DE112008002951B4

DE112008002951B4 - Verbesserte Genauigkeit eines Bluetooth-Taktsignals

Info

Publication number: DE112008002951B4
Application number: DE112008002951.2T
Authority: DE
Inventors: Christopher Peter Hubball; David Richard Hargreaves
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: US20120250674A1; GB0721926D0; GB2454493A; US20150156740A1; US8989173B2; WO2009059899A1; DE112008004276A5; DE112008002951T5

Abstract

Kommunikationseinheit zum Betrieb in einem Kommunikationssystem in Übereinstimmung mit einem Bluetooth®-Protokoll, das mit einer ersten Taktsignalauflösung arbeitet, wobei die Kommunikationseinheit aufweist: einen ersten Taktsignalgeber, der mit der ersten Auflösung arbeitet, einen zweiten Taktsignalgeber, der mit einer zweiten Auflösung arbeitet die höher ist als die erste Auflösung, Mittel, die dazu ausgebildet sind, auf eine Aufforderung, einen Taktsignalwert zu melden, zu antworten durch Melden: (a) des aktuellen Wertes des ersten Taktsignalgebers und (b) von Information, welche die Zeit auf dem zweiten Taktsignalgeber angibt, zu der der erste Taktsignalgeber auf seinen aktuellen Wert getickt ist.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das exakte Einholen des Bluetooth-Master-Taktsignals.
Ein Bluetooth-Piconet ist ein ad-hoc Bluetooth-Netzwerk, das einen Master-Knoten und einen oder mehrere Slave-Knoten aufweist. Es können bis zu sieben aktive Slave-Knoten in einem Piconet vorhanden sein, obwohl zusätzliche Knoten (bis zu 255) mit dem Master-Knoten synchronisiert, aber ”geparkt” und nicht aktiv in dem Piconet verbleiben können.
Jede Bluetooth-Einheit weist einen Taktsignalgeber auf, der eine Taktperiode von 312,5 μs aufweist (dies entspricht der Hälfte einer Bluetooth-Slot-Periode). Das Taktsignal der Master-Einheit wird in dem Piconet als ein 'Master-Taktsignal' verwendet und wird an die Slave-Einheiten übertragen. Jede Slave-Einheit unterhält einen Taktsignaloffsetwert, welcher den Offset zwischen dem Master-Taktsignal und ihrem eigenen Taktsignal darstellt. Dieser Offsetwert wird jedes Mal aktualisiert, wenn ein Datenpaket von dem Master-Taktsignalgeber empfangen wird.
Für eine Anwendung, die auf einer Slave-Einheit abläuft, ist das genaueste verfügbare, über Netzwerk synchronisierte Taktsignal das Master-Taktsignal. Die Auflösung des für die Anwendung verfügbaren Master-Taktsignals ist jedoch durch die Host Controller Schnittstelle begrenzt. Diese Begrenzung, festgelegt durch die Bluetooth-Spezifikation, ermöglicht, dass nur der aktuellste Taktsignaltakt für die Anwendung „sichtbar” ist. Darüber hinaus ist die Befehlsausführungszeit, definiert als die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt zu dem die Anwendung das Master-Taktsignal über die Host Controller Schnittstelle anfordert und zu dem sie die Daten des Master-Taktsignals empfängt, nicht unerheblich und kann zu der Ungenauigkeit der geringen Auflösung der Darstellung der Zeit des Master-Taktsignalgebers beitragen.
Wenn daher die auf einer Slave-Einheit ablaufende Anwendung versucht, die Zeit des Master-Taktsignals zu schätzen, wird diese Schätzung angenähert durch die Gleichung: Schätzwert Master-Taktsignal = Master-Taktsignal + Taktsignalrundungsfehler + Taktsignaldrift + Befehlsausführungszeit
Angesichts der Auflösung des Bluetooth-Taktsignals beträgt der Taktsignalrundungsfehler zwischen 0 und 312,5 μs. Die Taktsignaldrift des internen Taktsignalgebers der Master-Einheit beträgt etwa 20 ppm (parts per million) und, unter der Annahme, dass das Master-Taktsignal zumindest alle 25 ms an jede Slave-Einheit übertragen wird, wird diese daher +/–1 μs betragen. Die Befehlsausführungszeit variiert in Abhängigkeit von der Ausführungsform, liegt aber typischerweise in der Größenordnung von mehreren Millisekunden.
