CN1331552A - 用于移动终端和其他设备的声音接近检测 - Google Patents

Abstract

用于检测物体是否在设备附近的一种方法和设备,在该设备中已经存在的声音(音频)变换器用于与数字信号处理或者等价手段一起实现接近检测操作。该变换器最好用于约20Hz到20kHz范围的与人听觉和说话能力相应的那些音频变换器,而无需专用的变换器。该方法包括:产生测量信号;利用测量信号驱动设备的输出声学变换器;监控输入声学变换器以检测测量信号;根据检测的测量信号的变更确定物体在设备附近。该设备可包括蜂窝电话、个人通信装置之类的移动电话。当设备包括移动电话时,确定步骤可用于核实可以进入免提工作方式,和/或可用于设置驱动一个扬声器的信号的音量,和/或可用于选择、修改或调整音频处理技术。确定步骤还可用于从免提工作方式自动进入手持工作方式。监控与确定步骤包括步骤:对相同输入数据以不同步长并行操作多个自适应滤波器,以分别产生第一和第二脉冲响应估计,和对第一与第二脉冲响应估计之间的差值与一门限值进行比较。

Description

用于移动终端和其他设备的声音接近检测

本发明通常涉及诸如移动终端、无线电话以及蜂窝电话之类的设备，特别是涉及用于感测用户接近该设备的技术。

这里有许多种接近传感器，例如，其在各种设备中作为限制开关被使用，或者被使用来检测物体彼此相对的移动，以及用于其他类型的控制目的。典型情况下，这些传感器是基于光电的、超声波的或者电容的原理。

接近检测的使用的一个示例与电话相关，特别(但是非独占地)与诸如蜂窝电话以及个人通信装置之类的无线电话相关。通常所说的集成免提(IHF)的一个特性使得不必把电话保持在耳边或是持在手中就可使用电话成为可能。在免提方式中，耳机帽(它可以被认为是一个微型音频扬声器)产生的音压应该更大声一点以便使远端话音对更长距离来说是听得到的。另一方面，当在耳边使用电话时，音压应该在一个正常的值域中。因此问题是如何检测并在这两种方式之间切换。

接近检测通过检测电话什么时侯离开或者接近耳部来解决这个问题。依据这种检测信息，可以选择耳机帽的正确水平或操作。因此，接近检测可以使IHF特性完全自动。

接近传感器可以被分类为与用于开始一个控制操作的具体性质相关的好几个主要类型。这些包括如下：基于电场的，光电的以及超声波的传感器。此外，还有使用基于电场检测方法的两种类型的传感器：电感的以及电容的传感器。

通常，接近检测目的最广泛使用的是光电原理，而电容的被第二广泛使用。超声波主要使用于精确范围检测，而不是用于简单的接近检测。

在需要接近检测的一个典型的情况中，需要某些类型的接近传感器被安装在设备中。可是，这包括增加费用、增重、复杂性并且，通常，消耗设备的一附加的功率。

应该理解，提供用于向一个设备增加一个接近感测功能的一种方法和系统是有益的，其中不需要附加设备或组件。

本发明的目的和优点

本发明的第一个目的和优点是提供一种接近感测功能，其可以被加到一种设备中而同时不必向该设备增加附加设备或组件。

本发明的另外一个目的和优点是对于诸如蜂窝电话或个人通信装置之类的移动电话提供一种接近感测功能，该接近功能使用已经存在的麦克风和扬声器组件，会同一种适当地编程的数据处理器。

通过如本发明实施例所述的方法和装置克服前述的以及其他问题并且实现本发明的目的。

本发明的教导提供一种方法和系统，它可用于检测目的并且，更普遍地，诸如移动电话之类的设备附近的环境变化，在其内部该方法和系统被具体表达。根据该设备的目的，检测信息可用于确定是否有物体接近该设备，或者该设备是否有相对于它包围的某一个方向，和/或该设备是否正接近或离开某一个方向。该接近检测方法和系统是基于声学原理。

在此，该教导的一重要特点是：和数字信号处理或者等价手段一起，人们可以利用在设备中已得到的声音(音频)变换器来实现接近检测功能。本发明所使用的音频变换器最好是设计用于大约20Hz到20kHz范围内的与人听觉和说话能力一起使用的那些音频变换器，并且不需要是特别设计的变换器，例如超出20kHz为超声波应用设计的变换器。

