CN104778944A - 一种非接触式语音感知合成设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式语音感知合成设备，包括声带振动感测模块和语音感知合成模块，声带振动感测模块与语音感知合成模块连接，声带振动感测模块提取被测者声带振动频率，语音感知合成模块用谐波合成的方法将被测者声带振动频率进行语音合成。本发明体积小巧，便于安装，测量精度高，发射功率微小，不会对被监测人员产生任何伤害或副作用，方便医务人员根据声带振动的实际情况及时采取相应的医疗措施，帮助有发声障碍的患者。

Description

一种非接触式语音感知合成设备

技术领域

本发明属于语音感知领域，特别涉及一种非接触式语音感知合成设备。

背景技术

一直以来，语音是人类通信的一种最有效的方式，从1960年开始，科学家和工程师们已经在语音信号的处理方面做了大量的研究，如语音编码与合成，语音识别，说话者验证和识别等，但这些技术多是基于听到声音的数据信息。大量的实验证明，声带振动能够提供人体发声的相关信息，目前，语音感知合成多是基于声电门图、实时影像等技术，不能满足实时性、准确性、小型化和智能化的要求。本发明涉及的非接触式语音感知合成设备可以对人体声带振动进行实时、准确、量化、连续的监测，获取人体声带振动频率，从而还原声音信息。在医疗卫生领域，非接触式语音感知合成技术可以帮助有发声障碍的患者，通过感测其声带振动，提取声带振动频率，有效的复原声音信息。同时，本发明在通讯与国防军事领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式语音感知合成设备，感测被测者声带振动情况并提取其声带振动频率，通过谐波合成方式对其进行语音合成，从而有效的复原声音信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种非接触式语音感知合成设备，包括声带振动感测模块和语音感知合成模块，声带振动感测模块与语音感知合成模块连接，声带振动感测模块提取被测者声带振动频率，语音感知合成模块用谐波合成的方法对被测者声带振动频率进行语音合成。

声带振动感测模块包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块和数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连，雷达信号发射模块包括第一本地振荡器、功率放大器和发射天线，功率放大器分别与第一本地振荡器和发射天线相连，发射天线再与雷达信号接收模块相连；第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号通过功率放大器放大发射功率，由功率放大器放大功率后的连续波信号通过发射天线向被监测人员发射；雷达信号接收模块通过接收天线接收由发射天线发射出去的连续波信号经过人体反射后的回波信号，对回波信号进行解调获得包含被测者的声带振动信息的基带信号，并将基带信号送入数字信号处理模块进行声带振动频率提取处理，获得被测者声带振动频率。

雷达信号接收模块采用超外差结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器、中频带通滤波器、模/数转换器和数字下变频器；接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器相连，射频带通滤波器一端与低噪声放大器相连，另一端与镜像干扰抑制滤波器相连，混频器一端与镜像干扰抑制滤波器相连，另一端与中频带通滤波器相连，第二本地振荡器和混频器相连，模/数转换器一端和中频带通滤波器相连，另一端与数字下变频器相连，数字下变频器再与数字信号处理模块相连；接收天线用于接收经过被监测人员发射的雷达回波信号；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号；由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰；由经过镜像干扰抑制滤波器后得到的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

雷达信号接收模块采用零中频结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器和混频器，接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器连接，射频带通滤波器一端与低噪声放大器连接，另一端与混频器连接，混频器再与数字信号处理模块连接，接收天线用于接收经过被监测人员反射的雷达回波信号，由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号，再由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过混频器解调得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

数字信号处理模块包括滤波模块和频率检测模块，滤波模块一端与雷达信号接收模块连接，另一端与频率检测模块连接，滤波模块用于滤除基带信号中的干扰信号，由经过滤波模块滤波后的信号经过频率检测模块进行声带振动频率提取。

语音感知合成模块采用谐波合成的方法对被测者声带振动频率进行语音合成，具体方法如下：

设通过声带振动感测模块提取到被测者的声带振动频率为f0，则语音合成的基频信息可表示为ω₀=2πf₀，高次谐波分量可表示为ω_n=nω₀，n=1,2...,N，根据公式