Dadurch ergibt sich der Fehler im schlechtesten Fall (Worst Case Error) zu: Worst Case Error = 312,5 μs + 1 μs + 2000 μs = 2313,5 μs
Angesichts der Schallgeschwindigkeit pflanzt sich eine Schallwelle in 2313,5 μs etwa 78 cm fort. In einer Stereoumgebung, in der der linke und der rechte Audiokanal durch getrennte Bluetooth-Einheiten gesteuert wird, könnte dies zum Ergebnis haben, dass ein Kanal eine Verzögerung von 2313,5 μs relativ zu dem anderen Kanal aufweist. Angesichts der hochentwickelten auditorischen und räumlichen Berechnungen, die durch das Gehirn ausgeführt werden, würde dies für einen Hörer den Eindruck eines Lautsprechers erzeugen, der 78 cm von der erwarteten Position entfernt ist. Im Besonderen wenn sie im vorliegenden Kontext in Verbindung mit einem Paar Kopfhörern verwendet wird, wäre eine solche räumliche Abweichung desorientierend für den Hörer.
In dem obigen Beispiel wird der geschätzte Fehler von der Befehlsausführungszeit und der Taktsignalrundung dominiert. Wenn diese daher behoben werden könnten und eine Anpassung für die Taktsignaldrift durchgeführt werden könnte, wäre der einzige Unterschied zwischen dem Schätzwert für das Master-Taktsignal und dem tatsächlichen Master-Taktsignal ein kleiner Betrag an Taktsignaldrift.
Die US 2004/0190378 A1 offenbart einen virtuellen Echtzeit-Taktsignalgeber auf der Grundlage von Zeitinformationen aus mehreren Kommunikationssystemen. Sie offenbart ein Endgerät mit einem internen Taktsignalgeber/Zähler, der einen genaueren ”absoluten Zeit”-Wert berechnet als bestimmt werden kann durch Verwenden des internen Taktsignalgebers allein. Die Vorrichtung benutzt zuerst eine ursprüngliche ”absolute Zeit”, die äquivalent ist zur Differenz zwischen dem Wert des internen Taktsignalgebers des Endgeräts und einem Wert des Taktsignalgebers, der aus einer Vorrichtung mit einem genaueren internen Taktsignalgeber als dem des Endgeräts empfangen wird. Das Endgerät empfängt auch periodische Benachrichtigungen aus wenigsten einem anderen Kommunikationssystem, das auch einen genaueren internen Taktsignalgeber hat als den des Endgeräts. Wenn das Endgerät wünscht den absoluten Zeitpunkt in einem späteren Vorgang zu bestimmen, z. B. zum Bestimmen seiner Position, wird die ursprüngliche ”absolute Zeit” in Verbindung mit den periodischen Benachrichtigungen benutzt, um eine neue Schätzung der ”absoluten Zeit” zu bestimmen. Die Lehre zielt speziell auf ein GPS-System ab, in dem die Bildung einer genauen Schätzung von ”absoluter Zeit” essentiell für eine genaue Positionsbestimmung ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auf das Problem der durch die Befehlsausführungszeit und die Taktsignalrundung verursachten Ungenauigkeiten abgehoben.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jetzt anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die angehängten Abbildungen beschrieben. In den Abbildungen zeigen:
1 eine Bluetooth^®-Einheit die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ein Bluetooth^®-Netzwerk, das drahtlose Bluetooth^®-Kopfhörer aufweist;
3 eine Alternative zu 2, in der eine dritte Einheit das Master-Taktsignal stellt zur Verfügung;
4 eine Alternative zu 2, in der die Einheit für den linken Kanal das Master-Taktsignal zur Verfügung stellt.
