专利名称：用于无线声频降噪的电平相关压缩扩展的装置和方法
技术领域：
本发明涉及无线声频扩音器系统。
背景技术：
为了在说话者和听该说话者说话的那些人之间进行声音通信，通常利用声频电子设备来便于通信。术语“说话者”的意思是各种各样的输入源，包括个人发声语言或演奏歌曲的乐队。而且，为了获得更多的移动性，说话者会要求无绳地连接到声频电子设备。可以通过调频(FM)无线电技术来提供声学扬声器与电子设备之间的无线连接，在所述无线电技术中声频电子设备包括发送机(其包括编码器)和接收机(其包括解码器)。在这样的结构中，发送机处理由说话者提供的声频信号，并且对该信号进行调制，从而可以通过无线路径将所转换的信号传递到接收机。接收机解调所接收到的信号，并且随后被处理的接收到的信号被送到可以放大该被处理的接收到的信号的电路。可以通过附加的记录电路来记录相应的信号，或者可以用声学扬声器结构将其转换成声频信号。
所处理的接收的信号、以及因此相关联的声频信号的质量可能被在编码器与解码器之间的无线路径中产生的任何噪声所“降低”。(术语“噪声”与叠加在期望的未失真的信号上的随机变化信号相关联)。对于无线路径，有大量的噪声源，包括发送机VCO(压控振荡器)相位噪声、发送机合成器稳定性、接收机中的FM检测器的质量、接收机RF带通滤波器、以及接收机的本地振荡器。而且，使用FM无线电技术，无线路径易受到当通过接收机接收微弱的无线电信号时所产生的FM噪声的影响。
由于类似的某人呼吸的声音特性，FM噪声导致(提供给听众)具有“喘息”特性的声频信号。这种“喘息”效应是由动态噪声与压缩扩展类型一同引起的。而且，“喘息”效应的程度随着动态噪声电平的增加而增加。这种产生的效果对于听众来说是明显的，并且被感知为声频信号的退化。因此，改善这种“喘息”效应的方案是无线扩音器技术的进步。
发明内容
本发明减轻了与在无线声频降噪系统的编码器与解码器之间的无线通信路径相关的“喘息效应”。否则，听众会觉察到某人呼吸的特性的声音。这种“喘息”效应是由动态噪声与压缩扩展类型一同引起的。而且，“喘息”效应的程度随着动态噪声电平的增加而增加。
本发明提供用来减轻相应的喘息效应的装置和方法。根据本发明，无线声频降噪系统包括编码器和解码器。所述编码器包括可变压缩器，用于当输入信号在第一输入阈值之上时进行压缩操作；调频(FM)调制器；以及匹配网络，用于将所述调制器连接到第一天线，所述第一天线经由所述第一通信路径进行传送。所述解码器通过第二天线经由无线通信路径从所述编码器接收信号。所述解码器包括FM检测器和可变扩展器，该可变扩展器在第二输入阈值之上进行扩展操作。
提供一个本发明的示例性实施例，来说明具有诸如无线电路径或电缆的通信路径的编码器和解码器的结构。而且，用商业上可获得的组件示出了所述编码器和解码器的电子设计。
图1示出了根据本发明的无线声频降噪系统的系统结构；图2示出了可变压缩器的增益函数的关系；图3示出了可变压缩器的功能图；图4示出了可变扩展器的功能图；图5示出了用于实现根据图3的可变压缩器的电路简图；以及图6示出了用于实现根据图4的可变扩展器的电路简图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的无线声频降噪系统的系统结构。输入源101产生一个声信号，该声信号经由传输路径102而被输入装置103所处理。虽然图1描述了输入源101为一个人，但是本领域的技术人员应当理解，输入源101可以是个人、乐器、紧密盘(CD)、或任何声频频带信号的发生器。输入装置103对由输入源101产生的信号进行处理。从而，输入装置103的选择取决于输入源101的选择。例如，如果输入源101是一个人，则扩音器可用作输入装置103。如果输入源101是CD，则与CD播放器相关的电子仪器可用作输入装置103。传输路径102取决于101和103的选择。传输路径102的一些示例包括空气或连接101和103的电缆。
HPF 105是一种用于减少能够通过传输路径102产生的、不期望的噪声(例如在汽车中谈话时的风噪声)的高通滤波器。然而，包含HPF 105的需要取决于输入源101、传输路径102、以及输入装置103的特性。预增强电路107增加了出现的信号的高频分量的增益。本领域中所周知的，预增强电路的包含通过调频技术来增大所产生的信噪比(S/N)。得到的信号是至可变压缩器109的输入信号。
可变压缩器109具有取决于输入信号的电平的增益特性。关于图2来讨论该增益特性，而用图3来更详细地讨论可变压缩器109的操作。可变压缩器109仅当至109的输入信号在第一输入阈值之上时进行压缩。否则(即输入信号在第一输入阈值之下)，可变压缩器109具有一个固定的增益(通常在35和50dB之间)。换句话说，可变压缩器109的压缩特性被禁用。
