用于移动设备中的声学通信的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年7月4日提交的美国临时专利申请62/021,018的优选权权益，在此将该美国临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

本申请大体上涉及用于声学通信(acousticcommunication)的系统和方法，并更具体地涉及但不限于用于声学通信的输入电路。

背景技术：

由非常小的电池供电的设备的增长以及无线个域网(wpan)和无线体域网(wban)的增长产生了对消耗非常低的功率的通信方法的需求。另一方面，移动电话，特别是智能手机的增长促使使用这种移动设备来控制和监视包括由小电池供电的设备在内的各种设备。然而，声学通信是针对非常短的范围进行数字信号通信的旧有技术。因此，意识到需要一种克服上述缺陷的用于中等范围的声学通信的方法和系统以及尤其是低噪声输入电路，且这将是非常有利的。

技术实现要素：

除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本申请所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文提供的材料、方法和示例仅是说明性的，而不是限制性的。除了过程本身中所必需或固有的限度之外，本文(包括附图)中描述的方法和过程的步骤或阶段没有预期的或暗示的特定顺序。在许多情况下，可以在不改变所描述的方法的目的或效果的情况下改变过程步骤的顺序。

本实施例的方法和系统的实施包含以手动方式、自动方式或这些方式的任意组合来执行或完成某些所选的任务或步骤。此外，根据本文描述的方法和系统的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件或通过任意固件的任意操作系统上的软件或通过它们的任意组合来实现多个所选的步骤。例如，对于硬件，本文的实施例的所选步骤可被实施为芯片或电路。对于软件，这些实施例的所选步骤可被实施为由使用任意合适的操作系统的计算机执行的多个软件指令。在任何情况下，本文的实施例的方法和系统的所选步骤可被描述为由数据处理器(例如，用于执行多个指令的计算平台)执行。

根据一个实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：传声器；第一滤波器，其连接到所述传声器并适于仅使音频频带中的信号通过；第二滤波器，其连接到所述传声器并适于仅使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过；模数转换器(adc)单元；切换单元，其连接在所述adc单元的输入端与所述第一滤波器和所述第二滤波器中的每者的输出端之间，所述切换单元被构造成在所述第一滤波器的所述输出端与所述第二滤波器的所述输出端之间进行选择；以及控制器，其被构造成控制所述切换单元以选择用于声学通信的所述第二滤波器，其中，所述声学通信适于所述音频频带的所述上游区域。

根据另一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：传声器；第一滤波器和第一放大器，所述第一滤波器连接到所述传声器并适于使音频频带中的信号通过，所述第一放大器连接到所述滤波器；第二滤波器和所述第一放大器，所述第二滤波器连接到所述传声器并适于仅使所述音频频带的上游区域中的信号通过，所述第一放大器连接到所述滤波器，其中，所述第二放大器的增益高于所述第一放大器的增益；至少一个模数转换器(adc)单元，其连接到所述第一放大器和所述第二放大器；以及控制器，其被构造成选择用于声学通信的所述第二滤波器，其中，所述声学通信适于所述音频频带的所述上游区域。

根据另一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：传声器；第一滤波器，其连接到所述传声器并适于使音频频带中的信号通过，所述第一滤波器以通信的方式连接到第一模数转换器(adc)单元；第二滤波器，其连接到所述传声器并适于使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过，所述第二滤波器以通信的方式连接到第二adc单元；以及控制器，其以通信的方式连接到所述第一adc和所述第二adc并被构造成选择用于声学通信的所述第二滤波器，其中，所述声学通信适于所述音频频带的所述上游区域。

根据又一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：第一音频电路，所述第一音频电路包括：第一传声器；第一滤波器，其连接到所述第一传声器并适于仅使音频频带中的信号通过；第二滤波器，其连接到所述传声器并适于仅使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过；第一模数转换器(adc)单元；及第一切换单元，其连接在所述adc单元的输入端与所述第一滤波器和所述第二滤波器中的每者的输出端之间，所述切换单元被构造成在所述第一滤波器的所述输出端与所述第二滤波器的所述输出端之间进行选择。所述设备和/或方法还包括第二音频电路，所述第二音频电路包括：第二传声器；第三滤波器，其连接到所述第一传声器并适于仅使音频频带中的信号通过；第四滤波器，其连接到所述传声器并适于仅使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过；第二模数转换器(adc)单元；及第二切换单元，其连接在所述adc单元的输入端与所述第一滤波器和所述第二滤波器中的每者的输出端之间，所述切换单元被构造成在所述第一滤波器的所述输出端与所述第二滤波器的所述输出端之间进行选择。用于声学通信的所述设备和/或方法还包括控制器，所述控制器被构造成控制所述第一切换单元和所述第二切换单元以选择用于声学通信的所述第二滤波器和所述第四滤波器。所述声学通信适于所述音频频带的所述上游区域。

