CN104243388A - 基于ofdm的声波通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的声波通信系统，在声波发射端，原始数据通过信道编码后调制成由多个OFDM符号组成的数据帧的声波信号通过扬声器发射；在声波接收端，麦克风接收到声波信号后再经解调和信道译码后还原为原始数据，在通讯过程中，通过导频信息实现符号同步，通过插入巴克码的方式实现数据帧同步，简化了处理，误码率低，提高声波通讯的效率，推进声波通讯的发展，具有良好的应用前景。

Description

基于OFDM的声波通信系统

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM的声波通信系统，属于无线通信技术领域。

背景技术

声波频率在24kHz以下可以充分利用现有的视频音频播放设备与接收装置，无需对特殊定制的扬声器与麦克风，人耳无法轻易察觉的频率，不会对人们的日常生活产生较多影响，因此，声波通讯得到了广泛应用，但是，传统的声波通讯技术领域，处理过程复杂，误码率比较高，抑制了声波通讯的效率，阻碍了声波通讯的发展。

正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法，并常见于电通讯中，在声波通讯技术领域还没有涉及，如何将正交频分复用(OFDM)技术应用在声波通讯中，以简化处理过程，减少误码率，提高通讯效率，是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的声波通讯，处理过程复杂，误码率比较高，抑制了声波通讯的效率，阻碍了声波通讯的发展的问题。本发明提供的基于OFDM的声波通信系统，简化了处理，误码率低，提高声波通讯的效率和同步性，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：包括声波发送端和声波接收端，所述声波发送端包括依次连接的信道编码模块、信号调制模块、DA转换模块和扬声器，所述声波接收端包括依次连接的麦克风、AD转换模块、信号解调模块和信号译码模块，所述信道编码模块用于接收原始数据，所述信号译码模块用于输出原始数据，所述扬声器与麦克风之间通过低于24kHz以下通信信道进行数据传输，

所述信道编码模块，包括依次连接的第一BCH编码单元、交织单元、第二BCH编码单元，实现对原始数据，进行扩展，得到扩展后数据；

所述信道译码模块，包括依次连接的第一BCH译码单元、解交织单元、第二BCH译码单元，实现将扩展后数据还原成原始数据；

所述信号调制模块，基于OFDM对扩展后数据的进行调制，将信道分成若干正交子信道，将扩展后数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，包括依次连接的符合映射单元、IDFT单元和信号扩展单元，所述符合映射单元接收信道编码模块输出的扩展后数据，所述信号扩展单元输出数字音频信号给DA转换模块；

所述信号解调模块，基于OFDM对接收数字音频信号的进行解调，将一个信道分解为若干个正交子信道，将数字音频信号转换为扩展后数据，解调到转换后的信道上进行传输，包括依次连接的DFT单元、同步捕捉单元和符合逆映射单元，所述DFT单元用于接收AD转换模块输出的数字音频信号，所述符合逆映射单元输出扩展后数据为信号译码模块，所述同步捕捉单元若捕捉数据信号失败，则通过滑动单元反馈给DFT单元。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述符合映射单元用于将扩展后数据进行分组，将信道分成若干正交子信道，将每组数据映射为一个OFDM符号，转化过程为，将每组数据的各个比特根据星座图分配到其对应的子信道中，包括数据信号信道，恒定信号信道、零功率信号信道及巴克码信号信道，所述数据信号信道用于将传输的数据分到各个数据信道；所述恒定信号信道用于OFDM符号同步；所述零功率信号信道用于校正频率；所述巴克码信道把星座中特定点的位置作为+1和-1，用于实现帧同步。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述符合逆映射单元，根据同步捕捉单元输出信号的强度和相位画出星座图，根据星座图还原出扩展后数据。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述信号扩展单元用于减少在相邻的两个OFDM符号切换时的能量泄露，需要复制部分原信号延拓作为过渡区域，保证信号的周期性需要复制原信号尾部信号作为前过渡区域与保护间隔，复制原信号头部信号作为后过渡区域，前一个OFDM符号的后过渡区与后一个OFDM符号的前过渡区相叠加，前、后过渡区的渐变窗函数依次为：

