用于从磁感应信号取回信息信号的接收器和方法 |
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| 申请号 | CN201210133855.2 | 申请日 | 2012-05-01 | 公开(公告)号 | CN102780953B | 公开(公告)日 | 2017-03-01 |
| 申请人 | 奥迪康有限公司; | 发明人 | K·T·克里斯滕森; R·G·延森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于从磁感应 信号 取回信息信号的接收器和方法，磁感应信号包括根据信息信号调制的载波信号，所述接收器(1)具有信号通路(6)，包括：适于接收磁感应信号并提供对应的电天线信号的天线 电路 (2)；适于放大所述电天线信号的 放大器 (3)；适于对已放大信号进行数字化的数字转换器(4)；及适于通过解调 数字化信号 而取回信息信号的数字解调器(5)；天线电路(2)形成窄带通 滤波器 及接收器(1)适于在天线电路(2)和数字转换器(4)之间的信号通路(6)中没有任何 频率 变换地取回所述信息信号。本发明从根本上降低接收电路的功耗。功耗令人惊讶地呈几个数量级的降低，因而使能在 电池 驱动的装置如听 力 装置(15)中实施前述接收电路而不会明显影响电池寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于从磁感应信号取回信息信号的接收器(1)，所述磁感应信号包括根据信息信号调制的载波信号，所述接收器(1)具有信号通路(6)，包括： |
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| 说明书全文 | 用于从磁感应信号取回信息信号的接收器和方法技术领域[0001] 本发明涉及接收器及用于从磁感应信号取回信息信号的方法，及涉及前述接收器的用途。 背景技术[0003] WO2002/030154A1公开了包括射频(RF)接收器的助听器，其中在70MHz到250MHz范围的模拟调频RF信号由天线拾取并在低噪声放大器中放大。混频器将信号向下混至35kHz的中频。陡的IF滤波器抑制相邻通道中的不合需要的信号。限幅器提升IF信号并使用硬削波比较器将模拟信号变换为数字信号电平。数字解调器检测IF信号的零交点，及抽取器以24kHz的采样频率将单比特解调信号变换为12比特信号。12比特信号形成接收器的数字音频输出。 [0004] EP1316240B1公开了一种具有两个听力假体的双耳听力系统，能够在无线通信通道上进行双向数据通信。无线接收器通过利用感应线圈之间的近场磁耦合传输和接收已调制数据。可对线圈进行调谐以对约4个(优选3-10个之间)感应天线中的每一个提供Q从而优化在天线处接收/传输的功率。通信频率优选选择为50MHz-100MHz之间的频率。RF解调器将所接收的复合RF信号降频转换到基带频率范围并取回已调制的数据信号。 [0005] 许多已知的RF接收器中仅有两个例子在数字化或采样之前将已调制RF信号混到较低的频率，即进行向下的频率变换。该频率变换使通道滤波和数字化不太重要并使功耗大量减少。然而，用于对已调制RF信号进行混频及用于对较低频率的信号进行滤波的电路主要为模拟电路，因而由于相当大的元件偏差及元件值的温度漂移而经常偏离所希望的规格。这可导致所接收的信号劣化，因而可降低可获得的通信速度，其中所接收的信号包括数字信息。此外，模拟混频和滤波电路通常相当复杂且通常耗用大量功率。再者，对设计模拟电路并非不重要的是，混频和/或滤波器带宽可以电子方式改变，这增加了复杂性和/或限制现有技术接收器的使用。 [0006] 因此，希望将已调制RF信号直接转换为数字信号并使用数字滤波器消除不想要的信号频率，之后进行数字解调。前述“直接采样”使能更稳定的处理RF信号，使接收器设计更简单，及使能通过重新编程改变无线连接的特性，从而一个且同样的电路可用于更宽的应用范围。 [0007] 然而，已调制RF信号的直接采样在实践中几乎不可能实现。通常，模数转换的采样速率必须至少为RF信号频率的两倍以避免频率混叠，数字转换器或模数转换器(ADC)需要高分辨率以使能在存在强的不想要的信号的情形下取回弱信号。