于对音频信号进行音频放大和采样等处理，可以采用音频放 大器（如LM386等）和A/D芯片（如AL1101等），采用44. ΙΚΗζ或48KHz等采样频率，将音频信号 转换成数字信号，其组成如图12所示；
[0089] 2、广播接收模块
[0090] 广播接收模块先由本振提供本振信号，经过与输入的调幅或调频广播信号进行混 频处理，得到中频信号，再经过中放1和中放2信号进行二级放大，再做调频或调幅信号检 波，产生基带信号，并通过A/D采样后将基带数字信号送给音频处理和控制模块，其电路组 成如图13所示；
[0091] 3、音频阵列接收模块
[0092] 音频阵列接收模块主要通过多个麦克风对音频信号进行接收，采用高性能的数字 处理电路(如FPGA或DSP芯片)对信号进行增强处理。
[0093] (1)在远场工作模式，首先进行音频信号的D0A(波达方向）估计，可以选用基于圆 形或平面阵阵列的多重信号分类、估计信号参数的旋转不变技术、基于时延估计法等方法 实现音频信号的D0A估计;在完成音频信号D0A(波达方向）估计后，将进行自适应阵列处理， 其电路组成如图14所示；
[0094] (i)多重信号分类方法
[0095]多重信号分类方法的原理是在空域内进行谱峰搜索求出信源方向。首先通过求取 阵列信号的协方差矩阵R,并将其分解为噪声子空间和信号子空间，共两个子空间。即有
[0097]由于噪声特征矢量和信号矢量的正交关系，得到阵列空间谱
[0099]其中a(0)为方向矢量，通过求取空间谱的波峰来求得目标信号的D0A值。
[0100] (ii)估计信号参数的旋转不变技术
[0101 ]该方法要求阵列结构存在不变性，这种不变性可通过两种手段获得:一是阵列本 身存在两个或两个以上相同的子阵，二是通过变换可获得这些子阵。假设存在两个完全相 同的子阵，且两个子阵间距A是已知的。第一个子阵的接收数据为XKt)，第二个子阵的接 收数据是X 2(t)，可得
[0102] Xi(t)=A(9)S(t)+Ni(t)
[0103] X2(t)=A(0)?S(t)+N2(t)
[0104] 其中子阵1的阵列流型A1 = A(0)，子阵2的阵列流型Α2=Α(Θ)Φ，而且
[0106] 此处Φ的对角元素为Κ个信号在阵元之间的相位延迟。
[0107] 将Xi(t)和X2(t)进行合并，得到
[0109]求取X(t)的自相关矩阵
[0111]其中Rs = E{S(t)(S(t))H}。接着对Rxx进行特征值分解，得到
[0113] 其中Us表示大特征值对应特征矢量张成的信号子空间，UN表示小特征值张成的噪 声子空间。
[0114] 由于大特征矢量张成的信号子空间与阵列流型张成的信号子空间是一致的，即有
[0116]则存在一个唯一的非奇异矩阵T，使得
[0120]其中由子阵1的大特征矢量张成的子空间Usl，由子阵2的大特征矢量张成的子空间 Us2与阵列流型A张成的子空间相等，即有
[0121 ] span {Usi} = span{US2} = span{A(9)}
[0122] 可知信号子空间的关系如下：
[0123] uS2 = UsiT-1ΦΤ = υ3ιΨ
[0124] 其中Ψι?^ΦΤ，反映了两个子阵阵列接收数据的信号子空间的旋转不变性。
[0125] 当阵列流型Α是满秩矩阵，则
[0126] φ=ΤΨΤ-1
[0127] 则Ψ的特征值组成的对角阵等于Φ。通过求得旋转不变矩阵Ψ，可以得到信号的 入射角度。
[0128] (iii)基于时延估计法
[0129]基于时延估计方法较多，可以采用经典的广义互相关法。该方法通过求取不同信 号之间的互功率谱，在频域内给予接收信号一定的加权，来抑制噪声和反射的影响，再将加 权后信号反变换到时域，得到不同信号之间的互相关函数。其峰值位置即为信号之间的相 对时延。同时在获取各麦克风阵元的时延估计后，结合麦克风的位置即可估计出声源的位 置信息。
[0130] 在完成音频信号的D0A估计后，接着进行自适应加权处理，处理示意图15所示；
[0131] 自适应阵列根据最大信噪比、最小均方误差等法则，对接收到的音频信号进行加 权处理，在有用信号方向上形成主波束，在干扰方向上形成零陷，从而提高音频信号的增 益。
[0132] 其中输入音频信号为
[0133] Χ(η) = [χι(η)，X2(n)，…，ΧΝ(η) ]τ
[0134] 加权矩阵W为
