用于双向语音通信的公知设备包括麦克风和耳机。麦克风和耳机被集 成为头戴式耳机，从而为用户提供“免手提”的操作。这种头戴式耳机的 一个问题是麦克风也拾取用户周围的环境噪声。
作为替换，用户语音不在嘴部拾取，而是通过用户耳道内的骨骼传导 来拾取。这为用户提供了“免嘴部”的操作(即，用户可以不受他或她的 嘴部周围环境的影响)。通过骨骼传导接收的语音信号在某种程度上抑制 了外围噪声，然而，经由骨骼传导检测到的语音信号的声音质量通常具有 很差的声音质量。
已经提出了使用两个换能器的某些头戴式耳机。第一换能器用作麦克 风，第二换能器用作耳机。两个换能器被插入到用户的右耳和左耳中。麦 克风换能器经由来自用户耳膜中的振动检测用户语音。在这种两个换能器 的系统中，用户周围的环境噪声被自然抑制，从而允许麦克风提供更好的 声音质量。
单个换能器头戴式耳机的使用也有进步。构想是使用单个换能器元件 来用于语音发送和接收。利用该方法，只需要一个耳塞。由于用户的另一 只耳朵不需要耳机，因此用户还可以听见他或她周围的声音和语音。
使这些设备具有回波抵消(EC)功能是很重要的。回波抵消防止接收 信号叠加在语音发送信号上。在某些情况下，头戴式耳机还包括语音操作 的交换器(VOX)。VOX根据发送和/或接收信号的存在与否在发送和接 收模式之间切换。
日本专利申请公开No.2001-60895公开了一种发送和接收电路，其采 用配备有回波抵消和语音操作的交换器的全模拟电路。公开文件中的桥式 电路将放大器和比较器与嵌入的单个换能器组合在一起。
然而，利用这些类型的模拟电路很难实现可靠的和满意的EC和VOX 性能，并且实现代价昂贵。由于这些困难，上述单个换能器的发送和接收 电路还未投入实际应用。
当设计EC电路时，有必要仿真换能器的实际阻抗特性。即，必须仿 真当换能器被插入到特定用户的外耳道中时换能器的特性，以使EC电路 与实际换能器相平衡。然而，由于换能器的电感属性，因此很难仿真该阻 抗。此外，换能器的实际阻抗随时间变化，并且还根据各个用户和周围的 环境变化。
普通的模拟仿真电路由电容器(C)和电阻器(R)构成。通过调谐两 个可变元件可以使模拟电路在单个特定频率处大致平衡。实现整个频率范 围上的平衡是不可能的。在理论上，是可能实现整个频率范围上的平衡 的，如果在模拟仿真电路中包括电感元件的话。然而，使用电感元件体积 大并且昂贵。也很难调谐电感元件以使之与变化的换能器特性一致。这使 得模拟电感器电路的使用对于头戴式耳机应用来说是不实际的。
在半双工双向通信的情形中，VOX是必需的。VOX监视接收和发送 语音信号，然后必须在小于几毫秒的时间内确定是选择发送模式还是接收 模式。
在会话期间，接收和发送的语音信号的大小连续变化，并且有时还会 间歇性地断开连接。因此，有必要连续地累积和处理语音数据，直到作出 判决是切换到接收模式还是发送模式的时间为止。该判决过程是困难的， 尤其是当使用模拟电路时。
本发明的实施例解决了传统技术的这些和其他的缺点。

为了解决各种上述问题，本发明的一个实施例提供了一种具有改进的 EC和/或VOX性能的双向通信设备。双向通信设备的一个实施例包括单个 换能器元件、微处理器单元(MPU)、诸如数字信号处理器(DSP)之类 的数字电路以及模拟电路。
另一个实施例由具有单个换能器的小且经济的双向通信设备构成。该 设备清楚地发送用户语音，而不会发送紧挨用户附近的周围环境噪声。除 了来自与通信设备通信的另一方的语音之外，用户还能够听见他或她周围 的语音和声音。
即使当接收信号和发送信号在换能器中被叠加时，本发明的实施例也 提供了优异的回波抵消功能，基本上在整个语音频率范围上都防止了接收 信号泄漏到发送信号中(回波)。
此外，在半双工通信的情形中，本发明的实施例具有改进的VOX操 作，其在发送和接收模式之间自然切换，而不会引起会话中的非自然中断 或断开。
附图说明
参考附图会更加容易地理解本发明的实施例。
图1是示出根据本发明一个实施例的全双工双向通信设备的框图。
图2是示出根据本发明另一个实施例的全双工双向通信设备的框图。
图3是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备的框图。
