CN102263576B - 无线信息传输方法及实现设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信息传输方法，用于短距离的信息传输，其为先将所有信息单元定义为不同频谱模式，发送信息的方法为将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号，通过扬声器转换成声音后发出；接收信息的方法为麦克风装置从空气中接收到所述频谱模式信号，而后通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息。

Description

无线信息传输方法及实现设备

技术领域

本发明涉及一种无线信息传输方法，特别涉及一种短距离的无线信息传输方法。

背景技术

目前两个设备(比如手机或者机器人)之间的短距离无线信息传输存在多种方法，比如Wifi技术、蓝牙技术以及红外传输技术等。红外传输技术由于其方向性的限制，在应用上存在诸多不便；而Wi-Fi技术和蓝牙技术相对比较成熟，但需要独立的芯片模块以及射频模块，成本较高，电路也较复杂。

人与人之间最主要的交流方式是通过语言，在距离不太远的时候，通过交谈来交流信息。语音识别是人们发明的一种用来使设备能够听懂人的语音的一种技术，但人的语音是在人类进化过程中逐步发展起来的，它受到人的发声器官、进化历程、语言文字以及文化等诸多方面因素的约束，携带着非常大的信息量，不仅有很多歧义，并且具有很大的冗余性。因此对于机器而言识别自然语言是非常困难的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于短距离信息传输的无线信息传输方法。

为解决上述技术问题，本发明的无线信息传输方法，先将所有信息单元定义为不同频谱模式，发送信息的方法为将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号，通过扬声器转换成声音发出；

所述将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号为，每个信息单元通过编码器分配到某一特定的频谱模式，之后发送到滤波器控制器，由滤波器控制器对滤波器参数进行调整，而后滤波器对白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；

接收信息的方法为麦克风装置从空气中接收到所述频谱模式信号，而后通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息；

所述通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息为，去除噪音后将所述频谱模式信号分成信息单元，将所述信息单元的频谱模式与频谱模式库中的频谱模式比较，还原为原始信息，所述频谱模式库为每个信息单元的频谱模式集合。

本发明还提供了一种实现上述无线信息传输方法的设备，包括信息发送模块和信息接收模块：

其中信息发送模块包括信号源，用于发出所要发送的信息；编码器，连接于信号源，用于根据频谱模式库对信号源发出的信息中每个信息单元分配特定的频谱模式；滤波器控制器，连接于编码器，用于根据编码器发送的频谱模式产生控制信息；激励源，用于发出白噪声；滤波器，与滤波器控制器和激励源相连接，用于根据控制信息来调整滤波器的参数，之后对白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；扬声器，与滤波器相连接，用于将所述信号转换成声音信号发出；

信息接收模块包括麦克风，用于接收声音，并将声音信号转换成数字形式的频谱模式信号；同步信息提取模块，连接于麦克风，用于将频谱模式信号分成信息单元；匹配模块，连接同步信息提取模块，用于信息单元的频谱模式与模式库中的频谱模式进行比较，还原为原始信息。

本发明的无线传输方法中，由于没有人的参与，并且机器的音频范围很宽，因此机器完全采用自己的一套“语言(即特定的频谱模式)”进行交流。这种“语言”在声学层面覆盖的频率范围很宽，比如可以包含人耳听不到的超声波，在频谱上具有固定的模式(没有人类语言中口音等因素的影响)，具有很高的正交性(“词”之间的相似性很小)、确定性(如频谱模式、时长等)和效率(去掉冗余性)。更关键的一点是，用来发声和录音的设备(扩音器和麦克风)非常廉价，并且在一些嵌入式设备(比如手机和机器人)上相当普遍，可以与其他功能复用。而且“机器语言”的设计，其识别准确率在中等噪声条件下可望逼近100％。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为一信息单元的频谱模式举例示意图；

图2为本发明的一具体信息发送模块示意框图；

图3为本发明的一具体信息接收模块示意框图。

具体实施方式

本实施例提供了一种用于短距离设备之间的信息交流方式。两个分别具有麦克风和扬声器模块的设备在较短的距离范围内可以通过声音进行信息的交流。这是通过在某一方从扬声器发送一段特殊的音频流，而另一方由麦克风接收并解析这段音频流来实现的。当接收方处于监听状态时，发送方将所要发送的信息进行音频编码，具体表现为频谱上的一些具有有限时长的频谱模式(Pattern)，必要时为音频流加上同步用的头尾标记，然后由扬声器播放出这段声音。对于接收方而言，它一直在监听由麦克风接收的数据，一旦它检测到了同步头标记就开始对音频进行分析，从中提取出感兴趣的信息。

