CN102546032A - 无线发射、接收方法和装置以及无线通信方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线发射、接收方法和装置以及无线通信方法和系统，其中无线发射方法包括：将用户数据调制到多声波载波上，得到多载波信号；将所述多载波信号映射为声波，发射所述声波。无线接收方法包括：接收声波，将所述声波映射为多载波信号；将多载波信号进行解调，恢复出用户数据。本发明通过将用户数据调制到多声波载波上，然后将多载波信号映射为声波，使得声波中承载了用户数据，实现了利用声音传输和/或共享数据，这种无线通信方式实现简单、用户体验良好、成本低且有效。

Description

无线发射、接收方法和装置以及无线通信方法和系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及使用声音进行数据传输和/或共享的无线发射、接收方法和装置以及无线通信方法和系统。
背景技术
当前共享和传输数据主要是通过互联网、无线电(Radio Frequcncy)、蓝牙(Bluetooth)、或红外线(Infrared)等方式，但是这些方式在实现过程中都相对复杂，要求高，存在不可逾越的硬件屏障。因此，需要一种相对简单、用户体验好、便宜、有效的方式来共享和传输数据。
在现有一些通信设备中都内置有扬声器和麦克风，其提供了录制和播放声音的功能。然而利用其传输和/或共享数据的功能还没有被开发。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种无线发射、接收方法和装置以及无线通信方法和系统，利用声音传输和/或共享数据。
本发明提供了一种基于声音的无线发射方法，包括：
将用户数据调制到多声波载波上，得到多载波信号；
将所述多载波信号映射为声波，发射所述声波。
本发明还提供了一种基于声音的无线接收方法，包括：
接收声波，将所述声波映射为多载波信号；
将多载波信号进行解调，恢复出用户数据。
本发明还提供了一种基于声音的无线通信方法，包括：上述基于声音的无线发射方法和基于声音的无线接收方法。
本发明还提供了一种基于声音的无线发射装置，包括：
将用户数据调制到多声波载波上得到多载波信号的多载波调制模块；
以及，将所述多载波调制模块输出的多载波信号映射为声波并发射的声音发射模块；
所述多载波调制模块与所述声音发射模块连接。
本发明还提供了一种基于声音的无线接收装置，包括：
将接收的声波映射为多载波信号的声音处理模块；
以及，将所述声音处理模块输出的多载波信号进行解调恢复出用户数据的多载波解调模块；
所述声音处理模块与所述多载波解调模块连接。
本发明还提供了一种基于声音的无线通信装置，包括：上述基于声音的无线发射装置、基于声音的无线接收装置以及存储装置；所述基于声音的无线发射装置和所述基于声音的无线接收装置均与所述存储装置连接。
本发明通过将用户数据调制到多声波载波上，然后将多载波信号映射为声波，使得声波中承载了用户数据，实现了利用声音传输和/或共享数据，这种无线通信方式实现简单、用户体验良好、成本低且有效。
附图说明
图1示出了本发明基于声音的无线发射方法的一实施例的流程图；
图2示出了本发明基于声音的无线接收方法的一实施例的流程图；
图3示出了本发明基于声音的无线发射装置一实施例的结构示意图；
图4示出了本发明基于声音的无线接收装置一实施例的结构示意图；
图5示出了本发明基于声音的无线通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细描述本发明，但本发明并不仅仅限于此。
本发明提供的基于声音的无线通信方法是利用声音信道进行传输和/或共享数据。所谓声音信道是指利用声波进行点对点数据传输的通道。当周围环境比较复杂的情况下，声音信道有可能会出现大量的干扰或噪声，致使使用声波进行可靠、准确地数据传输变得很难。另外，由于声速相对于光速而言非常慢，所以声波会由于多路径信号传输而造成能量降级，即使是在短距离传输上也会存在着同样的问题。因此，为了解决使用声音进行无线通信时存在的多路径和窄带造成的频率选择性衰减和干扰的问题，本发明在声音信道上传输数据时采用多载波调制技术。
图1示出了本发明基于声音的无线发射方法的一实施例的流程图。本实施例是利用声音发送用户数据的方法，如图1所示，本实施例具体包括如下步骤：
步骤101、将用户数据进行卷积编码，得到编码信号。
从存储模块中接收用户数据作为待传输的比特流，将其进行卷积编码得到编码信号。为了提高声音信道的可靠性，在进行编码之前可以在用户数据中加入循环冗余校验(Cyclic redundancy check，以下简称：CRC)码和/或前向纠错(Forward Error Correction，以下简称：FEC)码。
