CN104054317B - 无线声音传输系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于向至少一个用户(13)提供声音的系统，包括：至少一个音频信号源(17)，用于提供音频信号；传输单元(10、110)，包括用于经由无线数字音频链路(12)传输来自所述音频信号源的所述音频信号作为音频数据分组的数字发射器(28)；至少一个接收器单元(14)，用于经由数字音频链路从所述传输单元接收音频信号，包括至少一个数字接收器(61)；装置(16、64、82)，用于根据从所述接收器单元提供的音频信号来激发所述用户的听力；其中所述传输单元适合于按照这样的方式对所述音频信号进行编码，以使得每一个音频数据块按照这样的方式被分布到至少两个音频数据分组上，以使得所述分组中的一个是包括所述音频信号的经编码的低质量版本的低质量分组，并且所述分组中的一个是包括所述音频信号的相对于低质量版本的经编码的高质量版本的过剩的高质量分组，以致通过低质量分组的解码，仅音频信号的低质量版本是可取回的，而通过低质量分组和高质量分组二者的解码，音频信号的高质量版本是可取回的，并且其中，所述传输单元适合于在多址协议帧的专用时隙中传输所述低质量分组并且在所述多址协议帧的其它专用时隙中传输所述高质量分组，并且其中，每一个接收器单元或者适合于接收并解码低质量分组和高质量分组二者，或者适合于仅接收并解码低质量分组同时在专用于高质量分组的传输的时隙期间睡眠。
Description
本发明涉及用于向至少一个用户提供声音的系统和方法，其中来自诸如用于捕获讲话者的话音的麦克风的音频信号源的音频信号经由无线链路被传输到接收器单元，例如用于助听器的音频接收器，该音频信号被从助听器提供到用于激发用户的听力的装置，例如助听器扬声器。
典型地，无线麦克风由在教室中教授听力受损者的教师使用(其中由教师的无线麦克风捕获的音频信号被传输到由正在听教师讲话的听力受损者佩戴的多个接收器单元)，或者在几个人正在向听力受损者讲话的情况下(例如，在专业会议中，其中每一个讲话者被提供有无线麦克风，并且听力受损者的接收器单元从所有无线麦克风接收音频信号)被使用。另一示例是音频导游，其中导游使用无线麦克风。
无线音频系统的另一典型应用是传输单元被设计为辅助收听设备的情况。在这一情况中，传输单元可以包括用于捕获环境声音的无线麦克风，特别是从接近用户的扬声器和/或到诸如移动电话的外部音频设备的网关；这里，传输单元通常仅用于向由用户佩戴的接收器单元提供无线音频信号。
无线音频链路常常是在200MHz频带中操作的FM(频率调制)无线电链路。在EP1864 320A1和WO2008/138365A1中描述了特别适合于学校应用的模拟无线FM系统的示例。
在最近的系统中，通过采用用于音频信号传输的数字调制技术来取代模拟FM传输技术，大部分数字调制技术在除了前述200MHz频带以外的其它频带上工作。
US2005/0195996A1涉及听力辅助系统，包括由不同的讲话者佩戴的多个无线麦克风和在听者的颈部周围的项圈处佩戴的接收器单元，声音由连接到接收器单元的听筒生成，其中音频信号通过使用扩频数字信号被从麦克风传输到接收器单元。接收器单元控制数据的传输，并且它还通过经由无线链路发送各自的控制信号来控制在每一个传输单元中应用的前置放大增益级。
WO2008/098590A1涉及包括具有至少两个间隔开的麦克风的传输单元的听力辅助系统，其中单独的音频信号通道专用于每一个麦克风，并且其中由用户佩戴在两个耳部处的两个接收器单元中的至少一个能够接收两个通道并且通过考虑两个通道来执行在耳部级处的音频信号处理，例如声束成形。
WO2010/078435A1涉及包括多个传输单元的通信系统，传输单元包括用于捕获各自讲话者的话音并且将音频信号数据分组传输到接收器单元的麦克风，接收器单元可以经由插孔连接到听筒或者助听器。传输单元和接收器单元形成使用伪随机序列跳频方案并且具有主-从架构的无线网络，其中每一个帧中的某些时隙单独地归属于每一个传输单元，以使得每一个传输单元被允许在其专用时隙中传输音频信号并且接收在剩余时隙中传输的音频信号。同步信息数据可以在帧的某个时隙中由主设备传输。每一个音频数据分组在三个专用时隙中被重复地传输三次，接收器单元仅进行收听，直到音频数据分组的正确副本被接收为止，以使得当第一副本被正确接收时，接收器单元将不收听冗余的副本。音频信号通过使用子频带ADPCM(自适应差分脉冲编码调制)被编码，并且分组可以使用G.722编码器被从16位压缩到4位。