图4是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备的框图。
图5是示出根据本发明一个不同实施例的半双工双向通信设备的框 图。
图6是示出根据本发明另一个不同实施例的半双工双向通信设备的框 图。
图7是示出根据本发明另一个不同实施例的半双工双向通信设备的框 图。
图8是示出根据本发明另一个不同实施例的半双工双向通信设备的框 图。
图9(a)是根据本发明实施例的半双工双向通信设备的VOX中的衰 减器的各种增益转变曲线的图。
图9(b)是示出了利用图9(a)的增益转变曲线的敏感性测试的实 际结果的表。
图10A-10C示出了可用于所述双向通信设备中的任何一种的耳塞的一 个示例。
附图中标记定义：
MPU：微处理器单元
EC：回波抵消器
VOX：语音操作的交换器
AGC：自动增益控制器
L：压电换能器
R1、R2、R3、R4：电阻器(也指示电阻值)
R：具有中间抽头“t”的可变电阻器
C1、C2：电容器(也指示电容值)
AMP1、AMP2、AMP3：放大器
D/A1、D/A2、D/A3：数模(D/A)转换器
A/D1、A/D2：模数(A/D)转换器
BUF1、BUF2：缓冲器
ADD：加法器
FIL、FIL1、FIL2：滤波器
k-Calculator、k1-Calculator、k2-Calculator：
滤波器参数k、k1、k2的计算器
SW1-SW5、SW：开关
ATT1、ATT2：衰减器
ATT3、ATT4：模拟衰减器
LPF1、LPF2：低通滤波器
Rx：接收端(也代表接收信号)
Tx：发送端(也代表发送信号)

图1是示出根据本发明一个实施例的全双工双向通信设备10的框 图。设备10包括具有压电换能器(或线圈L)的模拟信号处理器(ASP) 105和数字信号处理器(DSP)110。DSP 110包括第一数模(D/A)转换 器D/A1、第一模数(A/D)转换器A/D1、第二A/D转换器A/D2、MPU 和第二D/A转换器D/A2。MPU可以配备有单个DSP和/或CPU或多个 DSP和CPU。
为了方便，在具体实施方式的整篇剩余部分中，在所描述的各种实施 例中出现的模数转换器可以简称为转换器A/D1、转换器A/D2等，其中 “A/D”后面的数字用来区分在相同实施例中出现的转换器。类似地，在 所描述的各种实施例中出现的数模转换器可以称为转换器D/A1、转换器 D/A2等。利用这种表示方式，所描述的转换器类型和特定转换器都很清 楚。
返回图1，ASP 105中的压电换能器(L)被插入到用户的外耳道中， 其用来将与接收信号Rx相对应的电压转换为振动(声波)。换能器L还 用来将从外耳道接收到的振动(声波)转换为与发送信号Tx相对应的电 动势。压电换能器L在电功能上等同于电感元件，因此在整篇公开文件中 表示为线圈L。
从线圈L朝外耳道延伸的箭头示出与施加到线圈L的电压相对应的振 动(声波)。沿相反方向延伸的另一个箭头代表由用户的语音引起的耳膜 中的空气振动，其中用户语音在线圈L内生成对应的电动势。
在接收端，接收信号Rx被顺序通过转换器A/D1、VOX 125、回波控 制器(EC)120和转换器D/A1加以处理，然后被发送到ASP 105作为接 收信号输入。来自ASP 105的发送信号输出被顺序通过转换器A/D2、EC 120、VOX 125和转换器D/A2，然后被从发送端输出作为发送信号Tx。
VOX 125包括第一和第二衰减器ATT1和ATT2，以及第一和第二低 通滤波器LPF1和LPF2，以及功率控制器。功率控制器测量接收信号Rx 和发送信号Tx的功率，以控制第一和第二衰减器ATT1和ATT2的增益。 这用于将第一和第二衰减器ATT1和ATT2的输出置于预定值范围内。图 2、3、4、5和6中所示的VOX 225、325、425、525和625分别具有与 VOX 125相同的组件，从而不再重复这些VOX的描述。
在本发明的替换实施例中，VOX 125可以具有与图1中所示相同的组 件，但是也可以被称为自动增益控制器(AGC)。
