CN111741419B - 骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法，包括骨传导微机电模块，用于接收发声引起的骨骼振动，并产生相应的振动信号；骨传导信号处理模块，连接所述骨传导微机电模块，接收所述骨传导微机电模块输出的振动信号，并转化为对应的骨声波信号输出；以及接收所述骨声波信号的骨声波信号处理模块，进行信号处理得到音频信号。本发明的骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法在麦克风内部直接对骨传导信息进行前级信息处理和后级信息处理，最后对外输出骨声波信号，有利于简化后级芯片的处理并提高系统稳定性；同时本发明的骨传导麦克风对后级芯片的负载降低，进而有利于降低骨传导声音处理系统的成本。

Description

骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及声音信号处理领域，特别是涉及一种骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法。

背景技术

在各种拾音设备中，目前的拾音器件和设备都是获得空气中的声音，声音在空气中的波形比较完整、清晰，幅度较大且传输距离较远。所以在各种电子设备中，都是以ECM（驻极体）麦克风和MEMS（微型机电系统）气导麦克风为主的获取器件。

目前的ECM麦克风和MEMS气导麦克风的固有特点就是高质量声音，但是高质量声音内包含了高质量的人声和高质量的噪声。所以目前产生了很多算法在针对高质量的噪声进行降噪处理，包含双MIC（双麦）降噪，四MIC（四麦）降噪，AEC（回声消除）降噪等。但是这些降噪方式对产品的结构和产品的大小有比较高的要求。随着TWS（True Wireless Stereo，真无线立体声）耳机的普及和可穿戴设备的普及，设备越来越小，应用场景越来越复杂，传统的降噪方式面临越来越多的限制，导致降噪效果降低，用户体验较差。

所以，如何提出一种新的技术对声音信号进行前处理以输出高质量语音信号且噪声控制在很低的范围内，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法，用于解决现有技术中麦克风信号环境噪声大导致有效声音质量差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种骨传导麦克风，所述骨传导麦克风至少包括：

骨传导微机电模块，用于接收发声引起的骨骼振动，并产生相应的振动信号；

骨传导信号处理模块，连接所述骨传导微机电模块，接收所述骨传导微机电模块输出的振动信号，并转化为对应的骨声波信号输出；

其中，所述骨传导信号处理模块包括前级降噪单元、骨声波识别转化单元及骨声波输出单元；所述前级降噪单元滤除所述振动信号中的直流偏差；所述骨声波识别转化单元接收所述前级降噪单元的输出信号，获取相应的骨声波信号；所述骨声波输出单元接收所述骨声波识别转化单元的输出信号，去除初始测量误差带来的线性漂移。

可选地，所述骨传导微机电模块包括一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构；其中，第一组指状栅条固定到基片的实体地平面上，第二组指状栅条连接到一安装在一组弹簧上的质量块上，所述弹簧根据骨骼振动产生移动，以改变所述第一组指状栅条与所述第二组指状栅条之间的电容，进而得到与骨骼振动的加速度力对应的振动信号。

可选地，所述骨传导麦克风还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块连接所述骨传导信号处理模块，以将所述骨声波信号无线输出。

可选地，所述前级降噪单元包括高通滤波器。

可选地，所述骨声波识别转化单元包括采样率转换电路及速率转换电路；所述采样率转换电路接收所述振动信号，对所述振动信号的采样率进行转换并与预设系数相乘，以改变所述振动信号的数据格式得到骨声波信号；所述速率转换电路连接于所述采样率转换电路的输出端，对所述采样率转换电路的输出信号进行速率转换。

可选地，所述骨声波输出单元包括高通滤波器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种骨传导声音处理系统，所述骨传导声音处理系统至少包括：

上述骨传导麦克风，骨声波信号处理模块；

所述骨传导麦克风接收发声引起的骨骼振动并产生相应的骨声波信号；

所述骨声波信号处理模块接收所述骨传导麦克风输出的骨声波信号，并进行信号处理以得到音频信号。

可选地，所述骨声波信号处理模块为CPU、MCU或DSP。

更可选地，所述骨声波信号处理模块包括滤波单元、增益调节单元、骨信号处理单元中的至少一个。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种骨传导麦克风的信号处理方法，所述骨传导麦克风的信号处理方法至少包括：

