音频和超声信号处理电路、超声信号处理电路及相关方法
【专利摘要】一种音频和超声信号处理电路(412)，包括：音频输入端子(414)，用于接收包括音频输入信号的输入信号；幅度检测器(430)，配置为确定输入信号的幅度并提供幅度电平信号(432)；增益计算器(434)，配置为根据幅度电平信号(432)和目标幅度信号(418)来确定超声放大因子(436)；可变超声放大器(438)，配置为接收超声输入信号并根据超声放大因子(436)来调制超声输入信号的幅度，以提供放大的超声信号；以及输出端子(416)，用于提供增强输出信号，所述增强输出信号包括与音频输入信号相对应的频率分量以及与放大的超声信号相对应的频率分量。
【专利说明】音频和超声信号处理电路、超声信号处理电路及相关方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及音频和超声信号处理电路、超声信号处理电路及相关方法。具体地而 非必要地，本公开涉及使用超声信号处理来进行手势识别的系统。
【背景技术】
[0002] 移动设备（更具体地，移动电话）正在变得越来越精密。触敏显示器目前被广泛 使用。出现了新的手势识别技术，其允许新的人机交互形式。作为非限制性示例，已知的手 势识别技术包括来自 Qualcomm 的 EPOS、来自 Microsoft、Elliptic Labs 和 Navisense 的 SoundWave。
【发明内容】
[0003] 根据第一方面，提供了一种音频和超声信号处理电路，包括：
[0004] 音频输入端子，用于接收包括音频输入信号的输入信号；
[0005] 幅度检测器，配置为确定输入信号的幅度并提供幅度电平信号；
[0006] 增益计算器，配置为根据幅度电平信号和目标幅度信号来确定超声放大因子；
[0007] 可变超声放大器，配置为接收超声输入信号并根据超声放大因子来调制超声输入 信号的幅度，以提供放大的超声信号；以及
[0008] 输出端子，用于提供增强输出信号，所述增强输出信号包括与音频输入信号相对 应的频率分量以及与放大的超声信号相对应的频率分量。
[0009] 有利地，音频和超声信号处理电路可以使得能够增大超声输入信号的幅度（当这 么做不会以音频输入信号为代价时），使得可以将放大的超声信号与音频输入信号混合，以 提供增强输出信号，从而由单个扬声器输出。可以不显著降低音频信号的质量，同时超声输 入信号的幅度增大可以改善使用超声信令的应用，如，相关的手势识别系统。
[0010] 幅度检测器可以包括峰值保持电平检测器。
[0011] 幅度检测器和/或增益计算器可以配置为按照比音频输入信号的频率高至少一 个数量级的速率来更新超声放大因子。
[0012] 增益计算器可以配置为根据幅度电平信号与目标幅度信号之间的差值来确定超 声放大因子。
[0013] 音频输入端子还可以配置为接收超声输入信号。可变超声放大器可以配置为：接 收超声输入信号和音频输入信号；根据超声放大因子来调制超声输入信号的幅度，以提供 放大的超声信号；以及对音频输入信号应用大约为1的增益因子。可变超声放大器的输出 可以与所述输出端子相连。
[0014] 音频和超声信号处理电路还可以包括：超声输入端子，独立于音频输入端子；以 及加法器，具有第一加法输入、第二加法输入以及加法输出。音频输入端子可以与第一加法 输入相连，可变超声放大器的输出可以与第二加法输入相连。加法器的输出可以与所述输 出端子相连。
[0015] 音频和超声信号处理电路还可以包括：输出放大器，配置为放大所述增强输出信 号，以向扬声器提供放大的输出信号。
[0016] 输出放大器可以配置为提供目标幅度信号。
[0017] 音频输入信号可以包括频率在20Hz至20, 000Hz范围内的分量。超声输入信号可 以包括频率大于例如10, 〇〇〇Hz、12, 000Hz、16, 000Hz、或20, 000Hz的分量。
[0018] 根据另一方面，提供了一种处理音频和超声信号的方法，所述方法包括：
[0019] 接收包括音频输入信号的输入信号；
[0020] 确定输入信号的幅度并提供幅度电平信号；
