CN101197585A

CN101197585A - 无线超宽带数字多麦克风系统及其音频信号传输方法

Info

Publication number: CN101197585A
Application number: CNA2007100326839A
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: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CN101197585B

Abstract

本发明公开了一种无线超宽带数字多麦克风系统及其音频信号传输方法。该系统包括：发送端，它由顺次连接的声/电转换电路、模/数转换电路、发送端控制器和发送端UWB无线传输模块构成；接收端，它由顺次连接的接收端UWB无线传输模块、接收端控制器和音频处理电路构成。发送端与接收端之间通过各自的UWB无线传输模块进行信号传输。所述系统的音频信号传输方法主要是：采用UWB无线传输方式，发送端控制器和接收端控制器根据各自所接收到和所记录的对方发送来的信息实现音频信号的发送和接收。本发明能传输高质量数字音频信号，实现多个麦克风和多个音频处理设备之间进行互不干扰的音频传输，适用于会场、演唱会、多媒体教室等多种场合。

Description

无线超宽带数字多麦克风系统及其音频信号传输方法

技术领域

本发明涉及无线超宽带传输技术，尤其涉及无线超宽带数字多麦克风音频传输技术。

背景技术

麦克风是最常用的拾音设备之一，广泛应用在各种音频处理系统中，例如录音系统、扩音系统、通话系统等均需使用麦克风来采集声音信号。现有的麦克风大多数采用有线的连接方式，通过音频线与音频处理设备相连。有线麦克风在使用时存在着诸多缺点，例如，布线麻烦、使用范围受连线长度的限制、外露的连线容易受到损坏；需要有相应的接线插口，一般音频设备难以同时提供很多插口，因而难以实现较多个麦克风的同时采集；更换麦克风时，需要插拔连线，使用麻烦，容易造成插口的损坏，等等。

使用无线麦克风可以有效地克服上述缺点。现有的无线麦克风可以分为两类，一类使用模拟的方法进行音频传输，这种无线麦克风的主要缺点是传输带宽有限，模拟器件的精度不高，造成音频的质量不高；每个路音频独占一个频道，不能实现分时传输，信道利用率不高；接收端需要为每个频道设置一个接收器才能同时接收多个麦克风的信号等。另一类是用数字的方法进行音频传输，由于以往数字无线传输技术的传输速率较低，该类麦克风如要传输高质量的音频，则需要较为复杂的编码器以提供大的压缩比，增加了硬件的复杂度，同时由于能用于信道编码的比特较少，因此抗干扰能力较差，此外，较低的传输速率也使得一台音频处理设备难以同时处理多个麦克风的音频信号。

随着无线传输技术的发展，近年来出现了多种无线传输的新技术，使得近距离内高速无线传输数据成为可能，例如，目前的超宽带(Ultra Wide Band，UWB)无线传输技术能在3.1GHz到10.6GHz频率之间提供最高达到480Mbps数据传输速率，为解决上述问题提供了良好的技术基础。

发明内容

本发明的目的在于克服现有麦克风存在的上述不足，提供了一种无线超宽带数字多麦克风系统及其音频信号传输方法，利用超宽带无线传输技术，本发明可以在传输高质量数字音频信号的同时，处理最高达95个麦克风的音频信号，并且在同时存在多个音频处理设备时，能互不干扰地分别接收相同或不同的麦克风的音频信号，可以广泛应用在会场、演唱会、多媒体教室等多种场合，特别适用于需要使用麦克风阵列的场合。

本发明提供的无线超宽带数字多麦克风系统由如下技术方案实现：

无线超宽带数字多麦克风系统包括发送端和接收端，发送端由顺次连接的声/电转换电路、模/数转换电路、发送端控制器和发送端UWB无线传输模块构成，其中，声/电转换电路用于将声音信号转换为电信号；模/数转换电路用于将声/电转换电路输出的模拟电信号转换为数字信号；发送端控制器控制模/数转换电路的工作，并控制发送端UWB无线传输模块与接收端之间的无线通信和音频传输；发送端UWWB无线传输模块完成发送端与接收端的无线通信。

