CN103181149A - 具有扩频叠加的无线视频耳机 - Google Patents

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Abstract

增强型蓝牙和/或蜂窝跳频无线电被集成到免提无线移动计算和视频显示耳机中。结合了增强型跳频扩频无线电技术的这些增强型耳机的形式是军人、警察、消防员、第一急救者及某些商业公司(如寻求专用蜂窝系统的公用事业公司，该专用蜂窝系统寻求增强的通信隐私)感兴趣的。

Description

具有扩频叠加的无线视频耳机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年9月20日提交的美国临时申请号61/384,580的权益。通过引用将以上一项或多项申请的全部教导结合在此。
背景技术
许多应用程序从不受限制的、便携式视频显示装置的使用中受益。例如，作为目标，工业工人、士兵、警察或现场应急人员使用的某些应用程序需要不受主机平台的限制向如500米的距离显示视频的能力。这允许工作现场主管人员或指挥车辆拥有对在等于他的无线语音通信的范围显示信息的所有车辆的访问权限。
此类能力应提供具有最小延迟并且以安全方式传输的高数据传输速率。抗干扰和防欺骗能力也是必需的。此努力可包括射频(RF)和非RF解决方案。重要的是，所考虑的技术对于最小化戴了及未戴耳机的工业工人、士兵、警察和应急人员的负荷是高能效的。此努力不应该是独立的解决方案，而应解决把此能力合并为集成的头戴式显示器解决方案的一部分。
I型加密在工业、警察、应急或军事系统的开发和生产中是昂贵的。因为它需要硬件实现方式，所以它还会显著影响系统的功耗。目前支持为工业工人、警察、应急和地面士兵系统开发无线个人局域网的努力集中在超宽带技术的低功率实现方式。所追求的解决方案的低范围/可检测性及抗干扰的特点不应要求I型加密。然而，此方法提高了满足戴了及未戴耳机的工业工人、警察、应急人员和士兵的范围要求的能力，但扩展性不好。
发明内容
需要一种创新的方法来实现机密数据传输的安全性要求，而不需要I型加密硬件实现方式。
高度集成的商业现货(COTS)蓝牙2.1和蜂窝电话无线电已经提供了按需扩频跳频(SSFH)操作，从而为未戴耳机的工业工人、警察、应急人员、士兵及安全部队提供实时、零延迟、有保障的视频流和高数据带宽通信。蜂窝无线电和支持性外设子系统(包括GPS、数字罗盘、蓝牙、WiFi b/g/n、板载数码摄像机、头部跟踪等等)是集成和低功耗的绝对最先进水平。
蓝牙和全球四频带3G或更好的蜂窝无线电芯片组通常能够在任何城市位置和最偏远的位置操作，允许各种工人、警察和士兵利用附近个人或商业装置和无处不在的本地蜂窝资源。
使用COTS组件为工人、警察、士兵和车辆提供LAN蓝牙和蜂窝频率的按需SSFH使用，在未戴耳机的工人、警察、士兵、车辆和无人驾驶飞机之间提供了非常安全水平的战术通信和大量的HD视频流带宽。
在优选实施例中，COTS 3G/4G/LTE或WiMAX蜂窝无线电系统因此被软件修改，从而选择性地或者以传统方式或者在SSFH模式下按需操作。
特别是，可以添加具有内置加密的辅助COTS蓝牙2.1个人局域网(PAN)无线电，用于高达1500英尺的实时视频流(720x 480p30fps)邻近分享。SSFH蜂窝可被设计成允许工业、警察、应急和军事通信并在必要时阻止标准蜂窝业务。
在该优选实施例中，该增强型蓝牙和SSFH蜂窝无线电被集成到带大幅面虚拟微型显示器的“免提”无线移动计算和通信耳机中。此类形状因素的示例是Golden-i耳机，从Massachusetts的Westboro的Kopin Corporation可得。
结合了增强型蓝牙和SSFH无线电技术的这些增强型耳机的形式是军人、警察、消防员、第一急救者及为了安全寻求封闭的或专用的蜂窝系统的适当商业公司(如公用事业公司)感兴趣的。
该无线视频耳机还可以合并辅助设备(如能够提供可见光、近红外、远红外和/或UV视频流成像的低功率光学传感器)。
附图说明
根据本发明的示例实施例的以下更具体的说明，上述内容将是清楚的，如在这些附图中展示的，其中贯穿这些不同的视图，相同的附图标记是指相同的部分。这些图不一定是按比例绘出，而是着重展示本发明的实施例。
