專利名稱：超聲波探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測超聲波信號，例如用于識別或定位移動超聲波發(fā)射機。
背景技術(shù)：
對于采用超聲波通信來跟蹤移動超聲波發(fā)射機(標(biāo)簽)的系統(tǒng)，之前已經(jīng)有過許 多方案，例如對醫(yī)院設(shè)備或集裝箱的移動進行監(jiān)視。超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)通常在建筑物的 每一個房間中都有至少一個專用超聲波接收機以提供可靠的定位信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一些改進并開發(fā)超聲波通信的可能應(yīng)用。從第一方面來看，本發(fā) 明提供了一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟利用最大響 應(yīng)在20千赫茲以下的麥克風(fēng)來探測所述超聲波信號；并解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。另 選的是，本發(fā)明提供了一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟 利用適于人類語音接收的麥克風(fēng)來探測所述超聲波信號；并解碼所述信號以確定所述數(shù) 據(jù)。從第二方面來看，本發(fā)明提供了用于接收超聲波信號的設(shè)備，該設(shè)備包括最大響 應(yīng)在20千赫茲以下的麥克風(fēng)和用于對所述麥克風(fēng)接收到的超聲波信號進行解碼的裝置。 另選的是，本發(fā)明提供了用于接收超聲波信號的設(shè)備，該設(shè)備包括適于人類語音接收的麥 克風(fēng)和用于對所述麥克風(fēng)接收到的超聲波信號進行解碼的裝置。從第三方面來看，本發(fā)明提供了一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該 方法包括以下步驟利用對低于20千赫茲的頻率有第一靈敏度和對20千赫茲到60千赫茲之間的頻 率有第二靈敏度的聲音探測裝置來探測所述超聲波信號，其中所述第一靈敏度大于所述第 二靈敏度；以及解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。從第四方面來看，本發(fā)明提供了用于接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的設(shè)備，該 設(shè)備包括用于探測所述超聲波信號的聲音探測裝置，其對低于20千赫茲的頻率有第一靈 敏度而對20千赫茲到60千赫茲之間的頻率有第二靈敏度，其中所述第一靈敏度大于所述 第二靈敏度；以及用于解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)的裝置。由此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看到，根據(jù)本發(fā)明，不是使用專用的超聲波換能器， 而是可以使用設(shè)計用于可聽范圍(低于20kHz)的普通聲音麥克風(fēng)，尤其適于人類語音的麥 克風(fēng)。還可以使用使探測和處理可聽聲音最優(yōu)化的相關(guān)硬件和軟件。這來自于申請人的以 下認知可成功地使用例如為人類語音設(shè)計的許多普通麥克風(fēng)來接收在超聲波編碼數(shù)據(jù)通 信系統(tǒng)中使用的那種超聲波信號；而且還可以使用諸如PC聲卡上提供的數(shù)字采樣的現(xiàn)有探測硬件和軟件來處理超聲波信號。普通語音麥克風(fēng)通常具有對直到10千赫茲(kHz)都相對平坦然后逐漸下降的響應(yīng)，從而在20kHz (通常認為是人類聽力極限)處存在明顯減弱的響應(yīng)。然而，申請人發(fā)現(xiàn) 在超聲波(即，20kHz以上，更典型地在35-45kHz附近)仍存在充分響應(yīng)，從而能對編碼在 超聲波信號中的信息進行接收和解碼。盡管這種遠離麥克風(fēng)設(shè)計范圍的響應(yīng)比對語音頻率 的響應(yīng)要低得多，但是由于在超聲波頻率處噪聲非常小使得即使微弱響應(yīng)也可以給出清楚 顯著的信號，所以申請人認為這并不太重要。音頻探測系統(tǒng)的靈敏度(這受到麥克風(fēng)或相關(guān)硬件和軟件的制約)通常會在根據(jù) 本發(fā)明第三和第四方面規(guī)定的頻率范圍內(nèi)顯著變化。因此，第一靈敏度和第二靈敏度大致 是用于表征各個頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的參數(shù)。因此，第一靈敏度可以是0-20kHz范圍內(nèi) 的最大、平均或中間靈敏度或?qū)嶋H上可以是該響應(yīng)的任何其他量度。優(yōu)選地，第一靈敏度是第二靈敏度的至少兩倍，更優(yōu)選地是至少四倍。根據(jù)本發(fā)明，利用普通可聽范圍麥克風(fēng)的“剩余”響應(yīng)，可以憑借這種麥克風(fēng)適用 性廣以及低價的優(yōu)點以低成本構(gòu)建超聲波通信系統(tǒng)。然而，申請人已經(jīng)知道本發(fā)明可以給 出一個特別優(yōu)點，這是由于大量的臺式機或筆記本PC包括內(nèi)置或作為配件設(shè)置的麥克風(fēng)， 根據(jù)本發(fā)明可以利用該優(yōu)點來提供超聲波通信系統(tǒng)的一部分。這同樣也適用于諸如蜂窩電 話和智能電話的便攜式支持語音設(shè)備。申請人還認識到，通過具有以下特點的近來廣泛應(yīng) 用的PC、膝上計算機和其他移動設(shè)備來提高利用對超聲波不是最優(yōu)的麥克風(fēng)/探測裝置的 機會，它們一方面具有高質(zhì)量模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)合了高位分辨率和高采樣率；另一方面具 有完善的數(shù)字信號處理資源。因此，在本發(fā)明的至少一些實施方式中，僅通過使用適當(dāng)軟件，就可以使用現(xiàn)有設(shè) 備來實現(xiàn)超聲波通信系統(tǒng)而無需任何額外硬件。很明顯，這顯著地開拓了可能的應(yīng)用范圍。從另一方面來看，本發(fā)明提供了用于使數(shù)字計算裝置運行的計算機軟件，該軟件 被設(shè)置為接收數(shù)字采樣數(shù)據(jù)流，識別頻率大于20kHz的信號以及解碼所述信號以確定編碼 在其上的數(shù)據(jù)。本文所述的方法和設(shè)備的優(yōu)選特征也是上述軟件或執(zhí)行該軟件的計算裝置的優(yōu) 選特征。盡管如上所述，本發(fā)明的一個可能優(yōu)點是能夠利用許多設(shè)備的內(nèi)置功能來進行超 聲波接收，但是申請人認識到并非所有當(dāng)前設(shè)備都具有所需的功能。例如，有許多計算裝 置，其遵照Intel AC97音頻編碼標(biāo)準，具有⑶品質(zhì)采樣率44. 1千赫茲16位。盡管這允 許在超聲波下緣的窄帶中采樣，但是這與使用了 35-45kHz范圍的超聲波頻率的本發(fā)明的 至少優(yōu)選實施方式不一致。然而，申請人提出了另一種方案，其允許利用這種裝置來實現(xiàn)本 發(fā)明的優(yōu)選實施方式。