CN113692044A - 无线音频同步方法、播放设备和收发系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种无线音频同步方法、播放设备和收发系统。该方法包括：按照无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样；确定当前无线数据包对应的峰值时刻；根据第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据计数结果调整第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；从峰值时刻起，预设数量的第一时钟信号的时钟周期之后，根据无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放数据段或者数据段的预定位置数据，其中，第一时钟信号与第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。本申请的方法能够实现高精度音频同步。
Description
技术领域
本申请属于音频信号处理和无线通信技术领域，具体涉及一种无线音频同步方法、播放设备和收发系统。
背景技术
无线音频收发系统通常包括一个无线音频发送设备和多个无线音频播放设备。多个无线音频播放设备例如是左耳机和右耳机，又例如是多个无线音箱。如果各无线音频播放设备的播放不同步，会造成声音质量的下降。
现有的同步方法多为无线音频播放设备彼此之间交换时钟信号而实现。这种无线音频同步方法的时间精度有限而且需要额外的控制数据交互。
发明内容
本申请的目的在于提供一种无线音频同步方法、播放设备和收发系统，以至少部分解决现有技术中存在的技术问题。在本申请中不需要发送设备和播放设备之间，以及播放设备与播放设备之间互相发送时间控制数据，而只需要基于本来就要发送的包含音频数据的无线数据包接收时间进行本地自动调整。另外，在本申请中，采用了射频接收中需要的高速时钟进行音频信号时间误差的确定和调整，相比于通常做法中基于音频信号本身的时间同步，精度上也更加准确。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种无线音频同步方法，应用于无线音频播放设备，所述方法包括：
按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的；
按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置；
根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；
从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种无线音频播放设备，包括：
采样解调模块，用于按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的；
匹配模块，用于按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置；
调整模块，用于根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；
播放模块，用于从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种无线音频播放设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储指令，所述处理器运行所述指令以执行前述的无线音频同步方法。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种无线音频收发系统，包括无线音频发送设备和多个前述的无线音频播放设备，所述无线音频发送设备用于根据其本地时钟信号定时向各所述无线音频播放设备发送无线信号，所述无线信号经所述无线音频播放设备采样和解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，随时间增加，各无线音频播放设备对相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于同一个预设计数值，各无线音频播放设备本地的第二时钟信号的时钟周期趋近于相等或完全相等。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：不需要额外的同步信息，无线音频发送设备和播放设备之间直接通过无线数据包的收发进行时间的同步。而无线数据包本来也是传输音频数据需要的。同时，随着无线音频播放设备接收到的无线数据包的数量的增加，无线音频播放设备本地的第一时钟信号的时钟周期与预设计数值的乘积趋近于或者完全等于与无线音频发送设备发送无线数据包的周期。由于多个无线音频播放设备都和无线音频发送设备保持了良好的同步，各个播放设备之间的同步也会达到比较理想的效果。