可变压缩器109的输出由调制器111处理。调制器111采用调频(FM)技术。所得到的111的输出由匹配网络113来处理。匹配网络113将编码器的阻抗与天线115的阻抗进行匹配，并且提供所期望的传输信号电平。通过射频(RF)路径116在天线115与天线117之间建立通信。替换实施例可以利用除了射频介质之外的其它类型的传输媒体。替换示例包括红外传输介质和可见光介质。
通过FM检测器119处理由解码器的天线117接收到的接收信号。FM检测器119利用FM技术将FM信号转换成基带声频信号。放大器121将FM检测器119的输出信号放大到合适的电平。根据所接收到的信号的特性，可以不需要放大器121。通过LFP 123处理来自放大器121的输出，该LFP 123是一个低通滤波器。LFP 123的响应与HPF 105的响应一起产生一个有效的带通滤波器，用于减少可能阻碍可变扩展器125的操作的超声波和亚声波信号。然后通过可变扩展器125处理LFP 123的输出。
可变扩展器125具有可变压缩器109的反向增益特性，以便从输入源101中恢复输入信号。如果输入信号在第二阈值电平之上，则可变扩展器125进行扩展操作。如果在第二阈值电平以下，则扩展器125具有一个固定增益来补偿可变压缩器109的相应的固定增益。参照图4来详细讨论扩展器125的操作。
然后，可变扩展器125的输出被递送到去增强(de-emphasis)电路127。去增强电路具有一个预增强电路105的实质上相反的增益函数。因此，去增强电路127对于输入信号的低频分量具有一个更高的增益。所处理的信号被送到输出装置129。输出装置129的示例包括调音台、声频扬声器、以及记录装置。
尽管图1示出了一种无线系统，但是本领域的技术人员应当理解，本发明还可应用于其中RF路径116被例如电缆、红外传输介质、或可见光介质的非无线传输路径代替的非无线系统。“喘息效应”的程度取决于关于非无线路径所产生的信号恶化量。而且，如本领域的技术人员所能理解的，本发明可应用于利用调制方案而不是调频方案的声频通信系统。
图2示出了图1中所示的可变压缩器109的增益函数的关系。压缩器输入201(以dB为单位)被映射至压缩器输出202(以dB为单位)。当压缩器输入201在I1 206之上时，可变压缩器109进行由曲线203反映的压缩操作。绘制点205对应于其中相关联的压缩器输出是O1 207的I1 206。如果压缩器输入201在I1 206以下，则可变压缩器109具有一个基本上由曲线204表示的增益。
在设计可变压缩器109的增益函数时，设计者必须考虑与109相关的电压干线。所处理的信号的相关电压电平受到电源的电压电平的限制。选择绘制点205来满足由无线声频降噪系统100的电压干线和动态范围要求所施加的限制。通过用扩展器输出来代替压缩器输入210和用扩展器输入代替压缩器输出202，可以从图2中推导出可变扩展器125的增益函数。通过增加压缩比(如曲线203所反映的)，压缩输入I1 206的值变大。因为“喘息”效应(由RF路径116上产生的噪声引起)被减弱了，因此可期望I1 206的值增加。然而，增加压缩比需要扩展比相应地增加。但是，随着压缩和扩展比的增加，可变压缩器109和可变扩展器125的组件耐久性变得更加重要。如果压缩和扩展比变得太大，则无线声频降噪系统100的实用性降低。
图3示出了可变压缩器109的功能图。来自预增强电路107的输入信号连接到VCA(压控放大器)301的输入300。VCA 301是一种其增益随着控制电压302变化的放大器。通过放大器303和LPF 305来处理VCA301的输出。LPF 305是一种低通滤波器，并且充当积分器来提供期望的时间常数，以便缓和不期望的瞬变现象。根据编码器反馈所需要的滤波特性，LPF 305在设计时是可选的。通过调制器111以及通过包括RMS检测器307、压缩器比和阈电路309以及放大器311的反馈回路电路结构来处理可变压缩器109的输出316。RMS检测器307对来自LPF 305的输出进行处理，从而RMS检测器307的输出表示输出316的均方根(RMS)值。压缩器比和阈电路309对RMS检测器307的输出进行处理，以便在压缩器输入I1 206之上进行压缩器操作。而且，电路309确保VCA 301和307的信号电平相一致。并入偏置电路313，以确保VCA 301的偏置电平与RMS检测器307的偏置电平相一致。调谐电路315提供相关波形的对称性，以便减低VCA 301的输出的失真。