因此，在至少一些實施方式中，本發(fā)明的設(shè)備包括用于對麥克風(fēng)接收 到的信號的頻率進行降頻轉(zhuǎn)換(down-convert)的裝置，由此允許在更低頻率下進行采樣。降頻轉(zhuǎn)換裝置可以包括用于將超聲波頻率改變到可聽范圍的任何適當(dāng)?shù)哪M域 (analogue domain)裝置。其優(yōu)選包括用于以預(yù)定頻率對接收到的信號進行調(diào)制的裝置。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，可將接收到頻率與預(yù)定頻率之差作為更低的有效頻率。在申請 人構(gòu)想的一組實施方式中，這可通過對麥克風(fēng)接收到的信號進行放大的放大器的振蕩控制 來實現(xiàn)。例如，這種振蕩控制可施加于放大器的增益或麥克風(fēng)的電源。實際上，這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點通過使用相關(guān)增益或外部麥克風(fēng)輸出電壓的軟件控制可在諸如個人計算機的計算裝置上使用一個或兩個這種結(jié)構(gòu)。因此，可以使用現(xiàn)有計算裝置進行超聲波信號探測， 即使其不具有對超聲波信號進行采樣的能力亦可。在另一組實施方式中，所述設(shè)備包括用于將預(yù)定信號與接收到的超聲波信號進行 混頻的裝置。這對與兩個混頻的差頻等價的減少頻率的信號具有相同的效果。在一些優(yōu)選 實施方式中，混頻裝置包括場效應(yīng)晶體管(FET)。在一些特別方便的實施方式中，采用了內(nèi) 置于麥克風(fēng)封裝中的FET。提供預(yù)定頻率信號的振蕩器優(yōu)選連接到FET的偏置輸入端。振蕩控制或混頻信號的波形可以是任何方便的形狀，例如正弦、方波或更復(fù)雜的 形狀。在調(diào)制上述的麥克風(fēng)放大器的增益或電源電壓并不適當(dāng)或不可行的情況下，可通 過其他方式(諸如對來自所述振蕩器的預(yù)定頻率的信號進行混頻)來實現(xiàn)降頻轉(zhuǎn)換。這種 振蕩器可合并到具有超聲波麥克風(fēng)和相關(guān)電子元件的封裝內(nèi)以提供以下模塊，該模塊使得 任何能夠?qū)ζ胀陕犅曇暨M行數(shù)字化處理的計算裝置都可用作超聲波信號接收機和處理 器。這種模塊就其自身而言具有新穎性和創(chuàng)造性，因此從另一方面來看，本發(fā)明提供了一 種裝置，該裝置包括用于接收超聲波信號的換能器，被設(shè)置為生成預(yù)定頻率的信號的振蕩 器，以及使用所述預(yù)定頻率的信號對所述換能器接收到的信號進行調(diào)制的裝置。該調(diào)制可通過控制放大器的增益或控制施加到麥克風(fēng)的電壓來實現(xiàn)。然而優(yōu)選 地，通過將來自振蕩器的信號與來自換能器的信號按上述方式進行混頻來實現(xiàn)。因此總的來說，在一些實施方式中，通過增加合適的硬件可對現(xiàn)有裝置進行改動 使之根據(jù)本發(fā)明來運行。例如，可以將滿足根據(jù)本發(fā)明的靈敏度要求的麥克風(fēng)和有關(guān)放大/ 濾波電子器件連接到現(xiàn)有裝置的適當(dāng)模擬輸入端。另選的是，可以將包括這種麥克風(fēng)裝置 和降頻轉(zhuǎn)換裝置的外圍設(shè)備連接到?jīng)]有處理超聲波信號的能力的現(xiàn)有裝置。在另一替換方 案中，可以將包括滿足根據(jù)本發(fā)明的靈敏度要求的麥克風(fēng)和有關(guān)放大/濾波電子器件的外 圍設(shè)備連接到某一裝置的數(shù)字輸入端。本發(fā)明原理的一個可能應(yīng)用是改進的超聲波資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的實施方式，其中，例 如在醫(yī)院中，將移動標(biāo)簽貼在設(shè)備上，在需要跟蹤該設(shè)備的各個房間或其他位置放置一個 或更多個接收機。根據(jù)本發(fā)明，這種系統(tǒng)中的一些或全部接收機例如可以實現(xiàn)為普通PC。 這使得它們能夠執(zhí)行多于一種的功能。例如，可能僅需要在不包含PC的房間內(nèi)安裝專用接 收機；或者用于接收跟蹤信息的終端也可作為接收機之一。然而，也存在與PC和其他傳統(tǒng)設(shè)備有關(guān)的許多其他不同的可能應(yīng)用。一組優(yōu)選的 實施方式提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，以及被設(shè)置為發(fā)射包含識別標(biāo) 簽的信息的超聲波信號的一個或更多個便攜式超聲波發(fā)射機，所述設(shè)備被設(shè)置為探測和識 別處于所述設(shè)備的探測范圍內(nèi)的所述發(fā)射機。在許多情況下，用于確定標(biāo)簽的存在并識別標(biāo)簽的能力會很有用。例如，PC或工 作站可以使用它來識別特定用戶，或者針對該用戶設(shè)置功能或顯示；或者為安全起見拒絕 訪問除非進行了有效識別。后者顯然比許多其他類型的安防更安全，因為它需要安全許可 裝置(標(biāo)簽)的實質(zhì)占有，但是在計算機處不需要諸如智能卡讀取器、指紋掃描器等額外的 硬件。這也提高了便利行，因為它無需用戶的動作即可實現(xiàn)。類似地，例如，當(dāng)用戶離開時， 可再次自動回復(fù)防御而用戶不必退出登錄。還可為申請設(shè)想了兩個例子使候選人可以在線應(yīng)試的中心；或在呼叫中心中監(jiān)視工人的到崗情況。一組優(yōu)選實施方式提供了附加的安全級別。這可通過密碼、指紋、或虹膜掃描儀、面部識別等來實現(xiàn)。然而優(yōu)選地，計算機被設(shè)置為根據(jù)用戶的語音來識別他。盡管語音識 別本身是公知的，但是申請人認識到將其與根據(jù)本發(fā)明的超聲波識別結(jié)合起來實質(zhì)上是很 有用的，這是由于這二者都可以使用適于語音接收的麥克風(fēng)來實現(xiàn)。換句話說，不需要附加 硬件就能實現(xiàn)這種附加形式的安全，二者均可設(shè)置在單個軟件包中，從而保留了能夠不接 觸但安全登陸的優(yōu)點。在本發(fā)明的任何一個實施方式中可以采用的另一優(yōu)選特征在于，便攜式超聲波發(fā) 射機使用跳碼協(xié)議來發(fā)射識別碼。這種協(xié)議本身對于諸如車上的遙控鎖領(lǐng)域的射頻便攜式 發(fā)射機是公知的。該原理在于便攜式發(fā)射機和接收機用生成偽隨機碼的相同算法進行了預(yù) 編程。于是接收機知道期待的代碼，但是竊聽者由于不知道算法而不能預(yù)測下個碼(因此 構(gòu)建了仿效發(fā)射機)。該算法可以是迭代的(從而需要序列中當(dāng)前位置的信息)，或可以基 于對發(fā)射機和接收機共同的其他數(shù)據(jù)，諸如同步時鐘。上述應(yīng)用類型中使用的標(biāo)簽相對于諸如基于射頻通信的另選標(biāo)簽品很有用，因為 它們能在更短范圍內(nèi)工作并具有更少的“泄漏”(即它們方向性更強)而不存在對例如紅外 的嚴格限制。也不需要避免與對RF發(fā)射敏感的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，這在醫(yī)院中的靈敏醫(yī)療 設(shè)備附近尤其重要。