CN102782749B - 在音频频带声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在音频频带声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备。根据本发明，在通过向音频信号增加特定的信号而转换音频信号或在音频频带中执行声通信时，该在音频频带声通信中减少数据接收错误的系统包括考虑到声音信号由于音频信号的性质具有严重的噪声并且受周围环境变化的很大影响，减少接收器中的数据接收错误的特征。因而，当通过向音频信号增加特定的信号而转换音频信号或在音频频带执行声通信时，即使在声音信号由于音频信号的性质具有严重的噪声并且受周围环境变化很大的影响的环境下，本发明也能够减少接收器中的数据接收错误，增大数据传输的可靠性。

Description

在音频频带声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备

技术领域

本发明涉及可听频率范围内的声通信，更具体地，涉及在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备，当在可听频率范围内执行声通信时，其通过修改音频信号或向音频信号增加预定的信号来减少接收器中的数据接收错误。

背景技术

开发了使用数字滤波器截断预定频带的音频信号，并且针对该预定频带插入常用于无线通信的正交频分复用（OFDM）信号，或通过用于声通信的复数调制重叠变换（MCLT：modified complex lapped transform）改变频率维度中的相位。

上述措施向音频信号中插入不能被人类识别的信号，从而维持音频信号的效用且实现声通信。

然而，常规的声通信可能由于环境噪声或与经由空气传播相关的特性而使性能劣化，因而，常规的声通信难以执行可靠的信息传输。具体地，当单个子载波用于在明显受周围环境的变化影响的声通信中发射单个数据时，数据的误码率（BER）增加且通信性能可能无法确保。

公开

技术问题

因此，鉴于上述问题，本发明的一个方面是提供一种在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备，当通过修改音频信号或向音频信号增加预定的信号而在可听频率范围内执行声通信时，该方法考虑声音信号是嘈杂的以及明显受周围环境变化的影响，而减少接收器中的数据接收错误。

本发明的另一方面是提供一种在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统和方法及其应用设备，当接收器在可听频率范围内的声通信中从音频信号提取数据信号时，该方法应用适用于该声通信的比特确定，因而可以减少数据比特错误且可以增加数据传输的可靠性。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在可听频率范围内的声通信中减少数据接收差错的系统，所述系统包括：发射器，所述发射器用于基于在可听频率范围内的声通信发射音频信号，所述音频信号包括频域中的同步信号和比特式数据信号；以及接收器，所述接收器用于接收所述音频信号；将所述音频信号转换为频域；检测所述同步信号并且参照检测出的同步信号的位置检测所述数据信号；以及根据预定的范围形成针对所述数据信号的音群；并且确定各所述音群中的比特，以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的接收器，该接收器包括：转换单元，所述转换单元被配置为根据预定的转换将使用可听频率范围内的声通信所接收的音频信号转换为频域信号；第一检测单元，所述第一检测单元被配置为执行相关操作，用以检测包括在所述频域信号中的同步信号；第二检测单元，所述第二检测单元被配置为根据所述同步信号的位置检测包括在所述频域信号中的所述数据信号；比特确定单元，所述比特确定单元被配置为在复平面中表示所述数据信号，在预定的范围内形成针对所述数据信号的音群，并且确定针对各所述音群的比特，用以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特；以及提取单元，所述提取单元被配置为提取与所述数据信号相关的数据。

第一检测单元可以针对所述音频信号的各采样帧执行MCLT，执行所述相关操作以产生相关值，并且根据所述相关值的峰值位置确定所述同步信号的位置。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的方法，该方法包括：根据预定的转换将使用在可听频率范围内的声通信所接收的音频信号转换为频域信号；执行相关操作，用以检测包括在所述频域信号中的同步信号；根据所述同步信号的位置检测包括在所述频域信号中的数据信号；在复平面中表示所述数据信号，在预定的范围内形成针对所述数据信号的音群，并且确定针对各所述音群的比特以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特；以及提取与所述数据信号相关的数据。

有益效果

因此，本发明在接收器从可听频率范围内的声通信中的音频信号中提取数据信号时应用适用于声通信的比特确定，因而，在通过修改音频信号或向音频信号增加预定信号而在可听频率范围内执行声通信时，即使在声音信号是嘈杂的以及明显受周围环境中的变化影响的环境中也可以减少数据接收错误且可以增加数据传输的可靠性。

