CN108769868A - 基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置，本发明的基本原理是将通话音频信号与超声载波信号进行调制,利用声信号在空气中传播时产生非线性效应,音频信号可重新在超声载波中解调出来。由于超声波具有良好的指向性和穿透性，当超声波传感器与屏幕玻璃紧密耦合时，超声波可以透过屏幕模块进行传播。因此本发明无需屏幕玻璃开孔，因而不占用手机屏幕显示区域，且具有良好的声音指向性、通话质量及私密性。另外，本发明基于频分技术，将参量阵扬声器与超声波探测相结合，使得该技术方案可集成实现基于超声波的距离测量、人耳定位、甚至面部识别等功能。

Description

基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置

技术领域

本发明涉及基于参量阵的定向传声技术，具体涉及一种基于频分超声参量阵的手机屏幕下听筒实现方法与装置。

背景技术

随着触控屏手机的不断发展，不断提高占屏比(屏幕面积占手机正面总面积的比例)最终发展为手机正面全被屏幕所覆盖，即所谓“全面屏”，成为近期手机发展的热点以及各大手机厂商不断追求的目标，并且陆续有一些高占屏比的手机发布上市，主要代表性的产品有：

1，三星公司2017年面世的盖乐视S8/S8+以及Note8系列产品，实现了较窄的上下边框。但是，其上下边框为了能够设置听筒及红外距离传感器等，相较于左右两侧边框仍然较宽。

2，苹果公司iPhone X，其左、右、下都做到了较窄的边框，但上边框中间位置由于需要放置听筒及其他传感器，使得靠近上边框的屏幕呈现凹形，影响用户的使用体验。

3，小米mix系列，第一代mix去掉了传统听筒以及红外距离感应器，并用陶瓷声学系统来替代传统听筒，用超声波传感器系统来替代传统红外距离感应器，这样在手机正面屏幕玻璃的顶部无需为听筒及红外传感器预留位置及相应屏幕玻璃处开孔，使得上边框可以非常窄，其占屏比达到了91.2％。但是采用的悬臂梁式压电陶瓷声学系统，通话时带动整机中框共振，导致通话声音外露，因而通话的私密性较差，通话音质也不够好，被用户所诟病。因而小米MIX2采用大功率听筒搭配精密设计的导管式结构，使喇叭的通话声音传导到边框顶部，并在顶部开一个小孔。解决通话私密性问题。但是顶部边框为了留给听筒开孔，较MIX一代明显变宽，占屏比只有80％左右。

总结现有方案可以看出，由于传统的听筒需要在屏幕玻璃面板开孔用于导声，必须占据屏幕的显示区域，成为阻碍手机最终实现“全面屏”的主要障碍之一。因此，如何在避免影响屏幕的显示区域的情况下，实现通话、距离感应等功能，成为手机实现全面屏亟待突破的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置。本发明涉及的超声波参量阵扬声器不同于一般意义上的扬声器,其基本原理是将音频信号与超声载波信号进行调制,利用声信号在空气中传播时产生非线性效应,音频信号可重新在超声载波中解调出来。由于超声波具有良好的指向性和穿透性，当超声波传感器与屏幕玻璃紧密耦合时，超声波可以透过屏幕模块进行传播。现有手机已经实现的基于超声波的距离传感器证明了这一点。因此本发明的基于超声参量阵技术的传声装置，无需屏幕玻璃开孔，因而不影响屏幕显示，且具有良好的声音指向性，保证通话质量及私密性。另外，本发明基于频分技术，将参量阵扬声器与超声波探测相结合，使得该技术方案可集成实现基于超声波的距离测量、耳朵定位、甚至面部识别等功能。

基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其将通话信号调制到超声载波上，并且叠加与超声载波处在不同频段的超声探测信号，利用超声波的穿透性，透过屏幕模组发射出来，利用参量阵的非线性解调原理实现语音信号的定向传播，利用超声探测原理实现人耳位置的感知。

进一步的，该方法包括以下步骤：

步骤1、初始化：基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现装置开机，经过初始化后工作于设定的软硬件状态；