WO99/16050A1涉及用于互联网多媒体应用的可升级和嵌入式音频编解码器，其中为可以具有不同的采样速率和/或位速率的多个设备提供单个音频流。较低位速率输出位流按照低质量音频设备可以对位流的仅仅部分进行解码而高质量音频设备可以对全位流进行解码的方式被嵌入在较高位速率位流中。与最低位速率应用相对应的音频信息可以被插入在第一优先级分组中，而次要信息可以被插入在第二和第三优先级分组中，以使得仅在最低位速率处操作的设备能够自动地将第一优先级分组与位流的剩余部分分离，并且仅使用这些分组用于信号重构。
US5,570,363涉及使用可升级的音频编解码器的基于个人计算机的会议系统，该音频编解码器提供能够由具有不同带宽和位速率的音频设备解码的单个输出音频流。不同的数据分组针对不同的设备产生，其中用于较高质量音频设备的分组包括额外的部分，该额外的部分包括音频信息的过剩。
US7,272,556B1涉及对在不同的采样频率或者位速率处操作的一系列通信设备提供兼容性的音频编解码器，其中输入信号被划分在不同的部分中，至少一个部分承载足以提供输入信号的易理解重构的信息，并且其中关于信号的其它部分的单独信息按照嵌入式方式被编码，以使得能够实现从低位速率到高位速率应用的平滑过渡。从而在不同的采样速率或者位速率处操作的通信设备可以从输出位流提取相对应的信息。在US2008/0052068A1中描述了类似的音频编解码器。
EP2 129 170A1涉及用于从电视机到助听器的无线音频信号传输的系统，其中使用G.722音频编解码器。
支持高采样速率并且因而提供大音频带宽和高分辨率的用于高保真音频接收的接收器设备典型地要求相对大的电源(电池)，以使得可实现的微型化程度被限制。另一方面，支持中等采样速率并且因而提供减小的音频带宽以及较低分辨率的用于语音质量音频接收的接收器设备，能够被设计用于相对低的功耗，以使得能够实现相对高程度的微型化。
为了与这样的不同类型的接收器设备通信，传输设备不得不使它们的编码方案适应于接收器设备的具体要求。音频质量到接收器设备的要求的这样的适应能够例如通过采用诸如G.722标准的子频带ADPCM编解码器实现。这一编解码器特别适合于低复杂性的电池供电的设备，因为对于编码和解码的计算要求是合理的。此外，由这一编解码器引入的延迟较低，这对于类似无线麦克风以及IEM(耳内监听)系统的应用是特别有吸引力的，在无线麦克风中不得不确保嘴唇同步性。
本发明的目的在于提供无线声音传输系统，其中在最小化接收器单元的功率要求的情况下能够利用不同音频质量的接收器单元。本发明的目的还在于提供相对应的无线声音传输方法。
根据本发明，这些目的分别由如在权利要求1中限定的系统和如在权利要求21中限定的方法实现。
本发明是有益的，因为单个音频流足以供应不同类型的接收器单元，而低质量接收器单元不遭受增加的解码复杂性(这对于对高质量音频信号进行解码将是必需的)和增加的功耗(由于增加的解码复杂性)。通过仅要求单个传输的音频流，传输单元的功耗可以被保持为低(因为被以不同质量编码的几个音频流的并行传输能够被避免)，并且由于所传输的信息的冗余而引起的可用传输带宽的低效使用能够被避免。这些益处由对音频信号进行编码产生，按照这样的方式对音频信号进行编码以使得每一个音频数据块按照这样的方式被分布到至少两个音频数据分组上，以使得所述分组中的一个是包括音频信号的经编码的低质量版本的低质量分组并且所述分组中的一个是包括音频信号的经编码的高质量版本的过剩的高质量分组，其中低质量分组在多址协议帧的专用时隙中被传输并且高质量分组在该多址协议帧的其它专用时隙中被传输，并且其中每一个接收器单元或者适合于接收并且解码低质量分组和高质量分组二者，或者适合于仅接收并且解码低质量分组而在专用于高质量分组的传输的时隙期间睡眠。
优选地，使用ADPCM编解码器。多址协议优选地是TDMA协议；然而，还可以使用诸如FDMA和CDMA的其它多址协议。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
在下文中，将通过参照附图来说明本发明的示例，在附图中：
图1是可以与根据本发明的系统一起使用的音频部件的示意图；
图2到图4是根据本发明的系统的各种示例的使用的示意图；
图5是与本发明一起使用的传输单元的示例的方框图；
图6是与本发明一起使用的接收器单元的示例的方框图；
图7是本发明的数字链路的TDMA帧结构的示例；
图8是在根据本发明的系统中使用的数字链路的协议的示例的说明；
图9是用于在编码之前将输入音频信号分割为四个子频带的单元的第一示例的方框图；
图10是与图9类似的视图，其中示出了具有三个子频带的示例；
图11是与本发明一起使用的编码器的示例的方框图；
图12是与本发明一起使用的解码器的第一示例的方框图；
图13是与图12类似的视图，其中示出了解码器的第二示例；以及
图14是与本发明一起使用的音频编解码器的示例的示意性表示。