[0021] 根据幅度电平信号和目标幅度信号来确定超声放大因子；
[0022] 接收超声输入信号并根据超声放大因子来调制超声输入信号的幅度，以提供放大 的超声信号；以及
[0023] 提供增强输出信号，所述增强输出信号包括与音频输入信号相对应的频率分量以 及与放大的超声信号相对应的频率分量。
[0024] 根据另一方面，提供了一种超声信号处理电路，包括：
[0025] 超声输入端子，配置为从麦克风接收所发送的超声信号；以及
[0026] 可变超声衰减器，配置为根据超声放大因子来调制所发送的超声信号的幅度，以 提供经处理的超声信号。
[0027] 所发送的超声信号可以代表要传递的信息，或者可以代表手势。
[0028] 超声信号处理电路还可以包括：超声解码模块，配置为接收和解码所述经处理的 超声信号。超声解码模块可以是手势识别模块。
[0029] 根据另一方面，提供了一种处理超声信号的方法，所述方法包括：
[0030] 可选地从麦克风接收所发送的超声信号；以及
[0031] 根据超声放大因子来调制所发送的超声信号的幅度，以提供经处理的超声信号。
[0032] 可以提供一种手势识别系统、空间定位系统或集成电路，包括本文公开的任何音 频和超声彳目号处理电路、超声彳目号处理电路、电路或系统。
[0033] 可以提供一种计算机程序，所述计算机程序在运行于计算机上时使计算机配置包 括本文公开的处理电路、音频和超声信号处理电路、超声信号处理电路、电路、控制器或设 备在内的任何装置，或者执行本文公开的任意方法。作为非限制性示例，计算机程序可以是 软件实现，计算机可以被看作是任意适当硬件，包括数字信号处理器、微控制器以及在只读 存储器（ROM)、可擦可编程只读存储器（EPR0M)或电可擦可编程只读存储器（EEPR0M)中的 实现。软件可以是汇编程序。
[0034] 计算机程序可以设置在计算机可读介质上，所述计算机可读介质可以是诸如磁盘 或存储设备之类的物理计算机可读介质，或者可以体现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是 网络下载，包括互联网下载。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 现在将参考附图，通过示例来描述本发明的实施例，附图中：
[0036] 图1示出了基于超声的手势识别系统的简化框图；
[0037] 图2示出了用于产生和放大组合的音频信号和超声信号的电路的框图；
[0038] 图3示出了用于混合音频输入信号和超声输入信号的系统的框图；
[0039] 图4示出了图3的超声增大器模块的其他细节；
[0040] 图5a和图5b在时域图示了与图4的电路相关联的信号；
[0041] 图6在频域图示了与图4的电路相关联的信号；
[0042] 图7示出了用于混合音频信号和超声信号的另一系统的框图；
[0043] 图8在时域图示了与图7的电路相关联的信号；
[0044] 图9在频域图示了与图7的电路相关联的信号；
[0045] 图10示出了基于超声的手势识别系统的简化框图；
[0046] 图11示出了图10的超声归一化模块的示例实现方式；
[0047] 图12示出了处理音频信号和超声信号的方法的流程图；以及
[0048] 图13示出了处理超声信号的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0049] 本文公开的一个或多个示例可以使能在音频性能不显著变差的情况下同时回 放常规音频信号并且传输超声信号，所述超声信号可以用于例如手势识别。音频信号可 以包括频率在20Hz到20, 000Hz范围内的分量。超声信号可以包括频率高于10, 000Hz、 12, 000Hz、16, 000Hz、20, 000Hz、30, 000Hz、40, 000Hz、50, 000Hz 或更大的分量。
