CN102163426B - 一种定点传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定点传输系统，其特征在于，该定点传输系统通过将输入语音分解成多个划分语音，并对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度，然后，采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音，以实现声音的定点传输。本发明是把输入语音分解成多个划分语音，对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度。采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音。这样实现声音的定点传输，仅在空间某特定点产生具备可懂度的语音信号，用于需要进行保密声通讯的场合。

Description

一种定点传输系统

技术领域

本发明涉及声场控制技术领域，特别涉及一种定点声传输系统。 

背景技术

通常的声传输系统由3部分组成：麦克风、扩声系统和声源。麦克风接收信号经由扩声系统放大，再馈给声源作为输入信号，声源发出的信号经由声学路径传给远方目标位置的倾听者。然而，这种声传输设备，声音通常是以球面波形式向外传播。因此，语音在传输给倾听者的同时，也能被周围其他人听见，不具备保密性。 

解决这一问题的方法之一是采用指向性声。通常实现指向性声的方式有两种，一种是采用扬声器阵列的形式，调节扬声器阵列中每个扬声器的幅值和相位，使其在需要的方向产生很大的声压；另一种是采用参量阵扬声器，和普通扬声器通过机械振动激励空气发声不同，参量阵扬声器是利用超声波在空气中传播的非线性交互作用产生具有高指向性的可听声音，对不同频率都具有大致相同的指向性，其指向性也要比扬声器阵列好。采用扬声器阵列或参量阵扬声器也仅能实现声音的定向传输，语音在传输过程中对处于倾听者同一方向的人不具备保密性。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种定点传输系统，实现声音的定点传输，仅在空间某特定点产生具备可懂度的语音信号，用于需要进行保密声通讯的场合。 

为达到上述目的，提供一种定点传输系统，其特征在于，该定点传输系统通过将输入语音分解成多个划分语音，并对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度，然后，采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音，以实现声音的定点传输； 

该系统包括：频域转换模块、频域划分模块、划分语音信号组合模块、掩蔽噪声产生模块和定向发声器阵； 

所述的频域转换模块，用于把输入的时域语音信号x(n)转换为预先确定数量为M个的频域语音信号x_i(n)；其中，M是正整数；i＝0,1，...，M-1； 

所述的频域划分模块，用于对所述的频域转换模块得到的频域信号的所有频率点进行划分产生不同频率点集合I_k，其中，集合I_k有 频点，共有N个频率点集合，k=0…N-1；即 

式（1）中，N表示所述的频域划分模块划分的集合的个数； 

为小于M/N的最正大整数； 

所述的划分语音信号组合模块，用于根据所述的频域划分模块的频率点划分方式按照式（2）对频域语音信号进行重新组合；即频率点集合I_k产生N个频域划分语音信号y_k_i(n)； 

$y\_k\_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\_i\left(n\right)& i\∈I\_k\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.---\left(2\right)$

再经过相应的逆变换，把N个频域划分语音信号y_k_i(n)转换为N个时域划分语音信号y_k(n)； 

所述的掩蔽噪声产生模块，包括噪声信号发生器和掩蔽比例计算单元；所述的噪声信号发生器，用于产生噪声u(n)，该噪声u(n)经过所述的频域转换模块得到其对应的频域信号u_k_i(n)；所述的掩蔽比例计算单元根据所述的划分语音信号组合模块获得的N个频域划分语音信号y_k_i(n)计算其对应的噪声掩蔽比例Q_k_i(n)；由此，所述的掩蔽噪声产生模块按照式（3）产生掩蔽噪声v_k_i(n)； 

v_k_i(n)=u_k_i(n)×Q_k_i(n)      （3） 

经过相应的逆变换，把N个频域划分掩蔽噪声信号转换为N个时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)； 

所述的定向发声器阵，包括N个定向发声器，用于根据馈给的N个时域划分语音信号y_k(n)和时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)线性叠加后来调整每个定向发声器波束，使划分语音信号y_k(n)在目标点聚焦合成复原出原始语音信号。 