另外，根据另一实施例，提供了一种如上所述的额外地包括mimo声学调制解调器的用于声学通信的设备和/或方法，其中，所述adc和/或所述控制器连接到所述mimo声学调制解调器。

根据另一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：第一音频电路，其包括第一传声器、连接到所述传声器并适于使音频频带中的信号通过的第一滤波器以及连接到所述传声器并适于使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过的第二滤波器，所述第一滤波器以通信的方式连接到第一模数(a/d)转换器单元，所述第二滤波器以通信的方式连接到第二模数(a/d)转换器单元；第二音频电路，其包括第二传声器、连接到所述第一传声器并适于使音频频带中的信号通过的第三滤波器以及连接到所述传声器并适于使处于所述音频频带的上游区域中的信号通过的第四滤波器，所述第一滤波器以通信的方式连接到第三模数(a/d)转换器单元，所述第四滤波器以通信的方式连接到第四模数(a/d)转换器单元；以及控制器，其以通信的方式连接到所述第一a/d转换器、所述第二a/d转换器、所述第三a/d转换器和所述第四a/d转换器，并被构造成选择用于声学通信的所述第二滤波器和所述第四滤波器；其中，所述声学通信适于所述音频频带的所述上游区域，且其中，所述第二滤波器和所述第四滤波器以通信的方式连接到mimo声学调制解调器。

根据另一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：发射器和/或接收器，所述发射器被构造成发送具有不同频率的至少一对声学信号，且所述接收器被构造成检测所述至少一对声学信号的所述频率之间的预定差异；其中，所述发射器和所述接收器中的至少一者处于相对于所述发射器和接收器中的另一者的运动中。

根据另一实施例，提供了一种用于声学通信的设备和/或方法，所述设备和/或方法包括：第一多个传声器和/或第一多个扬声器；控制器，其选择从所述第一多个传声器中选择的第二多个传声器和/或从所述第一多个扬声器中选择的第二多个扬声器；其中，所述选择根据最大信噪比、多普勒效应和漂移中的至少一者进行适用。

附图说明

在本文中参照附图描述了各种实施例。应当强调的是，所示出和描述的细节是示例性的并且用于解释性说明所提出的实施例。在此方面，除了必要地根本理解所提出的实施例，并不视图更详细地展示本发明的结构细节。

在附图中：

图1是电学低噪声输入切换电路的简化示意图；

图2是电学双重放大器输入电路的简化示意图；

图3是电学低噪声数字切换输入电路的简化示意图；

图4是高灵敏度前端电路的简化示意图；

图5是声学前端电路的简化框图；

图6是唤醒电路(wake-upcircuit)的简化示意图；

图7是可被图6的唤醒电路使用的唤醒信号波形的简化示图；

图8是声学通信协议的简化示图；

图9是声学通信协议的简化三维示图；

图10是用于唤醒协议的状态机(state-machine)的简化图；

图11是基于mosfet晶体管的缓冲电路的简化框图；

图12是基于jfet晶体管的缓冲电路的简化框图；

图13是噪声阻断滤波器的简化电路图；

图14是另一种类型的噪声阻断滤波器的简化电示意图；

图15是基于mosfet晶体管的低噪声放大器(lna)电路的简化框图；

图16是基于jfet晶体管的低噪声放大器(lna)电路的简化框图；

图17、18和19是三种类型的有源滤波器的简化框图；

图17是基于op放大器和电阻器-电容器网络的单级有源滤波器的简化框图；

图18是双级有源滤波器的简化框图；

图19是2阶带通滤波器的简化框图；

图20是基于mosfet的超低功率有源滤波器的简化框图；

图21是基于jfet的超低功率有源滤波器的简化框图；

图22是基于jfet的噪声阻断电压缓冲器的简化示意图；

图23是基于mosfet的噪声阻断电压缓冲器的简化示意图；以及

图24是支持mfmo的移动电话的简化示图。

具体实施方式

通过参考附图和随附的说明可更好地理解用于声学通信的方法和系统以及更具体地但不限于用于声学通信的低噪声输入电路的原理和操作。

在详细地说明至少一个实施例之前，应当理解这些描述、说明和附图不限于如在下文中阐释或附图中示出的部件的结构和布置的细节。应当理解也可以以各种方式实践或实施其它实施例。而且，应当理解本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并不应被认为是限制性的。

