23、麦克风阵列反向散射技术：原理、设计与应用

麦克风阵列反向散射技术：原理、设计与应用

1. 设计局限与主要贡献

在相关设计中，存在一些局限性，主要可归纳为以下几点：
- 通信范围有限 ：由于采用 RC 积分器解码模拟数据，当信号较弱时，保真度会受到严重影响。
- 功耗问题 ：在 PPM 设计中，每个采样周期都需要同步时钟，这可能会导致额外的功耗。
- 部署成本高 ：需要专门的阅读器来生成单音激励并解调反向散射信号，这可能会增加部署成本。

不过，该设计也有显著的贡献：
- 创新设计思路 ：通过设计和实际实验证明，使用简单的模拟设计实现复杂的数字传感数据处理是可行的，例如空间音频记录和同步。传感部分与反向散射传输的协同设计显著降低了系统复杂度，为充分发挥反向散射的优势提供了新思路。
- 新型设计方案 ：提供了一种新颖的麦克风阵列反向散射设计，能够以极低的延迟和系统功耗实现空间音频流传输，有望在可穿戴设备中实现多轨 3D 音频。

2. 相关工作对比

在声学可穿戴和传感系统领域，不同的技术有不同的侧重点：
| 技术类型 | 代表工作 | 特点 | 与本文设计的差异 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 声学可穿戴和传感系统 | LipRead、基于麦克风阵列的波束形成自适应系统、声学运动跟踪系统 | 专注于数字处理算法的设计 | 本文设计专注于使用简单模拟设计替代复杂数字处理，并利用反向散射技术提高无线传输效率 |
| 面向协议的反向散射和模拟反向散射 | 多种相关研究 | 使反向散射与商品信号兼容，使用环境无线电作为激励器或接收器，但未研究数据采集 | 本文的麦克风阵列反向散射系统包含反向散射流模块和声学采集模块，可超低功耗采集同步音频轨道 |
| 混合反向散射 | 相关研究 | 使用天线连续变化的 RF 阻抗进行传感，然后通过模拟反向散射传输数据 | 本文设计专注于多音频轨道的同步，而混合反向散射目标是使用模拟方法传感和传输单轨音频；PPM 和 DPPM 技术与混合反向散射的模拟音频传感技术不同 |
| 无电池手机 | 相关研究 | 利用模拟解码和模拟反向散射实现双向音频传输 | 本文旨在实现音频轨道之间的同步，而无电池手机目标是单轨音频流传输；本文设计 PPM 和 DPPM 获取多轨音频，而无电池手机使用 JFET 阻抗变化收集语音信息 |
| 被动视频传输 | 相关研究 | 单轨传输，不考虑同步，使用脉冲宽度调制 | 本文使用 PPM/DPPM 技术，且目标是多轨音频同步传输 |

3. 麦克风阵列反向散射设计概述

为了构建麦克风阵列反向散射系统，将空间音频采集、同步和处理以及轻量级无线传输集成到一个系统中。为避免高功耗的数字同步和处理，设计了专门的模拟电路。系统主要包括音频调制、反向散射传输和音频再生三个部分。

4. 音频调制

多轨音频的数字样本传输需要高数据速率，会导致高功耗，且标签无法承受压缩算法。因此，采用模拟传感和流传输来降低系统复杂度和功耗。设计了 PPM 和 DPPM 解决方案来同时采样和传输同步音频轨道。