$f1\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(\mathrm{\π},2\mathrm{\π});f2\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(0,\mathrm{\π}).$

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述前过渡区与原信号之间设有保护间隔区域，所述保护间隔区为原信号尾部信号的延拓。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述同步捕捉单元设有两种捕捉情况，

(1)DFT窗口的起始位置落在循环前缀内，DFT窗口所包含的抽样值为此OFDM符号内的值，则不存在产生符号间的干扰，正确解调，同步捕捉成功；

(2)DFT窗口的起始位置落在循环前缀外，DFT窗口所包含的抽样值包含了下一个OFDM符号的值，则存在符号间的干扰，同步捕捉失败，需要将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，再次解调，以便正确解调，同步捕捉成功。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，滑动位移的计算过程为，

(1)设有IDFT单元生成信号样本的长度为L，则扩展后数据的长度为2.75L；

(2)两个OFDM符号的过渡区域交叠在一起，过渡区域为0.25L，则两个OFDM符号头部的间距为2.75L-0.25L＝2.5L；

(3)DFT窗口长度为L，滑动距离为2.5 L/2＝1.25L。

前述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述每个OFDM符号均设有一位巴克码，将巴克码依次存入位移寄存器，位移寄存器的长度等于巴克码的长度，当接收端的巴克码识别器的尖锐峰值出现时，判断帧开始与结束位置，实现帧同步。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于OFDM的声波通信系统，在声波发射端，原始数据通过信道编码后调制成由多个OFDM符号组成的数据帧的声波信号通过扬声器发射；在声波接收端，麦克风接收到声波信号后再经解调和信道译码后还原为原始数据，在通讯过程中，通过导频信息实现符号同步，通过插入巴克码的方式实现数据帧同步，简化了处理，误码率低，提高声波通讯的效率，推进声波通讯的发展，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于OFDM的声波通信系统的系统框图。

图2是本发明的信道编码模块的系统框图。

图3是本发明的信道译码模块的系统框图。

图4是本发明的信号调制模块的系统框图。

图5是本发明的信号解调模块的系统框图。

图6是本发明的子信道用途分配示意图。

图7是本发明的扩展后数据的示意图。

图8是本发明的DFT窗口的起始位置落在循环前缀内的同步捕捉示意图。

图9是本发明的DFT窗口的起始位置落在循环前缀外的同步捕捉示意图。

图10是本发明一个实施例的编码与译码的示意图。

图11是本发明一个实施例的QPSK方式调制数据的星座图。

图12是本发明一个实施例的信号扩展的示意图。

图13是本发明一个实施例的同步捕捉与滑动的示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的基于OFDM的声波通信系统，包括声波发送端和声波接收端，声波发送端包括依次连接的信道编码模块、信号调制模块、DA转换模块和扬声器，声波接收端包括依次连接的麦克风、AD转换模块、信号解调模块和信号译码模块，信道编码模块用于接收原始数据，所述信号译码模块用于输出原始数据，这里的原始数据，即需要发送的信息的内容数据，可以是任何二进制数据，不限于声音数据，包括但不限于文字、图片、视频、音频等类型的数据，数字音频数据是在信号调试模块中产生，扩展是通过添加监督数据使得在通讯过程中积累的误差能够得到纠正，扬声器与麦克风之间通过低于24kHz以下通信信道进行数据传输，这里声波频率在24kHz以下可以充分利用现有的视频音频播放设备与接收装置，无需对特殊定制的扬声器与麦克风，人耳无法轻易察觉的频率，不会对人们的日常生活产生较多影响；

如图2所示，所述信道编码模块，包括依次连接的第一BCH编码单元、交织单元、第二BCH编码单元，实现对声音数据进行扩展，得到扩展后数据；

如图3所示，所述信道译码模块，包括依次连接的第一BCH译码单元、解交织单元、第二BCH译码单元，实现将扩展后数据还原成声音数据；

声频数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，通过信道编、解码模块这一环节，对数码流进行相应的处理，具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生；

