CN103165169A - 至 rf 通信装置的自适应等时usb 音频 - Google Patents

Abstract

本发明涉及至RF通信装置的自适应等时USB音频，提供了用于将由USB接口提供的等时音频数据帧同步至无线RF通信装置的时钟的方法和系统。USB接口和无线RF通信装置经由I2S链路来连接，该方法包括在流控制器中接收等时音频数据帧和无线RF通信装置时钟，将等时音频数据帧锁相至USB接口时钟，对锁相的等时音频数据帧的帧起始脉冲计数，将所计数的帧起始脉冲与无线RF通信装置时钟相比较从而确定差异信号，当达到阈值差异时，差异信号触发同步事件代码，当收到同步事件代码时，将等时音频数据帧与无线RF通信装置时钟进行速率匹配。

Description

至 RF 通信装置的自适应等时USB 音频

技术领域

本发明涉及音频数据，并且特别涉及将由USB接口提供的音频数据同步至RF通信装置的方法以及用于进行该同步的装置。 

背景技术

例如IP语音（Voice over IP）、音频流等的音频程序是广为人知的，并且用于这些程序的软件可以容易地用于安装在计算机上。数据流可以被提供至诸如耳麦、混音器、扩音器、头戴耳机等外部装置。通常，经由用于向扬声器提供音频并且从麦克风处接收输入的音频插孔来进行有线连接。 

然而，在多数情况下，将用户绑到计算机上的有线连接是不利的，并且因此，无线装置可以是优选的。无线装置可以使用例如蓝牙标准来直接地连接至计算机。然而对于一些应用来说，使用USB接口将计算机连接至无线RF集线器（hub）可以是有利的。 

在USB接口和RF集线器之间的音频数据的通信可以证明是有挑战的，特别是对于诸如电话通信的低延迟应用。 

建议使用计算机控制音频传输速率并且USB需要例如每隔一毫秒更新主时钟的自适应模式。然而，这需要复杂的频率合成器，并且可能不是对于所有计算机操作系统都可选的选项，因为不同的操作系统提供不同的控制信号。 

同样已知的是使用同步数据流并且提供缓冲器以缓冲具有第一样本速率的输入数据以及第二样本速率的输出数据。然而，对于诸如在电话通信系统中的低延迟数据，由缓冲器导致的延迟通常是不可接受的。 

在另一方法中，由USB接口提供的数字数据被转换为模拟数据，并且模拟数据被提供给A/D转换器，该A/D转换器对RF无线装置提供经转换的数字信号。然而，这种方法是复杂的，需要D/A和A/D转换器，并且在每次转换都导致数据丢失并因此导致信号信息丢失。 

因此，存在对在USB接口和无线RF集线器之间的改进的音频数据通信的需要。 

发明内容

本发明的一个目标是提供在USB接口和无线RF集线器之间的改进的音频数据通信。 

根据以上和其他目标，提供了同步等时（isochronous，同步）音频数据帧的方法，该等时音频数据帧由USB接口提供至无线RF通信装置的时钟。USB接口和无线RF通信装置经由串行音频链路来连接。该方法包括在流控制器中接收等时音频数据帧以及无线RF通信装置时钟，将等时音频数据帧同步至USB接口时钟，对所同步的等时音频数据帧的帧起始脉冲进行计数。可以将进行计数的帧起始脉冲与无线RF通信装置时钟相比从而确定差异信号。优选地，当达到阈值差异时，差异信号触发同步事件代码，并且当收到同步事件代码时，将等时音频数据帧与无线RF通信装置时钟进行速率匹配。 

在此外的方面，提供了一种被配置为在USB接口和无线RF通信装置之间提供音频数据帧的系统，该系统包括：具有对自适应USB流控制器提供帧起始脉冲的自适应端点的USB接口、将自适应USB流控制器至少连接至具有RF收发器（发射应答器）的无线RF通信装置的串行音频链路、以及无线RF通信装置时钟发生器。提供的数据信号处理器被配置为接收和比较无线RF通信装置时钟和帧起始脉冲，从而确定时钟差异信号。当达到阈值差异时，时钟差异信号优选地触发同步事件编码。数字信号处理器还可以被配置为产生速率匹配输出，从而在触发时将音频流同步至无线RF通信装置时钟。 