即，本发明可以利用已经使用于该设备中用于话音传输(输出话音和输入话音)或者用于其它目的的声音变换器。因此，不需要附加的传感器元件。此外，如果该设备可以提供数字处理装置，例如A/D和D/A转换器以及一个信号处理器，则该设备可以被构造为包括接近检测功能而不需要任何附加的硬件组件。根据这些教导，实现该接近检测功能只需要一个相配的操作程序。

并且，假定使用那些已经使用于该设备中的声音变换器，那么就不需要重新设计该设备的外壳，并且不需要额外的空间。

可以平行于变换器的常规使用来进行该接近感测。在这种情况下，变换器已经在使用中，这样实现该接近感测功能所需要的附加功率是最小的。

此外，如果传感器不知何故失败了，则所导致的感测结果是那里有物体在附近。例如，如果与IHF功能一起使用感测，则电话保持在手持方式并且在用户耳部附近将没有产生高音压的可能性。如果耳机传感器元件失败，则在用户耳部附近无疑没有产生额外音压的可能性。另外，如果该感测算法可以检测其中一个传感器是否已经失败。

该方法是基于驱动本申请设备中的听觉变换器的一个测量信号。在本申请设备中的其他变换器监视该测量信号。任意接近该设备的物体以某种方式改变该测量信号，并且这些改变表明是否有物体接近或者在该设备上。

在此披露的是用于检测物体是否在该设备附近的一种方法和设备。该方法包括产生一个测量信号的步骤；利用该测量信号驱动该装置的一输出声学变换器；监控该设备的输入声学变换器以便检测该测量信号；并且根据所检测的该测量信号的变更来确定物体在该设备附近。该设备可以包括诸如蜂窝电话、个人通信装置之类的移动电话。

当该设备包括一个移动电话时，确定步骤可用于核实可以进入免提工作方式，和/或可用于设置驱动一个扬声器的信号的音量，和/或可用于选择、修改或者调整一种音频处理技术。确定步骤还可以用于从免提工作方式自动地进入手持工作方式。

在本发明目前的优选实施例中，监控与确定步骤包括对相同的输入信号以不同的步长并行地操作多个自适应滤波，用于分别地产生第一和第二脉冲响应估计，并且把第一和第二脉冲响应估计之间的差值与一个门限值进行比较。

在该设备中，一个监控单元和一个确定单元包括用于抽取一个麦克风处接收的一个测量信号的抽取器；用于增加接收测量信号的信噪比(SNR)的反齿滤波器；对滤波的测量信号以不同的步长并行地操作的第一和第二自适应滤波器，用于分别地产生第一和第二脉冲响应估计；以及用于把第一和第二脉冲响应估计之间的差值与一个门限值进行比较的比较器。

当结合附图阅读本发明随继的详细叙述时，本发明上面所提出的以及其他的特征更加显而易见，附图中：

图1是根据本发明的教导合并了接近检测系统的一个设备的简化方框图；

图2表示在用户头部附近的一个电话；

图3是图2的电话的简化方框图，被构造了包括本发明的接近检测系统和方法；

图4是使用两个自适应滤波器和一个比较操作的接近感测信号处理单元的优选实施例的方框图；和

图5A更详细地描述了图4的反齿滤波器，而图5B表示反齿滤波器的频率响应。

图1阐明在一个普通水平上的基于声学的接近检测系统。通过一个声音发射变换器1，一个测量信号(A)被馈送。一个声音接收变换器2用于测量或监视该测量信号的响应(B)。如果有任何物体接近本申请设备，则从该物体把测量信号(A)反射回到该申请设备和接收变换器2。如果没有物体在附近，则没有反射。从由接收变换器2测量的响应信号(B)中检测该反射的缺乏或存在。一个信号处理单元3产生测量信号(A)而响应信号(B)被馈送给它。最后，利用两个信号(A，B)，信号处理单元3计算接近检测结果。

