CN115348241A - 一种麦克风级联方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种麦克风级联方法，是将主设备和各级级联麦克风通过双绞线进行级联组网，以形成下行和上行双向音频+数据通道，同时主设备通过双绞线向各级联麦克风供电。本发明构思合理，部署简单快捷美观且成本低，可实现音频的双向传输，可扩展实现更多的功能，能实现主设备同各级联麦克风之间的通讯交互，具有传输时延低并且时延固定的特点。

Description

一种麦克风级联方法

技术领域

本发明涉及有线通信技术领域，具体涉及一种麦克风级联方法。

背景技术

在大型会议室中，通常都会部署多个麦克风来达到良好的拾音效果。其中，以级联方式安装3-5个全向有源麦克风的解决方案相比在每个座位前方均放置1个定向麦克风的传统方案具有布线简洁、拾音范围广等优点。

目前市场上能够实现级联的麦克风主要采用的是以太网传输方案，简化后的方案如图2所示，主设备和麦克风内部都包含一个语音转以太网处理模块，麦克风内部还包含一个以太网交换模块。主设备和各麦克风通过网线进行级联，形成一个内部以太网，各级麦克风把从会场拾到的语音信号封装成IP包后，通过以太网传送到主控设备进行处理，然而这种传输方式具有以下缺点：

(1)成本高，每个麦克风内部都需要内置处理器做语音的IP化处理，并内置以太网交换模块用于以太网数据通道的建立；

(2)时延大且不固定，各级麦克风的语音需要先转换成IP数据包后再经多级交换模块才能传送到主设备，形成较大的延时且因以太网的传输特性时延不固定。

鉴于此,在中国专利CN201922282903公开了一种数字阵列麦克风时钟电路。其中，时钟电路用于提供单端时钟信号，并将时钟信号转为低电压差分时钟信号，可以提高时钟信号的传输距离，减少噪声干扰以提高时钟信号的质量。多个级联的音频电路中的每个音频电路，通过将接收到低电压差分时钟信号转化为单端时钟信号后，再将单端时钟信号分为两路，即生成两路相同的单端时钟信号，其中一路单端时钟信号用于数字阵列麦克风级联，以满足级联时钟同源需求。另一路单端时钟时钟信号提供给当前音频电路连接的音频编解码器。该专利只提供了一种在级联麦克风之间单向传递时钟信号的方法，用于各级联麦克风间的时钟同步，并不包含音频和控制数据的双向传输，且信号只能实现音频电路-音频编解码器之间的单向传输，因此主设备同各级联麦克风之间则无法建立双向通讯交互。

在中国专利CN202011584383中公开了一种麦克风级联方法、装置、麦克风及麦克风级联系统。所述麦克风级联方法，包括以下步骤：响应于麦克风的级联请求生成请求数据码，根据预设的请求数据码频段编码规则，生成与请求数据码对应的第一音频频段序列；根据所述第一音频频段序列，生成第一音频信号；将所述第一音频信号通过第一音频接口传输至级联麦克风；接收通过第一音频接口返回的应答信号，进入麦克风级联。虽然该专利能够实现各麦克风之间自动级联和音频传输，但是该专利只通过模拟音频调制技术实现简单的通讯应答，在应答完成后再进行音频信号的传输，在音频信号传输过程中不能进行双向数据通讯，且音频采用模拟信号传输，并因通讯应答需占用部分频段，音频带宽只能限制在160Hz-6.4KHz的较窄频段，音频质量不高，无法实现预设终端与各级联麦克风之间建立双向通讯数据通道，无法实现预设终端同各级联麦克风之间的通讯交互，也无法实现基于数字信号和48K采样率的高质量音频信号传输。

在另一中国专利CN202110672294中公开了一种麦克风级联系统、麦克风及终端，涉及通话设备技术领域，第一个子麦克风与其他各个子麦克风按照预设顺序通过各自的第二网络通信模块及网线串联；每一子麦克风通过第二网络通信模块，获取后一个麦克风发送的第一音频数据包；向前一个麦克风发送第一音频数据包，以及基于网络传输音频协议采集到的第二音频数据包；母麦克风通过第一网络通信模块，从第一接口获取第一个子麦克风发送的第三音频数据包；基于网络传输音频协议，根据第三音频数据包和采集到第一音频数据，得到混合音频数据包，从第二接口向预设终端发送混合音频数据包；预设终端通过第三网络通信模块获取混合音频数据包。该专利采用以太网技术进行音频数据传输，需要在各设备之间搭建局域以太网，将音频数据转换为以太网数据包后再基于局域以太网进行音频数据传输，实现方案复杂，成本较高且音频数据传输时延不固定。

