CN104950289A - 位置辨识装置、位置辨识系统以及位置辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位置辨识装置、位置辨识系统以及位置辨识方法，该位置辨识装置适用于输出音频信号的音频输出装置，包括：第一音频接收装置，利用取样频率接收音频信号，产生多个第一取样点，其中音频信号的波形是高频信号与包络线的叠加结果，包络线具有特征值；第二音频接收装置，与第一音频接收装置距离既定距离，利用取样频率接收音频信号，产生多个第二取样点；以及处理器，根据第一取样点计算第一包络线，根据第二取样点计算第二包络线，其中第一包络线以及第二包络线分别具有第一特征值以及第二特征值，处理器根据第一特征值以及第二特征值的时间差以及振幅差，取得音频输出装置的位置。本发明能够利用高频音频信号辨识位置。

Description

位置辨识装置、位置辨识系统以及位置辨识方法

技术领域

本发明涉及一种位置辨识装置、系统以及方法，尤其涉及一种利用高频音频信号辨识位置的装置、系统以及方法。

背景技术

随着电子产品的日新月异以及平板电脑的流行，移动电子装置也开始出现显示模块与主机分离的现象，因此也产生分离后的显示模块以及主机之间辨别对方位置的需求。为了解决此需求，适应性波束形成（adaptive beaforming）技术是最常用于机器上辨识另一机器位置的技术。通常，我们希望使用人耳听不到的高频音频信号来辨识另一台机器的位置。适应性波束形成（adaptivebeaforming）技术是以两个音频接收装置接收一机器所发出的音频信号，并且利用两个音频接收装置所接收到的音频信号的相位变化来辨识该机器的位置。

假设该机器发出的声音的信号频率为F_S、两个音频接收装置的取样频率为F_R、两个音频接收装置相距的既定距离D以及声速为V_S，因此此种辨识方式的限制条件为因此只能使用中低频率的声音（即4kHz以下），与我们期望使用人耳听不到的高频音频信号的期待不符。此外，一般取样频率通常大于声音的信号频率10倍以上，若是使用高频音频信号时，过高的取样频率将造成系统的复杂度增加。因此，急需一个能够利用高频音频信号辨识位置的装置与方法。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种位置辨识装置，适用于一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，包括：一第一音频接收装置，利用一取样频率接收上述音频信号，产生多个第一取样点，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；一第二音频接收装置，与上述第一音频接收装置距离一既定距离，利用上述取样频率接收上述音频信号，产生多个第二取样点；以及一处理器，根据上述第一取样点计算一第一包络线，根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值，上述处理器根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频输出装置的位置。

本发明还提出一种位置辨识系统，包括：一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；一位置辨识装置，包括：一第一音频接收装置，利用一取样频率接收上述音频信号，产生多个第一取样点；一第二音频接收装置，与上述第一音频接收装置距离一既定距离，利用上述取样频率接收上述音频信号，产生多个第二取样点；以及一处理器，根据上述第一取样点计算一第一包络线，根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值，上述处理器根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频输出装置的位置。

本发明还提出一种位置辨识方法，适用于一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，包括：利用一第一音频接收装置以及一取样频率接收上述音频信号而产生多个第一取样点，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；利用一第二音频接收装置以及上述取样频率接收上述音频信号而产生多个第二取样点，其中上述第二音频接收装置与上述第一音频接收装置距离一既定距离；根据上述第一取样点计算一第一包络线；根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值；以及根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频信号的位置。

本发明能够利用高频音频信号辨识位置。

附图说明

图1是显示位置辨识系统100的装置示意图；

图2是显示根据本发明的一实施例所述的音频信号S的高频信号的波形图；

图3是显示根据本发明的一实施例所述的音频信号S的包络线的波形图；

图4是显示根据本发明的一实施例所述的图2的高频信号与图3的包络线叠加的具有多个取样点波形图；

图5是显示根据本发明的一实施例所述的第一音频接收装置121接收到的音频信号图；

图6是显示根据本发明的一实施例所述的降低噪声的示意图；

图7是显示根据本发明的一实施例所述的位置辨识方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100位置辨识系统