當(dāng)然，用于探測標(biāo)簽的計算機可被設(shè)置成控制外部設(shè)備，例如當(dāng)有人進入房間時 開燈而當(dāng)他們離開房間時關(guān)燈，或開門或鎖門等。使用現(xiàn)有的非專用設(shè)備時，通常不需要對高頻信號進行專門的濾波，盡管在某種 濾波是可以忍受的情況下這并不總是嚴格必要的。盡管給出了嚴格的頻帶，但是單個麥克風(fēng)和有關(guān)接收和處理裝置有可能根據(jù)本發(fā) 明來接收和處理例如語音的可聽聲音和超聲波信號，優(yōu)選地，使用專用聲音通道來接收超 聲波。這具有以下優(yōu)點可以使該通道的用戶控制無效，從而允許超聲波通信系統(tǒng)以有保證 的性能特性連續(xù)工作。在采用語音識別作為附加安全級別的實施方式中，這可通過任一個 麥克風(fēng)來實現(xiàn)，但是優(yōu)選使用與進行超聲波探測相同的通道，出于同樣的理由，通過使該通 道的用戶控制無效可以保證訪問權(quán)和性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述麥克風(fēng)與計算裝置連接或成為一體，該計算裝 置包括具有動態(tài)帶寬分配的處理裝置。還優(yōu)選的是，所述處理裝置支持多流，優(yōu)選支持輸入 或輸出。更優(yōu)選地，所述處理裝置被設(shè)置為根據(jù)英特爾(RTM)定義的高清音頻標(biāo)準進行工作。根據(jù)本發(fā)明，麥克風(fēng)的最大響應(yīng)優(yōu)選在30kHz以下，更優(yōu)選在35kHz以下。優(yōu)選地根據(jù)本發(fā)明，僅使用一個麥克風(fēng)或一對麥克風(fēng)。根據(jù)本發(fā)明解碼的超聲波信號可以按照任何適當(dāng)?shù)姆绞骄幋a。在最簡單的實施方 式中，可以僅確定頻率。其他可能性包括頻移或相移鍵控或?qū)嶋H上任何其他已知的編碼方 法。在一組優(yōu)選的實施方式中，編碼的超聲波信號采取不同頻率的音調(diào)的序列模式的 形式。這可以根據(jù)頻移鍵控編碼方法或其他編碼方法。因此為了解碼這種信號，需要確定 頻率變化的模式?，F(xiàn)在優(yōu)選的方法包括將接收到的信號與一個或更多個預(yù)定模型作比較。
在優(yōu)選的實施方式中，超聲波信號包括包含了多個不同包的消息，而比較過程包 括將接收到的消息逐個包地與包模型進行比較的第一階段；以及確定包內(nèi)的各個位的第 二階段。第一階段使得能夠識別包。然后第二階段使得能夠準確地確定該包中的各個位。 這是很有利的，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)給出了準確、可靠的結(jié)果，并特別對影響超聲波脈沖的多普勒 頻移有高度的容忍。由于采用該方法使其很大程度上依賴矩陣計算，所以它特別適于現(xiàn)代 微處理器。不管用于接收超聲波信號的設(shè)備如何，這種方法就其本身而言都具有新穎性和創(chuàng) 造性。因此，從另一方面來看，本發(fā)明提供了一種對接收到的超聲波信號進行解碼的方法， 該超聲波信號包括包含了多個不同包的消息，該方法包括將接收到的消息的至少一部分 與包模型作比較的第一階段；以及確定包內(nèi)的各個位的第二階段。
通常來講，消息會包括多個包，由此根據(jù)本發(fā)明的該方面的優(yōu)選方法包括根據(jù)這 些要素包(constituent packet)來重構(gòu)所述消息的步驟。這可以在第二階段之前或之后 進行。優(yōu)選地，對輸入信號進行傅里葉變換步驟以實現(xiàn)對其頻率成分的分析?？梢允褂?快速傅里葉變換(FFT)。優(yōu)選地使用短時傅里葉變換(STFT)。優(yōu)選地使用移動傅里葉變換窗。第一階段優(yōu)選地包括在頻率變換(例如傅里葉)信號與預(yù)定包模型之間執(zhí)行互相 關(guān)，最優(yōu)選為二維互相關(guān)。這使得可以從數(shù)據(jù)流中識別數(shù)據(jù)包?？刹捎靡粋€或更多個包模 型。構(gòu)想了使用不在各個位值之間加以辨別(resolve)的包模型。例如，可使用單個模型， 其實際上是預(yù)期包結(jié)構(gòu)中的各個位位置的頻率的包絡(luò)。如果使用了更多的包結(jié)構(gòu)，那么就 有對應(yīng)的模型。另一方面，可以有用于由包表示的各個可能詞語的模型。在該例中，可以在 第一階段中解碼數(shù)據(jù)，而第二階段僅用作校驗。然而在一組優(yōu)選的實施方式中，采用了兩個包模型，具有分別對應(yīng)于一個模型中 的所有位的真(true)狀態(tài)和另一個模型中的所有位的假(false)狀態(tài)的窗。然后通過合 并(例如求和)相關(guān)分數(shù)(correlation score)來計算包相關(guān)性，所述相關(guān)分數(shù)是通過計 算輸入信號與各個模型之間的相關(guān)性而獲得的。優(yōu)選地，使測量信號和模型在既在時間上又在頻率上相對彼此重復(fù)地改變以建立 最佳相關(guān)性。頻率的改變允許包級別的補償(例如多普勒頻移)。在一些優(yōu)選實施方式中，第一階段包括通過相關(guān)對幅度進行重新縮放，其中通過 預(yù)定的時間窗對輸入信號進行歸一化以提供幅度歸一化常數(shù)，歸一化的信號用在隨后的 傅里葉變換和互相關(guān)計算中，并且互相關(guān)的最后結(jié)果通過將他們乘以歸一化常數(shù)來進行校 正。這具有以下優(yōu)點避免不得不進行使用浮點數(shù)的傅里葉變換和互相關(guān)，這在一些應(yīng)用中 (例如嵌入式系統(tǒng))會需要明顯更多的計算資源。第一階段優(yōu)選地還包括通過在各個時間階段定義與“丟失”位值相關(guān)性的相關(guān)值 相對應(yīng)的噪聲級來進行逐位噪聲相關(guān)。在一些優(yōu)選實施方式中，例如基于個人計算機的實施方式中，使用矩陣乘法來計 算互相關(guān)。在其他實施方式中，這是通過對信號矩陣建立索引(index)來執(zhí)行的。這在處 理資源方面更有效，其中在非向量化環(huán)境(諸如嵌入式系統(tǒng))中實現(xiàn)探測器，因為申請人已 經(jīng)意識到大多數(shù)模型是非常稀疏的矩陣(它們包含非常少的非零元素)。
優(yōu)選地，通過對針對構(gòu)成消息的每個包而獲得的相關(guān)峰進行互相關(guān)來在消息級上 作進一步相關(guān)。該互相關(guān)優(yōu)選地包括通過應(yīng)用取決于每個包在消息中的位置的預(yù)定時間偏 移來將該包的相關(guān)峰移動到共同時間點。優(yōu)選地，對時移峰進行合并(例如通過將他們相 加或相乘在一起)以給出單個曲線，這可以是建立其算術(shù)或幾何平均的一部分。申請人知 道這是有利的，因為它提供了消息到達時間的高度準確的估計，因為各個位的時間誤差實 際上被平均在消息的所有位上。在可將來自移動標(biāo)簽的發(fā)射信息同步的情況下，該準確時 間信息不僅可用于解碼該消息而且還可用于確定發(fā)射機與麥克風(fēng)之間的距離(即，飛行時 間位置)。各個位可以具有任意數(shù)量的可能級別，有必要在第二階段中在它們之間加以辨 另O。然而優(yōu)選地，它們是二進制位，即，各位僅具有兩個可能的級別。通常來講地，包具有數(shù) 量很小的位，例如小于16位，優(yōu)選地小于8位，優(yōu)選為4位。


