聲波通信方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種聲波通信方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于目前常用的局域、近場通信技術(shù)，如藍(lán)牙和WiFi，在通信前需要通信雙方進(jìn)行 配對(duì)，并且需要外加設(shè)備；而NFC/RIFD技術(shù)通常也需要專門的設(shè)備，并且往往用于數(shù)據(jù)的 單向傳輸。對(duì)于用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆暡ㄍㄐ蓬I(lǐng)域技術(shù)，常用的是超聲波通信，這也需要額外的 裝置才可實(shí)現(xiàn)，這都將造成傳輸成本提高，同時(shí)也難以保證技術(shù)實(shí)施效率。
[0003] 目前，一般便攜式設(shè)備能夠播放和錄音的頻率范圍為0~22KHz。在0~2KHz頻 段干擾較為嚴(yán)重（包括人說話的聲音，周圍環(huán)境的聲音等），不適于數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)有技術(shù)中 存在采用16KHz~22KHz的頻率范圍作為通信頻率的做法，事實(shí)上對(duì)于16KHz~18KHz頻 段，播放和錄音的時(shí)候信號(hào)衰減嚴(yán)重，由于手機(jī)的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的質(zhì)量參差不齊，因此這 樣的聲音頻段并不能很好的適配各類型的手機(jī)，也不適用于數(shù)據(jù)傳輸。
[0004] -公開專利技術(shù)提及采用頻率映射即類似于FSK的方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行20Hz~20kHz 的聲波頻率調(diào)制，然而為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，需要將每個(gè)傳輸?shù)念l率保持在50ms ;另一 公開專利技術(shù)中則需保證頻率傳輸持續(xù)40ms，并且還需要發(fā)送端與接收端同步?？上攵?當(dāng)數(shù)據(jù)量較大的時(shí)候，這樣的傳輸方式需要的傳輸時(shí)間是非常大的，所以其效率較低。
[0005] OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí) 際上OFDM是MCM (Multi Carrier Modulation)，多載波調(diào)制的一種。OFDM的主要思想是： 將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè) 子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信 道之間的相互干擾（ICI)。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道 上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_，而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信 道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。
[0006] 0FDM調(diào)制技術(shù)具有抗干擾、抗頻率衰減等特性，一般應(yīng)用于高頻、寬帶傳輸領(lǐng)域， 而較少應(yīng)用于聲波通信領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，需要提供一種具有良好終端適應(yīng)性、高傳輸效率、低成本投入的聲波通信 技術(shù)方案。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明人提供了一種聲波通信方法，包括步驟：
[0009] 發(fā)送端對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)中的一數(shù)據(jù)單元作如下處理：
[0010] 設(shè)置校驗(yàn)編碼；
[0011] 將所述數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)編碼規(guī)則調(diào)制到Μ個(gè)載波上，Μ為大于或等于2的正整數(shù)， 所述Μ個(gè)載波滿足兩兩正交的關(guān)系，且Μ個(gè)載波中任意兩個(gè)載波的頻率差值的絕對(duì)值小于 或等于22kHz ;所述編碼規(guī)則包括相位參數(shù)或幅度參數(shù)；
[0012] 加入同步碼；
[0013] 加入循環(huán)前綴；
[0014] 生成聲音信號(hào)并發(fā)送；
[0015] 接收端接收所述聲音信號(hào)，并作如下處理：
[0016] 對(duì)接收的聲音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取數(shù)字序列；
[0017] 對(duì)所述數(shù)字序列進(jìn)行下變頻處理；
[0018] 對(duì)下變頻得到的復(fù)數(shù)序列進(jìn)行同步處理；
[0019] 對(duì)同步處理所得數(shù)據(jù)作快速傅里葉變換得到時(shí)域信號(hào)；
[0020] 對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行還原處理，所述還原處理包括信道估計(jì)和信道補(bǔ)償；
[0021] 對(duì)經(jīng)還原的信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)處理，解調(diào)方法與發(fā)送系統(tǒng)采用的調(diào)制方法相對(duì) 應(yīng)；
[0022] 對(duì)經(jīng)相位解調(diào)的信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)處理，校驗(yàn)方法與發(fā)送系統(tǒng)設(shè)置的校驗(yàn)編碼方法相 對(duì)應(yīng)；
[0023] 還原二進(jìn)制序列得到原始信息。