接收和发送端经由压电换能器L彼此相连。在正常操作中生成所谓的 “回波”，其包含叠加在原始发送信号Tx上的接收信号Rx的某些部分。 有必要利用回波抵消技术来抑制该回波。在该实施例中，ASP 105执行第 一回波控制功能，而回波控制器120执行第二回波控制功能。
ASP 105配备有桥式电路115，该电路包括压电换能器L、电阻器 R1、R2、R3和R4以及电容器C1和C2。
桥式电路115的第一侧包括压电换能器L。与第一侧相邻的第二和第 四侧分别包括第二和第四电阻器R2和R4。第一和第四侧之间的连接节点 接地。
转换器D/A1的输出被经由第一放大器AMP1发送到桥式电路115的 第二和第三侧之间的连接节点，作为接收信号输入。第一和第二侧的节点 与第三和第四侧的节点之间的电位差被施加到第二放大器AMP2。AMP2 的输出被发送到转换器A/D2，作为ASP 105的发送信号输出。
桥式电路115的第一侧包括与第一电阻器R1和第一电容器C1的串联 组合并联的压电换能器L。桥式电路115的第三侧与第一侧正对，并且包 括与第二电容器C2并联的第三电阻器R3。
电阻器R1和R3的值是可变的，并且可被控制使得相位和增益对于L 的特定值(即，当换能器被插入到特定用户的右或左外耳道中时的L的 值)相对于至少单个特定频率是均衡的。
接收信号输入的叠加是通过将放大器AMP2的差分输入连接到桥式电 路115的相反节点来防止的(回波抵消)。结果，只有换能器L上的电动 势表现为差分输入。例如，600Hz可被选为特定频率。仅利用桥式电路 115，接收信号的泄漏(即回波)可能不一定能相对于所选特定频率任一 侧的所有其他可听频率都可被防止。
回波控制器
当EC 120处于常规操作中时，第一和第二开关SW1和SW2都连接到 开关的“r”侧。在常规操作期间，接收信号经由第一缓冲器BUF1从EC 120输出，而发送信号经由第二缓冲器BUF2从转换器A/D2输出。滤波器 FIL用于仿真经由ASP 105从转换器D/A1到缓冲器BUF2的传输特性。
接收信号输入被同时发送到转换器D/A1，并被滤波器FIL处理。所 得到的滤波器FIL的输出被加法器ADD从发送信号输入中减去，并且所 得到的输出被发送到VOX 125，作为从BUF2输出到EC 120的发送信 号。
EC 120可以在整个音频频率范围上执行ASP 105的仿真。从而，由于 接收信号的泄漏(回波)而引起的发送信号输入的一部分等于滤波器FIL 的输出。这意味着来自加法器ADD的输出不包含接收信号分量，从而提 供了改进的回波抵消。
在EC 120中，滤波器FIL的参数k由预先安装的程序(未示出)自动 设置。K的最大值等于滤波器中的抽头数，例如256。参数k或者在压电 换能器L被附接到诸如外耳道之类的对象后被立即设置。或者，参数k在 换能器L附接到外耳道中时被周期性地设置。在另一个实施例中，参数k 在每次生成接收信号和/或发送信号时被设置。
当从双向通信设备的角度看时，换能器L的电特性是略微不同的，并 且依赖于具体外耳道的结构和环境而变化。换句话说，该电特性可以依赖 于通信期间外耳道中的温度和湿度而变化。
在EC 120的测量(测试)操作期间，当要设置滤波器FIL的参数k 时，开关SW1和SW1连接到“m”端，并且测试信号发生器生成测试信 号。测试信号是可以在每个脉冲处代表以下音频信号中的任何一种的数字 信号：在会话期间产生的实际语音、自然语音、接收声音、音乐声音、扩 散码信号或音调扫频信号。
从而，由测试信号发生器生成的测试信号(而不是来自VOX 125的接 收信号)被经由缓冲器BUF1发送到转换器D/A1。所得到的转换器A/D2 的输出和测试信号分别经由缓冲器BUF1和BUF2提供到k计算器。然 后，k计算器根据预定的计算方法生成用在滤波器FIL中的k参数。
开关SW2的“m”侧接地，到VOX 125的发送信号输入也接地。因 此，在k参数计算期间，加法器ADD的任何输出都不会作为噪声泄漏到 发送信号Tx中。
如果从测试信号发生器输出的所选测试信号是脉冲，则预定计算过程 等同地对待整个频率范围，并且计算相对简单。然而，如果需要某些特定 频率特性，则可通过利用另一个测试信号(如实际语音信号)和进行对应 的k参数计算过程来实现更合需要的回波抵消。