所述的频域转换模块采用多相滤波器、快速傅立叶变换（FFT）或改进离散余弦变换（MDCT）把输入的时域语音信号x(n)转换为预先确定M个频域语音信号x_i(n)。 

所述的掩蔽比例计算单元中采用的掩蔽比例根据听觉心理模型计算得出或简单的设为1。 

所述的掩蔽噪声产生模块中的噪声信号发生器产生方差为1均值为0的白噪声信号。 

所述的定向发声器采用基于扬声器阵列的定向发声器。此时，该系统还包括语音信号波束控制模块和掩蔽噪声波束控制模块； 

所述的语音信号波束控制模块，用于根据所述的划分语音信号组合模块获得的y_k(n)按照式（4）得到各扬声器单元的输入语音信号p_k_j(n)； 

p_k_j(n)=y_k(n)*w1_j(n)       （4） 

式（4）中，j代表第j个扬声器单元，j=1∶J，J表示扬声器单元个数；*代表信号卷积；w1_j(n)表示第j个扬声器对应的语音滤波器函数； 

所述的掩蔽噪声波束控制模块，用于根据所述的掩蔽噪声产生模块获得的掩蔽噪声信号v_k(n)按照式（5）得到各扬声器单元的输入掩蔽噪声信号q_k_j(n)； 

q_k_j(n)=v_k(n)*w2_j(n)       （5） 

式（5）中，j代表第j个扬声器单元，j=1∶J，J表示扬声器单元个数；*代表信号卷积；w2_j(n)表示第j个扬声器对应的掩蔽噪声滤波器函数。 

所述的语音信号p_k_j(n)和所述的掩蔽噪声信号q_k_j(n)按照式（6）获得所述的基于扬声器阵列的定向发声器的输入信号r_k_j(n)； 

r_k_j(n)=p_k_j(n)+q_k_j(n)      （6）。 

所述的语音信号波束控制模块中的滤波器组采用经典的波束图综合法得到；所形成的波束需在面向目标点位置具有最大值。 

所述的掩蔽噪声波束控制模块中的滤波器组采用经典的波束图综合法得到；所形成的波束需在面向目标点位置具有最小值。 

所述的定向发声器采用基于参量阵扬声器的定向发声器，包括J个超声换能器单元；用于把音频信号调制到超声载波上，通过空气的非线性交互作用产生定向声。此时该系统还包括混音模块和波束控制模块； 

所述的混音模块，用于把所述的y_k(n)和所述的v_k(n)按照式（7）线性叠加，获得参量阵扬声器输入信号r_k(n)； 

r_k(n)=y_k(n)+v_k(n)        （7） 

所述的波束控制模块，用于调整所述的基于参量阵扬声器的超声换能器单元中的超声载波t(n)的主波束方向来指向目标位置。 

所述的波束控制模块采用延迟结构；所述的载波信号t(n)经过所述的波束控制模块得到各超声换能器单元的输入载波信号t_j(n)； 

t_j(n)=t(n-jΔ)          （8） 

式（8）中，Δ表示延迟量，改变Δ可以改变定向声指向。 

本发明的优点在于，本发明是把输入语音分解成多个划分语音，对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度。采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音。这样实现声音的定点传输，仅在空间某特定点产生具备可懂度的语音信号，用于需要进行保密声通讯的场合。 

附图说明

图1是本发明的定点声传输系统的示意方框图； 

图2是本发明的定点声传输系统的处理流程图； 

图3是本发明的定点声传输系统的掩蔽噪声产生模块的示意方框图； 

图4是本发明的基于扬声器阵列的定向发声器系统示意方框图； 

图5是本发明的基于参量阵扬声器的定向发声器系统示意方框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

本发明把输入语音分解成多个划分语音，对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度。采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音。 

本发明提出的一种定点声传输系统采用了的结构包括：频域转换模块，把时域输入语音信号转为频域输入语音信号；频域划分模块，对频域信号的所有频率点进行划分，产生不同频率点集合；划分语音信号组合模块，根据频域划分模块决定的频率点划分方式，对频域语音信号进行重新组合，产生多个划分语音信号，使得单个划分语音信号不具备可懂度；掩蔽噪声产生模块，根据划分语音信号产生相应的掩蔽噪声；定向发声器阵模块，由多个定向发声器组成。根据声传输目标点位置，调整定向发声器，使划分音频信号在目标点聚焦，重新合成复原出原始语音信号。 

