24、麦克风阵列反向散射技术：原理、评估与应用

麦克风阵列反向散射技术：原理、评估与应用

1. 信号处理与调制

在麦克风阵列反向散射系统中，信号处理是关键的一环。混合后的噪声 $n_1(t)$ 可以通过截止频率低于 10 MHz 的低通滤波器进行处理，以去除高频成分，仅保留目标信号。经过低通滤波后，信号可表示为：
$F_3(t) = \frac{\sin(\varphi(t))}{2} + n_2(t)$
其中，$n_2(t)$ 是低通滤波后的噪声。在信噪比良好的情况下，$n_2(t)$ 可以忽略不计。此时，$F_3(t)$ 函数有两个明显的值： -1 和 +1。由于 $\varphi(t)$ 仅在脉冲位置 $t_i$ 处发生变化，因此通过观察 $F_3(t)$ 的过渡边缘，可以提取脉冲位置信息。通过获取 $F_3(t)$ 的所有正边缘和负边缘，我们可以恢复 PPM 或 DPPM 基带。

2. 硬件定制

为了适应低功耗的 PPM 和 DPPM 调制以及反向散射反射，我们对模拟和数字电路进行了定制。
- 模拟调制电路 ：
- 单稳态多谐振荡器 ：系统需要单稳态多谐振荡器组件，它可以将脉冲宽度调制信号转换为脉冲位置调制信号。对于 PPM 基带，我们使用一个单稳态多谐振荡器；对于 DPPM 基带，则使用多个。传统的单稳态多谐振荡器电路复杂且功耗高，我们简化了实现方式，有两种方案可供选择：
- 实现方案 I ：使用与非门以及电阻和电容，在输入脉冲的负边缘之后立即产生一个窄脉冲。
- 实现方案 II ：由反相器、二极管和 RC 微分电路组成。该方案不产生矩形脉冲，但在脉冲负边缘时输出正边缘。实现方案 II 功耗极低且易于实现。
- 多路复用和采样 ：我们使用 CMOS 模拟多路复用器 CD4051 将多通道模拟信号复用为一个流通道。CD4051 由 FPGA 中实现的轮询逻辑控制。为了采样音频信号，我们采用了 RC 积分电路和高速电压比较器 TLV3501。

3. 系统评估

我们使用商业组件构建了麦克风阵列反向散射系统，并在 USRP 平台上实现了阅读器的功能。在 PCB 标签原型中，8 个商业麦克风均匀分布在一个圆圈中，以支持多达 8 个音频通道的空间声音。
- 实现细节 ：
- PCB 原型 ：麦克风阵列反向散射标签的控制器是 XILINX Spartan XC3S500E - 4PQ208 FPGA，它包含轮询控制和反向散射调制的逻辑。FPGA 需要产生同步时钟，并使用它来生成多路复用通道选择信号。所需的模拟组件包括麦克风、CD4015 多路复用器、由二极管和反相器组成的单稳态多谐振荡器、用于空间音频采样的 TLV3501 比较器以及用于反向散射反射的 ADG902 RF 开关。音频采样多路复用和 RF 开关控制中使用的逻辑门均在 FPGA 中实现。
- 阅读器 ：我们在 USRP N210 软件定义无线电上实现了声音解调与恢复过程。使用 6.5 dBic MTI MT - 242025/TRH/A 天线作为发射天线，RF 激励源是另一个可以产生 895 MHz 正弦波的 USRP N210 设备。为了增强激励信号，我们使用了 HA901I - APC RF 放大器和 8.5 dBic RFMAX S9028PCR 天线。
- ASIC 设计 ：ASIC 设计可以将定制的大规模电路转换为小型工作芯片，以实现小尺寸、低成本和低功耗。反向散射传感器原型包括模拟和数字电路模块，可以通过 ASIC 设计进行优化。我们使用 Cadence IC6.17 Virtuoso 软件和 TSMC 65 nm CMOS 低功耗技术库进行了定制 ASIC 设计，并分析了其功耗。
- 功耗分析 ：PPM 和 DPPM 的功耗估计如下表所示：
| 基带电路 | 通道数量 | PPM | DPPM |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| | 2 | 175.2 μW | 217.1 μW |
| | 4 | 175.2 μW | 281.9 μW |
| | 6 | 175.2 μW | 346.7 μW |
| | 8 | 175.2 μW | 411.5 μW |
PPM 的功耗在通道数量从 2 增加到 8 时保持不变，因为只有一个多路复用和采样电路，且只有选定的麦克风通道正常工作。而 DPPM 基带的功耗随音频通道数量的增加而变化。DPPM 不需要同步时钟和采样周期控制，支持的音频通道比 PPM 多，解码也更简单，但功耗更高。因此，DPPM 适用于可以接受更高功耗的多音频通道场景。

