一種基於無線傳輸的助聽系統的製作方法

2023-05-24 18:05:51

一種基於無線傳輸的助聽系統的製作方法
【專利說明】-種基於無線傳輸的助聽系統 -、技術領域
[0001] 本實用新型設及交流溝通中助聽的方法和設備技術領域，尤其是屬於無線傳輸助 聽系統電子電路設計。 二、【背景技術】
[0002] 針對耳朵聽力存在問題、阻礙或者存在溝通障礙的人群，採用助聽器是最常用的 方式而在W往的助聽器中，通常採用獨立的裝置來實現助聽功能，如採用盒式、耳背式、耳 內式、耳道式等助聽器。其中盒式助聽器採用線纜將助聽器與耳朵連接，但是助聽器需要放 在口袋裡或佩戴在衣服上，攜帶不方便，同時助聽器放在人體上，人體相當於屏障，外界聲 波傳到軀體時，低頻部分的聲音可反射到助聽器的傳聲器從而增加了助聽器的低頻增益， 但運種低頻增益反射作用會對助聽器高頻放大帶來不利的掩蔽作用，從而降低了適用性。 同時盒式助聽器隱蔽性較差，大多數成年聽力障礙人員並不願讓別人發現自己是聽力障礙 者，因此也影響了其推廣。耳背式、耳內式、耳道式等助聽器一方面要求體積非常小，限制了 助聽器中聲音處理的能力，影響了助聽的效果，另一方面，由於將助聽器掛在耳朵上或者置 於耳朵內，極大地影響了使用者的舒適性。特別在外出時，帶來了很大的不便，另外運些助 聽器的電池袖珍不常見，使用成本高，需要經常去廠家購買，使用極為不便。
[0003] 本實用新型提出通過無線傳輸的方式，採用分離式的裝置，提高收聽外部音頻信 號W及與別人的交流溝通能力。 H、【實用新型內容】
[0004] 本實用新型目的是，主要針對耳朵聽力存在問題或者存在溝通障礙的人群，提出 一種基於無線傳輸的助聽方法和系統，通過無線傳輸的方式，採用分離式的裝置，將助聽器 分離為多功能音頻處理和無線傳輸裝置和基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置，可分別採 用了波束形成技術、藍牙技術、Zigbee技術、語音互譯和語音錄製等技術，提高了收聽外部 音頻信號W及與別人的交流溝通能力。
[0005] 本實用新型的技術方案:基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是包括多功能音頻處 理和無線傳輸裝置和基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置，多功能音頻處理和無線傳輸裝 置中包括具有噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、語音增強、調製解調、各種模式控制單元 的音頻處理和控制模塊、音頻採集模塊、包括調製解調、上、下變頻和RF濾波單元的近距離 射頻收發模塊，音頻採集模塊接音頻處理和控制模塊輸入端，音頻處理和控制模塊輸出端 接近距離射頻收發模塊;基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置包括近距離射頻收發模塊和 音頻處理模塊，基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置內近距離射頻收發模塊接收多功能音 頻處理和無線傳輸裝置的信號並做下變頻處理，得到基帶數位訊號，再由音頻處理模塊對 基帶數位訊號進行解調，再輸至D/A轉換成模擬音頻信號，最後由耳機送出。
[0006] 本實用新型當收聽音頻時，多功能音頻處理和無線傳輸裝置處理後的數位訊號通 過近距離射頻收發模塊進行上變頻和發射，由基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置進行接 收並做下變頻處理，得到基帶數位訊號，再由音頻處理模塊對基帶數位訊號進行解調，並D/ A轉換成模擬音頻信號;基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置包括近距離射頻收發模塊(可 採用藍牙忍片，能進行上下變頻處理）和音頻處理模塊(進行基帶數字調製解調、D/A和A/D 轉換）。
[0007] 音頻處理和控制模塊輸入端接有廣播接收模塊，廣播接收模塊由本振單元、中放 單元、檢波單元，本振單元提供本振信號，經過與輸入的調幅或調頻廣播信號進行混頻處 理，得到中頻信號，再經過中放單元進行二級放大，再經調頻或調幅信號檢波單元，產生基 帶信號，並通過A/D採樣後將基帶數位訊號送給音頻處理和控制模塊後道單元。
[0008] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置為獨立裝置或可與拐杖、箱包、雨傘、腕錶、手環、 手獨、輪椅、助力器、助步器、文明棍、茶杯、手電筒等相結合，可穿戴語音處理裝置可W採用 帽子、髮夾、眼鏡、衣帽等形式。
[0009] 其中藍牙技術是一種支持設備短距離通信的無線電技術，工作在全球通用的ISM (工業、科學、醫學)頻段，其數據速率可達IMbps,採用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。
[0010] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置設有與近距離射頻收發模塊並聯的遠距離射頻 收發模塊，遠距離射頻收發模塊採用Zigbee或移動通信模塊，用成熟的無線通信技術進行 多套多功能音頻處理和無線傳輸裝置之間的無線傳輸，移動通信模塊包括採用GSMXDMA、 WCDMA、4G 模塊。