图1是包括微型显示器以及其他外围接口的头戴式显示器(HMD)的系统。
图2是另一个透视图，示出了戴在用户头部的安装了摄像机外设的HMD系统。
图3是高层次功能图，示出了该HMD及其作为如个人计算机的主机处理器的控制器的用途。
图4是该HMD组件内部的组件的高层次方框图。
具体实施方式
在优选实施例中，具有带现成通信电路(如WLAN、蓝牙和蜂窝(3G/4G/LTE/WiMax))的板载集成OMAP处理器的轻量级、无线通信视频耳机包含系统软件叠加，以提供可用无线电频率的可控扩频跳频(SSFH)使用。这提供了非常安全水平的战术通信和大量的视频流带宽，但仍然使用COTS技术。该装置可用于在未戴耳机的工人、警察、应急人员、安保人员、士兵和车辆、无人驾驶飞机之间以及其他应用程序中进行通信。该系统可或者以传统方式或者在SSFH模式下按需操作。
合适的耳机平台包括从Massachusetts的Westboro的KopinCorporation可得的Golden-iTM装置。Golden-i是带近眼15英寸虚拟个人计算机(PC)显示器及近耳扬声器的轻量级(三至六盎司)蓝牙/WiFi/蜂窝耳机。该Golden-i耳机可被调整成以低于或高于左眼或右眼使用并且舒适地佩戴了眼镜、防护眼镜、安全帽或头盔。
板载Golden-功能包括自然语音识别和六轴姿势感应，从而为用户提供对几乎世界上的任何信息的按需免提、自发访问，包括数字信息、互联网业务及广播节目制作(如实时、彩色高分辨率视频流)。外加可选的可拆卸摄像机，Golden-i使该用户能够记录和/或发送实时按需静止图像或者还有视频流。
用户可以命令和控制一个或多个外部装置或网络接口。Golden-i的特征和功能是在信息“云”中“免提”远程操作的理想选择；用户可以自发地按需跳上并跳下远程主机设备，用简单的口头命令或头部姿势在系统之间移动和复制数据。
更具体地，图1示出了示例头戴式显示器(HMD)系统100，该系统通常包括框架1000、条带1002、背部1004、扬声器1006、悬臂或臂1008及微型显示器组件1010。该装置的一侧(特别是与微型显示器组件1010相对的一侧)包括“热靴”外围端口1020，其如下面进一步解释的可以向配件提供相应的连接，以便用户可以附装及移除HMD系统100的各种组件。
图2是用户戴着的HMD 100的右侧视图，其中摄像机配件1060已经放置在端口1020中。摄像机1060可包括音频和视频传感及记录这两个能力。摄像机1060可以例如具有类似“子弹凸轮”的小的形状因素。如将在下面进一步解释的，该用户提供了用户输入(其可能包括一个或多个头部动作、一个或多个手势和/或一个或多个语音命令)来控制显示器1010、摄像机1020的设置并执行其他功能。
HMD系统100可以作为独立的个人计算机(PC)/智能电话设备操作。它还可以作为主机个人计算机的遥控器发挥作用。为此目的，包括在该壳体中的是各种电子电路，包括如将要很快理解的微型计算机、一个或多个无线接口、相关联的存储器或其他存储装置和/或动作传感器。该摄像机和/或动作传感器被用于跟踪该用户的头部的动作或手势，并且该麦克风接收音频输入信号。
这个或这些无线接口使HMD系统100能够被用作带无线网络连通性的个人计算机或用作主机计算装置200(参见图3)的遥控器。例如，主机200可以例如是膝上计算机、手机、平板电脑、
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或具有比HMD系统100本身更高的计算复杂度和更大的网络连通性的其他智能电话设备。主机200可以进一步连接到其他网络，如通过广域网(WAN)连接210连接到互联网。遥控器100和主机200通过如由蓝牙链路或无线局域网(WLAN)150所提供的适当的无线连接彼此连接。
HMD系统100可以向摄像机1060以外的其他配件提供其他功能，如额外的扬声器、额外的摄像机、光源及能够放进热靴1020中的任何其他电子组件。