附图的简要描述

本发明的上述和其他目的、特征和优点将根据以下结合附图的具体描述变得更加明显，在附图中：

图1是例示根据本发明的实施方式的在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统的图；

图2是例示根据本发明的实施方式的接收器的图；

图3是例示在根据本发明的实施方式的接收器中的比特确定处理的流程图；

图4是例示根据本发明的实施方式在接收器确定比特时使用的复平面的图；并且

图5和图6是例示在可听频率范围内的声通信中的减少数据接收错误的方法的流程图。

<对附图主要部分符号的说明>

100：发射器200：接收器

210：转换单元220：第一检测单元

230：第二检测单元240：比特确定单元

250：提取单元

本发明的最佳实施方式

下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式。

图1例示了根据本发明的实施方式的在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统。

如图1所示，该系统可以包括：发射器100，其基于可听频率范围内的声通信发射音频信号；以及接收器200，其从发射器100接收音频信号，提取包括在所接收的音频信号中的数据信号，并且读取所提取的数据。在本文中，可听频率范围内的声通信是指在对音频信号进行调制或向音频信号增加预定的信号之后发射音频信号、并且使接收器200接收该音频信号以提取包括在该音频信号中的数据的通信。另外，在该声通信中，可以将诸如扬声器等的回放音频信号的装置定义为发射器100，并且可以将诸如麦克风等的将空间中的声音信号转换成电信号的装置定义为接收器200。

作为参考，在声通信系统中，通信信号可以由发射器100发射并且可以被接收器200接收。然而，考虑到声音信号的特性，声音信号明显受周围环境的变化所影响，因而基于常规的数据传输的差错率会增大。在基于电磁波的通信中，由于通信信道所导致的影响，可能会出现接收错误。因此，通常可以采用信道均衡器来抵消信道影响并确定数据，从而防止接收错误。然而，在声通信中，通过空间所发射的声波的特性随周围环境而改变，因而可能难以采用信道均衡器。因此，通过使用均衡器执行信道补偿且基于实数的符号将比特确定为“0”或“1”的常规的检测对于声通信来说可能是不适用的。

因此，本发明可以应用减少在声通信中的数据接收错误的新的比特确定。为了帮助理解该比特确定，将描述声码系统（sound code system）。声码系统可以通过使用二进制相移键控（BPSK）向模拟音频信号插入数字数据。然而，因为传输性能根据周围环境中的噪声强度或扬声器、麦克风的性能等而明显地变化，所以声码系统可能无法确保通信的可靠性。而且，除非发射器100和接收器200的位置彼此靠近且彼此面对，否则插入到音频信号中的数据可能常常由于声音信号的相位的变化损坏。因此，由接收器200接收且解码的信号可能与最初发射的信号明显不同。另外，确定由接收器200所接收的信号的数字比特的处理也会难以采用常规的数字比特确定。在常规的通信系统中，可以通过使用均衡器执行与信道的延迟时间的差异相关的补偿，并且可以接着执行同步处理。而且，对于非整数延迟，常规的通信可以在I-Q图上表示识别的信号，并且可以基于相移键控（PSK）通过调整相应的相位来执行同步。通过所述处理，BPSK信号可以表示为在I-Q图上的“0”或“π”处的点，并且可以根据“0”或“π”确定比特位“0”或“1”。然而，因为相位根据发射器100和接收器200的位置、方向或状态而改变，所以声通信系统难以采用通常的比特确定算法。具体而言，当发射器100和接收器200之间的距离大于预定的范围或者当声音信号在经过障碍物之后被接收器200接收时，会出现大于π/2的相位延迟，因而会常常难以确定比特。

为了克服这些缺点，接收器200可以根据预定的转换将基于可听频率范围内的声通信的音频信号转换为频域信号，并且可以执行相关操作以从包括在频域信号中的同步信号和数据信号中检测同步信号。具体而言，接收器200可以针对转换为频域信号的音频信号的各采样帧执行复数调制重叠变换（MCLT），可以执行相关操作以产生相关值，并且可以基于相关值的峰值位置确定同步位置。

而且，接收器200可以基于检测到的同步信号的位置检测数据信号，可以在复平面表示检测到的数据信号，可以根据预定的范围形成针对数据信号的音群，并且可以确定针对各音群的比特，以确定与各音群相关的数据信号的比特。

