CN105185370A - 一种声掩蔽门 - Google Patents

Abstract

一种声掩蔽门，包括掩蔽门主体，还包括可移动的声源采集附件，所述声源采集附件包括第一声音采集模块、第一无线收发模块以及与第一声音采集模块和第一无线收发模块相连接的第一数字信号处理模块；所述声掩蔽门主体包括朝向门板或门框内侧的第二无线收发模块、朝向门板或门框外侧的掩蔽声产生模块，以及与上述二者相连接的第二数字信号处理模块。本发明采用了无线传输的方式，实现了声音采集模块的可移动性，能够灵活采集声源信号，解决了现有声掩蔽系统采集声源信号效果差的缺陷。声源信号的良好采集能够增加掩蔽声信号与声源信号之间的相关性，达到更好的掩蔽效果。

Description

一种声掩蔽门

技术领域

本发明属于电子领域，涉及一种防窃听设备，具体涉及一种声掩蔽门。

背景技术

在这个信息爆炸的时代，语音的私密性越来越受到人们的关注，特别是在一些办公室、会议室、实验室、谈判场所等涉及语音信息安全的保密场所。然而随着科技的发展，窃听技术也越来越多样化，例如电话窃听、微波窃听、激光窃听、数据窃听、定向麦克风窃听、管道窃听等。针对多种方式的窃听技术，也出现了各种各样的防窃听手段。

现阶段防窃听手段主要分为两种：吸收隔离法和声掩蔽法。吸收隔离法是采用构建隔声结构的方法来实现防窃听。工程上常用一些吸声系数较大的材料和结构来吸收声音信息，或利用一些隔声构件将声音信息局限在部分空间范围。但限于成本、工程工艺水平等方面的因素，此方法还远远达不到防止私人信息通过声音途径泄露的防护要求。声掩蔽法是新兴起的一种利用声掩蔽原理的防窃听手段。现有技术一般是在门、窗、墙壁等声泄露处设置施加掩蔽声的装置。现有的掩蔽声类型有四种：无意义的稳态噪声、语谱噪声、类语言噪声、自然声和混合声。无意义的稳态噪声、语谱噪声和自然声都与声源信号没有相关性，掩蔽的效率比较低，所以掩蔽声需要很大的能量才能降低语言信息的可懂度，但过强的噪声会影响人们的正常工作生活。而由声源信号经过处理得到的类语言掩蔽声与声源信号之间具有相关性，掩蔽效率较高，优于其他掩蔽声。

图1是一种现有的声掩蔽装置，包括声源采集模块、数据处理模块以及掩蔽声产生模块，数据处理模块分别与声源采集模块和掩蔽声产生模块相连。在一个授权公告日为2012年8月15日，授权公告号CN202383998U，名称为“一种声掩蔽系统”的中国实用新型专利中提出了一种数据处理模块分别与声源采集模块和掩蔽声产生模块相连的声掩蔽系统。但是此类系统存在明显缺陷，声源采集模块与数据处理模块和掩蔽声产生模块相连，与整个声掩蔽系统一起固定安装在门、窗、墙壁等声泄露处，不能灵活采集声源信号。例如当发声者背对声源采集模块时，声源采集模块不能良好地采集声源，又如当声源距离声掩蔽系统较远时，声源采集模块也很难较好地采集到声源，从而达不到产生相应的掩蔽声来掩蔽声源的效果。现有的掩蔽声装置多是在被保护区域内施加掩蔽声，这样难免影响人们的正常工作。此外，掩蔽声装置多为单独添加器件，占用空间，影响美观，有违空间整体设计规划。因此，声掩蔽系统有待于进一步的改进和发展。

发明内容

为了解决现有声掩蔽系统不能灵活采集声源信号、掩蔽声影响被保护区域内人们正常工作的缺陷，以及迎合空间整体设计规划需要，本发明设计了一种声掩蔽门。

本发明所述声掩蔽门，包括声掩蔽门主体，还包括可移动的声源采集附件，所述声源采集附件包括第一声音采集模块、第一无线收发模块以及与第一声音采集模块和第一无线收发模块相连接的第一数字信号处理模块；

