专利名称：用于多通道音频或视频数据的无线实时传输的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求l的前序部分的用于主要针对音频目的而言的无线传输的方法。
本发明还涉及根据权利要求7的前序部分的用于针对音频目的而言的无线传输的系统。
本发明涉及差错控制方法和系统以及同步方法和系统。
典型地，本发明的主题是用于对最高工作室质量(studio-quality)多通道数字音频的同步、抗电磁干扰、无线传递的系统和相关联的设备和方法。该相同方法还能够被用做具有相同类型的实时和带宽需求的其它数字信息的组播传输的基础，所述实时和带宽需求诸如在局部区域上的直播数字视频和电视信号分配。
背景技术：
介绍
在当前已知技术下，工作室质量多通道数字音频信号首先被转换成模拟形式，然后被传递到具有每通道电缆的扬声器。再者，在电缆或者光纤中的数字传输方法是已知的。如果扬声器是无源的(passive),那么对于每个扬声器而言需要附加的放大器来放大传送器处的信号功率
这些操;从以及物理才莫拟传输路i本身:向原始信号的质量中注:了诸如
噪声、干扰、失真、组延迟、幅度和相位差错之类的若干退化效应。电缆常常笨拙并且看起来杂乱。在仔细地设计电缆和它们的配线装置的情况下，这些影响能够被限制到某种程度上，但是很少能被完全克服。仔细的设计和单调的安装工作所需要的电缆的数目和巨大体积增加了费用以及需要的技巧和时间。电缆和它们的机电的连接器还易于出现机械故障，所述机械故障很难找到和维修。在公演中当表演者且常常甚至观众在电缆中移动时这些问题尤其有害。在这些状况下，能够存在被电缆伤害和受伤的真实危险。在艺术巡演期间，音频装置被频繁地安装到变
7化的环境或者从变化的环境卸载，这倍增了这些问题、影响和费用。
使用有源扬声器(在它们之内具有集成的且优化的放大器)把该情 形简化到某种程度。模拟信号现在能够具有较低功率电平，且能够容易
地采用抗更多噪声和干扰的差动信令(differential signalling)。然而，
多通道差动信号的生成需要相当昂贵的高质量模拟电子设备加上费用
高的差动电缆和连接器。
典型地，当前可获得的无线音频分配系统是使用有损音频压缩方法 的非标准无线电或者红外线解决方案，从而导致折衷的性能。它们因此 主要被用于诸如在家庭影院中的后面扩音喇叭之类的支持目的。
发明内容
本发明的目的是通过构建新颖的国际标准来解决与上述技术相关 联的且与最高工作室质量流数字音频数椐的同步实时传输有关的问题， 所述国际标准顺从基于无线局域网(WLAN)的数字通信系统、传送器、 接收器加上用于对数字音频的高效率的受限区域分配的必要的固件和 软件以及对这样的系统的测试、配置、管理和控制。
本发明是以下列想法为基础使用组播以工作室质量数字格式通过 电磁无线电波或者通过电力线布线，在没有专用信号电缆的情况下典型 地使用国际标准化且大量生产的无线局域网(WLAN)组件，来把数字 信息从中央传送器站传递到各个扬声器。数字信号仅在有源扬声器单元 自身处被转换成模拟形式，最后本地地被馈送到优化的电子低通、带通 和高通滤波器、放大器并且最后到高质量的扬声器元件。这保证了最终 的声音质量。由于应用大量生产的WLAN技术及其商用组件和非常小数 目的附加的标准集成电路，所以开发工作和实际系统的成本能够被保持 在非常合理的程度。
这里介绍的方法用如在IEEE 802.11系列标准中所规定的标准商用 无线局域网技术来代替有线线路。对多通道工作室质量音频的非压缩实 时传递所需要的特殊特性已经通过对WLAN系统协调功能、通信方式和 控制参数连同特殊上层固件的创新性的选择来实现。
根椐本发明的优选实施例，由采样形成的音频数据被组织在音频帧 中并使用组播报文发送在连续的信标间隔之内被发送给接收器。根据 WLAN标准，两个共存的操作模式是可能的。通常模式被称为基于竟争
8的服务，它广泛用于商用数据通信产品中。另一个模式被称为无竟争服
务，很少使用但在IEEE 802.11标准中被准确规定，它是本发明的基础。 信标帧被用于控制这两种操作模式之间的切换。信标间隔的长度是可编 程的参数，并且在本发明它^f支调整以使得同步音频数据的最优量在最小 限度协调延迟下能够被发送到接收器。在本发明的一个优选实施例中， 该最优量是对于高质量音频再现不同音频数据的所需要的量。
根据本发明的另 一优选实施例，使用了为不同音频传递所优化的增 强的差错控制系统，该系统使对重新传输的需要最小化或者完全消除了 该需要，在该系统中，所接收到的信号包含差错控制数据块，是为了纠 错目的而使用的。
根据本发明第三优选实施例，在组播系统中在通过控制帧终止每个 信标间隔而生成的帧结束中断的帮助下在每个信标间隔之内的确切相
同实例，接收器被同步，
具体讲，根据本发明的方法的特征是在权利要求1的特征部分所陈迷的。
此外，根据本发明的系统的特征是权利要求7的特征部分所陈述的。
在本发明的帮助下可以获得显著的益处。在对工作室质量数字音频 的每扬声器接收下，能够避免与传统扬声器信号路径关联的所有差错因 素。根据本发明的一个实施例，在有源扬声器自身执行数字到模拟转换 通过使在固定的且优化的有源扬声器电路上的模拟信号的传播路径局 部化来使声音质量最大化。
信号电缆、它们的连接器和差信号传送器/接收器以及有关的材料和 安装工作能够被完全避免。这消除了与它们相关联的所有费用、故障和 安装问题。由于大量生成的标准WLAN技术是本发明的基础，根据本发 明的一个实施例其生产费用能够非常低。
根据本发明的一个实施例，由于利用了组播传输方式和频率组播同 步，所以能够有效地消除通道间相位差错。
根据本发明的一个实施例，由于使用了优化的传输帧尺寸，所以能 够把系统级延迟最小化到无关紧要的级别。
在根据本发明的 一 个实施例的差错控制方法的帮助下，能够获得简 单且快速的最佳效果纠错方案。