综上所述，有必要对现有技术做进一步完善和创新。

发明内容

针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种麦克风级联方法，其构思合理，部署简单快捷美观且成本低，可实现音频的双向传输，可扩展实现更多的功能，能实现主设备同各级联麦克风之间的通讯交互，具有传输时延低并且时延固定的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种麦克风级联方法，是将主设备和各级级联麦克风通过双绞线进行级联组网，以形成下行和上行双向音频+数据通道，同时主设备通过双绞线向各级联麦克风供电。

所述麦克风级联方法，其中,主要包括以下过程:

(1)主设备下行通道数据传输和供电过程

主设备将需要发送给级联麦克风的音频数据送至内部复用/解复用模块，同时将需要发送给级联麦克风的通讯控制数据送至复用/解复用模块，复用/解复用模块将接收到的音频数据和通讯数据合并转换成TDM数据后送入接口转换/电源复用模块，由接口转换/电源复用模块将TDM数据转换为差分信号后通过双绞线传输给下级麦克风，同时接口转换/电源复用模块还将直流电源信号复用在双绞线上，通过双绞线向下级麦克风供电；

(2)级联麦克风下行通道数据传输和供电过程

级联麦克风的接口转换/电源提取模块通过上联接口同上级设备连接，从上级设备中提取电源信号为自身供电，接收上级设备的差分信号并将其转换为TDM信号送入复用/解复用模块，由复用/解复用模块从TDM信号中分离出上级设备的语音数据送给语音处理模块，分离出通讯数据送给通讯模块，同时由复用/解复用模块解析上级设备的ID,根据上级ID设定本机ID，在确定本机ID后，用该ID替换原TDM信号中的ID数据并保持其余数据不变，然后将更新后的TDM数据送至接口转换/电源复用模块，转换为差分信号并复用直流电源后通过下联接口送至下级麦克风；

(3)级联麦克风上行通道数据传输过程

级联麦克风的语音采集处理模块将采集到的会议室语音做模拟-数字转换处理后送至内部复用/解复用模块，同时将需要发送给主控设备的通讯控制信号送至复用/解复用模块，复用/解复用模块根据本机设备ID将音频数据和通信数据复用，并根据本机当前在组网中所处位置对通过上行通道上传至上级设备的上行TDM数据进行相应处理；

(4)主设备上行通道数据传输过程

主设备的接口转换/电源复用模块从下级设备送来的上行差分信号中恢复出上行的TDM数据后送给复用/解复用模块，复用/解复用模块从上行TDM数据中分离出各级联MIC的语音数据送至语音处理模块，分离出各级联MIC的通讯数据送给通讯模块。

所述麦克风级联方法，其中，所述步骤(1)中复用/解复用模块对音频数据和通讯数据的转换方法为：每个通道24bit数据中的前16bit数据填充音频数据，后8bit数据分为两部分即3bit用于传送设备ID，另外5bit用于传输通讯数据。

所述麦克风级联方法，其中：所述步骤(1)中主设备发送给级联麦克风的音频信号为48K采样率和16bit采样精度的I2S双声道数据格式，发送给级联麦克风的通讯控制信号为9600波特率的UART数据格式；所述步骤(1)中复用/解复用模块是将接收到的音频数据和通讯数据转换为48K采样率和24bit采样精度的I2S八通道TDM数据格式。

所述麦克风级联方法，其中：所述步骤(2)中从TDM信号中分离出的上级设备的语音信号为48K采样率和16bit采样精度。

所述麦克风级联方法，其中：所述步骤(3)中做模拟-数字转换处理后的会议室语音为48K采样率16bit采样精度的I2S双声道数据格式；所述步骤(3)中发送给主控设备的通讯控制信号为9600波特率的UART数据格式。

所述麦克风级联方法，其中：所述步骤(3)中复用/解复用模块根据本机设备ID将16bit音频数据和通信数据复用为24bit数据。

所述麦克风级联方法，其中，所述步骤(3)中的通过上行通道上传至上级设备的上行TDM数据处理过程为：

(3.1)当本机处于级联组网的最后一级，即未能从下联口接收到TDM数据，则在本地生成48K采样率24bit采样精度的I2S八通道TDM数据，其中同本机ID对应的通道中填入本机已复用为24bit的音频和通讯数据，其余通道均填入数据0；