具体而言，接收器200可以提前从前导信号获得初始比特值，并且可以执行与数据信号的相位延迟相关的计算以产生映射参考值。接收器200可以基于该映射参考值对数据信号执行映射，并且可以通过在映射参考值上反映数据信号的映射结果来更新映射参考值。另外，接收器200可以通过反映与数据信号相关的映射的结果来调整音群的范围。

而且，接收器200可以提取与数据信号相关的数据。

下面将参照图2详细描述接收器200的配置。

也就是说，为了有效地确定声通信中的比特，接收器200可以包括：转换单元210，其将音频信号转换为频域信号；第一检测单元220，其执行相关操作以检测同步信号；第二检测单元230，其检测数据信号；比特确定单元240，其确定与数据信号相关的比特；以及提取单元250，其提取数据。

转换单元210可以根据可听频率范围内的声通信从发射器100接收音频信号，并且可以根据预定的转换将接收到的音频信号转换为频域信号。具体而言，为了使包括在音频信号中的同步信号和数据信号的劣化最小化，可以向频域信号插入同步信号和数据信号，因而转换单元210可以将在时域中所接收到的音频信号转换为频域信号。

第一检测单元220可以执行相关操作，从而从包括在通过所述转换所得到的频域信号中的数据信号和同步信号中检测同步信号。具体而言，第一检测单元220可以对音频信号的各采样帧执行MCLT，可以执行相关操作以产生相关值，并且可以根据相关值的峰值位置确定同步位置。作为另一示例，第一检测单元220可以对采样帧（各采样帧与相邻帧具有预定的间隔）执行MCLT，可以执行相关操作以产生相关值，并且可以根据相关值的峰值位置确定同步位置。

第二检测单元230可以根据检测到的同步信号的位置检测数据信号。具体而言，第二检测单元230可以用于检测数据信号，并且可以按照与检测同步信号的方法相同的方式检测针对频域所插入的数据信号。在该示例中，可以基于音频信号的相位确定数据信号的值。然而，由第二检测单元230所检测到的数据信号的相位会随周围环境而变化，因而无法直接用于确定数据的比特位。

比特确定单元240可以在复平面中表示数据信号，可以根据预定的范围形成针对数据信号的音群，并且可以确定针对各音群的比特，以确定与各音群相关的数据信号的比特。具体而言，如图3所示，比特确定单元240可以提前从前导信号获得初始比特值，并且可以执行与数据信号的相位延迟相关的计算。在该示例中，前导信号可以与同步信号一同被插入，并且可以根据前导数据插入规则以预定的比特顺序进行配置，因而可以通过参考前导信号，具体地通过对所发射的前导信号和所接收的前导信号进行比较来识别相位延迟。而且，通过使用作为与相位延迟相关的计算的结果所生成的映射参考值，可以映射从音频信号提取出的数据信号。该处理可涉及基于数据集中形成音群范围，并且不涉及确定数据比特位。而且，比特确定单元240可以根据映射参考值对所提供的数据信号执行映射，并且可以在复平面中表示数据信号。因此，比特确定单元240可以通过反映数据信号的映射结果来更新映射参考值，并且可以通过反映数据信号的映射结果对基于映射数据的数据集中所形成的音群范围进行重新调整。

图4例示了根据本发明的实施方式用于在比特确定单元240中确定比特位的复平面。可以如图4所示地示出用于在比特确定单元240中确定比特位的复平面。由于各信道中的时间延迟的差异不一致，所以声通信系统会难以采用为建模进行补偿的均衡器。因此，当在I-Q图中表示由接收器200接收的值时，该值会如图4所示散开而非集中。因此，与基于相位“0”或“π”确定比特位相反，本发明的实施方式可以在基于数据集中形成音群之后针对各音群确定I-Q图上的数据的比特位。

提取单元250可以从与数据信号相关的比特提取数据。

如上所述，减少在可听频率范围内的声通信中的数据接收错误的系统可以在接收器从音频信号中提取数据信号时应用适用于声通信的比特确定，并因而在通过修改音频信号或向音频信号插入预定的信号而在可听频率范围内进行声通信时，即使在声信号是嘈杂的以及明显受周围环境中的变化影响的环境中也可以减少数据接收错误，并且可以增大数据传输的可靠性。