[0135] ff= [wi ,W2, ·' ,wn]
[0136] 最后产生的音频阵列信号输出值为
[0137] Y(n)=ffTX(n)
[0138] (2)在近场工作模式，当声源位于阵列近场时，需要采用近场波束形成方法来避免 远场波束形成方法导致的噪声抑制性能的退化。可以使用近场波束形成方法和稳健近场波 束形成等方法进行处理，处理步骤如下：
[0139] (i)近场波束形成方法
[0140] 近场信号模型是基于球面波假设，将幅度衰减和时延引入模型中，其中阵列信号 的方向矢量为asp(r w)，延迟矢量为adt(rw)，阵列的导向矢量为
[0144] 近场波束形成器的原理框图如图16所示。
[0145] (ii)稳健近场波束形成方法
[0146] 假设N个麦克风组成阵列各阵元位置为(xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，…，（XN，yN，ZN)，近 场
[0147] 声源的位置为(^，^，^)，每个麦克风通道的抽头长度为1，第1!次快拍，由1个抽头 延时阵列信号可构成一NJ维信号矢量X(n)。
[0148] 可以通过近场约束最小方差自适应波束公式来计算
[0150] 其中Rxx是X(n)的自相关矩阵，W为波束形成器权系数矢量，W=[W1>1，…，wN>1， w1>2,…，wN,2,…，W1,jmj] T，C为约束矩阵，F为对应于目标信号的脉冲响应矢量，稳健近 场波束形成器原理框图如图17。
[0151] 近场线性约束最小方差自适应波束形成问题的约束矩阵可以表示为：
[0152] C = TCo
[0153] 其中Co为对应于远场条件下的约束矩阵，T为近场补偿矩阵。
[0154] 可以求得最优的加权矩阵为
[0156] 4、语音识别互译模块
[0157] 在语音识别互译模块中，采用高性能的CPU(如ARM 9等）芯片进行语音识别、机器 翻译和合成等处理，同时将不同语音的数据库存储在大容量的SRAM、SD卡或微型硬盘中，当 进行机器翻译时，可以调用不同的语言数据，最后进行语音合成处理，其电路组成如图18所 示；
[0158] 5、音频处理和控制模块
[0159]在音频处理和控制模块中，时钟模块给其它模块提供时钟信号，音频处理电路中 采用高性能的FPGA或DSP芯片进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理； 同时采用高性能CHJ芯片(如ARM 7等)接收外部接口模块送来的控制参数，从而控制其它各 模块，执行各种模式的操作，接口模块还将数字滤波的参数发送给CHJ芯片，CPU将这些参数 加载到音频处理电路的FPGA或DSP中，由音频滤波电路根据该值调整滤波器的频响、增益值 等，动态满足每个人的听力补偿需要。电路组成如图19所示；
[0160] 6、近距离射频收发模块
[0161] 在近距离射频收发模块中，主要采用蓝牙等技术传输音频和控制信息，采用蓝牙 收发模块等(如RF2968等)和RF带通滤波器，其电路组成如图20所示；
[0162] 7、远距离多模式射频收发模块
[0163] 在远距离射频收发模块中，可以采用Zigbee无线传输模块(如F8913等）和功放模 块、Wifi无线传输模块(如EMW3162等)和功放模块、蓝牙无线传输模块(如CSR8615等)和功 放模块、GSM无线传输模块(如Ml2-D等）、CDMA无线传输模块(如MC8618等）、WCDMA无线传输 模块(如EM820W等）、4G无线传输模块(如MC7710)等和射频选择模块，通过音频处理和控制 模块根据不同的通信需求，进行射频选择，其电路组成如图21所示；
[0164] 8、录放模块
[0165] 在录放模块中，可以采用音频处理电路(如STM32处理器等)进行ADPCM等语音压缩 和减噪等处理，并把数据存储到存储电路(如CF、SD等卡）中；当进行播放时，将存储的数据 送给音频处理电路解码。同时通过接口将外部的语音文件存储到存储电路中，电路组成如 图22所示；
[0166] 9、定位和导向模块
[0167] 在定位和导向模块中，采用GPS室外定位技术(如采用XM1613等无线定位模块），进 行基于时间传输的测量；同时针对室内定位，可以采用WIFI定位、蓝牙定位(如采用CC2640 等无线定位模块）、Zigbee定位、RFID定位(如采用XM1613等无