CN205384734U - 一种基于无线传输的助听系统 - Google Patents

Abstract

基于无线传输的助听系统，包括多功能音频处理和无线传输装置和基于无线传输的可穿戴语音处理装置，多功能音频处理和无线传输装置中包括具有噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强、调制解调、各种模式控制单元的音频处理和控制模块、音频采集模块、包括调制解调、上、下变频和RF滤波单元的近距离射频收发模块，音频采集模块接音频处理和控制模块输入端，音频处理和控制模块输出端接近距离射频收发模块；基于无线传输的可穿戴语音处理装置包括近距离射频收发模块和音频处理模块，基于无线传输的可穿戴语音处理装置内近距离射频收发模块接收多功能音频处理和无线传输装置的信号并做下变频处理，得到基带数字信号。

Description

一种基于无线传输的助听系统

一、技术领域

本实用新型涉及交流沟通中助听的方法和设备技术领域，尤其是属于无线传输助听系统电子电路设计。

二、背景技术

针对耳朵听力存在问题、阻碍或者存在沟通障碍的人群，采用助听器是最常用的方式而在以往的助听器中，通常采用独立的装置来实现助听功能，如采用盒式、耳背式、耳内式、耳道式等助听器。其中盒式助听器采用线缆将助听器与耳朵连接，但是助听器需要放在口袋里或佩戴在衣服上，携带不方便，同时助听器放在人体上，人体相当于屏障，外界声波传到躯体时，低频部分的声音可反射到助听器的传声器从而增加了助听器的低频增益，但这种低频增益反射作用会对助听器高频放大带来不利的掩蔽作用，从而降低了适用性。同时盒式助听器隐蔽性较差，大多数成年听力障碍人员并不愿让别人发现自己是听力障碍者，因此也影响了其推广。耳背式、耳内式、耳道式等助听器一方面要求体积非常小，限制了助听器中声音处理的能力，影响了助听的效果，另一方面，由于将助听器挂在耳朵上或者置于耳朵内，极大地影响了使用者的舒适性。特别在外出时，带来了很大的不便，另外这些助听器的电池袖珍不常见，使用成本高，需要经常去厂家购买，使用极为不便。

本实用新型提出通过无线传输的方式,采用分离式的装置，提高收听外部音频信号以及与别人的交流沟通能力。

三、实用新型内容

本实用新型目的是，主要针对耳朵听力存在问题或者存在沟通障碍的人群，提出一种基于无线传输的助听方法和系统，通过无线传输的方式,采用分离式的装置，将助听器分离为多功能音频处理和无线传输装置和基于无线传输的可穿戴语音处理装置，可分别采用了波束形成技术、蓝牙技术、Zigbee技术、语音互译和语音录制等技术，提高了收听外部音频信号以及与别人的交流沟通能力。

本实用新型的技术方案：基于无线传输的助听系统，其特征是包括多功能音频处理和无线传输装置和基于无线传输的可穿戴语音处理装置，多功能音频处理和无线传输装置中包括具有噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强、调制解调、各种模式控制单元的音频处理和控制模块、音频采集模块、包括调制解调、上、下变频和RF滤波单元的近距离射频收发模块，音频采集模块接音频处理和控制模块输入端，音频处理和控制模块输出端接近距离射频收发模块；基于无线传输的可穿戴语音处理装置包括近距离射频收发模块和音频处理模块，基于无线传输的可穿戴语音处理装置内近距离射频收发模块接收多功能音频处理和无线传输装置的信号并做下变频处理，得到基带数字信号，再由音频处理模块对基带数字信号进行解调，再输至D/A转换成模拟音频信号，最后由耳机送出。

本实用新型当收听音频时，多功能音频处理和无线传输装置处理后的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射，由基于无线传输的可穿戴语音处理装置进行接收并做下变频处理，得到基带数字信号，再由音频处理模块对基带数字信号进行解调，并D/A转换成模拟音频信号；基于无线传输的可穿戴语音处理装置包括近距离射频收发模块(可采用蓝牙芯片，能进行上下变频处理)和音频处理模块(进行基带数字调制解调、D/A和A/D转换)。

音频处理和控制模块输入端接有广播接收模块，广播接收模块由本振单元、中放单元、检波单元，本振单元提供本振信号，经过与输入的调幅或调频广播信号进行混频处理，得到中频信号，再经过中放单元进行二级放大，再经调频或调幅信号检波单元，产生基带信号，并通过A/D采样后将基带数字信号送给音频处理和控制模块后道单元。

多功能音频处理和无线传输装置为独立装置或可与拐杖、箱包、雨伞、腕表、手环、手镯、轮椅、助力器、助步器、文明棍、茶杯、手电筒等相结合，可穿戴语音处理装置可以采用帽子、发夹、眼镜、衣帽等形式。