图4示出了图1所示的可变扩展器125的功能图。输入400连接到图1中的LPF 123的输出。输出412连接到图1中的去增强电路127的输入。VCA401、扩展比和阈电路405、RMS检测器407、偏置电路409、以及调谐电路411的功能分别与图3中示出的VCA 301、压缩比和阈电路309、RMS检测器307、偏置电路313、以及调谐电路315的功能相对应。扩展比和阈电路405的设计必须考虑VCA 401的增益函数实质上是VCA 301的增益函数的反函数的事实。
图5示出了用于实现根据图3的可变压缩器109的电路简图。在说明性的实现中，集成电路501和集成电路510分别是THAT2181和THAT2252。这两种集成电路都是由THAT公司制造的。(产品说明可以在网络上www.thatcorp.com处获得)。或者，THAT4311 RMS检测器可以代替THAT2252来作为集成电路510。输入300连接到管脚502(in)，管脚503(out)连接到运算放大器507。运算放大器507和电阻508对应于图3中的放大器303。管脚504(EC-)连接到包括放大器311、压缩器比和阈电路309以及RMS检测器307的反馈回路。管脚505(TRIM)连接到315。管脚506(EC+)接地。
运算放大器507的输出对应于输出316，该输出为可变压缩器109的输出。而且，通过RMS检测器307处理输出316，所述RMS检测器307包括集成电路510、电阻509、电阻515、以及电容器516。电阻509连接到集成电路510的管脚511(in)。连接到管脚513(IT)的电阻515以及连接到管脚514(CT)的电容516允许调谐集成电路510的时间常数。管脚512(out)连接到压缩器比和阈电路309的输入，该压缩器比和阈电路309包括电阻518、519和523，运算放大器517以及二极管522。通过由电阻518、电阻519以及电源520(-VEE)调节的相应的DC偏移来确定压缩阈值。通过运算放大器517的增益来确定压缩比。
压缩器比和阈电路309的输出由放大器311来处理，该放大器311包括运算放大器524、电阻525、和电阻526。放大器311的输出连接到管脚504(EC-)，以便控制集成电路501的电压增益。
通过调节由调谐电路315提供至管脚505(TRIM)的电压电平来减少集成电路501的输出失真。调谐电路315包括电阻528和529。电阻结构充当一个与电源520(-VEE)和527(+VCC)连接的分压器。
图6示出了用于实现根据图4的可变扩展器125的电路简图。在说明性实现中，集成电路602和集成电路609分别是THAT2181和THAT2252。或者，可以由THAT4311 RMA检测器来代替THAT2252作为集成电路609。输出400通过电阻601连接到集成电路602的管脚603(in)。管脚604(out)连接到可变扩展器125的输出402。
在输入400与集成电路602的管脚605(EC+)之间配置一条包括RMS检测器407、扩展比和阈电路405、以及放大器403的控制回路。管脚606(TRIM)连接到调谐电路625，管脚607(EC-)接地。
RMS检测器407包括电阻608、集成电路609、电阻614、以及电容器615。连接到管脚612(IT)的电阻614与连接到管脚613(CT)的电容器615允许对集成电路609的时间常数的调谐。管脚611(out)连接到扩展比和阈电路405的输入，该扩展比和阈电路405包括电阻616、618、619、和622，运算放大器617以及二极管521。通过由电阻618、电阻619以及电源620(-VEE)调节的相应的DC偏移来确定扩展器阈值。通过运算放大器620的增益来确定扩展比。
扩展比和阈电路405的输出由放大器403来处理，该放大器包括运算放大器623、电阻624以及电阻626。放大器403的输出连接到管脚605(EC+)，以便控制集成电路602的电压增益。
通过调节由调谐电路411提供至管脚606(TRIM)的电压电平来减少集成电路602的输出失真。调谐电路411包括电阻627和628。电阻结构充当一个与电源620(-VEE)和625(+VCC)连接的分压器。
虽然已经关于包括执行本发明的优选模式的具体示例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，存在大量在所附权利要求阐述的本发明的精神和范畴之内的、上述系统和技术的变化和变换。
