CN104393938A - 微波感知声音信号的方法与装置 - Google Patents

Abstract

用微波感知声音信号的方法，特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，微波连续波入射到传输线上，传输终端接负载即电容，电容由金属膜片和内导体构成，当声波将金属膜片推动，使微波传输线终端电容发生变化，继而使微波反射系数的相位产生相应变化，膜片随声波振动,等幅的载波被膜片的振动调制，产生低调制度的调相波。反射波经过有线或无线方式被送回，经环行器送往接收端。再应用解调技术，解调后还原为声音；解调时从反射系数的微弱变化中高保真地解调出声音信号，即用微波来感知声音引起的金属膜振动。

Description

微波感知声音信号的方法与装置

技术领域

本发明涉及微波感知声音信号的方法与装置。

背景技术

与本发明相关的感知声音信号的背景技术主要包括电容话筒(Condenser microphone)技术和射频识别(RFID)技术。

目前最广泛使用的电容话筒是驻极体话筒，驻极体话筒中声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金(金属)薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片被声波推动时，会随着声信号振动而产生电容的变化，继而因电压v＝q/c，产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(x_c＝1/2πfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。必须有直流电源，虽然电流极小。

射频识别技术是应用极其广泛的技术，它包括主机和标签(Tag)两部分，常用的无源标签内藏有集成芯片，在主机发出信号后，利用瞬间接收到的信号提供电源，并将芯片内藏有的信息(有时经过处理)再发回，高效而又迅速。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用微波感知声音信号的方法与装置。

本发明的技术方案是：用微波麦克风技术结合以载波对消技术为基础的解调技术来达到高灵敏度的声音探测。用微波感知麦克风声音信号的方法，特性阻抗为Z₀的微波传输线以麦克风电容C为负载，微波连续波入射到传输线上，传输终端接负载即麦克风的电容，电容由金属膜片和内导体构成，当声波将电容的金属膜片推动，使微波传输线终端电容发生变化，继而使微波反射系数的相位产生相应变化，膜片随声波振动，等幅的载波被膜片的振动调制，产生低调制度的调相波；反射波经过有线或无线方式被送回，经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为声音。

解调时从反射系数的微弱变化中高保真地解调出声音信号，即用微波来感知声音引起的金属膜振动。

微波麦克风:特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，微波连续波经过有线或无线方式入射到传输线上。

所述解调技术采用零差混频(Homodyne,射频载波频率与本振频率相同)及正交解调技术；

零差混频会产生空间哑点，本发明通过调节混频器本振信号的相位，使混频输出最大(它适用于输入信号相位无变化的情形)；消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将信号和本振都分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。(适用于输入信号相位不断变化的情形)

解调技术还采用载波对消技术，使鉴相器灵敏度最大化：送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，有用信号藏于边带内；为加大边带贡献，必须减小载波分量；压缩载波信号的方法是抽取一部分纯净载波信号，经幅度、相位调整与进入接收机的混合信号相减；载波压缩比一般达30dB以上。

采用载波对消技术、尽管微波麦克风使相位调制度得到提升，对于微弱的振膜振动，调相度仍然很低；比如，对正弦调制，载波正比于零阶贝塞尔函数，含振动信息的边带正比于各高阶贝塞尔函数。对于小宗量为x的贝塞尔函数，J₀(x)≈1,J₁(x)≈x/2,J₂(x)≈x²/8..；以10GHz下，电容间隙0.01mm,振动振幅1微米的为例，调制度x＝0.01,J₀(x)≈0.997,J₁(x)≈0.05,J₂(x)≈0.00125，一阶分量为-26dB,二阶分量为-58dB,零差混频(即零中频混频)的过程是非线性过程，输入信号中载波的存在会降低零差混频的灵敏度，因而必须在输入信号中有选择地效压缩载波，保留边带，即有效压缩上述各种无有效信息的载波分量，以提高灵敏度。这就是载波压缩技术的精髓所在。