如图1所示，在传输侧上使用的设备可以例如是由在接见室中的讲话者使用的无线麦克风；具有由在听力受损的小学生/学生的教室中的教师使用的集成或电缆连接的麦克风的音频发射器；声学警报系统，例如门铃、火灾报警器或婴儿监视器；音频或视频播放器；电视机设备；电话设备；到诸如移动电话、音乐播放器的音频源的网关；等等。传输设备包括身体佩戴式设备以及固定设备。在接收器侧上的设备包括听筒、所有类型的助听器、耳机，例如用于提升播音室应用中的设备或者用于隐蔽通信系统和扬声器系统。接收器设备可以针对听力受损者或者针对正常听力者。并且在接收器侧上能够使用网关，其将经由数字链路接收的音频信号转送到包括激发装置的另一设备。
系统可以包括传输侧上的多个设备和接收器侧上的多个设备，用于实现通常为主-从拓扑的网络架构。
传输单元典型地包括或者被连接到用于捕获音频信号的麦克风，麦克风典型地由用户佩戴，用户的话音经由无线音频链路被传输到接收器单元。
接收器单元典型地经由音频靴连接到助听器或者被集成在助听器内。
除了音频信号以外，控制数据在传输单元和接收器单元之间被双向地传输。这样的控制数据可以例如包括音量控制或者关于接收器单元或连接到接收器单元的设备的状态(例如，电池状态和参数设置)的查询。
在图2中，示意性地示出了典型用例，其中包括麦克风17的身体佩戴式传输单元10由在教室中的教师11使用，用于经由数字链路12将与教师的话音相对应的音频信号传输到多个接收器单元14，接收器单元14被集成在由听力受损的小学生/学生13佩戴的助听器16内或连接到该助听器16。数字链路12还用于在传输单元10和接收器单元14之间交换控制数据。典型地，传输单元10在广播模式中被使用，即，相同的信号被发送到所有接收器单元14。
另一典型用例在图3中示出，其中具有集成的麦克风的传输单元10由佩戴连接到助听器16或集成在助听器16内的接收器单元14的听力受损者13使用，助听器16用于捕获向人13讲话的人11的话音。所捕获的音频信号被经由数字链路12传输到接收器单元14。
图3的用例的修改在图4中示出，其中传输单元10用作转送设备，用于将从远程传输单元110接收的音频信号转送到听力受损者13的接收器单元14。远程传输单元110由讲话者佩戴，并且包括用于捕获讲话者11的话音的麦克风，从而用作伴侣麦克风。
根据图2到图4所示的实施例的变形，接收器单元14可以被设计作为颈部佩戴式设备，包括用于经由感应链路将所接收的音频信号传输到诸如助听器的耳部佩戴式设备的发射器。
传输单元10、110可以包括用于连接到作为外部音频信号源的音频设备的音频输入，该音频设备例如是移动电话、FM收音机、音乐播放器、电话或TV设备。
在每一个这样的用例中，传输单元10通常包括用于在被传输之前处理由麦克风捕获的音频信号的音频信号处理单元(在图2到图4中未示出)。
传输单元10的示例在图5中示出，包括用于捕获来自各自讲话者11的话音的音频信号的麦克风布置17、用于处理所捕获的音频信号的音频信号处理单元20、用于传输经处理的音频信号作为由音频数据分组组成的音频流的数据发射器28和天线30。音频信号处理单元20用于使用下面将详细描述的适当的音频编解码器来对音频数据进行压缩。所压缩的音频流形成在传输单元10和接收器单元14之间建立的数字音频链路12的部分，该链路也用于在传输单元10和接收器单元14之间交换控制数据分组，这样的控制数据分组作为块被插入在音频数据中。传输单元10可以包括额外的部件，例如话音活动检测器(VAD)24。音频信号处理单元20和这样的额外部件可以由在22处指示的数字信号处理器(DSP)实现。此外，传输单元10还可以包括作用于DSP22和发射器28的微控制器26。在DSP22能够接管微控制器26的功能的情况下，微控制器26可以被省略。优选地，麦克风布置17包括至少两个间隔开的麦克风17A、17B，其音频信号可以在用于声学波束成形的音频信号处理单元20中使用，以便为麦克风布置17提供方向特征。
VAD24使用来自麦克风布置17的音频信号作为输入，以便确定使用各自传输单元10的人11讲话的时间。VAD24可以向微控制器26提供相对应的控制输出信号，以便例如在没有检测到话音的时间期间使发射器28睡眠并且在检测到话音活动的时间期间唤醒发射器28。此外，与VAD24的输出信号相对应的控制命令可以被生成并且经由无线链路12被传输以便当传输单元10的用户11不讲话时使接收器单元14不发声或者节约功率。为此，提供用于生成包括来自处理单元20的音频信号和由VAD24生成的控制数据的数字信号的单元32，该数字信号被提供到发射器28。单元32用于由控制数据块代替音频数据。除了VAD24以外，传输单元10可以包括环境噪声估计单元(在图5中未示出)，用于估计环境噪声水平并且生成可以被提供到单元32用于经由无线链路12被传输的相对应的输出信号。