1）感应发声引起的骨骼振动并产生相应的振动信号；

2）滤除对所述振动信号中的直流偏差，而后将所述振动信号转化为骨声波信号，再去除所述骨声波信号中初始测量误差带来的线性偏移。

可选地，产生所述振动信号的方法包括：基于骨骼振动改变电容器两个电极之间的距离，进而改变所述电容器上的电压值，得到对应的振动信号。

可选地，将所述振动信号转化为骨声波信号的方法包括：对所述振动信号的采样率进行转换并与预设系数相乘，得到骨声波信号；再对所述骨声波信号进行速率转换。

可选地，所述骨传导麦克风的信号处理方法在步骤2）后还包括3）对所述骨声波信号进行处理得到用于播放的音频信号。

如上所述，本发明的骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法，具有以下更好效果：

本发明的骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法在麦克风内部直接对骨传导信息进行前级信息处理和后级信息处理，最后对外输出骨声波信号，有利于简化后级芯片的处理并提高系统稳定性；同时本发明的骨传导麦克风对后级芯片的负载降低，进而有利于降低骨传导声音处理系统的成本。

附图说明

图1显示为一种麦克风架构的示意图。

图2显示为本发明的骨传导麦克风的结构示意图。

图3显示为本发明的骨传导信号处理模块的结构示意图。

图4显示为本发明的骨声波识别转化单元的结构示意图。

图5显示为本发明的骨传导声音处理系统的结构示意图。

元件标号说明

1-麦克风；11-加速度计；2-主芯片；3-骨传导麦克风；31-骨传导微机电模块；32-骨传导信号处理模块；321-前级降噪单元；322-骨声波识别转化单元；322a-采样率转换电路；322b-速率转换电路；323-骨声波输出单元；4-骨声波信号处理模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1~图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示为一种麦克风的架构，包括加速度计11及主芯片2，通过所述加速度计11（设置于麦克风1内）对发声引起的骨骼振动进行加速度信号的获取，将所述加速度信号通过PAD传输给所述主芯片2，再通过所述主芯片2中的算法对所述加速度信号进行处理，得到与骨声音相关的信息，再叠加其它算法对与骨声音相关的信息进行处理得到音频信号。所述加速度信号需要通过复杂的计算和处理才能得到可供扬声器等设备播放的音频信号，因此，主芯片内算法复杂，系统的稳定性差，麦克风对主芯片的负载大，导致该麦克风架构的成本大大提升。

本发明提出一种新的麦克风架构，以此提高系统稳定性，减小成本，同时进一步降低噪声，得到更高质量的语音信号。

实施例一

如图2所述，本实施例提供一种骨传导麦克风3，所述骨传导麦克风3包括：

骨传导微机电模块31及骨传导信号处理模块32。

如图2所示，所述骨传导微机电模块31用于接收发声引起的骨骼振动，并产生相应的振动信号。

具体地，所述骨传导微机电模块31利用MEMS（Micro Electro MechanicalSystem，微型机电系统）来感应骨骼的振动，进而得到横向振动信号和纵向振动信号。在本实施例中，所述骨传导微机电模块31感应的骨骼振动有如下过程产生：发声引起振动，振动传递至软骨和/或肌肉，随后再传递至耳朵软骨，耳朵软骨处的振动被检测到。在实际使用中，任意可进行骨传导的部位均可作为检测位置进而获得骨骼振动，不以本实施例为限。

更具体地，在本实施例中，所述骨传导微机电模块31采用MEMS加速度计实现，包括X轴感应单元及Y轴感应单元，分别感知横向振动和纵向振动。作为示例，感应单元包括一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构；其中，第一组指状栅条固定到基片的实体地平面上（固定栅条），第二组指状栅条连接到一安装在一组弹簧上的质量块上（移动栅条），所述弹簧根据骨骼振动产生移动，以改变所述第一组指状栅条与所述第二组指状栅条之间的电容，进而得到与骨骼振动的加速度力对应的电信号（振动信号）。