其中蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，工作在全球通用的ISM(工业、科学、医学)频段,其数据速率可达1Mbps,采用时分双工传输方案实现全双工传输。

多功能音频处理和无线传输装置设有与近距离射频收发模块并联的远距离射频收发模块，远距离射频收发模块采用Zigbee或移动通信模块，用成熟的无线通信技术进行多套多功能音频处理和无线传输装置之间的无线传输，移动通信模块包括采用GSM、CDMA、WCDMA、4G模块。

多功能音频处理和无线传输装置设有与近距离射频收发模块并联的远距离射频收发模块，远距离通信模式下，音频处理和控制模块控制远距离多模式射频收发模块，与外部的助听系统或手机进行通信。当接收信号时，先由远距离多模式射频收发模块对射频信号进行下变频处理得到数字音频信号，接着送给音频处理和控制模块，进行解调、噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，然后将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，然后由音频处理模块对数字信号进行解调和D/A转换成音频信号，由耳机送出；当发射信号时，则由基于无线传输的可穿戴装置先对需要发射的音频信号进行A/D转换和调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理并发射出去，接着由多功能音频处理和无线传输装置接收，通过其中的近距离射频收发模块进行下变频处理，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，接着由远距离多模式射频收发模块做上变频处理，产生射频信号并发射。

在音频处理和控制模块中，设有CPU芯片、时钟单元和音频处理电路，音频处理电路采用FPGA或DSP芯片；并设有接口模块。

在多功能音频处理和无线传输装置中，输入端连接音频阵列接收模块，该音频阵列接收模块接收圆形或平面阵扬声器阵列信号，扬声器阵列的单元N＝2-1024。

在多功能音频处理和无线传输装置中，输入端连接音频阵列接收模块，音频阵列接收模块为多个麦克风对音频信号进行接收，采用FPGA或DSP芯片对信号进行增强处理,首先进行音频信号的波达方向DOA估计,然后进行自适应阵列处理；在该音频阵列接收模块中，使用圆形或平面阵阵列：N＝2-1024元，麦克风阵列接收到的音频信号经放大和A/D采样，经音频处理和控制模块，先进行自适应波束形成，再进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制处理；所述自适应波束形成即远场自适应加权处理或近场波束形成方法：在远场工作模式，使用多重信号分类、估计信号参数的旋转不变技术、基于时延估计法实现音频信号的DOA估计，并进行自适应加权处理；在近场工作模式，使用近场波束形成方法和稳健近场波束形成进行处理。

音频处理与控制模块的输入端设有语音互译模块。

音频处理和控制模块输出端连接录放模块。

音频处理和控制模块的输出端还设有定位和导向模块，在定位和导向模块中包括GPS室外定位单元。

在音频处理和控制模块中,时钟模块给其它模块提供时钟信号，音频处理电路中采用高性能的FPGA或DSP芯片进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强处理；同时采用高性能CPU芯片(如ARM7等)接收外部接口模块送来的控制参数，从而控制其它各模块，执行各种模式的操作，接口模块还将数字滤波的参数发送给CPU芯片，CPU将这些参数加载到音频处理电路的FPGA或DSP中，由音频滤波电路根据该值调整滤波器的频响、增益值等，动态满足每个人的听力补偿需要(可采用基于现有的助听方法与技术)。

同时在多功能音频处理和无线传输装置中，输入端连接音频阵列接收模块，可实现语音增强、噪音抑制、声源定位和回声抵消等作用。在收听模式下，通过音频处理和控制模块控制音频采集模块，将外部的音频信号进行放大和A/D采样，再送给音频处理和控制模块的后道单元。

在阵列接收增强模式下，通过音频处理和控制模块控制音频阵列接收模块，对多路麦克风组成的音频阵列(音频阵列接收模块通常采用N＝2～1024元圆形或平面阵分布的麦克风阵列)接收到的音频信号进行放大和A/D采样，送给音频处理和控制模块，先进行自适应波束形成，再进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制等处理。

多功能音频处理和无线传输装置设有与近距离射频收发模块并联的远距离射频收发模块，远距离通信模式下，音频处理和控制模块控制远距离多模式射频收发模块，与外部的助听系统或手机进行通信。当接收信号时，先由远距离多模式射频收发模块对射频信号进行下变频处理得到数字音频信号，接着送给音频处理和控制模块，再通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并处理；发射信号时由基于无线传输的可穿戴装置先对音频信号进行A/D转换和调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理并发射出去，接着由多功能音频处理和无线传输装置接收，通过其中的近距离射频收发模块进行下变频处理，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，接着由远距离多模式射频收发模块做上变频处理，产生射频信号并发射。

