CN103825660B - 一种次超声波通信中编解码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种次超声波通信中编码方法，包括：编码装置选取次超声波频段中4个频率点作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别为1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1；根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位；将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧；将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作。相应地，本发明还提供一种解码方法及系统，解决了现有技术中由于固定长度编码导致通信效率低的问题，减少了冗余度及数据发送时间，提高了通信效率。

Description

一种次超声波通信中编解码方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种次超声波通信中编解码方法及系统。

背景技术

次超声波，通常指频率15KHz-20KHz的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于通信、测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

目前的次超声波通信技术中，大多采用固定长度编码的传输方式进行传输，其冗余度较高，发送数据时间较长，造成通信效率低下。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供了一种次超声波通信中自适应编解码方法及系统，解决了现有技术中由于固定长度编码导致通信效率低的问题，减少了冗余度及数据发送时间，提高了通信效率。

本发明实施例提供一种次超声波通信中编码方法，包括：

编码装置选取次超声波频段中4个频率点作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别为1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1；

所述编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位；

所述编码装置将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧；

所述编码装置将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作。

本发明实施例还提供一种次超声波通信中解码方法，包括：

解码装置接收编码装置发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；

按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；

确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。

本发明实施例还提供一种次超声波通信中编解码的系统，包括：

编码装置，用于选取次超声波频段中4个频率点作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别为1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1，根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧，将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作；

解码装置，用于接收编码装置发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。

通过本发明提供的编解码方法及系统，解决了现有技术中由于固定长度编码导致通信效率低的问题。

本发明提供的编码方法能根据用户数据大小自适应选择一种预设编码长度，与传统固定长度编码相比能在通信中减少发送不必要的冗余数据，提高次超声波通信效率，减少数据发送时间。并且，本发明提供的编解码方便扩展，当用户数据大于上述预设长度时可根据上述预设长度的组合，组合成与用户数据相匹配的编码长度。此外，本发明实现的硬件简单，通信发送端只需扬声器就能实现数据的发送，解码装置只需对传感器采集的数据进行滤波放大和A/D采样，CPU就能实现对数据的解码。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的编码流程图；

图2是本发明实施例一的解码流程图；

图3是本发明实施例二的系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1是本发明实施例一的编码流程图，如图1所示，该编码方法包括：

S101、编码装置选取次超声波频段中4个频率点作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别为1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1；

其中，次超声波选取频段为18.4—19.6KHz，选取的4个频率点可以是区间任一的频率点，在本发明实施例中，为了方便说明，该4个频率点可以为18.31KHz、18.63KHz、18.95KHz、19.27KHz，其中18.63KHz表示数据传输起始码、18.95KHz表示数据传输结束码、18.31KHz表示二进制数据0、19.60KHz表示二进制数据1。

需要说明的是，编码装置在本发明实施例中，包含次超声波编码器及发送器，其发送器可以为扬声器，通过该扬声器就能实现数据的发送。

S102、该编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位；

用户数据分为4bit、6bit、9bit、12bit、16bit、18bit、20bit、25bit和35bit九种数据长度，则该编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，具体如下：

当该用户数据为6bit时，通信时传输附加3bit校验位，总共传输9位数据；当该用户数据为9bit时，通信时传输附加9bit校验位，总共传输18bit数据；当该用户数据为12bit时，通信时传输附加9bit校验位，总共传输21bit数据；当该用户数据为16bit时，通信时传输附加11bit校验位，总共传输27bit数据；当所述用户数据为18bit时，通信时传输附加11bit校验位；当该用户数据为20bit时，通信时传输附加13bit校验位，总共传输33bit数据；当该用户数据为25bit时，通信时传输附加13bit校验位，总共传输38bit数据；当所述用户数据为35bit时，通信时传输附加15bit校验位。

校验位计算采用RS纠错编码(Reed-Solomon codes)来进行计算。其中,用户数据为4bit时，3bit校验位在伽罗华域(Galois Field,GF)GF(2^3)域上求得；用户数据为6bit时，3bit在GF(2^3)域上求得；用户数据为9bit时，9bit校验位在GF(2^3)域上求得；用户数据为12bit时，9bit校验位在GF(2^3)域上求得；用户数据为16bit时，11bit校验位在GF(2^4)域上求得；用户数据为20bit时，13bit校验位在GF(2^4)域上求得；用户数据为25bit时，13bit校验位在GF(2^5)域上求得。

S103、该编码装置将该用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧；

所谓自适应，即根据不同数据位和校验位长度，加上数据传输起始码及数据传输结束码之后，自动合成不同长度的数据帧。其中，数据帧编码格式依次为数据传输起始码、校验位、用户数据位和数据传输结束码。