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der eine Bluetooth^®-Einheit 20 zusammen mit Knoten 30 und 10 einem Piconet als ein aktiver Knoten beigetreten ist. Zwischen den Knoten wird eine Entscheidung darüber getroffen, welche Einheit zumindest zeitweise als die Master-Einheit (in diesem Fall Knoten 10) agieren wird, und das interne Taktsignal 70 dieser Master-Einheit 10 wird dann verwendet, um direkt das Master-Taktsignal 60 für das Bluetooth^®-Netzwerk zu erzeugen.
Auf der Bluetooth^®-Einheit 20 wird eine lokale Repräsentation des Master-Taktsignals 60 vorgehalten und wird unter Verwendung des internen Taktsignals 50 und eines gespeicherten Offsetwertes zwischen dem Master-Taktsignal und dem internen Taktsignal instand gehalten. Der Offsetwert wird jedes Mal aktualisiert, wenn ein Datenpaket von der Master-Einheit empfangen wird.
Das interne Taktsignal 50 steht direkt für die Anwendung 80 zur Verfügung. Das Master-Taktsignal 60 jedoch, welches das einzige netzwerkweit synchronisierte Taktsignal ist, ist durch die Host-Controller-Schnittstelle (Host Controller Interface, HCI) nur für die Anwendung 80 verfügbar, und nur mit der durch die Bluetooth-Spezifikation definierten Auflösung. Diese ist eingeschränkt auf die Periode des Master-Taktsignals, und nur der aktuellste Takt des Taktsignals steht der Anwendung zur Verfügung. Darüber hinaus ist die Befehlsausführungszeit zum Abrufen dieses Taktsignalwerts unter Verwendung des HCI erheblich lang, und so ist der empfangene Taktsignalwert veraltet zu dem Zeitpunkt, zu dem er von der Anwendung zurück erhalten wird.
Um die Auflösung des Taktsignals zu verbessern, stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Mittel zum Erzielen einer genaueren Darstellung des Master-Taktsignals zur Verfügung.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die auf der Bluetooth-Einheit ablaufende Anwendung eine ”genaue Repräsentation des Master-Taktsignals” anfordern an Stelle des gewöhnlichen Standard-Master-Taktsignalwerts, der durch die HCI verfügbar ist. Diese Anforderung wird dann an die HCI Firmware 90 weitergegeben. An Stelle der Verwendung des in der Bluetooth-Spezifikation definierten Bluetooth-Verfahrens, bezieht die HCI Firmware den aktuellsten Taktwert des Master-Taktsignals und einen lokalen Zeitstempelwert in μs dazu, wann sich der Takt des Master-Taktsignals geändert hat. Die Zeitstempelung wird durchgeführt durch Extraktion aus dem internen Taktsignal 50 (leicht für die Firmware 90 zugänglich) zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Takt des Master-Taktsignals geändert hat.
Dann wird unter Verwendung des Taktwertes und des Zeitstempels ein Datenpaket ausgebildet. Dieses Datenpaket wird dann an die Anwendung zurückgesandt.
Die Anwendung kompensiert dann die Verzögerung durch Beziehen des Wertes der ”genauen Repräsentation des Master-Taktsignals” durch Anpassen des genauen Master-Taktsignalwerts um den Offset zwischen dem Zeitstempel und dem gegenwärtigen internen Taktsignalwert.
Unter Verwendung des genauen Master-Taktsignalwertes kann die Anwendung dann die Wiedergabe von Audiodaten exakt zeitlich festlegen. Die Audiodaten können lokal erzeugt werden oder von einer anderen Einheit in dem Netzwerk an die Bluetooth-Einheit 20 gesendet werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung stattet die Anwendung mit einer genaueren Repräsentation des Master-Taktsignalwerts aus, als sie zuvor verfügbar war. Darüber hinaus kann sie, obwohl sie diese Repräsentation relativ spät empfangen kann, durch Anpassen der Repräsentation, um den Offset zwischen dem empfangenen Zeitstempel und dem gegenwärtigen internen Taktsignalwert kompensieren.