[0050] 图1示出了基于超声的手势识别系统100的简化框图。系统100接收音频输入信 号102,其中所述音频输入信号102作为输入被提供至超声产生和混合模块104,所述超声 产生和混合模块104还接收（或自己产生）超声输入信号（未示出）。超声产生和混合模 块104向放大器106提供输出信号，所述输出信号包括与音频输入信号102相对应的频率 分量以及与超声输入信号相对应的频率分量。放大器106放大来自超声产生和混合模块 104的输出信号，并将放大后的信号提供至扬声器108。扬声器108根据音频输入信号输出 可听频率的信号并根据超声输入信号输出超声频率的信号。
[0051] 如图1中附图标记110示意性示出的，用户手势在超声信号从扬声器108到麦克 风112的途中对超声信号产生声音路径干扰。扬声器108和麦克风112可以是相同设备 (例如，移动电话）的一部分或者可以不是相同设备的一部分。
[0052] 麦克风112根据接收到的超声信号向超声检测模块114提供信号。麦克风112可 以是单个麦克风或多个麦克风。超声检测模块114然后可以通过确定声音路径干扰来解释 手势和相关用户输入，所述确定声音路径干扰可以包括例如（i)处理超声信号的到达时间 (T0A);和/或（ii)执行多普勒或三角测量（triangulation)处理。
[0053] 基于超声的手势识别系统的质量和鲁棒性可以依赖于所使用的扬声器和麦克风。 例如，超声信号的幅度应当足够大以在有背景噪声和干扰的情况下获得鲁棒的检测。可能 需要这样，以便提供可接受的信噪比并使能在足够远的距离处操作。
[0054] -种实现足够的性能等级的方式是使用专用于超声应用的压电换能器（声音发 射器和接收器），所述压电换能器可以配置为在超声频率范围内具有最高灵敏度。然而这种 专用换能器的使用在以下方面可能是不可接受的：（i)这些专用换能器消耗的功率的量； (ii)附加组件占用的额外空间；以及（iii)提供这些组件的经济成本。这对于消费类移动 设备而言尤为贴切。
[0055] 本文公开的一个或多个实施例重用（reuse)已有的扬声器和/或麦克风，如，移动 通信设备中存在的扬声器和/或麦克风，所述移动通信设备按照定义可以不优化为在超声 范围内工作。
[0056] 图2示出了用于产生和放大组合的音频信号和超声信号的电路200的框图。系统 200接收音频输入信号202,所述音频输入信号202作为输入被提供至音频信号放大器204。 音频信号放大器204对音频输入信号202应用增益（1-G)，以减小/衰减音频输入信号202 的幅度。下面更详细地描述"G"。将音频信号放大器204的输出提供至加法器206的第一 加法输入。
[0057] 电路200还接收超声输入信号208,所述超声输入信号作为输入被提供至超声信 号放大器210。超声信号放大器210对超声输入信号208应用增益G，以增大/放大超声输 入信号208的幅度。将超声信号放大器210的输出提供至加法器206的第二加法输入。因 此，加法器206将放大的超声信号和衰减的音频信号组合/混合，使得从加法器输出的信号 具有与放大的超声信号相对应的频率分量以及与衰减的音频信号相对应的音频分量。
[0058] 将加法器206的输出作为输入提供至放大器212。将放大器212的输出作为输入 提供至扬声器214。放大器212执行扬声器214正确操作所需的任何放大。
[0059] 在该示例中，接收到的音频输入信号202的幅度已被最大化以可靠地从扬声器 214获得最高可能声压级。这可以意味着音频输入信号202的峰值幅度非常接近放大器212 的削波电平。如技术中已知的，如果输入信号的幅度超过削波电平，则放大器212将提供失 真的输出信号。
[0060] 如图2所示，在混合信号被放大器212放大并馈送至扬声器214之前，将超声输入 信号208添加到音频输入信号202。如果音频输入信号202的幅度足够高，则超声输入信 号208的添加会导致放大器削波，这会引起不可接受的可听失真。如上所述，在接收到的音 频输入信号202的幅度已被最大化的示例中，更有可能发生这种情况。如图2所示，减小发 生削波的可能性的一种方式是音频信号放大器204应用增益减小，使得最大化的音频和超 声信号（加法器206的输出）的幅度电平超过放大器212的削波电平的可能性较小。这可 以已知为提供信号净空，在图2中通过应用增益"1-G"的音频信号放大器204来表示，其中 "G"是向加法器206的第二输入提供的超声信号的幅度。然而，由于音频信号幅度的减小， 这可以引起次优的音频性能。