FEC是一种常用的纠错技术，它是指信号在被送入传输信道之前预先按一定的算法进行处理，加入带有信号本身特征的冗码，在接收端按照相应算法对接收到的信号进行解码时，能够找出在传输过程中产生的错误码并将其纠正。在用户数据中加入FEC码能增加数据通讯的可信度。在本发明中，在单向通讯信道中，一旦发现错误，无线接收装置将无权再请求传输。因此，采用FEC技术可以在单向通信系统中控制传输错误，其通过连同数据发送额外的信息(即带有信号本身特征的冗码)进行错误恢复，以降低误码率，当传输中出现错误时，将允许无线接收装置再建数据。
优选的，在将用户数据进行卷积编码，得到编码信号之后还包括：将编码信号进行交织处理。具体地说，将编码信号所含比特以列的方式写入一个M×N的矩阵，然后以行的形式读出，该M×N矩阵的大小等于编码信号所含比特的大小。通过本步骤来交织编码后的比特，可以最大限度的改变信息的数据结构而不改变数据内容。
步骤102、将编码信号进行调制处理和快速傅里叶逆变换处理。
本步骤可以采用多种调制方法，例如正交相移键控(Quadrature PhaseShift Keying，以下简称：QPSK)、正交幅度调制(Quadrdature AmplitudeModulation，以下简称：QAM)等，其中QAM调制可采用16QAM调制。也就是说，本步骤可以具体为：将编码信号进行正交幅度调制处理或正交相移键控调制处理。
以QPSK调制为例，编码信号被调制到多声波载波上后，编码信号将被映射到QPSK符号上，再经过串联向并联的转换，生成N QPSK符号。本文所述的多声波载波是指频率与声波一致的载波信号。QPSK是一种恒定振幅的数字调制方法，一般来说，编码信号将被分割成每两个比特b0和b1为一组，第一个比特会在同向(I)信道(in-phase channel)上被调制，第二个比特将在正交(Q)通道(quadrature channel)上被调制。映射到同向与正交信道上之后，每组比特b0和b1将会表示为复数aI+jaQ，也就是QPSK符号。N QPSK符号经过快速傅里叶逆变换处理并且从并联再转换为串联以生成多载波信号。
本步骤中，调制至多声波载波上并且从并联传输再转换为串联传输，可以提高频带利用率。举例来说，将4个码元周期均为4s的并行的数字信号进行并-串转换后，在一个周期(4s)内，可以将所述4个码元串行传输，这时，每个码元的周期都变成了1s，从而达到提高频带利用率的目的。
步骤103、生成同步码。
为了同步从声音信道上接收的信号，会生成一组同步码。通常，时序参考序文、频率参考序文和相位参考序文会组合或单独生成一组同步码。例如，微分QPSK调制器会强制要求相位参考序文作为同步码。
步骤103也可以在步骤101或102之前执行。
步骤104、将经过调制处理和快速傅里叶逆变换处理后的编码信号与生成的同步码加载到多声波载波上，得到多载波信号。
上述步骤101-104是将用户数据调制到多声波载波上，得到多载波信号的具体过程。
步骤105、将多载波信号映射为声波，发射声波。
多载波信号为电信号，为了能使用声波传输多载波信号，本步骤将多载波信号映射为声波，该映射依据的是设备内部预先存储的映射关系。举例来说，如果多载波信号为“1010”，根据预先存储的映射关系，它将被映射为声音“嘀嗒嘀嗒”，由扬声器、声卡或其它可以产生声波的设备发射出去。这样多载波信号被承载在声波上。
图2示出了本发明基于声音的无线接收方法的一实施例的流程图。本实施例是接收声音并从其中提取出用户数据的方法，如图2所示，本实施例具体包括如下步骤：
步骤201、接收声波，将声波映射为多载波信号。
麦克风、声卡或者其它可以接收声波的设备接收声波，将声波映射为多载波信号，该映射依据的是设备内部预先存储的映射关系，这种映射关系与声音发射设备内部存储的映射关系是相同的。该映射过程也可理解为是模数转换的过程，将模拟信号(声波)转换成数字信号(多载波信号)。
步骤202、将多载波信号进行下变频转换处理。
将经过模数转换处理后输出的具有一定频率的数字信号转换成具有更低频率的输出信号，通常称这个转换为下变频转换，在这种转换过程中，通常不改变信息的内容和调制方式。
步骤203、利用多载波信号中携带的同步码进行同步处理。
本步骤采用与多载波信号一起传输的同步码来做同步处理，多载波信号的时序、频率和相位都记录在同步码中。在同步处理后，同步码将被丢弃。
步骤204、将同步处理后的多载波信号进行快速傅里叶变换处理和解调处理，得到载波信号。
通过快速傅里叶变换处理和解调处理，可以从多载波信号中过滤出载波信号。其中解调处理可以采用差分解调处理方法。
在过滤出载波信号之后还可以包括：将载波信号进行解交织处理。
步骤205、将载波信号进行解码，得到用户数据。
本步骤可以采用维特比算法来对载波信号进行解码，通过解码处理恢复出用户数据，然后将用户数据存储到存储模块中，实现了使用声音传递用户数据的目的。