本发明的无线信息传输方法，先将所有信息单元定义为不同频谱模式，形成模式库。发送信息的方法为将所要发送的信息按照信息单元编码成特定(模式库中所定义的形式)的频谱模式信号，通过扬声器转换成声音后发出；接收信息的方法为麦克风装置从空气中接收到所述频谱模式信号，而后通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息。具体的发送信息的方法可为：将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号为，每个信息单元通过编码器分配到某一特定的频谱模式，之后发送到滤波器控制器，由滤波器控制器对滤波器参数进行调整，而后滤波器对白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；接收信息的方法为麦克风接收到所述频谱模式的信号，去除噪音后将所述频谱模式信号分成信息单元，将所述信息单元的频谱模式与频谱模式库中的频谱模式比较，还原为原始信息，所述模式库为每个信息的频谱模式集合。去噪可采用已知的技术，如常用的滤波(过滤掉无用频带)和谱减的方法等。

在本发明中，将所有的信息按信息单元定义为特有的频谱模式(可由设计者根据可分辨原则进行自定义)，这种模式摆脱了人类语言所具有的一些约束，可以具有更好的鲁棒性和效率。图1就是一个信息单元的频谱模式的实例，其中横轴代表时间，纵轴代表频率，黑色部分代表能量高的部分(能量带)。由于摆脱了人类发声器官的约束，每个频谱模式可以具有固定的时长，可以覆盖更高的频率范围(比如8000Hz到20000Hz部分)，也可以包含较为随意的能量带。将若干个不同的频谱模式串联起来就可以表达一定的信息。

实现本发明的传输方法的设备，为了能在两个设备之间传输声音信息，包括信息发送模块和信息接收模块。信息发送模块包括信号源，用于发出所要发送的信息；编码器，连接于信号源，用于根据频谱模式库对信号源发出的信息中每个信息单元分配特定的频谱模式；滤波器控制器，连接于编码器，用于根据编码器发送的频谱模式产生控制信息；激励源，用于发出白噪声；滤波器，与滤波器控制器和激励源相连接，用于根据控制信息来调整滤波器的参数，之后对白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；扬声器，与滤波器相连接，用于将信号转换成声音信号发出。信息接收模块包括麦克风，用于接收声音，并将声音信号转换成数字形式的频谱模式信号；同步信息提取模块，连接于麦克风，用于将频谱模式信号分成信息单元；图像匹配模块，连接同步信息提取模块，用于将信息单元的频谱模式与频谱模式库中的频谱模式进行比较，还原为原始信息。

当一方想要发送信息时，它首先将要发送的信息进行音频编码，具体就是将抽象信息编码成一组频谱模式序列，然后这组频谱模式序列被传送到扬声器，在扬声器里被转换成声音的振动，扩散到空气中。一个具体的信息发送模块如图2所示：信息发送方所要发送的信息由信号源发出，一个信息单元在经过编码器时，由编码器根据模式库分配该信息单元一个指定的频谱模式。编码器将该频谱模式发送到滤波器控制器，由其控制滤波器(可为数字滤波器)的参数，使滤波器具有相应的频率响应F(t)，其中t是时间。之后滤波器对激励源发出的白噪声进行滤波，因而产生具有对应频谱模式的信号，最终通过扬声器将电信号转换为声音传播到空气中。接收方一直监听空气中的声音，当它接收到这组频率模式序列之后，将其分解、解码并最终还原原始信息。一个具体的信息接收模块详细过程如图3所示：首先接收方由麦克风将空气中的振动转换成数字信号传送给同步信息提取模块。同步信息提取模块将接收到的一串信息分隔成信息单元，然后将每个信息单元经过信号增强后发送给图像匹配模块。图像匹配模块分析每个信息单元的频谱，将其与模式库中的频谱模式进行比较，最终还原出原始的信息。至此一次信息传输过程宣告完成。在麦克风接收到信息后还可包括去噪处理，即通过去噪模块对所接收到的信息进行去噪处理。本发明中的图像匹配模块采用通用的图像识别算法来对信息进行解码。