对于目前可用的技术，这两个需求通常结合从而导致数字转换和滤波电路出现不可接受的大功耗。在典型设置中，将功耗降低到可接受的水平因而需要不可接受程度地损害信号质量。 [0008] 本发明的目标在于提供用于从磁感应信号取回信息信号的接收器，磁感应信号包括根据信息信号调制的载波信号，该接收器能够对磁感应信号进行直接采样而没有上面提及的缺点。 [0009] 另一目标是提供前述接收器的用途。 [0010] 另一目标是提供用于从磁感应信号取回信息信号的方法，磁感应信号包括根据信息信号调制的载波信号，该方法包括对磁感应信号进行直接采样而没有上面提及的缺点。 发明内容[0012] 本发明的发明人已非常意外地发现，如果接收已调制NFMI信号的天线电路安排在其反应近场内，可在借助于已调制近场磁感应(NFMI)信号的通信中使用直接采样。此外，天线电路设计为带通滤波器是有利的，带通滤波器足够窄以用于抑制通信通道外面的信号，即天线电路适于用作通道选择滤波器。如下面所阐述的，这使能省略在数字化之前对所接收的信号进行另外的实质性滤波及使能以低分辨率对信号进行数字化，这从根本上降低接收电路的功耗。令人惊讶地，可实现的功耗降低为几个数量级的降低，因而使能在电池驱动的装置如听力装置中实施前述接收电路而不会明显影响电池寿命。 [0013] 借助于已调制NFMI信号的通信通常在电小天线的反应近场内进行。电小天线定义为具有远小于波长的最大物理延伸的天线。反应近场定义为天线周围的、在天线和该场之间有明显的反应耦合的物理空间。作为大拇指规则，反应近场从天线向外延伸到约六分之一波长的距离。在反应近场中，信号能量与该距离的六次幂成反比地降低(每十进60dB)。远场从天线从约两个波长向外延伸。在远场中，没有反应耦合，能量辐射到周围空间中。在远场中，信号能量与该距离的二次幂成反比地降低(每十进20dB)。 [0014] 在反应近场内，反应耦合因而导致信号电平远高于上面提及的远场定律预测的电平。因此，反应近场内的通信固有地导致相当强地辨别遍布远场干扰源辐射的磁信号的通信信号。该效果连同天线电路用作窄带通滤波器使通信信号能主要表示在天线电路提供的电信号中。来自远处的源的干扰信号固有地得以抑制，使得具有相当小的动态范围的数字转换器可用于对通信信号进行数字化。因而可实现所接收的信号的直接采样，而没有不可接受的高功耗及不会损害通信信号的质量。 [0015] 在本说明书中，“听力装置”指装置如助听器或有源耳朵保护装置，其适于通过接收来自个人环境的声信号、以电子方式修改声信号、及向个人的至少一只耳朵提供听得见的信号而改善或提高个人的听觉能力。这样的听得见的信号例如可以辐射到个人外耳内的声信号、作为机械振动经个人头部的骨结构传到个人内耳的声信号和/或直接或间接传到个人耳蜗神经的电信号的形式提供。听力装置可构造成以任何已知的方式佩戴，例如作为安排在耳后的单元，具有将辐射的声信号导入耳道的管或具有靠近耳道安排或安排在耳道中的扬声器；作为整个或部分安排在耳廓和/或耳道中的单元；作为附着到植入颅骨的固定装置的单元等。通常，听力装置包括用于从个人环境接收声信号并提供对应的电输入信号的输入变换器、用于处理电输入信号的信号处理电路、及用于根据已处理的信号将听得见的信号提供给个人的输出变换器。 [0016] “听力系统”指包括一个或两个听力装置的系统，及“双耳听力系统”指包括一个或两个听力装置并适于向个人的两只耳朵提供听得见的信号的系统。听力系统或双耳听力系统还可包括“辅助装置”，其与听力装置通信并影响听力装置的功能和/或受益于听力装置的功能。例如，辅助装置可以是遥控装置、音频网关设备、移动电话、广播系统、汽车音频系统或音乐播放器。听力装置、听力系统或双耳听力系统可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失或提高正常听力人员的听觉能力。 [0017] 除非明确指出，在此所用的单数形式的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。附图说明 [0018] 本发明将在下面参考附图、结合优选实施方式进行更详细地说明。 [0019] 图1示出了根据本发明的接收器的实施例。 [0020] 图2示出了根据本发明的听力装置的实施例。 [0021] 图3示出了根据本发明的双耳听力系统的实施例。 [0022] 为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在所有附图中，同样的附图标记和/或名称用于同样或对应的部件。 [0023] 通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出，因为对于本领域的技术人员而言，从下面的详细描述可显而易见地在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。 具体实施方式[0024] 图1中所示的接收器1包括连接在一起从而形成信号通路6的天线电路2、低噪声放大器3、比较器4和数字解调器5。天线电路2包括具有两个端子和两个槽路电容器8的天线线圈7。每一槽路电容器8的一个端子连接到天线线圈7的相应端子，及槽路电容器8的另一相应端子连接到接收器1的地面。天线线圈7的端子还分别连接到低噪声放大器3的正输入端9和负输入端10。低噪声放大器3的输出端11连接到比较器4的输入端12。比较器4的输出端13连接到数字解调器5的输入端14。 [0025] 天线线圈7和槽路电容器8形成无源窄带通滤波器，其具有4MHz的中心频率及对于所接收的磁感应信号具有200kHz的3-dB带宽。由天线电路2形成的窄带通滤波器因而具有5％的相对3-dB带宽，对应于20的品质因数(Q)。当接收磁感应信号时，天线线圈7跨其端子提供对应的电天线信号。天线线圈7可包括由具有高磁导率及优选低电导率的材料制成的磁心(未示出)，例如铁氧体磁心，以增加天线电路2的灵敏度。天线电路2的拓扑可实质上不同于图1中所示的实施例，而不会背离本发明，只要天线电路2形成信号通路6中的窄带通滤波器即可。例如，可添加另外的电容器，以提供DC阻塞和/或阻抗变换。 [0026] 低噪声放大器3放大相对弱的电天线信号，例如放大60dB，并在其输出端11上提供对应的已放大信号。信号通路6的、在天线电路2的端子和比较器4的输入端12之间延伸的部分，该部分包括低噪声放大器3，并不执行任何频率变换，也不对电天线信号进行任何实质性频率滤波。在本说明书中，“实质性频率滤波”意为当天线电路2遭受具有实质上超出天线电路2的通带的3-dB频率范围的白噪声磁感应信号时，实质上改变提供给比较器4的输入端12的已放大信号的3-dB带宽的任何滤波。换言之，实质性频率滤波为与天线电路2的频率滤波可比的任何频率滤波，因而在天线电路2的3-dB通带内及邻近该通带对接收器1的传递函数具有实质性影响。 [0027] 作为例子，具有如25％(Q＝4)的相对3-dB带宽(即3-dB带宽等于天线电路2的带宽的五倍)和与天线电路2的中心频率相等的中心频率的带通滤波器(未示出)可在信号通路6中插入在低噪声放大器3和比较器4之间，以抑制低噪声放大器3中产生的噪声。这样的噪声滤波器在天线电路2的3-dB通带内及邻近该通带将不会实质性修改接收器1的传递函数，因而在本说明书中，将不被视为导致实质性频率滤波。作为备选，这样的噪声滤波器可以是低噪声放大器3的一部分。一般来说，输入通路6中天线电路2和数字转换器4之间的噪声滤波器的带宽应实质上大于天线电路2的带宽以避免实质性频率滤波。 [0028] 比较器4用作数字转换器并通过在已放大信号电压高于零时输出逻辑“1”和在已放大信号电压低于零时输出逻辑“0”而对已放大信号数字化(反之亦然)。因此，比较器4还用作零交点检测器，及由比较器4提供的数字化信号包括关于已放大信号的相位和频率的信息。数字解调器5增强输入端14上接收数字化信号并对其进行解调以从已放大信号的相位和/或频率取回信息。 [0029] 比较器4具有40MHz的采样频率，即天线电路2的中心频率的10倍。该过密采样增加了数字化的瞬时分辨率并使能在随后的处理阶段对数字化信号进行精密的滤波，以提高对噪声的免疫力等。采样频率优选为磁感应信号中存在的最高频率的约2.5倍、约5倍或约10倍。 [0030] 在使用接收器1之前，天线电路2安排在由发射器(未示出)传输的磁感应信号的反应近场内。磁感应信号包括根据信息信号调制的载波信号。载波信号为天线电路2的中心频率的单频信号。