CN1554083A - 利用数字通信网络在主单元和从单元间传输音频数据的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过数字通信网络在主单元和从单元之间传输音频数据的系统。本发明系统包括可以通过数字通信网络如以太网类型网络，以链型和/或星型结构而连接的主单元(1)和从单元(2)。所述系统根据在网络上为所有数据帧提供同步信息的主单元时钟而同步。每个从单元从所接收的帧中重建时钟。数据帧包括尤其可以是控制数据、音频数据或视频数据的数据包。每个数据包包括描述该数据包内容的引导头。每个从单元认识到给自己的数据在数据包中的位置，以及可以引入的数据在数据包中的位置。

Description

利用数字通信网络在主单元和 从单元间传输音频数据的系统

技术领域

本发明涉及包括数字通信网络的系统，其中数字通信网络用于在一个主模块和多个从模块之间传输包括音频类型数据的数据，每个模块包括至少一个网络终端，以将通信网络连接到该模块，以及至少一个从模块网络终端，它通过所述通信网络被连接到另一个模块网络终端。

技术背景

文档WO-A-0,065,571公开了一种音频通信系统，能使数字音频数据通过数字通信网络以100兆位/秒的速率在多个音频设备之间传输。该文档更具体地涉及包括至少一个乐器以及被设计来检查和再现该乐器如现场广播时所产生声音的多种电子器件的系统。不管网络的体系结构是什么，在该文档中描述的系统不能用在现有网络中。事实上，这暗示构成网络的不同音频设备的链型连接。另外，每个设备必须包括与该网络接口的一个特定通信接口，这种网络妨碍了包括例如标准交换单元而不包括这种接口的现有网络的使用。而且所描述的系统成本高且资源需求量大。

音频通信系统还在主模块和星型连接的从模块之间使用以太网类型通信网络。数据传输以同步方式实现，这不适合于所有的应用，特别是在精确同步是不可缺少的情况下。例如，这样的系统可以用在体育场或宾馆中以给位于两个不同房间的两个扩音器传输音频数据。另一方面，它不能以非常精确的同步来实现现场转播。

发明目的

本发明的一个目的是实现音频数据传输系统，而没有已知系统的缺点。这样的系统尤其必须能够使用现有的通信网络，不管它的体系结构是什么，从而以非常精确的同步方式并以很小的传输等待时间来传输数据。

依据本发明，该目的可通过这样的事实来实现，即主模块包括一个同步时钟，并且在其网络终端上提供包括同步信息的数据帧，每个从模块包括利用从其网络终端上所接收数据帧的同步信息时钟的时钟重构装置，以及由相关时钟重构装置来同步的识别装置，以识别给所述从模块的数据，从而保证在系统内数据的同步传输。

依据本发明的进展，一个数据帧包括至少一个数据包，每个数据包包括带有描述符的引导头，描述符描述该数据包中所包含数据的类型和数量，还包括一个模块，该模块包括从描述符中确定一部分数据包是否要给它的装置。

依据优选实施例，从模块包括在一个数据包的预定部分中，插入将通过网络重发的数据的装置。数据帧可以包括给从模块的命令数据，而该从模块包括将该命令数据施加到该从模块输入或输出上的装置。

