具有组合频率范围的声传感器的制作方法

专利名称：具有组合频率范围的声传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及声传感器领域。更具体地说，本发明涉及具有组合频率 范围的声传感器。
背景技术：
声数据可在计算机和消费者电子装置中用于各种用途。例如，视频 会议和虚拟会议技术经常包括麦克风，以捕捉可听声数据，如参与者的 话音，以使可听数据可与视频数据和/或图形数据一起提供给其它参与 者。可听声数据也可用于记录诸如语音和音乐等声音，捕捉口述并将它 转换成文本，检测和跟踪房间中说话者的位置，以便将相机自动聚焦到 这个人，以及无数的其它应用。
除可听声数据外，超声波声数据也可具有多种用途。超声(us)笔是
一个示例。 一些us笔可以象普通笔一样使用，在诸如纸张或白板等表
面上书写。然而，同时可使用声学和电学组合来跟踪笔的运动，以捕捉 笔的运动。
us笔技术有许多应用。例如，当用户在某个表面上书写时，书写
的图像可被捕捉并显示在计算机显示器上。这在视频会议和虛拟会议中 可能特别有用。例如，当说话者在会话期间在白板上书写笔记时，书写 内容可显示在计算机屏幕上，以供房间中的参与者以及远程位置的参与 者观看。
又如，除捕捉在表面上书写内容的图像外，us笔也可用于在图形
用户界面上移动鼠标指针。这也在^L频会议和虚拟会议期间可能特别有 用。例如，演示文稿通常在计算机上汇编，并随后投影到墙上或屏幕上， 以及通过网络连接提供给远程观看者。用US笔，用户可以从投影到屏
幕上的图像直接对演示文稿进^f亍交互作用。也说是说，用户可在屏幕的 表面上移动该笔，并且系统可捕捉笔的运动，并在屏幕上移动鼠标指针 的图像以及远程观看者的显示，以跟踪笔的运动。这些只是可使用US 笔技术的许多方式中的两个示例。


附图中示出了本发明的示例。然而，附图并不限制本发明的范围。 图中类似的标号表示类似的要素。
图1示出声数据系统的一个实施例。
图2示出混合传感器的一个实施例。■ 图3示出可如何并置混合传感器的一个实施例。 图4示出混合传感器可组合的频率范围的一个实施例。 图5示出主机装置的一个实施例。 图6示出混合传感器过程的一个实施例。 图7示出可执行本发明各种功能的硬件系统的一个实施例。 图8示出存储可实现本发明各种功能的指令的机器可读介质的一个 实施例。
具体实施例方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供本发明的详尽理 解。然而，本领域的技术人员将理解，实践本发明可没有这些具体细节， 本发明并不限于所示实施例，并且本发明可在各种备选实施例中实践。 在其它情况下，熟知的方法、过程、组件和电^各并未详细描述。
部分描述将使用本领域技术人员通常采用的术语进行表述，以向本 领域的其它技术人员传达其工作的实质内容。此外，部分描述将才艮据通 过编程指令的执行而执行的操作进行表述。本领域的技术人员将理解， 这些操作经常采用能够通过例如电气组件存储、传送、组合及以其它方 式操控的电、磁或光信号的形式。
各种操作将描述为以有助于理解本发明的方式依次执行的多个分立 步骤。然而，描述顺序不应视为暗示这些操作必需以其表述的顺序执行， 甚至也不应视为与顺序相关。最后，重复使用的短语"在一个实施例中" 虽然可以但不一定指同 一 实施例。
由于可听和超声波声数据均具有如此多有用的应用，因此，具有可 接收两种类型声数据的声传感器将是有利的。可听声音的频率范围往往
是从大约0到20 KHz。不同的超声应用往往使用不同范围的超声频率。 例如，超声笔的一个频带可使用在40 KHz到50 KHz范围的信号，并 且另一频带可使用在80 KHz到90 KHz范围的信号。超声波声音的频 率范围一般认为是大约40 KHz到100 KHz。因此，可支持各种超声应 用的超声传感器可能将需要能够检测从40 KHz到100 KHz的整个超声 范围。将可听范围加到超声范围以支持可听和超声应用，并且有用声数 据的组合范围可从O延伸到lOOKHz。
具有100 KHz带宽的声传感器可能存在，但这些宽带传感器在竟争 激烈的计算机和消费者电子市场中的使用往往过于昂贵。此外，许多的 声数据应用使用多个传感器的阵列，使宽带传感器的使用成本更高。
