用于定位移动电话的方法及系统与流程
本文公开的方法及装置涉及设备定位领域，更具体地但是不限于，声波定位仪。
相关申请的交叉参考
本申请享有于2015年6月22日提交的62/182778号美国临时申请的优先权，并将该美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
背景技术：
人们总是移置或忘记移动电话，从而需要移动电话的拥有者定位设备。直观的操作是拨打遗失移动电话的号码，并且追寻铃声。该方法的问题在于：移动电话可能处于静音模式，或它的电池没电了。在这两种情况下，如其它的类似的情况一样，拨打遗失移动电话的号码可能行不通。因此，广泛认可的需求且将会非常有利的是，具有克服上述限制的扬声器。
技术实现要素：
根据一个示例性实施例，提出一种声波定位仪，其包括：麦克风传感器、能量系统和超低功耗声波收发器，该声波收发器电连接至该麦克风和该能量系统，且该声波收发器工作在14000hz-20000hz的频率范围。
根据另一个示例性实施例，超低功耗声波收发器包括声波调制解调器，该声波调制解调器具有与驻极体麦克风和mems麦克风中的至少一者电连接的输入端和与扬声器和静电扬声器中的至少一者电连接的输出端。
根据又一个示例性实施例，超低功耗声波收发器还电连接至下列中的至少一者：供给电压；常闭开关；和超低功耗声波唤醒接收器。
根据又一个示例性实施例，超低功耗声波收发器还包括超低功耗声波唤醒接收器，该声波唤醒接收器包括：超低功耗输入缓冲器/放大器，该输入缓冲器/放大器电连接至驻极体麦克风和mems麦克风中的至少一者；超低功耗低噪声放大器；超低功耗放大器；超低功耗有源带通滤波器；包络/能量检测器；第一延迟单元；比较器，其用于在瞬时包络能量和延迟能量之间进行比较；第二延迟单元，其连接至比较器的输出端；检测器电路，其用于检测第二延迟上的电压和电流中的至少一者的阈值；和存储单元，其用于存储检测状态且连接至阈值检测器。
此外，根据另一个示例性实施例，第一延迟和第二延迟中的至少一者包括无源低通滤波器。
此外，根据另一个示例性实施例，阈值检测器包括施密特触发器缓冲器和施密特触发器反相器中的至少一者。
此外，根据另一个示例性实施例，阈值检测器包括第一比较器和与比较器输入端的一个节点连接的第二阈值电压。
此外，根据另一个示例性实施例，阈值检测器包括bjt晶体管、mosfet晶体管和jfet晶体管中的至少一者。
此外，根据另一个示例性实施例，能量系统包括：能量系统电路；第一电池；第二超级电容器；和温度控制电路，其用于每当温度超出预定温度范围，就将电池与能量电路断开。
根据又一个示例性实施例，能量系统包括：能量系统电路；第一电池；第二超级电容器；第三能量收集单元；和温度控制电路，其用于每当温度超出预定温度范围，就将电池与能量电路断开。
根据又一个示例性实施例，能量系统包括：能量系统电路；第一电池；第二超级电容器；第三能量收集单元；和温度控制电路，其用于每当温度超出预定温度范围，就将电池与能量电路断开。
此外，根据另一个示例性实施例，能量系统包括：能量系统电路；第一电池；第二超级电容器；第三能量收集单元；第四外部能源；和温度控制电路，其用于每当温度超出预定温度范围，就将电池与能量电路断开。
此外，根据另一个示例性实施例，能量系统电路包括用于超级电容器的充电电路。
此外，根据另一个示例性实施例，充电器基于恒定电流，并且具有比较器，当所述超级电容器上的电压达到预定电压时，比较器对充电操作进行限制。
此外，根据另一个示例性实施例，能量电路包括：第一电池断开电路，其用于每当温度超出预定温度范围，就断开电池；第二充电单元，用于为超级电容器充电并且具有用于能量源的两个输入端，其中，第一输入端是电池，第二输入端是外部源；和第三充电单元，其用于从外部源为电池充电。
此外，根据另一个示例性实施例，能量电路包括：第一电池断开电路，其用于每当温度超过预定温度范围，就断开电池；和第二充电单元，器用于为超级电容器充电并且具有用于能量源的两个输入端，其中，第一输入端是电池，第二输入端是外部源。
此外，根据另一个示例性实施例，提出一种声波定位仪，其包括：麦克风；扬声器；超低功耗声波收发器；电池；超级电容器；和存储器，该存储器用于存储rf网络连接id。
此外，根据另一个示例性实施例，声波定位仪还包括：全球定位系统(gps)，该gps具有将gps设置为待机以实现低功耗的可拨号控制线。
除非另有定义，这里使用的所有技术和科学词汇具有相关领域的普通技术人员通常理解的意思。这里提供的材料、方法和示例仅是示意性的，而不是限制性的。除了到了过程本身必要或固有的程度，不要或不将特定的顺序施加于包括附图在内的本发明所述的方法和过程的步骤或阶段。在许多情况下，可以在不改变所述方法的目的或效果的情况下，改变过程步骤的顺序。
附图说明
这里，参照附图仅通过示例的方式说明各种实施例。现在详细地、具体地参照附图，强调的是，示出的特例仅通过示例的方式且仅为了示意实施例的讨论的目的，且被提出的目的是为了提供认为实施例的在原理和概念方面的最有用的和最容易理解的说明。对此，与基本理解主题所需的相比，没有试图更详细地示意实施例的结构细节，结合附图的说明使本领域技术人员显然明白实际上可以如何实施数种形式和结构。
在附图中：
图1a是超低功耗声波手机和/或移动电话或耳机定位仪的简化框图；
图1b是嵌入诸如智能手机等移动设备中的超低功耗定位仪的框图；
图1c是嵌入诸如蓝牙耳机等移动设备中的超低功耗定位仪的框图；
图1d是声波发射器的简化示意图；
图1e是声波发射器的电路的简化框图；
图1f是双向声波发射器的简化示意图；
图1g是图1f的声波发射器的电路的简化框图；
图2是编程过程的框图；