根据一个实施例，传输单元10可以适合于由各自讲话者11佩戴在该讲话者的颈部之下，例如作为翻领麦克风或者作为衬衫领麦克风。
数字接收器单元14的示例在图6中示出，根据图6，天线布置38连接到包括解调器58和缓冲器59的数字收发机61。经由数字链路12传输的信号由天线38接收，并且在数字无线电接收器61中被解调。经解调的信号经由缓冲器59被提供到用作处理单元的DSP74，其将信号分离为音频信号和控制数据并且根据由控制数据提供的信息被提供用于诸如均衡化的音频信号的高级处理。经处理的音频信号在数模转换之后被提供到可变增益放大器62，该放大器62用于通过应用由经由数字链路12接收的控制数据控制的增益来放大音频信号。经放大的音频信号被提供到助听器64。接收器单元14也包括用于DSP74的存储器76。
不是将由可变增益放大器62放大的音频信号提供到助听器64的音频输入，接收器单元14可以包括可以由手动音量控制80控制并且将功率放大的音频信号提供到扬声器82的功率放大器78，扬声器82可以是集成在接收器单元14内或者连接到接收器单元14的耳部佩戴式元件。也可以远离传输单元10通过将相对应的控制命令传输到接收器单元14来完成音量控制。
接收器的另一可选实现可以是具有用于经由磁感应链路86(模拟或数字)将所接收的信号传输到助听器64的发射器84(如图6中的虚线指示的)的颈部佩戴式设备。
通常，微控制器24的作用也可以由DSP22接管。并且，信号传输可以被限制到纯音频信号，而不添加控制和命令数据。
将参照图7和图8来讨论数字链路12的协议的示例的一些细节。数字链路12的典型载波频率是865MHz、915MHz和2.45GHz，其中后一频带是优选的。数字调制方案的示例是PSK/FSK、ASK或组合的振幅和相位调制，例如QPSK及其变形(例如GFSK)。
数据传输可以按照包括多个(例如10个)时隙的TDMA(时分多址)帧的形式出现，其中在每一个时隙中可以传输一个数据分组。在图7中示出了示例，其中TDMA帧具有4ms的长度并且被划分为400μs的10个时隙，每一个数据分组具有160μs的长度。
优选地，使用慢跳频方案，其中每一个时隙根据通过给定算法按照相同的方式由发射器单元10和接收器单元14计算的跳频序列在不同的频率处被传输，其中频率序列是伪随机序列，取决于当前TDMA帧的号码(序列号)、限定跳变序列的恒定奇数(跳变序列ID)以及前一帧的最后时隙的频率。
每一个TDMA帧的第一时隙(图7中的时隙0)可以被分配到信标分组的周期性传输，该信标分组包括对TDMA帧编号的序列号和使网络同步所必需的其它数据，例如以编码格式的描述、音频内容的描述、增益参数、周围噪声水平等等为例的对于音频流相关的信息，对于多谈话者网络操作相关的信息，以及可选地对于接收器单元的所有或特定单元的控制数据。
第二时隙(图7中的时隙1)可以被分配到来自网络的从设备(通常是接收器单元)的响应数据的接收，从而从设备可以对经过信标分组来自主设备的请求做出响应。其它时隙中的至少一些被分配到音频数据的传输，其中每一个音频数据分组典型地在随后的时隙中被重复至少一次。在图7和图8所示的示例中，时隙3、4和5用于单个音频数据分组的三倍传输。主设备不期望来自从设备(接收器单元)的任何确认，即，音频数据分组的重复在任何情况下完成，而与接收器单元是否正确地接收了第一音频数据分组(在图7和图8的示例中，在时隙3中传输)无关。并且，接收器单元不通过发送设备ID而被单独地寻址，即，相同的信号被发送到所有接收器单元(广播模式)。
不是将单独的时隙分配到信标分组和从设备的响应，信标分组和响应数据可以在相同的时隙，例如时隙0，上被复用。
音频数据在被传输之前在传输单元10中被压缩。
每一个音频数据分组包括起始帧定界符(SFD)、音频数据和诸如CRC(循环冗余校验)位的帧检查序列。优选地，起始帧定界符是根据网络主设备的4字节唯一ID构建的5字节代码。这一5字节代码被称为网络地址，对于每一个网络是唯一的。
为了节约功率，接收器单元14中的接收器61在义务循环模式中被操作，其中每一个接收器在音频分组的预期到达之前不久醒来。如果接收器能够进行验证(通过使用数据分组结束处的CRC)，则接收器进入睡眠，直到在新的音频数据分组的预期到达之前不久为止(接收器在相同音频数据分组的重复期间睡眠)，在图7和图8的示例中，该新的音频数据分组将是下一个帧中的第一音频数据分组。如果接收器通过使用CRC确定音频数据分组没有被正确地接收，则接收器切换到跳变序列中的下一个频率并且等待相同音频数据分组的重复(在图7和图8的示例中，接收器接着将收听如图8所示的时隙4，其中在第三帧中，时隙3中的分组的传输失败)。