Daher weist die Repräsentation des Master-Taktsignals die folgende Beziehung zu dem tatsächlichen Master-Taktsignal auf. Repräsentation = Master-Taktsignal + Taktsignalrundungsfehler + Taktsignaldrift + Befehlsausführungszeit = Master-Taktsignal ± 0 μs ± 1 μs ± 0 μs = Master-Taktsignal ± 1 μs
Der Fehler zwischen der Repräsentation und dem Master-Taktsignal beträgt im schlechtesten Fall 1 μs. Angesichts der Schallgeschwindigkeit beläuft sich 1 μs auf weniger als 1 mm und ist daher für den Anwender nicht wahrnehmbar.
Daher ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass sie synchronisierte Stereokopfhörer ermöglicht, in denen die rechten und linken Ohren durch getrennte Bluetooth-Einheiten gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es mittels der genauen Repräsentation des Master-Taktsignals, dass die Audiowiedergabe in jedem Kopfhörer exakt zeitlich auf ein netzwerkweites Taktsignal festgelegt wird und so jegliche räumliche Desorientierung des Anwenders vermieden werden kann.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Bluetooth-Audioeinheit 10 die Bluetooth-Master-Einheit, die das Master-Taktsignal für das Piconet zur Verfügung stellt. Die Bluetooth-Audioeinheit 10 sendet die entsprechenden Audiodaten an den linken und rechten Kanal der Bluetooth-Wiedergabeeinheiten 20 und 30 und die Wiedergabe an dem entsprechenden Kanal wird zeitlich eingeplant gemäß dem Master-Taktsignal, das durch die Bluetooth-Audioeinheit 10 eingestellt wird.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform sendet die Bluetooth-Audioeinheit 110 unter Verwendung des Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) die Audiodaten an die Bluetooth-Master-Einheit 120. Die Bluetooth-Master-Einheit 120 stellt das Master-Taktsignal für das Piconet zur Verfügung. Die Bluetooth-Master-Einheit 120 sendet die entsprechenden Audiodaten an den linken und rechten Kanal der Bluetooth-Wiedergabe-Einheiten 20 und 30 und die Wiedergabe an dem entsprechenden Kanal wird zeitlich eingeplant gemäß dem Master-Taktsignal, das durch die Bluetooth-Audioeinheit 120 eingestellt wird.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Wiedergabeeinheit 220 für den linken Kanal die Bluetooth-Master-Einheit, die das Master-Taktsignal für das Piconet zur Verfügung stellt. Die Bluetooth-Audio-Einheit 210 sendet die entsprechenden Audiodaten an die Bluetooth-Wiedergabeeinheiten 220 und 230 für den linken und rechten Kanal und die Wiedergabe an dem entsprechenden Kanal wird zeitlich eingeplant gemäß dem Master-Taktsignal, das durch die Bluetooth-Wiedergabeeinheit 220 des linken Kanals eingestellt wird.
Die an die Bluetooth-Wiedergabeeinheiten für den linken und rechten Kanal gesendeten Audiodaten weisen vorzugsweise Information zum ”Zeitpunkt der Wiedergabe” auf, die Einplanungsinformation zur Wiedergabe der konkreten Audioauswahl zu bestimmten Zeiten relativ zu dem genauen Master-Taktsignal zur Verfügung stellt. Die Information zum ”Zeitpunkt der Wiedergabe” ermöglicht, dass die Wiedergabe der Audioauswahl in den Audiodaten an den linken und rechten Kanälen im Wesentlichen zur gleichen Zeit auftritt, wodurch eine genaue Synchronisation der Kanäle ermöglicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Information zum ”Zeitpunkt der Wiedergabe” getrennt von den Audiodaten an die Wiedergabeeinheiten gesendet werden.
Durch Einspeisen der genauen Repräsentation des Paars aus dem Master-Taktsignal und dem internen Taktsignal in einen digitalen Signalprozessor (nicht gezeigt), der auch Zugriff auf das interne Taktsignal hat, ist es möglich geringfügige Geschwindigkeitsanpassungen an der Wiedergaberate von Audiosignalen zu machen um sicherzustellen, dass die Audiodatenströme exakt synchronisiert sind. Dieses Geschwindigkeitsanpassungsverfahren ist als Warping bekannt.