$s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(t\right)\·e^{{\mathrm{j\ω}}_{n}t},{\mathrm{\ω}}_n={\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2.\·\·\·,{\mathrm{\ω}}_N$

其中，a_i(t)是语音合成的幅度信息，t为时间；可进行语音合成从而得到被测者经还原后的声音信息。

本设备采用一体化结构，即将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器和中频带通滤波器十个部分加工为一个整体。或将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器和混频器七个部分加工为一个整体。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本设备体积小巧，便于安装，测量精度高，发射功率微小，不会对被监测人员产生任何伤害或副作用，方便医务人员根据声带振动的实际情况及时采取相应的医疗措施，帮助有发声障碍的患者。

附图说明

图1是本发明所提供的非接触式语音感知合成设备的系统结构图。

图2是本发明所提供的雷达信号接收模块采用的两种设计结构图，其中，（a）图表示采用超外差结构的雷达信号接收机，（b）图表示采用零中频结构的雷达信号接收机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，本发明提供了一种非接触式语音感知合成设备，主要包括两大部分：声带振动感测模块和语音感知合成模块。声带振动感测模块用于获得被测者声带振动频率；语音感知合成模块用于将声带振动感测模块获得的被测者声带振动频率通过谐波合成的方式进行语音合成最终得到还原后的声音信息。

声带振动感测模块包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块和数字信号处理模块，雷达信号模拟接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连。雷达信号发射模块是利用本地振荡器产生符合指标要求的连续波信号，通过发射天线发射出去；雷达信号接收模块通过接收天线接收由发射天线发射出去的连续波信号经过人体反射后的回波信号，对回波信号进行解调获得被测者的声带振动信息并将声带振动信息送入数字信号处理模块进行声带振动频率提取处理，获得被测者声带振动的实际情况方便后续还原声音信息。

雷达信号发射模块包括第一本地振荡器、功率放大器和发射天线，功率放大器分别与第一本地振荡器和发射天线相连，发射天线再与雷达信号接收模块相连；第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号通过功率放大器放大发射功率，由功率放大器放大功率后的信号通过发射天线向被监测人员发射。

雷达信号接收模块采用超外差结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器、中频带通滤波器、模/数转换器和数字下变频器；接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器相连，射频带通滤波器一端与低噪声放大器相连，另一端与镜像干扰抑制滤波器相连，混频器一端与镜像干扰抑制滤波器相连，另一端与中频带通滤波器相连，第二本地振荡器和混频器相连，模/数转换器一端和中频带通滤波器相连，另一端与数字下变频器相连，数字下变频器再与数字信号处理模块相连；接收天线用于接收经过被监测人员发射的雷达回波信号；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号；由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰；由经过镜像干扰抑制滤波器后得到的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

雷达信号接收模块采用零中频结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器和混频器，接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器连接，射频带通滤波器一端与低噪声放大器连接，另一端与混频器连接，混频器再与数字信号处理模块连接，接收天线用于接收经过被监测人员反射的雷达回波信号，由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号，再由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过混频器解调得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

数字信号处理模块包括滤波模块和频率检测模块，滤波模块一端与雷达信号接收模块连接，另一端与频率检测模块连接，滤波模块用于滤除基带信号中的干扰信号，由经过滤波模块滤波后的信号经过频率检测模块进行声带振动频率提取。

语音感知合成模块用谐波合成的方法将被测者声带振动频率运进行语音合成，具体方法如下：

设通过声带振动感测模块提取到被测者的声带振动频率为f0，则语音合成的基频信息可表示为ω₀=2πf₀，高次谐波分量可表示为ω_n=nω₀，n=1,2...,N，根据公式

$s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(t\right)\·e^{{\mathrm{j\ω}}_{n}t},{\mathrm{\ω}}_n={\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2.\·\·\·,{\mathrm{\ω}}_N$

