专利名称：用于通过非线性介质来传送声音的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于传送声音的设备和方法，并且更具体地，涉及一种用于通过 非线性介质来传送声音的设备和方法。本发明源自于作为MIC/IITA的IT R&D计划的一部分而执行的研究。 [2006-S-072-02, Human Body Communication Controller SoC (人体通信控制器 SoC)]
背景技术：
过去，传送声音信号的大多数一般方法是使用人的嘴或诸如扬声器之类的声音发 生装置而直接通过大气来传送所述信号。所述方法可容易地传送质量良好的声音信号。然而，所述方法对噪声敏感，并且信 号被传送到其它方以及对应的接收机。为了解决这些问题，已经开发了用于使用超声信号阵列而将信号仅仅传递到期望 的地点的技术。然而，基于这项技术的传送装置具有大的尺寸，并且不适合于移动环境。此外，存在一种使用射频(RF)、红外线或其它手段来无线地传送信号、并使用信号 接收装置、耳机等来重放声音的方法，但是所述接收装置必须配备在人体的听觉器官附近。此外，存在用于在没有接收装置的情况下使用人体作为通信信道来传递信号的技 术。然而，用于基于这项技术而通过人体来传送声音的系统需要两个发射机，并传送基本上 使用相同的载频但是被不同地调制的两个信号，从而具有复杂的构成和大的功耗。而且，两个发射机之间的频率和相位的差异以及两个传送信号之间的路径差异导 致了问题。
发明内容
技术问题本发明旨在提供一种用于在没有接收装置的情况下、仅使用一个发射机和一个信 号源而通过非线性介质(诸如，人体)来传送声音的设备和方法。技术解决方案本发明的一个方面提供了一种用于通过非线性介质来传送声音的设备，包括预 失真器，用于预先使声音信号失真，以补偿在声音信号的传送处理中将要由非线性介质的 频率特性导致的失真；西格马-德耳塔(sigma-delta)调制器，用于将预失真的声音信号 调制为具有两个信号电平的信号；高频调制器，用于将调制的信号乘以具有高于音频波段 的频率的载波，以将调制的信号移位到载频波段，并生成高频调制的信号；以及发射机，用 于将高频调制的信号转换为适合于通过非线性介质来传送的声波信号，并传送所述声波信 号。本发明的另一方面提供了一种用于通过非线性介质来传送声音的方法，包括预 先使声音信号失真，以补偿在声音信号的传送处理中将要由传送装置和非线性介质的频率 特性导致的失真；将预失真的声音信号西格马-德耳塔调制为具有两个信号电平的信号；将调制的信号乘以具有高于音频波段的频率的载波，以生成高频调制的信号；以及将高频 调制的信号转换为适合于通过非线性介质来传送的声波信号，并传送所述声波信号。技术效果根据本发明，一个传送设备在没有接收装置的情况下、使用介质的非线性特性以 及听觉器官的特性来传送声音信号。由于不需要接收装置，所以可以改善行动的自由度，并 且可容易地构建系统。此外，由于使用了一个传送设备和一个传送信号，所以没有导致当使用两个传送 信号时可能导致的技术问题，并减少了功耗。而且，简单的设备构成导致了生产成本的减 少。此外，使用西格马-德耳塔调制，将传送信号的电平数目限于两个，从而可以使用 高效的非线性放大器。
图1是根据本发明的示范实施例的、用于传送声音的设备的框图；图2图示了根据本发明的示范实施例的、要由用于传送声音的设备来传送的声音 信号的示例；图3图示了根据本发明的示范实施例的、通过对图2中所示的声音信号进行西格 马_德耳塔调制而获得的结果；图4图示了根据本发明的示范实施例的、通过对图2中所示的声音信号进行西格 马_德耳塔调制而获得的结果的频率分量；以及图5图示了根据本发明的示范实施例的、以高频调制的声音信号的波形的示例。