图3a是在诸如蓝牙助听设备等助听设备的情况下，对唯一地址进行编程的过程的简化流程图；
图3b是经由蓝牙来连接诸如蓝牙助听设备等助听设备的过程的简化流程图；
图3c是设置地址码或id的过程的简化流程图；
图4是诸如图1a的定位仪等的定位仪设备的能量系统的简化框图；
图5a是超低功耗协议的简化框图；
图5b是时频域的超低功耗协议的简化图；
图6是唤醒信号调制的简化示意图；
图7是超低功耗声波收发器的状态机的简化示意图；
图8a是根据一个示例性实施例的超低功耗信号检测电路的简化框图，图8a是待机检测器的示例。
图8b是超低功耗待机信号检测波形的简化图；
图8c是不具有缓冲器的驻极体电容式麦克风的简化图；
图8d是不具有缓冲器的mems麦克风的简化图；
图9是mosfet麦克风缓冲器电路的简化电路图；
图10是jfet麦克风缓冲器电路的简化电路图；
图11a是双向噪声阻挡滤波器(lpf)的简化电路图；
图11b是从op放大器的输出至rb的噪声阻挡滤波器(lpf)的简化电路图；
图12是使用具有lpf滤波器的mosfet来抵消op放大器噪声的低噪声放大器(lna)的简化电路图；
图13是使用具有lpf滤波器的jfet来抵消op放大器噪声的低噪声放大器(lna)的简化电路图；
图14a是有源滤波器的简化框图；
图14b是两级有源滤波器的简化框图；
图14c是2阶带通滤波器的简化框图；
图15是具有噪声阻挡滤波器且使用mosfet的单级、超低功耗有源滤波器的简化框图；
图16是具有噪声阻挡滤波器且使用jfet的单级、超低功耗有源滤波器的简化框图；
图17a是超低功耗电压缓冲器的简化符号；
图17b是图17a的低功耗电压缓冲器的配线实施方式的简化图；
图17c是用jfet实现的图17a的超低功耗电压缓冲器的可能实施方式的简化图；
图17d是用mosfet实现的图17a的超低功耗电压缓冲器的可能实施方式的简化图；
图18a是包络和/或能量检测器的简化图；
图18b是输入信号的简化示意图；
图18c是rd上的输出信号和lpf的输出的简化示意图；
图19a是声波定位仪的平面配置图的简化示意图；
图19b是声波定位仪模块的侧视图的简化示意图；
图19c是麦克风/扬声器声波换能器的简化示意图；且
图20是声波定位仪与无线网络和gps设备的组合的简化框图。
具体实施方式
本发明在实施例中包括用于移动电话或任何其它移动设备，或便携式设备或电池供电设备的声波定位仪的系统及方法。参照下面的附图以及附属说明，可以更好地理解根据这里提出的数个示例性实施例的设备及方法的原理和操作。
在详细地说明至少一个实施例前，应理解，实施例在其应用方面不限于下面的说明书陈述的或附图所示的部件的构造和布置的细节。可以以各种方式实践或实施其它实施例。此外，应理解，这里使用的词组和术语是用于说明的目的，并且不应被认为限制。
在本文件中，在附图的范围内没有说明的且标记有在前面的附图中已经说明的数字的附图元件具有与前面的附图一样的用途和说明。同样，由未出现在本文说明的附图中的数字在本文中标识的元件具有与前面的对该元件进行说明的附图一样的用途和说明。
本文件中的附图可以不是按照任何比例。不同的附图可以使用不同的比例，且即使在同一附图中，也能够使用不同的比例，例如，用于同一物体的不同视图的不同比例或用于相邻的两个物体的不同比例。
下面说明的实施例的目的是提出使用声波通信来定位移动电话，或任何其它移动设备，或便携式设备或电池供电设备的至少一种系统和/或方法。然而，这里所述的系统和/或方法可以在局域通信的类似技术中的具有其它实施例。
例如，声波模块可以使用14000hz-20000hz带宽的声波频带，从而使用声波来携带信息。选择14000hz-20000hz的频带，因为该频带中存在相对低的环境声波能量，该环境声波能量可以产生针对声波通信的噪声。因此，声波定位仪可以具有较高增益和/或较低功耗，且/或支持更稳健的数据通信。
声波定位仪基于超低功耗麦克风、稳健的超低功耗声波收发器和能量系统，能量系统可以基于纽扣电池且也可以具有超级电容器并且与手机/助听设备内部电池连接。
图1a是根据一个示例性实施例的超低功耗声波手机和/或移动电话或耳机定位仪的简化框图。
图1a的系统可以接收来自多达四个能量源的能量(其是电力)。
最常见的源可以是具有10毫安时(mah)至30毫安时(mah)的低容量的小电池。例如，如果20mm直径和3.2mm高度的cr2032电池具有约230mah，那么本发明的指定电池的体积能够是cr2032电池的体积的约1/23。此外，该指定电池能够具有6mm的直径和1.5mm的厚度。为此，我们能够使用可再充电的或常规的电池。
超级电容器，其可以从手机或从蓝牙耳机的内部电池或内部电池的充电器来充电。
能量收集模块，其可以基于任何技术，诸如：射频(rf)收集、温度变化收集、振动收集和/或声波收集。
能量电路可以连接至左边的温度传感器，或能够接收来自手机/蓝牙耳机的温度感测数据。需要温度传感器/信号数据来提供定位仪电池充电器的安全操作。在市场上的一些电池中，电池的安全操作是在0至40摄氏度内。在超过温度边界(高于最大水平或低于最小水平)的其它情况下，电池应该与能量电路断开。断开电池由能量电路在内部完成。在这种情况下，即使没有电池，超低功耗定位仪也会使用存储在超级电容器中的能量来工作，该超级电容器与可再充电电池相比，具有更高的温度范围。
图1b是根据一个示例性实施例的嵌入诸如智能手机等移动设备中的超低功耗定位仪的框图。