其中，a_i(t)是语音合成的幅度信息，t为时间；可进行语音合成从而得到被测者经还原后的声音信息。

本发明的工作原理：声带振动感测模块中的第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号经过功率放大器放大功率，由功率放大器放大功率后的雷达信号通过发射天线向被监测人员发射。发射的雷达信号经过被测者反射得到回波信号，雷达信号接收机接收回波信号并对其进行解调处理得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。基带信号经过滤波模块滤除干扰信号；由经过滤波模块滤波后的信号经过频率提取模块进行声带振动频率检测。最后，将声带振动频率送入语音感知合成模块通过谐波合成的方式进行语音合成，从而得到还原后的声音信息。

本发明实施所提供的设备参数如下：

第一本地振荡器：工作频率为2.47GHz，用于产生S波段的连续波雷达信号。

超外差结构参数：

发射天线和发射天线：经典平板天线，其中波束宽度为V≤±20°，H≤±20°，天线增益为12.5dBi，天线发射功率为0.1mW，监测距离为3米。

低噪声放大器：中心频率为2.4GHz，噪声系数为1.65dB（含隔离器损耗）。

射频带通滤波器：中心频率为2.4GHz，带宽100MHz，插入损耗小于3dB。

镜像干扰抑制滤波器：用于抑制频率为2.33GHz的干扰信号。

第二本地振荡器：工作频率为2.4GHz。

零中频结构参数：

发射天线和发射天线：经典平板天线，其中波束宽度为V≤±20°，H≤±20°，天线增益为12.5dBi，天线发射功率为0.1mW，监测距离为3米。

低噪声放大器：中心频率为2.4GHz，噪声系数为1.65dB（含隔离器损耗）。

射频带通滤波器：中心频率为2.4GHz，带宽100MHz，插入损耗小于3dB。

混频器：混频器中本地振荡器工作频率为2.47GHz。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

（1）用于获得被测者声带振动频率，由雷达信号发射模块、雷达信号接收模块和数字信号处理模块组成的声带振动感测模块。

（2）与声带振动感测模块相连，用于通过谐波合成的方法对被测者声带振动频率进行语音合成最终得到还原后的声音信息的语音感知合成模块。

在本发明实施例中，声带振动感测模块进一步包括：

（1）用于利用第一本地振荡器产生雷达发射信号，通过功率放大器放大并经由发射天线发射出去的雷达信号发射模块；

（2）与雷达信号发射模块相连，利用接收天线接收回波，并对回波信号进行解调处理获得包含被测者的声带振动信息的基带信号的雷达信号接收模块；

（3）与雷达信号接收模块相连，用于获得包含被测者的声带振动信息的基带信号的雷达信号进行滤波和频率提取的数字信号处理模块。

在本发明实施例中，雷达信号发射模块进一步包括：

（1）用于产生雷达发射信号的第一本地振荡器；

（2）与第一本地振荡器相连接，用于放大雷达发射信号的功率放大器；

（3）与功率放大器相连接，用于发射信号的发射天线。

在本发明实施例中，采用超外差结构的雷达信号接收模块进一步包括：

（1）用于产生接收模块的本振信号的第二本地振荡器；

（2）用于接收回波的接收天线；

（3）与接收天线相连接，用于放大回波信号的低噪声放大器；

（4）与低噪声放大器相连接，用于衰减带外信号和镜像干扰的射频带通滤波器；

（5）与射频带通滤波器相连接，用于抑制镜像干扰的镜像干扰抑制滤波器；

（6）与第二本地振荡器和镜像干扰抑制滤波器相连接，用于将射频信号转换至中频的混频器；

（7）与混频器相连接，用于去除邻近的频道信号，完成信道选择的中频带通滤波器；

（8）与中频带通滤波器相连接，用于将模拟信号转变为数字信号的模/数转换器；

（9）与模/数转换器相连接，用于产生包含被测者的声带振动信息的基带信号的数字下变频器。

在本发明实施例中，采用零中频结构的雷达信号接收模块进一步包括：

（1）用于接收回波的接收天线；

（2）与接收天线相连接，用于放大回波信号的低噪声放大器；

（3）与低噪声放大器相连接，用于衰减带外信号和镜像干扰的射频带通滤波器；

（4）与射频带通滤波器相连接，用于解调得到包含被测者的声带振动信息的基带信号的混频器。

在本发明实施例中，数字信号处理模块进一步包括：

（1）用于滤除基带信号中夹杂的干扰信号及噪声信号的滤波处理模块；

（2）与滤波相连接，用傅立叶变换提取被检测者声带振动频率的频率检测处理模块。

本发明实施提供的非接触式语音感知合成设备，通过声带振动感测模块来获得被测者声带振动频率，通过语音感知合成模块对被测者声带振动频率进行语音合成，最终得到被测者还原后的声音信息。该设备体积小巧，便于安装，测量精度高，发射功率微小，不会对被监测人员产生任何伤害或副作用，方便医务人员根据声带振动的实际情况及时采取相应的医疗措施，帮助有发声障碍的患者。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式语音感知合成设备，其特征在于，包括声带振动感测模块和语音感知合成模块，声带振动感测模块与语音感知合成模块连接，声带振动感测模块提取被测者声带振动频率，语音感知合成模块用谐波合成的方法对被测者声带振动频率进行语音合成。

