数据包同步字为时间基准，延迟第二预定时间长度后，以同步字完全匹配的时间点作为起点，从头开始播放单声道音频。
具体地，该第二预定的时间长度可以根据从耳机缓存数据的大小决定。在具体实施时，从耳机缓存数据的大小也可以是预先设定的。具体地，可以预先根据数据包经过解码和音频后处理所需要的时长的经验值来设定从耳机缓存数据的大小。
例如，当从耳机缓存数据的大小为6帧时，6帧数据帧的时长为60ms，则该第二预定的时间长度为60ms。即，从耳机收到数据后，缓存6帧后开始播放。
结合本申请实施例一中的主耳机在播放之前延迟的第一预定时间长度可知，从耳机中延迟的第二预定时间长度＝第一预定时间长度－超声波从主耳机传播到从耳机的延迟。
在具体实施时，主从耳机之间由于时钟偏差会导致音频播放延迟偏差，延迟偏差的积累会导致同步丢失。
在具体实施时，还可以根据该同步字单元确定发送该一个声道的音频数据的发送设备的时钟频率；在确定与该发送设备存在时钟偏差时，调整播放时钟。
即，当接收到的同步字单元中的信息表明从耳机时钟比主耳机时钟快时，则调慢音频播放时钟。反之，则调快音频播放时钟。从而使得从耳机可以通过跟踪同步字的同步偏差信息来调整从耳机音频播放时钟，以避免主耳机和从耳机之间时钟偏差的积累导致的同步丢失。
在具体实施时，如果从耳机侧信号检测或同步失败，则启动丢包补偿(PLC:PacketLoss Concealment)技术补偿丢包信息；如果CRC检测失败，则按错误数据包处理。
采用本申请实施例中的音频数据通信方法，接收以超声波方式发送的一个声道的音频数据；采用预定的数据格式对该一个声道的音频数据进行解码；并与另一个声道的音频数据同步播放；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种头戴设备，由于该头戴设备解决问题的原理与本申请实施例一所提供的方法相似，因此该头戴设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
实施例三
图7示出了根据本申请实施例三的头戴设备的结构示意图。
如图7所示，根据本申请实施例三的头戴设备700至少包括：射频收发机701，用于从音频源设备接收两个声道的音频数据；微处理器702，用于执行通信协议，对所述两个声道的音频数据进行解码，对其中一路音频重新编码；超声波基带与调制解调器703，用于将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制；超声波变换器704，用于通过超声波发送该预定的数据格式；扬声器705，用于播放另一个声道的音频数据。
在具体实施时，该预定的数据格式可以为帧格式，该帧格式包括：前导符单元、同步字单元、包头、数据负载单元及循环冗余CRC校验单元。
在具体实施时，该超声波变换器具体可以用于：采用固定帧间隔的方式通过超声波发送该预定的数据格式。
在具体实施时，该固定帧间隔可以为10毫秒，该前导符单元为32比特，该同步字单元为32比特，该包头为32比特，该数据负载单元为500比特，该CRC校验单元为24比特。
在具体实施时，所述超声波基带与调制解调器具体包括：CRC模块，用于对经微处理器重新编码的音频数据负载及包头进行CRC校验；白化模块，用于对经CRC校验的信号执行白化；纠错编码，用于对白化后的信号进行纠错编码；前导符插入模块，用于在纠错编码后的信号中插入前导符；同步字插入模块，用于在纠错编码后的信号中插入同步字；调制模块，用于对插入前导符和同步字后的信号进行调制；数字脉冲成型和过采样模块，用于对调制后的信号执行数字脉冲成型和过采样；数字载波调制模块，用于将经数字脉冲成型和过采样的信号调制在数字载波上；数模转换模块，用于将调制后的信号通过数模转换变为模拟信号；功率放大器，用于对模拟信号进行功率放大；带通滤波器，用于对经功率放大后的信号执行带通滤波，并输出信号至超声波变换器。
在具体实施时，根据本申请实施例三的头戴设备还包括：存储器，用于缓存预定数量的数据帧。
