CN101816135B - 超声波探测器 - Google Patents

Abstract

一种接收编码在超声波信号上的数据的方法，该方法包括以下步骤：利用最大响应在20千赫兹以下的麦克风(4)或适于人类语音接收的麦克风(4)来探测所述超声波信号；以及解码所述信号以确定所述数据。

Description

超声波探测器

技术领域

本发明涉及探测超声波信号，例如用于识别或定位移动超声波发射机。

背景技术

对于采用超声波通信来跟踪移动超声波发射机(标签)的系统，之前已经有过许多方案，例如对医院设备或集装箱的移动进行监视。超声波室内定位系统通常在建筑物的每一个房间中都有至少一个专用超声波接收机以提供可靠的定位信息。

发明内容

本发明旨在提供一些改进并开发超声波通信的可能应用。从第一方面来看，本发明提供了一种接收编码在超声波信号上的数据的方法，该方法包括以下步骤：利用最大响应在20千赫兹以下的麦克风来探测所述超声波信号；并解码所述信号以确定所述数据。另选的是，本发明提供了一种接收编码在超声波信号上的数据的方法，该方法包括以下步骤：利用适于人类语音接收的麦克风来探测所述超声波信号；并解码所述信号以确定所述数据。

从第二方面来看，本发明提供了用于接收超声波信号的设备，该设备包括：最大响应在20千赫兹以下的麦克风和用于对所述麦克风接收到的超声波信号进行解码的装置。另选的是，本发明提供了用于接收超声波信号的设备，该设备包括：适于人类语音接收的麦克风和用于对所述麦克风接收到的超声波信号进行解码的装置。

从第三方面来看，本发明提供了一种接收编码在超声波信号上的数据的方法，该方法包括以下步骤：

利用对低于20千赫兹的频率有第一灵敏度和对20千赫兹到60千赫兹之间的频率有第二灵敏度的声音探测装置来探测所述超声波信号，其中所述第一灵敏度大于所述第二灵敏度；以及

解码所述信号以确定所述数据。

从第四方面来看，本发明提供了用于接收编码在超声波信号上的数据的设备，该设备包括：

用于探测所述超声波信号的声音探测装置，其对低于20千赫兹的频率有第一灵敏度而对20千赫兹到60千赫兹之间的频率有第二灵敏度，其中所述第一灵敏度大于所述第二灵敏度；以及

用于解码所述信号以确定所述数据的装置。

由此，本领域的技术人员可以看到，根据本发明，不是使用专用的超声波换能器，而是可以使用设计用于可听范围(低于20kHz)的普通声音麦克风，尤其适于人类语音的麦克风。还可以使用使探测和处理可听声音最优化的相关硬件和软件。这来自于申请人的以下认知：可成功地使用例如为人类语音设计的许多普通麦克风来接收在超声波编码数据通信系统中使用的那种超声波信号；而且还可以使用诸如PC声卡上提供的数字采样的现有探测硬件和软件来处理超声波信号。

普通语音麦克风通常具有对直到10千赫兹(kHz)都相对平坦然后逐渐下降的响应，从而在20kHz(通常认为是人类听力极限)处存在明显减弱的响应。然而，申请人发现在超声波(即，20kHz以上，更典型地在35-45kHz附近)仍存在充分响应，从而能对编码在超声波信号中的信息进行接收和解码。尽管这种远离麦克风设计范围的响应比对语音频率的响应要低得多，但是由于在超声波频率处噪声非常小使得即使微弱响应也可以给出清楚显著的信号，所以申请人认为这并不太重要。

音频探测系统的灵敏度(这受到麦克风或相关硬件和软件的制约)通常会在根据本发明第三和第四方面规定的频率范围内显著变化。因此，第一灵敏度和第二灵敏度大致是用于表征各个频率范围内的频率响应的参数。因此，第一灵敏度可以是0-20kHz范围内的最大、平均或中间灵敏度或实际上可以是该响应的任何其他量度。

优选地，第一灵敏度是第二灵敏度的至少两倍，更优选地是至少四倍。

根据本发明，利用普通可听范围麦克风的“剩余”响应，可以凭借这种麦克风适用性广以及低价的优点以低成本构建超声波通信系统。然而，申请人已经知道本发明可以给出一个特别优点，这是由于大量的台式机或笔记本PC包括内置或作为配件设置的麦克风，根据本发明可以利用该优点来提供超声波通信系统的一部分。这同样也适用于诸如蜂窝电话和智能电话的便携式支持语音设备。申请人还认识到，通过具有以下特点的近来广泛应用的PC、膝上计算机和其他移动设备来提高利用对超声波不是最优的麦克风/探测装置的机会，它们一方面具有高质量模/数转换器，其结合了高位分辨率和高采样率；另一方面具有完善的数字信号处理资源。