(3.2)当本机不处于级联组网的最后一级，即可从下联口接收到下级设备送过来的上行TDM数据，则根据本机ID，用本机已复用为24bit的音频和通讯数据替换下级设备送过来的上行TDM数据中对应通道中的数据，其余通道数据保持不变；

(3.3)本机将处理完成后的上行TDM数据送至接口转换/电源提取模块转换为上行差分数据信号后通过上联口经一对双绞线送至上级设备。

所述麦克风级联方法，其中：所述步骤(4)中复用/解复用模块是从下级设备送过来的上行TDM数据中分离出48K采样率和16bit采样精度的I2S八通道TDM数据送至语音处理模块。

所述麦克风级联方法，其中：所述双绞线采用四芯双绞线。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明麦克风级联方法构思合理，过程简单，主要具有以下优点和特点：

(1)只使用1根四芯双绞线即可完成级联麦克风的布线，只有主设备需要外接电源，级联麦克风由主设备直接供电，无需再外接电源，工程部署简单快捷美观，整体方案成本低；

(2)可实现音频的双向传输，除实现了各级联麦克风信号上传至主设备外，还支持主设备向下发送音频至各级联麦克风，可扩展实现更多的功能，如级联麦克风内置Speaker实现放音功能，实现回声抵消功能等；

(3)支持在主设备同各级联麦克风之间建立双向通讯数据通道，实现主设备同各级联麦克风之间的通讯交互；

(4)音频和数据的上、下行复用和传输均不需用处理器做复杂的格式和协议抓换，可通过硬件逻辑实现，具有传输时延低并且时延固定的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明麦克风级联方法的流程图；

图2为现有的级联麦克风的输出传输的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

名词解释：

I2S:为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准,在音频传输中广泛应用。

UART:一种通用串行数据总线，用于异步通信,在通讯控制中广泛应用。

TDM:时分复用技术(time-division multiplexing,TDM)是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输；在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。这种技术可以在同一个信道上传输多路信号。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

如图1所示，本发明麦克风级联方法，为基于时分复用技术的具备双向音频传输和控制功能的低延时麦克风级联方法，包括主设备和级联麦克风设备；主设备和各级级联麦克风通过四芯双绞线进行级联组网，形成下行和上行双向音频+数据通道，同时主设备通过四芯双绞线向各级联麦克风供电。

其中，主设备包括音频处理模块、复用/解复用模块、通讯模块、接口转换/电源复用模块。级级联麦克风包括语音采集处理模块、复用/解复用模块、通讯模块、接口转换/电源提取模块、接口转换/电源复用模块。

如图1所示,本发明麦克风级联方法,具体包括:

(1)主设备下行通道数据传输和供电过程

主设备将需要发送给级联麦克风的音频信号以48K采样率和16bit采样精度的I2S双声道数据格式送至内部复用/解复用模块(只使用其中1个声道,即由于语音通讯都是单声道的，而I2S没有单声道格式，所以语音用I2S双声道格式传输时事实上2个声道的内容都是一样的，所以只取1个声道即可。同时，因为TDM格式是以通道为单位的，该实施例中定义设备ID有3位，最多可以级联7级MIC，该实施例中定义的TDM为8通道，所以每个MIC只能分配1个通道，如果把MIC语音的两个声道都传，就需要占用2个通道，只能级联4级MIC。当然，对于这种情况，使用16通道的TDM格式也是可以的，只是从实际使用角度来说，语音只用1个声道，用8通道TDM来传是最为合理的)，同时将需要发送给级联麦克风的通讯控制信号以9600波特率的UART数据格式送至复用/解复用模块，复用/解复用模块将接收到的音频数据和通讯数据转换为48K采样率和24bit采样精度的I2S八通道TDM数据格式，复用后的I2S TDM数据送入接口转换/电源复用模块，接口转换/电源复用模块将TDM数据转换为1对差分信号，通过四芯双绞线中的1对差分信号传输给下级麦克风，同时接口转换/电源复用模块还将直流电源信号复用在四芯双绞线(四芯双绞线包含两对双绞线，每对双绞线两芯，一共四芯，电源正极在一对双绞线上传输，电源负极在另一对双绞线上传输)上，通过四芯双绞线向下级麦克风供电；