以下將結(jié)合附圖僅通過舉例的方式來描述本發(fā)明的特定優(yōu)選實施方式，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的超聲波通信系統(tǒng)的示意圖；圖2是添加了外部麥克風(fēng)的用于實現(xiàn)本發(fā)明的計算機裝置的示意圖；圖3是沒有添加硬件的用于實現(xiàn)本發(fā)明的計算機裝置的示意圖；圖4是添加了外部接收機的用于實現(xiàn)本發(fā)明的計算機裝置的示意圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的超聲波解碼算法的流程圖；圖6是分別表示4位模型和輸入消息的頻率_時間圖；圖7a-7f示出了不同的相關(guān)曲線；圖8是本發(fā)明的又一個實施方式的外部接收模塊的示意圖；而圖9是與圖8類似但還能接收語音的外部接收模塊的示意圖。
具體實施例方式首先參照圖1和2，本發(fā)明的實施方式包括符合Intel (RTM)高清音頻(HDA)標(biāo)準 的運行Windows (RTM)操作系統(tǒng)的個人計算機(PC) 2。本實施方式中的PC 2被表示為配備 有單個外部麥克風(fēng)4。在另一實施方式(對應(yīng)于圖3中的示意圖)中，可以設(shè)置處于前向位 置(例如在用戶顯示器上)相隔大約20cm的兩個固定的麥克風(fēng)16。麥克風(fēng)4、16被設(shè)計成對人的語音敏感，由此對20kHz以下的頻率具有最大響 應(yīng)，但是它們對在進行數(shù)字化前在模擬信號鏈路的任何位置施加的35-45kHz范圍內(nèi)的頻 率保持敏感，而不過濾這些頻率。適當(dāng)?shù)纳逃名溈孙L(fēng)的兩個例子是Panasonic麗61A和 Roskilde，Denmark 的 Sonion Roskilde AS 提供的 Sonion TC200Z11 A。Intel (RTM) HDA標(biāo)準被設(shè)計為改善PC上的音頻體驗，主要關(guān)注于運行 Windows(RTM)操作系統(tǒng)的PC。HAD標(biāo)準有三個特征，這在實施本發(fā)明時會特別有用(盡管 不是必要的)。第一，該標(biāo)準允許48兆比特每秒(MBs)的最大串行數(shù)據(jù)輸出速率(SDO)和 24MBs的最大串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)速率。第二，帶寬不固定，而是根據(jù)需要動態(tài)分配。第三， 支持多個輸入和輸出流。SDI帶寬允許兩個通道上的32位分辨率、192kHz輸入采樣率，或者多至八個通道上的32位分辨率、96kHz采樣率。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，無論使用一個海花四 兩個通道，96kHz采樣率、24位分辨率就足以對35-45kHz范圍內(nèi)的超聲波信號進行數(shù)字化 并隨后進行解碼，因此這顯然在能力可及范圍內(nèi)。鑒于上述的HAD標(biāo)準的多流和動態(tài)帶寬功能，采用的麥克風(fēng)4、16可同時用于常規(guī) 聲音任務(wù)(例如語音和電話)以及接收超聲波。然而，為了使利用PC 2實現(xiàn)的超聲波探測 系統(tǒng)的性能和可靠性最佳化，在優(yōu)選的實施方式中，將PC 2設(shè)置成，使得用戶不能通過干 擾超聲波探測系統(tǒng)正在使用的麥克風(fēng)通道的音量或靜音控制而使超聲波探測無效。這能通 過使用戶不能訪問與超聲波接收有關(guān)的右(right)麥克風(fēng)通道音量控制而以軟件方式實 現(xiàn)。該通道也可用于語音識別。因此，在優(yōu)選實施方式中，PC 2具有均能以24位分辨率、96kHz采樣率(即，每秒 96，000次采樣，每個樣本為24位)接收可聽聲音和超聲波的兩個麥克風(fēng)通道(左和右)。 麥克風(fēng)通道在整個頻率范圍20Hz-45kHz上具有60分貝聲壓級的信噪比。PC 2還包括用于連接外部麥克風(fēng)4的外部插孔(未示出，但在后面的安裝板上)， 當(dāng)插入該外部麥克風(fēng)4時(即，感測到插孔中插頭的存在以實現(xiàn)切換)，該外部插孔取代了 右麥克風(fēng)通道。在這種情境下，左麥克風(fēng)通道可用于需要由用戶和/或第三方軟件來調(diào)節(jié)聲音音 量的語音用途。在沒有完全靜音的情況下，超聲波探測系統(tǒng)除了右超聲波(固定音量)麥克風(fēng)通 道外還使用左音頻通道以減小多徑干擾的影響。類似地，出于消除噪音(方向性)的目的， 兩個麥克風(fēng)都可用于音頻/語音用途。外部插孔使得能夠?qū)⒊暡ń邮整溈孙L(fēng)4放置得離開PC —個很短的距離(例如 2-3 米)。根據(jù)本文描述的本發(fā)明的實施方式，設(shè)置有超聲波發(fā)射機標(biāo)簽6，其利用頻移鍵控 向PC 2發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)。更具體地，其發(fā)送長度為七個包的數(shù)據(jù)消息，每個包都由4位組成。 利用在由正在發(fā)射的是真位還是假位而定的一對頻率之一上的單音發(fā)射(transmission) 來表示各個位。真和假位頻率能被當(dāng)作在中間頻率上方和下方的等量偏移。這些中間頻率 隨預(yù)定模式下的包中的四個位的各個位置而變化。而且，預(yù)定義了位之間和包之間的時間 間隔。以下結(jié)合圖7進一步解釋這種消息的結(jié)構(gòu)。利用連接到對接收到的信號進行采樣以將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字數(shù)據(jù)的聲卡8的麥克風(fēng) 4、16來接收發(fā)射。利用內(nèi)置在由National Instruments提供的Labview(商標(biāo))中的聲 音獲取功能來實現(xiàn)聲音獲取。這些功能調(diào)用了 Microsoft DirectSound(商標(biāo))dll函數(shù)。 DirectSound是Microsoft提供的DirectX庫的軟件組件，其駐留在具有Windows操作系統(tǒng) 的計算機上。其在應(yīng)用程序與聲卡驅(qū)動程序之間提供了直接接口。數(shù)字化信號被傳遞到CPU 10，在那里被解碼，從而可以獲得其所包含的原始數(shù)據(jù) 消息。后面將結(jié)合圖5到7進行更詳細的描述。解碼數(shù)據(jù)隨后被傳遞到網(wǎng)卡12(諸如以太 網(wǎng)卡)，以傳送到數(shù)據(jù)網(wǎng)14。當(dāng)然可采用任何其他合適的網(wǎng)絡(luò)(諸如無線網(wǎng))，或者將PC改 為獨立機(stand alonemachine)。圖3示出了另選實施方式。在該實施方式中，PC 2具有內(nèi)置麥克風(fēng)16而不是外 部麥克風(fēng)4。該實施方案的要求和特征與前面的實施方式相同。因此，在該實施方式中，不需要額外的硬件，本發(fā)明可在常規(guī)計算機上添加適當(dāng)?shù)能浖韺崿F(xiàn)。其他部件通用于先前 的描述，因此給出相同的標(biāo)號。圖4示出了另一可能的實施方式。該實施方式具有外部麥克風(fēng)16和用于將 35-45kHz范圍內(nèi)的超聲波信號變換到O-IOkHz范圍的降頻轉(zhuǎn)換器18。