为了进一步减少接收器的功耗，接收器已经在SFD的预期结束之前不久进入睡眠，如果接收器根据缺失的SFD确定分组是缺失的或被丢失的。接收器接着将在下一个音频数据分组的预期到达(即，缺失的分组的复制/重复)之前不久再次醒来。
根据本发明，使用典型地是子频带ADPCM编解码器的编解码器，其中音频信号按照这样的方式被编码，以使得每一个音频数据块按照这样的方式被分布到至少两个音频数据分组上，以使得分组中的一个是代表音频信号的经编码的低质量版本的低质量分组并且所述分组中的一个是代表相对于低质量版本的音频信号的经编码的高质量版本的过剩的高质量分组，以使得通过低质量分组的解码，仅音频信号的低质量版本是可取回的，而通过低质量分组和高质量分组的解码，音频信号的高质量版本是可取回的。
优选地，音频信号在编码之前被划分为至少两个频谱子频带，每一个子频带由单独的编码器进行编码。优选地，低质量分组仅包括子频带的部分(在下文中，“基本子频带”)，即，不是所有子频带，剩余的子频带包括在高质量分组中，并且低质量分组优选地仅包括最低子频带。
优选地，低质量分组仅包括基本子频带的最高有效位，基本子频带的剩余位，即，最低有效位，包括在高质量分组中。优选地，每一个基本子频带中的音频信号由两级编码器进行编码，该两级编码器包括用于生成包括在低质量分组中的最高有效位的第一级、用于计算第一级的残留量化误差的单元以及用于对第一级的经计算的残留量化误差进行编码以便生成包括在高质量分组中的剩余位，即，最低有效位，的第二级。通过低质量分组的解码取回的基本子频带的最高有效位被加到通过高质量分组的解码取回的基本子频带的最低有效位，以便在基本子频带中重构音频信号。
优选地，低质量分组仅包括两个子频带，而高质量分组包括一个或两个额外的子频带。
典型地，与通过仅对低质量分组进行解码取回的音频信号相比较，通过对低质量分组和高质量分组二者进行解码重构的音频信号具有增加的带宽和/或增加的量化分辨率。优选地，与较高频率子频带相比较，通过对低质量分组和高质量分组二者进行解码重构的音频信号在较低频率子频带中具有较高的量化分辨率。
在图9和图12中示出一个示例，其中音频信号被划分为四个子频带，例如从0到4kHz的第一子频带、从4到8kHz的第二子频带、从8到12kHz的第三子频带和从12到16kHz的第四子频带。如图9所示，可以例如由包括用于将被局限于从0到16kHz的频带的数字化音频输入信号分割为两个子频带的第一QMF120的两级二次镜像滤波器(QMF)布置来实现这样的频谱分割，这些子频带中的每一个分别由第二QMF122和第三QMF124进一步划分为两个子频带。子频带信号中的每一个分别被提供到单独的编码器126A、126B、126C和126D，编码器的输出被提供到单元128，该单元128将来自编码器的输入组合为低质量(LQ)和高质量(HQ)字，其作为输入被提供到单元130，该单元130产生包括LQ字和HQ字的音频数据输出流。
单元120、122、124、126、128和130可以在功能上被实现为图5的信号处理单元20的部分。
根据在图14中说明的示例，在四个子频带编码器的情况下，音频信号的低质量版本由8位编码，第一(最低)子频带由6位表示并且第二(第二最低)子频带由两位表示，而音频信号的高质量版本由16位表示并且因而包括8位以及低质量版本的8位。这一8位过剩由第一子频带中的两个额外的位和第二子频带中的两个额外的位组成，第三(即，第二最高)子频带和第四(即，最高)子频带的每一个由两位编码。
如图14所示，经编码的音频信号因而由第一子频带的六个最高有效位LQ0和第二子频带的两个最高有效位LQ1组成的低质量分组以及由第一子频带的两个最低有效位HQ0、第二子频带的两个最低有效位HQ1、第三子频带的两个位HQ2和第四子频带的两个位HQ3组成的高质量分组表示。
与所取回的音频信号的低质量版本相比较，高质量分组(在图14中被标记为“HQF1”)因而由高质量版本所需要的音频信息的过剩组成。低质量分组因而具有两个功能：一方面，它包含取回音频信号的低质量版本(因此在图14中被标记为“LQF”)必需的所有音频信息，但是它也可以构成取回音频信号的高质量版本(相应地，低质量分组在图14中也被标记为“HQF0”)必需的音频信息的(低质量)部分。
结果，通过接收并且解码低质量分组和高质量分组二者，音频信号的高质量版本可以被取回，而通过仅接收并且解码低质量分组，音频信号的低质量版本可以被取回。
图14所示的示例基于具有1/4压缩因子的四个子频带ADPCM编解码器，其服务于具有16kHz的采样速率和16位分辨率的LQ接收器单元和具有32kHz的采样速率和16位分辨率的高质量HQ接收器单元二者。