因此，在本发明的至少一些实施方式中，仅通过使用适当软件，就可以使用现有设备来实现超声波通信系统而无需任何额外硬件。很明显，这显著地开拓了可能的应用范围。

从另一方面来看，本发明提供了用于使数字计算装置运行的计算机软件，该软件被设置为接收数字采样数据流，识别频率大于20kHz的信号以及解码所述信号以确定编码在其上的数据。

本文所述的方法和设备的优选特征也是上述软件或执行该软件的计算装置的优选特征。

尽管如上所述，本发明的一个可能优点是能够利用许多设备的内置功能来进行超声波接收，但是申请人认识到并非所有当前设备都具有所需的功能。例如，有许多计算装置，其遵照Intel AC97音频编码标准，具有CD品质采样率：44.1千赫兹16位。尽管这允许在超声波下缘的窄带中采样，但是这与使用了35-45kHz范围的超声波频率的本发明的至少优选实施方式不一致。然而，申请人提出了另一种方案，其允许利用这种装置来实现本发明的优选实施方式。因此，在至少一些实施方式中，本发明的设备包括用于对麦克风接收到的信号的频率进行降频转换(down-convert)的装置，由此允许在更低频率下进行采样。

降频转换装置可以包括用于将超声波频率改变到可听范围的任何适当的模拟域(analogue domain)装置。其优选包括用于以预定频率对接收到的信号进行调制的装置。本领域的技术人员会理解，可将接收到频率与预定频率之差作为更低的有效频率。在申请人构想的一组实施方式中，这可通过对麦克风接收到的信号进行放大的放大器的振荡控制来实现。例如，这种振荡控制可施加于放大器的增益或麦克风的电源。实际上，这种结构具有以下优点：通过使用相关增益或外部麦克风输出电压的软件控制可在诸如个人计算机的计算装置上使用一个或两个这种结构。因此，可以使用现有计算装置进行超声波信号探测，即使其不具有对超声波信号进行采样的能力亦可。

在另一组实施方式中，所述设备包括用于将预定信号与接收到的超声波信号进行混频的装置。这对与两个混频的差频等价的减少频率的信号具有相同的效果。在一些优选实施方式中，混频装置包括场效应晶体管(FET)。在一些特别方便的实施方式中，采用了内置于麦克风封装中的FET。提供预定频率信号的振荡器优选连接到FET的偏置输入端。

振荡控制或混频信号的波形可以是任何方便的形状，例如正弦、方波或更复杂的形状。

在调制上述的麦克风放大器的增益或电源电压并不适当或不可行的情况下，可通过其他方式(诸如对来自所述振荡器的预定频率的信号进行混频)来实现降频转换。这种振荡器可合并到具有超声波麦克风和相关电子元件的封装内以提供以下模块，该模块使得任何能够对普通可听声音进行数字化处理的计算装置都可用作超声波信号接收机和处理器。这种模块就其自身而言具有新颖性和创造性，因此从另一方面来看，本发明提供了一种装置，该装置包括：用于接收超声波信号的换能器，被设置为生成预定频率的信号的振荡器，以及使用所述预定频率的信号对所述换能器接收到的信号进行调制的装置。

该调制可通过控制放大器的增益或控制施加到麦克风的电压来实现。然而优选地，通过将来自振荡器的信号与来自换能器的信号按上述方式进行混频来实现。

因此总的来说，在一些实施方式中，通过增加合适的硬件可对现有装置进行改动使之根据本发明来运行。例如，可以将满足根据本发明的灵敏度要求的麦克风和有关放大/滤波电子器件连接到现有装置的适当模拟输入端。另选的是，可以将包括这种麦克风装置和降频转换装置的外围设备连接到没有处理超声波信号的能力的现有装置。在另一替换方案中，可以将包括满足根据本发明的灵敏度要求的麦克风和有关放大/滤波电子器件的外围设备连接到某一装置的数字输入端。

本发明原理的一个可能应用是改进的超声波资产跟踪系统的实施方式，其中，例如在医院中，将移动标签贴在设备上，在需要跟踪该设备的各个房间或其他位置放置一个或更多个接收机。根据本发明，这种系统中的一些或全部接收机例如可以实现为普通PC。这使得它们能够执行多于一种的功能。例如，可能仅需要在不包含PC的房间内安装专用接收机；或者用于接收跟踪信息的终端也可作为接收机之一。

然而，也存在与PC和其他传统设备有关的许多其他不同的可能应用。一组优选的实施方式提供了一种系统，该系统包括根据本发明的设备，以及被设置为发射包含识别标签的信息的超声波信号的一个或更多个便携式超声波发射机，所述设备被设置为探测和识别处于所述设备的探测范围内的所述发射机。

在许多情况下，用于确定标签的存在并识别标签的能力会很有用。例如，PC或工作站可以使用它来识别特定用户，或者针对该用户设置功能或显示；或者为安全起见拒绝访问除非进行了有效识别。后者显然比许多其他类型的安防更安全，因为它需要安全许可装置(标签)的实质占有，但是在计算机处不需要诸如智能卡读取器、指纹扫描器等额外的硬件。这也提高了便利行，因为它无需用户的动作即可实现。类似地，例如，当用户离开时，可再次自动回复防御而用户不必退出登录。还可为申请设想了两个例子：使候选人可以在线应试的中心；或在呼叫中心中监视工人的到岗情况。