权利要求
1.一种在输入源与输出装置之间提供无线通信的无线声频降噪系统，所述无线声频降噪系统包括编码器，包括可变压缩器，所述可变压缩器通过输入装置接收从所述输入源产生的信号，所述可变压缩器在第一输入阈值之上进行压缩操作，该压缩操作与大于一比一的压缩比相关联；连接到所述可变压缩器的调制器；以及连接到所述调制器的匹配网络，所述匹配网络连接到第一天线；与所述编码器通信的解码器，该解码器包括信号检测器，所述信号检测器的输入由第二天线驱动，所述第二天线与所述第一天线进行无线通信；以及可变扩展器，其连接到所述信号检测器，该可变扩展器在第二输入阈值之上进行扩展操作，所述扩展操作具有一个大于一比一的扩展比。
2.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述调制器和信号检测器采用调频技术。
3.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，还包括连接在所述可变压缩器与输入源之间的预增强电路。
4.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，还包括连接在所述可变压缩器与所述输入源之间的高通滤波器。
5.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述压缩比在三比一到八比一之间。
6.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述可变压缩器包括压控放大器，该压控放大器的输入由所述输入源驱动；连接到所述压控放大器的均方根检测器；以及连接到所述均方根检测器的压缩比和阈电路，该压缩比和阈电路的输出影响所述压控放大器的增益函数。
7.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述可变压缩器还包括偏置电路，该偏置电路用于减小所述均方根检测器和压控放大器的偏置差。
8.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述第一天线被集成到所述无线声频降噪系统中。
9.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述输入装置被集成到所述无线声频降噪系统中。
10.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述输入装置是从由扬声器和记录装置组成的组中选择的。
11.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述输入装置包括至少一个转换器。
12.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，还包括连接在所述可变压缩器与所述输出装置之间的去增强电路。
13.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，还包括连接在所述可变扩展器与所述信号检测器之间的低通滤波器。
14.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述扩展比在一比三到一比八之间。
15.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述可变扩展器包括压控放大器，该压控放大器的输入由所述信号检测器驱动；连接到所述压控放大器的均方根检测器；以及连接到所述均方根检测器的扩展比和阈电路，所述扩展比和阈电路的输出影响所述压控放大器的增益特性。
16.如权利要求15所述的无线声频降噪系统，其中所述可变压缩器还包括偏置电路，该偏置电路用于减小所述均方根检测器和压控放大器的偏置差。
17.如权利要求1所述的无线声频降噪系统，其中所述第二天线被集成到所述无线声频降噪系统中。
18.一种用于在从输入源到解码器的无线路径上进行传送的编码器，该编码器被提供了来自所述输入源的输入信号，所述编码器包括可变压缩器，该可变压缩器通过输入装置从所述输入源接收信号，所述可变压缩器在第一输入阈值之上进行压缩操作，所述压缩操作具有大于一比一的压缩比；连接到所述可变压缩器的调制器；以及连接到所述调制器的匹配网络，所述匹配网络连接到第一天线。
19.如权利要求18所述的编码器，其中所述调制器采用调频技术。
20.如权利要求18所述的编码器，还包括连接在所述可变压缩器与所述输入源之间的预增强电路。
