25、麦克风阵列反向散射技术：创新与挑战

麦克风阵列反向散射技术：创新与挑战

1. 音频信号处理与质量评估

在音频信号处理方面，波束成形和降噪技术对于定向音频信号增强至关重要。通过如30°波束成形滤波器设计，可以显著提升音频质量。实验结果表明，峰值信噪比（PSNR）会随着标签到接收器的距离增加而下降。当距离低于1米时，PSNR超过50dB。

为了评估单声道和多声道音频的主观质量，采用了国际电信联盟（ITU）推荐的五级评分标准（1：差，2：差，3：一般，4：好，5：优秀）。用户通过聆听波束成形后的音频并与参考声音进行比较，给出体验评分。具体评分情况如下表所示：
| 音频类型 | 平均质量得分 |
| ---- | ---- |
| 单声道音频 | 3.62 |
| 多声道音频 | 3.37 |

值得注意的是，波束成形是一种纯软件解决方案，麦克风阵列反向散射只需进行脉冲位置调制（PPM）或差分脉冲位置调制（DPPM）基带采样，无需额外操作。

2. 超声成像应用

该系统设计除了用于空间音频记录外，还可应用于超声成像以辅助医学诊断。只需将麦克风传感器替换为支持超声的传感器即可。超声具有高于20kHz的频率，其带宽远大于人耳可接受的声音范围。高频意味着更短的波长，从而在成像中实现更聚焦的波束和更高的方位分辨率；更大的带宽则意味着在距离维度上有更好的分辨能力。与声音成像2cm的误差相比，超声成像可实现更小的误差。例如，可用于B超超声检查，其低延迟、多声道能力、高保真度和轻量化设计有助于提升医疗服务质量。以下是超声成像系统的简单流程图：

graph LR
    A[超声源] --> B[超声反向散射传感器]
    B --> C[成像处理]
    C --> D[阅读器]

3. 系统面临的问题与挑战

3.1 兼容性问题

麦克风阵列反向散射支持高达6.4Mbps的等效吞吐量，可处理8个音频通道，在现有反向散射系统中具有竞争力。然而，该系统仍需要单音激励，且反向散射部分与商用现货（COTS）无线电的兼容性存在困难。一方面，商用设备的激励在时间上是间歇性的，可能导致空间音频的延迟增加；另一方面，麦克风阵列反向散射标签与激励器之间的精确同步仍有待实现。

3.2 窃听安全问题

系统未包含安全设计，现有的加密解决方案通常会带来较高的计算负担，不适用于麦克风阵列反向散射传感器。如何抵御诸如隐蔽监听等恶意行为，是大多数反向散射系统亟待解决的问题。声学 - 无线电转换技术可能是一种解决方案，开发轻量级无线信源编码也是一个方向。

3.3 操作范围问题

标签到接收器的最大距离为28米，激励器到标签的最大距离为3米，但这两个最大距离无法同时实现。例如，当上行链路距离为28米时，麦克风阵列反向散射标签需靠近激励器，距离远小于3米。这种操作范围并不理想。为了简化部署，计划构建一个全双工阅读器来实现激励器和接收器的功能，但支持范围不超过3米，即使在室内场景下也不够。为了扩展工作范围，可考虑使用放大器进一步提高激励功率，但在工业、科学和医疗（ISM）频段，为避免对其他无线电的干扰，传输功率受到限制。反射放大器或隧道二极管可用于增强反射信号，是一个可行的方向。

3.4 能量收集问题

为确保传感器能够自给自足，传感器标签可从声音和Wi-Fi信号中收集能量。能量收集电路的工作流程如下：
1. 声音能量收集 ：使用驻极体麦克风将声波转换为电信号，然后通过传统的二极管桥式整流器提取正直流电压，最后使用电压调节器获得稳定的直流电压。
2. Wi-Fi射频能量收集 ：使用2.4GHz全向天线和多层芯片射频带通滤波器BF2012 - L2R4DART/LF从复杂频谱中提取Wi-Fi信号，再通过由SMS7621肖特基二极管和电容器组成的六级改进型Greinacher整流器提取并增强直流电压。
3. 能量存储和管理 ：能量收集模块包括能量收集电源LTC3588、升压充电器BQ25505、25V 10μF电解电容器和LX 0.1F Maxcap双层存储电容器。

测试结果表明，声音能量收集效率随声音信号强度的增加而提高。不同声音强度下的收集功率如下表所示：
| 声音强度（dB） | 收集功率（μW） |
| ---- | ---- |
| 40 | 19.2 |
| 70 | 152.5 |
| 75 | 203.6 |
| 90 | 406 |

然而，仅依靠Wi-Fi信号收集的能量不足以支持麦克风阵列反向散射传感器。Wi-Fi的传输功率有限是关键限制因素之一，例如高通AR938x网卡最多支持18dBm，约为RFID阅读器的1/40。因此，可通过如多输入多输出（MIMO）Wi-Fi中的波束成形等技术来提高Wi-Fi功率。

4. 视频和音频应用

无电池媒体是当前的热门话题，许多系统都围绕视频流进行设计。例如，WISPCam通过将商用相机嵌入基于RFID的无电池传感和识别平台WISP中，实现了无电池视频流。但该相机分辨率较低，且操作功耗过大。为解决这些问题，设计了高清晰度传输系统，其新颖的模拟视频调制和反向散射技术可在类似功耗下实现更好的视频质量。这种设计理念与模拟音频调制相似，为模拟视频和音频的调制与传输设计提供了机会。