如图4所示，所述信号调制模块，基于OFDM对扩展后数据的进行调制，将信道分成若干正交子信道，将扩展后数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，包括依次连接的符合映射单元、IDFT单元和信号扩展单元，符合映射单元接收信道编码模块输出的扩展后数据，信号扩展单元输出数字音频信号给DA转换模块；

如图5所示，信号解调模块，基于OFDM对接收数字音频信号的进行解调，将若干正交子信道转换一信道，将数字音频信号转换为扩展后数据，解调到转换后的信道上进行传输，包括依次连接的DFT单元、同步捕捉单元和符合逆映射单元，所述DFT单元用于接收AD转换模块输出的数字音频信号，所述符合逆映射单元输出扩展后数据为信号译码模块，所述同步捕捉单元若捕捉数据信号失败，则通过滑动单元反馈给DFT单元。

符合映射单元，将数据分组后，将每组数据映射为一个OFDM符号，具体过程为：将每组数据的各个比特根据星座图分配到其对应的子信道中，这里将0-24kHz的频率划分为多个正交子信道(通过DFT变换的信号肯定是正交的，划分信道的数量等于DFT的点数的一半)，将人耳无法轻易察觉子信道拿出来分配作为不同用途(数据信道、巴克码信道、零功率信道、恒定信号信道)，假设做50点DFT，划分了25个子信道，每个子信道的带宽为1kHz，那么如果人耳无法轻易察觉的频率为15kHz～24kHz，那么可以将16-25共10个子信道去划分不同的用途，每个子信道都是通过星座图的方式将数据映射上去，譬如bpsk调制则每个信道可以映射1bit，qpsk调制是2bit，8psk调制是3bit，qam调制是4bit，不同的调制方式对应不同的星座图，数据信号信道，把需要传输的数据分到各个数据信道；巴克码信道把星座中特定点的位置作为+1和-1，实现帧同步；零功率信号信道，不发送任何数据，在此点处功率为0，用于校正频率；恒定信号信号，固定发送不变的信号，并在对应的信道中中插入恒定信号导频(用作符号同步、信道估计和信道均衡)、零功率信号导频(用作验证符号同步)及巴克码信号导频(用作帧同步)，符合逆映射单元是其反过程，符号映射如图6所示。

所述符合逆映射单元，通过恒定信号信道的强度与相位信号已知，通过其强度对可以对其他信道的强度做归一化处理，计算出整体信号的衰减或增益的值，通过公式(1)可以得知解调时的偏移量τ，

τ＝(θ-θ’)N/2πk    (1)

其中，N为DFT时的总数；k为变换后的第k个点，即第k个子信道，k对于N/2共轭；θ为该点的实际相位；θ’为通过接收到的信号计算出的相位(当对齐起始位置时θ＝θ’根据上述公式计算得出偏移量τ＝0，当没有对齐起始位置时，θ与θ’不相等即可通过上述公式计算出偏移量τ)；

当根据恒定信号对其他信号的强度与相位进行修正后，就可以根据处修正的强度和相位画出星座图，再根据星座图得出其对应的数据。

本发明直接通过IDFT单元调制，可以同时对多个子信道同时进行调制，节约了高通滤波器设备，在输出数字音频信号时无需过滤低通信号。

本发明直接通过DFT单元解调，可以同时对多个子信道同时进行解调，节约了高通滤波器设备，在输入数字音频信号时无需过滤低通信号。

所述信号扩展单元用于保障在相邻的两个OFDM符号切换时的能量泄露，如图7所示，需要复制部分原信号延拓作为过渡区域，为了保证信号的周期性需要复制原信号尾部信号作为前过渡区域与保护间隔，复制原信号头部信号作为后过渡区域，前一个OFDM符号的后过渡区与后一个OFDM符号的前过渡区相叠加，前、后过渡区的渐变窗函数依次为：