[0061] 图3不出了用于混合音频输入信号302和放大后的超声输入信号306并从扬声器 322输出增强信号的系统300的框图。
[0062] 参考图3至图6描述的示例可以基于以下假设：超声信号已存在于音频信号中，使 得此后必须进行超声放大/最大化。典型地（但不是必然地），在应用处理器与智能输出放 大器相连时也是如此。应用处理器可以是电路或设备，其提供音频信号并负责超声解码，以 产生例如手势输入。在这些情况下，应用处理器可以执行超声信号的产生和混合，而智能放 大器可以通过反馈目标电平来对超声放大/最大化做出贡献，其中所述目标电平考虑智能 放大器自身的削波电平。本领域已知这种智能放大器可以具有嵌入式处理，所述嵌入式处 理允许该智能放大器避免削波和/或保护下游扬声器。
[0063] 类似于参考图2描述的方式，图3包括由音频信号放大器304衰减的音频输入信 号302。音频信号放大器304应用增益因子"1-G"。类似地，超声信号放大器308将超声输 入信号306放大，所述超声信号放大器308应用增益因子"G"。加法器310将衰减的音频输 入信号和放大的超声信号混合/相加。
[0064] 加法器310的输出端子向超声增大器模块312的输入端子314提供输入信号。在 该示例中，输入端子314既是音频输入端子也是超声输入端子。超声增大器模块312可以称 作音频和超声信号处理电路，在一些示例中可以被看作是超声最大化模块。超声增大器模 块312具有向输出放大器320的输入提供增强输出信号的输出端子316。输出放大器320 的输出被提供至扬声器322。
[0065] 超声增大器模块312还接收目标幅度信号T 318,所述目标幅度信号T318表示从 加法器310接收的信号的超声信号部分的目标电平。在该示例中，从输出放大器320接收 目标幅度信号T 318以实时提供反馈回路。这可以是有利的，因为目标幅度信号T 318是 可以根据诸如经历的电压电平和环境参数等外部因素来自动设置，使得可以更有效并且高 效地使用输出放大器。然而在其他示例中，目标幅度信号T 318可以是预定值或者可以是 硬编码的。
[0066] 如以下参考图4将描述的，当这种放大不会超过最大幅度电平时，超声增大器模 块312的输出是增强输出信号，所述增强输出信号包括（i)与在超声增大器模块312处接 收的音频输入信号相关的频率分量；以及（ii)与放大的超声信号相关的频率分量。这种最 大幅度电平可以对应于放大器的削波阈值或者扬声器能够处理的最大电平，如目标幅度信 号T 318表不的。这样，扬声器322发送的超声信号具有最小幅度值（对应于"G"），在音 频输入信号302中存在足够的净空时仍具有增大的幅度。
[0067] 图4示出了图3的超声增大器模块的其他细节。超声增大器模块412具有用于接 收输入信号的音频输入端子414,所述输入信号包括音频输入信号。在该示例中，输入信号 还包括与超声信号相对应的频率分量。超声增大器模块412具有用于提供增强输出信号的 输出端子416,所述增强输出信号包括与音频信号相对应的频率分量以及与放大的超声信 号相对应的频率分量。
[0068] 在音频输入端子414处接收的输入信号作为输入被提供至幅度检测器430,在该 示例中，幅度检测器430是峰值保持电平检测器。峰值保持电平检测器430配置为确定输 入信号的幅度，并提供幅度电平信号L 432作为输出。如本领域已知的，峰值保持电平检测 器430可以具有一个或多个时间常数，所述时间常数用于确定特定时间段上的平均幅度电 平。在该示例中，峰值保持电平检测器430可以使用极快的时间常数，因为在超声范围内快 且大的增益变化不是可听的，因此可以被看作是可接受的。
[0069] 向增益计算器434提供幅度电平信号L 432和目标幅度信号T 418作为输入。在 该示例中，目标幅度信号T 418是在输出没有显著失真的情况下在输出放大器（未示出） 的输入处能够提供的最大幅度。增益计算器434根据目标幅度信号T 418和幅度电平信号 L 432来确定超声放大因子Gmax 436。