所述声掩蔽门主体包括朝向门板或门框内侧的第二无线收发模块、朝向门板或门框外侧的掩蔽声产生模块，以及与上述第二无线收发模块和掩蔽声产生模块相连接的第二数字信号处理模块；

第一声音采集模块将采集的声音信号通过第一无线收发模块发射，第二无线收发模块接收到第一无线收发模块发射的声音信号并通过第二数字信号处理模块生成掩蔽声电信号传输给掩蔽声产生模块；掩蔽声产生模块根据接收的掩蔽声电信号生成掩蔽声。

优选的，还包括与第二数字信号处理模块连接的第二声音采集模块，所述第二数字信号处理模块接收第二声音采集模块采集的声音信号，并根据采集的声音信号强度控制掩蔽声产生模块产生掩蔽声信号的强度。

进一步的，所述第二数字信号处理模块接收第二声音采集模块采集的声音信号，并根据采集的声音信号强度通过第二无线收发模块向第一无线收发模块发射控制信号，控制声源采集附件是否工作。

进一步的，其特征在于，声音采集模块包括顺序连接的话筒、拾音器或滤波器、第一ADC以及语音编码器，所述语音编码器的输出端连接数字信号处理模块。

优选的，所述无线收发模块包括发射通路和接收通路，所述发射通路和接收通路包括公用的天线及与天线连接的双工器。

进一步的，所述发射通路还包括第一DAC与第一混频器，所述第一混频器输出端连接双工器，所述第一DAC输入端连接数字信号处理模块，所述第一DAC的输出端连接第一混频器的输入端。

进一步的，所述接收通路还包括第二ADC和第二混频器，所述接收第二ADC的输出端连接数字信号处理模块，所述第二混频器的输入端连接双工器，所述第二混频器的输出端连接第二ADC的输入端。

优选的，所述掩蔽声产生模块包括顺序连接的语音解码器、第二DAC、功率放大器以及扬声器，语音解码器的输入端连接第二数字信号处理模块。

优选的，所述第二数字信号处理模块根据从第二无线收发模块接收到的第一声音采集模块采集的声源信号生成掩蔽声电信号的具体过程为：

步骤1：将得到的声音信号通过预处理得到目标声源信号；所述预处理包括：语音增强、降噪、声源定位和声音特征识别；

步骤2：将步骤1得到的目标声源信号按预设的时间窗长度进行分帧，按照；

对每一帧信号进行时域的时间反转后得到声掩蔽信号。

优选的，所述声掩蔽门具备以下特征至少其中之一：

A.所述声音采集模块利用TLV320AIC23实现；

B.所述数字信号处理模块利用TMS320VC5509实现；

C.所述无线收发模块为nRF240l芯片及与nRF240l芯片连接的天线。

本发明的有益效果是：

（1）由于本系统中的第一声音采集模块与掩蔽声产生模块间声源信号的传输采用了无线传输的方式，实现了第一声音采集模块的可移动性，能够灵活采集声源信号，解决了现有声掩蔽系统采集声源信号效果差的缺陷。能够增加掩蔽声信号与声源信号之间的相关性，达到更好的掩蔽效果。

（2）声掩蔽门主体包含了第二声音采集模块，能实时监控传到门外的声源信号的强度，从而可以向声源采集附件实时发送控制信号控制其工作与否，减少了不必要的工作时间，降低了对门外环境施加的噪声。

（3）声掩蔽门主体集成了第二无线收发模块、掩蔽声产生模块、第二声音采集模块以及第二数字信号处理模块，使掩蔽装置与室内原有设施融为一体，迎合了空间整体设计规划需要，实现了实用功能与美观的结合。