一组优选实施方式提供了附加的安全级别。这可通过密码、指纹、或虹膜扫描仪、面部识别等来实现。然而优选地，计算机被设置为根据用户的语音来识别他。尽管语音识别本身是公知的，但是申请人认识到将其与根据本发明的超声波识别结合起来实质上是很有用的，这是由于这二者都可以使用适于语音接收的麦克风来实现。换句话说，不需要附加硬件就能实现这种附加形式的安全，二者均可设置在单个软件包中，从而保留了能够不接触但安全登陆的优点。

在本发明的任何一个实施方式中可以采用的另一优选特征在于，便携式超声波发射机使用跳码协议来发射识别码。这种协议本身对于诸如车上的遥控锁领域的射频便携式发射机是公知的。该原理在于便携式发射机和接收机用生成伪随机码的相同算法进行了预编程。于是接收机知道期待的代码，但是窃听者由于不知道算法而不能预测下个码(因此构建了仿效发射机)。该算法可以是迭代的(从而需要序列中当前位置的信息)，或可以基于对发射机和接收机共同的其他数据，诸如同步时钟。

上述应用类型中使用的标签相对于诸如基于射频通信的另选标签品很有用，因为它们能在更短范围内工作并具有更少的“泄漏”(即它们方向性更强)而不存在对例如红外的严格限制。也不需要避免与对RF发射敏感的其他设备产生干扰，这在医院中的灵敏医疗设备附近尤其重要。

当然，用于探测标签的计算机可被设置成控制外部设备，例如当有人进入房间时开灯而当他们离开房间时关灯，或开门或锁门等。

使用现有的非专用设备时，通常不需要对高频信号进行专门的滤波，尽管在某种滤波是可以忍受的情况下这并不总是严格必要的。

尽管给出了严格的频带，但是单个麦克风和有关接收和处理装置有可能根据本发明来接收和处理例如语音的可听声音和超声波信号，优选地，使用专用声音通道来接收超声波。这具有以下优点：可以使该通道的用户控制无效，从而允许超声波通信系统以有保证的性能特性连续工作。在采用语音识别作为附加安全级别的实施方式中，这可通过任一个麦克风来实现，但是优选使用与进行超声波探测相同的通道，出于同样的理由，通过使该通道的用户控制无效可以保证访问权和性能。

在本发明的优选实施方式中，所述麦克风与计算装置连接或成为一体，该计算装置包括具有动态带宽分配的处理装置。还优选的是，所述处理装置支持多流，优选支持输入或输出。更优选地，所述处理装置被设置为根据英特尔(RTM)定义的高清音频标准进行工作。

根据本发明，麦克风的最大响应优选在30kHz以下，更优选在35kHz以下。

优选地根据本发明，仅使用一个麦克风或一对麦克风。

根据本发明解码的超声波信号可以按照任何适当的方式编码。在最简单的实施方式中，可以仅确定频率。其他可能性包括频移或相移键控或实际上任何其他已知的编码方法。

在一组优选的实施方式中，编码的超声波信号采取不同频率的音调的序列模式的形式。这可以根据频移键控编码方法或其他编码方法。因此为了解码这种信号，需要确定频率变化的模式。现在优选的方法包括将接收到的信号与一个或更多个预定模型作比较。

在优选的实施方式中，超声波信号包括包含了多个不同包的消息，而比较过程包括：将接收到的消息逐个包地与包模型进行比较的第一阶段；以及确定包内的各个位的第二阶段。第一阶段使得能够识别包。然后第二阶段使得能够准确地确定该包中的各个位。这是很有利的，因为已经发现给出了准确、可靠的结果，并特别对影响超声波脉冲的多普勒频移有高度的容忍。由于采用该方法使其很大程度上依赖矩阵计算，所以它特别适于现代微处理器。

不管用于接收超声波信号的设备如何，这种方法就其本身而言都具有新颖性和创造性。因此，从另一方面来看，本发明提供了一种对接收到的超声波信号进行解码的方法，该超声波信号包括包含了多个不同包的消息，该方法包括：将接收到的消息的至少一部分与包模型作比较的第一阶段；以及确定包内的各个位的第二阶段。

通常来讲，消息会包括多个包，由此根据本发明的该方面的优选方法包括根据这些要素包(constituent packet)来重构所述消息的步骤。这可以在第二阶段之前或之后进行。

优选地，对输入信号进行傅里叶变换步骤以实现对其频率成分的分析。可以使用快速傅里叶变换(FFT)。优选地使用短时傅里叶变换(STFT)。优选地使用移动傅里叶变换窗。