在具体实施时，该扬声器还可以用于：在发送第一个该数据帧的同步字单元后，延迟第一预定时间长度后，播放与第一个该数据帧相对应的、另一个声道的音频。
采用本申请实施例中的头戴设备，在从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种头戴设备，由于该头戴设备解决问题的原理与本申请实施例二所提供的方法相似，因此该头戴设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
实施例四
图8示出了根据本申请实施例四的头戴设备的结构示意图。
如图8所示，根据本申请实施例四的头戴设备800包括：超声波变换器801，用于接收以超声波方式发送的一个声道的音频数据；超声波基带与调制解调器802，用于采用解调所述音频信号；微处理器803，用于从解调后的音频信号中提取一个声道的音频数据并进行解码；扬声器804，用于与另一个声道同步地播放解码后的该一个声道的音频数据，其中，该另一个声道为与该第一个声道对应的声道。
在具体实施时，预定的数据格式可以为帧格式，该帧格式包括：前导符单元、同步字单元、包头、数据负载单元及循环冗余CRC校验单元。
在具体实施时，该超声波基带与调制解调器可以包括：带通滤波器BPF，用于对由超声波变换器变换后的电信号进行带通滤波；低噪声放大器，用于对带通滤波后的信号执行低噪声放大；模数转换模块，用于将经低噪声放大后的信号变为数字信号；数字载波解调模块，用于将数字信号解调为数字基带信号；数字滤波和下采样模块，用于对数字基带信号进行数字滤波和下采样；信号检测、自控增益控制、采样与频率同步模块，用于对数字滤波和下采样模块输出的信号执行信号检测、自控增益控制、采样与频率同步；同步字检测模块，用于执行同步字检测获得数据解调的起始位置；偏差补偿模块，用于对数字滤波和下采样模块输出的信号进行偏差补偿；解调模块，用于根据解调的起始位置执行解调；纠错编码模块，用于对解调后的信号执行纠错编码；解白化模块，用于对执行纠错编码后的信号执行解白化；CRC校验模块，用于对解白化后的信号执行CRC校验，并输出CRC校验后的音频数据。
在具体实施时，扬声器具体可以用于：在该超声波基带与调制解调器解码到第一个数据帧的同步字单元后，延迟第二预定时间长度后，从第一个数据帧开始播放该一个声道的音频；该第二预定时间长度比第一预定时间长度小预定大小，该第一预定时间长度为该另一个声道的音频数据的延迟播放时间。
在具体实施时，根据本申请实施例四的头戴设备还可以包括：微处理器，用于根据该同步字单元确定发送该一个声道的音频数据的发送设备的时钟频率；在确定与该发送设备存在时钟偏差时，调整播放时钟。
采用本申请实施例中的头戴设备，接收以超声波方式发送的一个声道的音频数据；采用预定的数据格式对该一个声道的音频数据进行解码；并与另一个声道的音频数据同步播放；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种音频数据通信系统，由于该系统解决问题的原理与本申请实施例一和二所提供的方法相似，因此该系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
实施例五
图9示出了根据本申请实施例五的音频数据通信系统的结构示意图。
如图9所示，根据本申请实施例五的音频数据通信系统900包括：主耳机700；以及从耳机800。
在具体实施时，主耳机700的实施可以参见本申请实施例三中头戴设备700的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，从耳机800的实施可以参见本申请实施例四中头戴设备800的实施，重复之处不再赘述。
采用本申请实施例中的音频数据通信系统，在主耳机从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送至从耳机；从耳机接收以超声波方式发送的一个声道的音频数据；采用预定的数据格式对该一个声道的音频数据进行解码；并与主耳机中的音频数据同步播放；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