对于LQ编解码器，16kHz被划分为2个子频带。每16位的2个样本被转换到8位，其中6位用于0-4kHz频带(LQ0)并且2位用于4-8kHz频带(LQ1)。这导致8*16000/2＝64kb/s的数据速率。对于经由数字无线电链路的传输，每4ms发送32*8或16*16位的分组。这一分组被限定为低质量帧(LQF)。
对于HQ编解码器，32kHz被划分为4个子频带。每16位的2个样本被转换到16位，8位用于0-4kHz频带(LQ0)，4位用于4-8kHz频带(LQ1)，2位用于8-12kHz频带(LQ2)并且2位用于12-16kHz频带(LQ3)。这导致16*32000/2＝128kb/s的数据速率。对于通过数字无线电链路的传输，每4ms发送16*16位的2个分组。这些分组被限定为高质量帧(HQF0和HQF1)。
为了维持与LQ编解码器的兼容性，HQband i的最高有效位应该等于LQband i：
HQband i[m-1；m-n]＝LQband i[n-1；0]
其中，m和n分别是子频带i的HQ和LQ量化器的位的数量。
为了简化对LQ数据的访问，第一帧(HQF0)仅包含HQ0和HQ1的最高有效位，并且因而确切地对应到低质量帧(LQF)。第二帧(HQF1)包含HQ0和HQ1以及HQ2和HQ3的最低有效位。按照这种方式，信号可以由LQ解码器仅使用HQF0或者由HQ解码器使用HQF0和HQF1二者被解码。此外，HQ解码器也应该能够通过对HQF1放置“静默”编码帧来对LQF进行解码。
在图11中示出了可以用于对第一和第二子频带进行编码的编码器的类型的示例(即，图11所示的编码器可以用作编码器126A和126B)。图9或图10中被标记为“126A”的编码器包括优选地是G.722兼容的低质量(LQ)单元132、残留误差提取单元134和高质量(HQ)单元136。LQ单元132用于生成低质量分组的第一子频带的六个最高有效位(在图11中，相对应的输出被标记为“LQ传输位”)，其被提供到单元128。
此外，LQ单元132的输出由用于提取由第一子频带中的信号的这样的6位量化产生的残余量化误差的残余误差提取单元134使用。残余误差提取单元134的输出被提供到生成第一子频带中的信号的两个最低有效位的HQ单元136，这两个最低有效位被提供到单元128用于被包括在高质量分组中(在图11中HQ单元的输出被标记为“HQ传输位”)。
如上面已经提到的，用于对第二子频带进行编码的编码器126B可以具有与用于第一子频带的编码器126A相同的结构，LQ单元132接着生成第二子频带的两个最高有效位以便被包括在低质量分组中，并且HQ单元136生成第二子频带的两个最低有效位以便被包括在高质量分组中。
用于分别对第三和第四子频带进行编码的编码器126C和126D不需要具有编码器126A和126B的两级结构；更确切地，编码器126C和126D可以仅由与HQ单元136类似的单元组成，以便提供分别对第三和第四子频带进行编码的两个位以便被包括在高质量分组中。
在图12中说明了在接收器单元14的单元74中实现的四个子频带解码器结构的示例。所接收的低质量分组(在图12中被标记为“HQ字”)被提供到位组合器单元138，而所接收的低质量分组(在图12中被标记为“G.722字”)被提供到位组合器单元140。位组合器138、140用来将低质量分组和高质量分组的音频数据分离为各自子频带的份额。
因此，LQ位组合器单元140生成与第一子频带的六个最高有效位相对应的第一输出和与第二子频带的两个最高有效位相对应的第二输出，所述输出被提供到6位ADPCM解码器142A和2位ADPCM解码器142B。各自经解码的信号被提供到生成音频信号的8kHz低质量版本的第一QMF144。
HQ位组合器单元138生成与第一子频带的两个最低有效位相对应的第一输出、与第二子频带的两个最低有效位相对应的第二输出、与第三子频带的两个位相对应的第三输出和与第四子频带的两个位相对应的第四输出。这些输出分别被提供到ADPCM解码器142C、142D、142E和142F。
通过使用两级QMF布置来重组由HQ解码器142C到142F提供的输出信号。解码器142E和142F的输出信号被提供到第二QMF148，并且解码器142C和142D的输出信号被提供到第三QMF146，解码器142A的输出被加到解码器142C的输出，而解码器142B的输出被加到解码器142D的输出，以便完全重构第一和第二子频带的高质量版本。QMF146和QMF148的输出被提供到第四QMF150，以便重构音频信号的16kHz高质量版本。
尽管寻求取回音频信号的高质量版本的任何高质量设备将不得不采用除了LQ-QMF144以外的图12所示的解码器结构，但是寻求仅取回音频信号的8kHz低质量版本的低质量设备将仅采用对低质量信息进行解码所需要的解码器结构的部分，即，单元140、解码器142A、142B和LQ-QMF144。