步骤2、生成超声载波信号与探测信号；超声载波信号用于调制通话语音信号，探测信号用于探测人耳的位置与距离；

步骤3、语音信号预失真处理，并将预失真处理后的语音信号调制到步骤2生成超声载波信号上；

步骤4、生成相控信号，将步骤3的已调通话信号和步骤2生成的探测信号叠加，经过相控处理，送至参量阵发射模块发射出去；

步骤5、接收目标回波，完成探测信号一级滤波，送至数字信号处理模块的接收信号处理子模块；

步骤6、接收数字处理子模块对回波信号进行二级数字滤波，调用检测算法计算出人耳位置信息，反馈给步骤4；

步骤7、重复步骤2～6，直到通话结束。

进一步的，所述步骤2中，所生成的超声载波信号与探测信号在不同的频带上。

进一步的，所述步骤3中的预失真处理，目的为抵消已调通话信号在传播过程中的非线性效应引起的语音失真。

进一步的，所述步骤4中，生成的相控信号为根据步骤6反馈的目标方位信息生成，使相控处理后的发射信号更好的指向人耳。

进一步的，步骤5中所述一级滤波是指由于接收模块的频段仅包含探测信号频率，已调通话信号成分被接收模块的硬件滤除；步骤6所述二级数字滤波是指根据已调信号与探测信号频段的不同，通过数字信号处理进一步滤除残余的通话信号分量及其他噪声，增强探测信号。

本发明提出的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现装置，包括：数字信号处理模块、参量阵发射模块和探测接收模块；

所述的数字信号处理模块，包括发射信号处理子模块和接收信号处理子模块；实现通话信号处理和探测信号生成两部分功能，该模块由手机处理器完成实现；

所述参量阵发射模块包括D/A转换器、功率放大器和发射换能器，发射换能器为多个阵元组成的阵列；

所述探测接收模块包括A/D转换器、功率放大器和接收换能器；

所述发射换能器和接收换能器，换能器均与屏幕模组紧贴并良好耦合，使超声信号能够透过屏幕模组传播；

所述发射模块的频段覆盖已调语音通话与探测信号，所述接收模块的频段仅覆盖探测信号；

所述A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换，D/A转换器将数字信号处理模块输出的数字信号转换成模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换成数字信号发送到数字信号处理模块。

本发明提出的基于频分超声参量阵的手机屏幕下听筒实现装置，包括数字处理模块、参量阵发射模块以及探测接收模块。数字处理模块由手机CPU构成，负责对发射信号以及探测回波信号进行集中处理。参量阵发射模块包括功率放大器及发射换能器，负责发射信号功率放大和发射。探测接收模块由接收换能器及功率放大器组成，负责探测信号的接收和功率放大。

进一步的，所述数字处理模块的发射信号处理子模块，包括通话信号处理和探测信号生成两部分功能。其中通话信号处理包括：对语音信号进行预失真处理，以抵消非线性效应引起的音频信号失真，然后将通话语音信号调制到特定频段的超声载波上。

进一步的，所述数字信号处理模块的发射信号处理子模块，其中的探测信号处理功能包括：生成特定探测信号，并且探测信号的中心频率与调制的通话信号有所分别。然后将探测信号与已调高频信号叠加，最后根据数字处理模块的接收信号处理子模块反馈的探测目标方位，生成相控信号，施加到叠加后的信号上，发送至参量阵发射模块。

进一步的，所述数字处理模块的接收信号处理子模块，负责对探测接收模块接收到的探测回波进行处理，包括如下功能：对探测信号进行滤波，进一步过滤通话信号部分以及其他干扰，然后对探测信号采用相应的应用探测算法计算出探测结果，包括手机与人的面部距离及人耳方位等，反馈给发射信号处理子模块。