如图3所示，HMD系统100接收来自该用户的输入，如经由麦克风的语音输入、经由摄像机或其他光学传感器的手势和/或经由头部跟踪电路的头部运动。这些输入由HMD系统100中的软件翻译成键盘和/或鼠标命令。这些命令可由HMD系统100本地解释或通过蓝牙接口150发送到主机200。然后，主机200按照其自己的操作系统/应用软件解释这些已翻译的命令从而执行各种功能。
在这些命令中可能有获取和显示文件的命令。
其他的命令可能是检索来自互联网的信息并将其显示，如电子邮件或网页。
其他的命令可能是在虚拟显示器内选择视野，然后向该远程设备返回所选择的屏幕。在这种场景下，非常大幅面的虚拟显示区域可能与运行在HMD 100系统上或中的应用软件或操作系统或运行在主机200上的应用软件或操作系统相关联。该用户可以仅选择该大型虚拟显示区域的一部分用于在该微型显示器上查看。此视野可由各种提供给HMD 100的语音命令、手势和/或头部运动选择。关于可以由与主机200相互作用的HMD 100执行的功能的进一步信息在由相同发明人于2010年5月5日提交的标题为“使用动作与语音命令的主机应用程序的远程控制(Remote Control of Host Application UsingMotion and Voice Commands)”(序列号12/774,179，代理人案卷号0717.2098-001)的共同未决的美国专利申请中得到了解释，并通过引用结合在此。
图4是HMD系统100的非限制性示例实施例的简化的高层次方框图。这些组件被集成到如图1中所示的HMD壳体中。HMD系统100可以包括容器(pod)组件4000，其将上述微型显示器4010和一个或多个麦克风4020放置在吊杆上，该吊杆可以位于该用户的一只或者两只眼睛和嘴巴附近。单独的扬声器容器4006将一个或多个扬声器4030放在该用户的一只或两只耳朵周围。其他HMD系统100电子元件放置在该框架上或该框架中的适当位置(如图1中的后部1040)，并且包括开放式媒体应用平台(OMAP)本地处理器4110、电源/音频同伴芯片(companion chip)4102、显示器驱动器4104、头部跟踪器4105、电路板4106及无线LAN/蓝牙接口4108。该后壳体中还设置有电源，例如锂离子电池4200。
跟踪器电路4106可以从各种传感器检测头部运动和手势。这些传感器可以包括地理位置传感的3轴至9轴自由度的定向传感器(如数字磁强计)、大气传感器、健康状况传感器、GPS、数字罗盘、压力传感器、环境传感器、能量传感器、加速度、位置、姿态、动作、速度或光学传感器或摄像机(可见光、红外线等)。这个或这些摄像机、这个或这些动作传感器和/或这个或这些传感器用于在至少第一轴(水平)但也优选在第二轴(垂直)、第三轴(深度)、第四轴(斜角)、第五轴(坡角)及第六轴(偏航角)跟踪该用户的头部、手部和/或身体的动作和/或位置。
HMD系统100还可以从外部输入装置(如无线鼠标、轨迹球或可以通过蓝牙接口4108无线连接的键盘)接收输入。
该OMAP处理器可包括中央处理单元，以及可能包括非易失性存储器和/或只读存储器(ROM)的片上存储器，诸如随机存取存储器(RAM)。该OMAP可以是由Texas Instruments，Inc.销售并作为多媒体处理器使用的Texas Instruments型号OMAP 3530处理器。该OMAP可以执行操作系统，如Microsoft
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的一种嵌入式变体。
在此示例中，也是从Texas Instruments可得的TPS 65950电源/音频同伴芯片向该系统提供了音频、USB、键盘控制和电池充电功能。
该显示器驱动器可以是从Massachusetts的Westborough的Kopin Corporation可得的型号KCD-A 910的显示器驱动器。也是从Kopin可得的微型显示器4010可以包括CyberDisplay型号113LV、152LV、230LV、WQVGA或其他制造商可接受的微型显示器。
WLAN/BT接口4108可以是型号LBEE 1W8的NEC接口、从United Kingdom的Cambridge的CSR Ltd.可得的模块或其他蓝牙接口电路。