附图说明

图1为现有声掩蔽系统的结构示意图；

图2中，左半部分a是各个模块集成在门板上的声掩蔽门内侧结构示意图；右半部分b是各个模块集成在门板上的声掩蔽门外侧结构示意图；

图3中，左半部分a是各个模块集成在门框上的声掩蔽门内侧结构示意图；右半部分b是各个模块集成在门框上的声掩蔽门外侧结构示意图；

图4为声源采集附件的一种具体实施方式示意图；

图5为声源采集附件中各模块的一种具体实施方式示意图；

图6为声掩蔽门主体中各模块的一种具体实施方式示意图；

图7为声掩蔽信号产生过程示意图；

图8为声源采集附件硬件实现的一种具体实施方式示意图；

图9为声掩蔽门主体硬件实现的一种具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述声掩蔽门，包括声掩蔽门主体，还包括可移动的声源采集附件，所述声源采集附件包括第一声音采集模块、第一无线收发模块以及与第一声音采集模块和第一无线收发模块相连接的第一数字信号处理模块；

所述声掩蔽门主体包括朝向门板或门框内侧的第二无线收发模块、朝向门板或门框外侧的掩蔽声产生模块，以及与上述第二无线收发模块和掩蔽声产生模块相连接的第二数字信号处理模块；

第一声音采集模块将采集的声音信号通过第一无线收发模块发射，第二无线收发模块接收到第一无线收发模块发射的声音信号并通过第二数字信号处理模块生成掩蔽声电信号传输给掩蔽声产生模块；掩蔽声产生模块根据接收的掩蔽声电信号生成掩蔽声。

第一声音采集模块4_1获取被监听现场的声音信息，将模拟声音信号转化成数字信号，将数字信号进行编码并发送至第一数字信号处理模块5_5。

所述第一数字信号处理模块5_5对第一声音采集模块4_1和第一无线收发模块4_3进行初始化和相应的配置，使其协同工作，第一数字信号处理模块同时用于保存预设的声压级强度值，并根据第一声音采集模块4_1发送的声音信息与预设的声压级强度值进行比较，判断是否向掩蔽声采集模块发射信号。所述第一无线收发模块4_3将将来自第一数字信号处理模块信号发送给第二无线收发模块2a_1，同时接收来自第二无线收发模块2a_1的控制信号。

所述第二数字信号处理模块2b_2对第二无线收发模块2a_1和掩蔽声产生模块2b_1进行初始化和相应的配置，实现产生掩蔽声电信号的算法，并将生成的掩蔽声电信号传送给掩蔽声产生模块，掩蔽声产生模块产生掩蔽声，生成的掩蔽声与传到门外的声源信号叠加后，使声源信号可懂度急剧下降，从而达到掩蔽效果。

本发明进一步公开了一种优选实施方式，所述声掩蔽门主体还包括与第二数字信号处理模块连接并朝向门板（或门框）外侧的第二声音采集模块，所述第二数字信号处理模块接收第二声音采集模块采集的声音信号，并根据采集的声音信号强度控制掩蔽声产生模块产生掩蔽声信号的强度。第二数字信号处理模块可以保存预设的声压级强度值，根据第二声音采集模块2b_3发送的声音信息与预设的声压级强度值进行比较，控制掩蔽声产生模块2b_1是否产生掩蔽声信号，例如假设屋内人说话的声音较小，或者说话人距离门较远，传递到声掩蔽门主体处声音强度小，即使不产生掩蔽声，门外人员也不可能听到，则第二数字信号处理模块可以控制掩蔽声产生模块使其产生的掩蔽声强度减小或甚至不工作，从而降低功耗。

采用第二声音采集模块还可以实现以下功能，若第二声音采集模块2b_3发送的声音信息低于预设的声压级强度值，第二数字信号处理模块控制第二无线收发模块2b_1向第一无线收发模块发射信号，使声源采集附件暂停工作，以减小系统功耗；同时，第一数字信号处理模块判断是否接收到来自声掩蔽门主体的控制信号，并控制第一声音采集模块4_1工作与否。