在本文中，附图的未被在附图的范围内描述但利用已在前面的附图中描述的数字标记的元件具有与在前面的附图中相同的用途和描述。类似地，文本中的被未在本文本所描述的附图中出现的数字标记的元件具有与在描述了该元件的前面附图中相同的用途和描述。

本文中描述的系统和方法的目的在于特别地通过降低通信媒介中存在的环境噪声来改善声学通信。作为非限制性示例，说明假定了移动电话或智能手机。然而，本文所描述的实施例且特别是输入电路可以在适用于声学通信的任何设备中使用。

声学通信可以用于实现无线个域网(wpan，例如wi-fi)或无线体域网(wban，例如蓝牙)。声学通信对于低功率的wpan或wban来说特别有用。声学通信对于用于在待机模式下接通电路的信标信号或唤醒信号的检测来说特别有用。在这种情况下，使由电池供电的装置处于待机模式以节省电池功率。信标信号或唤醒信号或任何类似的声学信号被发送至设备以将其从待机模式唤醒。

因此，当处于待机模式时，设备正在“侦听(listening)”环境以检测这种信标信号或唤醒信号。这种侦听模式应当具有非常低的功率消耗，本文中描述的设备可以提供这种侦听模式。

诸如移动电话、智能手机、平板计算机、膝上型计算机等之类的许多用户设备具有至少一个传声器和至少一个扬声器，并因此总能够支持声学通信以进行数据通信。这类设备处理零赫兹与20000hz之间的音频频率。然而，仅0至8000hz用于谈话、语音和音乐的用途。超过14000hz的音频频谱通常相对安静，具有低噪声，而大多数人类不能听到超过14000hz的声音。因此，14000hz至20000hz的区域可用于声学通信。因此，14000hz至20000hz的频谱中的通信方法可以利用智能手机的内部传声器和扬声器来发送和接收声学数据。可以存在类似fsk的许多类型的通信方法，这些通信方法将数据从第一智能手机的扬声器传送至第二智能手机的传声器，或者在任何其它类似设备之间传送数据。移动设备的这种用途特别适用于“智能家居”、“家居控制”和“物联网”的领域。

例如，为了在两个智能手机之间传输数据，在第一智能手机上运行的算法或应用能够利用该手机的内部扬声器在指定的14000hz至16000hz的频带中产生类似fsk或任何其它的音频载波调制的声学调制解调信号。第二智能手机可以运行类似的声学调制解调算法，并使用其传声器来接收声学信号。接收器的调制解调算法可以实时地分析由第二智能手机的传声器接收的声学信号，并对该数据进行解码。

目前的智能手机设计存在的一个问题在于，在第二智能手机的接收侧，以0至14000hz的较低频率接收的声学噪声是嘈杂的，并因此显著地降低了接收器调制解调算法的性能。这种声学噪声可以是在环境中检测到的任何噪声，例如谈话、由诸如收音机或电视机之类的用户设备产生的声音和通过敞开的窗口而来的环境声音等。

普通传声器将具有约10至18nv/sqrt(hz)的噪声密度。这表明声学通信的频带中的固有噪声电平(noisefloor)由以下等式1表达：

等式1：

在正常条件和环境中，由传声器从处于0至8000hz的频带中的音乐和语音中接收的信号将产生大约1mv至5mv。假定接收器的输入电路包括具有增益为1000的放大器，则对于0至8000hz，放大器的输出端处的信号预期为lvptp。该噪声电平预期比声学通信的信号高得多。

当使用16位(bit)的模数转换(adc)对lvptp进行采样时，如以下等式2所示，每个位表示大约15.2μv：

等式2：

这要求声学通信信号高于15.2μv并针对声学接收器调制解调器具有至少5位，声学信号应当至少为32×15μv＝480μv。

现参考图1，图1是根据一个可能实施例的电学低噪声输入切换电路10的简化示意图。

如图1所示，低噪声输入切换电路10可包括传声器11、电连接到传声器11的第一开关12、第一滤波器13和第二滤波器14(这二者电连接到第一开关12)、电连接到第一滤波器13和第二滤波器14的第二开关15、电连接到第二开关15的可选放大器16、电连接到放大器16(或直接连接到第二开关15)的模数转换器(adc)17以及电连接到adc17的处理器18。处理器18还可控制地连接到第一开关12和第二开关15。