在这种计算中，有必要在比与语音的最大频率相对应的周期更短的时 间内执行诸如离散快速傅立叶变换(FFT)之类的复杂计算。本发明完全 利用了技术的进步，从而使最现代化的MPU可以执行上述计算。这种 MPU的功耗足够低，从而本发明的整个实施例可以容纳在耳塞封装中。
VOX 125在第一低通滤波器LPF1处接收从转换器A/D1输出的接收 信号，并且接收从EC 120输出的来自LPF2的发送信号。VOX 125分别通 过第一和第二衰减器ATT1和ATT2将接收信号Rx发送到EC，将发送信 号Tx发送到转换器D/A2。VOX 125利用功率控制器测量接收信号Rx和 发送信号Tx的功率。功率控制器控制衰减器ATT1和ATT2的增益，从而 使来自衰减器ATT1和ATT2的功率输出与预定功率值匹配。
图2是示出根据本发明另一个实施例的全双工双向通信设备20的框 图。在下面的讨论中，将会强调图2与图1不同的部分，而与图1相同的 部分则会给予较少的关注，因为其以与上述图1类似的方式动作。换句话 说，图2的ASP 205和EC 220会加以强调，因为其不同于图1的ASP 105 和EC 120。
在ASP 205中，转换器D/A1的输出被经由放大器AMP1发送到电阻 器R1的一端，作为接收信号输入。压电换能器L的一端连接到电阻器R1 的另一端，而压电换能器L的另一端接地。
压电换能器L和电阻器R1的连接节点连接到第二放大器AMP2的正 (+)差分输入端，而第三转换器D/A3的输出经由第三放大器AMP3和 负载电路连接到放大器AMP2的负(一)输入端。放大器AMP2的输出被 发送到转换器D/A2，作为ASP 205的发送信号输出。
ASP 205的负载电路包括电阻器R2和R3的串联电路。电阻器R2的 一端连接到放大器AMP3的输出，电阻器R3的一端接地，并且电阻器R2 和R3的连接节点连接到放大器AMP2的负(-)输入端。优选地，电阻 器的电阻值被设置使得R2等于R1，R3等于压电换能器L的代表性阻 抗。例如，R3＝2π*f0*L，其中f0＝600Hz，L是以亨(Henrys)为单位的 电感。
如图2所示，EC 220包括第一至第五开关SW1-SW5，如果EC 220处 于常规操作中则所有这些开关都连接到“r”侧。例如，当电路被用于接收 和发送音频信号时。EC 220还包括第一和第二滤波器FIL1和FIL2。
EC 220接收从VOX 225中的衰减器ATT1输出的接收信号。接收信 号随后被缓冲器BUF1缓冲，并被发送到转换器D/A1。EC 220还将缓冲 的接收信号通过第二滤波器FIL2发送到转换器D/A3，并通过第一滤波器 FIL1发送到加法器ADD。
在第二缓冲器BUF2处，EC 220接收从转换器A/D2输出的发送信 号。第一滤波器FIL1的输出在加法器ADD处被从缓冲的发送信号中减 去，并且其差值被输出到VOX 225，作为来自EC 220的发送信号输出。
第二滤波器FIL2被设置使得从缓冲器BUF1的输出节点，经过滤波器 FIL2、转换器D/A3、放大器AMP3、负载电路(电阻器R2和R3)、放 大器AMP2(经由其负(-)输入端)和转换器A/D2直到缓冲器BUF2 的输出节点的传输特性仿真从缓冲器BUF1的输出节点，经过转换器 D/A1、放大器AMP1、电阻器R1、放大器AMP2(经由一个(+)输 入)和转换器A/D2直到缓冲器BUF2的输出节点的传输特性。
第一滤波器FIL1以这样的方式被设置，以仿真从第一缓冲器BUF1的 输出节点经由以下三项直到第二缓冲器BUF2的传输特性：(i)经过两条 路径的ASP 205(其中一条开始于转换器D/A1，另一条路径开始于第二滤 波器FIL2和转换器D/A3)，(ii)这两条路径接合处的差分放大器 AMP2，和(iii)转换器A/D2。
在EC 220的测量(测试)操作的情形中，当设置第一和第二滤波器 的参数时，该操作是以三个顺序步骤完成的，这三个步骤分别用开关SW1 至SW5表示为第一、第二和第三步m1、m2和m3。在该操作期间，开关 首先连接到m1端，然后连接到m2端，最后连接到m3端。