为了使本领域技术人员更好的理解本申请，下面将以一具体的实施场景为例，对本申请实施例进行详细描述。
实施例六
根据本申请实施例六的实施场景可以参考图1所示的实施场景，主耳机通过射频无线通信同智能手机或平板电脑等音频源设备无线连接，并接收音频源设备通过射频无线传输的立体声音乐。主耳机解码立体声音乐后，一路存放在本地播放，另一路重新编码后通过超声波无线通信传输给从耳机。
在本申请实施例中，主耳机和从耳机包含完全相同的功能模块，主耳机和从耳机的结构图均如图10所示。具体地，根据本申请实施例六的主耳机和从耳机包括天线1001，射频收发机1002，基带处理器1003，微处理器及存储器1004，扬声器1005，超声波基带与调制解调器1006，超声波变换器1007。
天线用于射频信号的收发，射频收发机用于把从天线接收的射频信号解调为数字基带信号，并送给基带处理器进一步处理；或者把基带处理器的数字基带信号调制为射频信号送给天线。微处理器用于执行射频通信协议和应用程序，包括音频源数据的编解码等。存储器用于保存代码或数据。扬声器用于把解码的音乐数据变为声音播放。
超声波基带与调制解调器用于把重新编码后的音频数据加工为适合超声波发送的数据包，并调制在载波上，再发送给超声波变换器。或者，从超声波变换器接收载波调制信号，解调为基带信号，并提取音频数据送给微处理器解码。超声波变换器用于把电信号变为超声波信号，或者把超声波信号变换为模拟电信号。
在具体实施时，主耳机通过图10中的天线、射频收发机和基带处理器接收音频源设备发送的射频无线立体声音乐，并通过扬声器播放通过微处理器解码的立体声音乐中的一路。微处理器把另一路音乐数据重新编码后，通过超声波基带与调制解调器、超声波变换器变换为超声波传输给从耳机。
从耳机可以仅通过超声波基带与调制解调器、超声波变换器，接收主耳机超声波无线传输的单声道数据。并通过扬声器播放微处理器解码后的单声道音乐。从耳机其它模块不工作。
在本申请实施例中，超声波基带与调制解调器的超声波调制方式采用QPSK调制。
图11示出了采用QPSK调制的超声波基带与调制解调器的结构示意图。
如图11所示，经过微处理器重新编码的音频数据负载及包头依次经过CRC校验，白化，纠错编码，QPSK调制，数字脉冲成型和过采样后，调制在数字载波上，然后，通过数模转换变为模拟信号，再经过功率放大器放大，最后经过带通滤波(BPF)。带通滤波后的信号送给超声波变换器变为超声波发送。接收时，超声波变换器把超声波信号转换为电信号后，经过带通滤波器(BPF)滤波，低噪声放大器放大，模数转换器转换为数字信号，再经过数字载波解调器解调为数字基带信号。然后，经过数字滤波和下采样。通过信号检测，自动增益控制，采样与频率同步后，通过同步字检测获得数据解调的起始位置。然后，依次通过偏差补偿，QPSK解调，纠错解码，解白化和CRC校验。最后，把CRC校验后的数据送给微处理器做音频解码。其中，偏差补偿指频率偏差和采样偏差的补偿。频率偏差通过频率同步和频率偏差跟踪获得，采样偏差通过采样偏差跟踪获得。
图12示出了如图11所示超声波基带与调制解调器结构图中的QPSK调制的映射示意图。
图13示出了如图11所示超声波基带与调制解调器结构图中的数字脉冲成形和数字滤波器采用的根升滚降余弦滤波器(square-root raised cosine pulse)的时域波形图。如图13所示，过采样率为32，即采样率为3.2MHz。数模转换和模数转换的采样速率都是3.2MHz。
采用本申请实施例中的音频数据通信系统，在主耳机从音频源设备接收并解码两个声道的音频数据后；将解码后的、一个声道的音频数据重新编码后封装为预定的数据格式并调制，并通过超声波发送至从耳机；从耳机接收以超声波方式发送的一个声道的音频数据；采用预定的数据格式对该一个声道的音频数据进行解码；并与主耳机中的音频数据同步播放；从而通过超声波实现左右声道的无线连接。人们经过长时间的医学应用确认，超声波可以很容易穿透大脑在左右耳之间传播，需要很低的功耗，并且超声波对人体几乎没有负面影响，从而大大降低射频对大脑的辐射。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种音频数据通信系统，其特征在于，包括：
