CN104856718B - 一种主动式降噪可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明为了提供一种降低外部噪声干扰的可穿戴设备，提供了一种主动式降噪的可穿戴设备。该可穿戴设备包括多个检测单元以及承载所述检测单元的带体或壳体，该可穿戴设备还包括设置于检测单元附近的主动式降噪模块。本发明提高了可穿戴设备在嘈杂环境下的检测精度和稳定度，尤其是提高了依靠声音检测的可穿戴设备，例如心跳检测的医疗类可穿戴设备、依靠语音输入的可穿戴计算机等对噪声的抑制能力。

Description

一种主动式降噪可穿戴设备

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，更具体地，涉及一种主动式降噪可穿戴设备。

背景技术

心音信号分析是评价心脏功能状态的一种基本方法。风湿性心脏病主要的临床表现之一就是病变的瓣膜区出现相应的心脏杂音。因此心音诊断是诊断风湿性心脏病的一种非常有效且基本的手段。肠道是消化器官中最长的管道，一旦肠道有异常，就有会引起消化吸收障碍，以及一系列相关症状。正常情况下的肠鸣音的频率和肠道发生异常时的频率是不同的，通过听诊肠鸣音，医生可以判断出患者的消化情况。因此肠鸣音是临床诊断肠道疾病的一个重要手段。肺音中含有大量的信息，人体肺部的各种疾病都在我们尚未掌握其规律的肺音中有所反映。基于肺部听诊的无创、成本低等优点，肺音也成为检测肺部疾病的一个基本手段。

目前的心、肺、肠的诊断都是单独使用相关设备进行检测的，并且精度也不高。这很大程度上归因于外界噪声的影响。而可穿戴设备无法做到被动降噪，因此，急需一种主动式降噪的可穿戴设备。

发明内容

本发明为了提供一种降低外部噪声干扰的可穿戴设备，提供了一种主动式降噪的可穿戴设备。该可穿戴设备包括多个检测单元以及承载所述检测单元的带体或壳体，该可穿戴设备还包括设置于检测单元附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。

进一步地，所述的带体或壳体为柔性的带体或壳体。

进一步地，所述检测单元包括采集声音的装置。

进一步地，所述检测单元包括检测心跳声音的声音传感器。

进一步地，所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。

进一步地，所述可穿戴设备还包括太阳能电池，该电池为所述主动式降噪模块和检测单元供电。

进一步地，所述检测单元被设置在所述带体或壳体内表面。

进一步地，所述带体或壳体为织物，且所述检测单元被缝制在该织物的内表面。

本发明的有益效果是：提高了可穿戴设备在嘈杂环境下的检测精度和稳定度，尤其是提高了依靠声音检测的可穿戴设备，例如心跳检测的医疗类可穿戴设备、依靠语音输入的可穿戴计算机等对噪声的抑制能力。

附图说明

图1示出了根据本发明的主动式降噪可穿戴设备的结构框图。

具体实施方式

主动式降噪的可穿戴设备包括多个声音传感器以及缝制这些声音传感器到其自身内表面的织物。声音传感器使用了压电效应原理，声音传感器上制作有质量块，质量块上下表面均由悬臂梁连接，悬臂梁的上表面做有压电层，悬臂梁的结构不对称。织物上制作有可以调节松紧的装置，以使上面的传感器能对准待监测部位。传感器组合共分为三个部分：心脏部和肺部，每一部分使用了多个传感器。其中，心脏部位的四个传感器均匀布置在心脏位置。肺部的声音传感器组包括被布置在肺尖位置附近的两个传感器，被布置在支气管位置附近的两个传感器，被布置在细支气管位置附近的两个传感器，以及被布置在肺底部位置的两个传感器。每只肺使用四个声音传感器可以全面监测肺部声音。

该可穿戴设备还包括设置于检测单元附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。

所述可穿戴设备还包括太阳能电池，该电池为所述主动式降噪模块和检测单元供电。这种设计是为了避免其他种类的电源在充电使用期间可能对检测产生的电磁信号干扰。

其中，所述噪声采集单元包括多个小型降噪麦克风，且这些麦克风被分布式地设置在待监测位置附近。

所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。包络分析单元首先对输入包络分析单元的噪声信号按照一定时间间隔(例如5ms)进行采样，然后将采样得到的幅值点连线成包络线。得到包络线后，确定极大值之间的间隔是否有重复甚至是规律性的重复，如果存在，则表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音。实际应用过程中，存在重复性的声音一般不被认为是语音信号，因此，可以确定该重复性的声音是应当被消除掉的。若表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音，则包络分析单元将周期性重复的包络幅值构成的包络线输出到包络处理单元，进行数字化处理等后续处理。否则，包络分析单元输出的信号将直接进入噪声谱生成单元而跳过包络处理单元和第一反相谱生成单元。

当从包络分析单元输出的具有周期性重复特征的包络信号被输入到包络处理单元后，包络处理单元对该输入的信号进行数字化。在该数字化过程中，以包络的重复周期以及极值为二维数据组成二维矩阵。然后，将该数字化的二维矩阵输出到第一反相谱生成单元。该第一反相谱生成单元包括矩阵变换单元和信号生成单元，其中矩阵变换单元对上述二维矩阵进行取反操作，信号生成单元通过例如IFFT根据取反后得到的新的二维矩阵产生时域的波形，该波形在产生过程中量化尺度与上述时间间隔相同(例如5ms)。然后，该时域波形被通过降噪输出单元发送出去，以消除待处理的噪声信号中的周期性重复噪声。在上述包络分析、处理和输出的过程中，采用数字化反相能够确保生成与周期性噪声反相的信号的幅值、周期与原噪声信号中的幅值、周期高精度地相同。这是单纯地利用模拟SOC降噪芯片无法比拟的。