下面将参照图5和图6描述根据本发明的实施方式的在可听频率范围内的声通信中减少数据接收的错误的方法。

参照图5，将描述对在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的系统进行操作的方法。

在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的方法可以基于可听频率范围内的声通信将音频信号从发射器100传输到接收器200（步骤S110）。

接收器200可以基于预定的转换将接收到的音频信号转换为频域信号（步骤S120和S130）。为了针对包括在音频信号中的同步信号和数据信号使声音质量的劣化最小化，可以将同步信号和数据信号插入到频域信号中，因而接收器200可以将从发射器100接收的音频信号转换为频域信号。

随后，接收器200可以执行相关操作，以从包括在通过转换获得的频域信号中的同步信号和数据信号中检测同步信号（步骤S140）。接收器200可以对音频信号的各采样帧执行MCLT，可以执行相关操作以产生相关值，并且可以基于从相关值检测出的峰值位置确定同步位置。

接收器200可以基于检测到的同步信号的位置检测数据信号（步骤S150）。接收器200可以按照与检测同步信号的方法相同的方式检测插入到频域中的数据信号。在该示例中，可以基于音频信号的相位确定数据信号的值。

接收器200可以在复平面中表示检测到的数据信号（步骤S160）。接收器200可以提前从前导信号获得初始比特值，并且可以基于该初始比特值执行与数据信号的相位延迟相关的计算，从而产生映射参考值。接收器200可以基于映射参考值执行数据信号的映射。当复平面中的数据信号的数据信号值形成预定范围内的音群时，可以基于针对各音群的数据集中确定各数据信号的比特（步骤S170）。

接收器200可以从在步骤S170中确定的比特提取对应的数据（步骤S180）。

下面将参照图6根据本发明的实施方式描述对接收器200进行操作以减少在可听频率范围内的声通信中的数据接收错误的方法。

接收器200可以基于在可听频率范围内的声通信从发射器100接收音频信号，并且可以将接收到的音频信号转换为频域信号（步骤S210至S230）。为了将与包括在音频信号中的同步信号和数据信号相关的声音质量的劣化最小化，可以将同步信号和数据信号插入频域信号中，因而转换单元210可以将接收到的音频信号转换为频域信号。

接收器220可以执行相关操作，以从包括在通过转换获得的频域信号中的同步信号和数据信号中检测同步信号（步骤S240和S250）。理想地，第一检测单元220可以对音频信号的各采样帧执行MCLT，可以执行相关操作以产生相关值，并且可以基于相关值的峰值位置确定同步位置。作为另一示例，第一检测单元220可以针对采样帧（各采样帧与相邻帧具有预定的间隔）执行MCLT，可以执行相关操作以产生相关值，并且可以基于相关值的峰值位置确定同步位置。

接收器200可以根据检测到的同步信号的位置检测数据信号（步骤S260和S270）。理想地，第二检测单元230可以按照与检测同步信号的方法相同的方式检测插入到频域中的数据信号。在该示例中，可以根据音频信号的相位确定数据信号的值。然而，因为数据信号的相位随周围环境而改变，所以由第二检测单元230检测到的数据信号可能不能直接用于确定数据的比特。

接收器200可以在复平面中表示数据信号，可以在预定的范围内形成数据信号的数据信号值的音群，并且可以基于音群确定与数据信号相关的比特（步骤S280至S310）。理想地，如图3所示，比特确定单元240可以从前导信号获得初始比特值，并且可以基于初始比特值执行与数据信号的相位延迟相关的计算。在该示例中，前导信号可以与同步信号一同被插入，并且可以根据前导数据插入规则以预定的比特顺序进行配置，因而可以通过参考前导信号，具体地，通过比较所发射的前导信号和所接收的前导信号来识别相位延迟。而且，比特确定单元240可以根据作为与相位延迟相关的计算结果所产生的映射参考值对从音频信号提取的数据信号进行映射。然而，该处理涉及根据数据集中形成音群范围，不涉及确定数据的比特。而且，比特确定单元240可以根据映射参考值来对所提供的数据信号执行映射。因此，比特确定单元240可以通过反映数据信号的映射结果来更新映射参考值，并且可以通过反映与数据信号相关的映射结果重新调整根据数据集中由经映射的数据所形成的音群范围。