需要说明的是，所述骨传导微机电模块31的具体结构可根据实际需要进行调整，能将振动转换为电信号的机电结构均适用本发明，在此不一一赘述。

作为本发明的另一种实现方式，所述骨传导微机电模块31还包括信号预处理单元（图中未显示），包括但不限于滤波器、增益放大器，在此不一一赘述。所述信号预处理单元连接于各感应单元的输出端，对各感应单元的输出信号进行预处理，以利于信号的传输及后续处理。

如图2所示，所述骨传导信号处理模块32连接所述骨传导微机电模块31，接收所述骨传导微机电模块31输出的振动信号，并转化为对应的骨声波信号输出。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述骨传导信号处理模块32包括前级降噪单元321、骨声波识别转化单元322及骨声波输出单元323。

更具体地，由于原始的振动信号中包含着一部分直流分量，所述前级降噪单元321滤除初始的所述横向振动信号及纵向振动信号中的直流偏差，最大限度的消除噪声，保留所述横向振动信号及所述纵向振动信号的有效信息；在本实施例中，所述前级降噪单元321采用高通滤波器实现，在实际使用中，任意可滤除原始信号中直流偏差的单元均适用于本发明。

更具体地，所述骨声波识别转化单元322连接所述前级降噪单元321，接收所述前级降噪单元321输出的滤除直流偏差的横向振动信号及纵向振动信号，并获取横向振动信号及纵向振动信号的波幅，以得到波幅信号；任意可获取波形幅值（包络）的方式均适用于本发明，在此不一一列举。作为示例，如图4所示，所述骨声波识别转化单元322包括采样率转换电路322a及速率转换电路322b。所述采样率转换电路322a接收所述振动信号（在本实施例中，所述振动信号的速率为800K），所述采样率转换电路322a对所述振动信号的采样率进行转换，包括但不限于1.536 M 、3.072M或6.144M，然后将采样率转换后的信号与预设系数相乘（多个预设系数一一相乘，预设系数的值可根据实际需要设定，不以本实施例为限），以使得数据内容不变，数据格式变化（振动信号变化为音频信号），得到骨声波信号。所述速率转换电路322b连接于所述采样率转换电路322a的输出端，对所述采样率转换电路的输出信号进行速率转换，在本实施例中，将速率从800K转换为16K，以此得到适于后级电路处理的骨声波信号（音频信号）。

更具体地，所述骨声波识别转化单元322的输出信号中计算的分量对于初始值有较强的依赖项，初始的测量误差会带来较大的线性漂移误差，因此，为了确保系统稳定性，所述骨声波输出单元323连接所述骨声波识别转化单元322，接收所述骨声波识别转化单元322输出的波幅信号，进而去除初始测量误差带来的线性漂移，得到最终的骨声波信号；在本实施例中，所述骨声波输出单元323采用高通滤波器实现，在实际使用中，任意可去除初始测量误差带来的线性漂移的单元均适用于本发明。

需要说明的是，所述骨声波输出单元323输出的骨声波信号可作为声音波形的估计值，大大简化后续信号处理过程。且，所述骨传导信号处理模块32可准确性地将所述振动信号转化为高信噪比的骨声波信号，进一步简化处理步骤、提高准确性及信号精度。

如图2所示，作为本发明的一种实现方式，所述骨传导麦克风还包括无线通讯模块（图中未显示），所述无线通讯模块连接所述骨传导信号处理模块32，以将所述骨声波信号无线输出到后级电路进行处理。

具体地，所述无线通讯模块传输的无线信号频段包括但不限于FM、AM、V段、U段、蓝牙或2.4G，可根据需要设定信号的频段，在此不一一赘述。

本发明的骨传导麦克风利用人讲话时引起的头颈部骨骼的轻微振动，把声音信息收集起来转为电信号，进一步对电信号进行处理（将振动信号转化为相应的骨声波信号），以此简化信号处理过程。由于它不同于传统麦克风通过空气传导采集声音，具有能量、音色的衰减和变化相对较小，外界环境对信号的影响较小的特点，所以在很嘈杂的环境里也可以把声音高清晰的传出来，噪声大大降低，声音质量高。