第一阶段优选地包括在频率变换(例如傅里叶)信号与预定包模型之间执行互相关，最优选为二维互相关。这使得可以从数据流中识别数据包。可采用一个或更多个包模型。构想了使用不在各个位值之间加以辨别(resolve)的包模型。例如，可使用单个模型，其实际上是预期包结构中的各个位位置的频率的包络。如果使用了更多的包结构，那么就有对应的模型。另一方面，可以有用于由包表示的各个可能词语的模型。在该例中，可以在第一阶段中解码数据，而第二阶段仅用作校验。

然而在一组优选的实施方式中，采用了两个包模型，具有分别对应于一个模型中的所有位的真(true)状态和另一个模型中的所有位的假(false)状态的窗。然后通过合并(例如求和)相关分数(correlation score)来计算包相关性，所述相关分数是通过计算输入信号与各个模型之间的相关性而获得的。

优选地，使测量信号和模型在既在时间上又在频率上相对彼此重复地改变以建立最佳相关性。频率的改变允许包级别的补偿(例如多普勒频移)。

在一些优选实施方式中，第一阶段包括通过相关对幅度进行重新缩放，其中通过预定的时间窗对输入信号进行归一化以提供幅度归一化常数，归一化的信号用在随后的傅里叶变换和互相关计算中，并且互相关的最后结果通过将他们乘以归一化常数来进行校正。这具有以下优点：避免不得不进行使用浮点数的傅里叶变换和互相关，这在一些应用中(例如嵌入式系统)会需要明显更多的计算资源。

第一阶段优选地还包括通过在各个时间阶段定义与“丢失”位值相关性的相关值相对应的噪声级来进行逐位噪声相关。

在一些优选实施方式中，例如基于个人计算机的实施方式中，使用矩阵乘法来计算互相关。在其他实施方式中，这是通过对信号矩阵建立索引(index)来执行的。这在处理资源方面更有效，其中在非向量化环境(诸如嵌入式系统)中实现探测器，因为申请人已经意识到大多数模型是非常稀疏的矩阵(它们包含非常少的非零元素)。

优选地，通过对针对构成消息的每个包而获得的相关峰进行互相关来在消息级上作进一步相关。该互相关优选地包括通过应用取决于每个包在消息中的位置的预定时间偏移来将该包的相关峰移动到共同时间点。优选地，对时移峰进行合并(例如通过将他们相加或相乘在一起)以给出单个曲线，这可以是建立其算术或几何平均的一部分。申请人知道这是有利的，因为它提供了消息到达时间的高度准确的估计，因为各个位的时间误差实际上被平均在消息的所有位上。在可将来自移动标签的发射信息同步的情况下，该准确时间信息不仅可用于解码该消息而且还可用于确定发射机与麦克风之间的距离(即，飞行时间位置)。

各个位可以具有任意数量的可能级别，有必要在第二阶段中在它们之间加以辨别。然而优选地，它们是二进制位，即，各位仅具有两个可能的级别。通常来讲地，包具有数量很小的位，例如小于16位，优选地小于8位，优选为4位。

附图说明

以下将结合附图仅通过举例的方式来描述本发明的特定优选实施方式，其中：

图1是根据本发明的超声波通信系统的示意图；

图2是添加了外部麦克风的用于实现本发明的计算机装置的示意图；

图3是没有添加硬件的用于实现本发明的计算机装置的示意图；

图4是添加了外部接收机的用于实现本发明的计算机装置的示意图；

图5是表示根据本发明的超声波解码算法的流程图；

图6是分别表示4位模型和输入消息的频率-时间图；

图7a-7f示出了不同的相关曲线；

图8是本发明的又一个实施方式的外部接收模块的示意图；而

图9是与图8类似但还能接收语音的外部接收模块的示意图。

具体实施方式

首先参照图1和2，本发明的实施方式包括符合Intel(RTM)高清音频(HDA)标准的运行Windows(RTM)操作系统的个人计算机(PC)2。本实施方式中的PC 2被表示为配备有单个外部麦克风4。在另一实施方式(对应于图3中的示意图)中，可以设置处于前向位置(例如在用户显示器上)相隔大约20cm的两个固定的麦克风16。

麦克风4、16被设计成对人的语音敏感，由此对20kHz以下的频率具有最大响应，但是它们对在进行数字化前在模拟信号链路的任何位置施加的35-45kHz范围内的频率保持敏感，而不过滤这些频率。适当的商用麦克风的两个例子是Panasonic WM 61A和Roskilde，Denmark的Sonion Roskilde AS提供的Sonion TC200Z11 A。

Intel(RTM)HDA标准被设计为改善PC上的音频体验，主要关注于运行Windows(RTM)操作系统的PC。HAD标准有三个特征，这在实施本发明时会特别有用(尽管不是必要的)。第一，该标准允许48兆比特每秒(MBs)的最大串行数据输出速率(SDO)和24MBs的最大串行数据输入(SDI)速率。第二，带宽不固定，而是根据需要动态分配。第三，支持多个输入和输出流。