[0011] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置設有與近距離射頻收發模塊並聯的遠距離射頻 收發模塊，遠距離通信模式下，音頻處理和控制模塊控制遠距離多模式射頻收發模塊，與外 部的助聽系統或手機進行通信。當接收信號時，先由遠距離多模式射頻收發模塊對射頻信 號進行下變頻處理得到數字音頻信號，接著送給音頻處理和控制模塊，進行解調、噪聲抑 審IJ、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，然後將處理後得到的數位訊號通過近距離 射頻收發模塊進行上變頻和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻 處理，然後由音頻處理模塊對數位訊號進行解調和D/A轉換成音頻信號，由耳機送出；當發 射信號時，則由基於無線傳輸的可穿戴裝置先對需要發射的音頻信號進行A/D轉換和調製 處理，再送給近距離射頻收發模塊進行上變頻處理並發射出去，接著由多功能音頻處理和 無線傳輸裝置接收，通過其中的近距離射頻收發模塊進行下變頻處理，送給音頻處理和控 制模塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，接著由遠距離多模式 射頻收發模塊做上變頻處理，產生射頻信號並發射。
[0012]在音頻處理和控制模塊中，設有CPU忍片、時鐘單元和音頻處理電路，音頻處理電 路採用FPGA或DSP忍片;並設有接口模塊。
[0013] 在多功能音頻處理和無線傳輸裝置中，輸入端連接音頻陣列接收模塊，該音頻陣 列接收模塊接收圓形或平面陣揚聲器陣列信號，揚聲器陣列的單元N=2-1024。
[0014] 在多功能音頻處理和無線傳輸裝置中，輸入端連接音頻陣列接收模塊，音頻陣列 接收模塊為多個麥克風對音頻信號進行接收，採用FPGA或DSP忍片對信號進行增強處理，首 先進行音頻信號的波達方向DOA估計，然後進行自適應陣列處理;在該音頻陣列接收模塊 中，使用圓形或平面陣陣列:N = 2-1024元，麥克風陣列接收到的音頻信號經放大和A/D採 樣，經音頻處理和控制模塊，先進行自適應波束形成，再進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益 控制、語音增強和調製處理;所述自適應波束形成即遠場自適應加權處理或近場波束形成 方法:在遠場工作模式，使用多重信號分類、估計信號參數的旋轉不變技術、基於時延估計 法實現音頻信號的DOA估計，並進行自適應加權處理;在近場工作模式，使用近場波束形成 方法和穩健近場波束形成進行處理。
[0015] 音頻處理與控制模塊的輸入端設有語音互譯模塊。
[0016] 音頻處理和控制模塊輸出端連接錄放模塊。
[0017] 音頻處理和控制模塊的輸出端還設有定位和導向模塊，在定位和導向模塊中包括 GPS室外定位單元。
[0018] 在音頻處理和控制模塊中，時鐘模塊給其它模塊提供時鐘信號，音頻處理電路中 採用高性能的FPGA或DSP忍片進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強處理；同 時採用高性能CPU忍片（如ARM7等)接收外部接口模塊送來的控制參數，從而控制其它各模 塊，執行各種模式的操作，接口模塊還將數字濾波的參數發送給CPU忍片，CP閒尋運些參數加 載到音頻處理電路的FPGA或DSP中，由音頻濾波電路根據該值調整濾波器的頻響、增益值 等，動態滿足每個人的聽力補償需要(可採用基於現有的助聽方法與技術）。
[0019] 同時在多功能音頻處理和無線傳輸裝置中，輸入端連接音頻陣列接收模塊，可實 現語音增強、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等作用。在收聽模式下，通過音頻處理和控制 模塊控制音頻採集模塊，將外部的音頻信號進行放大和A/D採樣，再送給音頻處理和控制模 塊的後道單元。
[0020] 在陣列接收增強模式下，通過音頻處理和控制模塊控制音頻陣列接收模塊，對多 路麥克風組成的音頻陣列(音頻陣列接收模塊通常採用N=2~1024元圓形或平面陣分布的 麥克風陣列)接收到的音頻信號進行放大和A/D採樣，送給音頻處理和控制模塊，先進行自 適應波束形成，再進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、語音增強和調製等處理。
[0021] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置設有與近距離射頻收發模塊並聯的遠距離射頻 收發模塊，遠距離通信模式下，音頻處理和控制模塊控制遠距離多模式射頻收發模塊，與外 部的助聽系統或手機進行通信。當接收信號時，先由遠距離多模式射頻收發模塊對射頻信 號進行下變頻處理得到數字音頻信號，接著送給音頻處理和控制模塊，再通過近距離射頻 收發模塊進行上變頻和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並處理;發射信 號時由基於無線傳輸的可穿戴裝置先對音頻信號進行A/D轉換和調製處理，再送給近距離 射頻收發模塊進行上變頻處理並發射出去，接著由多功能音頻處理和無線傳輸裝置接收， 通過其中的近距離射頻收發模塊進行下變頻處理，送給音頻處理和控制模塊，進行噪聲抑 審IJ、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，接著由遠距離多模式射頻收發模塊做上變 頻處理，產生射頻信號並發射。
[0022] 本實用新型遠距離射頻收發模塊採用Zigbee或移動通信模塊，用成熟的無線通信 技術進行多套多功能音頻處理和無線傳輸裝置之間的無線傳輸，不僅可W實現兩兩之間的 通信功能，還可W實現多個用戶之間的相互通信功能。利用Zigbee組網技術，ZigBee節點之 間都能相互通信。採用移動模塊進行通信時，可W採用GSM、CDMA、WCDMA、4G等技術實現與手 機之間的語音通信功能。在遠距離通信模式下，不僅可W實現與其它助聽系統之間的相互 通信，也能實現與手機用戶之間的通信。