4. 服务质量评估

• 延迟 ：我们测量了系统延迟，即麦克风阵列反向散射中获取和传输空间音频的时间。同时，我们也测试了传统无线音频采集和传输设计的延迟作为基线。在我们的系统中，延迟来自使用 PPM 或 DPPM 调制捕获空间音频的时间以及反向散射反射的时间。当音频通道数量从 1 增加到 4 时，我们系统的延迟从 17.2 μs 增加到 87.4 μs，而传统设计需要数十毫秒。
• 保真度 ：我们使用 Pearson 相关系数来检查声音的保真度。结果表明，随着标签到阅读器距离的增加，由于信噪比下降，原始声音波形和解调后波形的相似度降低。增加每个通道的模拟基带采样率可以提高相似度，因为低通 RC 滤波器引起的失真类似于量化误差，过采样可以减轻这种失真。

5. 覆盖范围评估

• 标签到接收器的距离 ：我们评估了室内环境中的通信范围，考虑了视线和非视线场景。结果表明，标签到接收器的距离显著影响无线反向散射中的信噪比，而音频通道数量和采样率对无线传输信噪比的影响较小，但对采样质量和音频信号的空间分辨率很重要。
• 激励源到标签的距离 ：我们研究了激励源到标签的距离对反向散射信号质量的影响。结果显示，反向散射信号的信噪比随着距离的增加而恶化，且不受采样率或音频通道数量的影响。为了保持良好的信号质量，激励源应放置在距离传感器 3 m 以内的范围内。

以下是系统评估的流程图：

graph LR
    A[构建系统] --> B[实现阅读器功能]
    B --> C[测试 PCB 标签原型]
    C --> D[模拟 ASIC 设计]
    D --> E[评估系统性能]
    E --> F[评估服务质量]
    E --> G[评估覆盖范围]

综上所述，麦克风阵列反向散射系统在信号处理、硬件定制、功耗控制、服务质量和覆盖范围等方面都有其独特的特点和优势。通过合理选择调制方式和优化硬件设计，可以满足不同应用场景的需求。

麦克风阵列反向散射技术：原理、评估与应用

6. 应用案例

麦克风阵列反向散射系统在日常生活、工业场景和医疗治疗等方面具有广泛的应用。以下是三个具体的应用示例：
- 声学成像 ：利用麦克风阵列系统设计和相应的定位算法，可以描绘附近的声音强度场，从而定位声源。例如，将两个手机靠近麦克风阵列反向散射传感器作为声源，传感器采样空间声音并传输到阅读器。基于音频通道中恢复的声音波形的延迟差异，使用定位算法来定位声源。通过喷射颜色图与放置图片重叠，可以直观地显示声源位置。实验结果表明，约 66% 的试验定位误差在 2 cm 以内。
- 空间滤波和语音增强 ：由于能够解析空间音频，麦克风阵列反向散射系统可用于增强定向声音并减弱其他方向的潜在干扰。例如，使用五个麦克风传感器组成阵列，实现主瓣宽度为 30° 的波束形成滤波器。在目标方向（约 30°），声音波将直接接收；如果在 -30° 方向存在干扰声源，相应的音频信号将受到约 15 dB 的额外衰减，信号干扰加噪声比（SINR）将提高约 15 dB。
- 其他应用 ：该系统还可用于其他需要空间音频采集和处理的场景，如智能家居中的语音交互、工业环境中的噪声监测等。

7. 总结与展望

• 总结 ：麦克风阵列反向散射技术通过信号处理、硬件定制等手段，实现了空间音频的高效采集、传输和处理。在功耗、延迟、保真度和覆盖范围等方面表现出一定的优势，并且具有多种实际应用场景。
• 展望 ：未来，可以进一步优化系统设计，降低功耗，提高信号质量和覆盖范围。同时，可以探索更多的应用领域，如虚拟现实、增强现实等，为用户带来更好的音频体验。

以下是应用案例的流程图：

graph LR
    A[声学成像] --> B[定位声源]
    C[空间滤波和语音增强] --> D[增强定向声音]
    C --> E[减弱干扰]
    F[其他应用] --> G[智能家居语音交互]
    F --> H[工业噪声监测]

应用案例	原理	效果
声学成像	利用麦克风阵列和定位算法描绘声音强度场	约 66% 试验定位误差在 2 cm 以内
空间滤波和语音增强	组成阵列实现波束形成滤波器	信号干扰加噪声比提高约 15 dB
其他应用	用于多种需要空间音频采集处理的场景	满足不同场景需求

综上所述，麦克风阵列反向散射技术具有广阔的发展前景，通过不断的技术创新和应用拓展，将为各个领域带来更多的价值。