接收端由顺次连接的接收端UWB无线传输模块、接收端控制器和音频处理电路构成，UWB无线传输模块完成接收端与发送端的无线通信；接收端控制器控制接收端UWB无线传输模块与发送端的无线通信和音频传输，并将接收到的音频信号送至音频处理电路；音频处理电路完成音频信号的处理、传输、存储和/或回放。

上述无线超宽带数字多麦克风系统，可以包括若干个发送端和接收端，每个发送端向多个接收端发送音频信号，每个接收端接收多个发送端传送过来的音频信号。

本发明提供的无线超宽带数字多麦克风系统的音频信号传输方法通过如下技术实现：

(1)发送端和接收端一方或双方处于开机或关机状态，若发送端开机，完成软硬件初始化后，发送端控制器通过发送端UWB无线传输模块广播“发送端准备好”消息；若接收端开机，完成软硬件初始化后，接收端控制器通过接收端UWB无线传输模块广播“接收端询问”消息；若发送端和接收端均处于关机状态，则系统处于非工作状态；

(2)如果接收端UWB无线传输模块接收到发送端传送过来的“发送端准备好”消息后，将该消息传送到接收端控制器，接收端控制器根据接收端UWB无线传输模块当前的剩余传输能力确定是否接收该发送端的信号，若是，则记录该“发送端准备好”消息的附加信息，控制接收端UWB无线传输模块向发送端发送“接收端准备好”消息，所述附加信息包括发送端的标识。

(3)如果发送端的UWB无线传输模块接收到接收端传送过来的“接收端准备好”消息，将该消息送至发送端控制器，发送端控制器记录下该“接收端准备好”消息的附加信息，该附加消息包括接收端的标识；如果该“接收端准备好”消息来自第一个回应的接收端，则接收端控制器先启动模/数转换电路进行音频信号的转换，再将转换后的音频信号通过发送端UWB无线传输模块发送至接收端，接收端根据所记录的“发送端准备好”消息的附加信息接收该音频信号；如果该“接收端准备好”消息来自第二个以上回应的接收端，发送端控制器根据已记录的该接收端的“接收端准备好”消息的附加信息，将转换后的音频信号通过发送端UWB无线传输模块发送至该接收端，接收端根据所记录的“发送端准备好”消息的附加信息接收该音频信号。

(4)发送端UWB无线传输模块接收到接收端传送过来的“接收端询问”消息，将该消息送至发送端控制器，发送端控制器根据发送端UWB无线传输模块当前的剩余传输能力确定是否向该接收端发送音频信号，如果可以发送，则控制发送端UWB无线传输模块向该接收端发送“发送端准备好”消息。

上述方法中，如果接收端需要停止使用，由接收端控制器通过UWB无线传输模块广播“接收端退出”消息，并关机；对应的发送端UWB无线传输模块接收到接收端传送过来的“接收端退出”消息，将该消息送至发送端控制器，发送端控制器删除所记录的相应接收端“接收端准备好”消息的附加信息。

上述方法中，如果发送端需要停止使用，由发送端控制器通过UWB无线传输模块广播“发送端退出”消息，并关机；相应的接收端UWB无线传输模块接收到发送端传送过来的“发送端退出”消息后，将消息传送到接收端控制器，接收端控制器删除所记录的相应发送端“发送端准备好”消息的附加信息。

上述方法中，发送端在进行音频数据传输时，通过发送端控制器对输入的音频信号进行信源和/或信道编码；接收端在接收音频数据时，接收端控制器对接收到的音频信号进行信源和/或信道解码，以及差错掩盖、自适应增益控制和/或混音。