OMAP处理器4100使与WLAN/BT接口4108相互作用的蓝牙叠加器4700一起操作，以允许该用户选择两种可能的通信模式中的一种。第一模式使用这些标准蓝牙协议，允许该HMD装置用标准外设操作。然而，第二模式使用定制的跳频扩频(FHSS)模式来提供增强的通信安全。
本领域普通技术人员理解，标准蓝牙接口包括四个协议层：蓝牙核心协议、电缆替代协议(RFCOMM)、电话控制协议及多个被采用的协议(如PPP、TCP/UDP/IP/OBEX/vCARD/WAP)。该蓝牙核心协议栈包括基带、链路管理器协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)以及服务发现协议(SDP)层。
该基带和链路控制层使蓝牙单元之间的物理RF链路能够形成微微网(piconet)。由于该蓝牙无线电系统是跳频扩频系统，其中数据包在定义的时隙中以定义的频率被发送，此层使用查询和寻呼程序来同步不同蓝牙装置的传输跳频和时钟。该蓝牙无线电(物理层)在未经许可的ISM频段以2.4GHz操作。该无线层采用了跳频扩频(FHSS)收发器以对抗干扰和衰退，并且在任何给定的时间使用很多从共79个可用的载波中选择的FHSS载波。RF操作使用了成形的二进制调频以最小化收发器的复杂度。该符号速率是1兆符号每秒(Msps)，支持1兆比特每秒(Mbps)的比特率或(以增强型数据速率)2Mb/s或3Mb/s的总空气比特率。这些模式分别被称为基本速率和增强型数据速率。
在典型的操作中，物理无线电通道由一组同步到共同的时钟和跳频模式的设备共享。该组设备形成了由主设备和从设备组成的微微网。一个设备提供同步参考并被称为主设备。其他所有设备被称为从设备。
蓝牙兼容设备中的设备使用一种特定的跳频模式，其由在一项或多项蓝牙规范中定义的某些字段在算法上确定，如从该主设备的地址和时钟所确定。该基本跳频模式是在ISM频段中的79个频率的伪随机定序。某些后期开发的蓝牙标准允许该跳频模式任选地被适配成排除那些被检测到由干扰设备使用的频率。
当HMD设备100连接到蓝牙微微网并成为主设备时，可以作出决定根据允许与其他COTS设备接口连接的标准蓝牙跳频模式操作。然而，在第二模式中，该HMD设备反而执行定制的专用跳频算法，该算法与由该一项或多项蓝牙标准指定的跳频算法不同。此第二模式中可以使用诸如出现于2003年10月13日至16日的军事通信会 议MILCOM 2003上、由USA的MD的Gaithersburg的Nat.Inst.ofStand.&Technol.的Golmie，N.等人所著的“蓝牙自适应跳频和调度(Bluetooth Adaptive Frequency Hopping and Scheduling)”中的那些替换跳频算法或其他定制跳频算法。
因此，通常在该OMAP的上下文内执行的软件叠加器4700为HMD系统100所使用的蓝牙(及可选地任何一个或多个SSFH蜂窝无线电)提供了额外的SSFH功能。软件叠加器4700从该主机接收用户输入和/或命令，并将跳频伪随机模式从商业现成模式变为确定性的、但专用的伪随机跳频模式。该专用跳频模式可以只提供给系统100的特定用户，并且不被提供给广大公众的设备使用。该增强型跳频无线电技术的此类特定用户可以包括但不限于军人、警察、消防员以及第一急救者队伍的具体成员，或者可以是某些商业公司，如寻求封闭的专用通信系统的公用事业公司。通过采用专用跳频模式，提供了防止窃听和拦截的额外的安全性。
可以实现类似的适配从而为使用跳频扩频的其他LAN或数字蜂窝(3G/4G/LTE/WiMax)协议提供可选择的专用网络叠加。
移动处理器的选择
有若干个当前和近期的先进低功率移动处理器系列从TexasInstruments以外的美国集成电路制造商可得(包括Intel、Freescale等)。检查视频流和高带宽数据性能的平衡、集成效率、功耗、行业软件和应用程序支持、处理器产品系列路线图、长期组件可用性及加固的应用程序打包支持等都是在选择OMAP处理器系列中的重要考虑因素。
系统OS的选择