举例而言，无线音频播放设备A与无线音频播放设备B二者本地的第一时钟信号的时钟周期是趋近于相等的或者完全相等。通常无线音频发送设备与各无线音频播放设备的距离不大且距离的差异也不大，考虑电磁波的传播速度是光速，这由物理距离造成的时间差可以忽略。无线音频播放设备A开始播放无线数据包的音频内容的时刻与无线音频播放设备B开始播放同一无线数据包的音频内容的时刻是趋近于相同或者完全相同的。由于无线音频播放设备A与B本地的第二时钟信号的时钟周期是趋近于相等的或者完全相等，两个播放设备播放同一无线数据包的音频内容的快慢也是趋近于相等或完全相等的。不需要无线音频播放设备A与无线音频播放设备B之间进行时钟信号的交换，也能够实现二者的同步播放。二者播放同一无线数据包的音频内容的时间差最多不会超过一个第一时钟信号的时钟周期。通常，第一时钟信号的时钟周期是在微秒甚至更低的数量级的，音频同步的精度非常高。
附图说明
图1是根据本申请实施例的无线音频同步方法的流程示意图。
图2是根据本申请实施例的无线音频收发系统的结构框图。
图3是根据本申请实施例的无线音频发送设备发送无线数据包的时序图。
图4是根据本申请实施例的无线音频播放设备寻找相关峰的方法示意图。
图5是根据本申请实施例的无线音频播放设备的结构框图。
图6是根据本申请另一实施例的无线音频播放设备的结构框图。
具体实施方式
在本申请中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语旨在指示本说明书中存在所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，但是并不排除存在一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
下面结合附图所示的实施例对本申请作进一步说明。
参考图1，本申请的实施例提供一种无线音频同步方法，应用于无线音频播放设备，该方法包括以下步骤。
步骤101、按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的。
参考图2，无线音频发送设备S按照其本地时钟信号定时向无线音频播放设备A、B和C发送相同的无线数据包(例如是每10ms发送一个无线数据包)。具体地，本申请对无线音频信号的调制方式不做限定。无线数据包中的数据段可以是分成多段，每个无线音频播放设备A、B和C可以分别播放其中的一段。无线数据包的数据段的音频内容也可以是不分段的，那么无线音频播放设备A、B和C播放相同的内容。
参考图3，无线音频发送设备按照其本地时钟信号以及预设的调制方式定时发送无线数据包。无线数据包的前一部分例如是同步段，后一部分例如是数据段。在图3所示的示例中，无线音频发送设备在T0时刻、T0+T时刻和T0+2T时刻开始发出无线数据包。由于无线音频发送设备的本地时钟信号的时钟周期是固定的，其发送无线数据包的周期T的时长也是固定的。
步骤102、按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置。
图4示出的是假设同步序列为二进制比特时的序列内容：“1101010101110001***1011”。为方便解释，假设采样序列也是“1101010101110001***1011”。
时间滑动窗口的长度例如是7(这仅是为方便说明，实际的时间滑动窗口的长度可能要大得多)。预设采样序列例如是：“1110001”。时间滑动窗口第一次从同步段的采样序列中截取到的编码序列为：“1101010”。随后时间滑动窗口滑动一位，从同步段的采样序列中截取到编码序列：“1010101”。两个二进制编码的相似度匹配的算法例如是对对应位置处数值相同的二进制数据位进行计数(方式不限于此)。显然，当滑动时间窗口滑动到同步段的采样序列的第十位时，得到做大的相似度匹配值。该时刻作为一个基准时刻。此时的峰值时刻例如可以定义为采样序列全部匹配时最大匹配值对应的最后一位采样数值的采样时刻。
这里需要注意，仅为了说明的方便，这里采样序列用了二进制的方式。在实际实现中，更有可能的是本地的预设同步序列和待匹配的采样序列都是非单比特的数值，例如采样序列如果是由12位的ADC采样所得，那么采样序列中的每个数值都是一个12位的数值。相应地，多个12位的数值形成一个预设同步序列，而不是一个由单比特的数值序列形成的预设同步序列。
而且实际系统中同步序列中每个比特对应的采样值可能是多个采样值。例如如果原来的比特序列是1010，实际系统中如果是4倍的上采样，那么对应的采样值可能是“210230 250 210 20 10 5 15 200 220 240 230 25 15 3 12”。假设预设同步序列是“250 5240 3”，也就意味着在采样时刻上第三个过采样点是最佳的采样点。
步骤103、根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值。
例如，如果参考图2的说明，这个预设计数值是10毫秒对应的计数数值。