本实用新型远距离射频收发模块采用Zigbee或移动通信模块，用成熟的无线通信技术进行多套多功能音频处理和无线传输装置之间的无线传输，不仅可以实现两两之间的通信功能，还可以实现多个用户之间的相互通信功能。利用Zigbee组网技术，ZigBee节点之间都能相互通信。采用移动模块进行通信时，可以采用GSM、CDMA、WCDMA、4G等技术实现与手机之间的语音通信功能。在远距离通信模式下，不仅可以实现与其它助听系统之间的相互通信，也能实现与手机用户之间的通信。

本实用新型音频处理和控制模块输出端设有录放模块，通过采用高效的压缩算法和大容量存储器，可以实现较长时间的语音录制功能，同时采用减噪处理，可以提高语音的清晰度。

在录音模式下，通过音频处理和控制模块控制音频采集模块和录放模块。当收收音频时，先由音频采集模块对外部的音频信号进行放大和A/D采样，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，然后将处理后的音频数据送到录放模块中进行存储。当需要播放音频时，由音频处理和控制模块读取存储在录放模块中的音频数据，先由音频处理和控制模块对音频数据进行调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理和发射，接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块对数字信号进行解调和D/A转换成音频信号，并由耳机送出。

音频处理和控制模块输入端连接接口模块，通过接口模块输入音频文件，存储到录放模块。

在音频处理和控制模块中,时钟模块给其它模块提供时钟信号，音频处理电路中采用高性能的FPGA或DSP芯片进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理；同时采用高性能CPU芯片(如ARM7等)接收外部接口模块送来的控制参数，从而控制其它各模块，执行各种模式的操作，接口模块还将数字滤波的参数发送给CPU芯片，CPU将这些参数加载到音频处理电路的FPGA或DSP中，由音频滤波电路根据该值调整滤波器的频响、增益值等，动态满足每个人的听力补偿需要(可采用基于现有的助听方法与技术)。

在定位和导向模块中,采用GPS室外定位技术(如采用XM1613等无线定位模块)，进行基于时间传输的测量；同时针对室内定位，可以采用WIFI定位、蓝牙定位(如采用CC2640等无线定位模块)、Zigbee定位、RFID定位(如采用XM1613等无线定位模块)等技术，进行基于信号衰减等的测量。同时将地图信息存储在存储模块中，在路径计算模块的CPU中计算得到前进的路径，并将该数据提供给音频处理和控制模块，根据电路组成如图21所示：

在导向模式下，通过音频处理和控制模块控制定位和导向模块，音频处理与控制模块的输入端连接语音互译模块。当本人说话时提示要去的目标地址时，音频信号通过基于无线的可穿戴装置由音频处理模块A/D转换成数字信号并进行调制，再通过近距离射频收发模块上变频成射频信号，接着被多功能音频处理和无线传输装置接收，由其近距离射频收发模块下变频成数字基带信号，然后由音频处理与控制模块进行解调，得到音频信号送给语音互译模块，由该模块对话音进行识别和机器翻译(可以利用内部大容量的语音识别模块或通过远距离多模式射频收发模块接入移动互联网)，接着将处理后得到的位置信息送给音频处理和控制模块，然后送给定位和导向模块，接着定位和导向模块确定目前的位置，根据目标位置信息，周期性给出行进轨迹值，然后将行进轨迹值送给语音识别互译模块，由语音识别互译模块进行语音合成，然后通过音频处理和控制模块进行音频信号的调制，并送给近距离射频收发模块进行上变频并发射出去，接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块进行解调并将数字信号D/A转换成模拟音频信号，由耳机送出。

综合而言：本实用新型多功能音频处理和无线传输装置主要由音频采集模块、广播接收模块、音频阵列接收模块、语音识别互译模块、音频处理和控制模块、近距离射频收发模块、远距离多模式射频收发模块、录放模块、定位和导向模块、报警和照明模块、电源模块和接口模块等组成。

本实用新型将助听器分离为多功能音频处理和无线传输装置和基于无线传输的可穿戴语音处理装置，通过在多功能音频处理和无线传输装置中集成语音采集、广播接收等模块，将接收到的音频信号通过增加射频收发处理模块，使用蓝牙等近距离无线技术传输送给基于无线传输的可穿戴语音处理装置，通过耳机将信号送至耳内，这样既时尚，隐蔽性也较好；同时也避免了将助听器挂在耳朵上或挂在耳内，提高了使用的舒适性。多功能音频处理和无线传输装置可与拐杖、箱包、雨伞、腕表、手环、手镯、轮椅、助力器、助步器、文明棍、茶杯、手电筒等相结合，可穿戴语音处理装置可以采用帽子、发夹、眼镜、衣帽等形式。其中蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，工作在全球通用的ISM(工业、科学、医学)频段,其数据速率可达1Mbps,采用时分双工传输方案实现全双工传输。同时在多功能音频处理和无线传输装置中，集成了音频阵列接收功能，通过采用音频接收阵列，利用波束形成技术，将音频接收波束的最大增益方向自动地对准目标信号,而把零接收方向对准干扰信号,可实现语音增强、噪音抑制、声源定位和回声抵消等作用，这样可解决耳背式、耳内式、耳道式等助听器因体积小而较难实现音频阵列接收的问题。