如图4所示，本发明所述声掩蔽门包括的可移动的声源采集附件以及如图2a、2b所示的或如图3a、3b所示的声掩蔽门主体。可移动的声源采集附件集成了第一声音采集模块4_1、第一无线收发模块4_3以及与第一声音采集模块4_1和第一无线收发模块4_3相连接的第一数字信号处理模块4_2；声掩蔽门主体集成了朝向门板（或门框）内侧的第二无线收发模块2a_1（或3a_1）、朝向门板外侧的掩蔽声产生模块2b_1（或3b_1）和第二声音采集模块2b_3（或3b_3），以及镶嵌于门板内部与上述三者相连接的第二数字信号处理模块2b_2（或3b_2）。

图5给出所述第一声音采集模块的一种具体实施方式，所述第一声音采集模块4_1包括顺序连接的话筒5_1、拾音器/滤波器5_2、第一ADC5_3以及语音编码器5_4，语音编码器5_4的输出端连接第一数字信号处理模块5_5的输入端。其中，第一声音采集模块通过话筒5_1、拾音器/滤波器5_2获取被监听现场的声音信息，经过第一ADC5_3将模拟声音信号转化成数字信号，再通过语音编码器5_4将数字信号进行编码并发送至第一数字信号处理模块5_5。

所述第一数字信号处理模块5_5用于保存预设的声压级强度值，并根据第一声音采集模块4_1发送的声音信息与预设的声压级强度值进行比较，判断是否向掩蔽声采集模块发射信号；判断是否接收到来自声掩蔽门主体的控制信号，并控制第一声音采集模块4_1工作与否；此外，还要对第一声音采集模块4_1和第一无线收发模块4_3进行初始化和相应的配置，使其协同工作。

图5还给出所述第一无线收发模块的一种具体实现方式，所述第一无线收发模块4_3的发射通路与接收通路包括共用的双工器5_8和天线5_9；发射通路还包括顺序连接的第一DAC（数模转换器）5_6、第一混频器5_7；所述第一DAC5_6的输入端连接所述第一数字信号处理模块5_5的输出端；接收通路还包括顺序连接的第二混频器5_10、第二ADC（模数转换器）5_11。其中所述第一数字信号处理模块5_5的输入端连接所述第二ADC（模数转换器）5_11的输出端。其中第二ADC5_11将来自第一数字信号处理模块5_5的中频数字电信号转化成中频模拟信号，再由第二混频器5_10把中频模拟信号上变频至射频信号，最后由天线5_9将射频信号发送给第二无线收发模块2a_1，同时接收来自第二无线收发模块2a_1的控制信号。

图6给出所述第二无线收发模块2a_1的一种具体实现方式，与前述第一无线收发模块类似，在图6中，所述第二无线收发模块2a_1的发射通路与接收通路包括共用的双工器和天线；发射通路还包括顺序连接的第一DAC（数模转换器）、第一混频器；所述第一DAC的输入端连接所述第一数字信号处理模块的输出端。接收通路还包括顺序连接的第二混频器、第二ADC（模数转换器）；其中所述第一数字信号处理模块的输入端连接所述第二ADC（模数转换器）的输出端，第二ADC将来自第一数字信号处理模块的中频数字电信号转化成中频模拟信号，再由第二混频器把中频模拟信号上变频至射频信号，最后由天线将射频信号发射。

天线接收来自第一无线收发模块的射频信号，由第二混频器将射频信号下变频至中频信号，再利用第二ADC将中频模拟信号转化成数字信号发送给第二数字信号处理模块，并向第一无线收发模块发射控制信号。

图6给出的具体实施方式中，所述第二声音采集模块2b_3与第一声音采集模块类似，包括顺序连接的话筒、拾音器/滤波器、第一ADC以及语音编码器，所述语音编码器的输出端连接第二数字信号处理模块的输入端。所述第二声音采集模块2b_3的主要功能是对传到门外的声源信号进行采集，并进行预处理。