依据本发明的另一个特点，通信模块包括链型连接和/或星型连接模块。

附图说明

通过结合给定附图所代表的非限制性的示例，从下面对本发明的特定实施例的说明中，本发明的其它优点和特点将变得更加清楚，其中：

图1到图3表示依据本发明的三种不同结构系统。

图4示意性的表示了依据图1到3从模块的详细实施例。

图5和图6分别以更详细的方式，以功能框图形式表示了主模块(图5)和从模块(图6)的详细实施例。

图7表示依据图6的从模块的另一个实施例。

图8表示帧的总体结构。

图9更加详细地表示了依据图8的帧引导头的结构。

图10更加详细地表示了依据图8的一个帧数据包的结构。

图11更加详细地表示了依据图10数据包的数据包引导头的结构。

图12表示从模块时钟重构单元的另一个实施例。

具体实施方式

不管它系统的详细结构是什么，依据本发明的系统，如在图1到3中表示的那样都包括一个主模块1和多个从模块2。

在图1中，各个模块被连接起来以形成一个开链。主模块1包括构成第一网络终端B1的端口，并且通过最好是以太网类型的双向通信网络，将该端口同构成第一从模块2a的第二网络终端B2的端口连接。后者包括构成第一网络终端B1的另一端口，第一网络终端B1同第二从模块2b的第二网络终端B2连接。在图1的详细实施例中，五个从模块2a到2e串行联接，并且从模块之一的第一网络终端B1连接到下一个从模块的第二网络终端B2。最后一个从模块2e的第一网络终端B1不与通信网络连接，而该链中第一从模块2a的第二网络终端B2连接主模块1的第一网络终端。

在图2中，各个模块是星型连接的。各个从模块2的所有第二网络终端B2通过通信网络连接到主模块1的第一网络终端B1。在图2所示的详细实施例中，六个从模块被分成两组。第一组的三个从模块2f、2g和2h的第二网络终端B2分别连接到交换单元3a的三个独立终端。该交换单元包括一个能连接到其每个独立终端的公共终端，并且通过通信网络连接主模块1的第一网络终端。第二组的从模块2i、2j和2k的第二网络终端分别连接交换单元3b的三个独立终端，该交换开关单元包括连接交换单元3a的第四独立终端的公共终端。各个从模块的第一网络终端B1都不会连接到通信网络。

在图3中表示的系统的结构更加复杂，并且包括了链型连接模块和星型连接模块。主模块的第一网络终端B1连接交换单元3c的公共端。而交换单元3c包括四个独立终端，分别连接到三个从模块2l、2m和2n的第二网络终端以及交换单元3d的公共终端。从模块2l与另外两个从模块2o和2p串行联结。交换单元3d包括三个独立终端，分别连接到三个从模块2q、2r和2s的第二网络终端。从模块2s通过交换单元3e与三个从模块2t、2u和2v星型连接。而交换单元3e包括连接到从模块2s的第一终端B1的公共终端以及分别连接到从模块2t、2u和2v的第二网络终端B2的三个独立终端。从模块2m、2n、2p、2q、2r、2t、2u和2v的第一终端B1不与通信网络连接。

交换单元3是在已知网络中通常使用的，例如在以太网类型网络中实现星型连接的标准项目(item)。以上说明的三种变化只是实施例的示例，本发明的范围扩展到了通过通信网络将主模块1与从模块2连接起来的任何类型的体系结构。

在图1到3的实施例中，每个从模块2包括连接到扩音器4输入的模拟音频输出端Ba。另外，某些模块(图1中的1和2b，图2中的2k以及图3中的2v)还包括连接到麦克风19输出的模拟或数字音频输入端。

在图4中示意性表示的从模块2包括处理电路5，例如微处理器，通过双向链路连接到第一和第二网络终端B1和B2，从而能使其连接到通信网络。处理电路5还通过数字模拟转换器连接到该模块的模拟音频输出端Ba。它还可以通过模拟数字转换器(未示出)连接到模拟音频输入端。

图5和图6更加详细地表示了由主模块1的处理电路和从模块2的处理电路分别实现的功能。在主模块1中(图5)，从网络终端B来的信号通过第一物理层7施加到帧检测开始单元8上，帧检测开始单元8提供适当的信号给帧分解单元9。后者通过输出音频接口10连接到数字音频输出端B3。数字音频输入端B4(它可以连接如数字类型的麦克风19)通过输入音频接口11连接到帧合成单元12。后者通过帧产生开始单元13和第二物理层14向网络终端B提供代表将被发送帧的信号。时钟15使该模块的单元8到13同步运行，并使帧合成单元12在每个帧中引入同步标记。该模块的不同单元可以以任何已知方式构成，在此将不再作更详细的说明。