所述噪声谱处理单元包括滤波单元，该滤波单元根据预定的规则滤除经过数字化处理的噪声谱的一部分。根据本发明一个实施例，所述预定的规则是设置该滤波单元为高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器等中的至少一种的参数的方式。例如，对于嘈杂的环境，需要滤除的主要是高通噪声，此时通过该主动式降噪模块中的滤波方式规则选取就可以设置其中的滤波单元为低通滤波器。优选地，该滤波单元少一个模数转换器和与之对应的数字滤波器。这样，输入到噪声谱处理单元的信号首先被转换成数字信号，然后通过IIR数字滤波器、FIR数字滤波器等进行数字滤波。这种将模拟信号转换成数字信号进行处理的方式能够极大地提高对信号的处理精度且避免滤波过程中滤波器本身的干扰以及外界其他因素造成的干扰。

所述降噪输出单元包括多个降噪喇叭，且这些喇叭与所述的麦克风位置一一对应地设置。这些降噪喇叭用于输出第一降噪信号(如果有的话)以及第二降噪信号。

所述噪声分类单元包括存储器、波形特征分析单元以及声音特征比较单元。存储器中预先保存了多个人员各自的声纹及其与相应人员的对应关系，包括但不限于：父亲的声纹、母亲的声纹，和/或孩子的声纹。这些声纹可以通过现有技术中的声纹获取装置或声纹库建立装置或方法等获取，并被以文件的形式保存在存储器中。优选地，该文件中的数据被保存为参考声纹矩阵。波形特征分析单元对输入噪声分类单元的信号进行声纹提取，并将提取的结果通过TES算法保存为实际声纹矩阵，将该矩阵输出到声音特征比较单元。声音特征比较单元将实际声纹矩阵与存储器中预先存储的参考声纹矩阵进行比较，根据比较结果确定该被输入的声音中包括哪些存储器中已有的人员的声音。这样，控制单元就可以通过设置噪声分类单元的分类参数，而向存储器中保存、修改或删除人员信息及其对应的声纹信息。

噪声分类单元输出的信号被输入到开关矩阵。开关矩阵包括多个通道，每个通道均包括一个可控制该通道断开或闭合的开关。各个开关的闭合或打开由控制单元控制。这样，就能够通过该开关矩阵选择性地保留实际环境中附近的某些人员发出的声音不被当作是噪声(而不被丢弃)或被当作是噪声(而被丢弃)。这样做的优点在于能够实现在主动消除其他人声的同时而保留某个或某些特定人声不被通过主动降噪而消除。

所述噪声谱生成单元包括FFT计算单元，其根据输入到噪声谱生成单元的时域信号进行FFT运算，得到该输入信号的频谱。

所述第二反相谱生成单元包括反相矩阵生成单元、IFFT计算单元和波形产生器。该第二反相谱生成单元与第一反相谱生成单元的原理和工作过程相类似，只是在该第二反相谱生成单元中，第一反相谱生成单元的矩阵变换单元相当于IFFT计算单元和波形产生器。而在第二反相谱生成单元中，将IFFT计算单元和波形产生器相互分隔开，有助于提高对于复杂频谱信号的处理能力，降低处理过程中波形产生器中的模拟器件带来的干扰。本领域技术人员应当清楚的是，该IFFT计算单元和波形产生器在满足降噪精度要求的前提下可以合二为一，采用第一反相谱生成单元中的矩阵变换单元。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种主动式降噪可穿戴设备，该可穿戴设备包括多个检测单元以及承载所述检测单元的带体或壳体，其特征在于，该可穿戴设备还包括设置于检测单元附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消；

所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号；包络分析单元首先对输入包络分析单元的噪声信号按照一定时间间隔进行采样，然后将采样得到的幅值点连线成包络线；得到包络线后，确定极大值之间的间隔是否有重复甚至是规律性的重复，如果存在，则表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音；存在重复性的声音一般不被认为是语音信号，因此确定该重复性的声音是应当被消除掉的；若表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音，则包络分析单元将周期性重复的包络幅值构成的包络线输出到包络处理单元，进行数字化处理这些后续处理；否则，包络分析单元输出的信号将直接进入噪声谱生成单元而跳过包络处理单元和第一反相谱生成单元；

当从包络分析单元输出的具有周期性重复特征的包络信号被输入到包络处理单元后，包络处理单元对该输入的信号进行数字化；在该数字化过程中，以包络的重复周期以及极值为二维数据组成二维矩阵；然后，将该数字化的二维矩阵输出到第一反相谱生成单元；该第一反相谱生成单元包括矩阵变换单元和信号生成单元，其中矩阵变换单元对上述二维矩阵进行取反操作，信号生成单元通过IFFT根据取反后得到的新的二维矩阵产生时域的波形，该波形在产生过程中量化尺度与上述时间间隔相同；然后，该时域波形被通过降噪输出单元发送出去，以消除待处理的噪声信号中的周期性重复噪声。

2.根据权利要求1所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述的带体或壳体为柔性的带体或壳体。

3.根据权利要求1所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述检测单元包括采集声音的装置。

4.根据权利要求3所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述检测单元包括检测心跳声音的声音传感器。

5.根据权利要求1所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备还包括太阳能电池，该电池为所述主动式降噪模块和检测单元供电。

6.根据权利要求1所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述检测单元被设置在所述带体或壳体内表面。

7.根据权利要求6所述的主动式降噪可穿戴设备，其特征在于，所述带体或壳体为织物，且所述检测单元被缝制在该织物的内表面。