送往接收机的信号包括了大的载波(包括载波泄漏，固有载波)和小的边带，有用信号藏于边带内；为加大边带贡献，必须减小载波分量；压缩载波信号的方法是抽取一部分纯净载波信号，经幅度、相位调整与进入接收机的混合信号相减，压缩各种无有效信息的载波分量。载波压缩比一般达30dB以上。

本发明的有益效果：提出一种用微波感知声音信号的方法与装置。灵敏度可以与驻极体话筒相媲美，而利用微波有穿透性，适用于非接触远距离探测。而且，传输线终端(电容、即声传感器部分)无需使用电源，使本发明的应用具有很大的灵活性。

附图说明

图1是本发明的基本原理图。

图2是本发明解调电路的一种框图，有线连接方式。

具体实施方式：

图1中阻抗为Z₀的传输线端接电容负载。声波使电容发生细微变化,此变化引发反射系数的细微变化,将这种变化解调,得到声音信息。

图2是本发明解调电路装置的一种框图，有线连接方式。用微波感知声音信号的装置，特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，微波连续波入射到传输线上，传输终端接负载即电容，电容由金属膜片和内导体构成，当声波将金属膜片推动，使微波传输线终端电容发生变化，继而使微波反射系数的相位产生相应变化，再应用解调技术，从反射系数的微弱变化中高保真地解调出声音信号，即用微波来感知声音引起的金属膜振动。微波信号源(1)产生的微波连续波经10dB定向耦合器(2)分为两路，主路通过隔离器(4)、环行器(10)、螺钉调配器(11)、送入魔T(12)，均等地分配到微波麦克风(13)和可调短路器(18)，调节可调短路器，可使得两者的反射波的和(Σ)进入隔离器(5)、其差(Δ)返回螺钉匹配器(11)和环行器(10)，进入功率合成器(3)。调节移相器(6)和可调衰减器(17)在功率合成器(3)内将载波分量抵消，再进入高频放大器(8)送入双平衡混频器(14)射频端,混频器输出的音频信号经低频带通滤波器(15)、放大器(9)由耳机(16)接收。第二移相器(7)。

魔T(12)的形式很多,其主要特性和共同点是一个4端口器件,从每个隔离口进去的信号在另3个口的输出分别为两个3dB口和一个隔离口，其相位关系则和具体结构相关(有90度和180度两种)，其描述一般用散射参数(常称散射矩阵或S参数)；本发明的魔T主要利用其特性构成和差器，调节后使差路信号中的载波相减，(载波压缩后)在零中频混频时提高鉴相灵敏度。可调短路器(18)反射的是纯载波，(13)反射的是载波加边带。载波和边带幅度相差悬殊，和路信号做本振，差路信号经放大后送双平衡混频器。是载波压縮后的混合信号，其中边带信号含声音信号。

本发明方法应用的解调技术：采用载波对消技术、零差混频(Homodyne)及正交解调技术。

采用微波麦克风以后，相位调制度得到提升，但对于微弱的振膜振动，调相度仍然很低。(在反射波中，载波成分很高，而边带成分极低。对正弦调制，10GHz下，电容间隙0.01mm，1微米的振动为例，J₀(x)≈0.997,J₁(x)≈0.05,J₂(x)≈0.00125，一阶分量为-26dB,二阶分量为-58dB,)零中频混频的过程是非线性过程，载波和边带必须整体考虑。载波(包括载波泄漏，低调制度调相波的固有载波，无线传输时环境场中也含有载波)越高，边带对整体的相位变化的贡献越低。会降低零差混频的灵敏度，因而必须有效压缩上述各种无有效信息的载波分量。

此外，零差混频，零差混频固有的空间驻波问题也必须有效处理。

零差混频会产生空间哑点，本发明通过调节混频器本振信号的相位，使混频输出最大。它适用于输入信号载波相位无变化的情形；

消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将信号和本振分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。