$f1\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(\mathrm{\π},2\mathrm{\π})f2\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(0,\mathrm{\π}),$

这里过渡区域的渐变窗函数与叠加方式缩短了过渡区域的长度同时也减少了能量泄露的值，使符号切换时人耳无法轻易察觉。

所述前过渡区与原信号之间设有保护间隔区域，所述保护间隔区为原信号尾部信号的延拓。

所述同步捕捉单元设有两种捕捉方式情况，解调时的定时偏移为τ个采样，

(1)如图8所示，DFT窗口的起始位置落在循环前缀内，DFT窗口所包含的抽样值为此OFDM符号内的值，则不存在产生符号间的干扰，正确解调，同步捕捉成功；

(2)如图9所示，DFT窗口的起始位置落在循环前缀外，DFT窗口所包含的抽样值包含了下一个OFDM符号的值，则存在符号间的干扰，同步捕捉失败，需要将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，再次解调，以便正确解调，同步捕捉成功。

所述将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，滑动位移的计算过程为，

(1)设有IDFT单元生成信号样本的长度为L，则扩展后数据的长度为2.75L，具体为，复制原始信号的尾部0.5L作为前过渡区域与保护间隔+复制2L个完整的原始信号+复制原始信号的头部0.25L作为后过渡区域；

(2)两个OFDM符号的过渡区域交叠在一起，过渡区域为0.25L，则两个OFDM符号头部的间距为2.75L-0.25L＝2.5L；

(3)DFT窗口长度为L，滑动距离为2.5L/2＝1.25L。

所述每个OFDM符号均设有一位巴克码，将巴克码依次存入位移寄存器，位移寄存器的长度等于巴克码的长度，当接收端的巴克码识别器的尖锐峰值出现时，判断帧开始与结束位置，实现帧同步，巴克码识别器原理，巴克码依次存入一味寄存器，当每位寄存器中的巴克码与预先设定的巴克码相同时，该为寄存器输出1电平，每位寄存器的输出通过加法器相加，当巴克码符合是即加法器的输出为峰值。

根据本发明的基于OFDM的声波通信系统，介绍一个具体实施例，

假设每帧发送256bit原始数据(信道编码后扩展为1024bit)，使用16个数据传输子载波，使用QPSK星座图(2bit)，则每帧数据有32个OFDM符号(1024/16/2＝32)，数字音频信号的采样精度为16bit、采样频率为44.1kHz，以640采样点为一个OFDM符号，则每帧信号的长度为:32*640/44100≈0.4644(秒)，实现过程，

信道编码与译码

对每帧的原始数据进行如下编码过程：

(1)将原始数据划分为16组，每组16bit做BCH(31,16)编码后，得到496bit的数据，再添加16bit的帧尾信息；

(2)将数据依次按行送入2个16bit*16bit的交织器，再按列依次取出；

(3)数据划分为32组，每组16bit做BCH(31,16)编码后，得到992bit的数据，再添加32bit的帧尾信息，在这里具体设计编译码的过程为本领域技术人员的现有技术，译码是其逆过程，编码与译码过程，如图10所示；

信号调制与解调

(1)符号映射与逆映射

将17kHz～21kHz频段划分出23个子信道(16个用于传输数据信号，3个用于传输恒定信号，2个用于传输巴克码信号，2个用于传输零功率信号)。由于采用256点IDFT生成信号故共有128个频点，其中：

数据信号频点为：99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,110,111,112,113,114,115

恒定信号频点为：98,119,120

巴克码信号频点为：109,118

零功率信号频点为：116,117

通过QPSK方式调制数据，使用如图11所示的星座图，在数据信号频点，每个频点传输2bit数据；在恒定信号频点，恒定传输“11”；巴克码信号频点，“11”表示“+”，“00”表示“-”，使用13位巴克码(帧内每个OFDM符号发送1位，当13位巴克码)发送完毕后的帧内(剩余)OFDM符号发送零信号；零功率信号频点，发送零信号；

