基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术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。因此本发明专利技术无需屏幕玻璃开孔，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，本发明专利技术基于频分技术，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。

Realization method and device of mobile phone screen receiver based on frequency division ultrasonic parametric array

The invention discloses a method and device for realizing the handset under the screen based on the frequency division ultrasonic parametric array. The basic principle of the invention is to modulate the voice signal and the ultrasonic carrier signal, to produce a non-linear effect when the sound signal propagates in the air, and the audio signal can be demodulated in the ultrasonic carrier again. Because of the good directivity and penetration of ultrasound, when the ultrasonic sensor is tightly coupled with the screen glass, ultrasound can be transmitted through the screen module. Therefore, the invention does not need screen glass openings, thus does not occupy the display area of mobile phone screen, and has good sound directivity, call quality and privacy. In addition, based on frequency division technology, the parametric array loudspeaker is combined with ultrasonic detection, so that the technical scheme can integrate the functions of distance measurement based on ultrasound, human ear location, and even face recognition.

【技术实现步骤摘要】
基于频分超声参量阵的手机屏下听筒实现方法与装置
本专利技术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。
技术介绍
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iPhoneX，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。因此本专利技术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，本专利技术基于频分技术，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。本专利技术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。本专利技术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。而探测信号为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，曾伟，马碧云，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44