110第一装置

111音频输出装置

120第二装置

121第一音频接收装置

122第二音频接收装置

123处理器

R长度

θ角度

D既定距离

S_A音频信号

P特征点

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特例举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

以下将介绍根据本发明所述的较佳实施例。必须要说明的是，本发明提供了许多可应用的发明概念，在此所揭示的特定实施例，仅是用于说明达成与运用本发明的特定方式，而不可用以局限本发明的范围。

图1是显示位置辨识系统100的装置示意图。如图1所示，位置辨识系统100包括第一装置110以及第二装置120，第一装置110包括音频输出装置111，用以输出音频信号S，第二装置120具有第一音频接收装置121、第二音频接收装置122以及处理器123，其中第一音频接收装置121以及第二音频接收装置122相距一既定距离D，而音频输出装置111至第一音频接收装置121以及第二音频接收装置122的中点的距离为长度R，并夹角度θ。第二装置120的处理器123，根据第一音频接收装置121以及第二音频接收装置122所接收的音频信号S_A的时间以及振幅的差异，辨识第一装置110的音频输出装置111的位置。

为了详细说明本发明的技术特征，以下将根据本发明的一较佳实施例予以说明。根据本发明的一实施例，图1的音频输出装置111输出音频信号S_A为一高频信号与一包络线的叠加结果。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的音频信号S的高频信号的波形图。如图2所示，该高频信号为一固定频率F_S的正弦波。图3是显示根据本发明的一实施例所述的音频信号S的包络线的波形图。如图3所示，包络线具有一特征点P，并且定义此包络线为W[j]。

图4是显示根据本发明的一实施例所述的图2的高频信号与图3的包络线叠加的具有多个取样点波形图。如图4所示，图2的高频信号与图3的包络线所叠加的结果为一渐强而后渐弱的信号，图1的处理器123利用数学运算，还原图1中第一音频接收装置121以及第二音频接收装置122所接收到的图4的特征点P，图1的处理器123还根据第一音频接收装置121所接收到的特征点P以及第二音频接收装置122所接收到的特征点P之间的时间差以及振幅差，辨识图1的音频输出装置111的位置。

以下将针对第一音频接收装置121进行说明，第二音频接收装置122的动作亦同。图5是显示根据本发明的一实施例所述的第一音频接收装置121接收到的音频信号图。

$x_L^{+}\left[n\right]={\left[s_L^2\right[n]+{\left(\frac{s_L[n+1]-s_L\left[n\right]\×\mathrm{COS}(2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}{\mathrm{SIN}(2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}\right)}^2]}^{0.5}$ （方程式1）

$x_L^{-}\left[n\right]={\left[s_L^2\right[n]+{\left(\frac{s_L[n-1]-s_L\left[n\right]\×\mathrm{COS}(2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}{\mathrm{SIN}(-2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}\right)}^2]}^{0.5}$ （方程式2）

$x_L^{\#}\left[n\right]={[{\left(\frac{s_L[n+1]+s_L[n-1]}{2\mathrm{COS}(2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}\right)}^2+{\left(\frac{s_L[n+1]-s_L[n-1]}{2\mathrm{SIN}(2\mathrm{\π}{F}_S/F_R)}\right)}^2]}^{0.5}$ （方程式3）

$x_L^{*}\left[n\right]=\sqrt{x_L^{+}\left[n\right]\×x_L^{-}\left[n\right]}-2x_L^{\#}\left[n\right]$ （方程式4）

$x_L^{*}\left[K_L\right]=\mathrm{MAX}\left\{x_L^{*}\right[n\left]\right\}$ （方程式5）