本发明的实施例可组合较1更宜的传感器带宽，以提供成本可大大低 于现有宽带传感器的混合传感器，同时提供相同或类似的完全有效的带 宽。虽然本发明的实施例将主要在组合超声和可听频率范围的混合传感 器的上下文中描述，但本发明的其它实施例也可类似地将实际上任意数 量的实际上任意频率范围组合到混合传感器中。
图1示出其中可使用本发明实施例的声数据系统的一个示例。客户
机装置IOO可包括US笔110、书写表面120和传感器阵列130。 US笔
IIO可用于在表面120上进行《会图140。在笔110与表面120接触时，
该笔也可在笔的书写末端发出超声信号150。
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器160。每个传感器160可能够接收超声信号150。每个传感器160捕 捉的信号可包括单独信道的超声数据。所示的实施例包括12个传感器
160，这意味着所示的实施例可捕捉高达12个信道的声数据。每个信道 的数据可转换成一系列数据样本，并且这些样本可同步交错。也就是说， 来自信道1的数据样本后面可以是来自信道2的数据样本，来自信道2 的数据样本后面可以是来自信道3的数据样本，以此类推直至信道12。 模式可以重复，以某一周期速率交错来自信道1到信道12的数据样本。
12个信道的数据可通过通信介质提供到主机装置。在所示的实施例 中，主机装置是笔记本计算机105，并且通信介质是通用串行总线(USB) 电缆115。笔记本105可包括4建盘125和用于显示图形用户界面(GUI) 的显示器135。 12个信道的数据可由笔记本105用于控制指针145在显 示器135上的位置，和/或捕捉并显示绘图140。
例如，由于从笔110到任一对传感器160的距离可能不同，因此信 号150到达该对传感器所用的时间量可能不同。两个信道的声数据之间 的这种传播延迟以及声音速度和两个传感器的相对位置可用于计算笔 110的位置。换而言之，各种算法可用于对笔的位置进行三角测量，并 在位置随着时间而变化时跟踪笔的运动。
由于传感器160是混合传感器，因此它们也可能够接收可听声数据。 例如，传感器阵列130可能够捕捉用户的话音。用12个信道的数据， 各种应用可使用该数据进行噪声消除、扬声器跟踪等等。
图2示出可用于图1中传感器160的混合声传感器的一个示例。混 合传感器160可包括音频麦克风210和超声麦克风220。每个麦克风可 捕捉不同频率范围的声数据，并将它转换成模拟电信号。模拟混合器230 可组合这些信号，并将组合的模拟信号提供到共享的模数转换器(ADC) 240。 ADC 240可以特定取样率对组合的模拟信号取样，并将它转换成 数字样本流。
在所示的示例中，混合传感器160还包括两个数字滤波器，低通滤 波器250和高通滤波器260。低通滤波器250可滤出数字样本流中对应 于较高频率的数据，并提供表示可听数据的数字数据样本流270。高通 滤波器260可执行正好相反的功能，以提供表示超声数据的数字数据样
本流280。
混合传感器160可比能够检测可听和超声范围两者的单个宽带传感 器便宜很多，因为在较高带宽，声传感器的成本往往大大提高。换而言 之，具有20 KHz带宽的麦克风、具有60 KHz带宽的麦克风加上才莫拟 混合器的成本可大大小于100KHz带宽麦克风的成本。
如图3所示，两个麦克风可在同一位置，以便它们在传感器阵列中 共享一个位置。例如，音频麦克风210可具有圓形形状因数，并且超声 麦克风220可具有环绕音频麦克风210的环形形状因数。用并置的传感 器，来自两个传感器的数据可被视为来自一个位置的单信道数据，好象 组合的数据来源于单个传感器一样。
图4示出可由图2的混合传感器捕捉的频率范围的一个示例。图2 的音频麦克风210可具有在10 KHz的中心频率410和20 KHz带宽420。 图2的超声麦克风220可具有在70 KHz的中心频率430和60 KHz带 宽440。通过混合从两个麦克风捕捉的信号，混合传感器可具有从带宽 420下界延伸到带宽440上界的有效的100 KHz带宽450。