在图10和图13中，示出了在利用三个子频带(而不是在图9和图12中示出的示例中的四个子频带)的情况下编码器布置和解码器布置的示例。在这种情况下，第一和第二子频带与四个子频带示例的第一和第二子频带相对应，而第三子频带是从8到16kHz，没有第四子频带被预见。在这种情况下，可以省略图9的编码器126D和第三QMF124。因此，可以省略图12的解码器142F和QMF148。
这样的三个子频带实施例的益处是：一个QMF计算和一个子频带编码器和解码器能够被省略，从而简化系统。进而，如果每子频带所分配的位的数量相同(例如，两个位用于从8到12kHz的子频带，并且两个位用于从12到16kHz的子频带)，则所实现的结果与通过将相同数量的位分配到包含这些子频带的频带(例如，两个位用于从8到16kHz的子频带)而获得的结果相当类似。
为了将整体功耗保持得尽可能地低，低质量设备仅收听低质量分组的传输，而在高质量分组的传输期间睡眠。例如，在图7和图8所示的TDMA帧结构中，低质量分组可以在时隙3、4和5中被传输，即，低质量分组的第一副本在时隙3中被传输，并且冗余副本分别在时隙4和5中被传输。高质量分组按照相同的方式在时隙6、7和8中被传输，即，第一副本在时隙6中被传输，并且冗余副本分别在时隙7和8中被传输。在图8所示的接收器单元14是高质量设备的情况下，它将接听低质量分组和高质量分组的传输二者，即，它将至少在时隙3和6期间(并且仅在第一副本未被正确接收的情况下才在时隙4/5和7/8期间)进行接听。另一方面，在接收器单元14是低质量设备的情况下，它将仅接听低质量分组的传输，即，它将至少在时隙3期间(以及在时隙3中的副本未被正确接收的情况下仅在时隙4/5期间)进行接听，而它将在时隙6、7和8中的传输期间睡眠。
Claims (23)
1.一种用于向至少一个用户(13)提供声音的系统，包括：
至少一个音频信号源(17)，用于提供音频信号；
传输单元(10、110)，包括用于应用数字调制方案以便经由无线数字音频链路(12)将来自所述音频信号源的所述音频信号作为音频数据分组进行传输的数字发射器(28)；
至少一个接收器单元(14)，用于经由数字音频链路从所述传输单元接收音频信号，包括至少一个数字接收器(61)；
装置(16、64、82)，用于根据从所述接收器单元提供的音频信号激发所述用户的听力；
其中，所述传输单元适合于按照这样的方式对所述音频信号进行编码，以使得每一个音频数据块按照这样的方式被分布到至少两个音频数据分组上，以使得所述分组中的一个是包括所述音频信号的经编码的低质量版本的低质量分组并且所述分组中的一个是包括所述音频信号的关于所述低质量版本的经编码的高质量版本的过剩的高质量分组，以致通过所述低质量分组的解码，仅所述音频信号的低质量版本是能够取回的，而通过所述低质量分组和所述高质量分组二者的解码，所述音频信号的高质量版本是能够取回的，并且
其中，所述传输单元适合于在多址协议帧的专用时隙中传输所述低质量分组并且在所述多址协议帧的其它专用时隙中传输所述高质量分组，并且其中，每一个接收器单元或者适合于接收并解码所述低质量分组和所述高质量分组二者，或者适合于仅接收并解码所述低质量分组同时在专用于所述高质量分组的传输的时隙期间睡眠。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述传输单元(10)适合于在进行编码之前将所述音频信号划分为至少两个频谱子频带，每一个子频带由单独的编码器(126A、126B、126C、126D)进行编码。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述低质量分组仅包括所述子频带的部分，剩余的子频带被包括在所述高质量分组中。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述低质量分组仅包括最低子频带。
5.如权利要求3和4中的一项所述的系统，其中，所述低质量分组仅包括所述子频带的所述部分的最高有效位，所述子频带的所述部分的剩余位被包括在所述高质量分组中。
6.如权利要求5所述的系统，其中，包括在所述低质量分组中的所述子频带的所述部分的每一个子频带中的所述音频信号由两级编码器(126A、126B)进行编码，所述两级编码器包括用于生成包括在所述低质量分组中的所述最高有效位的第一级(132)、用于计算所述第一级的残留量化误差的单元(134)以及用于对所述第一级的经计算的残留量化误差进行编码以便生成包括在所述高质量分组中的所述剩余位的第二级(136)。