S104、该编码装置将该不同长度的数据帧发送至解码装置，以使该解码装置按照该数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作。

解码装置的解码流程如图2所示，该流程包括：

S201、解码装置接收编码装置发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；

其中，解码装置包含次超声波解码器和次超声波拾音器。次超声波拾音器包括：次超声波拾音传感器，用于捕获已编码次超声波信号；滤波单元，用于滤除频率低于18KHz的低频干扰声波信号；放大单元，对信号进行放大处理，以便后级模块对信号进行进一步处理；A/D转换单元，对模拟信号进行A/D转换，以便进行信号解调处理。

需要说明的是，该解码装置对该信号进行解调，具体为：该解码装置对A/D转换后的数据从时域转换到频域处理，其中，具体可以以1/3或1/4窗长为步长进行时频转换，对转换后的频域数据分别以选取的次超声波频段内4个频率点为中心频率进行能量三角窗加权，最后输出能量最大值对应的符号。其中频域变换采用1024点FFT，三角窗宽度为n＝60，表达式如下：

$w\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2k}{n+1},& 1\≤k\≤\frac{n+1}{2}\\ \frac{2(n-k+1)}{n+1},& \frac{n+1}{2}\≤k\≤n\end{array}\right.$

此外，该解码装置接收该信号，是通过实时或定时检测其同步码来实现的，若检测到该同步码(即数据传输起始码)，则表明数据开始传输，此时解码装置实时接收数据，直到检测到结束码后结束。

S202、按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；

该步骤即步骤S103的逆向步骤，这里不再累述。

S203、确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。

其中，解码装置将该净负荷数据中用户数据位与校验位分离，具体如下：

当该净负荷数据为7bit时，从左至右提取前4bit为用户数据位，提取后3bit为校验位；

当该净负荷数据为9bit时，从左至右提取前3bit为校验位，提取后6bit为用户数据位；

当该净负荷数据为18bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后9bit为用户数据位；

当该净负荷数据为21bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后12bit为用户数据位；

当该净负荷数据为27bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后16bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为29bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后18bit为用户数据位；

当该净负荷数据为33bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后20bit为用户数据位；

当该净负荷数据为38bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为50bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位。

实施例二

图3是本发明实施例二的系统框图，如图3所示，该系统包括：

编码装置301，用于选取次超声波频段中4个频率点作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别为1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1，根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧，将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作；

需要说明的是，编码装置301在本发明实施例中，包含次超声波编码器及发送器，其发送器可以为扬声器，通过该扬声器就能实现数据的发送。

该用户数据分为4bit、6bit、9bit、12bit、16bit、18bit、20bit、25bit和35bit九种数据长度，则该编码装置301根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，具体如下：

当该用户数据为4bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当该用户数据为6bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当该用户数据为9bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当该用户数据为12bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当该用户数据为16bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为18bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为20bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为25bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为35bit时，通信时传输附加15bit校验位。

校验位计算采用RS纠错编码(Reed-Solomon codes)来进行计算。其中,用户数据为4bit时，3bit校验位在伽罗华域(Galois Field,GF)GF(2^3)域上求得；用户数据为6bit时，3bit在GF(2^3)域上求得；用户数据为9bit时，9bit校验位在GF(2^3)域上求得；用户数据为12bit时，9bit校验位在GF(2^3)域上求得；用户数据为16bit时，11bit校验位在GF(2^4)域上求得；用户数据为20bit时，13bit校验位在GF(2^4)域上求得；用户数据为25bit时，13bit校验位在GF(2^5)域上求得。

解码装置302，用于接收编码装置301发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。

其中，解码装置302包含次超声波解码器和次超声波拾音器。次超声波拾音器包括：次超声波拾音传感器，用于捕获已编码次超声波信号；滤波单元，用于滤除频率低于18KHz的低频干扰声波信号；放大单元，对信号进行放大处理，以便后级模块对信号进行进一步处理；A/D转换单元，对模拟信号进行A/D转换，以便进行信号解调处理。

需要说明的是，该解码装置302对该信号进行解调，具体为：该解码装置302对A/D转换后的数据以1/3窗长为步长将数据从时域转换到频域处理，对转换后的频域数据分别以选取的次超声波频段内4个频率点为中心频率进行能量三角窗加权，最后输出能量最大值对应的符号。其中频域变换采用1024点FFT，三角窗宽度为n＝60，表达式如下：

$w\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2k}{n+1},& 1\≤k\≤\frac{n+1}{2}\\ \frac{2(n-k+1)}{n+1},& \frac{n+1}{2}\≤k\≤n\end{array}\right.$