信息信号可包括数字和模拟信息的任何组合。 [0031] 由于载波信号的相位和/或频率调制，信息信号出现在已放大信号的相位和/或频率中，数字解调器5因而可通过对其输入端14上出现的数字化信号进行解调而取回信息信号。在解调之前，数字化信号可经受滤波和/或频率变换(混频)，以补偿天线电路2的频率依赖性和/或降低数字解调器5中的功耗。 [0032] 优选可对天线电路2进行调谐以根据载波频率、信息信号的带宽、所希望的通信范围、可接受的比特误差率及通信链路的其它要求形成具有小于10％(Q≥10)的相对带宽的窄带通滤波器，如小于5％(Q≥20)、小于3％(Q≥～33)或小于2％(Q≥50)。滤波器越窄，消除越多的干扰噪声信号，但另一方面减少信息信号的可用带宽。 [0033] 优选可对天线电路2进行调谐以主要根据载波频率形成具有低于100MHz的中心频率的窄带通滤波器，如低于30MHz或低于10MHz。降低频率通常导致功耗较低。然而，天线电路2优选调谐为形成具有高于300kHz如高于1MHz或高于3MHz的中心频率的窄带通滤波器以在通信链路中实现高数据速率(每秒比特数)。优选的数据速率高于20kb/s、高于40kb/s或高于80kb/s，以使能经接收器1接收实时音频信号。 [0034] 天线电路2优选做成具有小于5cm、小于2cm或小于1cm的最大物理延伸的尺寸。较小的尺寸使能实施在较小的装置中。此外，较小的尺寸通常使实现较小的带宽简化。 [0035] 天线电路2优选可包括天线线圈7和一个或多个槽路电容器8。槽路电容器8可用于将天线电路2调谐到所希望的中心频率。 [0037] 接收器1优选可包括能够将不同组的槽路电容器8和/或电阻器切换给天线线圈7的一个或多个切换装置(未示出)。这使天线电路2能以电子方式因而可编程地调谐到特定中心频率和/或带宽因而使接收器有多种用途。由于载波信号的产生、载波信号的调制及所接收信号的解调均可在数字电路中实施，载波频率、调制类型、信号带宽等可借助于软件或固件自由改变。这在使用接收器1时给予目前为止未知的自由度，例如，接收器可配置成同时或时分接收来自不同种类的系统的信号。 [0038] 数字转换器4优选可适于提供具有4比特、3比特、2比特或1比特分辨率的数字化信号。较低的比特数通常降低接收器1的功耗，然而以动态范围为代价。 [0039] 接收器1优选可做成具有小于10mW、小于3mW或小于1mW的功耗的尺寸。这使能将接收器1用在电池供电的装置如体戴式听力装置中。 [0040] 信息信号可借助于如调相、调频、相移键控和/或频移键控而调制在载波信号上。这些调制形式使能使用单比特数字转换器4因而降低接收器1的功耗。这些调制形式还使模拟和数字信息信号均能调制在载波信号上。特别优选的调制技术包括最小移动键控及使能使用相对小的信号带宽因而使已调制信号能没有实质性劣化地通过天线电路2的其它多种已知的调制技术。 [0041] 图2示出了听力装置15如助听器或有源耳朵保护装置，包括如上所述的接收器1。听力装置15还包括传声器16、前置放大器17、音频数字转换器18、音频信号处理器19、脉宽调制器20和扬声器21，这些元件连接在一起形成音频信号通路22。听力装置15还包括用于传输磁感应信号的发射器23和用于对音频信号通路22中的器件17、18、19、20、接收器1及发射器23供电的电池24。传声器16安排成接收来自个人环境的声输入信号并将对应的传声器信号提供给前置放大器17。前置放大器17适于放大传声器信号并将已放大传声器信号提供给音频数字转换器18。音频数字转换器18适于对已放大传声器信号进行数字化并将数字化音频信号提供给音频信号处理器19，其适于根据听力装置15的目的(即改善或提高个人的听觉能力)修改数字化音频信号。音频信号处理器19适于将修改后的音频信号提供给脉宽调制器20，其适于将对应的脉宽调制信号提供给扬声器21。听力装置15适于安排在个人的耳朵之处或之中，及扬声器21安排成将对应于脉宽调制信号的声输出信号传给个人。 [0042] 音频信号处理器19连接到接收器1并适于接收从接收器1取回的信息信号及适于响应于信息信号中包括的信息调节其数字化音频信号的修改和/或根据信息信号中包括的音频信号提供修改后的音频信号。