7.如权利要求6所述的系统，其中，通过所述低质量分组的解码取回的所述子频带的所述部分的所述最高有效位被加到通过所述高质量分组的解码取回的所述子频带的所述部分的最低有效位，以便在所述子频带的所述部分中取回音频信号。
8.如权利要求2所述的系统，其中，所述低质量分组仅包括两个子频带，而所述高质量分组包括一个或两个额外的子频带。
9.如权利要求2所述的系统，其中，与通过仅对所述低质量分组进行解码而取回的所述音频信号相比较，通过对所述低质量分组和所述高质量分组二者进行解码而取回的所述音频信号具有增加的带宽和增加的量化分辨率。
10.如权利要求2所述的系统，其中，与较高频率子频带相比较，通过对所述低质量分组和所述高质量分组二者进行解码而取回的所述音频信号在较低频率子频带中具有较高的量化分辨率。
11.如权利要求1所述的系统，其中，使用ADPCM编解码器。
12.如权利要求1所述的系统，其中，每一个数据分组根据跳频序列在不同的频率处被传输。
13.如权利要求12所述的系统，其中，相同的音频数据分组在相同的帧中优选地在随后的时隙中被传输至少两次，而不预期来自接收器单元(14)的确认消息，并且其中，所述帧被构造用于所述音频数据分组的单向广播传输，而不单独地寻址所述接收器单元。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述音频信号源是被集成在用于捕获讲话者的话音的所述传输单元(10)内的或者连接到所述传输单元(10)的麦克风布置(17)。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述传输单元包括用于在被传输之前处理由所述麦克风布置(17)捕获的所述音频信号的音频信号处理单元(20)。
16.如权利要求1所述的系统，其中，所述传输单元(10)适合于在2.4GHz ISM频带中的载波频率处建立所述数字音频链路(12)。
17.如权利要求1所述的系统，其中，所述传输单元(10)连接到作为所述音频信号源的外部音频设备，所述外部音频设备例如是移动电话、FM收音机、音乐播放器、电话或者TV设备。
18.如权利要求1所述的系统，其中，所述传输单元(10)经由数字音频链路(27)连接到包括作为所述音频信号源的用于捕获讲话者的话音的麦克风的外部传输单元(110)。
19.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收器单元(14)中的至少一个连接到包括激发装置的耳部佩戴式设备或者集成在所述耳部佩戴式设备内，所述耳部佩戴式设备例如是助听器(16、64)。
20.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收器单元中的至少一个是包括发射器(84)的颈部佩戴式设备，所述发射器(84)用于经由感应链路将音频信号传输到包括激发装置的耳部佩戴式设备，所述耳部佩戴式设备例如是助听器(64)。
21.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个接收器单元(14)连接到用作激发装置的至少一个听众扬声器(82)或者集成在所述至少一个听众扬声器(82)内。
22.如权利要求1所述的系统，其中，所述多址协议是TDMA协议。
23.一种用于向至少一个用户提供声音的方法，包括：
将来自至少一个音频信号源(17)的音频信号提供到包括用于应用数字调制方案的数字发射器(28)的传输单元(10、110)；
对所述音频信号进行编码；
经由数字无线音频链路(12)将经编码的音频信号从所述传输单元传输到包括至少一个数字接收器(61)的至少一个接收器单元(14)；
对所述音频信号进行解码；以及
根据从所述接收器单元提供的经解码的音频信号来激发所述用户的听力；
其中，所述音频信号按照这样的方式被编码，以使得每一个音频数据块按照这样的方式被分布到至少两个音频数据分组上，以使得所述分组中的一个是包括所述音频信号的经编码的低质量版本的低质量分组并且所述分组中的一个是包括所述音频信号的关于所述低质量版本的经编码的高质量版本的过剩的高质量分组，以致通过所述低质量分组的解码，仅所述音频信号的低质量版本被取回，而通过所述低质量分组和所述高质量分组二者的解码，所述音频信号的高质量版本被取回，并且
其中，所述低质量分组在多址协议帧的专用时隙中被传输，并且所述高质量分组在所述多址协议帧的其它专用时隙中被传输，并且其中，每一个接收器单元或者适合于接收并解码所述低质量分组和所述高质量分组二者，或者适合于仅接收并解码所述低质量分组同时在专用于所述高质量分组的传输的时隙期间睡眠。
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