下面，将参考在所附的图中所图示的例证的实施例更加详细地描述
本方明，其中，
图1示出了本发明的一般系统配置的框图。
图2示出了根据本发明的示例传送器基站的框图。
图3示出了根据本发明的另一个示例传送器基站的框图。
图4示出了根椐本方明的示例接收器的框图。
图5示出了根据本发明的表示一个多通道音频采样的音频数据结构。
图6示出了根据本发明的表示带有附加差错控制模块的一个音频采
样8-元组的数据结构。
图7示出了根据本发明的在图6的数据结构的帮助下的纠错原。 图8示出了能够^皮本发明使用的+某体访问控制(Medium Access
Control, MAC)体系结构的框图。
图9示出了能够被本发明使用的一般MAC帧结构。
图10示出了能够被本发明使用的WLAN帧控制域的数据结构。
图11示出了能够被本发明使用的可能的媒体访问控制(MAC)地
址、组播版本的框图。
图12示出了能够净皮本发明使用的类信标帧(generic beacon frame)
的数据结构。
图13示出了根据本发明的信标帧的数据结构。
图14示出了能够被本发明使用的容量信息的数据结构。
图15示出了能够被本发明使用的信息元素(information element)
的数据结构。
图16示出了能够被本发明使用的流量指示表(Traffic Indication Map, TIM)元素才各式的数据结构。
图17示出了能够被本发明使用的扩展速率PHY (Extended Rate PHY,ERP)信息元素的数椐结构。
图18示出了能够被本发明使用的扩展的支持的速率元素(supported rates element)的数据结构。
图19示出了能够被本发明使用的无竟争(Contention-Free, CF )参 数设定元素的数据结构。图20示出了能够被本发明使用的CF-End帧的数据结构。
图21示出了能够被本发明使用的ERP-OFDM PHY帧结构的数据结构。
图22示出了本发明的带宽需求的图表。
图23示出了根据本发明的在连续的数据块中的8x32位的采样记 录的数目的表，与用于传输的数字音频的适当定序有关。 图24示出了根据本发明的抖动行为的图表。
图25示出了根据本发明的与最差情况传输计时有关的一般数椐结 构的框图。
图26示出了根据本发明的音频输入处理的流程图。 在本文中，结合本发明将使用下列术语。
1 WLAN，无线局域网
2 音频源
3数字音频传送器 4基站 5 远程控制器 6接收器
7扬声器，典型地带有内置功率放大器的有源扬声器 8 声音(例如，环绕)系统 9音频数据格式/采样 10传输级音频数椐格式 11纠错代码
12 MAC子层，MAC-媒体访问控制
13分布式协调功能
14点协调功能
15无竟争通信服务
16基于竟争的通信服务
17 —般MAC帧结构
18帧控制
19持续时间/ID
20地址1
21地址2
ii22地址3 23序列控制 24地址4
25帧体(Frame body)
26 FCS,帧控制序歹寸(Frame Control Sequence)
27 MAC头
28 MAC帧
29 WLAN帧控制字段 30协议版本
31类型 32子类型
33至DS, DS-分布式系统 34从DS
35更多片段(more Frag)
36重试
37更多数据
38 PwrMgt
39 WEP,有线等效保密(Wired Equivalent Privacy) 40序(order)
41单独地址 42组地址 43单播地址 44组播地址 45广播地址
46类信标帧(generic beacon frame)
47帧控制
48持续时间
49目的地地址
50源地址
51 BSSID
52序列控制
53帧体
1254 FCS 55时间戳 56 4言标间隔
57容量信息(Capability info )
58 SSID,服务设定标识(Service Set Identity)
59可选字段
60本发明中所使用的信标帧 61帧控制 62持续时间 63目的地地址 64源地址
65 BSSID,基本服务设定标识 66序列控制 67帧体
68 FCS ' 69时间戳 70信标间隔 71容量信息
72 SSID
73 CF参数集
74 TIM,流量指示图(Traffic Indication Map)
75 ERP，扩展的速率PHY ( Extended Rate PHY ) 76扩展的速率
77元素格式 78元素ID 79长度 80信息 81 TIM元素 82元素ID 83长度
84 DTM计数，DTM-发送流量指示图(Delivery Traffic Indication Map)85 DTIM周期
86位图控制(bitmap control)
87部分虛拟位图
89 ERP信息元素
90元素ID
91 长度
92 非ERP存在(Non ERP-present)
93 用户保护
94 Barker前导模式(Barker Preamble mode)
95 r3-r7
96 扩展的支持的速率元素格式
97 元素ID
98 长度
99 扩展的支持的速率
100 CF参数设定元素格式，CF-无竟争 101元素ID
102长度
103 CFP计数
104 CFP，无竟争周期
105 CFP最大持续时间
106 CFP DurRemaining
107 CF-End帧
108 MAC-头
109 CF-endMAC帧 110帧控制
111持续时间
112 RA，接收器地址
113 BSSID
114 FCS
115 ERP-OFDMPHY帧结构 OFDN^正交频分复用
116编码的/OFDM117 PSDU,协议服务数据单元
118 PLCP前导
119 S腦AL 120速率 121保留的 122 LENGTH 123尾