图2阐明移动电话(MP)中的该检测方法的示例。在这种情况下，电话的麦克风和耳机帽被分别使用为声音发射变换器1和声音接收变换器2。

通过数字信号处理单元3有许多方法来从响应信号(B)中提取接近信息。本优选实施例基于自适应滤波器。自适应滤波器利用测量信号(A)和它的响应信号(B)来模拟发射变换器1和接收变换器2之间的脉冲响应。为从接收变换器2中获得的每个新的抽样计算出一个新的脉冲响应估计。因此，检测的更新速率取决于抽样频率。从脉冲响应估计中可以检测反射。为了进一步改善该接近检测，方式识别算法可用于把这些脉冲响应估计分为两类，例如，物体存在和物体不存在。这个信息然后被用于控制目的(例如，控制耳机变换器产生的声音的能级)。

图3阐明在移动电话中利用如上所述的声音接近检测方法的一种系统的简化示例。该系统操作如下：

1.使用一种8kHz(举例)抽样频率产生一个测量信号。

2.把该测量信号内插到一个更高的抽样频率(例如，40kHz)并对其进行高通带滤波(截止16kHz)。从基站发射机收到的一个下行链路语音信号总计到该测量信号中。

3.该测量信号被环境改变，诸如用户头部的存在之类的。

4.从麦克风信号中，该测量信号的响应通过高通带滤波被提取。该信号然后被抽样为一8kHz抽样频率从麦克风信号中提取的正常的上行链路话音通过低通带滤波(假定正常的语音频率存在于低于所抽样的测量信号)。

5.一自适应滤波器操作估计声信号路径的脉冲响应。在本发明的此优选实施例中，自适应滤波器操作包含对同一输入的平行的两个自适应滤波器操作，一个是快速动作监控滤波另外一个是慢速动作模化滤波。

6.脉冲响应估计可以通过把它与预记录的免提脉冲响应进行比较来分类。在本优选实施例中，把两个自适应滤波器的输出之间的差值与预定门限值进行比较。

7.最后，分类结果用于确定应该选择哪一方式，即手持还是免提。

图4是接近感测信号处理单元3的优选实施例的方框图。虽然其他类型的设备也可以受益于这些教导，但是为了此讨论而把说明电路假定被具体化在一部移动电话中。图1的声音发射变换器最好被具体化为已存在的耳机帽或者扬声器10，而图1的声音接收变换器2最好被具体化为已存在的麦克风12。虽然使用这些已存在的组件是优选的，但是在某些应用中专门向接近检测操作提供一个扬声器和/或麦克风可能是理想的。

驱动扬声器10是40kHz抽样频率的测量信号发生器14。虽然首选的是使用数字技术，其中(8kHz情况)长度为8的理想奇比特序列(0，1，1，-1，1，1，1，-1)形成周期的第一部分周期该周期的第二部分通过改变符号来形成(0，-1，-1，1，-1，-1，-1，1)，但是也可以使用模拟信号发生器。然后重复该周期。因为这个信号的周期性，可以脱机进行40kHz的内插，并且为了产生40kHz的信号只需要一个内插信号序列。因此，从模块14输出的测量信号通过从存储器中提取长度为40的序列来产生，并且从序列到序列只有符号需要改变。

麦克风12的输出耦合到抽取器16，它把抽样频率从40kHz降低到8kHz。在抽取以后，在8kHz抽样频率处执行所有的信号处理。接下来，一个反齿滤波器18被用于对被抽取的麦克风信号进行滤波。由于反齿滤波器增加了信噪比(SNR)，以它是首选的。由于测量信号的功率谱由有规则的空出峰值组成，所以实现了增强效果。在滤波过程中，只有峰值保持完整，并且所有其他频率被衰减。图5A更详细地描述反齿滤波器18的一个优选实施例，在此系数L、a和b定义滤波响应。在一个优选实施例中，滤波系数为L＝8，0.8＜a＜1并且b＝1－a，为了避免出现通带增益或衰减。图5B表示a＝0.99的情况下的图5A的反齿滤波器18的频率响应。当把下行链路语音信号(通过开关S1来应用)使用作为测量信号时未使用反齿滤波器18。