进一步的，所述参量阵发射模块功率放大器负责对高频已调信号进行功率放大，其特征在于功放的频宽有效覆盖已调通话信号频段与探测信号频段。

进一步的，所述参量阵发射模块的发射换能器负责通话信号的发射和探测信号的发射，其特征在于换能器的有效频宽覆盖已调通话信号频段与探测信号频段，并且发射换能器与手机屏幕模组之间良好的耦合，使得信号能够透过手机屏幕模组发射至空气中，在传播的过程中，已调通话信号会自动解调出高指向性的通话音频信号，能够被人耳朵接收。而探测信号为超声频段，不被人耳察觉，并携带探测信息反射回探测接收模块。

进一步的，所述探测接收模块的接收换能器以及功率放大器，其频段宽只覆盖探测信号的频段，负责接收人耳探测反射产生的探测回波，可对非探测信号进行第一级硬件滤波，并对过滤后的探测信号进行功率放大处理，然后将该回波送至声数字处理模块中，由该模块调用人耳定位算法计算出人耳的方向和距离等信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)取消传统听筒，无需在屏幕上开孔，减少占屏面积，使屏幕更简洁、美观，利于实现全面屏。同时，不开孔听筒还能有效的防尘防水。

(2)参量阵原理所产生的音频信号的强指向性，通话声音不会外漏，保证了通话的私密性。

(3)本发明不仅能实现通话声音的定向传播，同时还能实现耳朵实时定位功能、息屏功能以及拓展至人脸识别等功能。

附图说明

图1为实例中基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现装置原理图。

图2a为发射信号处理过程图。

图2b为接收信号处理过程图。

图3是本实施例的系统换能器结构图。

图4为超声调制及非线性解调过程图。

图5为实例中所述听筒系统信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

如图1所示，是本实施案例基于频分超声参量阵手机屏幕下听筒装置，包括数字处理模块、发射模块和接收模块。数字处理模块由手机处理器完成基本功能，负责对发射信号以及探测回波信号进行集中处理。参量阵发射模块包括功率放大器及发射换能器，负责发射信号功率放大和发射。探测接收模块由接收换能器及功率放大器组成，负责探测信号的接收和功率放大。

数字处理模块包括发射信号处理子模块和接收信号处理子模块。如图2a所示，是发射信号处理子模块的信号处理过程，包括通话信号处理和探测信号生成两部分功能。其中通话信号处理包括：对语音信号进行预失真处理，以抵消非线性效应引起的音频信号失真，然后将通话语音信号调制到特定频段的超声载波上。如图2b所示，数字处理模块的接收信号处理子模块，其中的探测信号处理功能包括：生成特定探测信号，并且探测信号的中心频率与调制的通话信号有所分别。然后将探测信号与已调高频信号叠加，最后根据数字处理模块的接收信号处理子模块反馈的探测目标方位，生成相控信号，施加到叠加后的信号上，发送至参量阵发射模块。

图3为本实施例基于参量阵多功能系统换能器结构图。参量阵多功能系统换能器1由发射换能器2以及接收换能器3组成。发射换能器2由多个超声发射换能器组成阵列，均匀分布于平面内，并确保阵元减的距离一致。所述发射换能器的频段为40～55khz，能够发射40Khz～45Khz的载波信号以及50Khz～55Khz的探测信号。所述接收换能器接收50Khz～55Khz信号。

下面我们结合附图具体说明本发明的实现流程：

步骤1、装置开机，调用初始化程序对软硬件进行初始化，使装置工作于既定的软硬件状态下；

步骤2、生成超声载波信号与探测信号；超声载波信号用于调制通话语音信号，其频率范围为40Khz～45Khz。探测信号用于探测人耳的位置与距离，其频率范围为50Khz～55Khz。

步骤3、语音信号预失真处理；作为一种实例，在本实施案例中，我们采取Berktay远场解决方案，假设有限振幅高强度超声载波调制信号p₁(t)＝P₁E(t)sinw_ct，依据其理论，参量阵解调信号与包络信号平方的二次导数成正比，即在此解决方案的基础上，采用对包络信号E(t)＝1+mg(t)中的g(t)进行二次积分再进行平方根处理的预处理方法,得到包络信号E′(t)＝1+m∫∫g(t)dt²,通过采用这种预处理方法可将400Hz时的总谐波失真由未经平方根预处理时的40％下降到5％。将预失真处理后的语音信号调制到步骤2生成的超声载波信号上，如图4所示，在本实施案例中，以2Khz作为声音信号，40Khz作为载波信号，将2kHz的音频信号调制到40kHz超声载波上。