在图5表示的实施例中，主模块1还包括连接在帧分解单元9与音频接口10和11之间的命令处理模块33。因此主模块1可以给它的输入或输出之一施加与简单命令功能(幅值等)相应的命令数据。

在图6中表示的从模块2与图5中的主模块1不同的只是缺少了时钟15。后者由时钟重构单元16代替，并且时钟重构单元16从包含在帧中的同步信息来重构时钟，并且该时钟由帧检测开始单元8进行检测。为此，以面将结合图8和图9分别说明的帧描述符32和具体类型26，必须做到与预置模型一致。

在每个模块中，处理电路本质上执行这些功能，即同步、接收施加到每个模块的网络终端的帧、识别每个模块必须传输到其输出的数据，特别是传输到其数字音频输出B3或模拟输出Ba的数据，或者识别每个模块写入内部变量而必须恢复的数据，在每个模块数字输入(例如在数字音频输入B4)上插入数据，或者通过网络在将要传输的帧中插入内部变量(例如响应于变量读取命令)。

在部分地表示在图7的另一个实施例中，为了能够链型连接模块，从模块2包括两个网络终端B1和B2。于是第一和第二物理层7和14与第二网络终端B2相联系。而与第一网络终端B1相联系的第三和第四物理层17和18分别连接到第一和第二物理层。按照这种方式，来自第二网络终端B2的帧可以通过物理层7和17不经修改地传输给第一网络终端B1。同样地，来自第一网络终端B1的帧可以通过物理层18和14不经修改地传输给第二网络终端B2。

虽然在图5到7中没有表示出模拟音频终端Ba，但是最好在每个模块中都提供这样的终端，数字模拟转换器6连接到输出数字音频接口10的输出。模拟音频终端可以通过模拟数字转换器连接到输入数字音频接口11的输入。数字音频终端B3和B4，在图4中没有表示出，也最好提供在每个模块中。输入数字音频终端B4特别地向模块提供将要在网络数据帧中传输例如来自麦克风19的数字音频数据。同样地，输出数字音频终端B3能使模块向与其连接的任何数字音频设备发送包含在来自网络的数据帧中的数字数据。

在一个优选实施例中，所有的模块都是相同的，任何一个模块都能构造成主模块或从模块。但是，每个系统总是包括单个主模块，以便从数据帧传输的同步信息中实现所有模块关于主模块时钟的同步。

每个主或从模块与单个地址相联系，并且，数据帧包括前同步字符、目标地址、源地址，以及从相应于源地址的模块传输到相应于目标地址的模块的数据。

使用的帧是与以太网类型网络兼容的帧格式相一致的，以便利用任何全双工的以太网连接模块。可用信道的数量依赖于网络的通频带。

结合全双工运行网络的单个主模块的使用消除了冲突管理的问题。主模块1通过网络给预定从模块2或一组从模块或所有从模块发送数据帧。在后两种情况下，主模块1提供多点传送地址或者广播地址作为目标地址，以向一组从模块或所有各个从模块2同时传输数据。

在图8中表示了帧的总体结构。它首先包括在所示实施例中以太网引导头20。引导头20后面跟随帧描述符32，帧描述符32提供子类型、版本号、数据包数量、数据包长度、关于主模块频率和帧递增序号的信息。帧描述符32后跟随至少一个数据包21(数据包1、数据包2等)，并且帧以帧检验序列22结束。这个检验可通过任何己知的与以太网规范兼容的方法来实现，例如循环冗余检验。

如图9中所示，每个模块与单个地址相联系，而每帧的引导头20包括前同步字符23、目标地址24和源地址25。它还包括具体于应用的具体类型26。具体类型最好使用标准以太网类型引导头的预定字段，如长度或类型字段(LTF)、子类型字段(STF)和协议版本号字段(PVNF)，以定义使用的协议类型。具体类型26还具体说明主模块时钟15的频率、该帧的数据包21的数量以及该帧字节的数量。数据包21的数量最好由1到32之间的数量组成，字节数量与以太网兼容，由46到1500之间的数量组成。具体类型26还包括主时钟递增序号(MCIN)，它在每次由主模块1传输一帧时增加，以使从模块2即使在通过网络传输过程中丢失帧的情况下也能重新同步。每个从模块为此包括一个计数器，并且每当丢失一帧时，也就是当接收帧的时钟递增字段不包含先前帧的时钟递增字段的递增值时，计数器加1。