同时针对听力有困难的人群之间，在外出旅游时通信不畅的情况，可以采用Zigbee等无线通信技术，进行多套多功能音频处理和无线传输装置之间的无线传输，这样不仅可以实现两两之间的通信功能，还可以实现多个用户之间的相互通信功能。其中Zigbee作为一种短距离无线通信技术，也工作在全球通用的ISM(工业、科学、医学)频段,传输范围一般介于10～100m之间，在增加功放模块增加发射功率后，可增加到1～3km。当支持多个用户之间通信时，由于ZigBee最多可以支持65000个节点的无线传输网络，在整个网络范围内，每个ZigBee节点之间都可以相互通信，其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，由于Zigbee速率较低、组网能力较强、功耗较低，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。

另外，针对不同语种之间的人群，为了更方便的交流，采用了语音互译的工作模式,集成了语音识别、机器翻译、语音合成、降噪等功能，同时辅助以强大的语音数据库，可以支持普通话与方言、中外文等之间的互译功能。

考虑到收听人的反应因素，本实用新型还增加了语音录制功能，通过采用高效的压缩算法和大容量存储器，可以实现较长时间的语音录制功能，同时采用减噪处理，可以提高语音的清晰度。

有益效果：本实用新型主要针对耳朵听力存在问题、障碍者或存在沟通障碍的人群，通过无线传输的方式,采用分离式的装置，采用了波束形成技术、蓝牙技术、Zigbee技术、语音互译和语音录制等技术，提高了收听外部音频信号以及与别人的交流沟通能力。本实用新型尤其是应用于年老的听力障碍者。

四、附图说明

图1为本实用新型基于无线传输的助听系统组成示意图；

图2为本实用新型独立收听模式信号传输示意图；

图3为本实用新型广播收听模式信号传输示意图；

图4为本实用新型阵列接收增强模式信号传输示意图；

图5为本实用新型语音互译模式信号传输示意图；

图6为本实用新型两套助听系统之间通信示意图；

图7为本实用新型多套助听系统之间通信示意图；

图8为本实用新型助听系统与手机之间通信示意图；

图9为本实用新型远距离通信模式信号传输示意图；

图10为本实用新型录音模式信号传输示意图；

图11为本实用新型导向模式信号传输示意图；

图12为本实用新型音频采集模块组成示意图；

图13为本实用新型广播接收模块组成示意图；

图14为本实用新型音频阵列接收模块处理示意图；

图15为本实用新型自适应加权处理示意图；

图16为本实用新型近场波束形成器的原理框图；

图17为本实用新型稳健近场波束形成器原理框图；

图18为本实用新型语音识别互译模块处理示意图；

图19为本实用新型音频处理和控制模块组成示意图；

图20为本实用新型近距离射频收发模块组成示意图；

图21为本实用新型远距离射频收发模块组成示意图；

图22为本实用新型录放模块组成示意图；

图23为本实用新型定位和导向模块组成示意图；

图24为本实用新型报警和照明模块组成示意图；

图25为本实用新型接口模块组成示意图；

图26为本实用新型电源模块组成示意图；

图27为本实用新型基于无线传输的可穿戴语音处理装置组成示意图；

图28为本实用新型多功能音频处理和无线传输装置形式示意图；

图29为本实用新型基于无线传输的可穿戴语音处理装置形式示意图。

五、具体实施方式

如图1所示：图1基于无线传输的助听系统组成示意图。本实用新型由多功能音频处理和无线传输装置(左)以及基于无线传输的可穿戴语音处理装置(右)组成。

其中多功能音频处理和无线传输装置由音频处理和控制模块、音频采集模块、广播接收模块、音频阵列接收模块、语音识别互译模块、近距离射频收发模块、远距离多模式射频收发模块、录放模块、定位和导向模块、报警和照明模块、电源模块和接口模块等组成，基于无线传输的可穿戴语音处理装置由近距离射频收发模块、音频处理模块和电源模块等组成。

(一)本实用新型系统有以下几种工作模式：

1、独立收听模式

在独立收听模式下，通过音频处理和控制模块控制音频采集模块，将外部的音频信号进行放大和A/D采样，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制等处理，然后将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，得到基带数字信号，最后由音频处理模块对基带数字信号进行解调，并D/A转换成模拟音频信号，由耳机送出。如图2所示；

2、广播收听模式

在广播收听模式下，通过音频处理和控制模块控制广播接收模块，由该模块对接收到的调幅、调频广播信号进行解调和A/D变换，得到数字音频信号,送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制等处理，接着将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,然后由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块对数字信号进行解调并D/A转换成模拟音频信号，由耳机送出。如图3所示；