[0023] 本實用新型音頻處理和控制模塊輸出端設有錄放模塊，通過採用高效的壓縮算法 和大容量存儲器，可W實現較長時間的語音錄製功能，同時採用減噪處理，可W提高語音的 清晰度。
[0024] 在錄音模式下，通過音頻處理和控制模塊控制音頻採集模塊和錄放模塊。當收收 音頻時，先由音頻採集模塊對外部的音頻信號進行放大和A/D採樣，送給音頻處理和控制模 塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，然後將處理後的音頻數據 送到錄放模塊中進行存儲。當需要播放音頻時，由音頻處理和控制模塊讀取存儲在錄放模 塊中的音頻數據，先由音頻處理和控制模塊對音頻數據進行調製處理，再送給近距離射頻 收發模塊進行上變頻處理和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻 處理，最後由音頻處理模塊對數位訊號進行解調和D/A轉換成音頻信號，並由耳機送出。
[0025] 音頻處理和控制模塊輸入端連接接口模塊，通過接口模塊輸入音頻文件，存儲到 錄放模塊。
[0026] 在音頻處理和控制模塊中，時鐘模塊給其它模塊提供時鐘信號，音頻處理電路中 採用高性能的FPGA或DSP忍片進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理； 同時採用高性能CPU忍片(如ARM 7等)接收外部接口模塊送來的控制參數，從而控制其它各 模塊，執行各種模式的操作，接口模塊還將數字濾波的參數發送給CPU忍片，CPU將運些參數 加載到音頻處理電路的FPGA或DSP中，由音頻濾波電路根據該值調整濾波器的頻響、增益值 等，動態滿足每個人的聽力補償需要(可採用基於現有的助聽方法與技術）。
[0027] 在定位和導向模塊中，採用GI^室外定位技術(如採用XM1613等無線定位模塊），進 行基於時間傳輸的測量；同時針對室內定位，可W採用WIFI定位、藍牙定位(如採用CC2640 等無線定位模塊KZigbee定位、RFID定位(如採用XM1613等無線定位模塊)等技術，進行基 於信號衰減等的測量。同時將地圖信息存儲在存儲模塊中，在路徑計算模塊的CPU中計算得 到前進的路徑，並將該數據提供給音頻處理和控制模塊，根據電路組成如圖21所示：
[0028] 在導向模式下，通過音頻處理和控制模塊控制定位和導向模塊，音頻處理與控制 模塊的輸入端連接語音互譯模塊。當本人說話時提示要去的目標地址時，音頻信號通過基 於無線的可穿戴裝置由音頻處理模塊A/D轉換成數位訊號並進行調製，再通過近距離射頻 收發模塊上變頻成射頻信號，接著被多功能音頻處理和無線傳輸裝置接收，由其近距離射 頻收發模塊下變頻成數字基帶信號，然後由音頻處理與控制模塊進行解調，得到音頻信號 送給語音互譯模塊，由該模塊對話音進行識別和機器翻譯（可W利用內部大容量的語音識 別模塊或通過遠距離多模式射頻收發模塊接入移動網際網路），接著將處理後得到的位置信 息送給音頻處理和控制模塊，然後送給定位和導向模塊，接著定位和導向模塊確定目前的 位置，根據目標位置信息，周期性給出行進軌跡值，然後將行進軌跡值送給語音識別互譯模 塊，由語音識別互譯模塊進行語音合成，然後通過音頻處理和控制模塊進行音頻信號的調 審IJ，並送給近距離射頻收發模塊進行上變頻並發射出去，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝 置進行接收並做下變頻處理，最後由音頻處理模塊進行解調並將數位訊號D/A轉換成模擬 音頻信號，由耳機送出。
[0029] 綜合而言：本實用新型多功能音頻處理和無線傳輸裝置主要由音頻採集模塊、廣 播接收模塊、音頻陣列接收模塊、語音識別互譯模塊、音頻處理和控制模塊、近距離射頻收 發模塊、遠距離多模式射頻收發模塊、錄放模塊、定位和導向模塊、報警和照明模塊、電源模 塊和接口模塊等組成。
[0030] 本實用新型將助聽器分離為多功能音頻處理和無線傳輸裝置和基於無線傳輸的 可穿戴語音處理裝置，通過在多功能音頻處理和無線傳輸裝置中集成語音採集、廣播接收 等模塊，將接收到的音頻信號通過增加射頻收發處理模塊，使用藍牙等近距離無線技術傳 輸送給基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置，通過耳機將信號送至耳內，運樣既時尚，隱蔽 性也較好;同時也避免了將助聽器掛在耳朵上或掛在耳內，提高了使用的舒適性。多功能音 頻處理和無線傳輸裝置可與拐杖、箱包、雨傘、腕錶、手環、手獨、輪椅、助力器、助步器、文明 棍、茶杯、手電筒等相結合，可穿戴語音處理裝置可W採用帽子、髮夾、眼鏡、衣帽等形式。其 中藍牙技術是一種支持設備短距離通信的無線電技術，工作在全球通用的ISM(工業、科學、 醫學)頻段，其數據速率可達IMbps,採用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。同時在多功能 音頻處理和無線傳輸裝置中，集成了音頻陣列接收功能，通過採用音頻接收陣列，利用波束 形成技術，將音頻接收波束的最大增益方向自動地對準目標信號，而把零接收方向對準幹 擾信號，可實現語音增強、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等作用，運樣可解決耳背式、耳內 式、耳道式等助聽器因體積小而較難實現音頻陣列接收的問題。