图1b示出了示出了智能手机框图的示例，其中，声波定位仪110嵌入在智能手机内部。我们能够看出，智能手机正在使用超低功耗麦克风111，该麦克风既用于语音通信又用于声波通信。超低功耗声波收发器116也连接至智能手机的扬声器112，该扬声器能够用来发射声波数据。超低功耗声波收发器116接收来自能量电路117的电力。能量电路117连接至智能手机的电池113。只要智能手机的电池113中存在足够的电力，超级电容器119就可以在需要时被充电，且超低声波收发器就可以接收来自智能手机的电池113的电力。一旦智能手机的电池耗尽，超低功耗声波收发器116就可以接收来自超级电容器119的能量。如果智能手机的电池113没电了且超级电容器119也没电了，那么超低功耗声波收发器116可以接收来自纽扣电池118的能量。
图1c是根据一个示例性实施例的嵌入诸如蓝牙耳机等移动设备中的超低功耗定位仪的框图。
图1c示出了蓝牙耳机框图的示例，其中，声波定位仪220嵌入在蓝牙耳机的硬件内部。定位仪能够嵌入在诸如助听器等任何类型的助听设备中。我们能够看出，蓝牙耳机正在使用超低功耗麦克风211和212。这些麦克风既用于语音通信又用于声波通信。超低功耗声波收发器连接至额外的扬声器215，该扬声器可以用来发射声波数据且也用来产生大的蜂鸣声调以将用户引导到遗失耳机的位置。超低功耗声波收发器也能够连接至蓝牙耳机的扬声器213。超低功耗声波收发器接收来自能量电路的电力。能量电路连接至蓝牙耳机的电池214。只要耳机的电池214中存在足够的电力，超级电容器就可以被充电，且超低声波收发器就可以接收来自蓝牙耳机的电池214的电力。一旦蓝牙耳机的电池耗尽，超低功耗声波收发器就可以接收来自超级电容器的能量。如果蓝牙耳机的电池214没电了且超级电容器没电了，那么超低功耗声波收发器就可以接收来自纽扣电池的能量。
一种用于定位智能手机或蓝牙耳机设备的方法
一旦声波消息被超低功耗声波收发器116解码，通常声波收发器就可以使用智能手机的扬声器112来产生大的蜂鸣，以便将用户引导至其遗失的智能手机，如图1b所述。如果智能手机的电池113不是没电了，那么超低功耗声波收发器116同样可以将消息发送至智能手机的应用处理器121，以让应用知道用户试图定位其手机。一旦应用处理器接收到该消息，该处理器就能够使相机led闪烁，此外，该处理器还打开智能手机的gps且试图检查gps是否能够定位手机的位置。该位置能够被发送至用户针对这种情况而已经指定的电子邮箱地址，或该位置能够作为sms消息被发送至其它手机号码。
图1a所述的智能手机的定位仪设备通常由手机的制造商嵌入在智能手机内部。图1a所述的蓝牙耳机定位仪通常也由耳机的制造商嵌入在耳机内部。图1a所述的各个定位仪具有唯一的id号码。当工作时，定位仪设备使用其麦克风检测声波通信信号。一旦检测到声波信号，定位仪就可以启用它的内部声波调制解调器，以分析信号数据。如果数据具有定位仪的唯一id号码，那么定位仪通常可以产生大的蜂鸣信号。大的蜂鸣声音可以引导用户找到其通常遗失在家中或办公室的手机。
唯一id号码通常可以由制造商预先编程而成。然而，它也能够由用户预先编程而成。该id号码通常能够由用户构建为：在具有额外的个人身份识别(pin)码号码的同时，还包括用户自己的电话号码。例如，如果用户想要重新编程内部定位仪的唯一id号码，并且用户具有例如这样的电话号码：054-4331231，那么用户应该选择秘密的pin号码(例如，1234)。所以在这种情况下，用户可以选择并在定位设备中编程的唯一id号码可以是：05443312311234，其中，0544331231是移动电话号码且1234是pin码。
如果用户也拥有蓝牙耳机，那么他能够将耳机编程为具有类似的id号码，该id号码具有不同的pin码。在本示例中，蓝牙耳机的唯一id码可以是05443312311235(唯一不同的是，末尾处为4个数字pin号码)。能够通过将应用下载至智能手机来进行将蓝牙耳机编程为具有唯一id号码，且一旦智能手机与蓝牙耳机配对，用户就能够使用应用来输入他的唯一id号码且对蓝牙耳机编程。
用户创建的唯一id号码也能够包括使定位仪中的声波调制解调器运行的处理器的唯一序列或码号码(我们能够称它为调制解调器地址)。通常，调制解调器地址是硬件屏蔽的，且不能改变。
为了定位移动电话或蓝牙耳机，用户将会需要使用另外的移动电话或平板或个人计算机(pc)或声波发射器来产生需要的声波信号，该声波信号含有设备的特定的唯一id。该过程的示例可以是使用配备有扬声器的pc或平板或手机。用户可以将应用下载至pc/平板/手机或可以使用网络服务器，该应用或该网络服务器可以要求他输入他试图定位的设备的唯一id号码。因此，应用可以首先试图将音量设定为最大，然后可以产生需要的声波信号，该声波信号可以使用扬声器来发射。
图1d是根据一个示例性实施例的声波发射器的简化示意图。图1d示出了声波发射器的示例，该声波发射器可以附接至钥匙链且可以小至3cm×4cm×0.5cm。
图1e是根据一个示例性实施例的声波发射器的电路的简化框图。
为了使用声波发射器定位遗失的智能手机(或遗失的蓝牙耳机)，如前所述，用户可能需要输入智能手机的唯一id号码。通常，用户可以根据他的电话号码以及额外的pin码号码选择唯一id号码。声波发射器能够具有额外的编程按钮，该编程按钮可以使用户能够存储唯一id号码。声波发射器也能够具有一些存储按钮，以存储分别用于不同定位仪产品的一些不同的唯一id号码。
按压序列号(snd)键可以使图1b的声波发射器的处理器执行它的声波调制解调器且产生声波调制解调器信号，该信号具有作为其有效负载数据的唯一id。
一旦图1a或图1b或图1c所述的定位仪设备检测到声波信号，该定位仪就可以执行定位仪的内部调制解调器且进行检查以查看该信号是否指的是定位仪的唯一id号码。如果匹配，那么定位仪通常可以产生大的蜂鸣声调，该蜂鸣声调可以引导用户去定位他的设备。
图1f是根据一个示例性实施例的双向声波发射器的简化示意图。