然后將其饋送到標(biāo) 準PC聲卡8的線路輸入端。通常來講，麥克風(fēng)16和降頻轉(zhuǎn)換器18可位于共同封裝中。諸 如這樣的實施方式在PC的聲卡的聲音通道對超聲波頻率不夠敏感的情況下(例如由于施 加了專門濾波)特別有用?，F(xiàn)在將結(jié)合圖5來描述信號解碼過程，圖5是示出其主要邏輯階段的流程圖。在 第一階段20中，對模擬信號采樣以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通常來講，以每秒96，000次采 樣、每個樣本24或32位對聲音采樣，盡管已經(jīng)確定18位就足夠了。樣本被存儲在大小足 夠48，000個樣本(即半秒)的緩沖器22中。如果使用24位樣本，則這對應(yīng)于141KB的緩 沖器大小。利用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器例程24對傳出緩沖器22的位流進行濾波使之僅 包含感興趣的超聲波頻帶(35-45kHz)。在采用了語音識別的實施方式中，可從原始信號濾 波并分別進行處理。在下一步驟26，對濾波信號進行抽取(在一些系統(tǒng)中)并由CPU 10利用快速傅里 葉變換(FFT)例程進行處理，以使得能夠在頻域中對輸入信號進行分析。從數(shù)字化緩沖器 22讀取的數(shù)據(jù)塊的大小是要在FFT例程中處理的樣本的長度(通常為20-256個樣本)和 要讀取的移幀的數(shù)量(通常為10-100)的乘積，限制在于該乘積應(yīng)該小于緩沖器大小。移 幀是相對于實際接收時間進行了時移的樣本，下面將澄清其目的。標(biāo)簽6利用20毫秒的位長度進行發(fā)射。另一方面，使用了實質(zhì)上更長的32毫秒 的FFT幀長度。這很有利，因為這意味著在FFT中還獲得了乘以聲速的小于12ms的額外路 徑長度(即大約4米)的回聲。接著在步驟28執(zhí)行短時傅里葉變換(STFT)。其由具有固定的時間位移的傅里葉 變換序列組成。在快速傅里葉變換(FFT)中使用的時間幀中的點數(shù)(即FFT長度)可以小 于在FFT計算中使用的點數(shù)(FFT大小)。這可用于增加傅里葉變換的頻率分辨率，而以額 外的計算能力為代價。通常來講，將FFT大小設(shè)為FFT長度的大約兩倍，但通常是2的冪。 如果輸入信號加起來不是FFT長度和位移組合的倍數(shù)，則將信號的剩余部分(沒有變換的) 存儲在本地緩沖器并添加到下個輸入數(shù)據(jù)塊的開始部分。在濾波步驟24中應(yīng)用的精確濾波器取決于在后一步驟26中要應(yīng)用的抽取因 子(如果確實應(yīng)用了用于在進行抽取時避免超聲波信號和其他音頻信號的混淆的任何抽 取)。例如，如果沒有采用抽取或采用了抽取因子3，則要使用真實FFT。如果使用了因子5 的抽取，則通過在信號數(shù)據(jù)流的實部和虛部上分別執(zhí)行FFT來實現(xiàn)STFT，此后將結(jié)果合成 以再次獲得真實的FFT信號。一旦進行了合適的傅里葉變換，就對頻率分布進行分析以確定編碼數(shù)據(jù)。為了核實已經(jīng)接收到有效消息并對該消息中編碼的數(shù)據(jù)進行解碼，執(zhí)行三級相 關(guān)。首先在步驟30識別信號內(nèi)的各個包。然后在步驟32共同使用這些包來確保整個消息 有效(利用有效消息中的包之間的預(yù)期間隔)。進而在步驟34和36使用它找到包峰。然 后在步驟38和40對包內(nèi)的各個位執(zhí)行相關(guān)以確定它們是真還是假。以下將結(jié)合圖6和7進一步解釋這些步驟30-40。包相關(guān)30定義兩個包模型42、44以識別信號內(nèi)的包。這被表示在圖6中的垂直線的左側(cè)。通過通信方案(即，在四個不同位位置之間的中間頻率的變化)、獲取參數(shù)、位長度以及規(guī) 定的頻率分布來指定模型的形式。一個模型42對應(yīng)于各個位位置處真位的頻率值；另一模 型44對應(yīng)于各個位位置處假位的頻率值。由此他們分別被稱作真模型和假模型。每個模型42、44都包括值為1/(位長度*頻率分布)的像素。像素的符號(即， 位于給定位位置的中間頻率的上方還是下方)由其是真位還是假位來決定。通過位長度和 STFT位移時延的商來給出沿時間軸的像素數(shù)?？捎捎脩魜碇付l率分布。應(yīng)該憑經(jīng)驗來選 擇使之與觀察的直接路徑超聲波消息的頻率分布相類似。沿頻率軸(y軸)，通過在最低和最高頻率范圍處加上“f搜索寬度”零來增大模型。 這些模型充當(dāng)頻移相關(guān)的緩沖器以確定多普勒頻移。利用二維互相關(guān)使輸入STFT結(jié)果46與兩個模型42，44匹配這兩個模型都沿頻 率和時間軸移位。對于各個時間和頻率位置，真和假模型會各自產(chǎn)生互相關(guān)分數(shù)。然后將 這些分數(shù)加在一起給出頻移和時移的分數(shù)。將給出了合計分數(shù)最高值的頻移和時移的組合 表示為“獲勝”互相關(guān)?？梢陨汕€，其是作為時間的函數(shù)的相關(guān)值的曲線。如先前所述，這是通過計算 由“移動”樣本間隔開的包相關(guān)來實現(xiàn)的。該曲線中的峰表示在那一瞬間對于所有允許的 多普勒頻移，輸入信號與總計的真和假位模型42、44的最高相關(guān)。隨著相關(guān)過程繼續(xù)(連 續(xù)執(zhí)行)，會碰到下一包并會產(chǎn)生另一峰。因此，在當(dāng)前描述的例子中，在已經(jīng)接收到整個消 息時，在相關(guān)性曲線中會有七個峰。在圖7a中可以看到相關(guān)性曲線的例子。盡管對各個包模型42、44的所有4位的 相關(guān)分數(shù)求和以生成圖7a中的曲線，但還記錄了各個位位置的相關(guān)分數(shù)。這些表示在圖7c 到7f中，其中，圖7c對應(yīng)于位1，圖7d對應(yīng)于位2，圖7e對應(yīng)于位3，而圖7f對應(yīng)于位4。 在這些曲線中，假位模型相關(guān)性被分配了負值。由此，例如在圖7C中，位1在前三個包中為 真，在第四個包中為假，在第五個包中為真，而在第六和第七個包中為假。這些曲線使得能 直接估計位值，但是以下將描述更為準確和可靠的確定方法。通過在各個時間階段定義與“丟失”位值相關(guān)性的相關(guān)值相對應(yīng)的噪聲水平來執(zhí) 行逐位噪聲相關(guān)。上述的時間_頻率相關(guān)例程生成作為時間的函數(shù)的包相關(guān)性，然后再被用于取閾 值和峰探測以確定包的位置。該例程還可獲得逐位相關(guān)性和噪聲矩陣以及包多普勒指數(shù)， 這些將由后面的利用使用來發(fā)現(xiàn)逐位多普勒頻移和獲勝位符號。以上描述的例程將相關(guān)性結(jié)果存儲在至少長度上足以容納一條消息的STFT相關(guān) 性結(jié)果的具有一定緩沖作用的中間緩沖器中。選擇性地通過相關(guān)對幅度重新縮放，其中，通過預(yù)定時間窗對輸入信號進行歸一 化以提供幅度歸一化常數(shù)，歸一化信號用于隨后的傅里葉變換和互相關(guān)計算，并且通過將 互相關(guān)的最后結(jié)果乘以歸一化常數(shù)來對它們進行校正。這具有以下優(yōu)點避免了不得不使 用浮點數(shù)進行傅里葉變換和互相關(guān)。這是例如嵌入式系統(tǒng)的重要考慮事項，其中使用浮點 數(shù)帶來很高的計算開銷。