上述方法中，“发送端准备好”消息的附加信息包含有发送端的标识、传输音频的速率、音频编码器类型和信道编码方式信息，麦克风传输音频的速率、音频编码器类型和信道编码方式信息作为接收端确定是否可以接收该发送端音频信号的依据之一；“接收端准备好”消息的附加信息包含接收端的标识和此时音频传输可用速率的信息。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明采用的超宽带无线传输技术具有很高的传输速率，因此可以采用高速高精度的模/数转换器、以及过采样等技术来实现高保真的音频质量。除音频信号外，只要声/电转换电路和模/数转换电路响应的频率足够高，本发明还可以用于超声波等高频声信号的采集和处理。

2、由于有足够的传输速率，发送端的音频可以不进行压缩编码直接发送，或仅进行简单的压缩编码，显著降低了对发送端硬件运算能力的要求，降低了成本和功耗。

3、由于有足够的传输速率，可以采用较多的比特进行信道编码，提高无线传输的抗干扰性能，保证接收端恢复音频的质量。

4、超宽带技术可以在同一场合下同时支持高达96个节点，因此一个接收端最多可以同时接收95个发送端传送过来的信号，在有多个接收端的情况下，接收端间能做到互不干扰地分别接收相同或不同的发送端的音频信号，比现有的无线麦克风系统功能更强大，使用更灵活，特别适用于需要使用麦克风阵列的场合。

附图说明

图1为本发明提供的无线超宽带数字多麦克风系统结构框图；

图2为实施例1、2、3发送端硬件结构框图；

图3为实施例1接收端硬件结构框图；

图4为实施例1发送端运行流程图；

图5为实施例1接收端运行流程图；

图6为实施例2接收端硬件结构框图；

图7为实施例3接收端硬件结构框图。

具体实施方式

本发明的硬件结构如图1所示，包括发送端和接收端，发送端由顺次连接的声/电转换电路101、模/数转换电路102、发送端控制器103、发送端UWB无线传输模块104共同构成，其中声/电转换电路101的功能是将声音信号转换为电信号；模/数转换电路102的功能是将声/电转换电路101输出的模拟电信号转换为数字信号；发送端控制器103控制模/数转换电路102的工作以及发送端UWB无线传输模块104与接收端的无线通信和音频传输；发送端UWB无线传输模块104完成发送端与接收端的无线通信。

接收端由顺次连接的接收端UWB无线传输模块105、接收端控制器106和音频处理电路107构成，接收端UWB无线传输模块105完成接收端与发送端的无线通信；接收端控制器106控制接收端UWB无线传输模块104与发送端的无线通信和音频传输，并将接收到的音频信号后送至音频处理电路107；音频处理电路107完成音频信号的处理、传输、存储和/或回放。

本发明的第一个实施例中，发送端为无线麦克风，其硬件结构如图2所示，由顺次连接的麦克风201、模/数转换芯片202、嵌入式处理器203、UWB芯片204共同构成，其中麦克风201用以实现声/电转换电路101，其功能是将声信号转换为电信号，可根据应用的需要选用现有的多种麦克风来实现；模/数转换芯片202用以实现模/数转换电路102，其功能是将麦克风201输出的模拟信号转换为数字信号，可以根据需要传输音频质量的要求选用不同精度和采样率的模/数转换芯片来实现，例如，如果只需要通信质量的语音，则可以选用320AC36；嵌入式处理器203用以实现发送端控制器103，主要完成以下功能：1、控制模/数转换芯片202的工作；2、控制UWB芯片204与接收端的无线通信和音频传输；3、对模/数转换芯片202送来的数字音频信号进行信源和/或信道编码。嵌入式处理器203可以采用MCU、DSP等来实现；UWB芯片204用以实现发送端UWB无线传输模块104，完成发送端与接收端的无线通信，可以选用Alereon公司的AL4100和AL4300等芯片来实现。UWB芯片204实现了超宽带传输的物理层和MAC层，提供物理的传输规范以及冲突处理等传输协议，保证了上层信息的透明传输。