2.根据权利要求1所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：声带振动感测模块包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块和数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连，雷达信号发射模块包括第一本地振荡器、功率放大器和发射天线，功率放大器分别与第一本地振荡器和发射天线相连，发射天线再与雷达信号接收模块相连；第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号通过功率放大器放大发射功率，由功率放大器放大功率后的连续波信号通过发射天线向被监测人员发射；雷达信号接收模块通过接收天线接收由发射天线发射出去的连续波信号经过人体反射后的回波信号，对回波信号进行解调获得包含被测者的声带振动信息的基带信号，并将基带信号送入数字信号处理模块进行声带振动频率提取处理，获得被测者声带振动频率。

3.根据权利要求2所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：雷达信号接收模块采用超外差结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器、中频带通滤波器、模/数转换器和数字下变频器；接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器相连，射频带通滤波器一端与低噪声放大器相连，另一端与镜像干扰抑制滤波器相连，混频器一端与镜像干扰抑制滤波器相连，另一端与中频带通滤波器相连，第二本地振荡器和混频器相连，模/数转换器一端和中频带通滤波器相连，另一端与数字下变频器相连，数字下变频器再与数字信号处理模块相连；接收天线用于接收经过被监测人员发射的雷达回波信号；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号；由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰；由经过镜像干扰抑制滤波器后得到的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

4.根据权利要求2所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：雷达信号接收模块采用零中频结构，包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器和混频器，接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器连接，射频带通滤波器一端与低噪声放大器连接，另一端与混频器连接，混频器再与数字信号处理模块连接，接收天线用于接收经过被监测人员反射的雷达回波信号，由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号，再由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过混频器解调得到包含被测者的声带振动信息的基带信号。

5.根据权利要求2所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：数字信号处理模块包括滤波模块和频率检测模块，滤波模块一端与雷达信号接收模块连接，另一端与频率检测模块连接，滤波模块用于滤除基带信号中的干扰信号，由经过滤波模块滤波后的信号经过频率检测模块进行声带振动频率提取。

6.根据权利要求1所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：语音感知合成模块采用谐波合成的方法对被测者声带振动频率进行语音合成，具体方法如下：

设通过声带振动感测模块提取到被测者的声带振动频率为f0，则语音合成的基频信息可表示为ω₀=2πf₀，高次谐波分量可表示为ω_n=nω₀，n=1,2...,N，根据公式

$s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(t\right)\·e^{{\mathrm{j\ω}}_{n}t},{\mathrm{\ω}}_n={\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2.\·\·\·,{\mathrm{\ω}}_N$

其中，a_i(t)是语音合成的幅度信息，t为时间；可进行语音合成从而得到被测者经还原后的声音信息。

7.根据权利要求1所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：本设备采用一体化结构，即将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器和中频带通滤波器十个部分加工为一个整体。

8.根据权利要求1所述的非接触式语音感知合成设备，其特征在于：本设备采用一体化结构，即将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器和混频器七个部分加工为一个整体。