这使听力装置15能响应于命令、状态信息和/或磁感应信号中无线接收自远程设备(未示出)的音频信号而改变其音频信号处理和/或适于将前述音频信号包括在扬声器21传输的声信号中。远程设备可以是位于个人的相应另一只耳朵之处或之中的第二听力装置(参见图3，28)或辅助装置如所谓的流传输器(参见图3，30)，适于将来自外部装置如移动电话或电视机的音频信号传给听力装置15。前述音频信号可借助于有线连接或借助于发射距离比磁感应信号长的无线连接如FM连接或蓝牙连接而从外部装置接收。 [0043] 音频信号处理器19还连接到发射器23并适于将包括信息如命令、状态信息和/或传声器信号的信息信号提供给发射器23以传给远程设备。发射器23适于根据信息信号调制载波信号及适于在磁感应信号中传输已调制载波信号。发射器23可包括用于辐射磁感应信号的发射天线(未示出)，或其可被连接以经接收器1的天线电路2辐射信号。在后一情形下，听力装置15还可包括切换电路(未示出)，用于在接收和发射模式之间切换天线电路2。如果听力装置15不意于传输磁感应信号，发射器23和发射天线或切换电路可省略。作为备选，接收器1、发射器23和切换电路可组合形成收发器单元，其也可用在不同于听力装置的其它类型装置中。 [0044] 图3中所示的双耳听力系统25包括如上所述的安排在个人27的第一耳朵26之处的第一听力装置15、安排在另一耳朵29之处的类似的第二听力装置28、及佩戴为连到安排在个人27颈部周围的颈环31的垂饰的流传输器30。两个听力装置15、28和流传输器30中的每一个包括用于磁感应信号的发射器23。选择载波信号的频率使得听力装置15、28的天线电路2在听力装置15、28安排在耳朵26、28之处或之中及流传输器30按如图所示佩戴时在双耳听力系统25的相应其它装置15、28、30传输的每一磁感应信号的反应近场内。因此，装置15、28、30中的任两个之间的最大距离dmax应不超过约六分之一波长。例如如果dmax为0.5m，载波频率应不超过fmax＝1/6xc/dmax，即约110MHz，以满足该条件(c为声速，即～340m/s)。因此，双耳听力系统25的装置15、28、30能够彼此无线通信，如上所述。作为备选，流传输器30或任何其它的辅助装置如遥控装置也可佩戴在身体上的其他位置处，在该情形下，可能需要较低的载波频率以使双耳听力系统25满足近场条件。 [0045] 双耳听力系统25优选做成使能根据装置25、28、30的预计相对位置而在15cm以上、30cm以上或50cm以上的距离进行无线通信的尺寸。因此，接收器1优选做成从源自发射器的已调制NFMI信号取回信息信号的尺寸，其中发射器位于距天线电路215cm以上、30cm以上或 50cm以上的距离处。此外，双耳听力系统25优选做成使无线通信部分通过个人27的身体和/或头部的尺寸。 [0046] 音频通路22优选主要实施为在离散时域运行的数字电路，但其任何或所有部分也可实施为在连续时域运行的模拟电路。音频信号处理器19和/或接收器1的数字功能模块可以硬件、固件和软件的任何适当组合和/或硬件单元的任何适当组合实施。此外，任何单一硬件单元可并行或以交叉顺序和/或其任何适当组合执行几个功能模块的操作。 [0047] 在不背离本发明精神和范围的情况下，对在此公开的方法、系统和/或装置进行另外的修改对本领域技术人员而言显而易见。在本说明书内，任何这样的修改均以非限制性的方式提及。 [0048] 一些优选实施例已经在前面进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实施例的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。例如，所描述实施方式的特征可任意组合，以使根据本发明的系统、装置和/或方法适应特定需要。 [0049] 当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的系统和/或装置的结构特征可与本发明方法结合。方法的实施例具有与对应系统和/或装置一样的优点。 [0050] 权利要求中的任何附图标记和名称并不意为限制其范围。 |
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