SDI带宽允许两个通道上的32位分辨率、192kHz输入采样率，或者多至八个通道上的32位分辨率、96kHz采样率。然而，在本发明的优选实施方式中，无论使用一个海花四两个通道，96kHz采样率、24位分辨率就足以对35-45kHz范围内的超声波信号进行数字化并随后进行解码，因此这显然在能力可及范围内。

鉴于上述的HAD标准的多流和动态带宽功能，采用的麦克风4、16可同时用于常规声音任务(例如语音和电话)以及接收超声波。然而，为了使利用PC 2实现的超声波探测系统的性能和可靠性最佳化，在优选的实施方式中，将PC 2设置成，使得用户不能通过干扰超声波探测系统正在使用的麦克风通道的音量或静音控制而使超声波探测无效。这能通过使用户不能访问与超声波接收有关的右(right)麦克风通道音量控制而以软件方式实现。该通道也可用于语音识别。

因此，在优选实施方式中，PC 2具有均能以24位分辨率、96kHz采样率(即，每秒96,000次采样，每个样本为24位)接收可听声音和超声波的两个麦克风通道(左和右)。麦克风通道在整个频率范围20Hz-45kHz上具有60分贝声压级的信噪比。

PC 2还包括用于连接外部麦克风4的外部插孔(未示出，但在后面的安装板上)，当插入该外部麦克风4时(即，感测到插孔中插头的存在以实现切换)，该外部插孔取代了右麦克风通道。

在这种情境下，左麦克风通道可用于需要由用户和/或第三方软件来调节声音音量的语音用途。

在没有完全静音的情况下，超声波探测系统除了右超声波(固定音量)麦克风通道外还使用左音频通道以减小多径干扰的影响。类似地，出于消除噪音(方向性)的目的，两个麦克风都可用于音频/语音用途。

外部插孔使得能够将超声波接收麦克风4放置得离开PC一个很短的距离(例如2-3米)。

根据本文描述的本发明的实施方式，设置有超声波发射机标签6，其利用频移键控向PC 2发送数字数据。更具体地，其发送长度为七个包的数据消息，每个包都由4位组成。利用在由正在发射的是真位还是假位而定的一对频率之一上的单音发射(transmission)来表示各个位。真和假位频率能被当作在中间频率上方和下方的等量偏移。这些中间频率随预定模式下的包中的四个位的各个位置而变化。而且，预定义了位之间和包之间的时间间隔。以下结合图7进一步解释这种消息的结构。

利用连接到对接收到的信号进行采样以将其转化成数字数据的声卡8的麦克风4、16来接收发射。利用内置在由National Instruments提供的Labview(商标)中的声音获取功能来实现声音获取。这些功能调用了Microsoft DirectSound(商标)dll函数。DirectSound是Microsoft提供的DirectX库的软件组件，其驻留在具有Windows操作系统的计算机上。其在应用程序与声卡驱动程序之间提供了直接接口。

数字化信号被传递到CPU 10，在那里被解码，从而可以获得其所包含的原始数据消息。后面将结合图5到7进行更详细的描述。解码数据随后被传递到网卡12(诸如以太网卡)，以传送到数据网14。当然可采用任何其他合适的网络(诸如无线网)，或者将PC改为独立机(stand alonemachine)。

图3示出了另选实施方式。在该实施方式中，PC 2具有内置麦克风16而不是外部麦克风4。该实施方案的要求和特征与前面的实施方式相同。因此，在该实施方式中，不需要额外的硬件，本发明可在常规计算机上添加适当的软件来实现。其他部件通用于先前的描述，因此给出相同的标号。

图4示出了另一可能的实施方式。该实施方式具有外部麦克风16和用于将35-45kHz范围内的超声波信号变换到0-10kHz范围的降频转换器18。然后将其馈送到标准PC声卡8的线路输入端。通常来讲，麦克风16和降频转换器18可位于共同封装中。诸如这样的实施方式在PC的声卡的声音通道对超声波频率不够敏感的情况下(例如由于施加了专门滤波)特别有用。

现在将结合图5来描述信号解码过程，图5是示出其主要逻辑阶段的流程图。在第一阶段20中，对模拟信号采样以将其转换为数字信号。通常来讲，以每秒96,000次采样、每个样本24或32位对声音采样，尽管已经确定18位就足够了。样本被存储在大小足够48,000个样本(即半秒)的缓冲器22中。如果使用24位样本，则这对应于141KB的缓冲器大小。

利用有限脉冲响应(FIR)滤波器例程24对传出缓冲器22的位流进行滤波使之仅包含感兴趣的超声波频带(35-45kHz)。在采用了语音识别的实施方式中，可从原始信号滤波并分别进行处理。