第一滤波器13可以是例如具有0至20000hz的带宽的低通滤波器。第二滤波器14可以是具有适于声学通信的带宽(例如，14000hz至20000hz)的带通滤波器。处理器18被构造成操作第一开关12和/或第二开关15以在第一滤波器13与第二滤波器14之间进行选择，从而在用于音频目的的低通频带与用于声学通信的带通频带之间进行选择。处理器18被构造成根据使用用途和/或根据传声器处的声学通信信号的存在与否来选择第一滤波器13或第二滤波器14。

处理器18可以处理和/或分析从adc17接收的信号，并将产生的结果发送至输出端19。如果声学通信被选择，则处理器18可以执行解调算法以用于解调来自声学信号的通信数据。

应当理解，可以设想任何适于在第一滤波器13与第二滤波器14之间进行选择的电路，并且可以特别地设想仅使用第一开关12和第二开关15中的一者在第一滤波器13与第二滤波器14之间进行选择。

现参考图2，图2是根据一个可能实施例的电学双重放大器输入电路20的简化示意图。

作为选择，图2的示意图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图2的示意图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图2所示，双重放大器输入电路29可包括传声器21、电连接到传声器21的第一滤波器22和第二滤波器23、电连接到第一滤波器22的第一放大器24、电连接到第二滤波器23的第二放大器25、电连接到第一放大器24和第二放大器25这两者的模数转换器(adc)26以及电连接到adc26的处理器27。

第一滤波器31可以是例如具有0至20000hz的带宽的低通滤波器。第二滤波器32可以是具有适于声学通信的带宽(例如，14000hz至20000hz)的带通滤波器。第二放大器25可以具有比第一放大器24的增益高得多的增益。因此，14000hz至20000hz的较高频带中的声学通信信号比主要低于14000hz的音频信号被放大得多。因此，双重放大器输入电路29包括服务于常规音频信道的第一信号路径和服务于声学通信信道的第二信号路径。

因此，双重放大器输入电路29具有同时工作的两个并行信号路径。处理器27可以处理和/或分析从第一adc35和第二adc36中的任一者或两者接收的信号并将产生的结果发送至输出端28。处理器27可以连续地分析adc26的输出，且如果存在声学通信，则处理器27可以执行解调算法以用于解调来自声学信号的通信数据。

现参考图3，图3是根据一个可能实施例的电学低噪声数字切换输入电路29的简化示意图。

作为选择，图3的示意图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图3的示意图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图3所示，低噪声数字切换输入电路29可包括传声器30、电连接到传声器30的第一滤波器31和第二滤波器32、电连接到第一滤波器31的可选第一放大器33和电连接到第二滤波器32的可选第二放大器34。第一模数转换器(adc)35电连接到第一放大器33(或直接地电连接到第一滤波器31)，第二模数转换器(adc)36电连接到第二放大器34(或直接地电连接到第二滤波器32)，且处理器37电连接到第一adc35和第二adc36这两者。

第一滤波器31可以是例如具有0至20000hz的带宽的低通滤波器。第二滤波器32可以是具有适于声学通信的带宽(例如，14000hz至20000hz)的带通滤波器。因此，低噪声数字切换输入电路29包括第一信号路径和第二信号路径，其中第一信号路径包括服务于常规音频信道的第一滤波器31、第一放大器33和第一adc35，且第二信号路径包括服务于声学通信信道的第二滤波器32，第二放大器34和第二adc36。

处理器37可以处理和/或分析从第一adc35和第二adc36中的任一者或两者接收的信号，并将产生的结果发送至输出端38。处理器18可以连续地分析adc36的输出，且如果存在声学通信，处理器18可以执行解调算法以用于解调来自声学信号的通信数据。

因此，低噪声数字切换输入电路29具有同时工作的两个并行信号路径。低噪声数字切换输入电路29使智能手机(或任何类似设备)能够同时地接收(例如，在对话期间或用于语音识别的)音频信号和声学通信数据。例如，对于物联网(iot)设备，这允许智能手机支持能够向电话传输声学信号并将声学信号从电话传输至互联网服务器的各种设备和传感器。