[0031] 同時針對聽力有困難的人群之間，在外出旅遊時通信不楊的情況，可W採用 Zigbee等無線通信技術，進行多套多功能音頻處理和無線傳輸裝置之間的無線傳輸，運樣 不僅可W實現兩兩之間的通信功能，還可W實現多個用戶之間的相互通信功能。其中 Zigbee作為一種短距離無線通信技術，也工作在全球通用的ISM(工業、科學、醫學)頻段，傳 輸範圍一般介於10~IOOm之間，在增加功放模塊增加發射功率後，可增加到1~3km。當支持 多個用戶之間通信時，由於Zi濁ee最多可W支持65000個節點的無線傳輸網絡，在整個網絡 範圍內，每個ZigBee節點之間都可W相互通信，其網絡可W便捷的為用戶提供無線數據傳 輸功能，由於Zigbee速率較低、組網能力較強、功耗較低，因此在物聯網領域具有非常強的 可應用性。
[0032] 另外，針對不同語種之間的人群，為了更方便的交流，採用了語音互譯的工作模 式，集成了語音識別、機器翻譯、語音合成、降噪等功能，同時輔助W強大的語音資料庫，可 W支持普通話與方言、中外文等之間的互譯功能。
[0033] 考慮到收聽人的反應因素，本實用新型還增加了語音錄製功能，通過採用高效的 壓縮算法和大容量存儲器，可W實現較長時間的語音錄製功能，同時採用減噪處理，可W提 高語音的清晰度。
[0034] 有益效果:本實用新型主要針對耳朵聽力存在問題、障礙者或存在溝通障礙的人 群，通過無線傳輸的方式，採用分離式的裝置，採用了波束形成技術、藍牙技術、Zigbee技 術、語音互譯和語音錄製等技術，提高了收聽外部音頻信號W及與別人的交流溝通能力。本 實用新型尤其是應用於年老的聽力障礙者。 四、【附圖說明】

[0035] 圖1為本實用新型基於無線傳輸的助聽系統組成示意圖；
[0036] 圖2為本實用新型獨立收聽模式信號傳輸示意圖；
[0037] 圖3為本實用新型廣播收聽模式信號傳輸示意圖；
[0038] 圖4為本實用新型陣列接收增強模式信號傳輸示意圖；
[0039] 圖5為本實用新型語音互譯模式信號傳輸示意圖；
[0040] 圖6為本實用新型兩套助聽系統之間通信示意圖；
[0041 ]圖7為本實用新型多套助聽系統之間通信示意圖；
[0042] 圖8為本實用新型助聽系統與手機之間通信示意圖；
[0043] 圖9為本實用新型遠距離通信模式信號傳輸示意圖；
[0044] 圖10為本實用新型錄音模式信號傳輸示意圖；
[0045] 圖11為本實用新型導向模式信號傳輸示意圖；
[0046] 圖12為本實用新型音頻採集模塊組成示意圖；
[0047] 圖13為本實用新型廣播接收模塊組成示意圖；
[004引圖14為本實用新型音頻陣列接收模塊處理示意圖；
[0049] 圖15為本實用新型自適應加權處理示意圖；
[0050] 圖16為本實用新型近場波束形成器的原理框圖；
[0051 ]圖17為本實用新型穩健近場波束形成器原理框圖；
[0052] 圖18為本實用新型語音識別互譯模塊處理示意圖；
[0053] 圖19為本實用新型音頻處理和控制模塊組成示意圖；
[0054] 圖20為本實用新型近距離射頻收發模塊組成示意圖；
[0055] 圖21為本實用新型遠距離射頻收發模塊組成示意圖；
[0056] 圖22為本實用新型錄放模塊組成示意圖；
[0057] 圖23為本實用新型定位和導向模塊組成示意圖；
[0058] 圖24為本實用新型報警和照明模塊組成示意圖；
[0059] 圖25為本實用新型接口模塊組成示意圖；
[0060] 圖26為本實用新型電源模塊組成示意圖；
[0061] 圖27為本實用新型基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置組成示意圖；
[0062] 圖28為本實用新型多功能音頻處理和無線傳輸裝置形式示意圖；
[0063] 圖29為本實用新型基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置形式示意圖。 五、【具體實施方式】
[0064] 如圖1所示：圖1基於無線傳輸的助聽系統組成示意圖。本實用新型由多功能音頻 處理和無線傳輸裝置(左）W及基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置(右)組成。
[0065] 其中多功能音頻處理和無線傳輸裝置由音頻處理和控制模塊、音頻採集模塊、廣 播接收模塊、音頻陣列接收模塊、語音識別互譯模塊、近距離射頻收發模塊、遠距離多模式 射頻收發模塊、錄放模塊、定位和導向模塊、報警和照明模塊、電源模塊和接口模塊等組成， 基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置由近距離射頻收發模塊、音頻處理模塊和電源模塊等 組成。
[0066] (一)本實用新型系統有W下幾種工作模式：
[0067] 1、獨立收聽模式
[0068] 在獨立收聽模式下，通過音頻處理和控制模塊控制音頻採集模塊，將外部的音頻 信號進行放大和A/D採樣，送給音頻處理和控制模塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控 審IJ、語音增強和調製等處理，然後將處理後得到的數位訊號通過近距離射頻收發模塊進行 上變頻和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻處理，得到基帶數 字信號，最後由音頻處理模塊對基帶數位訊號進行解調，並D/A轉換成模擬音頻信號，由耳 機送出。如圖2所示；
[0069] 2、廣播收聽模式
[0070] 在廣播收聽模式下，通過音頻處理和控制模塊控制廣播接收模塊，由該模塊對接 收到的調幅、調頻廣播信號進行解調和A/D變換，得到數字音頻信號，送給音頻處理和控制 模塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、語音增強和調製等處理，接著將處理後得到 的數位訊號通過近距離射頻收發模塊進行上變頻和發射，然後由基於無線傳輸的可穿戴裝 置進行接收並做下變頻處理，最後由音頻處理模塊對數位訊號進行解調並D/A轉換成模擬 音頻信號，由耳機送出。如圖3所示；
