基于超声波的无线耳机及其控制系统的制作方法

本发明涉及无线耳机及其控制技术，特别涉及一种基于超声波的无线耳机及其控制系统。

背景技术：

无线耳机作为手机、平板电脑、个人电脑、电视等终端的配件被广泛使用。无线耳机不受耳机线的限制，便携性和传输距离都有显著提升。如图1所示，发送设备发射的信号经由介质传播，无线耳机对该信号接收并进行匹配，通过解码等处理，从收到的信号还原出声音，驱使扬声器向用户播放。

然而，现有的无线耳机，一般基于蓝牙技术或wifi技术进行信号传输，其受环境的影响非常剧烈：由于都使用了2.4ghz附近ism频段，当有限区域内集中使用同一频段上的各种无线通信技术时，相互之间就可能出现干扰，严重时甚至会导致无线通信的中断。同时，在某些强电磁环境(如变电站、有恶意电磁干扰的场合等)中，基于蓝牙或wifi的无线通信会受到严重的干扰。尤其是具有金属外壳的耳机，wifi和蓝牙模式下都可能出现信号差，传输不稳定的问题。而且，基于蓝牙和wifi传输的数据，本身为数字信号，也容易受到强的电信号的干扰，出现误码、错码等问题。

人们能听到声音是由于物体振动而产生的，它的频率在20hz～20khz范围内，超过20khz称为超声波。由于人耳听觉限制，传统的手机等移动终端，几乎不关注超声波频段的声音，超声波在手机上的应用几乎空白。实际上，超声波作为一种人耳听不到的声音，自身拥有众多优点，在我们日常生活中的应用非常广泛。

超声波作为一种机械波，常用的超声波频率为几十khz～几十mhz，具有波长短、能量高、频率较高、沿直线传播、定向性好、穿透能力强、不受电磁干扰、不受电磁频段制约的特点，在医学、军事、工农业等领域，用于测距、测速、切割、清洗、杀菌、驱虫害，等等。例如，由于超声波遇到杂质或分界面时会产生反射，较多的利用这一特性来实施超声波探伤或测距。超声波遇到移动物体时，能产生多普勒效应，使接收到的频率发生变化，由此可制成多普勒测距系统。

声音信号比较复杂，它由许多频率成分组成，但通常情况下一个复杂的声音信号可以看作是由许多不同频率正弦信号的叠加，因此，声音信号在声源处对载波信号的调制，其实相当于不同频率的载波信号在声源处对载波信号进行了调制。因此，如果利用超声波的特性运用在信息交互方面，使用超声波作为载体来传送声音或其他信号，将是移动终端领域的一大进步。

技术实现要素：

为了解决目前蓝牙、wifi无线耳机存在的问题，本发明提供一种基于超声波的无线耳机及其控制系统，以超声波携带信息进行无线传输，有效提高抗电磁干扰能力和信号传输时的效率。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种基于超声波的无线耳机：

所述无线耳机作为超声波信号的接收端，包含：

第二超声换能器，其与发送端的第一超声换能器通过介质耦合，以接收发送端输出的超声波信号并将其转换成电信号；

电压放大器，对第二超声换能器接收的电信号进行电压放大；

检波器，对电压放大后的电信号进行解调，以还原出声音信号；

音频功率放大器，接收还原出的声音信号进行音频放大，并使耳机发声。

优选地，构建所述检波器的处理器，还与解码器连接，通过所述解码器对检波后的信号进行解码；所述解码器还与第一数模转换器连接，通过所述第一数模转换器对解码得到的信号转换成相应的模拟信号后，输出给所述音频功率放大器。

优选地，所述接收端进一步设置有：

第一麦克风，对耳机内外包含噪音的声音信号进行采集；

信号过滤模块，从第一麦克风采集的声音信号中过滤出噪音信号；

频幅调整模块，过滤出的噪音信号的频谱、幅度进行调整；

信号反相模块，对频幅调整后的噪音信号进行反相处理；

信号叠加模块，将反相处理后的噪音信号，叠加到通过音频功率放大器输出的声音上，通过耳机播放。

优选地，所述接收端还设置有分析模块，其与所述信号过滤模块、频幅调整模块分别连接，对过滤出的噪音信号进行分析，以识别出用户当前所处环境的噪音模式，并结合用户选择的参数，向所述频幅调整模块输出对噪音信号的频幅调整程度进行控制的指令。