消息相關(guān)32可以使用已知的消息內(nèi)的包的周期性來核查消息并獲得各個位的準確定時。已知消息由在時間上以k個時間間隔分隔開的η個包組成，然后對每個時間瞬間，對由k個時間 間隔分隔開的最后η個樣本計算算術(shù)或幾何平均。在本文描述的例子中(一個消息包括七 個包)，一個樣本取自七個包中的每一個，這些樣本由包間隔所分隔。然后計算算術(shù)或幾何 平均以給出單個的消息級別的相關(guān)峰48。這在圖7b中可以看出。實際上，各個包相關(guān)峰分 別時移了由其在消息中的位置決定的量，從而使它們都落在相同的時間點，然后取平均值 (算術(shù)的或幾何的)來生成單峰。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)算術(shù)平均最適合短包長度(例如3位)，幾何平 均更適合于更大的包長度(例如7位)。作為平均的結(jié)果，即使包相關(guān)峰之一非常低或丟失，以上過程也總是會生成明確 的峰48。事實上，峰48具有sine函數(shù)(sin (χ)/χ)的形狀，這可從圖7b中看出。該函數(shù)的 兩個旁帶50與主峰48的高度成預(yù)定比例，而且該比率相對于其他因子是高度不變的。因 此這被用于消息的核查。如果預(yù)期比率不在于預(yù)定閾值內(nèi)，則將可能的消息作為噪聲丟棄。在步驟34，針對各個峰來分析作為時間的函數(shù)的消息相關(guān)，并在包/消息相關(guān)曲 線中對峰進行可視化。利用內(nèi)置Labview例程來尋找峰。利用內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖器來發(fā)現(xiàn)峰， 確保對消息相關(guān)中的每個時間/數(shù)據(jù)點都進行了分析(由此避免了 STFT幀邊界上的不連 續(xù)性)。計算可由消息相關(guān)例程獲得的最高峰，其提供了消息到達的準確時間瞬間(由于 準確知道了施加到包以產(chǎn)生其的偏移量)。然后在步驟36處，可以將該時間信息用于包峰 找尋并用于解碼的第二階段(步驟38和40)，其中確定各個包的各個位是真還是假。申請 人已經(jīng)知道上述的例程給出了非常精確和準確的消息到達時間指示，因為該例程有效地對 組成消息的所有28位求平均。因此，當(dāng)固有時間誤差占各個位的時延(在該例中為20ms) 相對大的比例時，對所有位進行平均顯著減小了比例誤差。準確和精確知道消息到達時間 不僅對解碼消息有用，而且對給出飛行時間信息有用。這使得能夠?qū)εc移動發(fā)射機標(biāo)簽之 間的距離進行準確確定，通常幾厘米內(nèi)。這還增加了本發(fā)明的這些實施方式可以實施的可 能應(yīng)用。上述例程將相關(guān)性結(jié)果存儲在至少長度上足以容納一條消息的STFT相關(guān)性結(jié)果 的具有一定緩沖作用的中間緩沖器中。位確定一旦在步驟34識別了新的中央消息峰48，就在步驟36計算包峰，在步驟38分析 位相關(guān)來找到位峰以在步驟40識別各個位的值。該例程獲得識別的中央消息峰48的時間 (緩沖器)位置并分析位相關(guān)差與和的內(nèi)容。針對每個位，就是否通過正或負相關(guān)給出了最大相關(guān)來進行計算。該結(jié)果被用于 選擇“獲勝”多普勒指數(shù)。然后，與帶符號的位相關(guān)、逐位噪聲相關(guān)、包校正以及包噪聲相關(guān) 一樣，存儲該多普勒指數(shù)。在對7個包(在該例中)進行了解碼后，可以在步驟52組裝消息，并對解碼消息 進行循環(huán)冗余校驗。在以上使用來自移動超聲波發(fā)射機的28位消息的例子中，消息格式可以包括識 別碼、狀態(tài)信息(例如電池電量，固定還是移動的)以及諸如7位循環(huán)冗余校驗的檢錯。這使其適于各種不同的應(yīng)用，諸如資產(chǎn)跟蹤、安全身份驗證等。可通過信號強度確定估計的接 近度，當(dāng)用戶在計算機的預(yù)定范圍內(nèi)時，該信號強度足以使特定操作實現(xiàn)。本文所述的消息解碼方法給出了對編碼在超聲波音上的數(shù)據(jù)進行解碼的非常有 效且準確的方法，尤其是在通過麥克風(fēng)和不是為超聲波接收而設(shè)計的相關(guān)接收裝置進行探 測的情況下。這利用了非常適于用在超聲波通信應(yīng)用中的現(xiàn)成的音頻接收系統(tǒng)。如前面解釋的，編碼數(shù)據(jù)例如可以為識別碼。在一些優(yōu)選實施方式中，這可以設(shè)計 成具有在發(fā)射機和接收機出使用以分別生成并校驗代碼的類似算法的跳碼協(xié)議的一部分。 由于即使竊聽者能夠足夠接近來截取從標(biāo)簽發(fā)射的消息，也不能用其構(gòu)建一個仿效的發(fā)射 機，因此得到錯誤的識別，所以這使得系統(tǒng)更加安全。申請人:已經(jīng)意識到當(dāng)前現(xiàn)有的大量計算機都不具有上述理想的音頻功能。然而， 這些計算機通過使用降頻轉(zhuǎn)換器仍然會受益于本發(fā)明的原理。下面將結(jié)合圖8描述這樣一 個實施方式。在該圖中，可以看到超聲波麥克風(fēng)60，來自它的信號經(jīng)過帶通濾波器62傳送 到混頻器64。帶通濾波器62使35-45kHz范圍的超聲波頻率通過以阻止互相混淆。混頻器64的第二輸入來自本地振蕩器66。混頻器64的輸出被傳送 到用于插入到 普通PC聲卡68的麥克風(fēng)輸入插孔中的插頭。麥克風(fēng)和其他電路可方便地由標(biāo)準PC聲卡 68的麥克風(fēng)輸入所提供的電壓來供電。將從麥克風(fēng)60接收的信號與來自本地振蕩器66的 信號進行混頻的效果是有效地減去相應(yīng)頻率(時域中的乘法等價于頻域中的加法/減法)。 由此有效地將輸入信號降頻轉(zhuǎn)換了一固定量?；祛l器之前的帶通濾波器有助于防止降頻轉(zhuǎn) 換信號與相同頻率范圍的可聽信號混淆。例如，麥克風(fēng)可以是Panasonic wm_61電容式麥克風(fēng)。這種麥克風(fēng)在其封裝內(nèi)包 括場效應(yīng)晶體管(FET)，其通常用途是設(shè)計為向其施加大約1伏特的固定偏壓。然而，通過 將來自本地振蕩器66的振蕩信號施加到FET的偏置輸入，其充當(dāng)了混頻器64。在另選結(jié)構(gòu) 中，可替代麥克風(fēng)60而使用諧振的Murata Piezotite(RTM)壓電換能器。這樣就不再需要 設(shè)置單獨的帶通濾波器62，因為其自身具有窄帶特性。一個合適的換能器的例子是日本京 都的 Murata Manufacturing Co.，Ltd 的 MA40S4S 或 MA40B8R/S。如果使用了這種換能器， 則需要單獨的FET或其他混頻器。舉一個具體例子，如果通過本地振蕩器提供了 32.67kHz的混頻，則將35_45kHz 范圍的超聲波信號降頻轉(zhuǎn)換到2. 33-12. 33kHz的頻帶。該信號然后被傳送到具有16位的 44. IkHz采樣率的聲卡。易于對降頻轉(zhuǎn)換信號進行數(shù)字化并使得能夠按照與上述實施方式 相同的方法對其進行處理。圖9示出子對圖8實施方式的變型。該實施方式使得聲卡68的麥克風(fēng)輸入能夠 既用于如上面結(jié)合圖8的實施方式描述的對超聲波信號進行降頻轉(zhuǎn)換，又用于普通語音。 因此，設(shè)置了第二麥克風(fēng)70來拾取(pick up)經(jīng)過低通濾波器72直接輸入到聲卡68的語 音。低通濾波器72具有大約SkHz的滾降。這確保了普通語音頻率(100-6000HZ)通過而 阻擋更高的音頻。另一方面，在本實施方式中，通過將本地振蕩器66的頻率設(shè)置成25kHz， 對35-45kHz范圍的超聲波信號進行降頻轉(zhuǎn)換從而占用10-20kHz范圍。這確保了語音與超 聲波信號在頻率上保持互相明顯不同，從而能在數(shù)字化后易于分離。盡管沒有直接描述，但是所述系統(tǒng)還接收語音和分析語音的特征頻率和模式，該 特征頻率和模式使攜帶標(biāo)簽的用戶能被分別識別，從而充當(dāng)更高級別的安全。