[0071] 3、陣列接收增強模式
[0072] 在陣列接收增強模式下，通過音頻處理和控制模塊控制音頻陣列接收模塊，對多 路麥克風(通常採用N=2~1024元圓形或平面陣列）接收到的音頻信號進行放大和A/D採 樣，送給音頻處理和控制模塊，進行自適應波束形成、噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、 語音增強和調製等處理，然後將處理後得到的數位訊號通過近距離射頻收發模塊進行上變 頻和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻和解調處理，最後由音 頻處理模塊將數位訊號D/A轉換成模擬音頻信號，並由耳機送出。如圖4所示；
[0073] 4、語音互譯模式
[0074] 在語音互譯模式下，通過音頻處理和控制模塊控制語音識別互譯模塊。當收聽話 音時，先由語音識別互譯模塊對話音進行識別、機器翻譯和語音合成處理，並將處理後的音 頻信息送給音頻處理和控制模塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、語音增強和調 制等處理，然後將處理後得到的數位訊號通過近距離射頻收發模塊進行上變頻和發射，接 著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻處理，最後由音頻處理模塊對數字信 號進行解調並D/A轉換成模擬音頻信號，並由耳機送出。當本人說話時，則由基於無線傳輸 的可穿戴裝置中的音頻處理模塊先對音頻信號進行A/D轉換和調製處理，再送給近距離射 頻收發模塊進行上變頻處理並發射出去，接著由多功能音頻處理和無線傳輸裝置接收，通 過其中的近距離射頻收發模塊進行下變頻處理，送給音頻處理和控制模塊，進行解調、噪聲 抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，接著由語音識別互譯模塊對話音進行識 另Ij、機器翻譯和語音合成處理，再通過擴音器，產生話音信號，如圖5所示；
[00巧]5、遠距離通信模式
[0076] 在遠距離通信模式下，不僅可W實現與其它助聽系統之間的相互通信，也能實現 與手機用戶之間的通信。當與其它助聽系統進行通信時，可W採用Zigbee、藍牙等技術實現 兩套系統之間的語音通信功能，通信示意圖如圖6所示；
[0077] 多個助聽系統之間不僅可W實現兩兩之間的相互通信，也可W採用Zigbee技術， 實現n個節點(n = 2~65000)之間的廣播或組網通信，如圖7所示；
[0078] 當與手機進行通信時，可W採用GSM、CDMA、WCDMA、4G等技術實現與手機之間的語 音通信功能，通信示意圖如圖8所示；
[0079] 在遠距離通信模式下，通過音頻處理和控制模塊控制遠距離多模式射頻收發模 塊，與外部的助聽系統或手機進行通信。當接收信號時，先由遠距離多模式射頻收發模塊對 射頻信號進行下變頻處理得到數字音頻信號，接著送給音頻處理和控制模塊，進行解調、噪 聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，然後將處理後得到的數位訊號通過近 距離射頻收發模塊進行上變頻和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下 變頻處理，然後由音頻處理模塊對數位訊號進行解調和D/A轉換成音頻信號，由耳機送出。 當本人說話時，則由基於無線傳輸的可穿戴裝置先對音頻信號進行A/D轉換和調製處理，再 送給近距離射頻收發模塊進行上變頻處理並發射出去，接著由多功能音頻處理和無線傳輸 裝置接收，通過其中的近距離射頻收發模塊進行下變頻處理，送給音頻處理和控制模塊，進 行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，接著由遠距離多模式射頻收發模 塊做上變頻處理，產生射頻信號並發射，如圖9所示；
[0080] 6、錄音模式
[0081] 在錄音模式下，通過音頻處理和控制模塊控制音頻採集模塊和錄放模塊。當收聽 音頻時，先由音頻採集模塊對外部的音頻信號進行放大和A/D採樣，送給音頻處理和控制模 塊，進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理，然後將處理後的音頻數據 送到錄放模塊中進行存儲。當需要播放音頻時，由音頻處理和控制模塊讀取存儲在錄放模 塊中的音頻數據，先由音頻處理和控制模塊對音頻數據進行調製處理，再送給近距離射頻 收發模塊進行上變頻處理和發射，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻 處理，最後由音頻處理模塊對數位訊號進行解調和D/A轉換成音頻信號，並由耳機送出。也 可W通過接口模塊輸入音頻文件，存儲到錄放模塊，然後由音頻處理和控制模塊讀取存儲 在錄放模塊中的音頻數據並進行調製，送給近距離射頻收發模塊進行上變頻處理和發射， 接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻處理，最後由音頻處理模塊對數字 信號進行解調，並D/A轉換成音頻信號，由耳機送出。如圖10所示；
[0082] 7、導向模式