因此，具有传声器和扬声器的移动设备(例如，智能手机)可以并行地或同时地支持语音、声音和音乐能力以及声学通信能力。

此外，由于诸如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等之类的移动和/或手持装置可具有多个传声器和多个扬声器，所以声学通信可将多个传声器和/或多个扬声器用作多输入电路并将多个扬声器用作多输出电路。

现参考图4，图4是根据一个示例性实施例的高灵敏度前端电路(high-sensitivityfront-endcircuit)39的简化示意图。

作为选择，图4的示意图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图4的示意图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图4所示，高灵敏度前端电路39可包括接收器前端电路40和发射器前端电路41。多输入多输出设备(mimo)42电连接到前端电路40和发射器前端电路41的信号路径中的每者。

接收器前端电路40可包括两个以上的信号路径，且发送器电路41也可包括两个以上的信号路径。接收器电路40的每个信号路径可包括诸如参考图1示出和描述的低噪声输入切换电路10和/或参考图3示出和描述的低噪声数字切换输入电路29之类的电路。作为非限制性示例，图4示出了基于图3的低噪声数字切换输入电路29的接收器电路40。

发射器前端电路4可包括两个以上的扬声器43、两个以上的功率放大器和滤波器44以及两个以上的数模转换器(dac)45，其中，每个功率放大器和滤波器44电连接到相应的扬声器43，且每个dac45电连接到相应的功率放大器和滤波器44。

被标记为a和/或b的元件表示与设备的音频系统的可能连接部。

现参考图5，图5是根据一个示例性实施例的声学前端电路46的简化框图。

作为选择，图5的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图5的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图5所示，除了前端电路46可具有额外的一个或多个唤醒电路47之外，前端电路46类似于参考图4所示和描述的高灵敏度前端电路39。唤醒电路47用于使接收器声学通信电路能够在没有声学通信的时段期间切换至待机模式。然后，唤醒电路47用于在声学通信开始时接通接收器声学通信电路。接收器声学通信电路可包括第二滤波器32、第二放大器34、第二adc36这些元件以及与声学通信相关联的其它元件中的任一者或全部。

现参考图6，图6是根据一个示例性实施例的唤醒电路48的简化示意图。

作为选择，图6的示意图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图6的示意图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图6所示，唤醒电路48可包括不具有缓冲器的传声器49、电连接到传声器49的输出端的缓冲电路50、电连接到缓冲电路50的输出端的低噪声放大器51、电连接到低噪声放大器51的输出端的可选放大器52、电连接到放大器52的输出端(或直接地电连接到低噪声放大器51的输出端)的有源滤波器53、电连接到有源滤波器53的输出端的能量检测器54、电连接到能量检测器54的输出端的第一延迟电路55、比较器56(其第一输入端电连接到用于提供阀值信号的第一延迟电路55的输出端，且另一输入端电连接到能量检测器54的输出端)、电连接到比较器56的输出端的第二延迟电路57、电连接到第二延迟电路57的输出端的施密特触发器(schmidttrigger)装置58以及电连接到施密特触发器装置58的输出端的sr触发器(flip-flop)装置59。sr触发器58例如通过开关60控制被提供至声学接收器的输入电路的电源电压(例如，vcc)。

电容器49可是驻极体电容式传声器(electretcondensermicrophone，ecm)封装体或微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)传声器。ecm传声器和mems传声器都是基于电容变化的，并且必须连接到所述的缓冲器。低噪声放大器(lna)用于增大信号，以允许与高输入噪声-超低功耗有源滤波器一起工作。

现参考图7，图7是根据一个示例性实施例的唤醒信号波形的简化示图。

作为选择，图7的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图7的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图7所示，波形61描述了在有源滤波器53的输出端处提供的唤醒信号。波形62描述了在能量检测器54的输出端处提供的唤醒信号。波形63描述了在第一延迟电路55的输出端处提供的唤醒信号。波形64描述了在比较器56的输出端处提供的唤醒信号。波形65描述了在第二延迟电路57的输出端处提供的唤醒信号。波形66描述了在sr触发器装置58的输入端处提供的唤醒信号。波形67描述了被提供至声学接收器的输入电路的电源电压(例如，vcc)。