具体地，无线音频发送设备和无线音频播放设备都有一个本地的时钟用于计量本地的时间，他们虽然从名义上设定为相同的频率数值，例如都是48Mhz，但是实际上是有误差的。当相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果等于预设计数值时，无线音频播放设备的本地时钟周期和与无线音频发送设备的本地时钟周期是完全一致的。
步骤104、从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
随着无线音频播放设备接收到的无线数据包的数量的增加，无线音频播放设备本地的第一时钟信号的时钟周期与预设计数值的乘积无线趋近于或者完全等于与无线音频发送设备发送无线数据包的周期。举例而言，无线音频播放设备A与无线音频播放设备B二者本地的第一时钟信号的时钟周期是趋近于相等的或者完全相等。通常无线音频发送设备与各无线音频播放设备的距离不大且距离的差异也不大，考虑电磁波的传播速度是光速，这由物理距离造成的时间差可以忽略。无线音频播放设备A开始播放无线数据包的音频内容的时刻与无线音频播放设备B开始播放同一无线数据包的音频内容的时刻是趋近于相同或者完全相同的，二者的时间差最多不会超出一个第一时钟信号的时钟周期。由于无线音频播放设备A与B本地的第二时钟信号的时钟周期是趋近于相等的或者完全相等，两个播放设备播放同一无线数据包的音频内容的快慢也是趋近于相等或完全相等的。不需要无线音频播放设备A与无线音频播放设备B之间进行时钟信号的交换，也能够实现二者的同步播放。二者播放同一无线数据包的音频内容的时间差最多不会超过一个第一时钟信号的时钟周期。通常，第一时钟信号的时钟周期是在微秒甚至更低的数量级的，音频同步的精度非常高。
在一些实施例中，根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值，包括：
当所述计数结果小于所述预设计数值时，减小所述第一时钟信号的时钟周期；
当所述计数结果大于所述预设计数值时，增大所述第一时钟信号的时钟周期。
具体地，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号均是基于基准时钟信号按照固定倍数降频得到，所述基准时钟信号是由锁相环根据本地晶振的时钟信号生成的，通过调整所述本地晶振的时钟周期而调整所述第一时钟信号的快慢。
具体地，本地晶振连接匹配电路，例如可以通过调整匹配电路中的电容器的电容值而改变本地晶振的时钟周期。当然，本领域技术人员可以根据其他已知技术改变本地晶振的时钟周期，本申请对此不作限定。匹配电路的电路形式也可以由已知技术确定。本申请再次不做赘述。
本地晶振的时钟频率增大或减小，则第一时钟信号和第二时钟信号的时钟频率均是等比例的增大或减小。例如本地晶振的时钟频率增加1％，则第一时钟信号的时钟频率增大1％，第二是啊信号的时钟频率增加1％。例如本地晶振的时钟频率减小1％，则第一时钟信号的时钟频率减小1％，第二时钟信号的时钟频率减小1％。
当然，也可以是通过改变无线音频播放设备本地第一时钟信号和第二时钟信号的一个时钟周期内所包含的基准时钟信号的周期数来实现对第一时钟信号和第二时钟信号的时钟周期的调整。
基于相同的发明构思，参考图5，本申请的实施例还提供一种无线音频播放设备，包括：
采样解调模块1，用于按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的；
匹配模块2，用于按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置；
调整模块3，用于根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；
播放模块4，用于从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
在一些实施例中，所述调整模块3具体用于：
当所述计数结果小于所述预设计数值时，减小所述第一时钟信号的时钟周期；
当所述计数结果大于所述预设计数值时，增大所述第一时钟信号的时钟周期。
具体地，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号均是基于基准时钟信号按照固定倍数降频得到，所述基准时钟信号是由锁相环根据本地晶振的时钟信号生成的，通过调整所述本地晶振的时钟周期而调整所述第一时钟信号的快慢。
参考图6，本申请的实施例提供一种无线音频播放设备，包括存储器和处理器，存储器存储指令，处理器运行指令以执行前述的无线音频同步方法。
需要说明的是，无线音频播放设备中还包含无线射频收发模块、音频播放模块、和时钟模块等。无线射频收发模块用于收发无线信号。音频播放模块用于播放音频编码。时钟模块连接晶振，用以产生无线音频播放设备中所需的各种时钟信号。这些都可以按照现有技术进行设计。
本申请的实施例还提供一种无线音频收发系统，包括无线音频发送设备和多个前述的无线音频播放设备，所述无线音频发送设备用于根据其本地时钟信号定时向各所述无线音频播放设备发送无线信号，所述无线信号经所述无线音频播放设备采样和解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，随时间增加，各无线音频播放设备对相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于同一个预设计数值，各无线音频播放设备本地的第二时钟信号的时钟周期趋近于相等或完全相等。