实施例1的接收端为无线功率放大器，其结构如图3所示，由UWB芯片301、嵌入式处理器302、控制面板303、数/模转换芯片304、功率放大电路305、扬声器306共同构成，UWB芯片301、嵌入式处理器302、数/模转换芯片304、功率放大电路305、扬声器306顺次连接，控制面板303与嵌入式处理器302、功率放大电路305连接。其中，UWB芯片301用以实现接收端UWB无线传输模块105，完成接收端与发送端的无线通信，可以采用Alereon公司的AL4100和AL4300来实现；嵌入式处理器302用以实现接收端控制器106，完成以下功能：1、控制UWB芯片301与发送端的无线通信；2、对UWB芯片301传送过来的音频信号进行信源/信道解码，以及差错掩盖、自适应增益控制和混音等处理；3、将处理后的音频信号送至数/模转换芯片304，可以采用MCU、DSP等来实现；数/模转换芯片304、功率放大电路305、扬声器306共同构成回放电路，用以实现音频处理电路107，播放混音后的音频；控制面板303为用户提供对接收信号和工作状态等进行调整的操作界面，可以由液晶显示屏、按键和旋钮构成。

实施例1中的无线麦克风可以同时向多个无线功率放大器发送音频信号，无线功率放大器也可以同时接收多个无线麦克风传送过来的音频信号，同一场所中的多个无线麦克风和无线功率放大器可以以图1所示方式构成一个音频传输网络。为了方便发送端和接收端之间的通信联系，可以定义一组控制传输过程的消息，包括：“发送端准备好”、“发送端退出”、“接收端准备好”、“接收端退出”和“接收端询问”，并可以根据实际需要对上述控制信息进行扩充。为了区别不同的发送端和接收端，可以采用UWB芯片的设备ID、MAC地址或IP地址等作为发送端和接收端(即无线麦克风和无线功率放大器)的标识。

当所有无线麦克风和无线功率放大器均处于关机状态时，系统处于非工作状态。

当无线麦克风开机后，采用图4所示的方法加入音频传输网络并进行音频信号的发送：

1、无线麦克风开机并完成软硬件初始化后，由其嵌入式处理器203通过UWB芯片204广播“发送端准备好”消息。“发送端准备好”消息的附加信息中，至少包含了无线麦克风的标识，当发送端和接收端并未预先约定传输速率的情况下，该附加信息还可以同时包含传输音频的速率、音频编码器类型、信道编码方式等信息，作为接收端是否可以接收其音频信号的依据之一。

2、如果无线麦克风的UWB芯片204接收到无线功率放大器传送过来的“接收端准备好”消息，将该消息送至嵌入式处理器203，嵌入式处理器203记录“接收端准备好”消息的附加信息，“接收端准备好”消息的附加信息至少包含无线功率放大器的标识，并可以包含当前音频传输可用的速率等信息。如果该“接收端准备好”消息来自第一个回应的接收端，嵌入式处理器203启动模/数转换芯片202进行音频信号的转换。

3、如果无线麦克风的UWB芯片204接收到无线功率放大器传送过来的“接收端询问”消息，将该消息送至嵌入式处理器203，嵌入式处理器203根据UWB芯片204当前的剩余传输能力确定是否向该接收端发送音频信号，例如，当前UWB芯片204总的传输速率为abps，当前音频传输已使用的传输速率为b bps，新音频信号需要以速率c bps传输，则当a-b＞c时，可以向该接收端发送音频信号。如果确定可以向该接收端发送音频信号，嵌入式处理器203控制UWB芯片204向该无线功率放大器发送“发送端准备好”消息，同样地，“发送端准备好”消息的附加信息中，可以包含无线麦克风的标识、传输音频的速率、音频编码器类型、信道编码方式等信息。如果确定不可以向该接收端发送音频信号，则不发送“发送端准备好”消息。

4、如果无线麦克风的UWB芯片204接收到无线功率放大器传送过来的“接收端退出”消息，将该消息送至嵌入式处理器203，嵌入式处理器203删除所记录的相应无线功率放大器“接收端准备好”消息的附加信息。