124奇偶校验 125服务 127帧控制 128持续时间/ID 129地址1 130地址2 131地址3 132序列控制 133地址4 134帧体
135 FCS 136感兴趣域
137 WLAN重复周期/信标间隔(N*TU) 138节略的(Foreshortened)无竟争周期 139复用器和接收器 140串行至并行转换器 141緩沖器
142 USB主控制器，USB4克用串行总线
143 USB输入
144 S/PDIF输入，S/PDIF-索尼/飞利浦数字接口 145模拟输入
146模拟緩冲器和复用器
147 A/D转换器，A/D-模拟到数字
148 MAC/基带处理器 149微控制器
15150 D/A转换器和过滤器，D/A-数字到模拟
151选择^=莫拟输入
152 A/D转换
153选择数字输入
154 24位重定格式
155选择音频输入
156通道数8
157否
158是
159生产FEC并写到緩冲器，FEC-前向纠错(Forward Error Correction)
160计算丢失的通道
161生成FEC并写到緩冲器
162采样i-l
163采样i
164采样i+l
165校正的采样i
166ESS,扩展的服务集
167IBSS
168CP可轮询的
169CF轮询请求
170保密
171保留的
172天线
173最高有效位
174音频MAC帧
175控制MAC帧
具体实施方式
系统
根据图1,该系统包括一个或者若千可以是数字源或者是模拟源的
音频源2，所述音频源2还包括例如经由USB接口的直接计算机连接的
16可能性。源2连接到音频传送器3,音频传送器3进一步地连接到基站 4，该基站4包括用于无线传输的天线装置172。典型地，传送器3和基 站4由远程控制器5或者计算机控制。来自基站4的信号经由WLAN网 络1使用通过同步组播消息(isochronous multicast message)被发送到 包括若干扬声器7的多通道(例如，环绕)声音系统8的接收器6。换 言之，来自源2的音频数据被器件3和4转变为数字数据并且作为标准 WLAN数字数据被传递给扬声器接收器。
传送器基站
图2示出了不包括模拟输入的传送器4的简单示例版本，图3示出 了具有模拟输入145的装置。典型地，发送器基站4是108Mbit/s扩展 的IEEE 802.1 lg WLAN MIMO接入点站，其接收规定数目的非立体声的, 立体声的或者多通道模拟和AES3，S/PDIF或者USB数字音频信号。针 对本发明的系统而言是108Mbit/s在实践上是最低可能标准比特速率。 在将来，会期望较高WLAN传输速度。它们将使之成为可能使用重新 传输来改进纠错方法。模拟输入145被电子地緩沖146并且馈送到模拟 选择器、192 kS/s A/D转换器147、串-并转换器140和可编程2-8通道 DSP处理器，该模拟选择器能够选择立体声24比特的立体声输入中的 一个。DSP处理4吏之成为可能执行任何类型的矩阵化(matrixmg)以 根据右和左通道立体声信号生成所导出的通道信号。可替换地，如果选 择了数字AES3或者S/PDIF输入144作为替代，那么用移位寄存器140 将其转换成并行格式，然后经由存储器緩冲器141馈送到32位数字信 号处理器4,该数字信号处理器4把该信号处理成被用在WLAN传输中 的8通道24位192kSample/s并行格式。USB2.0接口 143的使用允许8 通道24位192 kSample/s音频流的直接输入，该音频流于是被直接存储 成并行32位存储器格式。例如DSP和从可能较短采样大小到24比特的 精确扩展(precision extension) —起用四采样三阶多项式曲线拟合方法 (four-sample third-order polynomial curve fitting method)能够进行从较 低采样速率到192 kSample/s的再采样。这些处理步骤之后，前向纠错 代码八位位组11 (图6和7)被加到每个24比特音频采样9的前面。 结果32比特采样以表示来自八个音频通道的同时采样的8个采样9的 记录的形式被緩沖到存储器中以供传输。在传送器站3之内，存在用于立即存储等待传输的进入的数据 (incoming data)的16KB存储器环(ring)緩沖器141或者FIFO緩沖 器。在初始化之后，发送器站3使用一个TU的无竟争信标间隔设定， CFPMaxDuration参数设定为512ys。当进入的音频流结束时该设定被 建立并且使对进入的音频流的反应时间最小化，因此还为存储器緩冲器 确定大小。可替换地，当没有进入的音频时通过用全零数据填充该緩沖 器来填塞(stuff )音频流是可能的。当音频数据流开始并且在环或者FIFO 緩沖器中没有可用于进入的数据的6.6KB以上的空间时，无竟争间隔被 重新编程为3个TU, CFPMaxDuration参数设为2782 y s。 WLAN数字 音频传输也在该点开始。取决于WLAN流量情况，对于要传送的第一音 频数据而言，可能花费459到1483 ns,在该时间从2.8KB到9.2KB更 多的音频数据已经进入了緩沖器。因此，取决于音频源和WLAN之间的 定时关系，输入緩沖器大小需求限制是从9.4KB到15.8KB。为此，对 于所有情形而言，16KB环緩沖器141或者FIFO是足够的。通过信号处 理器緩沖器141被进入的音频数据填充，并且在定时器控制的DMA控 制器或者保持正确WLAN数据传递速率的另一个处理器的帮助下该音 频数据被从緩沖器141传送。在该处理器和WLAN码片之间存在高速并 行或者串行标准接口， WLAN码片的软件应用程序接口 (API)被用于 如上所描述的流量控制。由传输引起的最大延迟近似为1500ns。除此 之外，存在近似500u s的接收緩冲延迟。因此总延迟不到2000W s。这 与小于1米的声音的传播对应，从而使得该延迟对于人听觉体验而言可