第一有源滤波器53的输出端处的波形61示出了信号电平的跳跃，其该跳跃中，已经接收到包括唤醒信号的一个或多个有效音调(validtone)。能量检测器54的输出端处的波形6261检测跳跃并指示唤醒信号的包络(envelope)。然后，比较器56将当前的能量电平或信号包络(其由波形62表示)与延迟信号(其由波形63表示)进行比较，从而产生由波形64表示的脉冲。进一步使唤醒检测脉冲通过第二延迟电路57以确保检测脉冲不是假报警尖峰(spike)，并然后通过施密特触发器装置58。sr触发器58接收施密特触发器装置58的如波形66所示的输出。波形66用于将sr触发器的q输出设定为“1”，从而使vcc电源开关60如波形67所示地闭合。

当去往声学收发器的vcc电源电压闭合时，与14000hz至20000hz的声学通信相关联的声学前端电路被接通。可选地，第二电路或处理器也被接通以检查前导码(唤醒)信号的有效性。

应当理解，任何前端电路都可以与图6中的唤醒电路48一起使用，例如，诸如参考图1示出和描述的低噪声输入切换电路10、参考图2示出和描述的数字切换输入电路29和参考图3示出和描述的高灵敏度前端电路39之类的前端电路。

现参考图8，图8是根据一个示例性实施例的声学通信协议的简化示图。

作为选择，图8的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图8的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图8所示，声学通信协议可包括前导码信号(preamblesignal)或前导码部分68(其也可以被称为信标信号或标记信号)以及携带声学通信数据的有效载荷部分69。

现参考图9，图9是根据一个示例性实施例的声学通信协议的简化三维示图。

作为选择，图9的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图9的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

图9示出了时域和频域中的声学通信协议的组件。作为选择，图9的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图9的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图9所示，声学通信协议可包括前导码部分和有效载荷部分(例如，对应于与图8的前导码部分68和有效载荷部分69)。前导码部分可包括诸如f0、f1和f2之类的一个或多个唤醒音调70。前导码部分还可包括声学有效载荷的调制参数71。前导码部分还可包括用于在携带有唤醒音调的频带与携带有效载荷调制参数的频带之间的频域中进行分离的防护频带72。

通过例如参考图6示出和描述的唤醒电路48检测唤醒音调f0、f1和f2等。在这种情况下，有源滤波器53可被调谐至存在信令音调(例如，f0、f1、f2)的范围。因此，唤醒电路48可例如通过检测唤醒信号的包络并与包络的延迟版本进行比较来检查和验证如参考图7示出和描述的唤醒信号的存在。

唤醒信号使用如下的特定音调，这些音调提供针对多普勒效应(dopplereffect)和载波偏移(carriershift)的鲁棒性。可以通过唤醒音调之间的差异来进一步验证唤醒信号。例如，不论多普勒频移(dopplershift)和/或载波偏移如何，具有诸如x＝f1-f0和y＝f2-f0之类的x和y值可以实现对x参数和y参数的检测。

现参考图10，图10是根据一个示例性实施例的用于唤醒协议的状态机73的简化图。

作为选择，图10的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图10的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

如图9所示，状态机73通常处于“待机”状态74。当检测到一个唤醒音调或一系列唤醒音调时(过渡75)，状态机73可以过渡至“检查前导码”状态76。然后，如果检测到有效前导码，则状态机73可以过渡(77)至“唤醒”状态78。此时，唤醒电路例如通过向接收器电路提供功率(vcc)来接通接收器电路。可选地，特殊的hw或处理器也被接通。应当理解，在“检查前导码”状态76中对调制参数进行解码。

在“唤醒”状态78中，接收器解调并处理所接收的处于声学通信协议的有效载荷部分中的声学通信数据。在通信阶段结束时，状态机73可以过渡(79)至关闭状态80，在该关闭状态中，接收器关闭并设定唤醒电路。然后，状态机73可以过渡(81)回至“待机”状态74。

现参考图11和图12，图11和图12分别是根据两个示例性实施例的缓冲器电路82和83的简化框图的两个版本。缓冲电路82是基于mosfet晶体管的，而缓冲电路84是基于jfet晶体管的。

作为选择，图11和图12的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图11和图12的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。特别地，缓冲电路82和/或缓冲电路84可以结合图6的唤醒电路48进行使用。