[0070] 在该示例中，如下确定超声放大因子G_ 436(所有值是以线性幅度来表示的，而 不是以dBFS来表示的）：
【权利要求】
1. 一种音频和超声信号处理电路，包括： 音频输入端子，用于接收包括音频输入信号的输入信号； 幅度检测器，配置为确定输入信号的幅度并提供幅度电平信号； 增益计算器，配置为根据幅度电平信号和目标幅度信号来确定超声放大因子； 可变超声放大器，配置为接收超声输入信号并根据超声放大因子来调制超声输入信号 的幅度，W提供放大的超声信号；W及 输出端子，用于提供增强输出信号，所述增强输出信号包括与音频输入信号相对应的 频率分量W及与放大的超声信号相对应的频率分量。
2. 根据权利要求1所述的音频和超声信号处理电路，其中，幅度检测器和/或增益计算 器配置为按照比音频输入信号的频率高至少一个数量级的速率来更新超声放大因子。
3. 根据权利要求1或2所述的音频和超声信号处理电路，其中，增益计算器配置为根据 幅度电平信号与目标幅度信号之间的差值来确定超声放大因子。
4. 根据前述任一项权利要求所述的音频和超声信号处理电路，其中， 音频输入端子还配置为接收超声输入信号， 可变超声放大器配置为： 接收超声输入信号和音频输入信号； 根据超声放大因子来调制超声输入信号的幅度，W提供放大的超声信号；W及 对音频输入信号应用大约为1的增益因子；并且 可变超声放大器的输出与所述输出端子相连。
5. 根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的音频和超声信号处理电路，还包括： 超声输入端子，独立于音频输入端子；W及 加法器，具有第一加法输入、第二加法输入W及加法输出； 其中，音频输入端子与第一加法输入相连，可变超声放大器的输出与第二加法输入相 连，加法器的输出与所述输出端子相连。
6. 根据前述任一项权利要求所述的音频和超声信号处理电路，还包括；输出放大器， 配置为放大所述增强输出信号，W向扬声器提供放大的输出信号。
7. 根据权利要求6所述的音频和超声信号处理电路，其中，输出放大器配置为提供目 标幅度信号。
8. 根据前述任一项权利要求所述的音频和超声信号处理电路，其中，音频输入信号包 括频率在20化至20, 000化范围内的分量，超声输入信号包括频率大于20, 000化的分量。
9. 一种处理音频和超声信号的方法，所述方法包括： 接收包括音频输入信号的输入信号； 确定输入信号的幅度并提供幅度电平信号； 根据幅度电平信号和目标幅度信号来确定超声放大因子； 接收超声输入信号并根据超声放大因子来调制超声输入信号的幅度，W提供放大的超 声信号；W及 提供增强输出信号，所述增强输出信号包括与音频输入信号相对应的频率分量W及与 放大的超声信号相对应的频率分量。
10. -种超声信号处理电路，包括： 超声输入端子，配置为从麦克风接收所发送的超声信号；w及 可变超声衰减器，配置为根据超声放大因子来调制所发送的超声信号的幅度，W提供 经处理的超声信号。
11. 根据权利要求10所述的超声信号处理电路，其中，所发送的超声信号代表手势。
12. 根据权利要求10或11所述的超声信号处理电路，还包括；超声解码模块，配置为 接收和解码所述经处理的超声信号。
13. -种处理超声信号的方法，所述方法包括： 从麦克风接收所发送的超声信号；W及 根据超声放大因子来调制所发送的超声信号的幅度，W提供经处理的超声信号。
14. 一种手势识别系统或空间定位系统，包括；根据权利要求1至8中任一项权利要求 所述的音频和超声信号处理电路，或根据权利要求10至12中任一项权利要求所述的超声 信号处理电路。
15. -种集成电路，包括；根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的音频和超声信 号处理电路，或根据权利要求10至12中任一项权利要求所述的超声信号处理电路。
【文档编号】H04R3/00GK104469607SQ201410474837
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】克里斯托弗·马克·马库斯 申请人:恩智浦有限公司