具体实施例方式下文中，将详细描述本发明的示范实施例。然而，本发明不限于下面公开的示范实 施例，而是可以以各种类型来实现。因此，提供本示范实施例，以完整公开本发明，并且向本 领域的普通技术人员全面传达本发明的范围。图1是根据本发明的示范实施例的、用于传送声音的设备的框图，而图2图示了根 据本发明的示范实施例的、要由用于传送声音的设备来传送的声音信号的示例。参考图1，根据本发明的示范实施例的用于传送声音的设备100包括预失真器 (pre-distorter) 101、西格马-德耳塔调制器102、高频调制器103以及发射机104。预失真器101用于考虑到发射机104和非线性介质105的频率特性而预先使要传 送的音频波段的声音信号a (t)失真。这意欲补偿当声音信号a (t)穿过发射机104和非线 性介质105时可能导致的失真。西格马-德耳塔调制器102用于将通过预失真器101而预先使其失真的声音信号 s(t)调制为具有两个信号电平0和A的信号M (t)。西格马-德耳塔调制器102以大于声音 信号s(t)的两倍带宽的频率来处理声音信号s (t)，并且利用环路滤波器在低频处(即，在 音频波段内)抑制由所述处理导致的量化噪声，并利用环路滤波器在音频波段之外的高频 处放大所述量化噪声。图3图示了通过对图2中所示的声音信号进行一比特二阶(one-bit second-order)西格马-德耳塔调制而获得的结果。
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这里，可使用声音信号s (t)和量化噪声q(t)的不同传递函数来如下地表达从西 格马_德耳塔调制器102输出的信号M(t)。[等式1]M (t) = STF (s (t)) +NTF (q (t))这里，信号传递函数(STF)简单地是延迟器或具有低通特性，而噪声传递函数 (NTF)具有高通特性。在示范实施例中，一比特量化器的使用增加了量化噪声q(t)，但是与 要传送的信号相比、充分减少了音频波段内量化噪声，如图4所图示的。图4图示了根据本发明的示范实施例的、通过对图2中所示的声音信号进行西格 马_德耳塔调制而获得的结果的频率分量。在西格马-德耳塔调制器102中使用的采样频率和环路滤波器阶可根据要传送的 声音信号的质量来确定。其间，虽然预失真器101和西格马-德耳塔调制器102被分开地实现在根据示范 实施例的用于传送声音的设备100中，但是西格马-德耳塔调制器102可具有可以补充或 替换预失真器101的失真函数的STF。高频调制器103将从西格马_德耳塔调制器102输出的信号M(t)乘以具有高于 音频的频率的载波信号，以将信号M(t)移位到载频周围的波段，从而生成高频调制的信号 P(t)。这通过下面的等式来表达。[等式2]p(t) = M(t)coswct这里，cosw。t表示载波分量。图5图示了根据本发明的示范实施例的、以高频调制的输出信号的波形的示例。发射机104用于考虑到当高频调制的信号ρ (t)穿过非线性介质105时发生的衰 减而放大从高频调制器103输出的高频调制的信号ρ (t)，并将放大的信号转换为声波信 号。发射机104包括放大器和用于进行到声波信号的转换的变换器。下面将描述如下的处理，其中在没有接收装置的情况下人体的听觉器官通过非线 性介质来接收由上述的设备所传送的声音信号。当介质具有非线性传递函数时，在接收端 处示出了传送信号的诸如二次、三次和四次幂(power)之类的分量连同所述传送信号。例如，从高频调制器103输出的高频调制的信号ρ (t) = M(t)coswct本身处于音 频波段之外，并因此不能被听觉器官感知。然而，所述信号的平方
2 t)l + cos2wet
_3] p2⑴=M2⑴⑶如=” 2具有音频波段内的分量M2 (t)，并从而可以被感知。当信号M(t)是幅度调制(AM)信号(即，M(t) = l+ms(t))时，音频波段内的信号 变成 M2 (t) = l+2ms (t) +m2s2 (t) (m 表示调制指数)。这里，s2(t)表示信号失真。为了防止这样的失真，可以使用AM的平方根信号，即M{t) = + ms(t)) ο这里，l+ms(t)必须不为负。然而，即使在这个情况下，也存在诸如信号P (t)的四