所述第二数字信号处理模块保存预设的声压级强度值，并根据第二声音采集模块2b_3发送的声音信息与预设的声压级强度值进行比较，控制掩蔽声产生模块2b_1是否产生掩蔽声信号，并根据第二声音采集模块2b_3发送的声音信号的强度控制掩蔽声信号的声音强度，此外，若第二声音采集模块2b_3发送的声音信息低于预设的声压级强度值，控制第二无线收发模块2b_1向第一无线收发模块发射信号，使声源采集附件暂停工作。还有对第二无线收发模块2a_1和掩蔽声产生模块2b_1进行初始化和相应的配置，实现生成掩蔽声电信号的算法（生成掩蔽声的算法将后续给出），并将生成的掩蔽声电信号传送给掩蔽声产生模块。

所述掩蔽声产生模块2b_1包括顺序连接的语音解码器6_1、第二DAC6_2、功率放大器6_3以及扬声器6_4，第二数字信号处理模块的输出端连接语音解码器6_1的输入端。其中，语音解码器6_1对掩蔽声电信号进行语音解码，再由第二DAC6_2将数字信号转化成模拟声音信号，再由功率放大器6_3掩蔽声信号进行功率放大，最后由扬声器6_4将生成的掩蔽声信号播放出去。

以下给出一种基于时间反转的掩蔽声信号生成算法，该算法可以以软件程序的形式预存在第二数字信号处理模块中。

步骤1：将得到的目标声源信号进行预处理，预处理包括：语音增强、降噪、声源定位和声音特征识别。通过预处理得到干净的目标声源信号；

步骤2：将步骤1得到的目标声源信号按特定时间窗长度进行分帧，假设声源信号分帧后的某一帧信号为x(t)，其对应的傅里叶变换为

(1)

其中G为信号频域上的幅度信息，j表示虚数单位。

按照(2)式对每一帧信号进行时域的时间反转后得到目标声源的声掩蔽信号为

(2)

声掩蔽信号y(t)对应的傅里叶变换为

(3)

由(3)式可知，时域上的反转对于信号的幅度谱并没有影响。对于人耳来说，时间反转产生的声掩蔽信号与声源信号混叠在一起时，在声掩蔽信号本身的信息没有办法被人听懂的情况下，就会对声源信号产生掩蔽效应。当语音信号分帧的长度选择为180ms-500ms时，经过时间反转的声掩蔽信号不具有原始语音信息且具有均匀性。

下面给出一个本发明更具体的实施例：

声掩蔽信号产生过程的示意图如图7所示。图7中从上到下分为3幅波形图，第一幅图是一段原始语音信号，这段材料总共8秒。根据时间反转算法，首先对源语音信息进行时域上的分帧处理，为了便于观察帧长取1秒；然后对每一帧信号进行时域上的反转，即如第二幅图所示；由于声掩蔽信号是系统采集一帧声源信号并对其进行预处理得到的，所以本帧声源信号产生的声掩蔽信号不能对本帧信号进行掩蔽，只能对其之后的帧进行掩蔽。在这里我们仅示意对声源信号的下一帧进行掩蔽，即如第三幅图所示。

本发明所述的第一声音采集模块4_1和第二声音采集模块2b_3可以利用TLV320AIC23芯片实现。TLV320AIC23是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片，且对输入和输出都具有可编程增益调节，满足本发明的需要。TLV320AIC23的模数转换（ADCS）和数模转换（DACS）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8k到96k的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。TLV320AIC23还具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23mW，省电模式下更是小于15uW。

本发明所述的第一无线收发模块4_3和第二无线收发模块2a_1利用nRF240l芯片以及收发天线实现。nRF240l无线收发一体芯片工作在2.4GHZ自由频段，能够适应无线市场对频段的要求。nRF240l支持多点间通信，最高传输速率超过lMbit/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。