如在图10中所示，每个数据包21包括一个包含了相关数据包说明的数据包引导头，以及包含将要传输数据的小包(bundle)集合28(小包1、小包2等)。

数据包引导头27识别相关数据包，并描述包含在该数据包中的信息项目(item)的数量和类型。它提供包含在数据包中数据的描述，以及它的特性和它在数据包中位置的描述。它特别包括(图11)域29，例如在2位上定义了包含在数据包中数据的类型。每个数据包事实上最好专门是一个数据类型：命令数据、音频数据、视频数据、任何类型的数字数据。在详细实施例中，每个帧包括两个数据包，一个包含命令数据的数据包，另一个包含音频数据的数据包。例如，这样的命令数据可以涉及由扩音器4发出声音的幅值，而扩音器4是与它希望的从模块2连接的。因此，由该从模块2的处理电路5将命令数据发送给从模块2的音频输出，以控制扩音器4。

数据包头27还包括识别符字段30和描述符字段31。识别符字段定义了每个小包的命令数据希望给哪个模块，给从模块的哪个输入和输出，也就是哪个设备(例如哪个扩音器4或哪个麦克风19)。它还能定义传输频率，不同的传输频率被用来传输不同的数据包。描述符字段31特别说明了在小包中字的顺序(先是小包的第一个字还是先是小包的最后一个字)、字的大小(至少一字节)、字中位的顺序、小包的数量和每个小包的字数。作为非限制的示例，音频数据包可以包括3个小包，每个小包2个字，每个字24位。

每个从模块2包括分别与该模块的n个输入或输出相联系的n个寄存器和定义该从模块状态和结构的描述符寄存器。与模块输入或输出相联系的寄存器包括从模块必须选择的数据能够在一个帧中被识别的信息(数据包类型、数据包识别符、小包序号等等)。这样就可以编程每个模块以使用位于帧中适当位置的数据，从而给连接到该模块预定输出上的一个设备下达命令和/或发送数据，如音频数据。

从模块不仅可以使用包含在它所接收帧中的数据，而且可以在它已经接收的帧中以及通过网络重发给另一个从模块或者主模块的帧中插入数据。这是个显著的情况，即从模块包括与麦克风19连接的输入(图1的从模块2b，图2的2k和图3的2v)。与该输入相联系的从模块的寄存器具体说明了该数据必须插入到哪个小包中。在从模块2将数据加到帧中的情况下，它会相应修改帧的检验序列22。如果被修改的帧是给主模块1的，那么它还修改源地址(正常地是由主模块的地址形成的)以便用它自己的地址来代替源地址。

一般情况下，从模块从它的一个终端接收不是给它的帧时，它就会通过它的其它网络终端不作任何修改地在网络上重发该帧。位于网络分支端部即不与网络连接的终端B1的从模块可以被预编程(pre-programmed)，或者不重发在其网络终端B2上接收的帧，或者如果需要的话，通过相同的网络终端B2给主模块或另一个预定的从模块重发该帧。

举个例子，可以预编程图1的从模块2e以向主模块1发送帧。可以以三种不同的模式预编程图2的从模块2f。在第一种模式中，它不重发它所接收的帧。在第二种模式中，它向主模块1重发送所接收的帧。但是，如果在星型连接结构情况下，第二种模式用于所有的端部从模块(图2中的模块2f到2k)，那么，当所有的帧被提交给主模块时，将在网络中产生瓶颈问题。为了避免这种类型的问题，在第三种模式中，端部从模块被预编程以向另一个从模块发送这些帧。例如，在图2中，可以预编程从模块2f以向从模块2g发送这些帧，后者接着将这些帧发送给从模块2h。因此，给从模块2f的帧顺利地从主模块1到交换单元3a，到从模块2f，到交换单元3a，到从模块2g，到交换单元3a，到从模块2h，到交换单元3a，到交换单元3b，到从模块2i，到交换单元3b，到从模块2j，到交换单元3b以及到从模块2k。然后，后者可以将这些帧通过交换单元3b然后是3a提交给主模块1。