由自适应USB端点提供的帧起始脉冲通常与在音频流中的帧起始包的接收同步。 

在本发明的另一方面中，提供了一种包括无线RF通信装置和具有USB接口的计算机装置的同步通信系统，该系统包括流控制器、串行音频链路、锁相环、计数器、比较器，该流控制器被配置为接收由USB接口和无线RF通信装置时钟提供的等时音频数据帧，该串行音频链路将流控制器和无线RF通信装置互相连接，该锁相环被配置为将等时音频数据帧锁相至USB接口时钟，该计数器被配置为对锁相的等时音频帧的帧起始脉冲进行计数，该比较器用于将计数的帧起始脉冲与RF通信装置时钟相比从而确定时钟差异信号，其中时钟差异信号优选地在达到阈值差异时触发同步事件代码。 

该系统还可以包括速率匹配实体（rate matching entity），该速率匹配实体被配置为在收到同步事件代码时，将等时音频数据帧与RF通信装置时钟进行速率匹配，从而将音频数据帧与无线RF通信装置时钟同步。 

流控制器可以被配置为连接USB接口和无线RF通信装置，例如在USB接口和无线RF通信装置之间提供双向通信。理想的是，同步相等地施加至由USB接口提供的音频数据和从无线RF通信装置提供的音频数据。 

USB接口可以包括锁相环，该锁相环被配置为将等时音频数据帧自适应地锁相至USB接口时钟。 

流控制器优选地自适应于USB接口。 

使用自适应流控制器的优点是系统的同步被前端执行。当达到对于时钟差异信号的预定的阈值时，就可以立即执行速率匹配，由此来避免延迟，该延迟是由例如等待信号缓冲器填充，以及当使用异步的数据流时所看到的对缓冲器的填充状态的重做而引起的。该预定阈值基于系统参数而确定，并可以根据例如对于系统可接受的延迟而具有从半个或单个时钟周期至多个时钟周期的范围。 

此外的优势是自适应流控制器与操作系统参数无关。因此，不需要将诸如时钟信息信号、诸如关于信号频率的信息的具体信号从操作系统提供到自适应流控制器。因此，自适应流控制器可以用于任何USB接口，而不管哪个系统将数据提供给USB接口以及操作系统支持哪种数据流。从而，同步方法和系统与例如在Windows、iOS、Linux、Android等与USB接口之间的信号通信中的差异无关，并因此与不同操作系统提供何种信号无关。 

在通用串行总线（USB）规格中，等时数据流是用于USB装置的四种数据流类型中的一种，其他的是控制、中断和批量（bulk），并且因此等时数据流始终从USB接口可用。等时数据流通常用于使诸如视频或音频源的流数据类型。 

USB规格规定了USB装置通过端点来发送和接收数据。通常至少规定了端点输入（IN）、输出（OUT）、控制（CONTROL）和中断（INTERRUPT）。自适应等时音频端点或自适应端点能够以它们的操作范围内的任何速率来发出（source）或接收（sink）数据。这意味着这些端点必须运行内部处理从而允许它们将它们的天然的数据速率匹配至施加在它们的接口处的速率。 

USB规格也规定了帧起始（SOF）跟踪。从USB规格得知，支持同步管线的功能将能够接收和理解SOF令牌。在等时传输中，合适的数据可以在相应的（微）帧中发送。当等时传输被提供给主机控制器时，其可以识别用于第一（微）帧的（微）帧数，并且主机控制器可以不在指示的（微）帧数之前发送第一事务。在I/O请求包（IRP）中的每个随后的事务可以在以后的（微）帧中发送（除了可以在同一微帧中发生多达三个事务的高速高带宽传输以外）。如果没有对于当前（微）帧未决的事务，那么主机控制器可以不发送任何用于同步管线的东西。如果超过了指示的（微）帧数，那么主机控制器可以跳过（即，不发送）所有事务，直到达到与当前（微）帧相对应的一帧为止。 

在一个以上的实施方式中，将USB接口和无线RF通信装置互相连接的串行音频链路是IC间声音（I2S）总线，该IC间声音（I2S）总线是被开发以特别用于数字音频，并且实现用于将数字音频装置连接在一起的电串行总线接口标准的串行链路。I2S链路被配置为将音频数据与诸如子代码和控制时钟的其他信号分离地传输。通过分离该数据和时钟信号，可能导致抖动的关于时间的错误被最小化，增加了发送信号的质量并且有效地消除了对任何防抖动装置的需求。 