上述步骤202-205即为将多载波信号进行解调，恢复出用户数据的具体过程。
优选地，本实施例在步骤201之后还可以包括：通过计算干扰级别的功率谱密度，评估噪声级别。在同步码到达之前(即多载波信号未经过同步处理时)，计算受干扰的多载波信号的功率谱密度，以此用来评估声音信道中的噪声级别。由于经过模数转换的抽样信号是有干扰的，通过计算干扰级别的功率谱密度，剔除不需要的声调(即声音的频率)，能使信号标准化。
本发明还提供了一种基于声音的无线通信方法，包括上述基于声音的无线发射方法和基于声音的无线接收方法。
图3示出了本发明基于声音的无线发射装置一实施例的结构示意图。如图3所示，该无线发射装置包括：将用户数据调制到多声波载波上得到多载波信号的多载波调制模块30；以及，将多载波调制模块30输出的多载波信号映射为声波并发射的声音发射模块31。多载波调制模块30与声音发射模块31连接。
进一步的，上述多载波调制模块30包括：编码器32、调制器33、傅里叶逆变换器34、同步码发生器35、上变频器36。编码器32与调制器33连接，调制器33与傅里叶逆变换器34连接，傅里叶逆变换器34和同步码发生器35均与上变频器36连接，上变频器36与声音发射模块31连接。
编码器32接收用户数据作为待传输的的比特流，将其进行卷积编码得到编码信号。优选地，多载波调制模块30还可以包括校验元件37和/或前向纠错元件38，校验元件37在用户数据加入CRC码，前向纠错元件38在用户数据加入FEC码，编码器32对加入了CRC码和/或FEC码的用户数据进行卷积编码。校验元件37和/或前向纠错元件38与编码器32连接。
优选的，多载波调制模块30还可以包括交织器39，交织器39将编码器32输出的编码信号进行交织处理。具体地说，将编码信号所含比特以列的方式写入一个M×N的矩阵，然后以行的形式读出，该M×N矩阵的大小等于编码信号所含比特的大小。通过交织器39来交织编码后的比特，可以最大限度的改变信息的数据结构而不改变数据内容。编码器32通过交织器39与调制器33连接。
调制器33对编码器32输出的编码信号进行调制处理，在有交织器39的情况下，调制器33是对交织器39输出的编码信号进行调制处理。傅里叶逆变换器34将调制器33输出的编码信号进行快速傅里叶逆变换处理。其中，调制器33可以为QPSK调制器或QAM调制器，例如16QAM调制器。以QPSK调制器为例，编码信号被调制到多声波载波上后，编码信号将被映射到QPSK符号上，再经过串联向并联的转换，生成N QPSK符号。众所周知，QPSK是一种恒定振幅的数字调制方法，一般来说，编码信号将被分割成每两个比特b0和b1为一组，第一个比特会在同向(I)信道(in-phase channel)上被调制，第二个比特将在正交(Q)通道(quadrature channel)上被调制。映射到同向与正交信道上之后，每组比特b0和b1将会表示为复数aI+jaQ，也就是QPSK符号。N QPSK符号经过快速傅里叶逆变换处理并且从并联再转换为串联以生成多载波信号。调制至多声波载波上并且从并联传输再转换为串联传输，可以提高频带利用率。举例来说，将4个码元周期均为4s的并行的数字信号进行并-串转换后，在一个周期(4s)内，可以将所述4个码元串行传输，这时，每个码元的周期都变成了1s，从而达到提高频带利用率的目的。
为了同步从声音信道上接收的信号，同步码发生器35会生成一组同步码。通常，时序参考序文、频率参考序文和相位参考序文会组合或单独生成一组同步码。例如，微分QPSK调制器会强制要求相位参考序文作为同步码。
上变频器36将傅里叶逆变换器34输出的编码信号与同步码发生器35生成的同步码加载到多声波载波上，得到多载波信号。
多载波信号为电信号，为了能使用声波传输多载波信号，声音发射模块31将多载波信号映射为声波，该映射依据的是设备内部预先存储的映射关系。举例来说，如果多载波信号为“1010”，根据预先存储的映射关系，它将被映射为声音“嘀嗒嘀嗒”。本发明中，声音发射模块31包括扬声器、声卡或者其他可以产生声波的设备。
图4示出了本发明基于声音的无线接收装置一实施例的结构示意图。如图4所示，该无线接收装置包括：将接收的声波映射为多载波信号的声音处理模块40；以及，将声音处理模块40输出的多载波信号进行解调恢复出用户数据的多载波解调模块41。声音处理模块40与多载波解调模块41连接。
声音处理模块40接收声波，将声波映射为多载波信号，该映射依据的是设备内部预先存储的映射关系，这种映射关系与无线发射装置内部存储的映射关系是相同的。本发明中，声音处理模块40包括麦克风、声卡或者其它可以接收声波的设备。