5次幂之类的项等，并因此仍旧存在信号的失真。另一方面，根据本发明示范实施例的由西格马-德耳塔调制器102调制的信号 M(t)用两个信号电平0和A来表达。此外，即使由于介质的非线性特性而生成诸如二次、三 次和四次幂之类的分量，也仅仅改变信号的电平，并且不使信号失真。此外，通过听觉器官 的低通特性而自动地去除由西格马_德耳塔调制器102放大的音频波段之外的量化噪声。作为结果，根据本发明的示范实施例的用于传送声音的设备可在不使用接收装置 的情况下传递声音信号，而没有明显的失真。此外，根据本发明的示范实施例的以高频调制 的信号P (t)仅具有两个信号电平0和A，并因此可能使用高效的非线性放大器。其间，当通过大气介质来传送信号ρ (t) = M(t)coswct时，由于介质的非线性特性
而在音频波段中示出近似为 /2 的信号。这个结果不是信号M2⑴，而是M2⑴相对于时间的二阶导数。这意味着 在频域中出现与12分贝/倍频程(dB/oct)对应的频率失真。此外，发射机104的放大器 和变换器的频率特性可导致不同种类的失真。为了消除这种失真，根据本发明的示范实施 例，预失真器101考虑到发射机104和非线性介质105的频率特性而预先使声音信号失真。尽管已经参考本发明的特定示范实施例而示出并描述了本发明，但是本领域的技 术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定 的本发明的精神和范围。
权利要求
一种用于通过非线性介质来传送声音的设备，包括预失真器，用于预先使声音信号失真，以补偿在声音信号的传送处理中将要由非线性介质的频率特性导致的失真；西格马 德耳塔调制器，用于将预失真的声音信号调制为具有两个信号电平的信号；高频调制器，用于将调制的信号乘以具有高于音频波段的频率的载波，以将调制的信号移位到载频波段，并生成高频调制的信号；以及发射机，用于将高频调制的信号转换为适合于通过非线性介质来传送的声波信号，并传送所述声波信号。
2.根据权利要求1的设备，其中所述预失真器还使声音信号失真以补偿由发射机的频 率特性导致的失真。
3.根据权利要求1的设备，其中所述西格马-德耳塔调制器以比声音信号的两倍带宽 高的频率来处理预失真的声音信号，并将所述预失真的声音信号转换为具有两个信号电平 的信号。
4.根据权利要求1的设备，其中通过环路滤波器来在处于音频波段内的低频率处抑制 在西格马-德耳塔调制器将预失真的声音信号转换为具有两个信号电平的信号时所导致 的量化噪声。
5.根据权利要求1的设备，其中所述西格马-德耳塔调制器具有能够补充或替换预失 真器的信号失真函数的信号传递函数。
6.根据权利要求1的设备，其中所述发射机包括放大器，用于考虑到当高频调制的信号穿过非线性介质时发生的衰减来放大高频调制 的信号；以及变换器，用于将放大的信号转换为声波信号。
7.一种用于通过非线性介质来传送声音的方法，包括预先使声音信号失真，以补偿在声音信号的传送处理中将要由传送装置和非线性介质 的频率特性导致的失真；将预失真的声音信号西格马-德耳塔调制为具有两个信号电平的信号； 将调制的信号乘以具有高于音频波段的频率的载波，以生成高频调制的信号；以及 将高频调制的信号转换为适合于通过非线性介质来传送的声波信号，并传送所述声波 信号。
8.根据权利要求7的方法，还包括将高频调制的信号放大到足够的电平，以为当高频调制的信号穿过非线性介质时发生 的信号衰减做好准备。
全文摘要
提供了一种用于通过非线性介质来传送声音的设备和方法。所述设备包括预失真器，用于预先使声音信号失真，以补偿在声音信号的传送处理中将要由非线性介质的频率特性导致的失真；西格马-德耳塔调制器，用于将预失真的声音信号调制为具有两个信号电平的信号；高频调制器，用于将调制的信号乘以具有高于音频波段的频率的载波，以将调制的信号移位到载频波段，并生成高频调制的信号；以及发射机，用于将高频调制的信号转换为适合于通过非线性介质来传送的声波信号，并传送所述声波信号。
文档编号H04R3/00GK101904181SQ200880122183
公开日2010年12月1日 申请日期2008年9月25日 优先权日2007年12月20日
发明者姜泰旭, 姜盛元, 朴基赫, 朴炯一, 林寅基, 沈载勋, 邢昌熙, 金圣恩, 金整范, 金景洙, 金真庆, 黄正焕 申请人:韩国电子通信研究院