[0024] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信方法中，步驟"將所述數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)編碼規(guī)則調(diào)制到 Μ個(gè)載波上"具體包括：
[0025] 將數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為一組復(fù)數(shù)序列，并按預(yù)設(shè)選取規(guī)則從該復(fù)數(shù)序 列中選取Μ個(gè)復(fù)數(shù)，并將該Μ個(gè)復(fù)數(shù)與（Ν-Μ)個(gè)0以預(yù)設(shè)組成規(guī)則組成一長度為Ν的數(shù)據(jù) 組，并對(duì)該數(shù)據(jù)組做Ν點(diǎn)傅里葉逆變換；其中Ν>Μ且N = 21，i為正整數(shù)；
[0026] 連接所有傅里葉逆變換結(jié)果信號(hào)得到調(diào)制結(jié)果信號(hào)。
[0027] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信方法中，接收端接收聲音信號(hào)的數(shù)據(jù)流大小為一預(yù)設(shè) 值，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)流大小達(dá)到所述預(yù)設(shè)值時(shí)開始模數(shù)轉(zhuǎn)換及后續(xù)處理直至得到原始信息， 而后將內(nèi)存中的該聲音信號(hào)數(shù)據(jù)流刪除。
[0028] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信方法中，所述下變頻處理具體包括：
[0029] 將本地載波的同相分量與數(shù)字序列進(jìn)行乘法運(yùn)算并進(jìn)行低通濾波，得到數(shù)字序列 的同相分量；
[0030] 將本地載波的正交分量與數(shù)字序列進(jìn)行乘法運(yùn)算并進(jìn)行低通濾波，得到數(shù)字序列 的正交分量；
[0031] 其中本地載波的頻率與發(fā)送系統(tǒng)采用的載波頻率相對(duì)應(yīng)；所述同相分量和正交分 量構(gòu)成一復(fù)數(shù)序列。
[0032] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信方法中，所述同步處理具體包括第一同步處理和第二 同步處理；
[0033] 所述第一同步處理包括：對(duì)所述復(fù)數(shù)序列每隔預(yù)設(shè)符號(hào)長度進(jìn)行一次互相關(guān)運(yùn) 算，當(dāng)?shù)玫降幕ハ嚓P(guān)值連續(xù)N次超過一預(yù)設(shè)閾值時(shí)判定為滿足第一同步條件；
[0034] 所述第二同步處理包括：從第一同步處理中互相關(guān)值第一次超過所述預(yù)設(shè)閾值 的互相關(guān)值開始的若干個(gè)互相關(guān)值中確定最大值，并以最大值位置判定為實(shí)際數(shù)據(jù)起始位 置。
[0035] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信方法中，在快速傅里葉變換運(yùn)算前還包括步驟：
[0036] 對(duì)同步處理所得數(shù)據(jù)流按預(yù)設(shè)大小單位分解為若干數(shù)據(jù)單元，對(duì)每一數(shù)據(jù)單元進(jìn) 行串并轉(zhuǎn)換并去除循環(huán)數(shù)據(jù)；
[0037] 在快速傅里葉變換運(yùn)算后還包括步驟：
[0038] 從每一數(shù)據(jù)單元的運(yùn)算結(jié)果中去除發(fā)送系統(tǒng)加入的冗余數(shù)據(jù)后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。
[0039] 發(fā)明人還提供了一種聲波通信系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端；
[0040] 所述發(fā)送端包括校驗(yàn)設(shè)置模塊、調(diào)制模塊、同步碼模塊、循環(huán)前綴模塊、聲音生成 模塊和聲音發(fā)送模塊；其中：
[0041] 所述校驗(yàn)?zāi)K用于對(duì)待發(fā)送的一數(shù)據(jù)單元設(shè)置校驗(yàn)編碼；
[0042] 所述調(diào)制模塊用于將所述數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)編碼規(guī)則調(diào)制到Μ個(gè)載波上，Μ為大于 或等于2的正整數(shù)，所述Μ個(gè)載波滿足兩兩正交的關(guān)系，且Μ個(gè)載波中任意兩個(gè)載波的頻率 差值的絕對(duì)值小于或等于22kHz ;所述編碼規(guī)則包括相位參數(shù)或幅度參數(shù)；
[0043] 所述同步碼模塊用于加入同步碼；
[0044] 所述循環(huán)前綴模塊用于加入循環(huán)前綴；
[0045] 所述聲音生成模塊用于生成聲音信號(hào)；
[0046] 所述聲音發(fā)送模塊用于發(fā)送聲音生成模塊生成的聲音信號(hào)；
[0047] 所述接收端包括聲音接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊、同步模塊、變換模塊、 還原模塊、相位解調(diào)模塊和校驗(yàn)?zāi)K；其中：
[0048] 所述聲音接收模塊用于接收聲音信號(hào)；
[0049] 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)接收的聲音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取數(shù)字序列；
[0050] 所述下變頻模塊用于對(duì)所述數(shù)字序列進(jìn)行下變頻處理；
[0051] 所述同步模塊用于對(duì)下變頻得到的復(fù)數(shù)序列進(jìn)行同步處理；
[0052] 所述變換模塊用于對(duì)同步處理所得數(shù)據(jù)作快速傅里葉變換得到時(shí)域信號(hào)；
[0053] 所述還原模塊用于對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行還原處理，所述還原處理包括信道估計(jì)和信道 補(bǔ)償；