进一步的，上述多载波解调模块41可以包括：下变频器42、同步单元43、傅里叶变换器44、解调器45以及解码器46。声音处理模块40与下变频器42连接，下变频器42与同步单元43连接，同步单元43与傅里叶变换器44连接，傅里叶变换器44与解调器45连接，解调器45与解码器46连接。
下变频器42将声音处理模块40输出的多载波信号进行下变频处理。具体地，下变频器42将经过模数转换处理后输出的具有一定频率的数字信号转换成具有更低频率的输出信号，在这种转换过程中，通常不改变信息的内容和调制方式。
同步单元43利用多载波信号中携带的同步码对下变频器42输出的多载波信号进行同步处理。多载波信号的时序、频率和相位都记录在同步码中。在同步处理后，同步码将被丢弃。
傅里叶变换器44将同步单元43输出的多载波信号进行快速傅里叶变换处理，解调器45将傅里叶变换器44输出的多载波信号进行解调处理，得到载波信号。通过快速傅里叶变换处理和解调处理，可以从多载波信号中过滤出载波信号。其中解调器45可以为差分解调器。
多载波解调模块41还可以包括解交织器47，解调器45通过解交织器47与解码器46连接。解交织器47将解调器45输出的载波信号进行解交织处理。
解码器46将解调器45输出的载波信号进行解码得到用户数据，在有解交织器47的情况下，解码器46将解交织器47输出的载波信号进行解码得到用户数据。解码器46可以采用维特比算法来对载波信号进行解码，通过解码处理恢复出用户数据，然后将用户数据存储到存储模块中，实现了使用声音传递用户数据的目的。
进一步的，多载波解调模块41还可以包括信道噪声评估器48，用来通过计算干扰级别的功率谱密度来评估噪声级别，信道噪声评估器48与声音处理模块40和同步单元43连接。在同步码到达之前(即多载波信号未经过同步处理时)，信道噪声评估器48计算受干扰的多载波信号的功率谱密度，以此用来评估声音信道中的噪声级别。由于经过模数转换的抽样信号是有干扰的，通过计算干扰级别的功率谱密度，剔除不需要的声调(即声音的频率)，能使信号标准化。
图5示出了本发明基于声音的无线通信系统的结构示意图。如图5所示，该系统包括基于声音的无线发射装置50、基于声音的无线接收装置51和存储装置52，基于声音的无线发射装置50和基于声音的无线接收装置51均与存储装置52连接。其中，存储装置52用来存储将要传输或展现的用户数据；基于声音的无线发射装置50用来将存储装置52中存储的将要传输的用户数据调制到多声波载波上，然后将声波发射出去；基于声音的无线接收装置51用来接收基于声音的无线发射装置50所发射的声波，恢复出声波中所承载的用户数据。
在本发明中，声波用来承载用户数据，声波频率可以为1kHz至3kHz，这样的声波可以在传统电话系统(Plain Old Telephony System，简称：POTS)中传输。另外，本发明声波也可以采用超声波或者次声波，其中次声波可用于长距离的场景中。采用超声波时用户听不到声音，这样用户的体验比较好。
尽管已经结合特定的实施例描述了本发明，但是并不是限定于此处描述的特定形式。而是，本发明的范围仅仅由后附的权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其它部件或步骤。此外，尽管各个特征可以包括在不同的权利要求中，但是这些特征可以被有利地组合，且在不同权利要求中包含的内容不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。此外，单个的含义不排除多个。因此，“一个”、“第一”、“第二”等的含义不排除多个。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为对范围的限制。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (18)

1.一种基于声音的无线发射方法，其特征在于，包括：
将用户数据调制到多声波载波上，得到多载波信号；
将所述多载波信号映射为声波，发射所述声波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将用户数据调制到多声波载波上，得到多载波信号包括：
将用户数据进行卷积编码，得到编码信号；
将编码信号进行调制处理和快速傅里叶逆变换处理；
将经过调制处理和快速傅里叶逆变换处理后的编码信号与生成的同步码加载到多声波载波上，得到多载波信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在将用户数据进行卷积编码，得到编码信号之前还包括：在用户数据中加入循环冗余校验码和/或前向纠错码；
在将用户数据进行卷积编码，得到编码信号之后还包括：将编码信号进行交织处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将编码信号进行调制处理具体为：将编码信号进行正交幅度调制处理或正交相移键控调制处理。