图1g是根据一个示例性实施例的图1f的声波发射器的电路的简化框图。
声波发射器也能够变成如从图1f和图1g看到的收发器设备，该设备也能够接收声波消息。在这种情况下，如图1g所述，声波发射器也可以具有麦克风，且通常也可以具有lcd显示器162和一些命令按钮，这些命令按钮能够产生针对图1a的定位仪设备的不同命令。这些命令能够包括发出大的蜂鸣声调或发出闪烁的led光或例如发射状态消息的命令。状态消息能够包括例如定位仪118的电池状态，且信息能够显示在lcd上。测量应答到达图1g的特定声波收发器所花费的时间且知道声音的速度，可以使特定声波收发器的处理器161能够计算到图1a的定位仪设备的距离。然后，计算出的距离能够显示在lcd162上，以便帮助将用户引导至遗失设备的位置。
图1f和图1g的收发器设备也能够获取各种产品的唯一定位仪id。该收发器设备能够具有额外的“scan”(扫描)按钮，和等待被接收的声波消息所用的算法。图1a的定位仪设备能够具有使用户能够广播定位仪设备的唯一id号码的额外按钮。在本示例中，用户可以先按压在特定收发器设备的“scan”按钮151上，然后可以再按压在定位仪设备的广播按钮上(该按钮例如能够是蓝牙耳机的按钮221，或在图1b的智能手机上运行的应用中的虚拟按钮)。一旦图1g的特定收发器设备检测到广播消息，该设备就能够显示检测的id且允许用户将该id存储在存储按钮151中的一者中。广播按钮能够是定位仪设备的物理按钮，如具有图1c的内部定位仪设备的蓝牙耳机的小按钮222一样。广播功能也能够被编程在图1c的智能手机的应用中，该智能手机具有嵌入在内部的图1a的定位仪设备。通过长按声波定位仪上的专用按钮222，声波定位仪220能够通知(或广播)它的唯一调制解调器id地址。id可以由声波调制解调器发射。然后，图1g的声波收发器能够检测唯一id且将它存储在存储表中。如前所述，唯一id能够包括定位仪的调制解调器地址，且该号码也能够由定位仪广播。然后，图1g的声波收发器也可以将唯一调制解调器地址存储在存储表中。本方法可以使图1g的声波收发器能够既存储用户定义的id又存储调制解调器地址。
为了定位智能手机或蓝牙耳机，用户能够使用已经安装了定位仪应用的其它智能手机或平板或pc。定位仪应用将会允许用户输入遗失设备的唯一id号码。然后，通过按压应用上的发送键，产生14000hz-20000hz范围内的声波信号，该声波信号对遗失设备的定位仪的唯一id号码进行编码。例如，号码是05443312311234。一旦播放，声波信号就可以传播且将会由超低功耗声波定位仪110接收，这又可以打开扬声器112，该扬声器112可以响起某种类型的蜂鸣，该蜂鸣可以引导我们来定位我们遗失的智能手机。
手机/蓝牙耳机助听设备的唯一地址可以是ascii字符的任何字符串。
对于经由图1d的声波发射器(其小到可以与钥匙链一起保存或可以小到可以放置在房间/办公室周围的已知地方)进行定位手机的操作来说，该声波发射器将会具有用于输入手机/助听设备的唯一地址的键盘。通过按压发送键，声波发射器可以产生将使用扬声器进行发射且由唯一键调制的声波。
图2是根据一个示例性实施例的编程过程的框图。
图2示出了对智能手机的唯一地址/码进行编程的过程，而图3示出了经由蓝牙和使用智能手机/平板应用对蓝牙耳机助听设备的唯一地址/码进行编程的过程。例如，当声波定位仪嵌入在智能手机硬件中时，可以使用智能手机中的唯一码编程。
当声波定位仪是图1b所述的智能手机硬件的一部分时，则经由操作系统的“setup”(设置)菜单来完成访问唯一地址/码编程菜单。通常，用户可以选择进入“声波智能手机定位仪”，且据此，用户可以得到数个菜单按键。这些按键使得能够获得声波定位仪的电池状态，且使得能够设定唯一id码。按压在“setid”(设置id)上，能够输入唯一地址/码id，且如前所建议，它通常可以被构建为<手机号码>+<pin码>。用户能够容易记住该号码。pin码可以是ascii字符串，例如，如果手机号码是054-4331231，那么唯一地址可以是0544331231joecellphone或仅是0544331231joe。
声波定位仪可以是图1c的蓝牙耳机助听设备硬件的一部分。耳机通常非常小且不包括lcd屏幕。所以，对耳机的唯一id码进行编程的最容易方式可以是使用可以与蓝牙耳机配对的智能手机。另一个方式可以是使用声波通信设置和控制定位仪设备。为了使用声波通信对助听设备进行编程，助听设备应该具有如图1c所述的麦克风211和扬声器213。这能够建立双向通信，以用于接收声波消息且用于将消息发送回连接至耳机的智能手机/手机/平板/计算机或任何设备。
在这种情况下，可以经由应用来完成编程。
图3a是根据一个示例性实施例的在诸如蓝牙助听设备等助听设备的情况下，对唯一地址进行编程的过程的简化流程图。
图3b是根据一个示例性实施例的经由蓝牙来连接诸如蓝牙助听设备等助听设备的过程的简化流程图。
图3c是根据一个示例性实施例的设置地址码或id的过程的简化流程图。
图3a至图3c的流程图示出了经由应用和蓝牙连接对蓝牙耳机助听设备的唯一地址进行编程的过程。
在声波定位仪是诸如蓝牙助听设备等的助听设备hw的一部分的情况下，可以经由应用和蓝牙连接来完成唯一地址的编程。
图3a至图3c说明了优选的过程。图3a示出了如何安装“声波定位仪”应用。图3b示出了助听设备与智能手机或平板经由蓝牙的连接。通常通过以下处理来完成配对：搜索最近的蓝牙网络，并且按压位于助听设备上的按键，使助听设备发送助听设备的信标。图3c示出了经由“声波定位仪”应用进行的唯一地址的编程。