權(quán)利要求
一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟利用最大響應(yīng)低于20千赫茲的麥克風(fēng)來探測所述超聲波信號；以及解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。
2.一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟利用適于人類 語音接收的麥克風(fēng)來探測所述超聲波信號；以及解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。
3.一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟利用對低于20千赫茲的頻率有第一靈敏度和對20千赫茲到60千赫茲之間的頻率有 第二靈敏度的聲音探測裝置來探測所述超聲波信號，其中所述第一靈敏度大于所述第二靈 敏度；以及解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第一靈敏度是0千赫茲到20千赫茲范圍內(nèi) 的最大或平均或中間靈敏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，所述第一靈敏度是所述第二靈敏度的至少兩 倍或至少四倍。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，該方法還包括以下步驟對所述超聲波信號 的頻率進行降頻轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述降頻轉(zhuǎn)換步驟包括以預(yù)定頻率來調(diào)制所述超聲波信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述調(diào)制步驟包括對用于放大所述麥克風(fēng)或聲 音探測裝置接收到的信號的放大器施加振蕩控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項所述的方法，其中，所述降頻轉(zhuǎn)換步驟包括將預(yù)定頻率 的信號與接收到的超聲波信號進行混頻。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，該方法還包括以下步驟將探測到的信號 與一個或多個預(yù)定模板作比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述探測到的信號包括多個不同的包，并且所 述比較過程包括將接收到的消息逐個包地與包模板作比較的第一階段和確定該包內(nèi)的各 個位的第二階段。
12.一種用于接收超聲波信號的設(shè)備，該設(shè)備包括最大響應(yīng)低于20千赫茲的麥克風(fēng) 和用于對所述麥克風(fēng)接收到的所述超聲波信號進行解碼的裝置。
13.一種用于接收超聲波信號的設(shè)備，該設(shè)備包括適于人類語音接收的麥克風(fēng)和用 于對所述麥克風(fēng)接收到的所述超聲波信號進行解碼的裝置。
14.一種用于接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的設(shè)備，該設(shè)備包括用于探測所述超聲波信號的聲音探測裝置，其對低于20千赫茲的頻率有第一靈敏度 而對20千赫茲到60千赫茲之間的頻率有第二靈敏度，其中所述第一靈敏度大于所述第二 靈敏度；以及用于解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述第一靈敏度是0千赫茲到20千赫茲范圍 內(nèi)的最大或平均或中間靈敏度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的設(shè)備，其中，所述第一靈敏度是所述第二靈敏度的至 少兩倍或至少四倍。
17.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任一項所述的設(shè)備，其中，所述麥克風(fēng)或聲音探測裝置的 最大響應(yīng)低于35千赫茲或低于30千赫茲。
18.根據(jù)權(quán)利要求12到17中任一項所述的設(shè)備，該設(shè)備還包括用于對所述超聲波信號 的頻率進行降頻轉(zhuǎn)換的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述頻率降頻轉(zhuǎn)換裝置包括用于以預(yù)定頻率 來調(diào)制所述超聲波信號的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述用于調(diào)制接收到的信號的裝置包括用于 放大所述麥克風(fēng)或聲音探測裝置接收到的信號的放大器以及用于對所述放大器施加振蕩 控制的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求18到20中任一項所述的設(shè)備，其中，所述降頻轉(zhuǎn)換裝置包括用于將 預(yù)定頻率的信號與所述超聲波信號進行混頻的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述混頻裝置包括場效應(yīng)晶體管。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述場效應(yīng)晶體管設(shè)置于麥克風(fēng)封裝內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的設(shè)備，該設(shè)備包括振蕩器，所述振蕩器連接到所述場 效應(yīng)晶體管的偏置輸入端并被設(shè)置為提供所述預(yù)定頻率的信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求12到24中任一項所述的設(shè)備，該設(shè)備被設(shè)置為在專用聲音通道上接 收超聲波。
26.根據(jù)權(quán)利要求12到25中任一項所述的設(shè)備，其中，所述麥克風(fēng)或聲音探測裝置與 計算裝置連接或成為一體，該計算裝置包括具有動態(tài)帶寬分配的處理裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，所述處理裝置支持多流；優(yōu)選地既有輸入又有 輸出。
28.根據(jù)權(quán)利要求12到27中任一項所述的設(shè)備，該設(shè)備僅包括一個麥克風(fēng)或一對麥克風(fēng)。