此外，该解码装置302接收该信号，是通过实时或定时检测其同步码来实现的，若检测到该同步码(即数据传输起始码)，则表明数据开始传输，此时解码装置302实时接收数据，直到检测到结束码后结束。

需要说明的是，解码装置302将该净负荷数据中用户数据位与校验位分离，具体如下：

当该净负荷数据为7bit时，从左至右提取前4bit为用户数据位，提取后3bit为校验位；

当该净负荷数据为9bit时，从左至右提取前3bit为校验位，提取后6bit为用户数据位；

当该净负荷数据为18bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后9bit为用户数据位；

当该净负荷数据为21bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后12bit为用户数据位；

当该净负荷数据为27bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后16bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为29bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后18bit为用户数据位；

当该净负荷数据为33bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后20bit为用户数据位；

当该净负荷数据为38bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为50bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的单元或流程并不一定是实施本发明所必须的。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种次超声波通信中编码方法，其特征在于，包括：

编码装置选取次超声波频段中4个频率点分别作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别表示1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1；

所述编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位；

所述编码装置将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧；其中，所述用户数据分为4bit、6bit、9bit、12bit、16bit、18bit、20bit、25bit和35bit七种数据长度，则所述编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，包括：

当所述用户数据为4bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当所述用户数据为6bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当所述用户数据为9bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当所述用户数据为12bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当所述用户数据为16bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为18bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为20bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为25bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为35bit时，通信时传输附加15bit校验位；

所述编码装置将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据帧编码格式依次为数据传输起始码、校验位、用户数据位和数据传输结束码。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校验位计算采用RS纠错编码来进行计算。

4.根据权利要求1—3任一项所述的方法，其特征在于，所述次超声波选取频段为18.4—19.6KHz，所述4个频率点分别表示数据传输起始码、数据传输结束码、二进制数据0以及二进制数据1。

5.一种次超声波通信中解码方法，其特征在于，包括：

解码装置接收编码装置发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；

按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；

确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述解码装置对该信号进行解调，包括：

所述解码装置对A/D转换后的数据从时域转换到频域处理，对转换后的频域数据分别以选取的次超声波频段内4个频率点为中心频率进行能量三角窗加权，最后输出能量最大值对应的符号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，包括：

当所述净负荷数据为7bit时，从左至右提取前4bit为用户数据位，提取后3bit为校验位；

当所述净负荷数据为9bit时，从左至右提取前3bit为校验位，提取后6bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为18bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后9bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为21bit时，从左至右提取前9bit为校验位，提取后12bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为27bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后16bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为29bit时，从左至右提取前11bit为校验位，提取后18bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为33bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后20bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为38bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位；

当所述净负荷数据为50bit时，从左至右提取前13bit为校验位，提取后25bit为用户数据位。

8.一种次超声波通信中编解码的系统，其特征在于，包括：

编码装置，用于选取次超声波频段中4个频率点分别作为通信中传输的4种符号，所述4种符号分别表示1个数据传输起始码，1个数据传输结束码，二进制数据0及二进制数据1，根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，将所述用户数据位及校验位按照数据帧编码格式自适应合成不同长度的数据帧；其中，所述用户数据分为4bit、6bit、9bit、12bit、16bit、18bit、20bit、25bit和35bit九种数据长度，则所述编码装置根据用户数据大小确定待编码的用户数据位长度，并计算校验位，包括：

当所述用户数据为4bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当所述用户数据为6bit时，通信时传输附加3bit校验位；

当所述用户数据为9bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当所述用户数据为12bit时，通信时传输附加9bit校验位；

当所述用户数据为16bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为18bit时，通信时传输附加11bit校验位；

当所述用户数据为20bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为25bit时，通信时传输附加13bit校验位；

当所述用户数据为35bit时，通信时传输附加15bit校验位；

将所述不同长度的数据帧发送至解码装置，以使所述解码装置按照所述数据帧编码格式进行分帧处理，完成解码操作；

解码装置，用于接收编码装置发送的包含不同长度的数据帧的信号，对该信号进行滤波、放大、模拟/数字转换及解调，获取所述不同长度的数据帧，所述不同长度的数据帧的格式为数据传输起始码、用户数据位、校验位和数据传输结束码；按照数据帧编码格式，对所述不同长度的数据帧进行分帧处理，提取所述数据帧的数据传输起始码、净负荷数据和数据传输结束码，所述净负荷数据包括用户数据位及校验位；确定所述净负荷数据长度，并将所述净负荷数据中用户数据位与校验位分离，采用所述校验位对所述用户数据位进行正确性校验。