沿用前例，无线音频播放设备A、B和C都是精确地按照48MHz的第一时钟信号进行采样，三者播放音频的速度也是精确相等的。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本申请的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变形而不脱离本申请的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本申请权利要求及其等同技术的范围，则本申请的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (8)
1.一种无线音频同步方法，应用于无线音频播放设备，其特征在于，所述方法包括：
按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的；
按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置；
根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；
从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值，包括：
当所述计数结果小于所述预设计数值时，减小所述第一时钟信号的时钟周期；
当所述计数结果大于所述预设计数值时，增大所述第一时钟信号的时钟周期。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号均是基于基准时钟信号按照固定倍数降频得到，所述基准时钟信号是由锁相环根据本地晶振的时钟信号生成的，通过调整本地晶振的时钟周期而调整所述第一时钟信号的快慢。
4.一种无线音频播放设备，其特征在于，包括：
采样解调模块，用于按照所述无线音频播放设备本地的第一时钟信号对接收到的无线信号进行采样，得到采样序列，并对所述采样序列进行解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，所述无线信号是由无线音频发送设备根据其本地时钟信号定时发送的；
匹配模块，用于按照时间滑动窗口截取所述采样序列，将截取到的序列与所述无线音频播放设备本地的预设同步序列进行相似度匹配，将得到的多个匹配值中的最大值对应的时刻作为峰值时刻，其中，所述时间滑动窗口截取到的采样序列的长度等于所述预设同步序列的长度，所述预设同步序列对应于所述同步段的固定位置；
调整模块，用于根据所述第一时钟信号对当前无线数据包对应的峰值时刻与前一无线数据包对应的峰值时刻的时间差进行计数，根据所述计数结果调整所述第一时钟信号的快慢，以使相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于预设计数值；
播放模块，用于从所述峰值时刻起，预设数量的所述第一时钟信号的时钟周期之后，根据所述无线音频播放设备本地的第二时钟信号播放所述数据段或者所述数据段的预定位置数据，其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的频率倍数关系是固定的。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述调整模块具体用于：
当所述计数结果小于所述预设计数值时，减小所述第一时钟信号的时钟周期；
当所述计数结果大于所述预设计数值时，增大所述第一时钟信号的时钟周期。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号均是基于基准时钟信号按照固定倍数降频得到，所述基准时钟信号是由锁相环根据本地晶振的时钟信号生成的，通过调整所述本地晶振的时钟周期而调整所述第一时钟信号的快慢。
7.一种无线音频播放设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储指令，所述处理器运行所述指令以执行根据权利要求1至3任一项所述的方法。
8.一种无线音频收发系统，其特征在于，包括无线音频发送设备和多个根据权利要求4至7任一项所述的无线音频播放设备，所述无线音频发送设备用于根据其本地时钟信号向各所述无线音频播放设备定时发送无线信号，所述无线信号经所述无线音频播放设备采样和解调后得到无线数据包，所述无线数据包包括同步段和数据段，所述同步段包括固定模式的同步序列，所述数据段包括音频编码，随时间增加，各无线音频播放设备对相邻两个峰值时刻的时间差的计数结果趋近于同一个预设计数值，各无线音频播放设备本地的第二时钟信号的时钟周期趋近于相等或完全相等。
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