基站(和接收器)的WLAN部分遵从具有由Atheros Inc.和Airgo Inc. 提出的范围和传输速率扩展IEEE 802.11g标准。典型地还使用MIMO 天线装置172。正常比特率是108Mbit/s。扩展的IEEE 802.Ug WLAN 的这些实现方式还包含强大的传输纠错机制，该机制把最终传输路径 突发差错有效地分配给接收处的单个比特接收差错，并且在八位位组 级上能够校正它们全体。在规定的应用层前向纠错方法中利用了该特 征。基站4和接收器站之间的基于竟争的、单独寻址的报文发送被用 于接收器以及附连到它们的音频设备的配置、状态监视和控制。在发 送器基站4中存在红外线的手持式远程控制器接收器、用于蓝牙和 WLAN手持式远程控制器适配器的USB 2.0通用接收器/发送器和USB2.0计算机通信接收器/发送器。 系统配置、监视和控制
系统配置、监视和控制是通过(一个或者多个)手持式远程控制器 或者通过(一个或者多个)(个人)计算机应用来进行的，如上所述。 接收器
根据图4,典型地，接收器6由MIMO天线子系统172和具有Atheros 或者Airgo范围和传递速率扩展的IEEE 802g —致(conformant) WLAN电路。对于配置、状态监视和控制操作而言，典型地存在软件 控制多色LED以辅助各个扬声器7的识别和状态。WLAN工作在108 Mbit/s的额定速度(nominal speed)。所接收到的音频数据流被緩沖到 16KB输入环或者FIFO存储器緩冲器中，并且当该緩沖器达到6.6KB 的限制时开始从该緩冲器输出音频。该接收器的当前所选通道的数据 由32位处理器149加以选择并馈送到24位D/A转换器150，随后到高 质量体积(volume)控制电路和緩沖器放大器以便为该特定音频接收 器单元的所选音频通道生成工作室质量模拟音频信号。通道选择是通 过在WLAN的竟争通信服务上的配置和软件控制来进行的。
八通道的接收器6均具有用来生成192000 Sample/s时钟的内部晶 体推演时钟(internal crystal-derived clock)。这些时钟通过由每个3072 Ps接收时隙的CF-End控制消息生成的帧结束中断来重新启动。来自 D/A转换的差动模拟输出信号是所配置的通道的有源扬声器的差动输 入。此外，根据标准AES3(S/PDIF)同轴和光学输出可获得全八通道数 字音频。这便利了无线工作室质量8通道数字音频链路的实现。另一
对于系统、电池供电的手持式控制终端5和软件应用的控制而言存 在两种方法，所述软件应用可用于包括Linux、 MS Windows、 Apple 和Symbian操作系统的多个平台
手持式远程控制器
手持式远程控制器5包括小键盘、小的显示器、处理器和至基站的 通信链路。小键盘功能允许选择音频源2、音频扬声器组8和单独的扬 声器7配置和控制。扬声器组8以及单独的扬声器7能够被平滑地激
19活和去活，并且其一般的和单独的音量级(volume level)能够被调整。 手持式远程控制器经由红外线的、蓝牙或者WLAN链路与发送器基站 4通信。基站4通过使用竟争模式通信和组寻址或者单独寻址的单独接 收器接替对扬声器的控制。在远程控制器5中存在应急鍵和功能(panic key and function)，其致使所有扬声器7的平滑立即吸控(smooth immediate muting)。 远程控制软件
上述系统能够由运行配置、监视和控制应用软件的计算机完全控 制。发送器基站使用蓝牙、IrDA、 LAN、 WLAN或者USB2.0链接来传 送命令和响应。
方法
根据图5和6，对于每个单独采样而言，本发明设备实时且同步地 传送8个完全独立且均匀的规范化未压缩的通道的24位192000 Sample/s数字音频流连同高效率声音传输特定8位前向纠错(FEC )代 码11。在本文的其余部分，8个离散24位采样組10和其相关联的8 位FEC八位位组11 (总共32个八位位组或者256位)将被叫做传输 级音频数据格式。所支持的应用级数字音频数椐带宽需求因此是 36.864 Mbit/s。连同FEC八位位组(octet) 11 —起，该应用数据带宽 需求变成49.152 Mbit/s。此外，存在由MAC成帧、WEP封装、PHY 成帧以及竟争流量时间分配的影响所引起的开销。这些甚至是使54 Mbit/s的WLAN比特速率对于该应用都不足够。在当今的标准WLAN 技术下，不能达到所需要的性能。下面描述的新颖的传输方法是以对 具有点协调功能(Point Coordination Function, PCF)的无竟争组播传输 的创新性使用为基础的，如在IEEE 802.11标准中所规定的。通过认真 的参数调谐，WLAN的带宽最优能够被分为PCF无竟争媒体访问模式 和通常分散式控制功能(Decentralized Control Function, DCF )竟争访 问模式之间，使得同步多通道数字音频传递变得可能。在IEEE 802.11g WLAN网络的108Mbit/s扩展下，通过使用ERP-OFDM PHY层成帧， 同步地传送目标八(8)独立24 + 8位、192kSample/s数字音频流连同 正常的基于竟争的WLAN数据流量是可能的。高通道数目、高分辨率 和高采样速率保证了当今在商业上可获得的最佳声音质量的无线分 布。
20数据结构