优选地，所述分析模块识别出用户当前所处环境有第二声源时，还驱使与该分析模块连接的所述音频功率放大器对根据超声波信号还原出的声音信号的音量减弱，并对其叠加经由频幅调整模块、信号反相模块、信号叠加模块依次处理后得到的与第二声源对应的声音信号，一起通过耳机播放。

本发明的另一个技术方案是提供一种基于超声波的无线耳机的控制系统，其包含：

设置在终端设备处的发送端，其进一步包含：

调制模块，确定超声波对应的载波，并将接收到的音频原始信号调制形成相应的高频数据；

驱动功率放大器，对高频数据进行放大；

第一超声换能器，被放大后的高频数据驱动，将与音频原始信号相对应的电信号转换成超声波信号并向外发射；

上述任意一项所述基于超声波的无线耳机，作为接收端将超声波信号还原成可通过耳机播放的声音。

优选地，所述调制模块的算法是ssb调制、dsb调制、ppm调制、2fsk调制中的任意一种。

优选地，所述的发送端还包含：第二数模转换器，接收所述调制模块输出的数字格式的高频数据，转换成相应的模拟信号；后级滤波器，对所述第二数模转换器输出的模拟信号进行滤波，并将滤波后的信号输出给所述驱动功率放大器；

或者，所述调制模块输出的是模拟格式的高频数据时，直接对其接收的驱动功率放大器是d类功率放大器；所述发送端还包含重建滤波器，接收d类功率放大器输出的放大信号进行滤波后输出给第一超声换能器。

优选地，所述的发送端还包含：

第二麦克风，采集发送端外部的声音信号；

前级滤波器，对采集到的声音信号进行滤波；

模数转换器，将滤波后的声音信号转换成数字格式；

构建所述调制模块的处理器，接收数字格式的声音信号进行调制处理；

其中，构建所述调制模块的处理器还与编码器连接，通过编码器控制所述调制模块输出两种不同频率的超声波信号，与数字格式的声音信号的0和1相对应；或者，所述处理器不与编码器连接。

优选地，设置第一超声换能器及驱动功率放大器的外接设备，通过所述终端设备的耳机接口或usb接口与该终端设备连接，所述终端设备内部设有发送端中除第一超声换能器及驱动功率放大器以外的其他部件。

综上所述，与现有的蓝牙、wifi无线耳机相比，本发明提供基于超声波的无线耳机及其控制系统，将载波信号从电磁波变为超声波，有效地提高了抗电磁干扰的能力和传输的效率。本发明的架构简单，实现方便，成本较低。

附图说明

图1是现有无线耳机的信号处理示意图；

图2是本发明基于超声波的无线耳机的控制原理示意图；

图3是本发明中发送端的第一实施例的示意图；

图4是本发明中发送端的第二实施例的示意图；

图5是本发明中发送端的第三实施例的示意图；

图6是本发明中发送端的第四实施例的示意图；

图7是本发明中发送端的第五实施例的示意图；

图8是本发明中接收端的第一实施例的示意图；

图9是本发明中接收端的第二实施例的示意图；

图10是本发明中接收端的检波器的原理示意图；

图11是本发明中接收端的第三实施例的示意图。

具体实施方式

以下分别结合附图，说明本发明的多个具体实施方式。

超声波信号传输的工作原理，如图2所示，系统中两个超声换能器通过气体、液体或者固体等媒介耦合在一起；发送端将要传输的音频原始信号通过调整模块调制成不同频率的电信号，再通过第一超声换能器将电信号转换成超声波信号，进入信道；接收端是发送端的逆过程，第二超声换能器接收通过媒介传输的超声波信号，并将其转换成电信号，再通过解调模块将信号从超声波频段解调出来，还原得到音频原始信息。

为了确保超声波信号传输的效果，根据实际的应用需要，还可以在发送端对要传输的信号，进行诸如降低信息冗余度、加密、差错控制、模数/数模转换、滤波和功率放大等信号处理的操作；在接收端可以进行诸如低噪声放大、滤波、检波、信道解码、解密和信源解码等过程。在不同的示例中，上述各项信号处理的操作可以通过硬件电路、软件程序或两者的配合来实现。