实施例二

如图5所示，本实施例提供一种骨传导声音处理系统，所述骨传导声音处理系统包括：

骨传导麦克风3，骨声波信号处理模块4。

如图5所示，所述骨传导麦克风3接收发声引起的骨骼振动并产生相应的骨声波信号。

具体地，所述骨传导麦克风3的具体结构及原理参见实施例一，在此不一一赘述。

如图5所示，所述骨声波信号处理模块4接收所述骨传导麦克风3输出的骨声波信号，并进行信号处理，最终得到用于播放声音的音频信号。

具体地，在所述骨传导麦克风3输出的骨声波信号（声音波形的估计值）的基础上，可以进行初步的信号处理和分类，包括但不限于敲击检测、状态检测以及异常检测。在本实施例中，所述骨声波信号处理模块4包括但不限于滤波单元、增益调节单元、骨信号处理单元，所述骨声波信号处理模块4中具体设置哪些单元，各单元之间的连接关系（先后顺序）可基于实际需要进行设置，在此不一一赘述。

作为示例，所述骨声波信号处理模块4可采用CPU、MCU或DSP实现，任意可将骨声波信号转换为音频信号的方式均适用于本发明。

需要说明的是，所述骨传导麦克风3与所述骨声波信号处理模块4之间可基于无线通讯或有线通讯，在此不一一赘述。

相较于图1的麦克风架构，1、本发明的骨传导声音处理系统使用专业的骨传导微机电模块替代器件加速度计，输出的信息不再是加速度信息，而是骨声波信息，更加有利于后级芯片（骨声波信号处理模块4）的处理，有利于系统稳定。2、图1的麦克风架构中加速度计的信息传输频率不符合声音的传输频率，导致后级芯片处理声音信息时，要做大量的处理，复杂且费事，而骨传导麦克风不存在该问题。3、本发明的骨传导麦克风对后级芯片（骨声波信号处理模块4）的负载降低，这样就降低了整个方案的成本。

实施例三

如图2~图5所示，本实施例提供一种骨传导麦克风的信号处理方法，所述骨传导麦克风的信号处理方法包括：

1）感应发声引起的骨骼振动并产生相应的振动信号。

具体地，在本实施例中，基于骨骼振动改变固定栅条与移动栅条之间的距离，进而改变固定栅条与移动栅条之间的电压值，得到对应的振动信号。作为示例，可采用如实施例一所示的骨传导微机电模块实现，在实际使用中任意可将骨骼振动转化为对应振动信号（电信号）的方式均适用。

2）滤除对所述振动信号中的直流偏差，而后将所述振动信号转化为骨声波信号，再去除所述骨声波信号中初始测量误差带来的线性偏移。

具体地，在本实施例中，滤除对所述振动信号中的直流偏差，而后将所述振动信号转化为骨声波信号，再去除所述骨声波信号中初始测量误差带来的线性偏移。所述骨声波信号可作为声音波形的估计值，大大简化后续信号处理过程。

更具体地，将所述振动信号转化为骨声波信号的方法包括：对所述振动信号的采样率进行转换并与预设系数相乘，得到骨声波信号；再对所述骨声波信号进行速率转换。

作为本发明的一种实现方式，所述骨传导麦克风的信号处理方法还包括3）对所述骨声波信号进行处理以得到相应的用于播放的音频信号，包括但不限于滤波、增益调节及波形处理。

综上所述，本发明提供一种骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法包括，骨传导微机电模块，用于接收发声引起的骨骼振动，并产生相应的振动信号；骨传导信号处理模块，连接所述骨传导微机电模块，接收所述骨传导微机电模块输出的振动信号，并转化为对应的骨声波信号输出；以及接收所述骨声波信号的骨声波信号处理模块，进行信号处理得到音频信号。本发明的骨传导声音处理系统、骨传导麦克风及其信号处理方法在麦克风内部直接对骨传导信息进行前级信息处理和后级信息处理，最后对外输出骨声波信号，有利于简化后级芯片的处理并提高系统稳定性；同时本发明的骨传导麦克风对后级芯片的负载降低，进而有利于降低骨传导声音处理系统的成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种骨传导麦克风，其特征在于，所述骨传导麦克风至少包括：