根据图25，本发明的目的是传递足够的音频块(传输级音频数据格 式)10以便产生高质量音频声音。首先，由软件设置所定义的信标间 隔137必须被正确地选择以便达到该目的。定义信标间隔137的长度 的信标信号以通过IEEE 802.11 g WLAN标准中的整数定义的间隔予以 发送。该整数的值可以具有从1-N的值。换言之，信标间隔137是信 标整数和时间单元(timeimit，TU)的乘积。在IEEE 802.1 lg WLAN标 准中一个TU的长度是1024 ps,因此信标间隔137是TU(1024ps)的 倍数。然而，该标准定义了，在每个信标间隔137中，应该为竟争流 量保留足够的时间，为最大限度大小的帧、ACK、 2个时隙时间和保留 更加精确且足够的时间。根据本发明，对于信标间隔137而言，发现 时间单元TU数目的最优值是3。在本发明的一个优选实施例中该最优 量还能够被定义为足够的量。这给出了足够的时间来在一个信标间隔 137之内发送12音频MAC帧174和2个控制MAC帧175。每个音频 MAC帧174包括49 - 51传输级音频数据格式块10,这些块的数目是 根据图23的表来定义的。在该图中， 一个行表示在信标间隔137的一 个无竟争周期138中音频MAC帧174的内容。从图23能够看出，在 每个125信标间隔之后，重复预定序列。在该详细的序列的帮助下， 音频输入和WLAN输出的平均流速率相匹配，所以抖动能够被保持在 最小限度，如图24所示。这还导致了在传送器和接收器6这两者中对 緩冲器存储器的最小需求。
带宽划分
根据图25,为了保证音频数据的及时输送，必须实现无竟争周期 138的最高可能重复速率。同时，必须为音频流量保留网络容量的最大 限度部分。IEEE 802.il标准要求，在用于一个最大限度大小的数据帧 连同其确认帧加上两个SIFS周期和两个时隙时间的传输的每个重复无 竟争间隔之内必须存在足够的竟争流量时间。在108MBbit/s比特速率 和ERP-OFDM PHY成帧下，该需求等于212 + 40 + 2 x io + 2 x 9 = 290 Ms。如在IEEE 802.11标准中所描述的，在无竟争周期138的开始， 竟争流量可以使竟争周期缩短RTS控制帧、CTS控制帧、 一个最大尺 寸数据帧、ACK控制帧加上四SIFS之和的最大值。在108Mbit/s比特 速率和ERP-OFDM PHY成帧下，该需求等于40 + 40 + 212 + 40 + 4 x10 = 372ps。无竟争周期开始于信标帧67 (图13)，随后是SIFS。在 108 Mbit/s比特速率和ERP-OFDM PHY成帧下，该需求等于76 + 10 = 86jas。该无竟争周期结束于CF-End帧109 (图20)。在108 Mbit/s 比特速率和ERP-OFDMPHY成帧下，该需求等于40ps。对于无竟争 数据流量而言，无竟争重复间隔的其余时间是可获得的。由于无竟争 间隔的粒度是一个1024 ps时间单元(TU),所以当无竟争间隔被设 为一个TU时无竟争流量可获得的时间是1024-290-372 - 86-40 = 236|us。考虑到IEEE 802.il所规定的最大数据帧大小，在后继的数据 帧之间的PIFS、 PHY封装开销、WEP和MAC，仅8通道24+8位的 72个采样的最大值，192kSample/s数据能够在该时间之内被传递。由 于音频采样速率的原因，在每个TU期间实时需要稍微高于196个采样。 因此，这不是工作解决方案。在无竟争间隔设为两个TU的情况下，无 竟争数据可获得的时间变成1260jus,其允许在1155|us中传输直至5 个大尺寸的72采样帧加上在104ms中传输另外的27采样帧。在最小 实时需求稍微大于2 x 196 = 392个采样时，在两个TU中总共387个采 样。所以对于实时音频传递而言容量只是稍微不够。因此，显而易见 的是，最小且最希望的无竟争重复间隔是3个TU, 3 x 1024 = 3072 m s。 为了优化数据的平滑流动并且为了使緩沖需要最小化，通过根据图 23以适当的方式改变数据帧的大小，每TU采样的平均速率应该尽可 能地保持在接近1024/1000 x 192=196.61。介绍下面的帧大小算法，这 是本发明中的关键创新之一。无竟争时间首先被分裂成12个大小可变 化的緩冲器。这些在图23中以列的形式予以呈现。緩沖器大小在49 个采样和51个采样记录之间变化，每个采样记录均根据大小调整规则 的下述设置。12个緩冲器的相邻緩沖器集的第一、第二、第四、第五 和第六緩冲器均包含51个采样，而第三集的第一緩沖器包含50个采 样记录。所有的其它緩沖器都包含49个采样。在每个第七緩冲器集直 到第125緩冲器集重复该序列，在此之后从开始起重复该整个循环。 上述规则的一个例外是第60緩沖器集的第一緩冲器包含50个采样而 不是如内部重复规则所陈述的51个。该算法根据图24保证了在所有 的緩冲器集之内緩沖抖动保持在低于+/-—个采样并且在每个第125采 样緩冲器集的结尾处变为零。在该调整算法下，在无竟争数据传递时 间之内存在180 |us的最差情况余量(worst-case margin)。这时间足够用于一个另外1632数据八位位组帧或者两个450八位位组用户数 据传递，它能够被用于希望的另外实时控制目的。该装置还使得支持 直至12 Mbit/s的高效用户竟争流量连同实时音频传输成为可能。对 于系统配置和控制以及其它独立数据交换而言，该竟争流量是可获得 的。
如上所示，需要为信标重复间隔的持续时间选择至少三个TU来为 无竟争同步音频流量保留足够带宽。选择三个TU的最小值还使系统延 迟和緩沖需求最小化。再者，选择三个TU的最小值，除了无竟争同步 音频流量之外，确保了针对基于无竟争流量的最大带宽。
在本申请中，这三个限制因素的组合被叫做最优值。
差错控制
根据图7，在收听多通道工作室质量话音和音乐音频声音的人的假 设下，为了简单和速度而优化差错控制方法。这意味着简单且快速尽 力而为(best-effort)纠错方案，其或者完全校正错误帧的剩余应用 级传输差错或者将他们可听得见的效果降低到不引入注意的级别。该 方法利用了长24位音频数据采样和高192 kSample/s采样速率以及扩 展的IEEE 802. llg实现方式的固有属性来把传输路径起源的突发差错 转变为在接收中的单个比特差错。然而，该纠错模式不适合于不能够 容忍差错的应用中。
