CN101106712A

CN101106712A - 多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法与装置

Info

Publication number: CN101106712A
Application number: CN 200710029642
Authority: CN
Inventors: 韦岗; 张军; 丁泉龙
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2008-01-16

Abstract

本发明公开了一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法与装置。一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的发送装置，包括信号输入接口、信号压缩模块、数据封装模块、UWB传输模块和压缩率调整模块。由对应的模块组成接收装置，接收装置无需压缩率调整模块。本发明采用了UWB技术来进行无线传输，有效地解决了高速实时信号传输的速率问题，具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等众多的优点。本发明可以同时传输多路模拟/数字混合信号，使用灵活，可以广泛地应用在监控、传感、工控、音视频和数据传输等多种场合。

Description

多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法与装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种使用超宽带(UWB)技术进行多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法和装置。

背景技术

随着技术的发展和生活水平的提高，各种电子产品日益影响着人们的工作、学习、生活、交流、娱乐等各个方面。但现有的许多电子产品、或同一电子产品中的各部件之间往往需要通过各种信号线连接起来才能正常工作，给实际使用带来诸多不便。例如，监控摄像头、电脑显示器、投影仪等和主机之间需要使用视频线进行连接，DVD、功放等与电视、音箱间需要视频、音频线进行连接，电脑与网络间需要通过网线、ADSL等进行连接，等等。这些有形的连线给电子产品的安装、移动带来极大的不便，限制了各部件之间的摆放距离和位置，此外，外露的连线不仅影响美观，也更容易受到损坏。在许多场合下，为了避免连线的外露，人们需要特意在装修时在墙上铺设暗线，既增加了装修的工程量，又使得设备的位置固定下来不能再变化。

近年来无线通信技术取得了长足的发展，例如蓝牙、WiFi、WiMax等技术分别提供了电子设备间的短距离无线连接、无线局域网和无线城域网构建的接口标准和传输技术，为打破原有电子设备中或之间的有线连接束缚提供可能。一些新的电子产品中已看不到传统的连接线，取而代之的是各种无线连接技术，例如蓝牙耳机、无线音箱等等，给使用带来很大的方便。但蓝牙、WiFi、WiMax等技术具有一个共同的缺点，就是其数据传输速率不高，难以满足许多传输数据量大、传输速率高的应用的要求。例如，蓝牙1.1最高数据传输速率为1Mbps，WiFi为54Mbps，WiMax为下行32Mbps、上行4Mbps，而1280*1024、32比特、每秒25帧的未经压缩视频信号要求的速率约为1280*1024*32*25≈1Gbps，显然，即使经过压缩处理也难以使用上述技术进行传输。

超宽带技术(UWB)无线传输是近年来无线传输研究中的一个热点，与蓝牙、WiFi、WiMax等技术相比，UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等突出的优点，能在3.1GHz到10.6GHz频率之间提供最高达到480Mbps数据传输速率，非常适合大数据量实时信号的短距离高速传输。该技术目前已应用到计算机与闪存、光驱、硬盘之间的数据传输、高清电视信号传输等方面，并有数个处于公开阶段的相关专利，但这些应用多是针对较为单一的信号传输，例如单独的视频、音频或数据信号传送等，并且在UWB传输速率因发射、接收端距离等因素的变化而发生变化时，无自适应调整信源速率的功能，因而在实际使用中还存在着较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提供一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法，该方法利用超宽带(UWB)传输技术，同时对多路模拟/数字混合信号进行高速无线传输，并且能根据现场传输条件的变化自适应地调整信源的速率，能有效地利用有限的传输资源，保证信号传输的实时性。

本发明同时提供了一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的装置，具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等多种优点，可以方便地用于监控、传感、工控、音视频和数据传输等多种场合。

本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法，在发送端具体可以采用以下步骤进行信号的发送：

(1) 接收接口输入的信号并转换为微处理器可直接处理的数字信号。如果接口输入的是数字信号，则进行必要的格式转换；如果接口输入的是模拟信号，则对信号进行采样和量化，转换为数字信号。

(2) 根据当前UWB的传输速率和预定的信号压缩方式，确定信号的压缩率。

(3) 根据步骤2确定的信号压缩率，对步骤1中的数字信号进行压缩编码。

(4) 将多路编码压缩后的信号进行封装打包，使用UWB技术进行发送。

本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法，在接收端具体可以采用以下步骤进行数据的接收和还原：

