CN103138807A - 一种近距离通信实现方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种近距离通信实现方法和系统，其中方法包括：发送设备对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；接收设备对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。本发明能够使没有内置近场通信(NFC)芯片的移动通信设备之间实现近距离通信，解决现有近场通信方案硬件要求较高和应用面窄小的问题。

Description

一种近距离通信实现方法和系统
技术领域
本发明涉及声波的调制解调技术领域，尤其涉及一种近距离通信实现方法和系统。
背景技术
近场通信(NFC，Near Field Communication)又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，在十厘米内交换数据。NFC芯片主要应用在移动通信设备上，移动通信设备就可以实现小额电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC的短距离交互大大简化整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。通过NFC，电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接，进而实现数据交换和服务。
现有的NFC技术已经形成一种行业标准，在安全性和通信效率上都有无可比拟的优点。但是同时也能看出，标准近场通信方式依赖于特殊的硬件——NFC芯片；而目前绝大多数的移动通信设备都没有内置NFC芯片，因此使用标准的近场通信方案的硬件要求较高，而且目前的应用面窄小。
发明内容
本发明提供了一种近距离通信实现方法和系统，能够使没有内置NFC芯片的移动通信设备之间实现近距离通信，解决现有近场通信方案硬件要求较高和应用面窄小的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种近距离通信实现方法，包括：
发送设备对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
一种近距离通信实现系统，包括：
发送设备，用于对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备，用于对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
可见，本发明提出的近距离通信实现方法和系统，利用一般移动通信设备都配置的扬声器和麦克风以及声波的调制解调技术来实现移动通信设备之间的近距离通信，解决了现有近场通信方案硬件要求较高和应用面窄小的问题。
附图说明
图1为本发明实现近距离通信的系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种近距离通信实现方法，利用移动通信设备中都配置的扬声器和麦克风实现近距离通信。如图1为本发明实现近距离通信的系统结构示意图，其中移动通信设备A为发送设备，移动通信设备B为接收设备。
利用图1所示的系统实现近距离通信，包括：
发送设备对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
以下举具体的实施例详细介绍：
在本实施例中，采用二进制频移键控(2FSK)技术实现声波的调制，声音信号的采样频率为48KHz，通道数为单通道，量化位数为8位。
根据采样定理：f0≥2f，即采样频率f0必须大于或等于被采样波形最大频率的2倍。本实施例对数字信号进行调制时，设定二进制数字信号0的调制频率f1＝12KHz，二进制数字信号1的调制频率f2＝16KHz。
由于上述设置，声音信号可以表示为：y＝128+127*sin(2πfx)；
其中，y为幅度量化值，x表示时间；
又因为采样频率为f0，因此x＝N/f0，声音信号进一步可以表示为：
y＝128+127*sin(2πfN/f0)；
其中，f为调制频率，N为采样点的个数；
当调制信号为0时，f＝f1＝12KHz；调制信号为1时，f＝f2＝16KHz。
此外还需设置调制宽度。采样频率为48KHz，即每秒钟能够采样48000个采样点，如果取1000点为一个调制宽度，则调制时间t＝1000/f0＝0.02s，即在这个时间范围内声音的频率固定为调制信号对应的频率。
根据传输速率＝采样频率/调制宽度，得到每秒可以传输48位数据，即数据传输率为48bps。
依据上述设置，首先对二进制的数字信号进行调制，96bit的二进制信号“101001101010100110101010011010101001101010100110101010011010101001101010100110101010011010000000”共96bit可以调制出一段时间为2秒的声音信号。调制之后，发送设备播放该声音信号。
接收设备对该声音信号进行采样，并采用软件算法对采样信号进行解调，具体地，采用快速傅里叶变换(FFT)对采样信号进行分析，以每64个采样点为一个分析周期，取其频谱特性作为其中间时刻的频率特性，分析其频谱中功率最大的频率信号，如果功率最大点的频率最接近12KHz，则输出结果为“0”，如果功率最大点的频率最接近16KHz，则输出结果为“1”，如果都不接近则为一般环境声音，此时没有输出结果，用“_”表示。一个分析周期的频谱分析如下表：
Figure BDA0000113125480000031
Figure BDA0000113125480000041
由上表可以看出，其波形功率主要集中在低频部分和16KHz的附近，而且16KHz附近的功率最大，因此该分析周期的输出结果为“1”。如果是集中在12KHz附近则输出为“0”；如果集中在低频部分则输出为“_”。采样信号由若干个分析周期组成，经过分析的整体输出为：
“____________________11111111111__0_00000000000___111111111111_0_0000000000000000000000000____111111111111111111111111100000000000000__1_11111111111_0100000000000_1111111111111__0000000000000___11111111111_0000000000000000000000000000____1111111111111111111111111___0100000000000___11111111111_00000000000000____1111111111____0000000000____1111111111__000000000000000000000000000__111111111111111111111111111__0100000000000___1111111111__0000000000000_1111111111111__0000000000000____1111111111__010000000000000000000000000___1111111111111111111111111____00000000000__111111111111___00_000000000_1111111111111_00000000000000_111111111111_00000000000000000000000000000__11111111111111111111111111_00000000000000_111111111111100000000000000___1_111111111____00000000000_1111111111111__000000000000000000000000000_111