根据图7,在传输阶段之前，把八位前向差错控制(FEC)八位位组 11附加到每个采样162 - 165的最高有效八位位组173的前面。该FEC 八位位组11是通过复制数据采样的最高有效八位位组173来形成的。 由于WLAN传输纠错方法，几乎所有残余的接收差错都是单个比特差错。 因此足以校正单个比特差错的影响。通过此使得所接收的最高有效数 据八位位组与所接收到的相应的FEC八位位组11进行比较，如果它们 不同则用前162个和后164个无差错采样的最高有效八位位组的平均 来替换该最高有效采样八位位组17 3 。这有效地消除了最高有效数据八 位位组中的几乎所有剩余差错。由于较低序比特仅表示音频的动态范 围的4%以下，所有它们的有效性是可忽略的。在所使用的高采样速率 下，人耳是听不到残余差错的。
值得记住的是，组播模式传输在所指定的组播组中同时把所有八个 通道的音频数据同时传递到所有的接收器。这使之成为可能实现转播(relay on)相邻音频通道的数据的任何智能纠错方法，如果感觉 这样的方法是吸引人的话。此外，如果在传送器和接收器上可获得特 殊纠错硬件或者非常高的计算功率，则可替换地该强大的标准8/24纠 错方法能够被用于更严格的纠错。 同步
根据图20，系统内的同步是以在每次重复3072 ps无竟争重复间隔 的开始之后在确切地2782 p s时由CF-End帧109所生成的帧结束中断 的重复出现为基础的。该控制消息109的帧结束中断在接收器的中断 等待时间差的不准确性内使所有接收器6同步。由于所有接收器被编 程为等待该特定中断，所以由中断等待(interrupt latency)所引起 的系统级同步抖动是一个指令执行循环的数量级(加入了非常小的处 理器到处理器晶体振荡器相位抖动)。在实践中，该总抖动是100ns 数量级并且或许不能被人类聆听者注意到。为了比较，192 kSample/s 音频采样循环是5. 21Ms。
对WLAN传输循环的详细描述
根据图25，在空闲状态下，当不存在音频信号时，传送器被编程为 运行一个时间单位(1 TU)的信标间隔。这样，系统响应对新的进入的 音频流的开始的延迟，因此使传送器緩沖器的尺寸最小化。当检测到音 频流开始时，传送器转变到主动传输状态(active transmission state )。 在主动传输阶段期间，信标间隔被重新编程为三个时间单元并且每个 WLAN音频传输时隙因此被编程为持续三个时间单元(TU)(每个是 1024ms),总共3072ns。在WLAN接入点站的传送器中实现点协调 功能(PCF)。信标重复间隔，因此无竟争重复间隔被设为三个时间单 元并且每个这样的周期包含无竟争和竟争部分。使用在信标帧67中的 CFPMaxDuration参数把所分配的无竟争周期的长度设为2782 ms，并且 该设置为分散式控制功能(DCF)留下了保证的290MS。该时间大得足
以在竟争周期期间传输一个最大长度数据帧连同其确认和相关联的帧 间元素，如正EE 802.11标准所需要的。它还意味着对于竟争流量而言 最小6.16Mbit/s的带宽(当使用最大尺寸数据帧时)总是可获得的。在 大的帧的大量流量下，所分配的无竟争周期从在无竟争周期的预期开始 期间正在传输帧时开始予以节略。由于该竟争交换除了最大尺寸数据帧 之外还能够包括RTS、 CTS和ACK控制帧及它们相关联的帧间元素，从无竟争周期开始，忙媒体可以消耗直至最大372 p s。
音频数据的最差情况传输计时场景如下。所期望的竟争周期开始发 生，但是最大长度竟争传输序列刚刚开始。这将致使372 ps无竟争周期 节略。仅在这种节略延迟之后，能够传送设置NAV条件的40jus信标 消息。在经过另外10psSIFS时间之后第一音频数据块传输开始。在所 期望的无竟争周期开始之后这总共是459MS。在较小的节略的情况下， 通过传送器软件把静填充周期(quiet filler period)插入以达到459 p s 计时单元(tick)。该装置保证了第一音频比特总是在3072ps无竟争 重复间隔的相同的相对计时单元上被发送。用于无竟争音频数据的可获 得的传递时间因此是3072 -458-290-40- 10 = 2274m s。在最差情况 场景中，第一音频緩冲器包含五十一个24 + 8位采样记录。随后的十一 个音频数据块均包含49个采样记录。当包括了 MAC和ERP-OFDM PHY 成帧域时，49、 50和51个采样记录的相应的帧传递时间分别变为156 ys、 160m s和160ju s。在最大的尺寸的12元组(tuple)中，存在51 + 11 x49音频记录。通过19MsPIFS周期在它们之间端到端传送十二个 块。因此从第一音频比特到最后一个的最差情况的总时间是160+11 x 156+ 11 x 19 = 2085 ilis。在WLAN上的有效时间压缩因此是2085/3072 =百分之68。该第十二音频块后再次是19psPIFS周期，并且跟随的是 180ms编程的空闲延迟，在该空闲延迟之后40|ns CF-End广播帧109 将无竟争周期终止，还重新设置初始通过开始信标帧而设置的NAV条 件。根据通过CFPMaxDuration设置的定时器这确切发生在与无竟争周 期结束相同的时间。可获得的最小时间2284ms之外的180ns的无竟争 周期的时间余量只表示百分之八的无竟争时间余量。在这点上，竟争周 期开始允许传输单个最大尺寸帧和ACK响应加上相关联的两个帧间 SIFS时间和两个时隙时间，如在IEEE 802.11标准中所身见定的。 发送器和基站的操作