5、如果无线麦克风的嵌入式处理器203所记录的“接收端准备好”消息的附加信息不为空，则对模/数转换芯片202传送过来的音频信号进行信源和/或信道编码，并根据所有已记录的“接收端准备好”消息的附加信息中包含的无线功率放大器标识，通过UWB芯片204向所有无线功率放大器进行发送。由于UWB芯片204可以提供很高的传输速率，因此可以根据无线功率放大器提供的传输速率要求，不采用信源编码，或只采用压缩率较小但简单的信源编码，如ADPCM等。为了提高音频传输的质量，可以采用较多的比特进行信道编码，对音频中的重要的比特进行保护，例如可以采用前向加载纠错等编码方式。

6、如果无线麦克风需要停止使用，由嵌入式处理器203通过UWB芯片204广播“发送端退出”消息，并关机，否则转步骤2继续进行。

无线功率放大器开机后，采用图5所示的方法加入该音频传输网络并进行音频的接收及处理：

1、无线功率放大器开机并完成软硬件初始化后，由嵌入式处理器302通过UWB芯片301广播“接收端询问”消息。

2、如果UWB芯片301接收到无线麦克风传送过来的“发送端准备好”消息后，将该消息传送到嵌入式处理器302，嵌入式处理器302根据该消息的附加信息确定是否接收该发送端的信号，如可以接收，则记录该消息的附加信息，控制UWB芯片301向发送端发送“接收端准备好”消息。当发送端和接收端并未预先约定传输速率时，嵌入式处理器302可以根据当前UWB芯片301的剩余传输能力，参考“发送端准备好”消息的附加信息中的音频传输速率、音频编码器类型、信道编码方式等来确定是否接收该无线麦克风的信号，例如，当前UWB芯片301总的传输速率为a bps，其他无线麦克风的信号已占用传输速率为b bps，新音频信号的速率为c bps，则当a-b＞c时，可以接收该音频信号。当发送端和接收端已预先约定传输速率时，可以根据约定的传输速率来确定是否可以接收该无线麦克风的信号。嵌入式处理器302还可以将满足剩余传输能力要求的无线麦克风的信息通过控制面板303显示出来，让用户决定是否接收。确定接收该无线麦克风的音频信号后，嵌入式处理器302将“发送端准备好”消息的附加信息中的无线麦克风的标识以及音频速率、音频编码器类型、信道编码等信息记录下来，并将本机的标识以及当前音频传输可用的速率加在“接收端准备好”消息中向无线麦克风进行发送。

3、如果UWB芯片301接收到无线麦克风传送过来的“发送端退出”消息后，将消息传送到嵌入式处理器302，嵌入式处理器302删除所记录的相应无线麦克风“发送端准备好”消息的附加信息。

4、如果嵌入式处理器302所记录的“发送端准备好”消息的附加信息不为空，则根据“发送端准备好”消息的附加信息中无线麦克风的标识，通过UWB芯片301接收所记录的无线麦克风传送过来的音频信号，对来自不同无线麦克风的音频信号进行信源和/或信道解码，以及差错掩盖、自适应增益调整和混音，并送至数/模转换芯片304。音频信号的信源、信道解码与无线麦克风中采用的信源、信道编码相对应，通过信道解码，如果发现传输出现比特错误或丢失数据帧，首先利用信道编码的冗余对其进行纠正，对于无法用信道编码纠正的错误比特，则可以采用差错掩盖的方法进行恢复。信道编码和差错掩盖均有多种成熟的技术可以采用，例如，信道编码可以采用前向加载的纠错编码，G.723.1、WAMR等编码标准中都有差错掩盖的算法。回放电路接收到接收端控制器传送过来的音频信号后，经数/模转换芯片304转换为模拟音频信号，功率放大电路305对音频信号进行放大，驱动扬声器306将音频信号播放出去。