例如，对于第一、第二和第三步，开关SW1保持连接到同一端。另 一方面，对于第一步开关SW4开始于m1端，对于第二步切换到m2端， 最后对于第三步切换到m3端。在任何情况下，在利用EC 220进行测量操 作期间，来自测试信号发生器的测试信号(而不是来自VOX 225的接收信 号)被提供到缓冲器BUF1。下面将进一步详细描述这些步骤。
在第一步中，从测试信号发生器输出的测试信号经过缓冲器BUF1和 转换器D/A1被发送到ASP 205，从而转换器D/A3的输入经过开关SW4 接地(零值被输入)。所得到的缓冲器BUF2的输出被存储作为信号1。
在第二步中，相同的测试信号经过由缓冲器BUF1和转换器D/A3代 表的信号路径被发送到ASP 205，从而转换器D/A1的输入经过开关SW3 接地(零值被输入)，并且所得到的缓冲器BUF2的输出被存储作为信号 2。
然后，信号1、信号2和测试信号被k2计算器通过预定的计算过程加 以处理。该操作设置了第二滤波器FIL2的参数k2。
在第三步中，测试信号经过由缓冲器BUF1和转换器D/A1代表的信 号路径被发送到ASP 205。测试信号还经过由缓冲器BUF1、滤波器FIL2 和转换器D/A3代表的信号路径被发送到ASP 205。然后，所得到的缓冲 器BUF2的输出信号和测试信号被k1计算器利用另一个预定的计算过程加 以处理。该操作设置了第一滤波器FIL1的参数k1。
在第一和第二步中设置的第二滤波器FIL2仿真了放大器AMP2的输 入电压具有大振幅的情形，而在第三步中设置的第一滤波器FIL1仿真了 放大器AMP2的输入电压具有小振幅的情形。
在该实施例中，因为EC 220利用预先安装的程序来执行回波抵消所 需的所有调整，所以ASP 205没有必要具有桥式电路，从而可以简单地设 计并且不加调整地制造硬件，并且可以容易地最小化硬件尺寸，所有这些 都会带来大量优点。
利用上述处理，EC 220可以在压电换能器被插入到用户的外耳道中之 后立即自动设置滤波器FIL1和FIL2。EC 220也可以在换能器被插入到耳 道中时周期性地设置滤波器FIL1和FIL2。或者，滤波器FIL1和FIL2可 以在每次启动接收信号和/或发送信号时被设置。这样，声波特性的变化 (包括由不同用户的外耳道之间的结构差异引起的变化)被反映在滤波器 FIL1和FIL2的设置中。
图3是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备30的框 图。DSP 310具有与图1的DSP 110不同的结构。MPU只有用于半双工通 信的VOX 325。其不具有回波抵消功能。然而，ASP 305等同于图1的 ASP 105。
在该实施例中，ASP 305执行回波抵消功能，并且VOX 325在发送和 接收模式之间切换。在该实施例中，通常不能实现与例如由图1的EC 120 和图2的EC 220产生的回波抵消一样高质量级别的回波抵消，并且可能 残留有小量的回波。然而，在该实施例中，VOX 325分别减小了在接收或 发送时衰减器ATT2或ATT1的增益。从而，出于实用目的，回波可以几 乎完全抑制。
MPU操作的减少意味着可以使用复杂度更低的和更便宜的处理单元， 从而提供更加经济的制造。或者，当使用等同的MPU时，过剩的处理能 力可用于提高VOX 325的性能。
VOX 325经由转换器A/D1接收来自接收端Rx的接收信号并监视该 信号，并且经由转换器A/D2接收发送信号并监视该信号。VOX 325确定 接收信号和/或发送信号的存在，并且判定是将操作模式切换到接收模式 (耳机模式)还是切换到发送模式(麦克风模式)。然后，利用预定程 序，VOX 325处理接收信号并将接收信号发送到转换器D/A1(到下一 级)，同时处理发送信号并经由转换器D/A2将发送信号发送到发送端 Tx。
下面给出了VOX 325如何确定何时在耳机模式和麦克风模式之间切换 的若干示例。每个示例可以由安装在数字信号处理器310中的程序实现。
作为第一示例，只监视接收信号。操作模式在接收信号存在的情况下 切换到接收模式，而在不存在检测的接收信号的情况下切换到发送模式。
在第二示例中，只监视发送信号。操作模式在发送信号存在的情况下 切换到发送模式，而在不存在发送信号的情况下维持在接收模式。