1、接收UWB信号，并将接收的数据帧解封装，分离多路信号。

2、对接收的多路信号进行解压缩，得到解压后的信号。

3、将解压后的信号送至对应的接口输出。如果是接口输出的是数字信号，则进行必要的格式转换；如果接口输出的是模拟信号，则对步骤2得到的解压后的信号进行数/模转换，转换为模拟信号进行输出。

其中，发送端步骤2的信号压缩率的确定，具体又可以分为下步骤：

1.1、根据当前原始信号的速率和所采用压缩算法所能提供的不同压缩率，计算出所有压缩率下信号所需的传输速率。

1.2、根据当前UWB所能提供的传输速率，确定每秒可用于信号传输的比特数

1.3、根据步骤1.1计算得到的不同压缩率下信号的速率，选择合适的压缩率，使压缩后多路信号的总速率最接近并且不超过步骤1.2所确定的每秒可用于信号传输的比特数

本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输装置，其发送端由UWB传输模块、数据封装模块、信号压缩模块、压缩率调整模块、信号输入接口共同组成。其中信号输入接口与信号压缩模块连接，为本发明提供多路模拟/数字信号输入的接口，实现模拟信号的数/模转换以及数字信号的格式转换等功能；信号压缩模块分别与信号输入接口、数据封装模块和压缩率调整模块连接，将多路输入信号按给定的压缩率进行压缩编码；数据封装模块与信号压缩模块、UWB传输模块连接，将压缩后的多路信号封装为统一格式的数据包；UWB传输模块与数据封装模块和压缩率调整模块连接，完成数据的超宽带传输，并向压缩率调整模块提供当前传输速率；压缩率调整模块与UWB传输模块信号、信号压缩模块相连，根据UWB当前的传输速率自适应地确定当前信号的压缩率，并提供给信号压缩模块。

本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输装置，其接收端由UWB传输模块、数据解封装模块、信号解压缩模块、信号输出接口共同组成。UWB传输模块与数据解封装模块连接，完成超宽带数据的接收；数据解封模块与UWB传输模块、信号解压缩模块连接，完成多路信号的解封装和分离；信号解压缩模块与数据解封模块、信号输出接口连接，对压缩的信号进行解压缩；信号输出接口与信号解压缩模块连接，将解压后的信号转换为合适的形式输出到外部设备。

本发明的有益之处在于：

1、本发明可以同时传输多路模拟/数字混合信号，使用灵活，可以广泛地应用在监控、传感、工控、音视频和数据传输等多种场合。

2、本发明采用了UWB技术来进行无线传输，有效地解决了高速实时信号传输的速率问题，具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等众多的优点。

3、本发明采用了自适应的信号压缩技术，可以根据无线连接情况自适应地调整信号的压缩率，充分地利用有限的传输资源，有效地保证了诸如音视频、实时监控等场合里信号传输的连续性和实时性。

附图说明

图1为本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法发送端工作流程图。

图2为本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法接收端工作流程图。

图3为发送端步骤2中确定信号压缩率的流程框图。

图4为本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的发送装置结构框图。

图5为本发明提供的多路模拟/数字混合信号高速无线传输的接收装置结构框图。

图6为实施例1发送端硬件结构图。

图7为实施例1接收端硬件结构图。

图8为实施例1发送端软件流程图。

图9为实施例1接收端软件流程图。

图10为实施例2发送端硬件结构图。

图11为实施例2接收端硬件结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，来具体说明本发明的实施方式。

实施例1

实施例1为一多模无线视频监控系统中的无线传输部件。整个监控系统由多模摄像头、无线传输部件和监控主机三部分构成，多模摄像头包含两个CCD摄像头和两个红外摄像头，每一对CCD和红外摄像头为一组，用于实现对目标的全天侯监控，两组CCD和红外摄像头成一定角度安装，以测定目标的距离。本实施例中，CCD摄像头采用USB接口输出数字摄像信号，红外摄像头采用同轴电缆输出模拟摄像信号。四路摄像信号通过实施例1使用无线传输的方式传送至监控主机进行播放。由于是无线连接，因此摄像头的位置可以随意调整，比传统的监控系统使用起来更灵活方便。

实施例1发送端的硬件结构如图6所示，由2个USB接口、2个模拟视频输入接口、微处理器、UWB传输电路、控制面板共同构成。微处理器作为信号处理和控制的核心，与USB接口、模拟视频输入接口、UWB传输电路和控制面板连接，完成数据封装模块、信号压缩模块、压缩率调整模块的功能，可以采用单片机、DSP、MCU、FPGA等芯片实现；USB接口连接微处理器和CCD摄像头，将CCD摄像头摄录的视频信号传送至微处理器；模拟视频输入接口连接微处理器和红外摄像头，将红外摄像头摄录的视频信号转换为数字信号传送至微处理器，视频信号的模/数转换可以采用视频采集芯片来实现，如BT848；UWB传输电路与微处理器连接，完成UWB信号的发送和接收，并为微处理器提供当前的传输速率，可以采用专用的UWB芯片来实现，如Alereon公司的AL4100和AL4300；控制面板与微处理器连接，在微处理器控制下显示当前工作状态、传输速率等信息，用户也可以通过控制面板对当前工作模式等进行设置。