主耳机，所述主耳机包括：射频收发机，用于从音频源设备接收两个声道的音频数据；第一微处理器，用于执行通信协议，对所述两个声道的音频数据进行解码，对其中一个声道的音频数据重新编码；第一超声波基带与调制解调器，用于将重新编码后的一个声道的音频数据封装为预定的数据格式并调制；第一超声波变换器，用于通过超声波发送调制后的预定的数据格式的信号；第一扬声器，用于播放另一个声道的音频数据；以及
从耳机，所述从耳机包括：第二超声波变换器，用于接收第一超声波变换器以超声波方式发送的信号；第二超声波基带与调制解调器，用于解调所述第二超声波变换器输出的信号；第二微处理器，用于从解调后的信号中提取一个声道的音频数据并进行解码；第二扬声器，用于与另一个声道同步地播放解码后的所述一个声道的音频数据，其中，所述另一个声道为与所述一个声道对应的声道；
由主耳机发出的超声波以人体为传输介质被传输至从耳机，主耳机以发送第一个数据帧的同步字单元结束的时间点为基准，延迟第一预定时间长度后，开始从头播放另一个声道的音频数据，以保证主耳机和从耳机播放的声道同步，该第一预定时间长度根据从耳机缓存数据的大小和超声波在人体中的传输延迟共同决定，
从耳机在解码到第一个数据帧的同步字单元后，延迟第二预定时间长度后，从第一个数据帧开始播放该一个声道的音频数据，该第二预定时间长度根据从耳机缓存数据的大小决定。
2.根据权利要求1所述的音频数据通信系统，其特征在于，预定的数据格式为帧格式，所述帧格式包括：前导符单元、同步字单元、包头、数据负载单元及循环冗余CRC校验单元。
3.根据权利要求2所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述第一超声波变换器具体用于：采用固定帧间隔的方式通过超声波发送调制后的预定的数据格式的信号。
4.根据权利要求3所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述第一超声波基带与调制解调器具体包括：
CRC模块，用于对经第一微处理器重新编码的音频数据负载及包头进行CRC校验；
白化模块，用于对经CRC校验的信号执行白化；
纠错编码，用于对白化后的信号进行纠错编码；
前导符插入模块，用于在纠错编码后的信号中插入前导符；
同步字插入模块，用于在纠错编码后的信号中插入同步字；
调制模块，用于对插入前导符和同步字后的信号进行调制；
数字脉冲成型和过采样模块，用于对调制后的信号执行数字脉冲成型和过采样；
数字载波调制模块，用于将经数字脉冲成型和过采样的信号调制在数字载波上；
数模转换模块，用于将调制后的信号通过数模转换变为模拟信号；
功率放大器，用于对所述模拟信号进行功率放大；
带通滤波器，用于对经功率放大后的信号执行带通滤波，并输出信号至第一超声波变换器。
5.根据权利要求4所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述主耳机还包括：
存储器，用于缓存预定数量的数据帧。
6.根据权利要求5所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述第一扬声器还用于：
在发送第一个所述数据帧的同步字单元后，延迟第一预定时间长度后，播放与第一个所述数据帧相对应的、另一个声道的音频数据。
7.根据权利要求1所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述第二超声波基带与调制解调器包括：
带通滤波器BPF，用于对由第二超声波变换器变换后的电信号进行带通滤波；
低噪声放大器，用于对带通滤波后的信号执行低噪声放大；
模数转换模块，用于将经低噪声放大后的信号变为数字信号；
数字载波解调模块，用于将所述数字信号解调为数字基带信号；