4.1 脉冲位置调制（PPM）

• 原理 ：不采用频率分集进行并行轨道传输，因为难以实现轨道间的同步。而是按时间顺序排列不同轨道，在单通道上逐个采样和传输，自然实现同步。PPM 调制将模拟信息嵌入到相对于采样周期开始或前一个脉冲位置的窄脉冲位置中。
• 实现步骤 ：
  1. 使用模拟多路复用器访问单个声道。
  2. 通过将声音信号与周期性三角波进行比较，采样相应的音频轨道。比较器输出的脉冲宽度代表当前声道的语音幅度。
  3. 使用反相器和单稳态多谐振荡器将脉宽调制的声音样本转换为脉冲位置信息。比较器的下降沿会在单稳态多谐振荡器的 PPM 输出处产生一个立即的窄周期。
• 同步控制 ：采用滚动轮询方法复用多个音频轨道，轮询过程由同步时钟控制。同步时钟生成的两个控制信号与真值表一起用于选择音频通道，三角波采样信号也来自同步时钟，从而满足音频轨道的同步要求。
• 频率关系 ：设轨道数为 N，声音采样率为 (f_{a})，同步时钟频率为 (f_{syn})，则有 (f_{syn} = f_{a} × (N + 1))。例如，FM 广播声音采样率 (f_{a}) 为 22.05 kHz，当音频轨道数从 8 增加时，同步时钟 (f_{syn}) 从 66.15 kHz 增加到 198.45 kHz。

4.2 差分脉冲位置调制（DPPM）

• 原理 ：为避免同步时钟带来的额外计算负担和误差风险，设计了 DPPM，它不需要同步控制。通过级联音频轨道并利用反馈进行复用，每个轨道的输出连接到下一个轨道作为采样相应声道声音的触发信号。当前脉冲与上一通道脉冲之间的间隔代表采样的声音，最后一个通道到第一个通道的反馈启动下一个滚动轮询周期。
• 电路组成 ：由比较器、单稳态多谐振荡器、RC 计算电路和或门组成。每个音频轨道有两个单稳态多谐振荡器，输出单稳态多谐振荡器脉冲宽度窄，用于标记结束位置；或门收集每个轨道输出单稳态多谐振荡器的输出，合成 DPPM 输出逻辑。采样单稳态多谐振荡器输出宽脉冲，可通过 RC 计算电路转换为类似三角脉冲的波形，作为采样信号并开启相应音频轨道。
• 采样时间限制 ：采样时间 (t_{s}) 不应长于采样单稳态多谐振荡器输出脉冲宽度 (T_{smm})，即 (t_{s} ≤ T_{smm})。(T_{smm}) 可通过调整单稳态多谐振荡器中的离散组件参数来设置，它决定了声音采样率。设音频轨道数为 N，则一个轨道所需的声音采样率 (f_{a}) 应满足 (f_{a} ≤ \frac{1}{N × T_{smm}})。例如，采样 8 轨 FM 广播（采样率 22.05 kHz）时，(T_{smm} ≤ 5.67 μs)；对于 CD 或 DVD 格式的 8 轨音频，(T_{smm}) 应分别小于 2.83 μs 和 2.60 μs。

PPM 和 DPPM 各有优缺点，适用于不同的应用场景。PPM 可以精确控制采样率，并能为每个滚动轮询周期提供准确的同步；而 DPPM 不需要传感器和阅读器端的同步信号，但缺乏对每个轨道采样率的精确控制。

5. 反向散射传输

PPM 和 DPPM 将空间声音调制为一个模拟数据流。为了以低功耗和低复杂度的系统传输该数据流，采用反向散射技术。
- 频率设置 ：设 (f_{s} = 10 MHz)，(\omega_{s} = 2\pi f_{s}) 分别为偏移频率和相应的角频率。
- 信号调制 ：反向散射通过切换开关实现不同反射状态，进行频率偏移和调制。两个反射系数生成方波 (M(t) = \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{\sin(2n - 1)\omega_{s}t}{2n - 1})，使用包含模拟空间声音流的时变相位 (\varphi(t) = \frac{\pi}{2} + (i - 1)\pi, (t_{i} < t < t_{i + 1})) 对 (M(t)) 进行调制，得到基带信号 (S(t) = \frac{4}{\pi}\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{2n - 1}{\sin((2n - 1)\omega_{s}t + \varphi(t))})。
- 传输效果 ：通过馈入 (S(t))，反射的 RF 信号将被转移到另一个无线信道，并由模拟音频样本进行调制。从时域波形和频域频谱中可以观察到，频率偏移将激励信号和反向散射信号分开，避免了自干扰，同时在反向散射频谱瓣中可以看到反向散射调制。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A[模拟空间声音流]:::process --> B[时变相位φ(t)]:::process
    C[方波M(t)]:::process --> D[调制]:::process
    B --> D
    D --> E[基带信号S(t)]:::process
    E --> F[反射RF信号调制与传输]:::process