本发明中的发送端设置在手机、平板电脑、个人电脑、电视等终端设备处，所述的发送端可以是以终端设备内部的集成模块形式实现，也可以是一种能够插入或连接到终端设备接口上的外接设备，或者还可以将发送端的一部分电路和/或功能模块设置在终端设备内部，另一部分电路和/或功能模块封装为外接设备在需要时再与终端设备连接。

本发明中的接收端设置在无线耳机处，可以是通过耳机内部的集成模块形式来实现，也可以是一种耳机的外接设备，与耳机之间以可拆卸或不可拆卸的方式相互连接；或者，还可以是使所述接收端的一部分电路和/或功能模块位于耳机内部，另一部分在使用时再配接到耳机上。两个超声换能器之间信号传输的介质，通常是空气。

在本发明所述系统的发送端中，调制模块根据其确定的载波，将接收到的原始信号调制入载波形成高频数据；优选的载波频率为40khz。一些示例中，调制模块使用的调制算法为dsb双边带调制、或ssb单边带调制。

dsb双边带调制的作用是实现输入信号的频谱搬移，调制信号的频谱主要集中在40khz附近，这与40khz的载波信号是相吻合的，调制的输出信号具有上下对称的包络波形。与之相比，ssb单边带调制通过改进，只需使用一个边带传输信号，节省了载波功率，节省一半传输频带，降低了对功放和换能器的带宽要求。

ssb单边带调制相当于让dsb调制信号经过一个理想的滤波器，只保留上边带或者下边带，但是这种理想的滤波器在现实中不可能实现。因此，在工程设计中选择了移相法的方式，首先将输入信号分为两组进行处理，一组经过希尔伯特滤波器进行相位变化后与标准正弦载波信号相乘；另一组信号经过时间延迟后直接与标准余弦信号相乘，其中需要保证滤波器和延时器的时间延迟一致。相乘后的两组信号相减就得到上边带信号，相加时得到下边带信号。希尔伯特滤波器通常是采用有限冲击响应(fir)滤波器来实现的，其性能参数与滤波器设计的阶数息息相关。滤波器阶数越高，设计出的滤波器幅值响应曲线的通带更稳定，阻带衰减更快，性能更好。但是阶数的提高也会让滤波器的实现占用更多的资源，在硬件条件有限的情况下，滤波器的阶数不能过分的提高。

常用dsp或fpga作为信号处理平台来处理声源信号。其中，dsp能够很好的实现定点数乘法、数字频率合成等功能，但其内部是流水线结构，数据在其内部只能串行处理，整个算法的每一部分都只能以此进行，其运算的实时性在一定程度上受到了其结构的制约。不能保证在高频率的数据采样和高速率数据输出的情况下还能进行高复杂度的运算，所以应用在声频调制时也影响算法实现的实时性。

而fpga因为由于内部硬件的特点，其在信号处理的过程中特有的并行处理能力也给实时信号处理带来很多方便，极大的提高信号处理速率，多个信号处理过程的并行进行会大大缩短每个数据的处理周期，在单位时间内能处理更多的信号釆样点数据，从而在很大程度上提高了最终输出信号的精度。fpga包含的逻辑门数从几万至几百万，具有可任意配置的寄存器和输入输出引脚，并且开发周期短，具有很高的灵活性。由此非常适合应用于声频调制，本例即选用了基于fpga芯片的处理器，来构建执行上述调制算法的调制模块。并且，所述的fpga芯片还可以被用来执行发送端的信号编码、压缩、纠错、运算、加密等各种数据处理。

鉴于fpga芯片处理的是数字信号，而第一超声换能器又需要有足够推动功率的模拟信号才能驱动。因此，如图3所示，通过dsb调制或ssb调制得到的数字信号，都必须经过数模转换器转换成相应的模拟信号，再使用功率放大器进行放大后，才能够最终送到后级的第一超声换能器。

所述的功率放大器，是第一超声换能器的驱动部件，要在失真尽可能低的情况下，向换能器提供足够功率的驱动信号以使其能正常振动发出超声波；信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率等方面的性能指标，主要由功率放大器来控制。示例的，功率放大器可以使用lm3886tf型的大功率音频放大集成电路芯片构建。

此外，还可以在发送端设置后级滤波器(图3)，对数模转换器输出的信号进行相应的滤波处理后，输出给功率放大器。所述的后级滤波器，通常包含带通滤波模块，可以通过外部电阻电容来调整频率。示例的，还包含信号的调整部件，如可变电阻，来调节进入功率放大器的信号大小，防止因信号过大形成过载现象。