3、阵列接收增强模式

在阵列接收增强模式下，通过音频处理和控制模块控制音频阵列接收模块，对多路麦克风(通常采用N＝2～1024元圆形或平面阵列)接收到的音频信号进行放大和A/D采样，送给音频处理和控制模块，进行自适应波束形成、噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制等处理，然后将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频和解调处理，最后由音频处理模块将数字信号D/A转换成模拟音频信号，并由耳机送出。如图4所示；

4、语音互译模式

在语音互译模式下，通过音频处理和控制模块控制语音识别互译模块。当收听话音时，先由语音识别互译模块对话音进行识别、机器翻译和语音合成处理，并将处理后的音频信息送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强和调制等处理，然后将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块对数字信号进行解调并D/A转换成模拟音频信号，并由耳机送出。当本人说话时，则由基于无线传输的可穿戴装置中的音频处理模块先对音频信号进行A/D转换和调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理并发射出去，接着由多功能音频处理和无线传输装置接收，通过其中的近距离射频收发模块进行下变频处理，送给音频处理和控制模块，进行解调、噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，接着由语音识别互译模块对话音进行识别、机器翻译和语音合成处理，再通过扩音器，产生话音信号，如图5所示；

5、远距离通信模式

在远距离通信模式下，不仅可以实现与其它助听系统之间的相互通信，也能实现与手机用户之间的通信。当与其它助听系统进行通信时，可以采用Zigbee、蓝牙等技术实现两套系统之间的语音通信功能，通信示意图如图6所示；

多个助听系统之间不仅可以实现两两之间的相互通信,也可以采用Zigbee技术，实现n个节点(n＝2～65000)之间的广播或组网通信，如图7所示；

当与手机进行通信时，可以采用GSM、CDMA、WCDMA、4G等技术实现与手机之间的语音通信功能，通信示意图如图8所示；

在远距离通信模式下，通过音频处理和控制模块控制远距离多模式射频收发模块，与外部的助听系统或手机进行通信。当接收信号时，先由远距离多模式射频收发模块对射频信号进行下变频处理得到数字音频信号，接着送给音频处理和控制模块，进行解调、噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，然后将处理后得到的数字信号通过近距离射频收发模块进行上变频和发射,接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，然后由音频处理模块对数字信号进行解调和D/A转换成音频信号，由耳机送出。当本人说话时，则由基于无线传输的可穿戴装置先对音频信号进行A/D转换和调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理并发射出去，接着由多功能音频处理和无线传输装置接收，通过其中的近距离射频收发模块进行下变频处理，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，接着由远距离多模式射频收发模块做上变频处理，产生射频信号并发射，如图9所示；

6、录音模式

在录音模式下，通过音频处理和控制模块控制音频采集模块和录放模块。当收听音频时，先由音频采集模块对外部的音频信号进行放大和A/D采样，送给音频处理和控制模块，进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理，然后将处理后的音频数据送到录放模块中进行存储。当需要播放音频时，由音频处理和控制模块读取存储在录放模块中的音频数据，先由音频处理和控制模块对音频数据进行调制处理，再送给近距离射频收发模块进行上变频处理和发射，接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块对数字信号进行解调和D/A转换成音频信号，并由耳机送出。也可以通过接口模块输入音频文件，存储到录放模块，然后由音频处理和控制模块读取存储在录放模块中的音频数据并进行调制，送给近距离射频收发模块进行上变频处理和发射，接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块对数字信号进行解调，并D/A转换成音频信号，由耳机送出。如图10所示；

7、导向模式

在导向模式下，通过音频处理和控制模块控制定位和导向模块。当本人说话时提示要去的目标地址时，音频信号通过基于无线的可穿戴装置由音频处理模块A/D转换成数字信号并进行调制，再通过近距离射频收发模块上变频成射频信号，接着被多功能音频处理和无线传输装置接收，由其近距离射频收发模块下变频成数字基带信号，然后由音频处理与控制模块进行解调，得到音频信号送给语音互译模块，由该模块对话音进行识别和机器翻译(可以利用内部大容量的语音识别模块或通过远距离多模式射频收发模块接入移动互联网)，接着将处理后得到的位置信息送给音频处理和控制模块，然后送给定位和导向模块，接着定位和导向模块确定目前的位置，根据目标位置信息，周期性给出行进轨迹值，然后将行进轨迹值送给语音识别互译模块，由语音识别互译模块进行语音合成，然后通过音频处理和控制模块进行音频信号的调制，并送给近距离射频收发模块进行上变频并发射出去，接着由基于无线传输的可穿戴装置进行接收并做下变频处理，最后由音频处理模块进行解调并将数字信号D/A转换成模拟音频信号，由耳机送出。如图11所示；