虽然在实施例中Microsoft可用作操作系统，但是可以使用其他OS。适销性、向未来及后续商业OS解决方案的轻松过渡、保护OS不受病毒、不希望的黑客攻击和篡改的能力、基于OS的应用程序开发的规模和范围、装置应用程序在标准台式PC或服务器上的轻松开发及将新的应用程序向移动设备的轻松移植、长期移动设备OS商业支持等都是重要的OS特点。
蓝牙无线电的选择
蓝牙2.1版无线电已在广播功率为1mW至100mW的范围中操作的
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Golden-iTM耳机中被展示，在从3英尺到300英尺的距离上以25至30帧每秒(fps)的速度、720x480p的分辨率无线连续播送实时视频。预期以后的修订版蓝牙无线电提供更高的性能。
蜂窝芯片组的选择及基站SSFH软件
COTS 3G蜂窝无线电芯片组4300继续迅速改善和发展，已被以600mW广播功率操作的众多商用手机展示，在高达5英里以15fps至30fps的速度、720x480p的分辨率无线连续播送实时视频。随着4G芯片组，还带来了WiMAX、LTE及大大增强的蜂窝视频流功能。
随着蜂窝无线电芯片组和专用伪随机跳频计划的选择，用于SSFH频率模式选择的相应专用基站软件也被集成到相应的基站平台中。
显示器的选择
Kopin Corporation还提供了从SVGA(800×600)和XGA(1024×768)分辨率下的.44英寸对角线、HD(1280x720p)分辨率的.49英寸对角线到SXGA(1280×1024)分辨率的.8英寸对角线的微型显示器。Kopin显示器是透射式LCD、LED背光显示器。还有其他的显示技术和供应商生产采用OLED、DLP、铁电LCD等显示技术的具有流视频速率的显示器。这些技术中的每一个都应该经过新的及现代的评估和审查，以用于移动低功率、“全天候”的所有周围环境中的使用和应用。它们的集成能力、功耗、辅助支持电路要求、所需的近眼光学系统容量、固有的加固应用程序耐受性及过工业和/或军用温度特点都应该被识别、优先考虑并选择最佳的具有移动视频的系统显示器。
在此引用的所有专利、公开申请以及参考文献的教导都通过引用以其全部内容结合在此。
虽然已经参考其示例实施例具体地展示和说明了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解的是，在不偏离由所附权利要求所包括的本发明的范围的情况下，其中可以在形式和细节方面进行多种改变。

Claims (6)

1.一种便携式无线通信耳机，包括：
无线接口，所述无线接口根据商业标准通信协议所指定的跳频模式在物理层使用跳频扩频进行通信；以及
板载处理器，用于启用附加专用跳频计划。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括输入装置，所述输入装置用于让用户选择性地启用标准或者专用跳频计划。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述商业标准协议是无线LAN、蓝牙或数字蜂窝(3G/4G/LTE/WiMax)协议。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述耳机进一步包括：
微型显示器，用于显示从本地处理器接收到的视觉信息；
动作检测器，用于检测用户的身体部分的物理运动，并且用于提供动作或姿势输入；以及
位于所述装置中的所述本地处理器，并且进一步包括：
收发器，用于接收所述动作或姿势输入；
翻译器，用于将所述动作或姿势输入翻译成用户命令；
显示器控制器，用于根据所述动作或姿势输入转发将要显示在所述微型显示器上的信息。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述将要显示的信息进一步包括所述本地处理器已经处理了所述用户命令的视觉或音频确认。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述无线通信接口进一步用于将所述用户命令转发到主处理器，并且用于从所述主处理器接收应答。
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