如图11所示，缓冲电路82可连接到典型的驻极体电容式传声器(ecm)84。然而，替代地，缓冲电路82可连接到图12所示的典型的mems传声器85。类似地，如图12所示，缓冲电路83可连接到典型的mems传声器85。然而，替代地，缓冲电路83可被连接到如图11所示的典型的驻极体电容传声器(ecm)84。

缓冲电路82和83分别是基于在用于放大的饱和区中工作的mosfet晶体管和jfet晶体管的。缓冲电路82和83使用具有大idss的宽(例如，大功率)晶体管。这些电路的snr由等式3给出，其中vx是vt(mosfet的关联阈值电压)或vp(jfet的夹断电压)。

等式3：

因此，可以通过使用在dc区域上以低增益带宽工作的op放大器并因此消耗低功率来显著地减小id并仍获得与高id缓冲器类似的优良snr。op放大器对来自源极引脚的电压进行采样并将vref偏置在源极引脚上，使得id＝vref/rs。

从而在饱和vds>vgs-vx中工作。由于id小且idss大，所以差异小，且在几mv的范围内。因此，晶体管的包括rd和晶体管q的增益级可以以被指定为vcc_low的极低电源电压工作。

由于op放大器以极低的电源电流工作，所以在其输入端和其输出端中可能存在噪声项。为了阻断这样的噪声源，缓冲器电路包括双向噪声阻断滤波器和/或第二噪声阻断滤波器。这两个滤波器被实施为如图6所示的无源rc滤波器。

现参考图13和图14，图13和图14是根据两个示例性实施例的用于噪声阻断滤波器的两个简化电示意图。

作为选择，图13和图14的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图13和图14的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。此外，上述定义可同样适用于下面的描述。

由于op放大器以极低的电源电流工作，所以在其输入端和其输出端中可能存在噪声项。为了阻断这样的噪声源，可以使用双向噪声阻断滤波器。这种噪声阻断滤波器可以通过使用无源电阻器-电容器(rc)滤波器来实施。图13和图14的电示意图给出了能够结合图11和图12以及下述的系统的其它部分使用的这种双向噪声阻断滤波器的两种可能变形。

现参考图15和图16，图15和图16分别是根据两个示例性实施例的低噪声放大器(lna)电路86和87的简化框图的两个版本。

作为选择，图15和图16的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图15和图16的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。特别地，lna电路86和/或87可结合图6的唤醒电路48进行使用。

以类似于图11和图12的缓冲器电路的方式，缓冲器电路86是基于mosfet晶体管的，而缓冲器电路87是基于jfet晶体管的。这两个lna电路使用低通滤波器来抑制来自op放大器的噪声。

现参考图17、图18和图19，图17、图18和图19是根据三个示例性实施例的三种类型的有源滤波器的简化框图。

作为选择，图17、图18和图19的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图17、图18和图19的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。特别地，图17、图18和图19中的任一者的有源滤波器可结合图6的唤醒电路48进行使用。

图17示出了基于op放大器和被指定为rc网络的电阻器-电容器网络的单级有源滤波器88。图18示出了包括两级的图17的有源滤波器88的双级有源滤波器89。应当理解，可例如使用任何数量的级的图17的有源滤波器88来构造多级有源滤波器。这些级通常串联地布置，且rc值被设计为实现期望的响应，例如，巴特沃斯(butterworth)滤波器、切比雪夫(chebyshev)滤波器和椭圆滤波器等。图19示出了一级的2阶带通滤波器90。

现参考图20，图20是根据一个示例性实施例的基于mosfet的超低功率有源滤波器的简化框图，且参考图21，图21是根据一个示例性实施例的基于jfet的超低功率有源滤波器的简化框图。

作为选择，图20和图21的框图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图20和图21的框图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。特别地，图20和图21中的任一者的有源滤波器可结合图6的唤醒电路48进行使用。

在图20和21中，由b1和b2表示的元件是可以通过使用导线或源极跟随器缓冲器来实现的缓冲器。例如，可以基于参考图17、图18和图19示出和描述的有源滤波器中的任一者来实现元件b1和/或元件b2。

现参考图22和图23，图22和图23是根据两个示例性实施例的噪声阻断电压缓冲器的两个版本的简化示意图。

作为选择，图22和图23的示意图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图22和图23的示意图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。