处理器123根据图5的s_L[n]、s_L[n+1]以及方程式1，求得包络线上的利用s_L[n]、s_L[n-1]以及方程式2求得包络线上的接着，处理器123再以方程式3求得其中当位于特征点P的位置时，处理器123会再利用方程式4修改为并取得每个时间点相对应的最大振幅并以方程式5找出特征值的半幅区间K_L，如图5所示。

当利用方程式1至方程式5找出特征值可能出现的范围后，再利用方程式6以及方程式7做两次的平均，用以消除噪声的影响。图6是显示根据本发明的一实施例所述的降低噪声的示意图。

$B_L[m,j_L]=\frac{1}{2P+1}\underset{p=-P}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{x}_L^{*}[K_L+j_L+m+p]\×\frac{W[N/2+m]}{W[N/2+m+p]}$ （方程式6）

$B_L^{*}[u,j_L]=\frac{1}{2Q+1}\underset{q=-Q}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{B}_L[u+q,j_L]\×\frac{W[N/2+u]}{W[N/2+u+q]}$ （方程式7）

如图6所示，在一个包络线区间内共有N个取样点，则在渐强以及渐弱的区间内各具有N/2个取样点，并且找出的特征值的半幅区间K_L，当利用方程式6进行第一次平均时，以X₁点为例即利用X₁点的正负P区间的数据来平均，也就是图6中X₁点前后相距P的区间，依此方式计算至X₁’点。当利用方程式7进行第二次平均时，则由X₂点开始并根据正负Q区间的数据来平均，依此方式计算至X₂’点。

根据本发明的一实施例，假设求得的K_L为50，使用者选择P以及Q各为20，则代表方程式6的m为K_L+P，即为70，而方程式7的u为K_L-Q，即为30。

紧接着，再将与包络线W[j]相比较，并利用方程式8、10、11以求得特征值对应的时间点利用方程式9求得接收到的特征值的振幅大小。

$G_L[u,j_L]=\frac{B_L^{*}[u,j_L]}{W[N/2+u]}$ （方程式8）

${\mathrm{AVG}}_L\left[j_L\right]=\frac{1}{2(M-Q)+1}\underset{u=-(M-Q)}{\overset{M-Q}{\mathrm{\Σ}}}{G}_L[u,j_L]$ （方程式9）

${\mathrm{MSG}}_L\left[j_L\right]=\frac{1}{2(M-Q)+1}\underset{u=-(M-Q)}{\overset{M-Q}{\mathrm{\Σ}}}{\left(G_L\right[u,j_L]-{\mathrm{AVG}}_L[j_L\left]\right)}^2$ （方程式10）

${\mathrm{MSG}}_L\left[j_L^m\right]=\mathrm{MIN}\left\{{\mathrm{MSG}}_L\right[j_L\left]\right\}$ （方程式11）

同样的，利用上述相同的方法计算第二音频接收装置122所接收到的特征值对应的时间点以及接收到的特征值振幅大小，并利用方程式12以及方程式13比较第一音频接收装置121以及第二音频接收装置122的时间以及振幅。

$n^{*}=(K_L+j_L^m)-(K_R+j_R^m)$ （方程式12）

$A^{*}=\frac{{\mathrm{AVG}}_L\left[j_L^m\right]}{{\mathrm{AVG}}_R\left[j_R^m\right]}$ （方程式13）

根据本发明的一实施例，使用30组n^*以及A^*的结果取其平均值而得到和并利用方程式14求得音频输出装置111至第一音频接收装置121的距离，利用方程式15求得音频输出装置111至第二音频接收装置122的距离。接着，再利用方程式16以及方程式17求得长度R以及角度θ。