声波定位仪的尺寸很可能类似于微机电系统(mems)麦克风，其是3mm×4mm×1.5mm。这样微小的电路可以附接至许多其它设备，诸如“眼镜”、智能手机保护壳、钥匙链和许多其它设备等。与使用ble定位仪相比，使用“声波定位仪”的一个益处是与ble方案相比，工作时间增加。声波定位仪设备通常可以使用10mah至30mah的小电池，该小电池在体积上是ble定位仪常规使用的cr2032的1/23(使用cr2032电池，ble定位仪通常将会工作约4至8个月)。
在声波定位仪系统模块用作未嵌入在智能设备硬件内部的通常定位仪部件的情况下，则可以使用声波连接来处理对它的编程。通常能够以与进行蓝牙设备配对类似的方式来完成到这种定位仪模块的连接。长按位于定位仪壳体上的按钮(图1c的按钮222)，可以使声波定位仪经由已知的频带重复地发送它的调制解调器地址(或完整的唯一id)数秒。此时，如图3a和3b所述的平板或智能手机上的应用可以具有按钮“connect”(连接)或“scan”(扫描)。然后，通过按压连接按钮，智能手机/平板可以获得声波定位仪调制解调器地址。知道调制解调器地址或唯一id码，可以在后来使应用能够对声波定位仪进行通信和编程。通过以与图3c所述的相同的方式来完成声波定位仪的唯一id的编程。
能量系统说明
图4是根据一个示例性实施例的诸如图1a的定位仪等定位仪设备的能量系统的简化框图。
如前所述，能量可以来自下面的选项。
选项1：仅电池
在这种情况下，为了安全操作，可能需要温度传感器，该温度传感器可以连接至具有安全温度范围窗口的比较器。然而，优选地，除了电池以外，还具有超级电容器，所以每当温度超出范围(即，温度感测电压>最大参考电压，或温度感测电压<最小参考电压)，与非(nand)门就可以输出高电平(high)，且sw1可以断开电池。因为在极端的温度范围内使用超级电容器更安全，所以在上述情况下优选地使超级电容器产生供给电压而且仍允许声波定位仪工作。
选项2：电池和超级电容器
在这种情况下，供给电压来自使用肖特基二极管d3和d4的电压的总和。超级电容器在常规温度范围内经由sw1、限流器2和sw3从电池充电。需要经由sw1充电，这是因为我们不能在极端的或超出范围的温度时使用电池。d1是来自本地声波定位仪电池和手机/助听设备电池的电压总和。经由d1和d2来完成电压求和。每当达到超级电容器的极限电压，就需要限流器使用恒定电流为超级电容器充电。这由“checkvoltage”(检查电压)来完成，该检查电压处理可能使用电压比较器来实现，该电压比较器通常输出低电平(low)且该电压比较器使sw3接通，将充电电流传送到超级电容器中。需要通常为luf-100uf的电容器c1，以用于减小当电池的sw1断开期间的电压尖峰。
选项3：电池、超级电容器和主机电池
本选项给予声波定位仪3个能量源。添加的源是智能手机/蓝牙耳机助听设备/设备电池的主机电池。当存在可选的sw4(其检查智能手机的电池113(或耳机电池214)的存在)时，sw4可以断开所有其它源，即超级电容器和本地小纽扣电池。电池可以仍然经由限流器1和sw2来充电。如果温度在安全范围内，并且利用通过d1和d2的总和经由智能手机的电池继续超级电容器的充电，那么经由限流器2来完成超级电容器的充电。对于恒定电流充电，每当超级电容器c上的电压达到需要的电压时，sw3就断开。这使用检查电压盒来检查。
对于上面的所有选项，还可以添加收集能量源。所有电压经由d3、d4、d5和d6汇总至被称为vcc的阳极。
可以从智能手机/平板/耳机设备的温度传感器取得温度范围检查。这样，我们能够具有两种类型的信号。第一种是这样的数字信号：其通过输出“low”电压值来表示温度范围良好(ok)。尽管已经使用用于sw1的p沟道mosfet来设计电路，但是也可以使用n沟道mosfet来设计电路，在这种情况下，ok温度范围可以由high电压来表示。第二种选项可以是使用模拟值来表示温度。在这种情况下，我们仍然需要温度窗口比较器，该比较器使用用于最小值的op1、用于检查最大值的op2和与非(nand)门而构成。如果温度水平在最小参考水平(refmin)和最大参考水平(refmax)内，那么op1可以产生“1”-high，op2可以产生“1”-high，且nand的输出可以是“0”或low。这可以使sw1接通，以便实现用于常规操作的电池至电路的连接或实现用于超级电容器的充电的电池至电路的连接。
如果从智能手机自身的传感器取得温度表示，那么sw1mosfet的栅极可以连接至图4的温度感测选择部的节点a。如果从位于电池附近的温度传感器取得温度感测，那么swmosfet的栅极可以连接至温度感测选择部的节点b。
在所有选项中，电池可以是可再充电的。在这种情况下，本地电池118的充电电路经由限流器1和sw2从智能手机的电池113(或耳机的电池214)获取电力。在电池是不可再充电的情况下，不存在电池的充电电路，且仅存在超级电容器的充电电路。
超低功耗声波收发器协议
为了实现声波收发器的超低功耗，我们也需要考虑硬件和软件变化。对于硬件方面，设计了极低功耗的麦克风以及标记/信标/前导码检测电路。关于超低功耗声波收发器的启动，如下地设计了新超低功耗协议。
图5a是根据一个示例性实施例的超低功耗协议的简化框图。
图5b是根据一个示例性实施例的时频域的超低功耗协议的简化图。
图5a和5b说明了工作在14000hz-20000hz范围的超低功耗声波协议。工作在该范围的原因首先是，该范围内发射的声波信号通常不被人听到，且该区域内的声波噪声量相对低。此外，该频率范围被大部分pc、平板、智能手机支持，且因此，可以使用扬声器来产生和发射图5a所述的声波信号。通过安装指定的程序或应用或通过使用指定的网站，可以容易地实现pc、智能手机或平板的声波发射。