5、如果无线功率放大器需要停止使用，由其嵌入式处理器302通过UWB芯片301广播“接收端退出”消息，并关机，否则则转步骤2继续进行。

本发明的第二个实施例中，发送端硬件结构与实施例1相同，接收端为一与计算机连接的无线接收器，硬件结构如图6所示，由UWB芯片601、控制面板602、嵌入式处理器603、USB接口电路604共同构成，UWB芯片601、嵌入式处理器603、USB接口电路604顺次连接，控制面板602与嵌入式处理器603连接。本实施例中，图1里的音频处理电路107为传输电路，由USB接口电路604来实现。混音后的音频信号通过USB接口电路604传送给计算机，计算机再通过网络传送给远端的接收者。

本发明的第三个实施例中，发送端硬件结构与实施例1相同，接收端为一录音装置，硬件结构如图7所示，由UWB芯片701、控制面板702、嵌入式处理器703、FLASH存储电路704共同构成，UWB芯片701、嵌入式处理器703、FLASH存储电路704顺次连接，控制面板702与嵌入式处理器703连接。本实施例中，图1里的音频处理电路107为存储电路，由FLASH存储电路704来实现。接收端控制器将混音后的音频信号记录在FLASH存储器中。

Claims

1.一种无线超宽带数字多麦克风系统，包括发送端和接收端，其特征在于：

所述发送端由顺次连接的声/电转换电路、模/数转换电路、发送端控制器和发送端UWB无线传输模块构成，其中，声/电转换电路用于将声音信号转换为电信号；模/数转换电路用于将声/电转换电路输出的模拟电信号转换为数字信号；发送端控制器控制模/数转换电路的工作，并控制发送端UWB无线传输模块与接收端之间的无线通信和音频传输；发送端UWB无线传输模块完成发送端与接收端的无线通信；

所述接收端由顺次连接的接收端UWB无线传输模块、接收端控制器和音频处理电路构成，UWB无线传输模块完成接收端与发送端的无线通信；接收端控制器控制接收端UWB无线传输模块与发送端的无线通信和音频传输，并将接收到的音频信号送至音频处理电路；音频处理电路完成音频信号的处理、传输、存储和/或回放。

2.根据权利要求1所述的无线超宽带数字多麦克风系统，其特征在于所述系统包括若干个发送端和接收端；每个发送端向多个接收端发送音频信号，每个接收端接收多个发送端传送过来的音频信号。

3.权利要求1或2中任一项所述系统的音频传输方法，其特征在于包括如下步骤：

(4)发送端UWB无线传输模块接收到接收端传送过来的“接收端询问”消息，将该消息送至发送端控制器，发送端控制器根据发送端UWB无线传输模块当前的剩余传输能力确定是否向该接收端发送音频信号，如果可发送，则控制发送端UWB无线传输模块向该接收端发送“发送端准备好”消息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：如果接收端需要停止使用，由接收端控制器通过UWB无线传输模块广播“接收端退出”消息，并关机；对应的发送端UWB无线传输模块接收到接收端传送过来的“接收端退出”消息，将该消息送至发送端控制器，发送端控制器删除所记录的相应接收端“接收端准备好”消息的附加信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：如果发送端需要停止使用，由发送端控制器通过UWB无线传输模块广播“发送端退出”消息，并关机；相应的接收端UWB无线传输模块接收到发送端传送过来的“发送端退出”消息后，将消息传送到接收端控制器，接收端控制器删除所记录的相应发送端“发送端准备好”消息的附加信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：发送端在进行音频数据传输时，通过发送端控制器对输入的音频信号进行信源和/或信道编码；接收端在接收音频数据时，接收端控制器对接收到的音频信号进行信源和/或信道解码，以及差错掩盖、自适应增益控制和/或混音。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述“发送端准备好”消息的附加信息包含有发送端的标识、传输音频的速率、音频编码器类型和信道编码方式信息，麦克风传输音频的速率、音频编码器类型和信道编码方式信息作为接收端确定是否可以接收该发送端音频信号的依据之一；所述“接收端准备好”消息的附加信息包含接收端的标识和此时音频传输可用速率的信息。