步骤4、如图2a所示，根据步骤6反馈的探测目标位置信息，将步骤3的已调通话信号和步骤2生成的探测信号叠加，经过相控处理、D/A转换以及功率放大后，送至参量阵发射模块发射出去。

步骤5、接收目标回波：如图2b所示探测接收模块接收目标回波信号，由于探测接收模块的频率范围不包含已调语音信号，因此回波通过探测接收模块的功放以及换能器后，可完成对探测信号的第一级滤波，然后信号经过A/D转换，送至数字信号处理模块中的接收信号处理子模块。

步骤6、接收数字信号处理子模块对回波信号进行第二级数字滤波，然后调用探测算法计算出目标回波的方位信息，反馈给步骤2。

步骤7、重复步骤2～6，直到通话结束。

Claims (7)

1.基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其特征在于将通话信号调制到超声载波上，并且叠加与超声载波处在不同频段的超声探测信号，利用超声波的穿透性，透过屏幕模组发射出来，利用参量阵的非线性解调原理实现语音信号的定向传播，利用超声探测原理实现人耳位置的感知。

2.根据权利要求1所述的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、初始化：基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现装置开机，经过初始化后工作于设定的软硬件状态；

步骤2、生成超声载波信号与探测信号；超声载波信号用于调制通话语音信号，探测信号用于探测人耳的位置与距离；

步骤3、语音信号预失真处理，并将预失真处理后的语音信号调制到步骤2生成超声载波信号上；

步骤4、生成相控信号，将步骤3的已调通话信号和步骤2生成的探测信号叠加，经过相控处理，送至参量阵发射模块发射出去；

步骤5、接收目标回波，完成探测信号一级滤波，送至数字信号处理模块的接收信号处理子模块；

步骤6、接收数字处理子模块对回波信号进行二级数字滤波，调用检测算法计算出人耳位置信息，反馈给步骤4；

步骤7、重复步骤2~6，直到通话结束。

3.根据权利要求1所述的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其特征在于，所述步骤2中，所生成的超声载波信号与探测信号在不同的频带上。

4.根据权利要求1所述的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其特征在于，所述步骤3中的预失真处理，目的为抵消已调通话信号在传播过程中的非线性效应引起的语音失真。

5.根据权利要求1所述的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，

其特征在于，所述步骤4中，生成的相控信号为根据步骤6反馈的目标方位信息生成，使相控处理后的发射信号更好的指向人耳。

6.根据权利要求1所述的基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法，其特征在于，步骤5中所述一级滤波是指由于接收模块的频段仅包含探测信号频率，已调通话信号成分被接收模块的硬件滤除；步骤6所述二级数字滤波是指根据已调信号与探测信号频段的不同，通过数字信号处理进一步滤除残余的通话信号分量及其他噪声，增强探测信号。

7.用于权利要求1~6任一项所述基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法的装置，其特征在于，包括：数字信号处理模块、参量阵发射模块和探测接收模块；

所述的数字信号处理模块，包括发射信号处理子模块和接收信号处理子模块；实现通话信号处理和探测信号生成两部分功能，该模块由手机处理器完成实现；

所述参量阵发射模块包括D/A转换器、功率放大器和发射换能器，发射换能器为多个阵元组成的阵列；

所述探测接收模块包括A/D转换器、功率放大器和接收换能器；

所述发射换能器和接收换能器，换能器均与屏幕模组紧贴并良好耦合，使超声信号能够透过屏幕模组传播；

所述发射模块的频段覆盖已调语音通话与探测信号，所述接收模块的频段仅覆盖探测信号；

所述A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换，D/A转换器将数字信号处理模块输出的数字信号转换成模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换成数字信号发送到数字信号处理模块。