[0054] 所述相位解調(diào)模塊用于對(duì)經(jīng)還原的信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)處理，解調(diào)方法與發(fā)送系統(tǒng) 采用的調(diào)制方法相對(duì)應(yīng)；
[0055] 所述校驗(yàn)?zāi)K用于對(duì)經(jīng)相位解調(diào)的信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)處理，校驗(yàn)方法與發(fā)送系統(tǒng)設(shè)置 的校驗(yàn)編碼方法相對(duì)應(yīng)。
[0056] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信系統(tǒng)中，調(diào)制模塊將所述數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)編碼規(guī)則調(diào) 制到Μ個(gè)載波上具體包括：
[0057] 將數(shù)據(jù)單元按預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為一組復(fù)數(shù)序列，并按預(yù)設(shè)選取規(guī)則從該復(fù)數(shù)序 列中選取Μ個(gè)復(fù)數(shù)，并將該Μ個(gè)復(fù)數(shù)與（Ν-Μ)個(gè)0以預(yù)設(shè)組成規(guī)則組成一長度為Ν的數(shù)據(jù) 組，并對(duì)該數(shù)據(jù)組做Ν點(diǎn)傅里葉逆變換；其中Ν>Μ且N = 21，i為正整數(shù)；
[0058] 連接所有傅里葉逆變換結(jié)果信號(hào)得到調(diào)制結(jié)果信號(hào)。
[0059] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信系統(tǒng)中的接收端還包括存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)聲音接收 模塊所接收的聲音信號(hào)；
[0060] 聲音接收模塊接收的聲音信號(hào)的數(shù)據(jù)流大小為一預(yù)設(shè)值，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)流大小達(dá) 到所述預(yù)設(shè)值時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊開始對(duì)該聲音信號(hào)數(shù)據(jù)流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，直至校驗(yàn)?zāi)K 完成校驗(yàn)處理得到原始信息后，存儲(chǔ)模塊將其中的該聲音信號(hào)數(shù)據(jù)流刪除。
[0061] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信系統(tǒng)中，下變頻模塊將本地載波的同相分量與數(shù)字序 列進(jìn)行乘法運(yùn)算并進(jìn)行低通濾波，得到數(shù)字序列的同相分量；并且
[0062] 將本地載波的正交分量與數(shù)字序列進(jìn)行乘法運(yùn)算并進(jìn)行低通濾波，得到數(shù)字序列 的正交分量；
[0063] 其中本地載波的頻率與發(fā)送系統(tǒng)采用的載波頻率相對(duì)應(yīng)；所述同相分量和正交分 量構(gòu)成一復(fù)數(shù)序列。
[0064] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信系統(tǒng)中，同步模塊所進(jìn)行的同步處理具體包括第一同 步處理和第二同步處理；
[0065] 所述第一同步處理包括：對(duì)所述復(fù)數(shù)序列每隔預(yù)設(shè)符號(hào)長度進(jìn)行一次互相關(guān)運(yùn) 算，當(dāng)?shù)玫降幕ハ嚓P(guān)值連續(xù)N次超過一預(yù)設(shè)閾值時(shí)判定為滿足第一同步條件，其中N為一預(yù) 設(shè)正整數(shù)；
[0066] 所述第二同步處理包括：從第一同步處理中互相關(guān)值第一次超過所述預(yù)設(shè)閾值 的互相關(guān)值開始的若干個(gè)互相關(guān)值中確定最大值，并以最大值位置判定為實(shí)際數(shù)據(jù)起始位 置。
[0067] 進(jìn)一步地，所述的聲波通信系統(tǒng)中，變換模塊在快速傅里葉變換運(yùn)算前對(duì)同步處 理所得數(shù)據(jù)流按預(yù)設(shè)大小單位分解為若干數(shù)據(jù)單元，對(duì)每一數(shù)據(jù)單元進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并去除 循環(huán)數(shù)據(jù)；并在快速傅里葉變換運(yùn)算后從每一數(shù)據(jù)單元的運(yùn)算結(jié)果中去除發(fā)送系統(tǒng)加入的 冗余數(shù)據(jù)后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。
[0068] 區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，上述技術(shù)方案使用方便，傳輸過程無需匹配，隨用隨傳；傳輸安 全，傳輸過程可通過調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器音量來控制傳輸距離；抗干擾性強(qiáng)，采用0FDM調(diào)制技術(shù)，抗 頻率衰減，同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力；信號(hào)質(zhì)量高、適應(yīng)性強(qiáng)，采用3~7kHz的聲 波頻率作為載波頻率，衰減較弱，并可有效的提高各種終端設(shè)備的適應(yīng)性，可靈活應(yīng)用于具 有麥克風(fēng)和/或揚(yáng)聲器的終端設(shè)備上，包括Android、ios、windows phone操作系統(tǒng)的移動(dòng) 終端和windows平臺(tái)的PC等。
[0069] 本發(fā)明采用BPSK/QPSK調(diào)制技術(shù)，有效的提高傳輸速率，對(duì)于BPSK調(diào)制，傳輸速率 可達(dá)2.