本发明所述的第一数字信号处理模块4_1和第二数字信号处理模块2b_2利用TMS320VC5509DSP实现。TMS320VC5509是TI公司近年来推出的第一款以降低功耗为主的高速DSP芯片，其内核电压仅为1.5V，TMS320C5509具有多种接口，同时可以配置大容量的SDRAM。

用上述芯片实现本发明所述声源采集附件的连接示意图如图8所示，用上述芯片实现本发明所述声掩蔽门主体的连接示意图如图9所示。

本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种声掩蔽门，包括声掩蔽门主体，其特征在于，还包括可移动的声源采集附件，所述声源采集附件包括第一声音采集模块、第一无线收发模块以及与第一声音采集模块和第一无线收发模块相连接的第一数字信号处理模块；

所述声掩蔽门主体包括朝向门板或门框内侧的第二无线收发模块、朝向门板或门框外侧的掩蔽声产生模块，以及与上述第二无线收发模块和掩蔽声产生模块相连接的第二数字信号处理模块；

第一声音采集模块将采集的声音信号通过第一无线收发模块发射，第二无线收发模块接收到第一无线收发模块发射的声音信号并通过第二数字信号处理模块生成掩蔽声电信号传输给掩蔽声产生模块；掩蔽声产生模块根据接收的掩蔽声电信号生成掩蔽声。

2.如权利要求1所述声掩蔽门，其特征在于，还包括与第二数字信号处理模块连接的第二声音采集模块，所述第二数字信号处理模块接收第二声音采集模块采集的声音信号，并根据采集的声音信号强度控制掩蔽声产生模块产生掩蔽声信号的强度。

3.如权利要求2所述声掩蔽门，其特征在于，所述第二数字信号处理模块接收第二声音采集模块采集的声音信号，并根据采集的声音信号强度通过第二无线收发模块向第一无线收发模块发射控制信号，控制声源采集附件是否工作。

4.如权利要求1-3任意一项所述声掩蔽门，其特征在于，声音采集模块包括顺序连接的话筒、拾音器或滤波器、第一ADC以及语音编码器，所述语音编码器的输出端连接数字信号处理模块。

5.如权利要求1所述声掩蔽门，其特征在于，所述无线收发模块包括发射通路和接收通路，所述发射通路和接收通路包括公用的天线及与天线连接的双工器。

6.如权利要求5所述声掩蔽门，其特征在于，所述发射通路还包括第一DAC与第一混频器，所述第一混频器输出端连接双工器，所述第一DAC输入端连接数字信号处理模块，所述第一DAC的输出端连接第一混频器的输入端。

7.如权利要求5所述声掩蔽门，其特征在于，所述接收通路还包括第二ADC和第二混频器，所述接收第二ADC的输出端连接数字信号处理模块，所述第二混频器的输入端连接双工器，所述第二混频器的输出端连接第二ADC的输入端。

8.如权利要求1所述声掩蔽门，其特征在于，所述掩蔽声产生模块包括顺序连接的语音解码器、第二DAC、功率放大器以及扬声器，语音解码器的输入端连接第二数字信号处理模块。

9.如权利要求1所述声掩蔽门，其特征在于，所述第二数字信号处理模块根据从第二无线收发模块接收到的第一声音采集模块采集的声源信号生成掩蔽声电信号的具体过程为：

步骤1：将得到的声音信号通过预处理得到目标声源信号；所述预处理包括：语音增强、降噪、声源定位和声音特征识别；

步骤2：将步骤1得到的目标声源信号按预设的时间窗长度进行分帧，按照；

对每一帧信号进行时域的时间反转后得到声掩蔽信号。

10.如权利要求1所述声掩蔽门，其特征在于，所述声掩蔽门具备以下特征至少其中之一：

A.所述声音采集模块利用TLV320AIC23实现；

B.所述数字信号处理模块利用TMS320VC5509实现；

C.所述无线收发模块为nRF240l芯片及与nRF240l芯片连接的天线。