Audiodatenquellen können einen Bluetooth-fähigen CD Player, MP3 Player, Mobiltelefoneinheiten, oder beliebige andere Einheiten umfassen, die zur Wiedergabe von Musik oder Ton verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch zum Übertragen von synchronisierten Videodaten an Stelle von Audiodaten verwendet werden. Zum Beispiel würde jede Anwendung, die synchronisierte Videodatenströme zwischen getrennten Bluetooth-Einheiten erfordert, diese Erfindung als vorteilhaft erachten. Dies kann Monitorgruppen oder 3D Brillen einschließen.
Weitere Verwendungen der vorliegenden Erfindung können sich auf nicht medienbezogene Anwendungen beziehen, in denen ein hoher Grad an zeitlicher Genauigkeit erforderlich ist, wie zum Beispiel eine Steuereinheit für ein Computerspiel oder ein auf einem Bluetooth-Netzwerk basierendes Stoppuhrsystem.
Der Antragsteller offenbart hierdurch getrennt jedes hierin beschriebene individuelle Merkmal und jede Kombination von zwei oder mehreren solcher Merkmale, soweit dass solche Merkmale oder Kombinationen basierend auf der vorliegenden Beschreibung in Gesamtheit angesichts der üblichen allgemeinen Kenntnis einer in der Technik ausgebildeten Person ausgeführt werden können, unabhängig davon ob solche Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen irgendeines der hierin offenbarten Probleme lösen, und ohne Beschränkung das Schutzumfangs der Ansprüche. Der Antragsteller deutet daraufhin, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus jedem solchen Merkmal oder aus jeder Kombination von Merkmalen bestehen können. In Anbetracht der vorangehenden Beschreibung wird es einer in der Technik ausgebildeten Person offensichtlich sein, dass verschiedenartige Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ausgeführt werden können.

Claims

Kommunikationseinheit zum Betrieb in einem Kommunikationssystem in Übereinstimmung mit einem Bluetooth^®-Protokoll, das mit einer ersten Taktsignalauflösung arbeitet, wobei die Kommunikationseinheit aufweist: einen ersten Taktsignalgeber, der mit der ersten Auflösung arbeitet, einen zweiten Taktsignalgeber, der mit einer zweiten Auflösung arbeitet die höher ist als die erste Auflösung, Mittel, die dazu ausgebildet sind, auf eine Aufforderung, einen Taktsignalwert zu melden, zu antworten durch Melden: (a) des aktuellen Wertes des ersten Taktsignalgebers und (b) von Information, welche die Zeit auf dem zweiten Taktsignalgeber angibt, zu der der erste Taktsignalgeber auf seinen aktuellen Wert getickt ist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, wobei der erste Taktsignalgeber der Master-Taktsignalgeber des Bluetooth^®-Netzwerks ist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 2, wobei die Auflösung des ersten Taktsignalgebers auf die Taktperiode des Taktsignals beschränkt ist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 3, wobei die Taktperiode des Taktsignals 312,5 μs beträgt.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 4, wobei die Auflösung des ersten Taktsignalgebers durch ein Host Controller Interface der Kommunikationseinheit beschränkt ist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, wobei die Aufforderung, einen Taktsignalwert zu melden, durch eine Anwendung ausgeführt wird, die auf der Einheit abläuft.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 6, wobei die Anwendung die ausgewiesenen Daten verwendet, um das erste Taktsignal exakt zu simulieren.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 7, wobei die Anwendung die exakte Simulation des ersten Taktsignals verwendet, um eine zeitkritische Aufgabe zeitlich einzuplanen.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 8, wobei die zeitkritische Aufgabe die Wiedergabe von Mediendaten aufweist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 9, wobei die Mediendaten aus einer Medienquelle von der Einheit empfangen werden.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Mediendaten Audiodaten sind.