实施例1接收端的硬件结构如图7所示，由UWB传输电路、微处理器、4个USB接口/模拟视频输出接口和控制面板共同构成。微处理器作为信号处理和控制的核心，与USB接口、UWB传输电路和控制面板连接，完成数据解封装模块和信号解压缩模块的功能，可以采用单片机、DSP、MCU、FPGA等芯片实现；UWB传输电路与微处理器连接，完成UWB信号的传输，可以采用AL4100和AL4300等专用的UWB芯片来实现；USB接口/模拟视频输出接口连接微处理器与监控主机，提供摄像信号输出的接口，如果监控主机需要数字视频信号，则与USB接口连接，如果监控主机需要模拟视频信号，则与模拟视频输出接口连接。模拟视频输出接口中，视频信号的数/模转换可以采用专用的芯片来实现，例如M12DAA；控制面板与微处理器连接，显示有关信息及提供用户设置的界面。

实施例1中发送端软件处理的流程如图8所示，开机上电后，微处理器先进行软硬件的初始化，并设置四路摄像信号输入的缓冲区以及输出数据的缓冲区。当CCD和红外摄像头将现场摄录的视频信号通过USB接口和模拟视频输入接口传送过来时，将接收到的数据分别填入各自的缓冲区中，并设置相应的标志。当缓冲区非空时，微处理器进行数据的发送。

数据的发送首先需要确定摄像信号的压缩率，具体可以按照以下步骤进行：

1、根据当前摄像信号画面的大小、帧率和量化精度等因素，计算原始摄像信号的速率，例如，假设某路摄像信号的画面大小为W*H个像素，每个像素用K比特量化，帧率为P，则该路摄像信号的速率为V＝W*H*K*P。

2、将所用的压缩算法所能提供的压缩率乘以原始摄像信号的速率，得到不同压缩率下摄像信号所需的速率。假设压缩算法所能提供的压缩率分别为C₁、C₂、……、C_M，则采用C_m压缩后的摄像信号速率为V(C_m)＝V*C_m。压缩算法可以根据微处理器的处理能力进行选择，例如可以使用JPEG等图象压缩算法或H.264、MEPG等视频压缩算法。

3、检测当前UWB的传送速率，确定每秒可用于摄像信号传输的比特数。例如，可以采用下式进行计算：

每秒摄像信号可用的比特数＝UWB每秒传输比特数-无效负载比特数

无效负载指用于帧头、校验等地方的非摄像信号数据。

4、根据每秒摄像信号可用的比特数，选择合适的压缩率。假设当前可用于摄像信号传输的比特数为T，则选择压缩率C_1i、C_2j，C_3k、C_4l，使其满足

T≥V₁(C_1i)≥V₂(C_2j)+V₃(C_3k)+V₄(C_4l)，

且在满足上式所有的C_1m、C_2n，C_3o、C_4p中，有

V₁(C_1i)+V₂(C_2j)+V₃(C_3k)+V₄(C_4l)≥V₁(C_1m)|_m≠i+V₂(C_2n)|_n≠j+V₁(C_1o)|_o≠k+V₂(C_2p)|_p≠l

其中V₁、V₂、V₃、V₄和C₁、C₂、C₃、C₄分别表示四路摄像信号的速率和压缩率。如果需要使用纠错编码，则以上计算中还需考虑纠错编码所占的比特数。

压缩率确定后，即可将压缩率作为参数，调用压缩子程序，对摄像信号进行压缩编码。当使用纠错编码时，还需在数据流中加载纠错码。

完成摄像信号的压缩后，需要对经压缩编码的四路摄像信号进行封装打包，数据包可以采用多种格式，由收发双方共同约定。例如，一种数据包的帧格式如下：

每帧由帧头和数据区构成，帧头包括压缩方案、两路CCD数据和两路红外数据的长度，压缩方案指明四路摄像信号分别采用何种压缩率进行压缩，CCD数据长度和红外数据长度指明数据区中两路CCD数据和两路红外数据的长度。数据区由两路CCD的数据和两路红外的数据构成。帧中或帧末可增加纠错编码或校验位。