[0083] 在導向模式下，通過音頻處理和控制模塊控制定位和導向模塊。當本人說話時提 示要去的目標地址時，音頻信號通過基於無線的可穿戴裝置由音頻處理模塊A/D轉換成數 字信號並進行調製，再通過近距離射頻收發模塊上變頻成射頻信號，接著被多功能音頻處 理和無線傳輸裝置接收，由其近距離射頻收發模塊下變頻成數字基帶信號，然後由音頻處 理與控制模塊進行解調，得到音頻信號送給語音互譯模塊，由該模塊對話音進行識別和機 器翻譯(可W利用內部大容量的語音識別模塊或通過遠距離多模式射頻收發模塊接入移動 網際網路），接著將處理後得到的位置信息送給音頻處理和控制模塊，然後送給定位和導向模 塊，接著定位和導向模塊確定目前的位置，根據目標位置信息，周期性給出行進軌跡值，然 後將行進軌跡值送給語音識別互譯模塊，由語音識別互譯模塊進行語音合成，然後通過音 頻處理和控制模塊進行音頻信號的調製，並送給近距離射頻收發模塊進行上變頻並發射出 去，接著由基於無線傳輸的可穿戴裝置進行接收並做下變頻處理，最後由音頻處理模塊進 行解調並將數位訊號D/A轉換成模擬音頻信號，由耳機送出。如圖11所示；
[0084] 8、報警和照明模式
[0085] 在報警和照明模式下，提供報警功能，在緊急情況下，可W提醒他人，尋求幫助；同 時可W提供照明，確保晚間行走的安全。
[0086] (二)該系統各部分的主要原理圖如下；
[0087] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置主要由音頻採集模塊、廣播接收模塊、音頻陣列 接收模塊、語音識別互譯模塊、音頻處理和控制模塊、近距離射頻收發模塊、遠距離多模式 射頻收發模塊、錄放模塊、定位和導向模塊、報警和照明模塊、電源模塊和接口模塊等組成。 各模塊的原理圖如下；
[0088] 1、音頻採集模塊
[0089] 音頻採集模塊主要用於對音頻信號進行音頻放大和採樣等處理，可W採用音頻放 大器(如LM386等)和A/D忍片（如ALllOl等），採用44.化Hz或48KHZ等採樣頻率，將音頻信號 轉換成數位訊號，其組成如圖12所示；
[0090] 2、廣播接收模塊
[0091 ]廣播接收模塊先由本振提供本振信號，經過與輸入的調幅或調頻廣播信號進行混 頻處理，得到中頻信號，再經過中放1和中放2信號進行二級放大，再做調頻或調幅信號檢 波，產生基帶信號，並通過A/D採樣後將基帶數位訊號送給音頻處理和控制模塊，其電路組 成如圖13所示；
[0092] 3、音頻陣列接收模塊
[0093] 音頻陣列接收模塊主要通過多個麥克風對音頻信號進行接收，採用高性能的數字 處理電路(如FPGA或DSP忍片)對信號進行增強處理。
[0094] (1)在遠場工作模式，首先進行音頻信號的DOA(波達方向）估計，可W選用基於圓 形或平面陣陣列的多重信號分類、估計信號參數的旋轉不變技術、基於時延估計法等方法 實現音頻信號的DOA估計;在完成音頻信號DOA(波達方向）估計後，將進行自適應陣列處理， 其電路組成如圖14所示；
[00M] (i)多重信號分類方法
[0096] 多重信號分類方法的原理是在空域內進行譜峰捜索求出信源方向。首先通過求取 陣列信號的協方差矩陣R,並將其分解為噪聲子空間和信號子空間，共兩個子空間。即有
[0097]
[0098] 由於噪聲特徵矢量和信號矢量的正交關係，得到陣列空間譜
[0099]
[0100] 其中a(0)為方向矢量，通過求取空間譜的波峰來求得目標信號的DOA值。
[0101] (ii)估計信號參數的旋轉不變技術
[0102] 該方法要求陣列結構存在不變性，運種不變性可通過兩種手段獲得:一是陣列本 身存在兩個或兩個W上相同的子陣，二是通過變換可獲得運些子陣。假設存在兩個完全相 同的子陣，且兩個子陣間距A是已知的。第一個子陣的接收數據為Xi(t)，第二個子陣的接 收數據是拉(t)，可得
[0103] Xi(t)=A(0)S(t)+Ni(t)
[0104] X2(t)=A(目）〇S(t)+N2(t)
[0105] 其中子陣I的陣列流型Ai = A(目），子陣2的陣列流型A2=A(目）巫，而且
[0106]
[0107]此處O的對角元素為K個信號在陣元之間的相位延遲。
[0108] 將Xi (t)和拉(t)進行合併，得到
[0109]
[0110] 求取x(t)的自相關矩陣
[0111]
[0112] 其中Rs = E{S(t)(S(t))H}。接著對Rxx進行特徵值分解，得到
[0113]
[0114] 其中Us表示大特徵值對應特徵矢量張成的信號子空間，Un表示小特徵值張成的噪 聲子空間。
[0115] 由於大特徵矢量張成的信號子空間與陣列流型張成的信號子空間是一致的，即有
[0116]
[0117]則存在一個唯一的非奇異矩陣T，使得 [011 引
[0119] 存在
[0120]
[0121] 其中由子陣1的大特徵矢量張成的子空間Usi,由子陣2的大特徵矢量張成的子空間 Us2與陣列流型A張成的子空間相等，即有
[0122] span{Usi}=spanWs2} = span{A(0)}
[0123] 可知信號子空間的關係如下：
[0124] Us2 = UsiT-I 巫 T = Usi W
[0125] 其中W =ri?T，反映了兩個子陣陣列接收數據的信號子空間的旋轉不變性。
[01 %]當陣列流型A是滿秩矩陣，貝U
[0127] 巫=TWl'-1
[01%]則W的特徵值組成的對角陣等於O。通過求得旋轉不變矩陣W，可W得到信號的 入射角度。
[0129] (iii)基於時延估計法
[0130] 基於時延估計方法較多，可W採用經典的廣義互相關法。該方法通過求取不同信 號之間的互功率譜，在頻域內給予接收信號一定的加權，來抑制噪聲和反射的影響，再將加 權後信號反變換到時域，得到不同信號之間的互相關函數。其峰值位置即為信號之間的相 對時延。同時在獲取各麥克風陣元的時延估計後，結合麥克風的位置即可估計出聲源的位 置信息。
[0131] 在完成音頻信號的DOA估計後，接著進行自適應加權處理，處理示意圖15所示；
[0132] 自適應陣列根據最大信噪比、最小均方誤差等法則，對接收到的音頻信號進行加 權處理，在有用信號方向上形成主波束，在幹擾方向上形成零陷，從而提高音頻信號的增 益。