作为另一个示例，既监视接收信号又监视发送信号。设备只有在存在 接收信号时才切换到接收模式，并且在存在发送信号时切换到发送模式。
或者，在接收信号和发送信号都存在或者接收信号和发送信号都不存 在的情况下，操作模式被基于上述操作模式的统计特性被设置为一种模式 或另一种。
更具体而言，VOX 325包括第一和第二低通滤波器LPF1和LPF2、第 一和第二衰减器ATT1和ATT2以及功率控制器。在接收信号和发送信号 被低通滤波器LPF1和LPF2处理后，这两个信号中的任何一个或两者被提 供到功率控制器。来自LPF1和LPF2的信号分别被提供到衰减器ATT1和 ATT2，然后分别被发送到转换器D/A1和D/A2。
接收和发送信号中的任何一个或两者的振幅值在预定时间段T1期间 被功率控制器平均(例如，平方平均或绝对值平均)。该平均用于确定每 个信号的功率。功率值随后与预定功率阈值相比较。基于比较结果确定接 收信号和/或发送信号的存在与否，并据此选择下一操作模式。
如果选择接收模式，则衰减器ATT1的增益使接收信号的增益朝1移 动，而衰减器ATT2的增益使发送信号的增益朝0移动。如果选择发送模 式，则衰减器ATT1的增益使接收信号的增益朝0移动，而衰减器ATT2 的增益使发送信号的增益朝1移动。
可以确定在时间段T1期间进行的多个判决的累积效果。也就是说， 当持续接收模式时，接收信号的增益根据预定增益转变曲线持续增大。如 果确定切换到发送模式，则增益根据预定增益转变曲线沿相反方向减小。
如果只基于接收和发送信号之一的存在与否的判决来选择下一操作模 式，并且如果预定时间段T1很短，则在会话期间的每个自然瞬时停顿时 刻额外的模式切换会频繁发生。相反地，如果间隔T1太长，则模式不会 在发送和接收之间成功切换。从而，可能无法找到T1的解(solution)窗 口(值的适当范围)，即使当预定功率阈值被尽可能精确地调整时也是如 此。
然而，根据该实施例，衰减器ATT1和ATT2的增益只在每个自然瞬 时停顿时被轻微改变。从而切换只在对多个确定作出相同判决之后才实际 起作用，从而导致自然和正常的切换。
在某些实施例中，预定增益转变曲线的形状是以S形阶梯形式构成的 离散转变。换句话说，每单位判决的增益改变在最终值0或1附近较小， 而在中间范围内较大，从而使阶梯整体呈现S形。在图9(a)的S1和S2 可以看到表现这类S形的增益转变曲线的示例。
图9示出了当各种增益转变曲线被应用于某一自然会话中的发送和接 收信号的切换时通信语音的质量的评估测试结果。图9(a)是根据本发明 实施例的半双工双向通信设备的VOX中的衰减器的各种增益转变曲线的 图。图9(b)示出了利用图9(a)的增益转变曲线获得的通信语音质量 的敏感性评估的结果，其中“A”指示好，“B”是中等，“C”是差。
自然会话中语音信号的功率(这里定义为平方振幅的平均值)被改 变，作为评估中的另一个变量。另外，在该测试中，用于获得平方振幅的 平均值的预定时间段T1被设为10毫秒，而预定功率阈值被设为15 dBm0，其中dBm0单位指示在零发送电平点处测得的以dBm(相对1 毫瓦的dB)为单位的功率。
根据评估，当使用图9(a)的线性阶梯型曲线L1至L4时，无论步进 大小D(delta)是从40dB到4dB，通信语音的质量都是差(“C”)。 只有当使用S形阶梯型曲线S1和S2时，才可以在正常语音功率水平(15 dBm0)附近获得好的(“A”)或中等的(“B”)质量。然而，如果使 用S形阶梯型曲线S2，则可能留有轻微的回波，在S2中，从0到1的增 益转变超过了300m/sec。
图4是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备40的框 图。在该实施例中，EC 420等同于图1的EC 120。DSP 410也包括与图3 的VOX 325相同的VOX 425。从而，可以获得具有比图3的设备30更高 回波抵消质量的半双工双向通信设备40。
作为可能的替换实施例，图1、3和4的ASP 105、305和405的放大 器AMP2分别可以通过串行连接具有约1的增益的差分放大器、具有约 600的增益的放大器和具有约1的低频增益的低通滤波器来配置。