数字滤波和下采样模块，用于对所述数字基带信号进行数字滤波和下采样；
信号检测、自控增益控制、采样与频率同步模块，用于对数字滤波和下采样模块输出的信号执行信号检测、自控增益控制、采样与频率同步；
同步字检测模块，用于对所述信号检测、自控增益控制、采样与频率同步模块输出的信号执行同步字检测获得数据解调的起始位置；
偏差补偿模块，用于对所述数字滤波和下采样模块输出的信号进行偏差补偿；
解调模块，用于根据所述解调的起始位置对所述数字滤波和下采样模块输出且经过偏差补偿的信号执行解调；
纠错解码模块，用于对解调后的信号执行纠错解码；
解白化模块，用于对执行纠错解码后的信号执行解白化；
CRC校验模块，用于对解白化后的信号执行CRC校验，并输出CRC校验后的音频数据。
8.根据权利要求7所述的音频数据通信系统，其特征在于，第二扬声器具体用于：
在第二超声波基带与调制解调器解码到第一个数据帧的同步字单元后，延迟第二预定时间长度后，从第一个数据帧开始播放所述一个声道的音频数据；所述第二预定时间长度比第一预定时间长度小预定大小，所述第一预定时间长度为所述另一个声道的音频数据的延迟播放时间。
9.根据权利要求8所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述第二微处理器还用于：
根据所述同步字单元确定发送所述一个声道的音频数据的发送设备的时钟频率；在确定与所述发送设备存在时钟偏差时，调整播放时钟。
10.根据权利要求1所述的音频数据通信系统，其特征在于，所述超声波信号有效带宽从30kHz到130kHz，最大传输速率为200kbps，第一超声波基带与调制解调器的超声波调制方式采用QPSK调制，音频数据采用Opus编码，单声道音频数据编码后的速率为50kbps，10ms帧间隔内的音频数据编码后为500 bits，采用1/2纠错编码后的数据为1000 bits，调制为500个QPSK符号。
11.根据权利要求10所述的音频数据通信系统，其特征在于，当采用QPSK方式调制时，所述QPSK符号速率为100kHz，符号长度为10us；前导符序列，同步字和包头的长度均为160us，数据负载5000us，CRC长度240us，数据包总长度为5720us。
12.一种用于权利要求1-11任一项所述的音频数据通信系统中的主耳机，其特征在于，包括：
射频收发机，用于从音频源设备接收两个声道的音频数据；第一微处理器，用于执行通信协议，对所述两个声道的音频数据进行解码，对其中一个声道的音频数据重新编码；第一超声波基带与调制解调器，用于将重新编码后的一个声道的音频数据封装为预定的数据格式并调制；第一超声波变换器，用于通过超声波发送调制后的预定的数据格式的信号；第一扬声器，用于播放另一个声道的音频数据；
由主耳机发出的超声波以人体为传输介质被传输至从耳机，主耳机以发送第一个数据帧的同步字单元结束的时间点为基准，延迟第一预定时间长度后，开始从头播放另一个声道的音频数据，该第一预定时间长度根据从耳机缓存数据的大小和超声波在人体中的传输延迟共同决定。
13.一种用于权利要求1-11任一项所述的音频数据通信系统中的从耳机，其特征在于，包括：
第二超声波变换器，用于接收主耳机的第一超声波变换器以超声波方式经由人体发送的信号；第二超声波基带与调制解调器，用于解调第二超声波变换器输出的信号；第二微处理器，用于从解调后得到的信号中提取一个声道的音频数据并进行解码；第二扬声器，用于与另一个声道同步地播放解码后的所述一个声道的音频数据，其中，所述另一个声道为与所述一个声道对应的声道，
从耳机在解码到第一个数据帧的同步字单元后，延迟第二预定时间长度后，从第一个数据帧开始播放该一个声道的音频数据，该第二预定时间长度根据从耳机缓存数据的大小决定。
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| GR01 | Patent grant | ||
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