无线RF通信装置可以包括诸如石英晶体的时钟发生器来设定RF域时钟，并且该无线RF通信装置时钟可以是用于诸如I2S链路的串行音频链路的主时钟。 

流控制器可以包括：计数器，该计数器用于对同步的、或在一些实施方式中的锁相的等时音频数据帧的帧起始脉冲进行计数；以及比较器，用于将所计数的帧起始脉冲与无线RF通信装置时钟进行比较。用于无线RF通信装置时钟的计数器可以以RF通信装置的数字信号处理器来实现，该数字信号处理器将无线RF通信装置时钟计数信号提供给流控制器并且将该时钟计数与计数的帧起始脉冲相比较从而确定差异信号。理想的是，流控制器的此外或所有部分也可以以无线RF通信装置的数字信号处理器来实现。 

在例如每隔1毫秒的预定时间间隔中，USB接口可以检测与帧起始包的接收同步的帧起始脉冲。 

通过对帧起始脉冲计数，在USB接口处、并因此在USB的主机时域中测量时间。如上所述，I2S接口通常被同步至RF时域并且在数字串行音频链路上提供用于每个新样本的脉冲。通过对这些脉冲计数，在RF域的音频子系统中测量时间。从而，通过将帧起始脉冲与RF域脉冲相比，在USN接口时域和RF时域之间的差异被检测出来。当该差异达到最大值时，即，当差异信号达到预定阈值时，触发事件同步代码从而允许信号的同步。 

当达到阈值差异时，差异信号可以由此触发同步事件代码。这可以导致发生速率匹配，在收到同步事件代码时将等时音频数据帧速率匹配至无线RF通信装置时钟。 

同步事件代码可以包括中断，并且中断可以经由事件路由器来路由至无线RF通信装置的数字信号处理器，其中可以处理速率匹配。 

速率匹配或重新同步，可以使用包括分数上和下采样的任何已知的重新采样来进行，并且可以例如通过从等时音频数据流插入和去除音频样本来进行。 

在一个以上的实施方式中，无线RF通信装置可以是无线集线器，诸如被配置为与头戴耳机通信的无线集线器。因此USB可以将IP电话、或其他在个人计算机上的软件电话应用、或其他计算装置，与对头戴耳机提供无线链路的无线RF集线器互相连接。无线RF集线器可以经由诸如DECT、蓝牙等任何已知的RF协议来与头戴耳机通信。 

因此，等时音频数据帧可以是诸如在只有非常少的延迟提供可接受的连接的电话通信中的低延迟帧。然而同样可以设想其他的低延迟应用，例如，在用于工业自动化的网络服务和设备、车辆内的网络以及在其他需要低延迟连接的系统中的那些。 

在下文中将更具体地参考附图来描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以不同的形式实施并且不应被解释为只限于本文中提出的实施方式。而是，这些实施方式的提供使得本公开成为彻底和完全的，并且将完全将本发明的范围传递给本领域的技术人员。所有图中相同参考数字指代相同的元件。因此，将不关于每个附图的描述来详细描述相同的元件。 

附图说明

图1示意性地示出了被配置为从USB接口处对无线RF通信装置提供音频数据帧的系统。 

图2示出了包括无线RF通信装置和具有USB接口的计算机装置的同步通信系统。 

图3示出了描述根据本发明的方法的流程图。 

图4示出了示例性同步通信系统。 

具体实施方式

图1示意性地示出了被配置为从USB接口1对无线RF通信装置2提供音频数据帧的系统。USB接口可以形成USB前端的一部分。音频数据帧被USB主机等时地提供给USB接口。USB主机（图1中未示出）提供用于USB接口的时钟信号。同步器4设置在USB接口中并且接收用于USB接口和音频数据帧的时钟信号。同步器4被配置为将音频数据帧同步至USB时钟并且检测帧起始包。产生帧起始脉冲以用于每个检测出的帧起始包，并因此帧起始脉冲6与音频数据帧同步。帧起始脉冲6被提供给流控制器3。 

音频数据帧经由音频串行链路7来提供给无线RF通信装置。 

无线RF通信装置2包括RF收发器8和数字信号处理单元DSP 13，RF收发器8被配置为用于与头戴耳机或任何其他的无线音频装置通信。无线RF通信装置还包括时钟发生器14，诸如晶体振荡器，诸如例如石英晶体14。 

作为I2S链路的串行音频链路7连接USB接口1和无线RF通信装置2。流控制器3被配置为接收由时钟发生器14产生的无线RF通信装置时钟9，并且将无线RF通信装置时钟9与检测到的帧起始脉冲相比较，从而确定时钟差异信号。无线RF通信装置时钟经由在I2S总线上的时钟线提供给流控制器3。 