在此特定示例中，混合传感器不可捕捉在20 KHz与40 KHz之间 的频率。但使用此特定混合传感器的应用集合可能不需要在该频率范围 的数据。例如，如图5所示，主机装置5'10可包括使用在0到20 KHz 范围的音频数字数据样本540的音频跟踪单元520和使用在40 KHz到 100 KHz范围的超声数字数据样本550的超声笔单元530。对于不同的 应用集合，组合的传感器可设计为支持所需的频率范围。
图6示出可由诸如传感器160等混合传感器的一个实施例使用的过 程示例。在610，混合传感器可接收声数据。在620，混合传感器可生 成第一信号，以表示在第一中心频率附近第一带宽中的声数据。在630， 混合传感器可生成第二信号，以表示在第二中心频率附近第二带宽中的 声数据。在640，传感器可将第一和第二信号组合成第三信号，以表示 在从第一带宽下界的频率延伸到第二带宽上界的频率的第三带宽中的声 数据。随后，在650，混合传感器可将第三信号转换成表示在第三带宽
中声数据的数字数据样本流。
在660，数据样本流可被低通滤波成表示在较低频率的声数据带宽 的数字数据样本流。在670，较低频率数据随后可与来自传感器阵列中 其它混合传感器的类似较低频率数据流进行交错，并提供到主机装置中 的音频跟踪单元。
在680，数据样本流可被高通滤波成表示在较高频率的声数据带宽 的数字数据样本流。在690,较高频率数据随后可与来自传感器阵列中 其它混合传感器的类似较高频率数据流进行交错，并提供到主机装置中 的超声笔单元。
图1-6示出多个实现特定的细节。许多技术可用于实现混合传感器 的各种组件。例如，在一个实施例中， 一个或多个组件可使用微才几电系 统(MEMS)技术实现。其它实施例可不包括所有示出的要素，可以不同 的方式布置这些要素，可组合一个或多个要素，可包括附加的要素等等。
例如，在图1中，传感器阵列中的传感器可以不同的方式沿着书写 表面的一个或多个边布置，各种各样的计算机和/或消费者电子装置可 用于主机装置，且许多通信介质可用于连接客户机和主机装置，包括串 行电缆、无线连接、光学连接、或客户机与主机是更大装置内的组件的 内部网络连接。
类似地，在图2中，滤波还可在系统的上游完成。例如，组合的模 拟信号或表示组合的模拟信号的数据样本流可提供给主机装置，并且主 机装置可滤出数据的不同部分。其它实施例可类似地包括比图2所示更 多的麦克风以捕捉附加频率范围，以及附加滤波器以隔离组合的频率范 围的不同部分。例如， 一个实施例可使用三个传感器， 一个用于0到30 KHz, —个用于30KHz到60KHz,且一个用于60 KHz到90 KHz，以 实现90 KHz的组合的有效带宽。另一个实施例可包括三个滤波器，用 于可听数据的低通滤波器、用于40 KHz与50 KHz之间超声数据的带 通滤波器以及用于80KHz与90KHz之间超声数据的另一带通滤波器。
图3的其它示例可对音频麦克风使用环形，而对超声麦克风^f吏用嵌
入式圓形。在又一些示例中，麦克风实际上可采用允许它们并置的任意 形状。
在图5中，许多技术可用于实现音频跟踪单元和超声笔单元。图5 的其它示例可包括可使用声数据的许多各种应用和技术。
图6的其它示例可在客户4几装置与主机装置之间划分各种功能。例 如，在一个实施例中，客户机装置可执行功能610到650，以生成组合 的数字数据流，并将来自传感器多个信道的组合数据流交错后才将交错 的数据发送到主机装置。在该情况下，主机装置可从交错的组合数字数 据流中滤波各种频率范围的数据。
图7示出可将本发明各种实施例的功能聚集在一起的通用硬件系统 的一个实施例。在所示的实施例中，硬件系统包括耦合到高速总线705 的处理器710,该总线705通过总线桥730耦合到输入/输出(I/0)总线 715。暂时存储器720耦合到总线705。永久存储器740耦合到总线715。 1/0装置750也耦合到总线715。 1/O装置750可包括显示装置、键盘、 一个或多个外部网络接口等。
某些实施例可包括附加组件，可能不需要所有上述组件，或者可能 组合一个或多个组件。例如，暂时存储器720可与处理器710—起在芯 片上。备选地，永久存储器740可去除，并且暂时存储器720可替换为 电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，其中软件例程从EEPROM原 地执行。 一些实现可采用单个总线，所有的组件均耦合到该总线，而其 它实现可包括一个或多个附加总线和总线桥，各种附加组件可耦合到这 些总线和总线桥。类似地，可^f吏用各种备选的内部网络，例如包括基于 高速系统总线具有存储器控制器中心和I/O控制器中心的内部网络。附 加组件可包括附加处理器、CD ROM驱动器、附加存储器以及本领域 熟知的其它外围组件。