在下一步骤26，对滤波信号进行抽取(在一些系统中)并由CPU 10利用快速傅里叶变换(FFT)例程进行处理，以使得能够在频域中对输入信号进行分析。从数字化缓冲器22读取的数据块的大小是要在FFT例程中处理的样本的长度(通常为20-256个样本)和要读取的移帧的数量(通常为10-100)的乘积，限制在于该乘积应该小于缓冲器大小。移帧是相对于实际接收时间进行了时移的样本，下面将澄清其目的。

标签6利用20毫秒的位长度进行发射。另一方面，使用了实质上更长的32毫秒的FFT帧长度。这很有利，因为这意味着在FFT中还获得了乘以声速的小于12ms的额外路径长度(即大约4米)的回声。

接着在步骤28执行短时傅里叶变换(STFT)。其由具有固定的时间位移的傅里叶变换序列组成。在快速傅里叶变换(FFT)中使用的时间帧中的点数(即FFT长度)可以小于在FFT计算中使用的点数(FFT大小)。这可用于增加傅里叶变换的频率分辨率，而以额外的计算能力为代价。通常来讲，将FFT大小设为FFT长度的大约两倍，但通常是2的幂。如果输入信号加起来不是FFT长度和位移组合的倍数，则将信号的剩余部分(没有变换的)存储在本地缓冲器并添加到下个输入数据块的开始部分。

在滤波步骤24中应用的精确滤波器取决于在后一步骤26中要应用的抽取因子(如果确实应用了用于在进行抽取时避免超声波信号和其他音频信号的混淆的任何抽取)。例如，如果没有采用抽取或采用了抽取因子3，则要使用真实FFT。如果使用了因子5的抽取，则通过在信号数据流的实部和虚部上分别执行FFT来实现STFT，此后将结果合成以再次获得真实的FFT信号。

一旦进行了合适的傅里叶变换，就对频率分布进行分析以确定编码数据。

为了核实已经接收到有效消息并对该消息中编码的数据进行解码，执行三级相关。首先在步骤30识别信号内的各个包。然后在步骤32共同使用这些包来确保整个消息有效(利用有效消息中的包之间的预期间隔)。进而在步骤34和36使用它找到包峰。然后在步骤38和40对包内的各个位执行相关以确定它们是真还是假。以下将结合图6和7进一步解释这些步骤30-40。

包相关30

定义两个包模型42、44以识别信号内的包。这被表示在图6中的垂直线的左侧。通过通信方案(即，在四个不同位位置之间的中间频率的变化)、获取参数、位长度以及规定的频率分布来指定模型的形式。一个模型42对应于各个位位置处真位的频率值；另一模型44对应于各个位位置处假位的频率值。由此他们分别被称作真模型和假模型。

每个模型42、44都包括值为1/(位长度*频率分布)的像素。像素的符号(即，位于给定位位置的中间频率的上方还是下方)由其是真位还是假位来决定。通过位长度和STFT位移时延的商来给出沿时间轴的像素数。可由用户来指定频率分布。应该凭经验来选择使之与观察的直接路径超声波消息的频率分布相类似。

沿频率轴(y轴)，通过在最低和最高频率范围处加上“f搜索宽度”零来增大模型。这些模型充当频移相关的缓冲器以确定多普勒频移。

利用二维互相关使输入STFT结果46与两个模型42，44匹配：这两个模型都沿频率和时间轴移位。对于各个时间和频率位置，真和假模型会各自产生互相关分数。然后将这些分数加在一起给出频移和时移的分数。将给出了合计分数最高值的频移和时移的组合表示为“获胜”互相关。

可以生成曲线，其是作为时间的函数的相关值的曲线。如先前所述，这是通过计算由“移动”样本间隔开的包相关来实现的。该曲线中的峰表示在那一瞬间对于所有允许的多普勒频移，输入信号与总计的真和假位模型42、44的最高相关。随着相关过程继续(连续执行)，会碰到下一包并会产生另一峰。因此，在当前描述的例子中，在已经接收到整个消息时，在相关性曲线中会有七个峰。

在图7a中可以看到相关性曲线的例子。尽管对各个包模型42、44的所有4位的相关分数求和以生成图7a中的曲线，但还记录了各个位位置的相关分数。这些表示在图7c到7f中，其中，图7c对应于位1，图7d对应于位2，图7e对应于位3，而图7f对应于位4。在这些曲线中，假位模型相关性被分配了负值。由此，例如在图7C中，位1在前三个包中为真，在第四个包中为假，在第五个包中为真，而在第六和第七个包中为假。这些曲线使得能直接估计位值，但是以下将描述更为准确和可靠的确定方法。

通过在各个时间阶段定义与“丢失”位值相关性的相关值相对应的噪声水平来执行逐位噪声相关。

上述的时间-频率相关例程生成作为时间的函数的包相关性，然后再被用于取阈值和峰探测以确定包的位置。该例程还可获得逐位相关性和噪声矩阵以及包多普勒指数，这些将由后面的利用使用来发现逐位多普勒频移和获胜位符号。