本发明的定点声传输系统的示意方框图，如图1所示。本实施例的定点声传输设备包括：输入端1，麦克风放大器的输出信号和AD转换器的输出信号输入到该输入端中；频域转换模块2，把时域输入语音信号转为频域输入语音信号；频域划分模块3，对频域信号的所有频率点进行划分；划分语音信号组合模块4，根据频域划分模块决定的频率点划分方式，对频域语音信号进行分解和重新组合，产生多个划分音频信号，使得单个划分语音信号不具备可懂度；掩蔽噪声产生模块5，根据频域输入语音信号产生相应的掩蔽噪声；定向发声器阵8，由多个定向发声器6 组成。根据声传输目标点位置，调整每个定向发声器波束，使划分音频信号在目标点7聚焦，重新合成复原出原始语音信号。 

本发明的定点声传输系统的处理流程图，如图2所示。下面将参考图2来说明这样一个定点声传输设备的操作。 

步骤S1)：频域转换模块2为输入到输入端1的信号提供一帧缓冲，帧长度大约10ms到100ms，并通过如多相滤波器、快速傅立叶转换(FFT)或者改进离散余弦变换(MDCT)等方法以帧为单位将时间信号x(n)分成预先确定数量如M个频域信号x_i(n)。其中，i是包括0到M-1的正整数，M是正整数。 

步骤S2)频域划分模块3把所有频率点划为预先确定数量的集合，如集合I_k有 

频点，共有N个集合，k是包括0到N-1的正整数。 

上式中 

为小于M/N的最大整数。上式的目的每个N个频率点抽取一个，形成N个频率点集合，每个频率点集合对应于一个划分语音信号。 

步骤S3)：划分语音产生模块4根据频率点集合I_k产生N个频域划分语音信号。 

$y\_k\_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\_i\left(n\right)& i\∈I\_k\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.$

再经过相应的逆变换，把N个频域划分语音信号转换为N个时域划分语音信号y_k(n)。 

步骤S4)：掩蔽噪声产生模块5通过图3的方式来产生掩蔽噪声。本发明的定点声传输系统的掩蔽噪声产生模块的示意方框图，如图3所示。白噪声信号发生器9产生方差为1均值为0的白噪声u(n)，经过频域转换模块2得到其对应的频域信号u_k_i(n)。掩蔽比例计算模块10根据频域信号y_k_i(n)计算其对应的噪声掩蔽比例Q_k_i(n)。掩蔽比例可以根据听觉心理模型计算得出，也可简单的设为1。掩蔽噪声产生模块5产生掩蔽噪声v_k_i(n)为u_k_i(n)和Q_k_i(n)的乘积： 

v_k_i(n)＝u_k_i(n)×Q_k_i(n) 

经过相应的逆变换，把N个频域划分掩蔽噪声信号转换为N个时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)。 

最后把N个时域划分语音信号和时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)分别馈给N个不同的定向发声器，调整每个定向发声器波束，使划分语音信号在指定接收点聚焦，重新合成复原出原始语音信号。 

依据本发明的一个实施例，定向发声器采用了基于扬声器阵列实现的结构。语音滤波器组模块，对输入语音信号进行滤波，形成期望的语音波束。掩蔽噪声滤波 器组模块，对输入掩蔽噪声进行滤波，形成期望的噪声波束。经过滤波后的语音信号和掩蔽噪声信号相加作为扬声器单元的输入信号。 

本发明的基于扬声器阵列的定向发声器系统示意方框图，如图4所示。实施例中基于扬声器阵列的定向发声器系统包括：输入语音信号y_k(n)经过语音信号波束控制模块11得到各扬声器单元的输入语音信号； 

p_k_j(n)＝y_k(n)*w1_j(n) 

其中，j代表第j个扬声器单元，j＝1∶J，J表示扬声器单元个数，*代表信号卷积。语音信号波束控制模块11为一滤波器组，滤波输出信号分别馈给J的扬声器单元。w1_j(n)表示第j个扬声器对应的语音滤波器。语音信号波束控制模块11中滤波器组可采用经典的波束图综合法得到，所形成的波束需在面向目标点位置具有最大值。输入掩蔽噪声信号v_k(n)经过掩蔽噪声波束控制模块12得到各扬声器单元的输入掩蔽噪声信号； 

q_k_j(n)＝v_k(n)*w2_j(n) 