超低功耗协议分成两个基本部分。第一个基本部分是信标/前导码/标记/声调信号，第二个基本部分是有效负载信号。第一个基本部分是使用超低功耗麦克风和能量检测器可以容易地检测到的信号。图5b所示的被称为唤醒信号的标记信号通常由多个声调(至少一个声调)组成。多个声调的原因是，使用基于声调之间频率差的调制。由于声波通道的高多普勒(doppler)效应，通过x＝f1-f0和y＝f2-f0来编码消息。
图6示出了唤醒信号的稳健性(robustness)。
图6是根据一个示例性实施例的唤醒信号调制的简化示意图。
第二波形图和第三波形图示出了在接收器输入处接收的经过多普勒效应的唤醒信号。在第二波形图上和在第三波形图上，带有多普勒的接收信号以载波偏移扩展。我们能够看出，在两种情况下，基于窗口的滤波器可以产生最大的值和获得量(pick)，从中我们能够容易地提取x＝f1-f0和y＝f2-f0。
图7是根据一个示例性实施例的超低功耗声波收发器的状态机的简化示意图。
首先，接收器处于待机状态。此时，仅超低功耗麦克风工作，并且存在几纳安培启动，超低功耗有源滤波器和超低功耗包络和能量检测电路是启动的。
这是状态机的第一状态，此时，超低功耗声波收发器处于“待机”模式。当一种声调或多种声调出现在图5所示的某一频带中时，它们被标记为“唤醒”，并且被检测，然后，状态机进入“检查前导码”。注意，调制参数由频域内的保护带分离开。用保护带进行分离是为了避免从声调f0、f1和f2到调制参数部的多普勒泄漏。通过使用如图5所示的多个声调之间的差进行的一些消息发送，指定可以启用超低功耗声波接收器的前导码。在图5中，我们看到这样的情况：当唤醒接收器以检查前导码消息时，使用3种声调。此外，也能够在指定的hw中实施该部分。在任何情况下，仅当指定的声波带存在能量检测时，才发生该唤醒场景。在第二状态下，可以唤醒处理器，以快速检查声调组合的有效性。如果声调组合有效，那么唤醒声波收发器。然后，声波收发器通常首先解调“调制参数”，然后解调“声波有效负载调制”。
声波有效负载调制能够保持命令，而制定的唯一id(地址)通常由用户电话号码和pin/字符串码组成。声波定位仪此时可以接收唯一id，且可以将它与本地编程的唯一id进行比较。如果它们相同，那么处理器可以使用本地的扬声器产生蜂鸣。另一种选项也可以使用基于强度的查找算法，可以通过迫使声波定位仪发送一些可以由平板/或其它智能手机获取的声调来使用该查找算法。然后，应用可以计算距离，并且帮助用户或引导他到达遗失的智能手机/平板/耳机助听设备/或任何其它遗失的设备被定位的地方。
超低功耗声波接收器电路
图8a是根据一个示例性实施例的超低功耗信号检测电路的简化框图。图8a是待机检测器的示例。
图8b是根据一个示例性实施例的超低功耗待机信号检测波形的简化图。
图8c是根据一个示例性实施例的不具有缓冲器的驻极体电容式麦克风的简化图。
图8d是根据一个示例性实施例的不具有缓冲器的mems麦克风的简化图。
有效的一种声调和/或多种声调的检测
图7.1的电路在其输入处可以具有麦克风信号。麦克风可以基于如图8d所示的作为电容器的微机电系统(mems)麦克风，或如图8c所示的驻极体电容式麦克风。该mems作为输入信号。mems麦克风或驻极体电容式麦克风都基于电容变化。此外，两者都需要连接至缓冲器。在公开的申请中，说明了用于麦克风的超低功耗缓冲器/放大器。图8a的第二元件是低噪声放大器(lna)，需要该低噪声放大器来增强信号，以便能够与高输入噪声和超低功耗有源滤波器一起工作。图8b示出了有源滤波器的输出的第一波形，其示出了已经接收到有效的一种声调/多种声调时的信号电平的阶跃。然后，图8a的有源滤波器的输出进入能量检测器/包络检测器，以便检测阶跃。将当前的能量水平/包络与延迟(即，图8a的延迟1)相比，图8b的第四波形示出了检测脉冲，该检测脉冲是图8a的比较器的输出。该检测脉冲进一步通过图8a的第二延迟，这确保检测脉冲不是错误的报警尖峰。之后，它到达施密特(schmitt)触发器缓冲器，其中，该缓冲器的输出示意在图8b的第六波形上。来自施密特触发器的检测脉冲用来将sr触发器的q输出设置为“1”，从而使图8a的vcc供给开关接通。
当接通vcc供给电压到声波收发器时，启用第二电路以检查一种声调/多种声调组合的有效性。这示意在图7的第二状态中。第二电路可以通过专用的低功耗hw或通过具有专用的sw算法的处理器来实施。
有效的一种声调/多种声调检测hw构建模块以及麦克风超低功耗缓冲器
图9是根据一个示例性实施例的mosfet麦克风缓冲器电路的简化电路图。
图10是根据一个示例性实施例的jfet麦克风缓冲器电路的简化电路图。
图9和/或图10的麦克风缓冲器电路可以连接至诸如参照图8c所示和所述的驻极体麦克风等，或连接至诸如参照图8d所示和所述的mems麦克风等。麦克风可以连接至插脚a和b。图9的电路使用mosfet，且图10的电路使用jfet。
图10：基于jfet的麦克风缓冲器，其通过插脚a和b连接至图8c或图8d的麦克风。
图9和10的麦克风缓冲器适用于驻极体电容式麦克风(ecm)且适合于mesm麦克风。图9和10的缓冲器都工作在饱和区域。该区域确保放大。两者的缓冲器都在vcc极低的情况下工作，该vcc在两幅图中都由vcclow规定。vcclow能够是诸如20mv等。选定使各晶体管的饱和漏极电流(idss)为高的晶体管，因此可以显著减小id。
基本上，信噪比(snr)由方程式1给出。
方程式1