在信号的传输信道里噪音是无处不在的，这包括麦克风、扬声器等模拟器件的通道噪声以及空气中的加性噪声等。本发明所设计的频谱模式具有明显区分于普通环境噪声的频谱特征，因此具有良好的抗噪性。同时，信号增强模块可以对信号进行增强，对噪声进行抑制，提高信噪比，进一步增强了解码系统的抗噪性。因环境噪声表现在频谱上一般不具有比较复杂的特征，比如白噪声表现在频谱上是各个方向都均匀的分布，汽车发动机的噪声表现在频谱上是靠低频的部分能量较强，高频的部分能量较弱，在时间上变化缓慢。而本发明中的频谱模式在频谱上能量带比较鲜明，并优选设计为至少具有一条竖线或斜线以及两条以上的横线。这样的特征是可以很明显与噪声和DTMF技术区分的。

作为一种短距离的设备间传输信息的手段，本发明的技术与红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术等现有技术有鲜明的区别。现有技术都是采用光、红外或者微波等作为信息载体的，而本发明涉及的技术采用声音的振动来传输信息，与前者具有本质上的不同。

一个形式上最为接近的技术是DTMF(双音多频信号)，它是电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令。它使用一个低音和一个高音的组合来代表一个电话键盘上的一个按键，一共具有16种不同的组合。本发明和它的区别主要在以下几个方面：

1.传输介质不同。DTMF本质上是金属电话线里电流频率的改变，而不是声音的振动；它用于有线连接的电话机与交换机之间，而不是互不相连的两个移动设备之间。

2.频谱模式不同。DTMF具有16种固定的频谱模式，每个频谱模式仅由两个不同频率的正弦信号组成，最高频率不超过1700Hz。DTMF表现在语谱图上就是两条平行的横线。本发明的技术对频谱模式的要求大大放宽，频率覆盖范围甚至超过人耳所能感知的范围，可避开环境中低频噪声的影响。

3.编码内容不同。DTMF是一种固定的格式，只对0到9的十个数字以及若干辅助按键进行编码，而本发明涉及的技术则是一种通用的信息编码手段。

Claims (4)

1.一种无线信息传输方法，用于短距离的信息传输，其特征在于：先将所有信息单元定义为不同频谱模式，发送信息的方法为将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号，通过扬声器转换成声音后发出；

所述将所要发送的信息按照信息单元编码成特定的频谱模式信号为，每个信息单元通过编码器分配到某一特定的频谱模式，之后发送到滤波器控制器，由滤波器控制器对滤波器参数进行调整，而后滤波器对白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；

接收信息的方法为麦克风装置从空气中接收到所述频谱模式信号，而后通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息；

所述通过解码将所述频谱模式信号还原为原始信息为，去除噪音后将所述频谱模式信号分成信息单元，将所述信息单元的频谱模式与频谱模式库中的频谱模式比较，还原为原始信息，所述频谱模式库为每个信息单元的频谱模式集合。

2.按照权利要求1所述的传输方法，其特征在于：所述频谱模式定义为至少由两条横线和一条竖线或斜线构成。

3.一种实现无线传输的设备，所述设备包括信息发送模块和信息接收模块，其特征在于：

所述信息发送模块包括信号源、编码器、滤波器控制器、激励源、滤波器、及扬声器；其中所述信号源用于发出所要发送的信息；所述编码器用于根据频谱模式库对所述信号源发出的信息中每个信息单元分配特定的频谱模式；所述滤波器控制器用于根据编码器发送的频谱模式产生控制信息；所述激励源用于发出白噪声；所述滤波器用于根据所述控制信息来调整所述滤波器的参数，之后对所述白噪声进行滤波，产生具有特定频谱模式的信号；所述扬声器用于将所述信号转换成声音信号发出；

所述信息接收模块包括麦克风、同步信息提取模块和图像匹配模块；所述麦克风用于接收声音，并将声音信号转换成数字形式的频谱模式信号；所述同步信息提取模块用于将所述频谱模式信号分成信息单元；所述图像匹配模块用于将所述信息单元的频谱模式与频谱模式库中的频谱模式进行比较，还原为原始信息。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于：所述信息接收模块还包括信号增强模块，连接于同步信息提取模块和匹配模块之间，用于增强每个信息单元。

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