5.一种基于声音的无线接收方法，其特征在于，包括：
接收声波，将所述声波映射为多载波信号；
将多载波信号进行解调，恢复出用户数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将多载波信号进行解调，恢复出用户数据包括：
将所述多载波信号进行下变频转换处理；
利用多载波信号中携带的同步码进行同步处理；
将同步处理后的多载波信号进行快速傅里叶变换处理和解调处理，得到载波信号；
将所述载波信号进行解码，得到用户数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将同步处理后的多载波信号进行快速傅里叶变换处理和解调处理，得到载波信号之后还包括：将所述载波信号进行解交织处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将所述声波映射为多载波信号之后还包括：通过计算干扰级别的功率谱密度，评估噪声级别。
9.一种基于声音的无线通信方法，其特征在于，包括上述权利要求1-4任一项所述的基于声音的无线发射方法和权利要求5-8任一项所述的基于声音的无线接收方法。
10.一种基于声音的无线发射装置，其特征在于，包括：
将用户数据调制到多声波载波上得到多载波信号的多载波调制模块；
以及，将所述多载波调制模块输出的多载波信号映射为声波并发射的声音发射模块；
所述多载波调制模块与所述声音发射模块连接。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述多载波调制模块包括：
将用户数据进行卷积编码得到编码信号的编码器；
将所述编码器输出的编码信号进行调制处理的调制器；
将所述调制器输出的编码信号进行快速傅里叶逆变换处理的傅里叶逆变换器；
同步码发生器；
将所述傅里叶逆变换器输出的编码信号与所述同步码发生器生成的同步码加载到多声波载波上得到多载波信号的上变频器；
所述编码器与所述调制器连接，所述调制器与所述傅里叶逆变换器连接，所述傅里叶逆变换器和所述同步码发生器均与所述上变频器连接，所述上变频器与所述声音发射模块连接。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述多载波调制模块还包括：
在用户数据中加入循环冗余校验码的校验元件和/或在用户数据中加入前向纠错码的前向纠错元件；
以及，将编码信号进行交织处理的交织器；
所述校验元件和/或所述前向纠错元件与所述编码器连接，所述编码器通过所述交织器与所述调制器连接。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述调制器具体为：正交幅度调制器或正交相移键控调制器。
14.一种基于声音的无线接收装置，其特征在于，包括：
将接收的声波映射为多载波信号的声音处理模块；
以及，将所述声音处理模块输出的多载波信号进行解调恢复出用户数据的多载波解调模块；
所述声音处理模块与所述多载波解调模块连接。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述多载波解调模块包括：
将所述声音处理模块输出的多载波信号进行下变频转换处理的下变频器；
利用多载波信号中携带的同步码对所述下变频器输出的多载波信号进行同步处理的同步单元；
将所述同步单元输出的多载波信号进行快速傅里叶变换处理的傅里叶变换器；
将所述傅里叶变换器输出的多载波信号进行解调处理得到载波信号的解调器；
将所述解调器输出的载波信号进行解码得到用户数据的解码器；
所述声音处理模块与所述下变频器连接，所述下变频器与所述同步单元连接，所述同步单元与所述傅里叶变换器连接，所述傅里叶变换器与所述解调器连接，所述解调器与所述解码器连接。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述多载波解调模块还包括：将所述解调器输出的载波信号进行解交织处理的解交织器；
所述解调器通过所述解交织器与所述解码器连接。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述多载波解调模块还包括：通过计算干扰级别的功率谱密度来评估噪声级别的信道噪声评估器；
所述信道噪声评估器与所述声音处理模块和所述同步单元连接。
18.一种基于声音的无线通信系统，其特征在于，包括上述权利要求10至13任一项所述的基于声音的无线发射装置、权利要求14至17任一项所述的基于声音的无线接收装置以及存储装置；所述基于声音的无线发射装置和所述基于声音的无线接收装置均与所述存储装置连接。
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