如上所述的本发明各种功能可使用一个或多个这些硬件系统实现。 在一个实施例中，这些功能可实现为可由硬件系统内诸如处理器710等 一个或多个执行单元执行的指令或例程。如图8所示，这些机器可执行
指令810可使用任一机器可读存储介质820存储，包括诸如图7中存储 器720和740等内部存储器以及各种外部或远程存储器，诸如硬盘驱动 器、磁盘、CD-ROM、磁带、数字视频或多功能盘(DVD)、激光盘、闪 存、网络上的服务器等。这些机器可读指令也可存储在各种传播信号中， 如从服务器到客户机的无线传输。在一个实现中，这些软件例程可用C 编程语言编写。然而，要理解的是，这些例程可以用各种编程语言中的 任一语言实现。
在备选实施例中，本发明的各种功能可在分立的硬件或固件中实 现。例如， 一个或多个专用集成电路(ASIC)可被编程有一个或多个上述 功能。在另一示例中，本发明的一个或多个功能可在附加电路板上的一 个或多个ASIC中实现，并且电路板可插入到上述计算机中。在另一示 例中， 一个或多个可编程门阵列(PGA)可用于实现本发明的一个或多个 功能。在又一示例中，硬件和软件的组合可用于实现本发明的一个或多 个功能。
由此，描述了具有组合频率范围的声传感器。尽管在阅读了上述说 明后，本领域的技术人员将理解本发明的许多变化和修改，但要理解， 通过图示显示和描述的具体实施例决不可视为限制。因此，对具体实施 例的细节的引用无意限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种设备，包括第一声传感器，生成第一信号以表示在第一中心频率附近第一带宽中的声数据；第二声传感器，与所述第一声传感器在同一位置，以形成混合声传感器，所述第二声传感器生成第二信号以表示在第二中心频率附近第二带宽中的声数据，所述第一带宽的下界在比所述第二带宽的下界更低的较低频率，并且所述第二带宽的上界在比所述第一带宽的上界更高的较高频率；以及混合器，将所述第一信号和所述第二信号组合成第三信号，以表示从所述较低频率到所述较高频率的第三带宽中的声数据。
2. 如权利要求l所述的设备，其中 所述第一声传感器包括圆形麦克风；以及所述第二声传感器包括环绕所述圆形麦克风的环形麦克风。
3. 如权利要求l所述的设备，其中所述第一中心频率包括10KHz， 所述第一带宽包括20 KHz，所述第二中心频率包括70 KHz,并且所述 第二带宽包括60KHz。
4. 如权利要求1所述的设备，还包括 模数转换器，将所述第三信号转换成数字数据样本流。
5. 如权利要求4所述的设备，还包括低通数字滤波器，接收所述数字数据样本流并通过较低带宽数字数 据样本流；以及高通数字滤波器，接收所述数字数据样本流并通过较高带宽数字数 据才羊本流。
6. 如权利要求5所述的设备，其中所述较低带宽数字数据样本流对 应于所述第一带宽中的所述声数据，并且所述较高带宽数字数据样本流 对应于所述第二带宽中的所述声数据。
7. 如权利要求5所述的设备，还包括 音频跟踪单元，接收所述较4氏带宽数字数据样本流；以及 超声笔单元，接收所述较高带宽数字数据样本流。
8. 如权利要求l所述的设备，其中所述混合声传感器包括混合声传 感器阵列当中的第一混合声传感器。
9. 如权利要求l所述的设备，其中所述第一声传感器和所述第二声 传感器中至少之一 包括微机电系统(MEMS)。
10. —种方法，包4舌 在混合声传感器接收声数据；生成第一信号，以表示在第一中心频率附近第一带宽中的声数据； 生成第二信号，以表示在第二中心频率附近第二带宽中的声数据， 所述第一带宽的下界在比所述第二带宽的下界更低的较低频率，且所述 第二带宽的上界在比所述第一带宽的上界更高的较高频率；以及将所述第一信号和所述第二信号组合成第三信号，以表示从所述较 低频率到所述较高频率的第三带宽中的声数据。
11. 如权利要求IO所述的方法，还包括将所述第三信号z;4莫拟形式转换成数字数据样本流。