根据图26，在阶段151或者153中，系统在n模拟输入145或者m AES (S/PDIF)数字输入144/143之间选择。如果选择了模拟输入，则所 緩冲的模拟立体声信号接着在阶段152通过192 kS/s双A/D转换器被转 换为2x24比特形式。如果选择了数字输入，则在阶段154中把进入的 数字流也重定格式为24比特192 kS/s格式。在阶段156中，检查音频 通道的数目，如果一些通道丢失了 157,则在步骤160计算丢失的通道并且在步骤161生成FEC并通过音频数据将其写入緩冲器。在步骤156 如果通道数目是八个，则通过步骤158和159具有FEC的数据被直接引 导到緩沖器中。
在本申请中组播意味着过程，在该过程中所有的接收器都接收相同
的数据包，从该数据包它们提取适合于它们自己的数据。换言之，所有 八个扬声器接收器接收所有音频通道的数据，但是仅提取被指派给它们 表示的通道的数据以进一步处理。
本发明适用于各种同步数据传输系统，但是如这里所描述的，它尤 其合适于多通道音频目的。
因此视频解决方案也合适于本发明的 一些实施例。 除了 WLAN传输媒体之外，本发明还适用于超宽带无线电传输技 术，或者HomePlug AV型传输技术，在技术中主功率电缆也被用于数 据传输。在后面的情况下，在文字上传输系统并非是无线缆的，但是由 于有源扬声器总是需要通过电缆的外部功率馈送，所以不需要另外的电 缆来进行数据传输。
权利要求
1. 用于在标准无线局域网传输系统中流式传送例如音频数据的多通道数字同步数据的同步传输方法，其中为基于竞争的流量和无竞争流量保留带宽，-由采样(9)形成的所述音频数据(10)被组织在音频帧(174)中并且在连续的信标间隔(137)内利用组播发送到接收器(6)，其特征在于-把所述信标间隔(137)的无竞争流量(138)调整成最优值以使得为无竞争同步音频流量保留足够的带宽，使系统延迟和缓冲需求最小化以及除了所述无竞争同步音频流量之外，为基于竞争的流量确保最大带宽。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在IEEE 802.11标准 中所述信标间隔(137)被设为3个时间单元(TU)。
3. 根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，改变所述音频 帧(174)中的采样(9， 10)的数目以便使传送器(3, 4)和接收器(6) 中的緩冲器大小最小化。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述音频帧(174)中 的采样(9, 10)的数目在125个连续信标间隔(137)的循环中变化。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据图23的表，采 样(9， 10 )的数目在所述音频帧(174 )中在125个连续信标间隔(137 ) 的循环中变化，在所述表中，每个行表示一个信标间隔(137)的内容。
6. 用于在标准无线局域网传输系统中流式传送例如音频数据的多 通道数字同步数据的同步传输方法，其中为基于竟争的流量和无竟争流 量保留带宽，-由采样(9)形成的所述音频数据(10)被组织在音频帧(174) 中并且在连续的信标间隔(137)内利用组播发送到接收器(6)， 其特征在于-把所述信标间隔(137)的无竟争流量(138)调整成最优值，以及调整所述信标间隔(137)的长度，使得在最小系统延迟下能够把音频数据(9)的所需要的量发送到所述接收器(6)。
7. 用于流式传送数字串行音频数据(9， IO)的无线传输系统，其中， 系统带宽被保留给竟争流量和无竟争流量，所述系统包括用于-把由采样(9)所形成的音频数据(10)组织在音频数据帧(174) 和控制帧(175)中，以及-在连续的信标间隔(137)内把所述帧(174, 175 )发送到接收 器(6)的装置，其特征在于，所述系统包括装置用于-把所述信标间隔(137)的无竟争流量(138)调整成最优值以使得o为无竟争同步音频流量保留足够带宽， o使系统延迟和緩冲需求最小化，以及。除了所述无竟争同步音频流量之外，为所述基于竟争的流量确保 最大带宽。
8. 根据权利要求7所迷的系统，其特征在于，所述系统包括用于在 IEEE 802.11标准中把所述信标间隔(137)设为3个时间单元(TU)的 装置。
9. 根据权利要求7或者8所述的系统，其特征在于，所述系统包括 用于改变所述音频帧(174)中的采样(9, 10)的数目以便使传送器(3， 4)和接收器(6)中的緩冲器大小最小化的装置。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于在 125个连续信标间隔(137)的循环中改变所迷音频帧(174)中的采样(9, 10)的数目的装置。
11. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于 根据图23的表在125连续信标间隔(137)的循环中改变所述音频帧U74)中的采样(9, IO)的数目的装置，其中在所述表中每个行表示 一个信标间隔(137)的内容。
12. 用于流式传送数字串行音频数据(9， IO)的无线传输系统，其 中，系统带宽被保留给竟争流量和无竟争流量，所述系统包括用于-把由采样(9)所形成的音频数据(10)组织在音频数据帧(174) 和控制帧(175)中，以及-在连续的信标间隔(137)内把所述帧(174, 175 )发送到接收器(6)的装置，其特征在于，所述系统包括装置用于-把所述信标间隔(137)的无竟争流量(138)调整成最优值，以及-调整所述信标间隔(137)的长度使得在最小系统延迟下能够把 音频数据(9, 174)的所需要的量发送到所述接收器(6).