6. 音频再生

麦克风阵列反向散射传输多轨音频信号遵循三个步骤：首先使用 PPM 或 DPPM 技术生成时分复用基带；然后将该基带调制到 10 MHz 频率偏移信号上，改变天线阻抗；最后通过 RF 反射传输调制后的基带。阅读器需要相应地遵循三个步骤来解调每个轨道的信号：
- 提取基带 ：反向散射调制可视为线性操作，因此接收器使用相干解调。对带通滤波后的信号进行下变频，将其与相同的激励载波相乘，然后使用低通滤波器去除高频分量，保留基带。结果可表示为 (F_{1}(t) = A + \sin(w_{s}t + \varphi(t)) + n(t))，其中 A 为接收激励信号的幅度，(n(t)) 为噪声。
- 获取 PPM 或 DPPM 基带信号 ：仍然使用相干解调，将 (F_{1}(t)) 与具有 (\frac{\pi}{2}) 相位差的 10 MHz 信号 (\cos(w_{s}(t))) 相乘，然后使用截止频率小于 10 MHz 的低通滤波器提取 PPM 或 DPPM 基带。即 (F_{2}(t) = F_{1}(t)\cos(w_{s}(t)) = A\cos(w_{s}(t)) + \frac{\sin(2w_{s}(t) + \varphi(t))}{2} + \frac{\sin(\varphi(t))}{2} + n_{1}(t))。

通过以上步骤，实现了多轨音频信号的传输和解调，为空间音频的应用提供了有效的技术支持。这种麦克风阵列反向散射技术在可穿戴设备、音频采集等领域具有广阔的应用前景，未来可以进一步研究如何优化系统性能，降低功耗，提高音频质量。

麦克风阵列反向散射技术：原理、设计与应用

7. 系统优势总结

麦克风阵列反向散射技术具有多方面的显著优势，以下为详细总结：
| 优势类别 | 具体优势 | 详细说明 |
| ---- | ---- | ---- |
| 功耗方面 | 低功耗运行 | 通过采用模拟传感和流传输，避免了高数据速率数字样本传输带来的高功耗，以及标签难以承受的压缩算法，有效降低了系统整体功耗。例如在音频调制阶段，PPM 和 DPPM 方案的设计从根本上减少了不必要的能量消耗。 |
| 复杂度方面 | 降低系统复杂度 | 传感部分与反向散射传输的协同设计，以及使用简单模拟设计替代复杂数字处理，大大简化了系统结构。如在音频调制过程中，使用模拟多路复用器和简单的电路元件实现音频轨道的采样和传输，避免了复杂数字电路的使用。 |
| 音频传输方面 | 实现同步音频传输 | 无论是 PPM 还是 DPPM 方案，都能够实现多轨音频的同步传输。PPM 通过同步时钟和滚动轮询方法确保音频轨道的同步；DPPM 则通过级联音频轨道和反馈机制实现同步，为空间音频的应用提供了有力支持。 |
| 应用前景方面 | 适用于可穿戴设备 | 能够以极低的延迟和系统功耗实现空间音频流传输，有望在可穿戴设备中实现多轨 3D 音频，为可穿戴设备的音频功能带来新的突破。 |