本发明的基本原理：特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，只要电容的纵向电尺寸远小于波长,就可以把它看成集中参数。忽略其损耗，终端阻抗为Z_L＝1/jωc。ω为圆频率，C为电容量；电磁波入射到此电容上，其反射系数为：显然，反射系数Γ的幅值为辐角为：φ＝-2tan^-1(ωCZ₀)，当电容变化时,反射波幅度保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波。辐角随电容C的变化率为：经简化处理，视电容为平板电容，电极之一为金属薄膜，可以被声波推动，另一电极固定。忽略边缘效应，则电容ε₀空气的介电常数。S为电极面积，t为电极间距离。电容随间距的变化率为从而反射波辐角φ随电极间距t的变化率为： $\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dC}}\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=\frac{2\mathrm{\ω}{Z}_{0}C}{1+{\left(\mathrm{\ω}{Z}_{0}C\right)}^2}\frac{1}{t}.$

参数优化：使调相波的相位调制度最大化，最高调相灵敏度时，t应尽量小。对求极值，当ωCZ₀＝1，取极值1。

由此得出结论：为得到最高调相灵敏度，t应尽量小，而ωCZ₀＝1。

注意到是电容归一化电抗的负倒数，即归一化电纳。最高灵敏度条件成为从数学上观察，表明：如果C过大，(相位随电容的变化率)过小；如果C过小，(电容随间隙的变化率)过小；取最佳值则

与常规微波遥测振动的调相灵敏度相比，要高出很多。比如，在10GHz下，如果用电容负载，只要控制电极间距为0.01mm,这种调相灵敏度的超越得益于电抗对电容的强烈非线性,以及电容对间隙的强烈非线性(极高的斜率)，使得小量的间隙变化能产生较大的相位变化。从物理上审视，是振膜推动的区域是电场最集中处(电力线密集)。形成了高的相位调制度。

解调技术核心：载波对消技术、零差混频(Homodyne)及正交解调技术。

尽管相位调制度得到提升，对于微弱的振膜振动，调相度仍然很低。这表明反射波中，载波成分很高，而边带成分极低。对正弦调制，载波正比于零阶贝塞尔函数，含振动信息的边带正比于各高阶贝塞尔函数。对于小宗量为x的贝塞尔函数，J₀(x)≈1,J₁(x)≈x/2,J₂(x)≈x²/8.......以前述10GHz下1微米的振动为例，J₀(x)≈0.997,J₁(x)≈0.05,J₂(x)≈0.00125，一阶分量为-26dB,二阶分量为-58dB,零中频混频的过程是非线性过程，载波(包括载波泄漏，低调制度调相波的固有载波，无线传输中的环境载波)的存在会降低零差混频的灵敏度，因而必须有效压缩上述各种无有效信息的载波分量。此外，零差混频固有的空间哑点问题也必须有效处理。

零差混频会产生空间哑点是其必然属性。

消除哑点最简单的方法是调节混频器本振信号的相位，使混频输出最大。它适用于输入信号相位无变化的情形。

消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将信号和本振分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。

本发明微波感知声音信号的方法，其步骤包括：

1)调相波的产生

声波推动传输线终端的膜片，产生膜片和内导体间电容的变化

通过有线或无线方式入射的微波在膜片处被反射,由于膜片随声波振动,等幅的载波被膜片的振动调制，产生低调制度的调相波。

反射波经过有线或无线方式被送回，经环行器送往接收端。解调后还原为声音。

2)优化传感器参数，使调相波的相位调制度最大化

辐角φ随电极间距t的变化率为： $\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dC}}\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=\frac{2\mathrm{\ω}{Z}_{0}C}{1+{\left(\mathrm{\ω}{Z}_{0}C\right)}^2}\frac{1}{t}$