以上描述的例程将相关性结果存储在至少长度上足以容纳一条消息的STFT相关性结果的具有一定缓冲作用的中间缓冲器中。

选择性地通过相关对幅度重新缩放，其中，通过预定时间窗对输入信号进行归一化以提供幅度归一化常数，归一化信号用于随后的傅里叶变换和互相关计算，并且通过将互相关的最后结果乘以归一化常数来对它们进行校正。这具有以下优点：避免了不得不使用浮点数进行傅里叶变换和互相关。这是例如嵌入式系统的重要考虑事项，其中使用浮点数带来很高的计算开销。

消息相关32

可以使用已知的消息内的包的周期性来核查消息并获得各个位的准确定时。已知消息由在时间上以k个时间间隔分隔开的n个包组成，然后对每个时间瞬间，对由k个时间间隔分隔开的最后n个样本计算算术或几何平均。在本文描述的例子中(一个消息包括七个包)，一个样本取自七个包中的每一个，这些样本由包间隔所分隔。然后计算算术或几何平均以给出单个的消息级别的相关峰48。这在图7b中可以看出。实际上，各个包相关峰分别时移了由其在消息中的位置决定的量，从而使它们都落在相同的时间点，然后取平均值(算术的或几何的)来生成单峰。已经发现算术平均最适合短包长度(例如3位)，几何平均更适合于更大的包长度(例如7位)。

作为平均的结果，即使包相关峰之一非常低或丢失，以上过程也总是会生成明确的峰48。事实上，峰48具有sinc函数(sin(x)/x)的形状，这可从图7b中看出。该函数的两个旁带50与主峰48的高度成预定比例，而且该比率相对于其他因子是高度不变的。因此这被用于消息的核查。如果预期比率不在于预定阈值内，则将可能的消息作为噪声丢弃。

在步骤34，针对各个峰来分析作为时间的函数的消息相关，并在包/消息相关曲线中对峰进行可视化。利用内置Labview例程来寻找峰。利用内部数据缓冲器来发现峰，确保对消息相关中的每个时间/数据点都进行了分析(由此避免了STFT帧边界上的不连续性)。

计算可由消息相关例程获得的最高峰，其提供了消息到达的准确时间瞬间(由于准确知道了施加到包以产生其的偏移量)。然后在步骤36处，可以将该时间信息用于包峰找寻并用于解码的第二阶段(步骤38和40)，其中确定各个包的各个位是真还是假。申请人已经知道上述的例程给出了非常精确和准确的消息到达时间指示，因为该例程有效地对组成消息的所有28位求平均。因此，当固有时间误差占各个位的时延(在该例中为20ms)相对大的比例时，对所有位进行平均显著减小了比例误差。准确和精确知道消息到达时间不仅对解码消息有用，而且对给出飞行时间信息有用。这使得能够对与移动发射机标签之间的距离进行准确确定，通常几厘米内。这还增加了本发明的这些实施方式可以实施的可能应用。

上述例程将相关性结果存储在至少长度上足以容纳一条消息的STFT相关性结果的具有一定缓冲作用的中间缓冲器中。

位确定

一旦在步骤34识别了新的中央消息峰48，就在步骤36计算包峰，在步骤38分析位相关来找到位峰以在步骤40识别各个位的值。该例程获得识别的中央消息峰48的时间(缓冲器)位置并分析位相关差与和的内容。

针对每个位，就是否通过正或负相关给出了最大相关来进行计算。该结果被用于选择“获胜”多普勒指数。然后，与带符号的位相关、逐位噪声相关、包校正以及包噪声相关一样，存储该多普勒指数。

在对7个包(在该例中)进行了解码后，可以在步骤52组装消息，并对解码消息进行循环冗余校验。

在以上使用来自移动超声波发射机的28位消息的例子中，消息格式可以包括识别码、状态信息(例如电池电量，固定还是移动的)以及诸如7位循环冗余校验的检错。这使其适于各种不同的应用，诸如资产跟踪、安全身份验证等。可通过信号强度确定估计的接近度，当用户在计算机的预定范围内时，该信号强度足以使特定操作实现。

本文所述的消息解码方法给出了对编码在超声波音上的数据进行解码的非常有效且准确的方法，尤其是在通过麦克风和不是为超声波接收而设计的相关接收装置进行探测的情况下。这利用了非常适于用在超声波通信应用中的现成的音频接收系统。

如前面解释的，编码数据例如可以为识别码。在一些优选实施方式中，这可以设计成具有在发射机和接收机出使用以分别生成并校验代码的类似算法的跳码协议的一部分。由于即使窃听者能够足够接近来截取从标签发射的消息，也不能用其构建一个仿效的发射机，因此得到错误的识别，所以这使得系统更加安全。

申请人已经意识到当前现有的大量计算机都不具有上述理想的音频功能。然而，这些计算机通过使用降频转换器仍然会受益于本发明的原理。下面将结合图8描述这样一个实施方式。在该图中，可以看到超声波麦克风60，来自它的信号经过带通滤波器62传送到混频器64。带通滤波器62使35-45kHz范围的超声波频率通过以阻止互相混淆。