然而，根据调制算法的不同，数模转换器可以被省去。即，如果调制模块输出的高频数据是模拟信号，则可以直接通过设置的功率放大器处理后，对第一超声换能器进行驱动。例如，在使用ppm调制(幅值采样脉冲位置调制)算法对声音信号进行调制时，如图4所示，调制模块输出的信号可以直接采用d类功率放大器进行放大，且经过电感进行重建滤波就可以输出到第一超声换能器。

ppm信号通常被用来记录通信系统中的编码信息，所以利用其脉冲的位置信息来记录输入信号的幅值，也就是通过脉冲位置的变化来反应输入信号的变化，从而实现对输入信号的调制。由于ppm波是一种方波，所以d类功放与之配合能保持一个很高的放大效率，大大提高系统效率；功率放大后的信号再通过信号重建滤波器进行滤波，将ppm波还原为与dsb调制效果近似的模拟信号，以驱动第一超声换能器。由于通常根据换能器组的阻抗特性，将其视为电容，因而，其中所述的重建滤波器就可以采用电感元件，来构建匹配的lc回路，对放大后的信号进行滤波。

由于fpga芯片能够处理的是数字信号，因此，根据信号源的不同，如果音频原始信号是数字信号，则可以直接接入fpga芯片进行调制处理，但如果音频原始信号是模拟信号，则还需要对其设置前级滤波器和模数转换器进行处理后，再提供给fpga芯片。

例如，参见图5所示，对语言、环境音效等进行拾音时，麦克风将声音信号(机械能)转换为电信号，需要通过前级滤波器滤除可听声频带范围以外的噪声，确保其后使用模数转换器采集到的都是有用的声音信号，模数转换器将采集的声音信号其转换成相应的数字格式，才能够输送到fpga芯片进行后续的调制处理。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，数据采样才不会发生混频现象。人耳的可听声范围为20hz到20khz，因此adc最低采样率为40khz。模数转换器可以使用ltc1407型芯片。而随着计算机技术的成熟和网络的广泛应用，声音信号通过数字格式存储、传播的越来越多，其中具有合适频率的即可以直接接入fpga进行调制。

优选的示例中，计算机、手机、平板电脑等发送端的终端设备，都已经具备采集声音信号的麦克风，收发/存储数字式音频信号的模块，进行前/后级滤波、数模转换/模数转换的电路，以及可用于信号调制的处理器等主要部件，因此，仅需要通过外接第一超声换能器及对其驱动的功率放大器，即可方便地实现发送端的部件配置。

这些发送端的终端设备，通常还都带有耳机接口，从本质上来看，其传输的声音媒介为一定频率范围的电信号，与普通的电信号没有本质上的差异，因此只要满足接口标准，其也可作为相关电信号的传输接口使用。因此，如图7所示，本发明中将包含功率放大器及第一超声换能器的外接设备通过耳机接口与终端设备连接。类似的，还可以通过usb或其他形式的接口，与终端设备信号连接。

本发明还提供另一些示例，其中使用基于正弦激励线性预测的声码器算法语音编解码芯片实现。例如，使用tr600芯片，其为单芯片方式，同时包括编码器和解码器两部分，不需要外部存储器，可以在高语音压缩率下保证高自然度的语音质量。tr600芯片的编码器接受8khz采样的16位线性语音数据，按照编码压缩率要求输出一组信道数据流。语音数据来自于外部与tr600匹配的pcm芯片，tr600内部的a/d-d/a接口包括pcm数据接口和控制接口。

因为在超声波数字通信中不同频率的超声波代表不同的数字信号，当发送端的数字信号发生改变时，不同频率的超声波经过介质传输需要经过一定的时间后才能稳定，因此在利用超声波进行通信传输时，为了保证通话质量，必须有较高的采样频率。因此高语音压缩率可以更好实现以超声波对数字语音信息进行传送。

