非接觸式聲帶振動感測技術探索

王亞楠

摘要：隨著科技的不斷發展，非接觸式聲帶震動感測技術在醫療、通信、軍事等領域都取得了十分良好的應用。該項技術是利用雷達對人體發聲器官的生理微振動進行感測，并通過回波信號對數據進行分析處理，從而獲取相關的參數資料，還原聲音信息。本文結合非接觸式聲帶震動感測技術的應用原理，對其設計技術進行了探討。

關鍵詞：非接觸式；聲帶震動；感測技術

前言

在傳統的語音信號處理領域當中，主要是以空氣壓力波作為媒介，然后利用麥克風進行收音，將其轉換為電性信號，再通過對這些信號進行處理來獲得相應的參數。但是這種方法容易受到周圍環境噪聲的影響，使得信號的質量大大降低。而非接觸式聲帶震動感測技術具有良好的抗干擾能力，能夠有效的對信號進行處理，清晰的還原聲音信息，在多個領域當中都有著十分廣泛的應用。

一、非接觸式聲帶震動感測技術的原理

人體在發聲的時候，聲門肌肉會進行周期性的收縮和擴張，從而產生聲帶震動。與心肺運動相同，人體的聲帶震動也是一個周期性的震動過程。非接觸式聲帶震動感測技術是以多普勒雷達為基礎，依據多普勒定理，在電磁波與一個位置進行周期性變化且凈速度為零的物體發生碰撞時，所產生的回波信號是按照其周期運動對原是發射信號進行相位調制后的信號。因此，只需要對回波信號進行解調，就能夠獲得相關的數據信息。

非接觸式聲帶震動感測技術能夠對人體發聲器官的生理微振動進行感測。當人體處于靜止狀態時，雷達向人體發射連續波電磁信號。當電磁波碰到人體發聲器官的時候，所產生的回波信號就會被聲帶的周期震動進行相位調制[1]。通過對回波信號的解調、積分、放大、濾波得等處理，然后將處理后的信號輸入計算機進行數據分析處理，從而就能夠獲得與人體聲帶震動相關的參數，復原聲音信息。

二、非接觸式聲帶震動感測系統的技術設計

（一）系統性能的要求

基于美國聯邦通信委員會的規定，從2.1GHz到10.6GHz、-41dBm/MHz可以應用在醫療系統，最小的寬帶要求為500MHz。因此，該系統采用的頻率可選定為2.4GHz。模擬通道混頻后，送入到ADC當中的中頻信號應為75MHz。由于人們在正常說話的時候，聲帶的振動頻率通常在60-350Hz，因此最終需要進行處理的數據率大約為50KHz。另外，被測目標距離雷達天線的距離應為2m，雷達的發射功率應為0.1mW。

（二）系統工作體制的選擇

按照不同的雷達信號形式，可將雷達分為連續波了雷達和脈沖雷達兩種。在實際應用中，應當根據具體情況的不同，選擇相應的雷達。

1.連續波雷達

連續波雷達通過發射器發射一個固定頻率的連續波，經過環形器傳送至天線，然后由天線向被測目標進行發射。當天線發射出的電波與被測目標發生碰撞之后，目標會將大部分的電磁波返回到天線。天線再將接收到的回波通過環行器加載到混頻器，然后對其進行后續的處理。

2.脈沖雷達的發射機能夠通過本振產生發射波形，然后將其傳輸至雙工器。然后雙工器切換到發射模式，將電波通過天線進行發射。電波在與被測目標發生碰撞之后被反射回來，天線接收到反射回波之后，將其傳輸到雙工器[2]。雙工器此時切換到接收模式，將接收到的回波傳送至接收機，進行信號處理。

通過以上兩種雷達的工作模式，我們可以看出，連續波雷達相對來說較為簡單。連續波雷達對電磁波的發射和接收是同時進行的，不需要經過雙工器的處理。同時，連續波雷達的寬帶要小于脈沖雷達，因此可以對濾波器進行簡化。如果被測目標是在速率或位移移動當中，采用連續波雷達還能夠簡化后期計算的過程。連續波雷達的優點是能夠對固定距離下按照固定速率進行移動的目標速率進行精確測量，而脈沖雷達在測距和測速等方面都沒有連續波雷達精確。

（三）雷達接收機的選擇

1.零中頻接收機

在零中頻接收機的工作過程中，天線接收到的信號首先通過低噪放大器，對信號進行放大處理，以此來降低噪聲系數。然后通過射頻帶通濾波器將噪聲濾除并傳送到混頻器，由混頻器將所需的頻帶直接交換到基帶進行處理。零中頻接收機當中不含有中頻級，因此它能夠克服鏡像問題，不需要再經過鏡像濾波器，使系統結構得到了簡化。同時，由于零中頻接收機的電路較為簡單，因此濾波器等電路能夠通過單片輕易實現。

但是，零中頻接收機也存在著一些弊端。直流偏移就是其中一個十分重要的問題。能夠導致直流偏移的原因有很多，但最為主要的原因就是本振信號泄露到了發射端。然后經過發射端輸入與本振信號進行混頻，從而造成了直流偏移。如果直流偏移過大，將會淹無用信號，從而對系統的正常運行造成影響。同時，還會使中頻接受的過程中受到奇次互調和偶次互調的影響[3]。由于直接變頻需要采用正交形式，因此，從本振輸出的兩路信號必須能夠嚴格的保持相位正交和幅度平衡。

2.超外差式接收機

超外差式接收機信號由天線接收并接入接收機，在射頻階段，要先進性濾波和放大，然后經過混頻器和本振進行混頻，從而得到一個中頻信號。隨后再對信號進行依次濾波和放大處理，并輸送到A/D模數轉換。由于其中引入了中頻處理的步驟，因此也可稱作中頻數字接收機。該接收機的優點為接收動態范圍大、接收靈敏度高、收I/Q信號不平衡問題的影響較小。不過，該接收機也存在一些缺點，例如電路較為復雜，存在鏡像干擾等。但是相比于零中頻接收機，超外差接收機的整體性能和效率要遠遠高于零中頻接收機。

結論

目前，非接觸式聲帶振動感測技術在社會多個領域當中，都得到了十分廣泛的應用，它主要是利用雷達技術對人體聲帶的生理微振動進行感測，經過一系列信號處理，最終還原聲音信息。而在非接觸式聲帶振動感測系統的技術設計中，針對不同的實際情況和設計用途，可選取最為恰當的技術，使該系統能夠最大限度的發揮作用。雖然目前該項技術還存在這一定的缺陷和局限性，但是隨著科技水平的不斷提高，該技術必將得到不斷的完善，進而得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]張學萌.非接觸式聲帶振動感測技術研究[D].南京理工大學，2013.

[2]張盛富.應用電磁波探測聲帶振動[J].通信技術，2012（4）：115-118.

[3]，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].電子工業出版社，2011.endprint