流控制器3包括比较器19，并且时钟差异信号与阈值差异相比较。如果达到阈值差异，那么触发同步事件代码以产生速率匹配输出从而将音频流同步至无线RF通信装置时钟。同步事件代码可以以中断的形式由流控制器3提供，该中断触发信号的同步。 

图2示出了包括无线RF通信接口以及具有USB接口的计算机装置15的同步通信系统。音频串行链路7、5被视为经过流控制器3。在图2中，自适应端点21的输入（IN）、输出（OUT）、控制（CONTROL）和中断（INTERRUPT）提供帧起始脉冲，帧起始脉冲被产生以用于每个检测到的帧起始包并且被同步至USB时钟。无线RF通信装置和计算机装置由流控制器3桥接。图2中所示的参考数字对应图1中的那些并且将不关于图2来具体描述。在该特定的实施方式中示出，无线RF通信装置是无线集线器，该无线集线器用于经由链路18与无线头戴耳机10无线通信，该无线头戴耳机10诸如是具有麦克风12和耳机11的头戴耳机。 

提供计算机15以用于USB输出16，USB输出16被提供给USB接口1。 

在图3中，示出了用于将由USB接口提供的等时音频数据帧同步至无线RF通信装置的时钟的方法的流程图22。方法包括在步骤22中接收由USB接口提供的等时音频数据帧。 

根据USB规格，自适应等时音频端点或自适应端点，能够以它们的操作范围内的任何速率发出或接收数据。这意味着这些端点必须运行内部处理，从而允许它们将它们的天然数据速率与施加在它们接口的数据速率相匹配。同步发生在步骤24中，其中等时音频数据帧被同步至USB接口时钟，该USB接口时钟可以与USB主机时钟相同。在步骤26中，检测到帧起始包并且提供了与数据速率，即，帧起始包同步的帧起始脉冲。在步骤28中，接收到无线RF通信装置时钟，并且在步骤30中，将帧起始脉冲与无线RF通信装置时钟相比较从而提供差异信号。在步骤32中，当达到阈值差异时，差异信号触发同步事件代码。本方法还包括，在步骤34中，当接收到同步时间代码时，将等时音频数据帧数据匹配至无线RF通信装置时钟。 

待执行的速率匹配基于差异信号来确定，使得例如，如果确定在预定时间段后，在达到阈值差异时的帧起始脉冲滞后于无线RF通信装置时钟，则样本可以插入到音频流中，并且同样地，如果确定在达到阈值差异时的 帧起始脉冲领先于无线RF通信装置时钟并且因此触发了速率匹配，则可以从音频流中去除样本。然而理想的是，用于速率匹配的任何方法和/或任何算法都可以结合本文中描述的方法来使用。通常地，USB接口和流控制器经由诸如I2S链路的串行音频链路来连接。 

图4示出了示例性同步通信系统41。同步使用用于同步的PLL来执行。PLL 4从USB接口1接收等时音频流5以及USB接口时钟6，并且将音频流5锁相至USB接口时钟6。锁相的信号的帧起始包被确定并且相应的帧起始脉冲被提供给计数器40。计数器40接收帧起始脉冲。帧起始脉冲计数被提供给至少包括比较器46的处理器44。 

用于无线RF通信装置的时钟信号和来自无线RF通信装置的音频信号在12S总线46上被接收。时钟信号在计数器中被计数并且被提供给至少包括比较器46的处理器44。比较两个计数并且产生差异信号，该差异信号对应于由无线RF通信装置2提供的信号和由USB接口1提供的信号之间的时钟信号差异。当差异信号达到阈值差异时，触发事件同步代码使得音频流5的速率匹配被执行。可以在处理器44中执行速率匹配。理想的是，在无线RF通信装置中，流控制器可以完全或部分地与数字信号处理器（DSP）集成。 

当解释描述及其关联的权利要求时，诸如“包括”、“包含”、“结合”、“含有”、“是”和“具有”应当以非排他性方式来解释，即，解释为也允许存在其他未明确限定的项或部件。对单数的提及也可以被解释为对复数的提及，并且反之亦然。 

在以上描述中，应当理解的是，当元件在另一元件“上”、“之上”或“连接至”另一元件时，该元件直接地在该另一元件上或直接地连接至该另一元件，或也可以存在介于其间的元件。 