一8kHz测量发生器20为两个自适应滤波器22和24提供一个参考信号。自适应滤波器22和24最好是LMS型滤波器，虽然其他类型可以被使用于其他应用中。正如先前提及的，在一种(任选)情况中，把下行链路语音信号使用为测量信号。正如在下面更详细地描述的，在手持工作方式期间进行此测量并且不是从形状而是从脉冲响应功率中确定该接近。在这种方式中，不需要测量信号发生器14与20，以正常的形式从扬声器10中传送下行链路话音，但是8kHz版本的下行链路话音通过S1提供。

LMS自适应滤波器22，也称为监控滤波器，执行脉冲响应估计，其中自适应LMS滤波器系数可以被认为是脉冲响应抽头。已经发现总数为八个抽头足够用来检测发生在接近电话的周围发生的改变。滤波器22执行实际的测量，即，它起到监视电话附近的快速变化的作用。由于速度很重要，所以使用相对大的步长。一个延迟线操作用参考信号馈给一内部LMS滤波器延迟线，该参考信号可以是8kHz测量信号发生器20的输出或者是下行链路语音信号，正如上面所讨论的。期望的响应信号，即，自适应滤波器22通过对参考信号进行滤波试图对其估计的信号，是在抽取或者反齿滤波之后的处理的麦克风12的信号。正如所提及的，当使用下行链路语音信号时不使用反齿滤波器操作18。在任何情况下，在每个抽样瞬时处产生新的滤波器系数W1。然后在差值模块26(在模块22A中的换算之后)把这些系数与表示免提情形的(换算)系数(W2)进行比较。

更新免提脉冲响应模型的第二种(模化)LMS自适应滤波器24操作同样只能操作在免提情形中。虽然免提脉冲响应可能在不同的免提情形之间以及在相同的免提情形过程中漂移，但是已经发现免提脉冲响应相对稳定。为了遵循这些慢变化，而不是对突然、迅速的变化起反应，使步长相对小(相对于监控LMS滤波器22)。这最好通过操作具有32比特精度的LMS滤波器24和具有16比特精度的LMS滤波器22来实现。注意，滤波器22和24使用相同的输入信号，并且考虑到步长的不同只使计算的精度不同。

在免提情形中，监控LMS自适应滤波器22和模化LMS自适应滤波器24都是工作的，并且在差值模块26中比较它们各自的系数W1和W2。由于监控LMS自适应滤波器22响应迅速的变化，而模化LMS自适应滤波器却不，所以当某些物体接近电话或者更明白地说是接近耳机时则在它们的系数之间将有一个差值。当此发生时，则把电话切换到手持方式。

换算模块22A和24A用于换算或者标准化分别由监控LMS自适应滤波器22和模化LMS自适应滤波器24提供的脉冲响应估计。在把脉冲响应系数的总和换算为一之后，把换算之前的原始的总和储存在一附加的(第九)系数中。另外，两个换算响应都用16比特精度来表示。执行换算以便消除脉冲响应路径上的功率或者增益改变的影响。同样，在仅仅换算脉冲响应的形状或模拟的影响之后，由模块26执行比较结果。该结果是更强的抗背景噪声和任意增益改变的比较结果。可是，如果因为某个目的而应需要功率信息时，如下所述，则它方便地作为响应的第九系数而可用。

差值模块26计算换算脉冲响应估计的差值。简单地，每一相应系数彼此作减法然后把差值的绝对值一起总计以便形成两个响应估计似然性的单个测量。只要结果为零或者在零附近，则该电话保持在免提方式。然而，该差值一从零偏移大于某个门限值，则该电话就切换到手持方式。

一般来说，电话将在一个缺省状态中，手持方式。由于通常为由用户命令免提激活，例如通过按下一个按键，所以不需要激活接近检测操作直到指示做出免提。可是，由于关于该电话是否在用户耳部或者几毫米远的信息对于电话中的其他操作可能是有用的，所以也同样能在手持方式下使用接近检测。在这种情况下，可以使用下行链路语音信号代替产生的频率信号。因为话音是测量信号，在抽取模块16中使用带通滤波器并且反齿滤波器模块18被分路。LMS自适应滤波器22用于估计脉冲响应和有关的接近测量，作为结果W1矢量的上述第九系数获取脉冲响应功率。如果功率测量大于某一门限值，则该电话被认为在耳部，否则认为该电话不在耳部。