[0133] 其中輸入音頻信號為
[0134] X(n) = [xi(n) ,X2(n),,XN(n)]T
[0135] 加權矩陣W為
[0136] W= [wi ,W2, ,wn]
[0137] 最後產生的音頻陣列信號輸出值為
[013 引 Y(n)=wTx(n)
[0139] (2)在近場工作模式，當聲源位於陣列近場時，需要採用近場波束形成方法來避免 遠場波束形成方法導致的噪聲抑制性能的退化。可W使用近場波束形成方法和穩健近場波 束形成等方法進行處理，處理步驟如下：
[0140] (i)近場波束形成方法
[0141] 近場信號模型是基於球面波假設，將幅度衰減和時延引入模型中，其中陣列信號 的方向矢量為Ssp(IV)，延遲矢量為Sdt(IV)，陣列的導向矢量為
[0142]
[0143] 近場補償後的輸出信號
[0144]
[0145] 近場波束形成器的原理框圖如圖16所示。
[0146] (ii)穩健近場波束形成方法
[0147] 假設N個麥克風組成陣列各陣元位置為(xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，一，（XN，yN，ZN)^ 場聲源的位置為(Xs，ys，Zs)，每個麥克風通道的抽頭長度為J，第n次快拍，由J個抽頭延時陣 列信號可構成一NJ維信號矢量X(n)。
[0148] 可W通過近場約束最小方差自適應波束公式來計算
[0149]
[0150] 其中Rxx是X(n)的自相關矩陣，W為波束形成器權係數矢量，W=[wi,i，. . .，WN,i, Wl,2, . . .，WN,2, . . .，W1J，. . .WNJ]T，C為約束矩陣，F為對應於目標信號的脈衝響應矢量，穩健 近場波束形成器原理框圖如圖17。
[0151] 近場線性約束最小方差自適應波束形成問題的約束矩陣可W表示為：
[0152] C = TCo
[0153] 其中Co為對應於遠場條件下的約束矩陣，T為近場補償矩陣。
[0154] 可W求得最優的加權矩陣為
[0155]
[0156] 4、語音識別互譯模塊
[0157] 在語音識別互譯模塊中，採用高性能的CPU(如ARM 9等）忍片進行語音識別、機器 翻譯和合成等處理，同時將不同語音的資料庫存儲在大容量的SRAM、SD卡或微型硬碟中，當 進行機器翻譯時，可W調用不同的語言數據，最後進行語音合成處理，其電路組成如圖18所 示；
[015引5、音頻處理和控制模塊
[0159] 在音頻處理和控制模塊中，時鐘模塊給其它模塊提供時鐘信號，音頻處理電路中 採用高性能的FPGA或DSP忍片進行噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制和語音增強等處理； 同時採用高性能CPU忍片(如ARM 7等)接收外部接口模塊送來的控制參數，從而控制其它各 模塊，執行各種模式的操作，接口模塊還將數字濾波的參數發送給CPU忍片，CPU將運些參數 加載到音頻處理電路的FPGA或DSP中，由音頻濾波電路根據該值調整濾波器的頻響、增益值 等，動態滿足每個人的聽力補償需要。電路組成如圖19所示；
[0160] 6、近距離射頻收發模塊
[0161] 在近距離射頻收發模塊中，主要採用藍牙等技術傳輸音頻和控制信息，採用藍牙 收發模塊等(如RF2968等)和RF帶通濾波器，其電路組成如圖20所示；
[0162] 7、遠距離多模式射頻收發模塊
[0163] 在遠距離射頻收發模塊中，可W採用Zigbee無線傳輸模塊(如F8913等)和功放模 塊、Wifi無線傳輸模塊(如EMW3162等)和功放模塊、藍牙無線傳輸模塊(如CSR8615等）和功 放模塊、GSM無線傳輸模塊(如Ml 2-D等）、CDMA無線傳輸模塊(如MC8618等）、WCDMA無線傳輸 模塊(如EM820W等）、4G無線傳輸模塊(如M口 710)等和射頻選擇模塊，通過音頻處理和控制 模塊根據不同的通信需求，進行射頻選擇，其電路組成如圖21所示；
[0164] 8、錄放模塊
[0165] 在錄放模塊中，可W採用音頻處理電路(如STM32處理器等)進行ADPCM等語音壓縮 和減噪等處理，並把數據存儲到存儲電路(如CF、SD等卡）中；當進行播放時，將存儲的數據 送給音頻處理電路解碼。同時通過接口將外部的語音文件存儲到存儲電路中，電路組成如 圖22所示；
[0166] 9、定位和導向模塊
[0167] 在定位和導向模塊中，採用GI^室外定位技術(如採用XM1613等無線定位模塊），進 行基於時間傳輸的測量；同時針對室內定位，可W採用WIFI定位、藍牙定位(如採用CC2640 等無線定位模塊KZigbee定位、RFID定位(如採用XM1613等無線定位模塊)等技術，進行基 於信號衰減等的測量。同時將地圖信息存儲在存儲模塊中，在路徑計算模塊的CPU中計算得 到前進的路徑，並將該數據提供給音頻處理和控制模塊，根據電路組成如圖23所示；
[016引10、報警和照明模塊
[0169] 在報警和照明模塊中，可W採用大功率報警模塊和Lm)燈顯示模塊組成，通過音頻 處理和控制模塊分別控制大功率擴音器和控制L邸燈打開。其電路組成如圖24所示；
[0170] 11、接 口模塊
[0171] 在接口模塊中，可W提供按鍵接口電路和USB接口電路，該模塊將多功能音頻處理 和無線傳輸裝置中的按鍵信息（各種工作模式的按鍵選擇)轉換成串口等數據，同時對USB 口的數據進行轉換，也轉換成串口等數據，送給音頻處理和控制模塊，其電路組成如圖25所 示；
[0172] 12、電源模塊
[0173] 在電源模塊中，可W提供給多功能音頻處理和無線傳輸裝置各模塊供電電壓，也 能夠對基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置進行充電，該模塊由交直流轉換電路、充電電 路和裡電池等組成，其電路組成如圖26所示；