对求极值，当ωCZ₀＝1，取极值1

由此得出结论：为得到最高调相灵敏度，t应尽量小，而ωCZ₀＝1。

3)采用载波对消技术，使鉴相器灵敏度最大化

送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，由于零差混频是非线性过程，所以不能用叠加原理分别处理，而必须整体考虑。

有用信号藏于边带内。为加大边带贡献，必须减小载波分量。

压缩载波信号的方法是抽取一部分纯净载波信号，经幅度、相位调整与进入接收机的混合信号相减。载波压缩比(压缩前后载波电平之比，常用分贝数表示)一般可达30dB以上。

4)用正交接收机避开零差混频的空间哑点

零差混频会产生空间哑点是其必然属性。

消除哑点最简单的方法是调节混频器本振信号的相位，使混频输入最大。它适用于输入信号相位无变化的情形。

消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将信号和本振分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。

Claims (8)

1.用微波感知声音信号的方法，其特征是特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，微波连续波入射到传输线上，传输终端接负载即电容，电容由金属膜片和内导体构成，当声波将金属膜片推动，使微波传输线终端电容发生变化，继而使微波反射系数的相位产生相应变化，膜片随声波振动,等幅的载波被膜片的振动调制，产生低调制度的调相波；反射波经过有线或无线方式被送回，经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为声音；解调时从反射系数的微弱变化中高保真地解调出声音信号，即用微波来感知声音引起的金属膜振动。

2.根据权利要求1所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是所述解调技术采用零差混频及正交解调技术；通过调节混频器本振信号的相位，使混频输入最大，适用于输入信号相位无变化的情形；应用正交解调技术消除哑点，将信号和本振分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。

3.根据权利要求1所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是所述解调技术采用载波对消技术，使鉴相器灵敏度最大化：送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，有用信号藏于边带内；为加大边带贡献，必须减小载波分量；压缩载波信号的方法是抽取一部分纯净载波信号，经幅度、相位调整与进入接收机的混合信号相减；载波压缩比达30dB以上。

4.根据权利要求1所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是采用载波对消技术、尽管相位调制度得到提升，对于微弱的振膜振动，调相度仍然很低；对正弦调制，载波正比于零阶贝塞尔函数，含振动信息的边带正比于各高阶贝塞尔函数。

5.根据权利要求4所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是对于小宗量为x的贝塞尔函数，J₀(x)≈1,J₁(x)≈x/2,J₂(x)≈x²/8......；.以10GHz下1微米的振动，J₀(x)≈0.997,J₁(x)≈0.05,J₂(x)≈0.00125，一阶分量为-26dB,二阶分量为-58dB,零中频混频的过程是非线性过程，需要有效压缩上述各种无有效信息的载波分量，以提高灵敏度。

6.根据权利要求1所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是反射波幅度保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波；反射波辐角φ随电极间距t的变化率为： $\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dC}}\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=\frac{2\mathrm{\ω}{Z}_{0}C}{1+{\left(\mathrm{\ω}{Z}_{0}C\right)}^2}\frac{1}{t}.$

7.根据权利要求6所述的用微波感知声音信号的方法，其特征是调相波的相位调制度最大化，最高调相灵敏度，t应尽量小，而ωCZ₀＝1。

8.根据权利要求1-6之一所述的用微波感知声音信号的装置，其特征是微波信号源(1)产生的微波连续波经(10dB)定向耦合器(2)分为两路，主路通过隔离器(4)、环行器(10)、螺钉调配器(11)、送入魔T(12)，魔T均等地分配到微波麦克风(13)和可调短路器，调节可调短路器，使得两者的反射波的和(Σ口)进入隔离器(5)、第二移相器(7)；其差(Δ口)返回螺钉匹配器(11)和环行器(10)，进入功率合成器(3)。调节移相器(6)和可调衰减器(17)在功率合成器(3)内将载波分量抵消，再进入高频放大器(8)送入双平衡混频器(14)射频端,混频器输出的音频信号经低频带通滤波器(15)、放大器(9)由耳机(16)接收。