做为选择，在免提情况中时使用信号发生器，换算模块22A输出一个电流脉冲响应估计W1，它与差值模块26中的一个储存的免提模型W2进行比较。如果该差值大于某一门限值，则该电话被认为认为在耳部，否则认为该电话不在耳部。

在从手持方式转移到免提方式之前，最好首先转移通过一个免提验证方式，在此电话实际上核实该电话不在用户的耳部。在免提验证方式中，为了稳定性，最好使用如上所述的脉冲响应功率测量方法。而且，在高频范围(16kHz-20kHz)中，脉冲响应功率不象手持和免提情形一致地表现。同样，在发生器14和抽取器16操作中最好使用一个较低频带(0-4kHz)的信号，在此以脉冲响应功率的形式可更清楚地看到手持和免提情形之间的差别。虽然此测量信号是听得见的，但是它不产生一个厌恶的声频信号，并且只有当免提方式被激活时该电话碰巧在耳部的时候，它才作为一个单音被用户听到。

如果此较低频率脉冲响应功率测量的结果指示该电话真的在免提方式中，那么该电话被切换到此状态，否则电话保持在手持方式中，当在免提方式中时，如果如本发明所述的接近检测技术指示一个物体已经接近该电话更明确的是接近耳机，则该电话自动地切换回到手持方式。

应该注意，在手持和免提方式之间的切换可以包括简单地调整从扬声器10输出的音频信号的音量之外的。例如，可以选择或修改或调整许多音频增强信号处理技术或者算法，这取决于手持或免提方式当前是否在实施中。

此外，正如先前提及的，本发明的教导不局限于仅使用在诸如蜂窝电话和个人通信装置之类的移动电话中，其也同样可以被使用于其他装置和应用中。

因此，虽然参考本发明优选实施例已经特别表示并描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不偏离由附加的权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (16)

1.一种用于检测物体是否在一设备附近的方法，包括步骤：

产生一个测量信号；

利用该测量信号驱动该设备的一输出声学变换器；

监控该设备的输入声学变换器以便检测该测量信号；和

根据所检测的该测量信号的变更来确定物体在该设备附近。

2.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个移动电话。

3.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个个人通信装置。

4.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个移动电话，并且其中确定步骤用于核实可以进入免提工作方式。

5.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个移动电话，并且其中确定步骤用于设置驱动扬声器的信号的音量。

6.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个移动电话，并且其中确定步骤用于选择、修改或者调整一种音频处理技术。

7.如权利要求1所述的方法，其中该设备包括一个移动电话，并且其中确定步骤用于从免提工作方式自动进入手持工作方式。

8.如权利要求1所述的方法，其中监控与确定步骤包括步骤：对相同的输入数据以不同的步长平行地操作多个自适应滤波器，用于分别产生第一和第二脉冲响应估计，并且把第一和第二脉冲响应估计之间的差值与一个门限值进行比较。

9.一种设备，包括一输出声学变换器和一输入声学变换器，所述设备进一步包括用于检测物体是否在该设备附近的一个单元，包括：

测量信号发生器，用于驱动所述设备的所述输出声学变换器；

用于监控所述设备的所述输入声学变换器以便检测所述测量信号的装置；和

根据所检测的测量信号的变更用于确定物体在所述设备附近的装置。

10.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个移动电话。

11.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个个人通信装置。

12.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个移动电话，并且其中用于确定的所述装置用于核实可以进入免提工作方式。

13.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个移动电话，并且其中用于确定的所述装置用于设置驱动扬声器的信号的音量。

14.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个移动电话，并且其中用于确定的所述装置用于选择、修改或者调整一种音频处理技术。

15.如权利要求9所述的设备，其中该设备包括一个移动电话，并且其中用于确定的所述装置用于从免提工作方式自动进入手持工作方式。

16.如权利要求9所述的设备，其中用于监控的所述装置和用于确定的所述装置包括：

抽取器，用于抽取从麦克风收到的一个测量信号；

反齿滤波器，用于增加收到的测量信号的信噪比(SNR)；

对滤波的测量信号以不同的步长并行操作的第一和第二自适应滤波器，用于分别产生第一和第二脉冲响应估计；和

比较器，用于对第一和第二脉冲响应估计之间的差值与一个门限值进行比较。

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