29.一種裝置，該裝置包括用于接收超聲波信號的換能器；被設(shè)置為生成預(yù)定頻率的 信號的振蕩器；以及用于使用所述預(yù)定頻率的信號對所述換能器接收到的信號進行調(diào)制的裝置ο
30.一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求12到28中任一項所述的設(shè)備，還包括一個或 多個便攜式超聲波發(fā)射機，其中所述或每個發(fā)射機被設(shè)置為發(fā)射超聲波信號，該超聲波信 號包含對其進行標(biāo)識的信息，該設(shè)備被設(shè)置為探測和識別處于所述設(shè)備的探測范圍的所述 發(fā)射機。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)備包括計算機，該計算機被設(shè)置為確定 所述發(fā)射機或所述多個發(fā)射機之一的存在并進行識別，并響應(yīng)于所述確定和識別針對用戶 來設(shè)置功能或顯示。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)備包括計算機，該計算機被設(shè)置為 確定所述發(fā)射機或所述多個發(fā)射機之一的存在并進行識別，并拒絕訪問除非進行了有效識 別。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機還被設(shè)置為根據(jù)用戶的聲音來識 別用戶。
34.根據(jù)權(quán)利要求31到33中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機被設(shè)置為響應(yīng)于確定出所述發(fā)射機或所述多個發(fā)射機之一的存在而控制外部裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求30到34中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述或每個發(fā)射機被設(shè)置為使 用跳碼協(xié)議來發(fā)送識別碼。
36.一種對接收到的超聲波信號進行解碼的方法，該超聲波信號包括包含了多個不同 包的消息，該方法包括以下步驟在第一階段中將接收到的消息的至少一部分與包模板作 比較；以及在第二階段中確定該包內(nèi)的各個位。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，該方法還包括根據(jù)要素包來重構(gòu)所述消息的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求36或37所述的方法，該方法包括以下步驟對接收到的超聲波信號 進行傅里葉變換，優(yōu)選為快速傅里葉變換，優(yōu)選為短時傅里葉變換。
39.根據(jù)權(quán)利要求36到388中任一項所述的方法，其中，第一階段包括在變換后信號與 預(yù)定包模板之間執(zhí)行互相關(guān)，優(yōu)選為二維互相關(guān)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，互相關(guān)步驟包括使用分別對應(yīng)于一個模板中 的所有位的真狀態(tài)和另一個模板中的所有位的假狀態(tài)的窗，計算變換后信號與這兩個包模 板中的每一個之間的相關(guān)分數(shù)；以及對所述相關(guān)分數(shù)進行合并。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或400所述的方法，該方法包括以下步驟使變換后信號和所述 包模板在時間上和頻率上重復(fù)地相對彼此移動。
42.根據(jù)權(quán)利要求39到41中任一項所述的方法，其中，互相關(guān)步驟包括使用矩陣乘法 來計算互相關(guān)性。
43.根據(jù)權(quán)利要求39到422中任一項所述的方法，其中，互相關(guān)步驟包括對接收到的信 號的矩陣建立索引。
44.根據(jù)權(quán)利要求39到43中任一項所述的方法，該方法包括以下步驟通過對針對組 成某一消息的每個包而獲得的相關(guān)峰進行互相關(guān)，在消息級上進行相關(guān)。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述在消息級上進行相關(guān)的步驟包括通過施 加取決于每個包在所述消息中的位置的預(yù)定時間偏移來將該包的相關(guān)峰移到共同時間點。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，該方法包括以下步驟合并時移后的峰以給出單個 曲線。
47.根據(jù)權(quán)利要求36到466中任一項所述的方法，其中，第一階段包括通過在各個時間 階段定義與“丟失”位值相關(guān)的相關(guān)值相對應(yīng)的噪聲級來進行逐位噪聲相關(guān)。
48.根據(jù)權(quán)利要求36到477中任一項所述的方法，其中，第一階段包括通過相關(guān)對幅 度進行重新縮放，其中在預(yù)定的時間窗上對接收到的信號進行歸一化以提供幅度歸一化常 數(shù)，歸一化信號被用在隨后的傅里葉變換和互相關(guān)計算中，并且通過將所述互相關(guān)的最后 結(jié)果乘以所述歸一化常數(shù)來對它們進行校正。
49.根據(jù)權(quán)利要求36到48中任一項所述的方法，其中，所述各個位正好有兩個級別，在 所述第二階段中有必要在這兩個級別之間加以分辨以確定各個位。
50.根據(jù)權(quán)利要求36到49中任一項所述的方法，其中，每個包都少于16位或少于8位 或少于4位。
51.根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項所述的方法，其中，根據(jù)權(quán)利要求36到50中任一項 所述的方法來執(zhí)行所述解碼步驟。
52.一種用于使數(shù)字計算裝置運行的計算機軟件，該軟件被配置為接收經(jīng)數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)流；識別頻率大于20kHz的信號；以及解碼所述信號以確定編碼在其上的數(shù)據(jù)。
53. 一種用于執(zhí)行軟件的數(shù)字計算裝置，該軟件被配置為接收經(jīng)數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)流； 識別頻率大于20kHz的信號；以及解碼所述信號以確定編碼在其上的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種接收編碼在超聲波信號上的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟利用最大響應(yīng)在20千赫茲以下的麥克風(fēng)(4)或適于人類語音接收的麥克風(fēng)(4)來探測所述超聲波信號；以及解碼所述信號以確定所述數(shù)據(jù)。
文檔編號H04L27/144GK101816135SQ200880107946
公開日2010年8月25日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者克努特·奧斯瓦爾德·韋勒, 威爾弗雷德·埃德溫·波杰 申請人:索尼特技術(shù)公司