21.如权利要求18所述的编码器，还包括连接在所述可变压缩器与所述输入源之间的高通滤波器。
22.如权利要求18所述的编码器，其中所述压缩比在三比一到八比一之间。
23.如权利要求18所述的编码器，其中所述可变压缩器包括压控放大器，该压控放大器的输入由所述输入源驱动；连接到所述压控放大器的均方根检测器；以及连接到所述均方根检测器的压缩比和阈电路，所述压缩比和阈电路的输出影响所述压控放大器的增益函数。
24.如权利要求23所述的编码器，其中所述可变压缩器还包括偏置电路，该偏置电路用于减小所述均方根检测器和压控放大器的偏置差。
25.如权利要求18所述的编码器，其中所述第一天线被集成到所述编码器中。
26.如权利要求18所述的编码器，其中所述输入装置被集成到所述编码器中。
27.如权利要求18所述的编码器，其中所述输入装置是从由扬声器和记录装置组成的组中选择的。
28.如权利要求18所述的编码器，其中所述输入装置包括至少一个换能器。
29.一种用于在无线路径上从编码器接收信号的解码器，该解码器被提供了从所述编码器接收的信号，所述解码器包括信号检测器，该信号检测器的输入由从第二天线接收的信号来驱动；以及连接到所述信号检测器的可变扩展器，该可变扩展器在第二输入阈值之上进行扩展操作，所述扩展操作具有大于一比一的扩展比，所述可变扩展器的输出驱动输出装置。
30.如权利要求29所述的解码器，其中所述信号检测器采用调频技术。
31.如权利要求29所述的解码器，还包括连接在所述可变压缩器与所述输出装置之间的去增强电路。
32.如权利要求29所述的解码器，还包括连接在所述可变扩展器与所述信号检测器之间的高通滤波器。
33.如权利要求29所述的解码器，其中所述扩展比在一比三到一比八之间。
34.如权利要求29所述的解码器，其中所述可变扩展器包括压控放大器，该压控放大器的输入由所述信号检测器驱动；连接到所述压控放大器的均方根检测器；以及连接到所述均方根检测器的压缩比和阈电路，该压缩比和阈电路的输出影响所述压控放大器的增益特性。
35.如权利要求34所述的解码器，其中所述可变扩展器还包括偏置电路，该偏置电路用于减小所述均方根检测器和压控放大器的偏置差。
36.如权利要求29所述的解码器，其中所述第二天线被集成到所述解码器中。
37.一种用于在从输入源到输出装置的传输路径上提供通信的非无线声频降噪系统，所述非无线声频降噪系统包括编码器，包括可变压缩器，该可变压缩器通过输入装置接收从所述输入源产生的信号，所述可变压缩器在第一输入阈值之上进行压缩操作，该压缩操作与大于一比一与的压缩比相关联；连接到所述可变压缩器的调制器；以及连接到所述调制器的匹配网络，该匹配网络连接到所述传输路经；与所述编码器通信的解码器，该解码器包括信号检测器，该信号检测器的输出由所述传输路径驱动；以及可变扩展器，连接到所述信号检测器，该可变扩展器在第二输入阈值之上进行扩展操作，所述扩展操作具有一个大于一比一的扩展比。
38.一种对在无线路径上传输的输入信号进行编码，以便支持与所述无线路径相关的噪声减少的方法，所述方法包括步骤可变地压缩所述输入信号，其中在输入阈值之上进行压缩操作，以便产生处理的信号；对所处理的信号进行调频，以便产生被调制的信号；通过第一天线发送所述被调制的信号。
39.如权利要求38所述的方法，其中可变地压缩所述输入信号的步骤包括步骤调节压控放大器的电压控制输入；测量从所述压控放大器的输出产生的信号的均方根值；以及确定压缩比和阈值，该压缩比和阈值影响所述压控放大器的增益函数。
40.一种对在无线路径上接收到的调频信号进行解码，以便支持所述无线路径上的噪声减少的方法，所述方法包括步骤检测所接收的信号，该所接收的信号由第二天线提供；以及可变地扩展由所述检测步骤提供的所检测的信号。
41.如权利要求40所述的方法，其中可变地扩展所检测的信号的步骤包括步骤调节压控放大器的电压控制输入；测量从所述压控放大器的输出产生的信号的均方根值；以及确定压缩比和阈值，该压缩比和阈值用于影响所述压控放大器的增益函数。
全文摘要
本发明提供了用于减轻在利用调频(FM)的无线电声频降噪系统的编码器与解码器之间的无线通信路径上出现的噪声的装置和方法。所述编码器包括可变压缩器，用于当输入信号在第一阈值电平之上的时候进行压缩。所述解码器包括可变扩展器，用于当从所述解码器接收的信号在第二阈值电平之上的时候进行扩展。
文档编号H04B14/00GK1565088SQ02819683
公开日2005年1月12日 申请日期2002年9月25日 优先权日2001年10月3日
发明者戴维·塞拉 申请人:舒尔公司