12. 如权利要求11所述的方法，还包括对所述数字数据样本流进行低通滤波，以通过较低带宽数字数据样 本流；以及对所述数字数据样本流进行高通滤波，以通过较高带宽数字数据样 本流。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括将所述较高带宽数字数据样本流与来自多个附加混合声传感器的多 个附加数字数据样本流交错，以形成交错的数据样本流；以及 将所述交错的数据样本流提供到超声笔单元。
14. 如权利要求12所述的方法，还包括将所述较低带宽数字数据样本流与来自多个附加混合声传感器的多个附加数字数据样本流交错，以形成交错的数据样本流；以及 将所述交错的数据样本流提供到音频跟踪单元。
15. —种机器可读介质，其中存储有机器可执行指令，当所述指令 被执行时实现包括如下步骤的方法在混合声传感器接收声数据；生成第一信号，以表示在第一中心频率附近第一带宽中的声数据； 生成第二信号，以表示在第二中心频率附近第二带宽中的声数据， 所述第一带宽的下界在比所述第二带宽的下界更低的较低频率，且所述 第二带宽的上界在比所述第一带宽的上界更高的较高频率；以及将所述第一信号和所述第二信号组合成第三信号，以表示从所述较 低频率到所述较高频率的第三带宽中的声数据。
16. 如权利要求15所述的机器可读介质，所述方法还包括 将所述第三信号从;f莫拟形式转换成数字数据样本流。
17. 如权利要求16所述的机器可读介质，所述方法还包括 对所述数字数据样本流进行低通滤波，以通过较低带宽数字数据样本流；以及对所述数字数据样本流进行高通滤波，以通过较高带宽数字数据样 本流。
18. 如权利要求17所述的机器可读介质，所述方法还包括 将所述较高带宽数字数据样本流与来自多个附加混合声传感器的多个附加数字数据样本流交错，以形成交错的数据样本流；以及 将所述交错的数据样本流提供到超声笔单元。
19. 如权利要求17所述的机器可读介质，所述方法还包括 将所述较低带宽数字数据样本流与来自多个附加混合声传感器的多个附加数字数据样本流交错，以形成交错的数据样本流；以及 将所述交错的数据样本流提供到音频跟踪单元。
20. —种系统，包括主机装置，提供图形用户界面；以及客户机装置，与所述主机装置耦合，所述客户机装置包括混合声传 感器阵列，以提供用于所述图形用户界面的控制数据流，每一个所述混合声传感器包括第一声传感器，生成第一信号以表示在第一中心频率附近第一 带宽中的声參:据；第二声传感器，与所述第一声传感器在同一位置，所述第二声 传感器生成第二信号以表示在第二中心频率附近第二带宽中的声数据， 所述第 一带宽的下界在比所述第二带宽的下界更低的较低频率，并且所 述第二带宽的上界在比所述第一带宽的上界更高的较高频率；以及混合器，将所述第一信号和所述第二信号组合成第三信号，以 表示从所述较低频率到所述较高频率的第三带宽中的声数据，所述第三 信号包括用于所述图形用户界面的所述控制数据流。
21. 如权利要求20所述的系统，其中每个混合声传感器还包括 模数转换器，将所述第三信号转换成数字数据样本流。
22. 如权利要求21所述的系统，其中每个混合声传感器还包括 低通数字滤波器，接收所述数字数据样本流并通过较低带宽数字数据样本流；以及高通数字滤波器，接收所述数字数据样本流并通过较高带宽数字数 据样本流。
23. 如权利要求22所述的系统，其中所述图形用户界面包括 音频跟踪单元，接收所述较低带宽数字数据样本流；以及 超声笔单元，接收所述较高带宽数字数据样本流。
全文摘要
一种混合声传感器可包括第一声传感器、第二声传感器及混合器。第一声传感器可生成第一信号，以表示在第一中心频率附近第一带宽中的声数据。第二声传感器可与第一声传感器在同一位置，并且可生成第二信号，以表示在第二中心频率附近第二带宽中的声数据。第一带宽的下界可以在比第二带宽的下界更低的较低频率，并且第二带宽的上界可以在比第一带宽的上界更高的较高频率。混合器可以将第一信号和第二信号组合成第三信号，以表示从较低频率到较高频率的第三带宽中的声数据。
文档编号G06F3/033GK101189571SQ200680019963
公开日2008年5月28日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者J·何, R·梅因谢因, Y·贾 申请人:英特尔公司