[0174] 基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置由近距離射頻收發模塊、RF帶通濾波器、音 頻處理模塊、充電電路和裡電池等組成。由充電電路對裡電池進行充電，其餘模塊由裡電池 供電。近距離射頻收發模塊可W採用藍牙忍片（如BC358239A)等組成，其電路組成如圖27所 示；
[0175] (S)該系統各裝置的主要形式示意圖如下；
[0176] 1、多功能音頻處理和無線傳輸裝置
[0177] 多功能音頻處理和無線傳輸裝置可W採用拐杖、箱包、雨傘、腕錶、手環等多種一 體化結構形式，如圖28所示；
[0178] 2、基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置
[0179] 基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置可W採用帽子、髮夾、眼鏡等多種一體化結 構形式，如圖29所示。
[0180] W上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技 術人員來說，本發明可W有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【主權項】
1. 基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是包括多功能音頻處理和無線傳輸裝置和基於無 線傳輸的可穿戴語音處理裝置，多功能音頻處理和無線傳輸裝置中包括具有噪聲抑制、數 字濾波、自動增益控制、語音增強、調製解調、各種模式控制單元的音頻處理和控制模塊、音 頻採集模塊、包括調製解調、上、下變頻和RF濾波單元的近距離射頻收發模塊，音頻採集模 塊接音頻處理和控制模塊輸入端，音頻處理和控制模塊輸出端接近距離射頻收發模塊;基 於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置包括近距離射頻收發模塊和音頻處理模塊，基於無線傳 輸的可穿戴語音處理裝置內近距離射頻收發模塊接收多功能音頻處理和無線傳輸裝置的 信號並做下變頻處理，得到基帶數位訊號，再由音頻處理模塊對基帶數位訊號進行解調，再 輸至D/A轉換成模擬音頻信號，最後由耳機送出。2. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是音頻處理和控制模塊輸 入端接有廣播接收模塊。3. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是在多功能音頻處理和無 線傳輸裝置中，輸入端連接音頻陣列接收模塊，該音頻陣列接收模塊接收圓形或平面陣揚 聲器陣列信號，揚聲器陣列的單元N=2-1024。4. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是多功能音頻處理和無線 傳輸裝置設有與近距離射頻收發模塊並聯的遠距離射頻收發模塊，遠距離射頻收發模塊採 用Zigbee或移動通信模塊，移動通信模塊包括651、00獻、100獻、或46模塊。5. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是在音頻處理和控制模塊 中，設有CPU晶片、時鐘單元和音頻處理電路，音頻處理電路採用FPGA或DSP晶片；並設有接 口豐旲塊。6. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是音頻處理與控制模塊的 輸入端設有語音互譯模塊。7. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是音頻處理和控制模塊輸 出端連接錄放模塊。8. 根據權利要求1所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是音頻處理和控制模塊的 輸出端還設有定位和導向模塊，在定位和導向模塊中包括GPS室外定位單元。9. 根據權利要求1-8之一所述的基於無線傳輸的助聽系統，其特徵是多功能音頻處理 和無線傳輸裝置為獨立裝置或與箱包盒、拐杖、雨傘、腕錶、手環、手鐲、輪椅、助力器、助步 器、文明棍、茶杯或手電筒相結合。
【專利摘要】基於無線傳輸的助聽系統，包括多功能音頻處理和無線傳輸裝置和基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置，多功能音頻處理和無線傳輸裝置中包括具有噪聲抑制、數字濾波、自動增益控制、語音增強、調製解調、各種模式控制單元的音頻處理和控制模塊、音頻採集模塊、包括調製解調、上、下變頻和RF濾波單元的近距離射頻收發模塊，音頻採集模塊接音頻處理和控制模塊輸入端，音頻處理和控制模塊輸出端接近距離射頻收發模塊；基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置包括近距離射頻收發模塊和音頻處理模塊，基於無線傳輸的可穿戴語音處理裝置內近距離射頻收發模塊接收多功能音頻處理和無線傳輸裝置的信號並做下變頻處理，得到基帶數位訊號。
【IPC分類】H04R25/00, G08C17/02
【公開號】CN205384734
【申請號】CN201620123447
【發明人】俞春華, 束鋒, 桂林卿, 楊剛, 餘海, 許愛愛, 俞同福, 殷長英, 汪建華
【申請人】俞春華
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年2月16日