骨传导微机电模块，用于接收发声引起的骨骼振动，并产生相应的振动信号；

骨传导信号处理模块，连接所述骨传导微机电模块，接收所述骨传导微机电模块输出的振动信号，并转化为对应的骨声波信号输出，所述骨传导信号处理模块包括前级降噪单元、骨声波识别转化单元及骨声波输出单元；

其中，所述前级降噪单元滤除所述振动信号中的直流偏差；

所述骨声波识别转化单元接收所述前级降噪单元的输出信号，获取相应的骨声波信号，所述骨声波识别转化单元包括采样率转换电路及速率转换电路；所述采样率转换电路接收所述振动信号，对所述振动信号的采样率进行转换并与预设系数相乘，以改变所述振动信号的数据格式得到骨声波信号；所述速率转换电路连接于所述采样率转换电路的输出端，对所述采样率转换电路的输出信号进行速率转换；

所述骨声波输出单元接收所述骨声波识别转化单元的输出信号，去除初始测量误差带来的线性漂移。

2.根据权利要求1所述的骨传导麦克风，其特征在于：所述骨传导微机电模块包括一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构；其中，第一组指状栅条固定到基片的实体地平面上，第二组指状栅条连接到一安装在一组弹簧上的质量块上，所述弹簧根据骨骼振动产生移动，以改变所述第一组指状栅条与所述第二组指状栅条之间的电容，进而得到与骨骼振动的加速度力对应的振动信号。

3.根据权利要求1所述的骨传导麦克风，其特征在于：所述骨传导麦克风还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块连接所述骨传导信号处理模块，以将所述骨声波信号无线输出。

4.根据权利要求1所述的骨传导麦克风，其特征在于：所述前级降噪单元包括高通滤波器。

5.根据权利要求1所述的骨传导麦克风，其特征在于：所述骨声波输出单元包括高通滤波器。

6.一种骨传导声音处理系统，其特征在于，所述骨传导声音处理系统至少包括：

骨声波信号处理模块及如权利要求1~5任意一项所述的骨传导麦克风；

所述骨传导麦克风接收发声引起的骨骼振动并产生相应的骨声波信号；

所述骨声波信号处理模块接收所述骨传导麦克风输出的骨声波信号，并进行信号处理以得到音频信号。

7.根据权利要求6所述的骨传导声音处理系统，其特征在于：所述骨声波信号处理模块为CPU、MCU或DSP。

8.根据权利要求6或7所述的骨传导声音处理系统，其特征在于：所述骨声波信号处理模块包括滤波单元、增益调节单元、骨信号处理单元中的至少一个。

9.一种骨传导麦克风的信号处理方法，其特征在于，所述骨传导麦克风的信号处理方法至少包括：

1）感应发声引起的骨骼振动并产生相应的振动信号；

2）滤除对所述振动信号中的直流偏差，而后将所述振动信号转化为骨声波信号，再去除所述骨声波信号中初始测量误差带来的线性偏移；其中，将所述振动信号转化为骨声波信号的方法包括：对所述振动信号的采样率进行转换并与预设系数相乘，得到骨声波信号；再对所述骨声波信号进行速率转换。

10.根据权利要求9所述的骨传导麦克风的信号处理方法，其特征在于：产生所述振动信号的方法包括：基于骨骼振动改变电容器两个电极之间的距离，进而改变所述电容器上的电压值，得到对应的振动信号。

11.根据权利要求9所述的骨传导麦克风的信号处理方法，其特征在于：所述骨传导麦克风的信号处理方法在步骤2）后还包括3）对所述骨声波信号进行处理得到用于播放的音频信号。

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