因此必须编程交换单元。例如，交换单元3c(图3)识别从主模块1接收的帧中的目标地址。如果该目标地址与从模块2l、2o或2p中一个的地址一致，则将该帧传输给从模块2l。另一方面，如果该目标地址与从模块2s、2t、2u或2v中一个的地址一致，则它将该帧传输给从模块2s的交换单元3d。还要编程交换单元3c以识别在从帧中与从模块2m一致的目标地址，不管后者是从主模块1发出还是从从模块2p(通过从模块2o和2l)发出。因此，可以编程从模块2p以将这些帧发送给从模块2m。

所有帧，带有它们的同步标记，都是由主模块1产生的。从模块可以读出包含在帧中的数据，并可能在帧的预定位置上插入数据，但是它们决不创建新帧。

网络是双向通信网络，最好是以太网类型的。时钟15最好具有与在以太网中常规使用的采样频率一致的频率，也就是32KHz、44.1KHz、48KHz、88.2KHz或96KHz。它还可以具有与这些频率的约数一致的频率。在这种情况下，几个数据采样是以每个小包传输的。例如，为了传输以48KHz采样的音频数据，可以使用12KHz时钟以每个小包传输4个样本。

时钟15还可以具有不是数据采样频率的约数(sub-multiple)的频率。例如，当传输以44.1KHz采样的音频数据时，可以使用48KHz的时钟，每个小包有1个或0个样本。

对于特定的应用，将在主模块和从模块之间的数据传输限制为单向数据传输是可能的。这就使得协议简化，因此使得模块的成本降低。

为限制成本，在特定的应用中可能要用预置长度和内容的帧来代替长度和内容不固定的动态帧。

虽然本发明已经描述了音频数据传输，但是它还可应用于数据帧包括了任何类型数据如视频数据的情况。

时钟重构单元16(图6)可由任何合适的电路来构成。常规地，它包括锁相环(PLL)，该锁相环被设计成将该单元的输出频率Fout锁定到同步标记(synchronization pips)的输入频率Fin上，而该同步标记是从施加到相关帧检测开始单元8的数据帧中来的。但是，利用传统的锁定规则电路，在施加到锁相回路输入的频率信号中可能出现的抖动，会在环输出频率信号中出现。为了使在数据信号Fout中的抖动最小，抖动数字滤波器34最好以上行线路(up-line)从锁相环35连接，如图12中所示的。滤波器34是低通类型的循环数字滤波器，至少是一阶的。施加到其上的频率信号Fin被滤波，并且滤波器34提供施加到锁相环35输入上的信号Fin，在锁相环35中，抖动被消除或至少被减小。常规地，锁相环35包括与低通滤波器37串行联接的相位比较电路36，以及压控振荡器(VCO)38。相位比较电路36包括与抖动数字滤波器34的输出连接的第一输入以及通过分频器39与振荡器38的输出连接的第二输入。于是它在输入上接收信号Fin和Fout/N，N是一个预置的整数。

通信网络还可以由串联链路或由载波电流网络形成。在后一种情况，系统的结构可能与在图1到图3中表示的不同。主模块1的第一网络终端B1事实上可通过载波电流网络连接到所有从模块2的第二网络终端B2：主模块1的终端B1连接到从模块的终端B2，而从模块自己的终端B2连接到另一个从模块的终端B2，而另一个从模块的终端B2依次连接到下一个从模块的终端B2等等。在另一个实施例中，主模块1包括连接到从模块的所有第一网络终端B1的第二网络终端B2。在这种情况下，主模块指明哪个从模块有权发话。在另一个实施例中，主模块和从模块每个仅包括单个终端B(图5和图6)，主模块的网络终端通过载波电流连接到所有从模块的网络终端。于是，在主模块的控制下分时通信，而主模块指明为每个从模块保留的时间间隔。