8. 不同调制方案对比

PPM 和 DPPM 作为两种关键的音频调制方案，在多个方面存在差异，以下通过表格进行对比：
| 对比项目 | PPM | DPPM |
| ---- | ---- | ---- |
| 同步控制 | 需要同步时钟，为每个滚动轮询周期提供准确的同步。同步时钟生成控制信号和采样信号，确保音频轨道的同步。 | 不需要传感器和阅读器端的同步信号，通过级联音频轨道和反馈机制实现复用，避免了同步时钟带来的额外计算负担和误差风险。 |
| 采样率控制 | 可以精确控制采样率，根据同步信号频率 (f_{syn}) 和轨道数 N，每个轨道的采样率为 (f_{syn}/(N + 1))。 | 缺乏对每个轨道采样率的精确控制，声音采样率 (f_{a}) 需满足 (f_{a} ≤ \frac{1}{N × T_{smm}})，其中 (T_{smm}) 由单稳态多谐振荡器的离散组件参数决定。 |
| 电路复杂度 | 电路设计相对复杂，需要同步时钟、模拟多路复用器、比较器、反相器和单稳态多谐振荡器等多个组件协同工作。 | 电路由比较器、单稳态多谐振荡器、RC 计算电路和或门组成，虽然也有一定复杂度，但避免了同步时钟相关电路。 |
| 适用场景 | 适用于对同步要求较高、需要精确控制采样率的应用场景，如专业音频采集和处理系统。 | 适用于对同步信号要求不高、希望简化系统设计的场景，如一些低功耗的可穿戴音频设备。 |

9. 技术应用场景分析

麦克风阵列反向散射技术在多个领域具有广泛的应用前景，以下为具体分析：
- 可穿戴设备领域 ：该技术能够以极低的延迟和系统功耗实现空间音频流传输，非常适合应用于可穿戴设备。例如智能手表、智能眼镜等，用户可以通过这些设备享受高质量的多轨 3D 音频体验，如沉浸式音乐播放、3D 游戏音频等。
- 音频采集领域 ：在会议记录、现场录音等音频采集场景中，该技术可以实现多轨音频的同步采集和传输，提高音频采集的效率和质量。多个麦克风可以同时采集不同位置的声音，通过反向散射技术将音频信号传输到接收器，实现空间音频的记录。
- 虚拟现实（VR）/增强现实（AR）领域 ：在 VR/AR 应用中，需要精确的音频定位和同步来提供沉浸式的体验。麦克风阵列反向散射技术可以实现多轨音频的同步传输，为 VR/AR 设备提供准确的空间音频信息，增强用户的沉浸感。

10. 未来发展方向探讨

虽然麦克风阵列反向散射技术已经取得了一定的成果，但仍有许多方面可以进一步发展和完善，以下为一些未来的发展方向：
- 优化系统性能 ：进一步降低系统功耗，提高音频传输的稳定性和可靠性。可以通过改进电路设计、优化调制方案等方式来实现。例如，研究更高效的模拟电路元件，减少不必要的能量消耗；优化 PPM 和 DPPM 方案，提高音频采样和传输的精度。
- 拓展应用领域 ：除了现有的可穿戴设备、音频采集和 VR/AR 领域，探索该技术在其他领域的应用可能性。如智能家居、工业监测等领域，通过麦克风阵列反向散射技术实现声音的采集和传输，为这些领域的智能化发展提供支持。
- 与其他技术融合 ：将麦克风阵列反向散射技术与其他先进技术如人工智能、机器学习等相结合，实现更智能的音频处理和应用。例如，利用人工智能算法对采集到的音频数据进行分析和处理，实现语音识别、音频分类等功能。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A[优化系统性能]:::process --> B[降低功耗]:::process
    A --> C[提高稳定性和可靠性]:::process
    D[拓展应用领域]:::process --> E[智能家居]:::process
    D --> F[工业监测]:::process
    G[与其他技术融合]:::process --> H[人工智能]:::process
    G --> I[机器学习]:::process

综上所述，麦克风阵列反向散射技术是一种具有创新性和应用前景的音频传输技术。通过对其原理、设计和应用的深入研究，我们可以更好地理解该技术的优势和特点，为其未来的发展提供方向。在实际应用中，我们可以根据不同的需求选择合适的调制方案和系统设计，充分发挥该技术的潜力，为音频领域的发展带来新的机遇。