提取单元250可以从数据信号提取数据（步骤S320）。

如上所述，减少在可听频率范围内的声通信中的数据接收错误的系统可以在接收器从音频信号提取数据信号时应用适用于声通信的比特确定，因而通过修改音频信号或向音频信号增加预定的信号，在音频频带内进行声通信时，即使在声音信号是嘈杂的且明显受周围环境的变化影响的环境中也可以减少接收器中的数据接收错误，并且可以增加数据传输的可靠性。

尽管已经结合各个方面描述了本发明，但应当理解可以进一步修改本发明。本申请旨在覆盖本发明的（总的来说遵循本发明的原理、并且包括脱离本公开但落入本发明所属于的技术领域已知并惯用的方法的范围内的）任何变化、应用或修改。

工业适用性

本发明用于当通过修改音频信号或向音频信号增加预定的信号而在音频频带中进行声通信时考虑声音信号是嘈杂的且明显受周围环境中的变化的影响而减少接收器中的数据接收错误。因此，由于本发明具有在市场上可用的足够高的可能性且能够被充分实现，所以本发明具有工业适用性。

Claims (7)

1.一种用于在可听频率范围内的声通信中减少数据接收差错的系统，所述系统包括：

发射器，所述发射器用于基于在可听频率范围内的声通信发射音频信号，所述音频信号包括频域中的同步信号和比特式数据信号；以及

接收器，所述接收器用于接收所述音频信号；将所述音频信号转换为频域；检测所述同步信号并且参照检测出的同步信号的位置检测所述数据信号；以及在复平面中表示所述数据信号，根据预定的范围形成针对所述数据信号的音群；并且确定各所述音群中的比特，以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特，

其中，所述接收器还用于从前导信号获得初始比特值，识别所述数据信号的相位延迟以产生映射参考值，使用所述映射参考值对所述数据信号进行映射，并且使用所述数据信号的映射结果调整所述音群的范围。

2.一种用于在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的接收器，所述接收器包括：

转换单元，所述转换单元被配置为根据预定的转换将使用可听频率范围内的声通信所接收的音频信号转换为频域信号；

第一检测单元，所述第一检测单元被配置为通过相关操作检测包括在所述频域信号中的同步信号；

第二检测单元，所述第二检测单元被配置为根据所述同步信号的位置检测包括在所述频域信号中的数据信号；

比特确定单元，所述比特确定单元被配置为在复平面中表示所述数据信号，在预定的范围内形成针对所述数据信号的音群，并且确定针对各所述音群的比特，用以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特；以及

提取单元，所述提取单元被配置为根据所述数据信号的比特提取与所述数据信号相关的数据，

其中，比特确定单元还被配置为从前导信号获得初始比特值，识别所述数据信号的相位延迟以产生映射参考值，使用所述映射参考值对所述数据信号进行映射，并且使用所述数据信号的映射结果调整所述音群的范围。

3.根据权利要求2所述的接收器，其中，所述第一检测单元针对所述音频信号的各采样帧执行MCLT，执行所述相关操作以产生相关值，并且根据所述相关值的峰值位置确定所述同步信号的位置。

4.根据权利要求2所述的接收器，其中，所述第一检测单元针对彼此具有预定的间隔的所述音频信号的采样帧执行MCLT，执行所述相关操作以产生相关值，并且根据所述相关值的峰值位置确定所述同步信号的位置。

5.根据权利要求2所述的接收器，其中，所述比特确定单元在所述映射参考值上反映所述数据信号的映射结果，用以更新所述映射参考值。

6.一种在可听频率范围内的声通信中减少数据接收错误的方法，所述方法包括：

根据预定的转换将使用在可听频率范围内的声通信所接收的音频信号转换为频域信号；

执行相关操作，以检测包括在所述频域信号中的同步信号；

根据所述同步信号的位置检测包括在所述频域信号中的数据信号；

在复平面中表示所述数据信号，在预定的范围内形成针对所述数据信号的音群，并且确定针对各所述音群的比特以确定与各所述音群相关的所述数据信号的比特；以及

根据所述数据信号的比特提取与所述数据信号相关的数据，

其中，确定所述比特的步骤还包括：

从前导信号获得初始比特值，

识别所述数据信号的相位延迟以产生映射参考值，

根据所述映射参考值将所述数据信号映射至所述复平面，以及

根据所述数据信号的映射结果来调整预定的范围。

7.根据权利要求6所述的方法，确定所述比特的步骤还包括：

在将所述数据信号映射至所述复平面之后更新所述映射参考值。