本例中采用2fsk二进制频移键控的调制算法。如图6所示，tr600的编码器将语音数据传送给处理器(如arm芯片、fpga芯片等)，而后处理器通过串行通信接口的发送端往外发送语音数据，同时将此数据引回外部中断口。处理器内部的中断硬件系统具备边沿检测的功能，语音数据流中的数据变化形成的上升沿和下降沿将会引起处理器产生中断。在中断服务程序中，主控制器将会根据上升沿或者下降沿来判断此时语音信号的值，利用可编程定时器的pwm功能，产生不同的方波信号。本例中选取换能器的中心频率为40khz，2fsk信号频率偏离为2khz，则利用要传输的语音信号数字0和1，分别控制处理器产生38khz和42khz两种不同频率的超声波信号。处理器输出的数字信号，经过数模转换、功率放大等信号处理后，对第一超声换能器进行驱动发射。

此外，tr600同时设置有解码器，因此在接收端可以设置同款芯片。如图9所示，经过介质传输的超声波由第二超声换能器接收并转换为电信号，通过放大滤波等处理后输入到接收端的处理器，根据输入信号的频率将超声波解调为数字信号，然后经过接收端的tr600解码，还原为语音信号。

其中，接收的正弦超声波，经过放大滤波、过零检测后恢复为38k和42k交替的矩形波，信号输入至接收端处理器的定时器输入端口，芯片内部的定时器具有捕捉功能，通过边沿捕捉能计算输入信号的频率，根据被检波的频率还原输出语音数字信号流从i/o口输出，如果测得的信号频率不属于有效的频率信则将进行修正处理。发送端与接收端处理器中的串行接口设置为相同的工作方式及波特率，当被还原的语音数字信号引回至处理器的串行接口的接收端时，接收的数据与发送端串行接口送出的数据相同，因此能正确解调；而后处理器又通过串行接口与tr600芯片进行串行通信。

在其他的示例中，如图8所示，接收端的第二超声换能器将接收到超声波信号转换成音频电信号，电压放大器对其进行信号放大，由检波器进行解调后还原出声音信号，提供给功率放大器进行音频放大后，使耳机发声,从而在保持最低的失真情况下得到最好的收听效果。前述使用解码器进行解码还原的情况下，还需要配置数模转换器转换成模拟信号后，提供给后续的功率放大器。示例的，可以使用lm386芯片来构建电压放大器，其增益在20～200倍之间可调，此电路对低电压信号的放大效果良好，且驱动能力强。检波器的工作原理如图10所示，检波二极管输入电压放大器对调频载波的包络信号进行检波，通过高频滤波电容去掉载波，再经由耦合电容提供给具有功率放大器的耳机扬声器。

另外的一些示例中，如图11所示，可以在接收端设置麦克风，对耳机内外的噪音信号进行采集，经信号过滤模块过滤出噪音信号，由频幅调整模块对噪音信号的频谱、幅度进行调整，由信号反相模块对噪音信号进行反相处理，再由信号叠加模块将反相处理后的噪音信号与正常播放的声音信号进行叠加处理，利用反相处理后的噪音信号对原先的噪音信号进行抵消，以达到降噪效果。

可以进一步设置分析模块，对过滤出的噪音信号进行分析(通过计算噪音信号中不同频率成分的信号强度分布特性，以及特定频段噪音在时间轴上的延续时间长度和重复特性，得出噪音信号的相关参数，再与程序预置的一些特定环境噪音的频域和时域特性参数比较，找出与当前噪音信号最匹配的环境噪音模型，从而识别出当前用户所处环境)，以识别出用户当前所处的环境噪音模式，结合用户选择的参数，对噪音信号的频幅调整程度进行智能控制，从而可以对不同频段的信号进行放大或者衰减，以增强某些特定频段或者特定类型的噪音的降噪效果。同时程序也可以在不同的环境情况下自动调整降噪信号的幅度，避免过度降噪或者降噪不足。

又或者，该分析模块基于从环境噪音中识别出的第二声源，例如是在机场、火车站等场景收到的广播信息，对该第二声源进行频幅等处理，并叠加到耳机正常播放的基于超声波接收的声音上，同时在耳机中向用户播放。该分析模块还可以驱使功率放大器，对超声波检波后声音信号的音频放大效果进行细微调整，以减弱基于超声波接收的该声音，使得叠加播放的第二声源的声音能够被清楚的听到。识别到第二声源停止播放后，可驱使功率放大器恢复原有的音频放大效果。

综上所述，本发明提供基于超声波的无线耳机及其控制系统，以超声波携带信息进行无线传输，有效提高抗电磁干扰能力和信号传输时的效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。