8、报警和照明模式

在报警和照明模式下，提供报警功能，在紧急情况下，可以提醒他人，寻求帮助；同时可以提供照明，确保晚间行走的安全。

(二)该系统各部分的主要原理图如下；

多功能音频处理和无线传输装置主要由音频采集模块、广播接收模块、音频阵列接收模块、语音识别互译模块、音频处理和控制模块、近距离射频收发模块、远距离多模式射频收发模块、录放模块、定位和导向模块、报警和照明模块、电源模块和接口模块等组成。各模块的原理图如下；

1、音频采集模块

音频采集模块主要用于对音频信号进行音频放大和采样等处理，可以采用音频放大器(如LM386等)和A/D芯片(如AL1101等)，采用44.1KHz或48KHz等采样频率，将音频信号转换成数字信号，其组成如图12所示；

2、广播接收模块

广播接收模块先由本振提供本振信号，经过与输入的调幅或调频广播信号进行混频处理，得到中频信号，再经过中放1和中放2信号进行二级放大，再做调频或调幅信号检波，产生基带信号，并通过A/D采样后将基带数字信号送给音频处理和控制模块，其电路组成如图13所示；

3、音频阵列接收模块

音频阵列接收模块主要通过多个麦克风对音频信号进行接收，采用高性能的数字处理电路(如FPGA或DSP芯片)对信号进行增强处理。

(1)在远场工作模式，首先进行音频信号的DOA(波达方向)估计,可以选用基于圆形或平面阵阵列的多重信号分类、估计信号参数的旋转不变技术、基于时延估计法等方法实现音频信号的DOA估计；在完成音频信号DOA(波达方向)估计后，将进行自适应阵列处理,其电路组成如图14所示；

(i)多重信号分类方法

多重信号分类方法的原理是在空域内进行谱峰搜索求出信源方向。首先通过求取阵列信号的协方差矩阵R,并将其分解为噪声子空间和信号子空间，共两个子空间。即有

$R=U_s{\Σ}_s{U}_s^H+U_N{\mathrm{\Σ}}_N{U}_N^H$

由于噪声特征矢量和信号矢量的正交关系，得到阵列空间谱

$P_{MUSIC}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)U_N{U}_N^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中a(θ)为方向矢量，通过求取空间谱的波峰来求得目标信号的DOA值。

(ii)估计信号参数的旋转不变技术

该方法要求阵列结构存在不变性,这种不变性可通过两种手段获得：一是阵列本身存在两个或两个以上相同的子阵，二是通过变换可获得这些子阵。假设存在两个完全相同的子阵，且两个子阵间距Δ是已知的。第一个子阵的接收数据为X₁(t)，第二个子阵的接收数据是X₂(t)，可得

X₁(t)＝A(θ)S(t)+N₁(t)

X₂(t)＝A(θ)ΦS(t)+N₂(t)

其中子阵1的阵列流型A₁＝A(θ)，子阵2的阵列流型A₂＝A(θ)Φ,而且

此处Φ的对角元素为K个信号在阵元之间的相位延迟。

将X₁(t)和X₂(t)进行合并，得到

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ X_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}A\left(\mathrm{\θ}\right)\\ A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{\Φ}\end{array}\right]S\left(t\right)+\left[\begin{array}{c}{N}_1\left(t\right)\\ N_2\left(t\right)\end{array}\right]=\stackrel{\‾}{A}S\left(t\right)+N\left(t\right)$

求取X(t)的自相关矩阵

$R_{XX}=E\[X\left(t\right){\left(X\right(t\left)\right)}^H\]=\stackrel{\‾}{A}{R}_s{\stackrel{\‾}{A}}^H+R_N$

其中R_s＝E{S(t)(S(t))^H}。接着对R_XX进行特征值分解,得到

$R_{XX}=U_s{\Σ}_s{U}_s^H+U_N{\mathrm{\Σ}}_N{U}_N^H$

其中Us表示大特征值对应特征矢量张成的信号子空间，U_N表示小特征值张成的噪声子空间。

由于大特征矢量张成的信号子空间与阵列流型张成的信号子空间是一致的，即有

$span\left\{U_s\right\}=span\left\{\stackrel{\‾}{A}\right\}$

则存在一个唯一的非奇异矩阵T，使得

$U_s=\stackrel{\‾}{A}T$

存在

$U_s=\left[\begin{array}{c}{U}_{s1}\\ U_{s2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}AT\\ A\mathrm{\Φ}T\end{array}\right]$