111111111111111111111111__0000000000000_1111111111111_00000000000000_1111111111111000000000000000___11111111111_1000000000000000000000000000____111111111111111111111111_10000000000000__1_111111111___000000000000__1_1111111111__0000000000000__111111111111__000000000000000000000000000__1_1111111111111111111111111_0100000000000__1111111111111_0000000000000_11_1111111111_10000000000000_111111111111100000000000000000000000000000__11111111111111111111111111__0000000000000__11111111111100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000_________________________”
由于调制周期为1000个采样点，这里64个采样点为一个分析周期，那么15.626个分析周期就构成一个调制周期，取一个长度为16的窗在输出结果上进行统计分析；如果窗内“1”的数目多，则得到解调后的数字信号为“1”，反之得到解调后的数字信号为“0”；然后平移窗一段继续分析下一个窗，平移距离由当前窗内容决定，设置一个计数值flag，其初始值为0，对窗从左到右遍历时，遇到“1”时flag加1，遇到“0”时flag减1，其余不变；当flag的绝对值最大的位置(如相等以靠后位置为准)就是需要平移到的位置。假设当前窗为“11111111111__0_0”，此时flag绝对值为最大(11)时的位置为13，因此此时窗口应当向右平移13个位置继续分析。依次类推，得到最终的解调结果为：
″101001101010100110101010011010101001101010100110101010011010101001101010100110101010011010000000″。最终解调结果与原来的调制的二进制数字信号一致，成功实现解调过程。
上述实施例中，采样频率f0、调制频率f1，f2、调制方式、调制宽度、分析窗宽度等具体数值仅为一种举例，并非用于限定本发明。任何通过简单修改具体数值得到的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明还提出一种近距离通信实现系统，包括：
发送设备，用于对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备，用于对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
上述系统中，发送设备对数字信号进行2FSK调制，数字信号“0”的调制频率为12KHz，数字信号“1”的调制频率为16KHz，调制宽度为1000个采样点。
接收设备对声音信号进行采样的采样频率为48KHz，通道数为单通道，量化位数为8位；
接收设备对采样信号进行解调的方式为：
将采样信号由时域信号变换为频域信号；
采用64个采样点为一个分析周期，对频域的采样信号进行分析，当功率最大点的频率最接近12KHz时，输出结果为“0”；当功率最大点的频率最接近16KHz时，输出结果为“1”；
采用长度为16的窗对上述输出结果进行统计分析，当窗内输出结果为“1”的数目多时，得到解调后的数字信号为“1”；当窗内输出结果为“0”的数目多时，得到解调后的数字信号为“0”；平移所述窗，继续对上述输出结果进行统计分析，直至得到所有解调后的数字信号。
上述平移窗的距离为：设置初始值为0的计数值，对所述窗内的上述输出结果进行遍历，遍历到“1”时，将所述计数值加1；遍历到“0”时，将所述计数值减1；计数值的绝对值最大的位置为平移窗的距离。
综上可见，本发明提出的近距离通信实现方法和系统，利用移动通信设备的扬声器和麦克风，用软件算法对数字信号进行调制处理，然后将调制得到的声音信号通过扬声器播放；另一台移动通信设备利用麦克风进行声音采样，并对采样数据进行算法分析实现解调。通过这种交互方式可以实现两个移动通信设备之间少量数据的近距离通信，可以应用于P2P线下支付等类似场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种近距离通信实现方法，其特征在于，所述方法包括：
发送设备对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发送设备对数字信号进行二进制频移键控2FSK调制，数字信号“0”的调制频率为12KHz，数字信号“1”的调制频率为16KHz，调制宽度为1000个采样点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收设备对声音信号进行采样的采样频率为48KHz，通道数为单通道，量化位数为8位；
所述接收设备对采样信号进行解调的方式为：
将采样信号由时域信号变换为频域信号；
采用64个采样点为一个分析周期，对频域的采样信号进行分析，当功率最大点的频率最接近12KHz时，输出结果为“0”；当功率最大点的频率最接近16KHz时，输出结果为“1”；
采用长度为16的窗对上述输出结果进行统计分析，当窗内输出结果为“1”的数目多时，得到解调后的数字信号为“1”；当窗内输出结果为“0”的数目多时，得到解调后的数字信号为“0”；平移所述窗，继续对上述输出结果进行统计分析，直至得到所有解调后的数字信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，平移窗的距离为：
设置初始值为0的计数值，对所述窗内的上述输出结果进行遍历，遍历到“1”时，将所述计数值加1；遍历到“0”时，将所述计数值减1；计数值的绝对值最大的位置为平移窗的距离。
5.一种近距离通信实现系统，其特征在于，所述系统包括：
发送设备，用于对数字信号进行调制，播放调制生成的声音信号；
接收设备，用于对所述声音信号进行采样，对采样信号进行解调，得到所述数字信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，发送设备对数字信号进行2FSK调制，数字信号“0”的调制频率为12KHz，数字信号“1”的调制频率为16KHz，调制宽度为1000个采样点。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述接收设备对声音信号进行采样的采样频率为48KHz，通道数为单通道，量化位数为8位；
所述接收设备对采样信号进行解调的方式为：
将采样信号由时域信号变换为频域信号；
采用64个采样点为一个分析周期，对频域的采样信号进行分析，当功率最大点的频率最接近12KHz时，输出结果为“0”；当功率最大点的频率最接近16KHz时，输出结果为“1”；
采用长度为16的窗对上述输出结果进行统计分析，当窗内输出结果为“1”的数目多时，得到解调后的数字信号为“1”；当窗内输出结果为“0”的数目多时，得到解调后的数字信号为“0”；平移所述窗，继续对上述输出结果进行统计分析，直至得到所有解调后的数字信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，平移窗的距离为：
设置初始值为0的计数值，对所述窗内的上述输出结果进行遍历，遍历到“1”时，将所述计数值加1；遍历到“0”时，将所述计数值减1；计数值的绝对值最大的位置为平移窗的距离。
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