此外，本发明还可以通过少于在这里描述的实施方式中提供的部件来实施，其中一个部件实现多个功能。同样地，本发明可以使用比附图中描绘的更多的元件来实现，其中在提供的实施方式中的一个部件所实现的功能可以分布在多个部件上。 

本领域的技术人员将容易地理解的是，在不偏离本发明的范围的条件下，在描述中公开的各种参数都可以被修改并且各种公开和/或要求的实施方式都可以以任何方式来组合。 

Claims (16)

1.一种将由USB接口（1）提供的等时音频数据帧同步至无线RF通信装置（2）的时钟的方法，所述USB接口（1）和所述无线RF通信装置（2）经由串行音频链路（5，7）来连接，所述方法包括：

接收所述等时音频数据帧以及所述无线RF通信装置时钟（9），

将所述等时音频数据帧的数据速率同步至USB接口时钟，

对所同步的所述等时音频数据帧的帧起始脉冲进行计数，

将所计数的所述帧起始脉冲与所述无线RF通信装置时钟相比较从而确定差异信号，当达到阈值差异时，所述差异信号触发同步事件代码，

当收到所述同步事件代码时，将所述等时音频数据帧与所述无线RF通信装置时钟进行速率匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述串行音频链路（5，7）为IC间声音（I2S）总线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用锁相环（4）将所述等时音频数据帧的数据速率同步至所述USB接口时钟。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，使用分数下和上采样，即，通过插入和去除音频样本来执行所述速率匹配。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述帧起始脉冲（6）与帧起始包的接收同步。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述无线RF通信装置（2）是无线集线器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述无线集线器（2）被配置为与头戴耳机（10）通信。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述等时音频数据帧是低延迟帧。

9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，通过被配置为连接所述USB接口和所述无线RF通信装置的流控制器（3）来执行以下步骤：

接收所述等时音频数据帧以及所述无线RF通信装置时钟（9），

将所述等时音频数据帧的数据速率同步至USB接口时钟，

对所同步的所述等时音频数据帧的帧起始脉冲（6）进行计数，

将所计数的所述帧起始脉冲与所述无线RF通信装置时钟相比较从而确定差异信号，当达到阈值差异时，所述差异信号触发同步事件代码，以及

当收到所述同步事件代码时，将所述等时音频数据帧与所述无线RF通信装置时钟进行速率匹配。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流控制器（3）适应于所述USB接口。

11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述同步事件代码包括中断。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，以诸如每隔1毫秒的预定的时间间隔来检测所述帧起始脉冲。

13.一种被配置为在USB接口（1）和无线RF通信装置（2）之间提供音频数据帧的系统，所述系统包括：

USB接口，具有对自适应流控制器（3）提供帧起始脉冲的自适应端点（21），

串行音频链路（5，7），将所述USB接口（1）连接至所述无线RF通信装置（2），所述无线RF通信装置（2）具有RF收发器（8）以及无线RF通信装置时钟发生器（14），

处理器（13），被配置为接收并且比较所述无线RF通信装置时钟和所述帧起始脉冲从而确定时钟差异信号，当达到阈值差异时，所述时钟差异信号触发同步事件代码；并且被配置为在触发时产生速率匹配输出从而将所述音频流同步至所述无线RF通信装置时钟。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述帧起始脉冲（6）与帧起始包的接收同步。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中，所述无线RF通信装置时钟是用于所述串行音频链路（5，7）的主时钟。

16.一种同步通信系统，包括无线RF通信装置（2）和USB接口（1），所述系统包括

流控制器（3），被配置为接收等时音频数据帧和无线RF通信装置时钟，所述等时音频数据帧由所述USB接口（1）提供，

串行音频链路（5，7），至少将所述流控制器（3）和所述无线RF通信装置（2）互相连接，

锁相环（4），被配置为将所述等时音频数据帧锁相至USB接口时钟，

计数器（40），被配置为对锁相的等时音频帧的帧起始脉冲进行计数，

比较器，用于将所计数的所述帧起始脉冲与所述RF通信装置时钟相比较从而确定时钟差异信号，当达到阈值差异时，所述时钟差异信号触发同步事件代码，

速率匹配实体，被配置为当收到所述同步事件代码时，将所述等时音频数据帧与所述RF通信装置时钟进行速率匹配，从而使所述音频数据帧与所述无线RF通信装置时钟同步。

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