掩蔽噪声波束控制模块12同样为一组滤波器，j代表第j个扬声器单元，j＝1∶J，J表示扬声器单元个数，*代表信号卷积，w2_j(n)表示第j个扬声器对应的掩蔽噪声滤波器。掩蔽噪声波束控制模块12的可采用经典的波束图法等得到，所形成的波束需在面向目标点位置具有最小值。最好把滤波后的语音信号和掩蔽噪声信号相加作为扬声器单元的输入信号。 

r_k_j(n)＝p_k_j(n)+q_k_j(n) 

依据本发明的另一个实施例，定向发声器采用了基于参量阵扬声器实现的结构。混音模块，把输入语音和掩蔽噪声线性叠加，作为参量阵扬声器输入信号。波束控制模块，调整参量阵扬声器中换能器单元载波相位，使其指向目标点方位。 

本发明的基于参量阵扬声器的定向发声器系统示意方框图，如图5所示。另一实施例中定向发声器系统采用参量阵扬声器实现包括：混音模块13，把输入语音和掩蔽噪声线性叠加，作为参量阵扬声器输入信号 

r_k(n)＝y_k(n)+v_k(n) 

与普通扬声器通过机械振动产生音频声不同，参量阵扬声器是把音频信号调制到超声载波上，通过空气的非线性交互作用产生定向声。通过调整超声载波的波束方向就可以改变定向声方向。超声载波通过波束控制模块14进行改变，其算法可采用采用的延迟结构得到。载波信号t(n)经过波束控制模块14得到各超声换能器单元的输入载波信号 

t_j(n)＝t(n-jΔ) 

其中，j代表第j个扬声器单元，j＝1∶J，J表示扬声器单元个数，Δ表示延迟量，改变Δ可以改变定向声指向。经过信号预处理得到超声换能器单元输入信号r_k_j(n)，信号预处理可采用双边带调制，单边带调制等常用参量阵扬声器预处理方案。 

本发明可用于需要进行保密声通讯的场合。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (12)

1.一种定点传输系统，其特征在于，该定点传输系统通过将输入语音分解成多个划分语音，并对每个划分语音添加一定的噪声，使得单独的划分语音不具备可懂度，然后，采用定向发声器发射这些划分语音，并在目标点进行聚焦、组合、恢复出原始语音，以实现声音的定点传输；该系统包括：频域转换模块、频域划分模块、划分语音信号组合模块、掩蔽噪声产生模块和定向发声器阵；

所述的频域转换模块，用于把输入的时域语音信号x(n)转换为预先确定数量为M个的频域语音信号x_i(n)；其中，M是正整数；i＝0,1，...，M-1；

所述的频域划分模块，用于对所述的频域转换模块得到的频域信号的所有频率点进行划分产生不同频率点集合I_k，其中，集合I_k有频点，共有N个频率点集合，k=0…N-1；即

式（1）中，N表示所述的频域划分模块划分的集合的个数，为正整数；

为小于M/N的最正大整数；

所述的划分语音信号组合模块，用于根据所述的频域划分模块的频率点划分方式按照式（2）对频域语音信号进行重新组合；即频率点集合I_k产生N个频域划分语音信号y_k_i(n)；

$y\_k\_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\_i\left(n\right)& i\∈I\_k\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.---\left(2\right)$

再经过相应的逆变换，把N个频域划分语音信号y_k_i(n)转换为N个时域划分语音信号y_k(n)；

所述的掩蔽噪声产生模块，包括噪声信号发生器和掩蔽比例计算单元；所述的噪声信号发生器，用于产生噪声u(n)，该噪声u(n)经过所述的频域转换模块得到其对应的频域信号u_k_i(n)；所述的掩蔽比例计算单元根据所述的划分语音信号组合模块获得的N个频域划分语音信号y_k_i(n)计算其对应的噪声掩蔽比例Q_k_i(n)；由此，所述的掩蔽噪声产生模块按照式（3）产生掩蔽噪声v_k_i(n)；

v_k_i(n)=u_k_i(n)×Q_k_i(n)           （3）

经过相应的逆变换，把N个频域划分掩蔽噪声信号转换为N个时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)；