最后控制UWB传输电路将数据包发送出去。

实施例1中接收端软件处理的流程如图9所示，开机上电后，进行软硬件的初始化，并设置接收数据缓冲区和输出数据缓冲区，等待接收UWB数据。

当UWB电路收到一帧数据并送至微处理器后，将数据解封装，分解为四路压缩的摄像信号，分别存放在对应的接收缓冲区中。

对缓冲区中的四路压缩摄像信号进行解压缩，如果使用了纠错编码，则还需要进行差错检测和纠正，并可以对无法修复的比特错误或丢帧采用差错掩盖技术来恢复。

解压后的摄像信号送至输出缓冲区，监控主机通过四个USB接口/模拟视频输出接口获取四路摄像信号并进行播放。

实施例2

实施例2的发送端硬件结构如图10所示，由2个USB接口、2个模拟视频输入接口、微处理器、图象/视频压缩电路、UWB传输电路、控制面板共同构成。与实施例1不同之处在于实施例2的USB接口或模拟视频输入接口与微处理器之间增加了图象/视频压缩电路，用专用的芯片来完成信号压缩模块，能提供更复杂的压缩算法和更高的压缩率，微处理器则完成压缩率调整模块和数据封装模块的功能，并控制控制面板的工作。所述的图象/视频压缩电路可以采用DSP芯片来完成。

对应地，实施例2的接收端硬件结构如图11所示，由UWB传输电路、微处理器、图象/视频解压缩电路、4个USB接口/模拟视频输出接口、控制面板共同构成，与实施例1不同的地方在于USB接口/模拟视频输出接口与微处理器之间增加了图象/视频解压缩电路，用专用的芯片电路来完成信号解压缩模块，微处理器则完成数据解封装功能并控制控制面板的工作。图象/视频解压缩电路可以采用DSP芯片来完成。

实施例2的软件流程与实施例1基本相同，不同之处在于实施例1中的信号压缩、解压缩程序被压缩、解压缩电路控制程序所代替。

Claims

1.一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的方法，在发送端采用以下步骤进行信号的发送：

(1)接收接口输入的信号并转换为微处理器可直接处理的数字信号；如果接口输入的是数字信号，则进行必要的格式转换；如果接口输入的是模拟信号，则对信号进行采样和量化，转换为数字信号；

(2)根据当前UWB的传输速率和预定的信号压缩方式，确定信号的压缩率；

(3)根据步骤2确定的信号压缩率，对步骤1中的数字信号进行压缩编码；

(4)将多路编码压缩后的信号进行封装打包，使用UWB技术进行发送；在接收端采用以下步骤进行数据的接收和还原：

(5)接收UWB信号，并将接收的数据帧解封装，分离多路信号；

(6)对接收的多路信号进行解压缩，得到解压后的信号；

(7)将解压后的信号送至对应的接口输出；如果是接口输出的是数字信号，则进行必要的格式转换；如果接口输出的是模拟信号，则对步骤6得到的解压后的信号进行数/模转换，转换为模拟信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：发送端步骤2的信号压缩率的确定包括以下步骤：

(2.1)根据当前原始信号的速率和所采用压缩算法所能提供的不同压缩率，计算出所有压缩率下信号所需的传输速率；

(2.2)根据当前UWB所能提供的传输速率，确定每秒可用于信号传输的比特数；

(2.3)根据步骤2.1计算得到的不同压缩率下信号的速率，选择合适的压缩率，使压缩后多路信号的总速率最接近并且不超过步骤2.2所确定的每秒可用于信号传输的比特数。

3.一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的发送装置，其特征在于包括：

——信号输入接口，提供多路模拟/数字信号输入的接口，实现模拟信号的数/模转换以及数字信号的格式转换；

——信号压缩模块，按给定的压缩率将多路输入信号进行压缩编码；

——数据封装模块，将压缩后的多路信号封装为统一格式的数据包；

——由UWB传输模块，完成数据包的超宽带传输，并向压缩率调整模块提供当前传输速率；

——压缩率调整模块，根据UWB当前的传输速率自适应地确定当前信号的压缩率，并提供给信号压缩模块。

4.一种多路模拟/数字混合信号高速无线传输的接收装置，其特征在于包括：

——UWB传输模块，完成超宽带数据的接收；

——数据解封装模块，完成UWB传输模块传送来的多路信号的解封装和分离；

——信号解压缩模块，对解封装后的压缩信号进行解压缩；

——信号输出接口，将解压后的信号转换为合适的形式输出到外部设备。