其中由子阵1的大特征矢量张成的子空间U_s1,由子阵2的大特征矢量张成的子空间U_s2与阵列流型A张成的子空间相等,即有

span{U_s1}＝span{U_s2}＝span{A(θ)}

可知信号子空间的关系如下：

U_s2＝U_s1T^-1ΦT＝U_s1Ψ

其中Ψ＝T^-1ΦT,反映了两个子阵阵列接收数据的信号子空间的旋转不变性。

当阵列流型A是满秩矩阵,则

Φ＝TΨT^-1

则Ψ的特征值组成的对角阵等于Φ。通过求得旋转不变矩阵Ψ,可以得到信号的入射角度。

(iii)基于时延估计法

基于时延估计方法较多，可以采用经典的广义互相关法。该方法通过求取不同信号之间的互功率谱，在频域内给予接收信号一定的加权，来抑制噪声和反射的影响，再将加权后信号反变换到时域，得到不同信号之间的互相关函数。其峰值位置即为信号之间的相对时延。同时在获取各麦克风阵元的时延估计后，结合麦克风的位置即可估计出声源的位置信息。

在完成音频信号的DOA估计后，接着进行自适应加权处理，处理示意图15所示；

自适应阵列根据最大信噪比、最小均方误差等法则，对接收到的音频信号进行加权处理，在有用信号方向上形成主波束，在干扰方向上形成零陷，从而提高音频信号的增益。

其中输入音频信号为

X(n)＝[x₁(n),x₂(n),…,x_N(n)]^T

加权矩阵W为

W＝[w₁,w₂,…,w_N]

最后产生的音频阵列信号输出值为

Y(n)＝W^TX(n)

(2)在近场工作模式，当声源位于阵列近场时，需要采用近场波束形成方法来避免远场波束形成方法导致的噪声抑制性能的退化。可以使用近场波束形成方法和稳健近场波束形成等方法进行处理，处理步骤如下：

(i)近场波束形成方法

近场信号模型是基于球面波假设，将幅度衰减和时延引入模型中，其中阵列信号的方向矢量为a_sp(r_w)，延迟矢量为a_dt(r_w)，阵列的导向矢量为

$a_{near}\left(r_w\right)=a_{sp}\left(r_w\right)\⊗a_{dt}\left(r_w\right)$

近场补偿后的输出信号

$d\left(n\right)=\frac{1}{N}{a}_{near}^{*}\left(r_w\right)X\left(n\right)$

近场波束形成器的原理框图如图16所示。

(ii)稳健近场波束形成方法

假设N个麦克风组成阵列各阵元位置为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_N,y_N,z_N)，近场声源的位置为(x_s,y_s,z_s)，每个麦克风通道的抽头长度为J，第n次快拍，由J个抽头延时阵列信号可构成一NJ维信号矢量X(n)。

可以通过近场约束最小方差自适应波束公式来计算

$\begin{array}{ccc}\underset{w}{min}{W}^T{R}_{XX}W& s.t.& C^{T}W=F\end{array}$

其中R_XX是X(n)的自相关矩阵，W为波束形成器权系数矢量，W＝[w_1,1,...,w_N,1,w_1,2,...,w_N,2,...,w_1,J,...w_N,J]^T，C为约束矩阵，F为对应于目标信号的脉冲响应矢量，稳健近场波束形成器原理框图如图17。

近场线性约束最小方差自适应波束形成问题的约束矩阵可以表示为：

C＝TC₀

其中C₀为对应于远场条件下的约束矩阵，T为近场补偿矩阵。

可以求得最优的加权矩阵为

$W_{opt}=R_{XY}^{-1}{\mathrm{TC}}_0{\left(C_0^T{\mathrm{TR}}_{XY}^{-1}{\mathrm{TC}}_0\right)}^{-1}F$

4、语音识别互译模块

在语音识别互译模块中,采用高性能的CPU(如ARM9等)芯片进行语音识别、机器翻译和合成等处理，同时将不同语音的数据库存储在大容量的SRAM、SD卡或微型硬盘中,当进行机器翻译时，可以调用不同的语言数据，最后进行语音合成处理，其电路组成如图18所示；

5、音频处理和控制模块

在音频处理和控制模块中,时钟模块给其它模块提供时钟信号，音频处理电路中采用高性能的FPGA或DSP芯片进行噪声抑制、数字滤波、自动增益控制和语音增强等处理；同时采用高性能CPU芯片(如ARM7等)接收外部接口模块送来的控制参数，从而控制其它各模块，执行各种模式的操作，接口模块还将数字滤波的参数发送给CPU芯片，CPU将这些参数加载到音频处理电路的FPGA或DSP中，由音频滤波电路根据该值调整滤波器的频响、增益值等，动态满足每个人的听力补偿需要。电路组成如图19所示；

6、近距离射频收发模块

在近距离射频收发模块中,主要采用蓝牙等技术传输音频和控制信息，采用蓝牙收发模块等(如RF2968等)和RF带通滤波器，其电路组成如图20所示；

7、远距离多模式射频收发模块

在远距离射频收发模块中,可以采用Zigbee无线传输模块(如F8913等)和功放模块、Wifi无线传输模块(如EMW3162等)和功放模块、蓝牙无线传输模块(如CSR8615等)和功放模块、GSM无线传输模块(如M12-D等)、CDMA无线传输模块(如MC8618等)、WCDMA无线传输模块(如EM820W等)、4G无线传输模块(如MC7710)等和射频选择模块,通过音频处理和控制模块根据不同的通信需求，进行射频选择,其电路组成如图21所示；