混频器64的第二输入来自本地振荡器66。混频器64的输出被传送到用于插入到普通PC声卡68的麦克风输入插孔中的插头。麦克风和其他电路可方便地由标准PC声卡68的麦克风输入所提供的电压来供电。将从麦克风60接收的信号与来自本地振荡器66的信号进行混频的效果是有效地减去相应频率(时域中的乘法等价于频域中的加法/减法)。由此有效地将输入信号降频转换了一固定量。混频器之前的带通滤波器有助于防止降频转换信号与相同频率范围的可听信号混淆。

例如，麦克风可以是Panasonic wm-61电容式麦克风。这种麦克风在其封装内包括场效应晶体管(FET)，其通常用途是设计为向其施加大约1伏特的固定偏压。然而，通过将来自本地振荡器66的振荡信号施加到FET的偏置输入，其充当了混频器64。在另选结构中，可替代麦克风60而使用谐振的Murata Piezotite(RTM)压电换能器。这样就不再需要设置单独的带通滤波器62，因为其自身具有窄带特性。一个合适的换能器的例子是日本京都的Murata Manufacturing Co.，Ltd的MA40S4S或MA40B8R/S。如果使用了这种换能器，则需要单独的FET或其他混频器。

举一个具体例子，如果通过本地振荡器提供了32.67kHz的混频，则将35-45kHz范围的超声波信号降频转换到2.33-12.33kHz的频带。该信号然后被传送到具有16位的44.1kHz采样率的声卡。易于对降频转换信号进行数字化并使得能够按照与上述实施方式相同的方法对其进行处理。

图9示出子对图8实施方式的变型。该实施方式使得声卡68的麦克风输入能够既用于如上面结合图8的实施方式描述的对超声波信号进行降频转换，又用于普通语音。因此，设置了第二麦克风70来拾取(pick up)经过低通滤波器72直接输入到声卡68的语音。低通滤波器72具有大约8kHz的滚降。这确保了普通语音频率(100-6000Hz)通过而阻挡更高的音频。另一方面，在本实施方式中，通过将本地振荡器66的频率设置成25kHz，对35-45kHz范围的超声波信号进行降频转换从而占用10-20kHz范围。这确保了语音与超声波信号在频率上保持互相明显不同，从而能在数字化后易于分离。

尽管没有直接描述，但是所述系统还接收语音和分析语音的特征频率和模式，该特征频率和模式使携带标签的用户能被分别识别，从而充当更高级别的安全。

Claims (14)

1.一种接收编码在超声波信号上的数据的方法，该方法包括以下步骤：

利用最大响应低于20千赫兹的麦克风来探测所述超声波信号；

通过对用于放大所述麦克风接收到的信号的放大器施加振荡控制以按预定频率调制所述超声波信号，来对所述超声波信号的频率进行降频转换，以产生降频转换信号；以及

解码所述降频转换信号以确定所述数据。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：将探测到的信号与一个或多个预定模板作比较。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述探测到的信号包括多个不同的包，并且所述比较过程包括将接收到的消息逐个包地与包模板作比较的第一阶段和确定该包内的各个位的第二阶段。

4.一种用于接收超声波信号的设备，该设备包括：

最大响应低于20千赫兹的麦克风；

用于放大所述麦克风接收到的信号的放大器；

用于对所述超声波信号进行降频转换以产生降频转换信号的装置，该装置包括用于通过对所述放大器施加振荡控制来按预定频率调制所述超声波信号的装置；以及

用于对所述降频转换信号进行解码的装置。

5.根据权利要求4所述的设备，该设备被设置为在专用声音通道上接收超声波。

6.根据权利要求4-5中任一项所述的设备，其中，所述麦克风与计算装置连接或成为一体，该计算装置包括具有动态带宽分配的处理装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述处理装置支持多流。

8.根据权利要求4-5和7中任一项所述的设备，该设备仅包括一个麦克风或一对麦克风。

9.一种超声波探测系统，该系统包括根据权利要求4至8中任一项所述的设备，还包括一个或多个便携式超声波发射机，其中每个发射机被设置为发射超声波信号，该超声波信号包含对其进行标识的信息，该设备被设置为探测和识别处于所述设备的探测范围的所述发射机。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述设备包括计算机，该计算机被设置为确定所述发射机或所述多个发射机之一的存在并进行识别，并响应于所述确定和识别针对用户来设置功能或显示。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述设备包括计算机，该计算机被设置为确定所述发射机或所述多个发射机之一的存在并进行识别，并拒绝访问除非进行了有效识别。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述计算机还被设置为根据用户的声音来识别用户。

13.根据权利要求10到12中任一项所述的系统，其中，所述计算机被设置为响应于确定出所述发射机或所述多个发射机之一的存在而控制外部装置。

14.根据权利要求9到12中任一项所述的系统，其中，每个发射机被设置为使用跳码协议来发送识别码。