图5是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备50的框 图。在该实施例中，ASP 505和DSP 510等同于图2的全双工双向通信设 备20中所示的ASP 205和DSP 210。从而，可以获得具有比图4的设备 40更高回波抵消质量的半双工双向通信设备50。
图6是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备60的框 图。该实施例提供了比图3的ASP 305更简化的ASP 605。
在该实施例中，ASP 605包括具有中间抽头t的可变电阻器R。中间 抽头t的位置由数字信号控制。压电换能器L的一端接地，而另一端连接 到中间抽头t。
可变电阻器R的一端经由第一放大器AMP1接收接收信号，即DSP 610的转换器D/A1的输出。可变电阻器R的另一端连接到DSP 610的转 换器A/D2，并且经由第二放大器AMP2输出来自ASP 605的发送信号。
DSP 610还包括VOX 625、转换器A/D1和转换器D/A2。转换器 A/D1和D/A2都等同于图3中所示的部件，但是VOX 625的功率控制器 还配备有第三输出，其用于控制可变电阻器R的中间抽头t的位置。
DSP 610提供了与图3中的VOX 325类似的VOX 625。通过利用功率 控制器的第三输出改变中间抽头t的位置，提供了回波抵消功能。中间抽 头t的位置在接收模式中朝第一放大器AMP1的输出节点移动，在发送模 式中朝第二放大器AMP2的输入节点移动。中间抽头t根据用于切换的预 定抽头位置转变曲线而从一个节点朝另一个节点移动。
如果中间抽头t的位置从现有位置改变到期望的最终位置(可变电阻 器R的一端或另一端)，则累积效果被提供到在时间间隔T1期间进行的 多个选择，这与以上结合图3所述的衰减器ATT1和ATT2的增益的情形 类似。
也就是说，如果切换到接收(或发送)模式的判决继续，则中间抽头 t的位置根据预定抽头位置转变曲线朝一端(或另一端)移动。如果判决 改变为切换到相反的发送(或接收)模式，则位置根据预定抽头位置转变 曲线朝相反端(或第一端)移动回去。
类似于图9(a)的增益转变曲线S1和S2，预定抽头位置转变曲线也 可以是S形阶梯的类型。即，每单位判决的抽头位置改变在接近最终值0 或1处较小，而在中间范围内较大。或者，预定抽头位置转变曲线可以包 括线性阶梯型曲线，如图9(a)的曲线L1至L4。
当将图9(a)的增益转变曲线转化为图6的抽头t的抽头位置时，垂 直轴中的衰减器增益(0dB、-20dB、-40dB等)应当读作适当刻度的抽 头位置坐标。例如，读作可变电阻器R的一端、中心和另一端。
在选择时，为了在接收/发送模式间切换从而使会话自然交换，应当采 用抽头位置、ATT1增益和/或ATT2增益的曲线之间的最适当的组合。
图7是示出根据本发明另一个不同实施例的半双工双向通信设备70 的框图。该实施例提供了更简单的结构以替代图3的ASP 305和DSP 310。在该实施例中，ASP 705包括具有中间抽头t的可变电阻器R。压电 换能器L的一端接地，而另一端连接到中间抽头t。可变电阻器R的一端 经由第一放大器AMP1和第一模拟衰减器ATT3直接连接到接收端Rx。 可变电阻器R的另一端经由第二放大器AMP2和第二模拟衰减器ATT4直 接连接到发送端Tx。可变电阻器R的中间抽头t的位置以及第一和第二模 拟衰减器ATT3和ATT4的增益可以由数字信号控制。
DSP 710包括转换器A/D1和MPU。MPU具有包括低通滤波器LPF1 和功率控制器的VOX 725。VOX 725经由转换器A/D1和低通滤波器 LPF1接收来自接收端Rx的接收信号并监视该信号。VOX 725确定接收信 号的存在与否，并判定是切换到接收模式(耳机模式)还是切换到发送模 式(麦克风模式)。然后，VOX 725据此控制第一和第二模拟衰减器 ATT3和ATT4的增益以及中间抽头t的位置。
功率控制器对预定时间段(T1)期间的接收信号的振幅值取平均(例 如，平方平均或绝对值平均)以确定信号功率。功率值随后与预定阈值相 比较以确定接收信号存在与否。VOX基于比较结果选择下一操作模式。