vin是节点a和b处的输入电压。图10的jfet或图9的mosfet各自的idss为高(例如，100ma)。与jfetecm缓冲器的通常idss(诸如jfet型tf202，其idss为300ua＝0.3ma)相比，为了以相同的snr工作，我们能够将300ua的id(常规id)降低300倍。这意味着id＝1ua。现在容易表明：vcclow可以低至20mv，以便确保图9的mosfet和图10的jfet工作在饱和情况下。因此，图9和10所示的缓冲器的功耗为约20纳瓦特(nwatts)。因为我们使用高效的直流-直流(dc2dc)电荷泵，所以麦克风缓冲器消耗的功率(power)为约20纳瓦特。对于dc2dc电荷泵，我们使用32khz的振荡器，该振荡器可以消耗约50至100纳瓦特。所以总共，麦克风缓冲器可以消耗约90纳瓦特。
图9和10的缓冲器可以根据预定的vref来使用op放大器设定id，使得id＝vref/rs。那么，op放大器可以改变自身的输出，并且可以供给用于控制id的vgs。可以通过使用极低的功率来实现op放大器，这是因为它将会需要在dc附近的低增益带宽情况下工作。因此，该op放大器经受高输入和输出噪声。使用双向噪声阻挡滤波器来消除这些噪声源。该滤波器在一种意义上将电流传送至op放大器的第一输入的电压转换部，另一方面可以阻挡“-”插脚上的输入噪声进入图10的jfet或图9的mosfet这些有源元件。
使用噪声阻挡滤波器阻挡来自输出的噪声。这两个滤波器都可以是无源低通滤波器。
图11a是根据一个示例性实施例的双向噪声阻挡滤波器(lpf)的简化电路图。
图11b是根据一个示例性实施例的从op放大器的输出到rb的噪声阻挡滤波器(lpf)的简化电路图。
图12是根据一个示例性实施例的使用具有lpf滤波器的mosfet来抵消op放大器噪声的低噪声放大器(lna)的简化电路图。
图13是根据一个示例性实施例的使用具有lpf滤波器的jfet来抵消op放大器噪声的低噪声放大器(lna)的简化电路图。
两者的电路都基于具有处于饱和模式下的jfet或mosfet，在饱和模式下，我们进行放大。我们选择宽jfet/mosfet，以用于获得更高的idss，从而可以显著减小id。这使用用作控制反馈放大器的op放大器来完成。该放大器将电流id设定为预定的电流，使得相对于来自fet源极插脚的电压的电流id＝vref/rs流动至op放大器，进而进入op放大器的“-”插脚。vref连接至op放大器的“+”插脚。每当+大于-时，op就可以在正方向上增大它的电压(从而减小负vgs)。这可以增大id。
snr如方程式1所述。
如方程式1所示，利用宽fet可以实现低id的lna。此外，为了处于饱和模式，清楚的是，vds>vgs-vx，其中，vx是vt(对于mosfet)或vp(对于jfet)。
方程式2和3分别说明了mosfet和jfet的电流id。
方程式2
方程式3
清楚地，
方程式4
近似地，我们能够假设：
方程式5
且因此，
方程式6
另一方面，增益(gain)是
方程式7
为了获得某一增益，我们必须具有：方程式8
或
方程式9
从方程式9看出，为了更大的增益和rs＝～rd，我们具有：
方程式9)
针对rd，代入回方程式7，我们获得：
方程式10)
例如，假设：fet在约17nv/sqrt(hz)的噪声下工作。这涉及idss＝0.5ma且id＝idss的fet。现在假设：我们采用idss＝100ma的fet。这将意味着：为了在相同的噪声下工作，我们能够得到id＝在先的id/200＝2.5ua。
所以，我们获得：
方程式11
如果我们采用idss＝200ma且id＝1.25ua的更大的fet，且
方程式12
那么，我们获得对于lna的功耗为62.5nwatt。
双向噪声阻挡滤波器和第二噪声阻挡滤波器如前所述地用来阻挡来自op放大器的噪声，该op放大器在低增益带宽下工作(因为它仅用于直流工作点)。在这种情况下，op放大器可以消耗极低的功率，低至10nwatt，但是在其输入和输出处也可以具有高噪声。因此，使用lpf噪声阻挡滤波器。图11说明了双向噪声阻挡滤波器和第二噪声阻挡滤波器的实现。
图14a是根据一个示例性实施例的有源滤波器的简化框图。
图14b是根据一个示例性实施例的两级有源滤波器的简化框图。
图14c是根据一个示例性实施例的2阶带通滤波器的简化框图。
图14a的有源滤波器基于op放大器，和被指定为rc网络的电阻器电容器网络。为了实现高阶实施方式，串联连接图14a的两级或以上滤波器，且rc值被设计为实现诸如巴特沃斯(butterworth)、切比雪夫(chebbycheff)、椭圆等滤波器的期望响应。
图14c说明了2阶带通滤波器的一个级。
图15是根据一个示例性实施例的具有噪声阻挡滤波器且使用mosfet的单级、超低功耗有源滤波器的简化框图。
图16是根据一个示例性实施例的具有噪声阻挡滤波器且使用jfet的单级、超低功耗有源滤波器的简化框图。
图15和16的b1和b2是缓冲器，其可以使用配线或源极跟随器缓冲器来实施。
图17a是根据一个示例性实施例的超低功耗电压缓冲器的简化符号。
图17b是根据一个示例性实施例的图17a的超低功耗电压缓冲器的配线实施方式的简化图。
图17c是根据一个示例性实施例的用jfet实现的图17a的超低功耗电压缓冲器的可能实施方式的简化图。
图17d是根据一个示例性实施例的用mosfet实现的图17a的超低功耗电压缓冲器的可能实施方式的简化图。
图17a至17d说明了b1和b2超低功耗实施方式。用噪声阻挡滤波器来实现电压缓冲器。
图18a是根据一个示例性实施例的包络和/或能量检测器的简化图。
图18b是根据一个示例性实施例的输入信号的简化示意图。
图18c是根据一个示例性实施例的rd上的输出信号和lpf的输出的简化示意图。
图18a说明了包络/能量检测器。该电路基于jfet，但是也可以使用mosfet来实施。通常，当不存在输入信号时，图18a的电路被常规地断开。然而，在饱和区域中，该电路也可以处于极低的导通状态。