$R_L=\frac{n_Y^{*}\×V_S}{(1-\sqrt{A_Y^{*}})\×F_R}$ （方程式14）

$R_R=\frac{n_Y^{*}\×V_S}{(\sqrt{1/A_Y^{*}}-1)\×F_R}$ （方程式15）

$R=0.5\sqrt{{2R}_R^2+2R_L^2-D^2}$ （方程式16）

$\mathrm{\θ}={\mathrm{COS}}^{-1}\left(\frac{R_R^2-R_L^2}{2R\×D}\right)$ （方程式17）

根据本发明的一实施例，以上所述的位置辨识系统，所使用的信号频率F_S为18kHz，两个音频接收装置的取样频率F_R为48kHz，假设操作温度为摄氏20度时，声速为343m/s。因此，本发明使得并且取样频率为信号频率的2.66倍，大大地突破先前技术的限制。

图7是显示根据本发明的一实施例所述的位置辨识方法的流程图。如图7所示，首先，利用图1的第一音频接收装置121以及取样频率接收音频信号而产生多个第一取样点（步骤S1），其中音频信号的波形是高频信号与包络线的叠加结果，包络线具有一特征值。利用图1的第二音频接收装置122以及取样频率接收音频信号而产生多个第二取样点（步骤S2），其中第二音频接收装置122与第一音频接收装置121距离既定距离D；根据第一取样点计算第一包络线（步骤S3）；根据第二取样点计算第二包络线（步骤S4），其中第一包络线以及第二包络线分别具有第一特征值以及第二特征值。根据第一特征值以及第二特征值的时间差以及振幅差，取得音频信号的位置（步骤S5）。

以上叙述许多实施例的特征，使本领域普通技术人员能够清楚理解本说明书的形态。本领域普通技术人员能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其他工艺及结构而完成相同于上述实施例的目的和/或达到相同于上述实施例的优点。本领域普通技术人员亦能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和范围内作任意的更动、替代与润饰。

Claims (9)

1.一种位置辨识装置，适用于一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，包括：

一第一音频接收装置，利用一取样频率接收上述音频信号，产生多个第一取样点，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；

一第二音频接收装置，与上述第一音频接收装置距离一既定距离，利用上述取样频率接收上述音频信号，产生多个第二取样点；以及

一处理器，根据上述第一取样点计算一第一包络线，根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值，上述处理器根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频输出装置的位置。

2.如权利要求1所述的位置辨识装置，其中上述取样频率以及上述既定距离的乘积以及声速的比值大于一。

3.如权利要求2所述的位置辨识装置，其中上述取样频率小于上述音频信号的频率的十倍。

4.一种位置辨识系统，包括：

一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；

一位置辨识装置，包括：

一第一音频接收装置，利用一取样频率接收上述音频信号，产生多个第一取样点；

一第二音频接收装置，与上述第一音频接收装置距离一既定距离，利用上述取样频率接收上述音频信号，产生多个第二取样点；以及

一处理器，根据上述第一取样点计算一第一包络线，根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值，上述处理器根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频输出装置的位置。

5.如权利要求4所述的位置辨识系统，其中上述取样频率以及上述既定距离的乘积以及声速的比值大于一。

6.如权利要求4所述的位置辨识系统，其中上述取样频率小于上述音频信号的频率的十倍。

7.一种位置辨识方法，适用于一音频输出装置，上述音频输出装置输出一音频信号，包括：

利用一第一音频接收装置以及一取样频率接收上述音频信号而产生多个第一取样点，其中上述音频信号的波形是一高频信号与一包络线的叠加结果，上述包络线具有一特征值；

利用一第二音频接收装置以及上述取样频率接收上述音频信号而产生多个第二取样点，其中上述第二音频接收装置与上述第一音频接收装置距离一既定距离；

根据上述第一取样点计算一第一包络线；

根据上述第二取样点计算一第二包络线，其中上述第一包络线以及上述第二包络线分别具有一第一特征值以及一第二特征值；以及

根据上述第一特征值以及上述第二特征值的时间差以及振幅差，取得上述音频信号的位置。

8.如权利要求7所述的位置辨识方法，其中上述取样频率以及上述既定距离的乘积以及声速的比值大于一。

9.如权利要求7所述的位置辨识方法，其中计算上述第一最大值以及上述第二最大值数次后并加以平均。