13. 根据任一前述方法或者系统权利要求的在系统中的纠错方法，所 述系统针对实时解决方案(6, 7)流式传送数字串行音频数据，在所述 方法中，-所述音频数据被分成预定长度的数据块(10), 其特征在于-所述数据块(10)包括差错控制块(11),所述块(11)的内容 是相应音频数据(9)的最高有效位(173)的拷贝，-将所述差错控制块(11)的内容与所述音频数据(10， 173)的 相应内容的所接收到的内容进行比较，-如果检测到所述音频数据(10, 173 )和所述差错控制块(11 ) 之间的差，则用正确接收的在前(162)和在后(164)音频数据(10) 的平均来代替相应的音频数据。
14. 系统中的纠错方法，所述系统针对实时解决方案(6， 7)流式传 送数字串行音频数据，在所述方法中，-所迷音频数据被分成预定长度的数据块(10)， 其特征在于-所述数据块(10 )包括差错控制块(11),所述块(11)的内容 是相应音频数据(9)的最高有效位(173)的拷贝，-将所述差错控制块(11)的内容与所迷音频数据(10, 173)的 相应内容的所接收到的内容进行比较，-如果检测到所述音频数据(10， 173 )和所述差错控制块(11 ) 之间的差，则用正确接收的在前(162)和在后(164)音频数据(10) 的平均来代替相应的音频数据。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述块(10)长度 是32位。
16. 根据权利要求14或者15所迷的方法，其特征在于，通过把所迷数据与具有其它通道的信息进行比较来进一步增强所述差错控制。
17. 纠错系统，其针对实时解决方案(6, 7)流式传送数字串行音频 数据，其中，所述系统包括用于-把所述音频数据分成预定长度的数据块(10)的装置， 其特征在于，装置用于-把差错控制块(11 )包括到所述数据块(10)中，所述块(11 ) 的内容是相应音频数椐(9)的最高有效位(173)的拷贝，-将所述差错控制块(11)的内容与所述音频数据(10, 173)的 相应内容的所接收到的内容进行比较，-如果检测到了所述音频数据(10， 173 )和所述差错控制块(11) 之间的差，则用正确接收的在前(162)和在后(164)音频数据(10) 的平均代替相应的音频数据。
18. 根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述块(10)长度 是32位。
19. 根据权利要求17或者18所述的系统，其特征在于，所述差错控 制通过把所述数据与具有其它通道的信息进行比较来进一步增强。
20. 根据任一前述方法或者系统权利要求的在组播系统中的同步方 法，所述组播系统针对实时解决方案(6, 7)无线地流式传送数字串行 音频或者视频数据，在所述方法中-数据被组织在帧(17, 174, 175)中，所述帧包括控制帧(175) 和音频或者视频帧(174),和-在连续的信标间隔(137)内通过组播把所组织的音频或者视频 数据(9, 10)发送到多个接收器(6),其特征在于-在多个接收器(6)之间通过包括在每个信标间隔(137)中的中 断命令使所述音频或者视频数据同步。
21. 组播系统中的同步方法，所述组播系统针对实时解决方案(6， 7) 无线地流式传送数字串行音频或者视频数据，在所述方法中-数据被组织在帧(17， 174, 175 )中，所述帧包括控制帧(175) 和音频或者视频帧(174),和-在连续的信标间隔(137)内通过组播把所组织的音频或者视频 数据(9， 10)发送到多个接收器(6),其特征在于-在多个接收器(6)之间通过包括在每个信标间隔(137)中的由 准确定时的CF-End控制帧生成的帧结束中断使所述音频或者视频数据 同步。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述中断命令是帧 结束中断命令。
23. 使用组播方法的系统，其针对实时解决方案(6， 7)无线地流 式传送数字串行音频或者视频数据，所述系统包括-用于把所迷数据组织在信标间隔(137)中的装置，所述信标间 隔包括音频或者视频数据帧(174)和控制帧(175)，和-用于在连续信标间隔(137)内通过组播把组织帧(174， 175) 发送到多个接收器(6)的装置，其特征在于，所述系统包括-用于在所述多个接收器之间通过包括在每个信标间隔(137)中 的中断命令使所述音频或者视频数据(9, 10， 174)同步的装置。
24. 根据权利要求23所述的系统，其特征在于，准确发送的CF-End 控制帧的帧结束中断被用于频繁低抖动重新同步。
全文摘要
在本申请中描述了用于流式传送多通道数字同步数据的方法和系统。该方法被用于在标准为了局域网传输系统中流式传送例如音频数据之类的多通道数字同步数据，在所述传输系统中为基于竞争的流量和无竞争流量保留带宽，并且由采样(9)形成的音频数据(10)被组织在音频帧(174)中并且使用组播在连续的信标间隔(137)之内被发送到接收器(6)。根据本发明，把信标间隔(137)的无竞争流量(138)调整到最优值，并且调整信标间隔(137)的长度使得在最小系统延迟下能够把音频数据(9)的所需要的量发送给接收器(6)。
文档编号H04S3/00GK101485212SQ200780025357
公开日2009年7月15日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年5月2日
发明者S·尼基莱, T·林德曼 申请人:高级网络技术有限公司