方程式13
方程式13说明了vgs和晶体管电流之间的关系。
因为vgs＝vp+x+vin，其中，x非常小，所以对于
方程式14)
id＝＝idss(x+vib)2，且因此，rd和rsense上的电压将会是：
方程式15
vresistors＝(rd+rsenses)idss(x+vib)2
该电压被设计为使得：
vgs-vp＝x+vin<vds＝vcc_low-(rd+rsenses)idss(x+vib)2
图18a的电路能够使用低通滤波器(其由仅具有电阻器和电容器的无源滤波器组成)产生vin正部分的平均值。
图18b示出了输入信号的示例。图18c示出了两个波形。第一个是信号的正部分，且第二个是平均值(其表示能量检测)。
图18a的电路的工作基于反馈环(通常以极低的增益带宽工作且因此消耗极低功率)。该环通过感测电阻器rsense且通过rf充电或放电电容器c来测量电流id，以便当环稳定时，可以存在vp+x的电压，且因此id的电流将会被设定为id＝＝idss(x)2。
电路也以诸如几mv(20mv-50mv)等非常低电力供给以及诸如0.1ua-1ua等低电流工作。这也是具有控制反馈环的包络检测器能够消耗约70nwatt(假设控制反馈环消耗约20nwatt)的原因。
低电压供给通常使用降压dc2dc电荷泵来产生。该电荷泵通常在低频率情况下工作，诸如32khz-100khz等，且该电荷泵能够达到95％-98％的效率。
在信号低(诸如在nv范围内等)的数种情况下，双向阻挡滤波器、噪声阻挡滤波器和cs需要使用相对高的电容器。这是因为希望总噪声小。例如，如果我们工作在500hz的bw上，那么sqrt(bw)(bw的平方根)＝25。对于15nv/sqrt*hz的噪声，我们将会得到0.375uv的总噪声。这意味着：电容器应该在10纳法拉的范围内。这些电容器将位于芯片的外部。
因此，芯片外部的电容器将会是麦克风缓冲器lna和放大器的电容器。在获得100的放大率后，我们可以在37.6uv的噪声基底情况下工作。这可以允许我们使用皮法拉范围的电容器，以使之实施在芯片内部。
模块封装和实施方式
图19a是根据一个示例性实施例的声波定位仪的平面配置图的简化示意图。
图19b是根据一个示例性实施例的声波定位仪模块的侧视图的简化示意图。
图19c是根据一个示例性实施例麦克风/扬声器声波换能器的简化示意图。
声波定位仪模块通常具有4mm×4mm×1.5mm的尺寸。该尺寸应当包括硅片、外部电容器、电池、静电扬声器和基于相同静电扬声器电容器的mems麦克风。
图19c示出了如何将发射/接收声波换能器连接至源，以用于启动扬声器，以及如何获得当声波换能器被启动为麦克风时的信号。这些信号出现在节点a和b上，并且连接至图8、9和10的超低功耗麦克风缓冲器。
声波定位仪与无线手机网络和全球定位系统的连接
图20是根据一个示例性实施例的声波定位仪与无线网络和gps设备的组合的简化框图。
图20说明了完整的定位系统，该系统与声波定位仪系统组合，可以在远至50m-100m距离的附近区域中使用该声波定位仪系统。图20说明了声波定位仪与可能的wifi网络、蜂窝3g、4g(或可能的下一代)的组合，并且声波定位仪也具有全球定位系统(gps)。
此外，该位置系统也包括第二定位系统，第二定位系统由wifi系统、蜂窝无线系统、gps和唤醒机构构建而成。第二定位系统每经过twakeup(其可以是30秒至多达几天)时间，就基本上会唤醒很短时间。通常，在唤醒中，第二定位系统可以发送要求加入网络的信标。该信标在几毫秒时间段的发送中可能使用约3瓦特，然后可以发生连接协议。我们假设总共为约50毫秒，3瓦特。所以在2天中，给出这样的twakeup：
3×50e-3/(3600*24*2)＝0.88uwatt或约0.29ua电流消耗。
每次第二定位系统唤醒，它就连接至网络且获得针对特定用户的参数。假设用户遗失了其手机，那么用户可以对他的账号进行编程，从而每当第二定位系统唤醒时，就会接收sms消息，并且对gps的速率和无线蜂窝网络唤醒时间段twakeup进行重新编程。这使用户能够每经过30秒、1分钟、3分钟、5分钟、10分钟等就可获得位置更新。
如果用户想要对系统进行初次编程，那么他需要具有：
针对该系统的用户账号设置，其中，(云上)存储有用户的gps数据和设置；
如前所述的由他选择的唯一id；并且
对基于wifi的第二定位系统进行预先编程。用户可能必须限定所用的wifi网络，密码等。
可以经由安全的声波网络或经由因特网来完成编程过程。通常，系统可以具有初始密码，以便访问它的编程设置。该密码应该通常在rom中被屏蔽，并且即使当将新的操作系统重新安装在智能手机中时，该密码也不能够被改变。这可以防止手机被盗和被重新编程的情况。
可以理解的是，为了清楚起见而在单独的实施例的上下文中所述的一些特征也可以组合地设置在单个实施例中。相反，为了简洁起见而在单个实施例的上下文中所述的各种特征也可以单独地设置或以任何适合的次组合设置。
尽管在上文已经结合本文的具体实施例提供了说明，但是很明显，许多替代、修改和变化对本领域的技术人员显而易见。因此，意要包括落在随附权利要求的实质和宽范围内的所有替代、修改和变化。本说明书提到的所有出版物、专利和专利申请的全部内容以引用的方式并入本文，并达到每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为通过引用并入本文的程度。此外，本申请的任何参考的引用或标识不应被理解为承认该参考可用作现有技术。
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