Claims (20)

1.一种包括数字通信网络的系统，在主模块(1)和多个从模块(2)之间进行包括音频类型数据的数据传输，其中，每个模块包括至少一个网络终端(B、B1、B2)以将通信网络连接到该模块，从模块(2)的至少一个网络终端，通过通信网络连接到另一个模块(1、2)的网络终端，该系统的特征在于，主模块(1)包括同步时钟(15)，并且在其网络终端上提供包括同步信息的数据帧，每个从模块(2)包括时钟重构装置(8、16)，根据在其网络终端上接收的数据帧的同步信息来重构时钟，以及识别装置，由相关时钟重构装置而实现同步，以识别给所述从模块的数据，从而便保证在系统内数据的同步传输。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据帧包括至少一个数据包(21)，每个数据包(21)包括带有描述符(31)的引导头(27)，描述符(31)描述该数据包中所包含数据的类型和数量，数据帧还包括一个模块，该模块包括从所述描述符中确定一部分数据包是否要给它的装置。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，从模块(2)包括用于在数据包的预定部分中插入将在网络上重发的数据的装置。

4.如权利要求1到3中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，数据帧包括给从模块(2)的命令数据，从模块(2)包括将该命令数据施加到该从模块的输入(B4)或输出(B3、Ba)的装置。

5.如权利要求1到4中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，每个模块与单个地址和数据帧相关，所述数据帧包括前同步字符(23)、目标地址(24)、源地址(25)，以及从与源地址相关的模块传输到与目标地址相关模块的数据。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，主模块(1)提供广播地址作为目标地址，以向所有从模块(2)同时传输数据。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，主模块(1)提供多点传送地址作为目标地址，以向预定组的从模块(2)同时传输数据。

8.如权利要求1到7中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，数据帧包括具体于应用的引导头(26)，引导头(26)包括时钟递增字段，主模块每传输一帧时递增。

9.如权利要求1到8中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，同步时钟(15)所具有的频率不是数据采样频率的约数。

10.如权利要求1到9中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，通信网络包括链型连接模块(1、2a到2e、2l、2o、2p)，至少一个模块的第一网络终端(B1)连接到包括第一网络终端的第一从模块的第二网络终端，而第一从模块自己被连接到同其串联连接的从模块的第二网络终端上。

11.如权利要求1到10的中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，通信网络包括星型连接模块(2f到2k；2l到2m；2t到2v)，至少一个模块的网络终端通过交换单元(3)与至少两个从模块的网络终端连接。

12.如权利要求1到11中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，从模块(2)包括用于从所述从模块的一个网络终端向另一个网络终端不作任何修改地传输帧的装置。

13.如权利要求1到12中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，通信网络是以太网类型网络。

14.如权利要求1到13中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，通信网络是双向网络。

15.如权利要求1到14中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，模块包括数字音频输入(B4)，所述模块包括用于将在其音频输入上接收的数字音频数据传输到预定数据帧位置上其网络终端的装置。

16.如权利要求1到15中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，模块包括数字音频输出(B3)，所述模块包括用于同步并识别在该模块网络终端上所接收的数据帧中给所述输出的数据的装置，以及用于在其数字音频输出上传输所述数据的装置。

17.如权利要求1到16中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，从模块(2)包括与数字模拟转换器(6)连接的模拟音频输出(Ba)。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，该系统还包括与从模块的模拟音频输出(Ba)连接的扩音器(4)。

19.如权利要求1到18中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，数据帧包括视频类型数据。

20.如权利要求1到19中任何一个权利要求所述的系统，其特征在于，从模块时钟重构装置包括使抖动最小的装置，该装置包括以上行线路从锁相环排列的循环数字滤波器。

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