5. 总结与展望

该系统通过定制反向散射技术，实现了轻量级空间音频记录和同步无线流。PPM和DPPM基带处理是关键技术，它们通过轮询采样多声道音频信号，并按特定顺序将其嵌入反向散射传输流中，自然地保持了音频通道之间的同步。该设计不仅功耗低、硬件结构简单，还具有高等效吞吐量，在各种环境下的保真度和延迟都令人满意。

这为个人、工业和媒体等领域的许多高级应用打开了大门。例如，多声道音频调制和流技术可用于声乐音乐会的空间声音录制；语音控制应用中，机器人可根据空间音频识别用户位置。此外，声音调制设计可与轻量级模拟视频流技术相结合，应用于视频电话和虚拟现实游戏等领域。在医学领域，该系统的成像技术有助于多种疾病的诊断，其模拟调制基带和反向散射传输设计可用于超声成像，实现更高的成像精度。未来，随着技术的不断发展，有望解决当前面临的兼容性、安全性、操作范围和能量收集等问题，进一步拓展该系统的应用场景。

6. 技术优势分析

6.1 基带处理优势

PPM和DPPM基带处理采用轮询方式对多声道音频信号进行采样，并将其按特定顺序嵌入反向散射传输流中，这种方式具有显著优势。首先，自然地保持了音频通道之间的同步，避免了音频信号在传输过程中的混乱。其次，低功耗的特性使得系统在能源利用上更加高效，适合长时间的音频录制和传输。再者，简单的硬件结构降低了系统的复杂度和成本，便于大规模部署和应用。

6.2 多领域应用潜力

该系统在多个领域展现出巨大的应用潜力，以下是详细分析：
| 应用领域 | 具体应用场景 | 优势体现 |
| ---- | ---- | ---- |
| 个人娱乐 | 声乐音乐会的空间声音录制 | 多声道音频调制和流技术能够准确捕捉现场声音，为观众带来身临其境的听觉体验 |
| 工业控制 | 语音控制应用 | 机器人可根据空间音频识别用户位置，实现精准的控制操作，提高工作效率 |
| 媒体通信 | 视频电话和虚拟现实游戏 | 声音调制设计与轻量级模拟视频流技术结合，提供高质量的音视频传输，增强用户的沉浸感 |
| 医疗诊断 | B超超声检查等 | 低延迟、多声道能力、高保真度和轻量化设计有助于提升医疗服务质量，实现更准确的疾病诊断 |

7. 操作范围拓展方案探讨

为了解决操作范围有限的问题，除了前面提到的反射放大器或隧道二极管方向，还可以考虑以下几种方案：
1. 分布式部署 ：通过在不同位置部署多个激励器和接收器，扩大信号覆盖范围。例如，在大型室内场所中，均匀分布多个设备，确保每个区域都能接收到稳定的信号。
2. 信号中继 ：引入信号中继设备，增强信号的传输距离。当信号在传输过程中衰减时，中继设备可以对信号进行放大和转发，保证信号的强度和质量。
3. 智能调度 ：开发智能调度算法，根据设备的位置和信号强度，动态调整激励器和接收器的工作参数。例如，当标签远离激励器时，自动增加激励功率；当信号干扰较大时，调整传输频率。

以下是操作范围拓展方案的流程图：

graph LR
    A[分布式部署] --> B[扩大覆盖范围]
    C[信号中继] --> D[增强传输距离]
    E[智能调度] --> F[动态调整参数]
    B --> G[提升操作范围]
    D --> G
    F --> G

8. 能量收集优化策略

为了提高能量收集效率，减少对外部电源的依赖，可以采取以下优化策略：
1. 优化电路设计 ：对声音和Wi-Fi能量收集电路进行优化，提高能量转换效率。例如，选择更高效的整流器和电压调节器，减少能量损耗。
2. 多源收集 ：除了声音和Wi-Fi信号，考虑收集其他能源，如太阳能、热能等。通过多种能源的综合利用，确保系统有足够的能量供应。
3. 能量管理优化 ：开发智能能量管理系统，根据系统的能量需求和收集情况，合理分配和存储能量。例如，在能量充足时，将多余的能量存储起来；在能量不足时，优先满足关键模块的需求。

9. 安全防护措施建议

针对窃听安全问题，可采取以下具体的安全防护措施：
1. 加密算法优化 ：研究和开发适用于麦克风阵列反向散射传感器的轻量级加密算法，在保证计算负担较低的情况下，提高数据的安全性。
2. 物理隔离 ：在传感器周围设置物理隔离屏障，减少外部信号的干扰和窃听风险。例如，使用金属屏蔽罩来阻挡无线信号的传播。
3. 认证机制 ：建立严格的认证机制，确保只有授权的设备才能与传感器进行通信。例如，采用数字证书和密钥认证，防止非法设备的接入。

10. 未来发展趋势

随着技术的不断进步，该系统有望在以下几个方面取得进一步的发展：
1. 更高的性能指标 ：不断提高等效吞吐量、分辨率和保真度等性能指标，满足用户对高质量音频和视频的需求。
2. 更广泛的应用场景 ：拓展到更多领域，如智能家居、智能交通等，为人们的生活和工作带来更多便利。
3. 与其他技术的融合 ：与人工智能、物联网等技术深度融合，实现更智能化的功能。例如，通过人工智能算法对音频和视频数据进行分析和处理，提供更精准的服务。

综上所述，该系统具有广阔的应用前景和发展潜力，但也面临着一些挑战。通过不断的技术创新和优化，有望解决当前存在的问题，推动系统在各个领域的广泛应用。