如果选择接收模式，则衰减器ATT3和衰减器ATT4的增益各自分别 朝1和0改变，而中间抽头t的位置朝可变电阻器R的一端改变。如果选 择发送模式，则上述增益和位置以相反方式改变。
类似于图6的设备60，模拟衰减器ATT3、ATT4的增益的转变曲线 以及中间抽头t的位置被选择和判定从而以自然方式通信和交换语音。
图8是示出根据本发明另一个实施例的半双工双向通信设备80的框 图。该实施例提供了更简单的ASP 805以替代图7的ASP 705。
在该实施例中，在图7中具有中间抽头t的可变电阻器R被开关SW 替代。下面描述的操作防止了在从发送模式切换到接收模式时将语音信号 或开关SW的切换噪声相叠加。第二模拟衰减器ATT4的增益首先根据预 定转变曲线从1改变到0。开关SW随后从发送切换到接收。最终第一模 拟衰减器ATT3的增益根据预定转变曲线从0改变到1。
如果从接收切换到发送模式，则上面概括的切换操作以相反顺序执 行。开关SW的位置由来自数字信号处理器810的语音操作交换器中的功 率控制器的数字信号控制。
本发明的以上实施例解决了下述问题。广泛地说，在耳膜中拾取的语 音(即，通过空气传输经由说话者的耳膜振动检测到的说话者语音)在较 高频率处比在说话者嘴边检测到的语音受到更多的衰减。例如，衰减在 2000Hz可以高达10dB，而在较低频率(高至约1000Hz)处实际没有衰 减。因此，在耳膜中检测到的语音可能是质量极差的，其结果是尤其是爆 炸性的声音很难听见。
上述本发明的实施例通过向DSP增加校正滤波器来解决该问题。即， 在图1-6中所示的VOX 125-625的发送信号的处理路径中，第二低通滤波 器LPF2的输出经由上述校正滤波器被发送到衰减器ATT2和功率控制 器。校正滤波器的增益的频率特性随后被设置以平衡上述差异。
本发明的其他实施例通过提供代表了图7和8的轻微修改的半双工双 向通信设备来解决该衰减问题。这些替换实施例向DSP 710和810增加了 校正滤波器以及附加的A/D转换器和D/A转换器。换句话说，图7和图8 的模拟衰减器ATT4的输出不是直接发送，而是经过转换器A/D2(未示 出)、校正滤波器(未示出)和转换器D/A1并最终发送到发送端Tx。
图10A-10C是设计用于包含上述双向通信设备中的任何一个实施例的 听筒900的图。听筒900包括耳塞头906，耳塞头906插入到用户耳朵905 的外耳道908中，并且舒适地贴合在耳道908中。耳塞头906包括由软的 柔性材料制成的伞状罩910，伞状罩910与外耳道908的形状一致。罩 910的顶部有开口912，开口912允许空气到达封装902内的模拟信号处理 器914中的换能器。
图10C示出了图10A和10B中所示的耳塞头听筒的横截面图。耳塞 头906咬住听筒封装902的延伸部分904，听筒封装902容纳有换能器和 其他模拟信号处理电路914。数字信号处理器916也包含在封装902中。 数字信号处理器916连接到模拟信号处理器914，并且还连接到承载接收 和发送信号的线路918。
很重要的一点是注意到，图10A-10C中所示的听筒仅代表可结合上述 电路配置的许多可能配置中的一个示例。尽管这些配置中的某一些包括插 入到用户头部的外耳道中的单个听筒，但是也可以在包括利用带子夹持到 用户头部的一对听筒的头戴式耳机中实现双向通信电路。
根据本发明实施例的双向通信设备体积小并且经济，还提供了大量的 优点。即使在非常嘈杂的环境中和/或在诸如大风和下雨之类的恶劣条件 下，语音信号也可以清楚地发送和接收。由于该设备只使用了用户耳朵之 一，因此用户可以自由地使用他/她的手、嘴和另一只耳朵。因此，即使在 某个人正在使用该设备时，他或她也可以听见附近人的说话并与附近的人 交谈，并且可以听见他或她周围的环境声音。因此，该设备最适合于复杂 和危险的工作，例如与交通工具或机器的操作相关联的工作。
参照以上本发明优选实施例的描述，本领域技术人员将会清楚，也可 以创建结合了上述概念的其他实施例。从而，本发明的实施例并不限于上 述实施例，而是应当仅由所附权利要求定义的本发明的精神和范围限定。