8、录放模块

在录放模块中,可以采用音频处理电路(如STM32处理器等)进行ADPCM等语音压缩和减噪等处理，并把数据存储到存储电路(如CF、SD等卡)中；当进行播放时，将存储的数据送给音频处理电路解码。同时通过接口将外部的语音文件存储到存储电路中，电路组成如图22所示；

9、定位和导向模块

在定位和导向模块中,采用GPS室外定位技术(如采用XM1613等无线定位模块)，进行基于时间传输的测量；同时针对室内定位，可以采用WIFI定位、蓝牙定位(如采用CC2640等无线定位模块)、Zigbee定位、RFID定位(如采用XM1613等无线定位模块)等技术，进行基于信号衰减等的测量。同时将地图信息存储在存储模块中，在路径计算模块的CPU中计算得到前进的路径，并将该数据提供给音频处理和控制模块，根据电路组成如图23所示；

10、报警和照明模块

在报警和照明模块中,可以采用大功率报警模块和LED灯显示模块组成,通过音频处理和控制模块分别控制大功率扩音器和控制LED灯打开。其电路组成如图24所示；

11、接口模块

在接口模块中,可以提供按键接口电路和USB接口电路，该模块将多功能音频处理和无线传输装置中的按键信息(各种工作模式的按键选择)转换成串口等数据，同时对USB口的数据进行转换,也转换成串口等数据，送给音频处理和控制模块,其电路组成如图25所示；

12、电源模块

在电源模块中,可以提供给多功能音频处理和无线传输装置各模块供电电压,也能够对基于无线传输的可穿戴语音处理装置进行充电,该模块由交直流转换电路、充电电路和锂电池等组成,其电路组成如图26所示；

基于无线传输的可穿戴语音处理装置由近距离射频收发模块、RF带通滤波器、音频处理模块、充电电路和锂电池等组成。由充电电路对锂电池进行充电，其余模块由锂电池供电。近距离射频收发模块可以采用蓝牙芯片(如BC358239A)等组成,其电路组成如图27所示；

(三)该系统各装置的主要形式示意图如下；

1、多功能音频处理和无线传输装置

多功能音频处理和无线传输装置可以采用拐杖、箱包、雨伞、腕表、手环等多种一体化结构形式,如图28所示；

2、基于无线传输的可穿戴语音处理装置

基于无线传输的可穿戴语音处理装置可以采用帽子、发夹、眼镜等多种一体化结构形式,如图29所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于无线传输的助听系统，其特征是包括多功能音频处理和无线传输装置和基于无线传输的可穿戴语音处理装置，多功能音频处理和无线传输装置中包括具有噪声抑制、数字滤波、自动增益控制、语音增强、调制解调、各种模式控制单元的音频处理和控制模块、音频采集模块、包括调制解调、上、下变频和RF滤波单元的近距离射频收发模块，音频采集模块接音频处理和控制模块输入端，音频处理和控制模块输出端接近距离射频收发模块；基于无线传输的可穿戴语音处理装置包括近距离射频收发模块和音频处理模块，基于无线传输的可穿戴语音处理装置内近距离射频收发模块接收多功能音频处理和无线传输装置的信号并做下变频处理，得到基带数字信号，再由音频处理模块对基带数字信号进行解调，再输至D/A转换成模拟音频信号，最后由耳机送出。

2.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是音频处理和控制模块输入端接有广播接收模块。

3.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是在多功能音频处理和无线传输装置中，输入端连接音频阵列接收模块，该音频阵列接收模块接收圆形或平面阵扬声器阵列信号，扬声器阵列的单元N＝2-1024。

4.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是多功能音频处理和无线传输装置设有与近距离射频收发模块并联的远距离射频收发模块，远距离射频收发模块采用Zigbee或移动通信模块，移动通信模块包括GSM、CDMA、WCDMA、或4G模块。

5.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是在音频处理和控制模块中，设有CPU芯片、时钟单元和音频处理电路，音频处理电路采用FPGA或DSP芯片；并设有接口模块。

6.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是音频处理与控制模块的输入端设有语音互译模块。

7.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是音频处理和控制模块输出端连接录放模块。

8.根据权利要求1所述的基于无线传输的助听系统，其特征是音频处理和控制模块的输出端还设有定位和导向模块，在定位和导向模块中包括GPS室外定位单元。

9.根据权利要求1-8之一所述的基于无线传输的助听系统，其特征是多功能音频处理和无线传输装置为独立装置或与箱包盒、拐杖、雨伞、腕表、手环、手镯、轮椅、助力器、助步器、文明棍、茶杯或手电筒相结合。