图22和图23示出了单级有源滤波器的两个示例。这些有源滤波器可以使用允许低id并因此允许低vgs-vx(vx是vp或vt)并因此允许被表示为vcc_low的低电源电压的宽(例如，高功率)晶体管。从这个意义上讲，图22和23的单级有源滤波器以与上述的传声器缓冲器相同的方式工作。

图22的噪声阻断电压缓冲器是基于jfet的，而图23的噪声阻断电压缓冲器是基于mosfet的。

应当理解，参考图20、图21、图22和图23示出和描述的实施例包括在本文中示出和描述并且能够通过使用无源rc网络来实现的一个或多个双向噪声阻断滤波器。

vcc_low可处于10mv至100mv的范围内。dc至dc降压型电荷泵可用于提供vcc_low低电压。dc至dc降压型电荷泵可以使用32khz的方波来提供约95％至99％的效率。

因此，图4的唤醒电路48预期从3v电池消耗约50nw至500nw或17na至130na的范围内的电流，这与图4的声学前端相比相当低。

应当理解，本文描述的系统和方法改善诸如智能手机之类的特别地用于声学通信的常见语音设备的性能。特别是接收器侧的改进可被估计为26db。通过使用多个传声器和扬声器来进一步改进声学通信。此外，本文描述的实施例设置了有效的唤醒机制，这种唤醒机制进一步改进了处于待机的声学通信并消耗超低的功率。

应当理解，本文描述的系统和方法将正常声学(声音)水平下的声学通信的距离增加至20米以上。通常干扰声学调制解调器的接收侧的语音信号的影响减小。mevio展宽器(stretcher)的使用可以进一步增强声学通信的范围。

现参考图24，图24是根据一个示例性实施例的支持mimo的移动电话91的简化示图。

作为选择，图24的示图可以结合前面附图的细节进行考虑。然而，图24的示图也当然可以结合任何期望的环境进行考虑。另外，上述定义可同样适用于下面的描述。

支持mimo的移动电话91可以是包括用于声学通信的mimo布置的任何通信设备。如图24所示，支持mimo的移动电话91可包括含有多个传声器92和/或扬声器93的电话(例如，智能手机)。图24中的传声器92和/或扬声器93仅是示例性的。应当理解，可以在支持mimo的移动电话91上的任何地方(例如，在前面板上，在后面板(未示出)上和在侧面(例如，传声器94)上)定位任何数量的传声器92和任何数量的扬声器93。

应当理解，传声器92和/或扬声器93的布置可适于声学通信的现行方向和/或优选方向。应当理解，例如通过为声学通信的每个方向选择特定的多个传声器92和/或扬声器93，传声器92和/或扬声器93的布置可适于声学通信的多个现行方向和/或优选方向。

例如，三个传声器92和/或三个扬声器93可以提供三对传声器92和/或扬声器93，其中每对传声器92和/或扬声器93适于声学通信的特定方向。

例如，传声器92和/或扬声器93的布置可以适于各个特定方向，每个方向可以指定用于声学通信的特定方向的相应传声器92和/或扬声器93的布置的特定多个x和y坐标。

对于m个方向，我们可以例如具有m×n1对x和y位置坐标。在例如使用n2>n1个传声器和/或扬声器的情况下，可以定位最佳的n2对x和y位置坐标，使得满足特定的通信错误(例如，误码率)标准。

其它标准也是可能的，例如，用于声学通信的传声器92和/或扬声器93可被布置和/或选择成使得存在最小数量的零位(null)且/或使得噪声最小化且/或增强信噪比(snr)。标准的任何组合或加权组合也是可能的和可设想的。

传声器92和/或扬声器93的布置可适于声学通信的所选的频率和/或波长范围。例如，频率范围为14000hz至20000hz的声学通信信号的波长为大约2.4cm至1.7cm。

例如，可以针对每个方向使用三个传声器。这三个传声器的位置坐标可被确定成使得信号的接收最大化。这可以针对多个方向重复。

例如，可以使用十个传声器和/或扬声器并将它们布置在蜂窝电话上，使得对于每个方向，在最佳位置附近至少布置有三个传声器和/或扬声器。

应当理解，本文所呈现的实施例的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。反之，在单个实施例的范围中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合方式提供。

虽然结合具体实施例对本发明进行了描述，但是显然地，许多替代、修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入到所附权利要求的精神和宽范围内的所有这样的替代、修改和变化。在此将在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请的全部内容以引用的方式并入本文，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为以引用的方式并入本文。此外，本申请中任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认这种引用可作为现有技术。