上述，步骤(1)中复用/解复用模块对音频数据和通讯数据的转换方法为：每个通道24bit数据中的前16bit数据填充音频数据，后8bit数据分为2部分，其中3bit用于传送设备ID，主设备ID为000，另外5bit用于传输通讯数据。

(2)级联麦克风下行通道数据传输和供电过程

级联麦克风包括上联接口和下联接口，上联接口用于连接上级设备，下联接口用于连接下级设备；级联麦克风的接口转换/电源提取模块通过上联接口同上级设备连接，从上级设备中提取电源信号为自身供电，接收上级设备的差分信号并将其转换为TDM信号送入复用/解复用模块；由复用/解复用模块从TDM信号中分离出上级设备的48K采样率和16bit采样精度的语音数据送给语音处理模块，分离出通讯数据送给通讯模块，同时由复用/解复用模块解析上级设备的ID，根据上级ID设定本机ID，规则为本机ID＝上级设备ID+1；在确定本机ID后，用该ID替换原TDM信号中的ID数据，并保持其余数据不变，将更新后的TDM数据送至接口转换/电源复用模块，转换为差分信号并复用直流电源后通过下联接口送至下级麦克风；

上述步骤(2)的过程，能实现以下功能：

(2.1)主设备通过四芯双绞线向各级麦克风供电；

(2.2)将主设备的本地音频信号送至各级麦克风，用于扩展功能应用；

(2.3)在主设备和各级麦克风之间建立下行通讯数据通道，实现主设备向各级麦克风下发配置、控制等命令的功能。

(3)级联麦克风上行通道数据传输过程

级联麦克风的语音采集处理模块将采集到的会议室语音做模拟-数字转换处理后以48K采样率16bit采样精度的I2S双声道数据格式送至内部复用/解复用模块(只使用其中1个声道)，同时将需要发送给主控设备的通讯控制信号以9600波特率的UART数据格式送至复用/解复用模块；复用/解复用模块根据本机设备ID将16bit音频数据和通信数据复用为24bit数据，并根据本机当前在组网中所处位置，通过上行通道上传至上级设备的上行TDM数据做如下处理：

(3.1)当本机处于级联组网的最后一级，即未能从上联接口接收到TDM数据，则在本地生成48K采样率24bit采样精度的I2S八通道TDM数据，其中同本机ID对应的通道中填入本机已复用为24bit的音频和通讯数据，其余通道均填入数据0；例如，当本机ID为5时，则八通道TDM数据中的第5通道中为本机数据，第1-4，第6-8通道中的数据均为0；

(3.2)当本机不处于级联组网的最后一级，即可从下联口接收到下级设备送过来的上行TDM数据，则根据本机ID，用本机已复用为24bit的音频和通讯数据替换下级设备送过来的上行TDM数据中对应通道中的数据，其余通道数据保持不变；

(3.3)本机将处理完成后的上行TDM数据送至接口转换/电源提取模块转换为上行差分数据信号后通过上联口经一对双绞线送至上级设备。

(4)主设备上行通道数据传输过程

主设备的接口转换/电源复用模块从下级设备送来的上行差分信号中恢复出上行的TDM数据后送给复用/解复用模块，复用/解复用模块从下级设备送过来的上行TDM数据中分离出48K采样率16bit采样精度的I2S八通道TDM数据送至语音处理模块；分离出各级联MIC的通讯数据送给通讯模块；

上述步骤(4)的过程，能实现以下功能：

(4.1)将各级联麦克风所拾取到的语音信号送给主设备处理；

(4.2)在主设备和各级联麦克风间建立上行通讯数据通道，实现主设备同级联麦克风之间的双向通讯。

本发明构思合理，部署简单快捷美观且成本低，可实现音频的双向传输，可扩展实现更多的功能，能实现主设备同各级联麦克风之间的通讯交互，具有传输时延低并且时延固定的特点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种麦克风级联方法，其特征在于，将主设备和各级级联麦克风通过双绞线进行级联组网，以形成下行和上行双向音频+数据通道，同时主设备通过双绞线向各级联麦克风供电。

2.如权利要求1所述的麦克风级联方法，其特征在于,主要包括以下过程:

(1)主设备下行通道数据传输和供电过程

主设备将需要发送给级联麦克风的音频数据送至内部复用/解复用模块，同时将需要发送给级联麦克风的通讯控制数据送至复用/解复用模块，复用/解复用模块将接收到的音频数据和通讯数据合并转换成TDM数据后送入接口转换/电源复用模块，由接口转换/电源复用模块将TDM数据转换为差分信号后通过双绞线传输给下级麦克风，同时接口转换/电源复用模块还将直流电源信号复用在双绞线上，通过双绞线向下级麦克风供电；

(2)级联麦克风下行通道数据传输和供电过程

级联麦克风的接口转换/电源提取模块通过上联接口同上级设备连接，从上级设备中提取电源信号为自身供电，接收上级设备的差分信号并将其转换为TDM信号送入复用/解复用模块，由复用/解复用模块从TDM信号中分离出上级设备的语音数据送给语音处理模块，分离出通讯数据送给通讯模块，同时由复用/解复用模块解析上级设备的ID,根据上级ID设定本机ID，在确定本机ID后，用该ID替换原TDM信号中的ID数据并保持其余数据不变，然后将更新后的TDM数据送至接口转换/电源复用模块，转换为差分信号并复用直流电源后通过下联接口送至下级麦克风；

(3)级联麦克风上行通道数据传输过程

级联麦克风的语音采集处理模块将采集到的会议室语音做模拟-数字转换处理后送至内部复用/解复用模块，同时将需要发送给主控设备的通讯控制信号送至复用/解复用模块，复用/解复用模块根据本机设备ID将音频数据和通信数据复用，并根据本机当前在组网中所处位置对通过上行通道上传至上级设备的上行TDM数据进行相应处理；

(4)主设备上行通道数据传输过程

主设备的接口转换/电源复用模块从下级设备送来的上行差分信号中恢复出上行的TDM数据后送给复用/解复用模块，复用/解复用模块从上行TDM数据中分离出各级联MIC的语音数据送至语音处理模块，分离出各级联MIC的通讯数据送给通讯模块。

3.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于，所述步骤(1)中复用/解复用模块对音频数据和通讯数据的转换方法为：每个通道24bit数据中的前16bit数据填充音频数据，后8bit数据分为两部分即3bit用于传送设备ID，另外5bit用于传输通讯数据。

4.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述步骤(1)中主设备发送给级联麦克风的音频信号为48K采样率和16bit采样精度的I2S双声道数据格式，发送给级联麦克风的通讯控制信号为9600波特率的UART数据格式；所述步骤(1)中复用/解复用模块是将接收到的音频数据和通讯数据转换为48K采样率和24bit采样精度的I2S八通道TDM数据格式。

5.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述步骤(2)中从TDM信号中分离出的上级设备的语音信号为48K采样率和16bit采样精度。

6.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述步骤(3)中做模拟-数字转换处理后的会议室语音为48K采样率16bit采样精度的I2S双声道数据格式；所述步骤(3)中发送给主控设备的通讯控制信号为9600波特率的UART数据格式。

7.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述步骤(3)中复用/解复用模块根据本机设备ID将16bit音频数据和通信数据复用为24bit数据。

8.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于，所述步骤(3)中的通过上行通道上传至上级设备的上行TDM数据处理过程为：

(3.1)当本机处于级联组网的最后一级，即未能从下联口接收到TDM数据，则在本地生成48K采样率24bit采样精度的I2S八通道TDM数据，其中同本机ID对应的通道中填入本机已复用为24bit的音频和通讯数据，其余通道均填入数据0；

(3.2)当本机不处于级联组网的最后一级，即可从下联口接收到下级设备送过来的上行TDM数据，则根据本机ID，用本机已复用为24bit的音频和通讯数据替换下级设备送过来的上行TDM数据中对应通道中的数据，其余通道数据保持不变；

(3.3)本机将处理完成后的上行TDM数据送至接口转换/电源提取模块转换为上行差分数据信号后通过上联口经一对双绞线送至上级设备。

9.如权利要求2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述步骤(4)中复用/解复用模块是从下级设备送过来的上行TDM数据中分离出48K采样率和16bit采样精度的I2S八通道TDM数据送至语音处理模块。

10.如权利要求1或2所述的麦克风级联方法，其特征在于：所述双绞线采用四芯双绞线。

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