所述的定向发声器阵，包括N个定向发声器，用于根据馈给的N个时域划分语音信号y_k(n)和时域划分掩蔽噪声信号v_k(n)线性叠加后来调整每个定向发声器波束，使划分语音信号y_k(n)在目标点聚焦合成复原出原始语音信号。

2.根据权利要求1所述的定点传输系统，其特征在于，所述的频域转换模块采用多相滤波器、快速傅立叶变换（FFT）或改进离散余弦变换（MDCT）把输入的时域语音信号x(n)转换为预先确定M个频域语音信号x_i(n)。

3.根据权利要求1所述的定点传输系统，其特征在于，所述的掩蔽比例计算单元中采用的掩蔽比例根据听觉心理模型计算得出或简单的设为1。

4.根据权利要求1所述的定点传输系统，其特征在于，所述的掩蔽噪声产生模块中的噪声信号发生器产生方差为1均值为0的白噪声信号。

5.根据权利要求1所述的定点传输系统，其特征在于，所述的定向发声器采用基于扬声器阵列的定向发声器。

6.根据权利要求5所述的定点传输系统，其特征在于，该系统还包括语音信号波束控制模块和掩蔽噪声波束控制模块；

所述的语音信号波束控制模块，用于根据所述的划分语音信号组合模块获得的y_k(n)按照式（4）得到各扬声器单元的输入语音信号p_k_j(n)；

p_k_j(n)=y_k(n)*w1_j(n)    （4）

式（4）中，j代表第j个扬声器单元，j=1∶J，J表示扬声器单元个数；*代表信号卷积；w1_j(n)表示第j个扬声器对应的语音滤波器函数；

所述的掩蔽噪声波束控制模块，用于根据所述的掩蔽噪声产生模块获得的掩蔽噪声信号v_k(n)按照式（5）得到各扬声器单元的输入掩蔽噪声信号q_k_j(n)；

q_k_j(n)=v_k(n)*w2_j(n)       （5）

式（5）中，j代表第j个扬声器单元，j=1∶J，J表示扬声器单元个数；*代表信号卷积；w2_j(n)表示第j个扬声器对应的掩蔽噪声滤波器函数。

7.根据权利要求6所述的定点传输系统，其特征在于，所述的语音信号p_k_j(n)和所述的掩蔽噪声信号q_k_j(n)按照式（6）获得所述的基于扬声器阵列的定向发声器的输入信号r_k_j(n)；

r_k_j(n)=p_k_j(n)+q_k_j(n)        （6）。

8.根据权利要求6所述的定点传输系统，其特征在于，所述的语音信号波束控制模块中的滤波器组采用经典的波束图综合法得到；所形成的波束需在面向目标点位置具有最大值。

9.根据权利要求6所述的定点传输系统，其特征在于，所述的掩蔽噪声波束控制模块中的滤波器组采用经典的波束图综合法得到；所形成的波束需在面向目标点位置具有最小值。

10.根据权利要求1所述的定点传输系统，其特征在于，所述的定向发声器采用基于参量阵扬声器的定向发声器，包括J个超声换能器单元；用于把音频信号调制到超声载波上，通过空气的非线性交互作用产生定向声。

11.根据权利要求10所述的定点传输系统，其特征在于，该系统还包括混音模块和波束控制模块；

所述的混音模块，用于把所述的y_k(n)和所述的v_k(n)按照式（7）线性叠加，获得参量阵扬声器输入信号r_k(n)；

r_k(n)=y_k(n)+v_k(n)          （7）

所述的波束控制模块，用于调整所述的基于参量阵扬声器的超声换能器单元中的超声载波t(n)的主波束方向来指向目标位置。

12.根据权利要求10所述的定点传输系统，其特征在于，所述的波束控制模块采用延迟结构；

所述的载波信号t(n)经过所述的波束控制模块得到各超声换能器单元的输入载波信号t_j(n)；

t_j(n)=t(n-jΔ)          （8）

式（8）中，j代表第j个扬声器单元，j=1∶J，J表示扬声器单元个数，Δ表示延迟量，改变Δ可以改变定向声指向。

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