(2)信号扩展

将256点通过IDFT单元生成的数字音频信号，做如图12所示的方式扩展，

(3)同步捕捉与滑动

当使用256点样本窗口作DFT单元解调时，解调窗口其实位置落点，如图12所示，解调DFT窗口的起始位置在A与B之间时可与正确解调，如图13所示，在C与D之间无法正确解调，AB＝CD，即初次捕捉有50％的概率捕捉成功，当初次捕捉失败时，只需向后滑动320个样本即可100％捕捉成功，平均1.5次捕捉即可实现符号同步，符号同步效率高，在这里通过具体的数值介绍符号同步的情况，即IDFT生成的样本长度为x，通过扩展后的长度为x+x+x/2+x/4＝2.75x，由于前后2个OFDM符号的过渡区域交叠在一起，故2个OFDM符号头部的间距为2.75x-x/4＝2.5x，每次解调的DFT窗口长度为x，滑动距离为2.5x/2＝1.25x，上面举例中的数值即为按照这种比例设置，就可以达到平均1.5次捕捉即可实现符号同步的效果。

(4)帧同步

当依次收到帧内第13个OFDM符号时，巴克码出现尖锐峰值，依此便可判断帧开始与结束位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：包括声波发送端和声波接收端，所述声波发送端包括依次连接的信道编码模块、信号调制模块、DA转换模块和扬声器，所述声波接收端包括依次连接的麦克风、AD转换模块、信号解调模块和信号译码模块，所述信道编码模块用于接收原始数据，所述信号译码模块用于输出原始数据，所述扬声器与麦克风之间通过低于24kHz以下通信信道进行数据传输，

所述信道编码模块，包括依次连接的第一BCH编码单元、交织单元、第二BCH编码单元，实现对原始数据，进行扩展，得到扩展后数据；

所述信道译码模块，包括依次连接的第一BCH译码单元、解交织单元、第二BCH译码单元，实现将扩展后数据还原成原始数据；

所述信号调制模块，基于OFDM对扩展后数据的进行调制，将信道分成若干正交子信道，将扩展后数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，包括依次连接的符合映射单元、IDFT单元和信号扩展单元，所述符合映射单元接收信道编码模块输出的扩展后数据，所述信号扩展单元输出数字音频信号给DA转换模块；

所述信号解调模块，基于OFDM对接收数字音频信号的进行解调，将一个信道分解为若干个正交子信道，将数字音频信号转换为扩展后数据，解调到转换后的信道上进行传输，包括依次连接的DFT单元、同步捕捉单元和符合逆映射单元，所述DFT单元用于接收AD转换模块输出的数字音频信号，所述符合逆映射单元输出扩展后数据为信号译码模块，所述同步捕捉单元若捕捉数据信号失败，则通过滑动单元反馈给DFT单元。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述符合映射单元用于将扩展后数据进行分组，将信道分成若干正交子信道，将每组数据映射为一个OFDM符号，转化过程为，将每组数据的各个比特根据星座图分配到其对应的子信道中，包括数据信号信道，恒定信号信道、零功率信号信道及巴克码信号信道，所述数据信号信道用于将传输的数据分到各个数据信道；所述恒定信号信道用于OFDM符号同步；所述零功率信号信道用于校正频率；所述巴克码信道把星座中特定点的位置作为+1和-1，用于实现帧同步。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述符合逆映射单元，根据同步捕捉单元输出信号的强度和相位画出星座图，根据星座图还原出扩展后数据。

4.根据权利要求1所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述信号扩展单元用于减少在相邻的两个OFDM符号切换时的能量泄露，需要复制部分原信号延拓作为过渡区域，保证信号的周期性需要复制原信号尾部信号作为前过渡区域与保护间隔，复制原信号头部信号作为后过渡区域，前一个OFDM符号的后过渡区与后一个OFDM符号的前过渡区相叠加，前、后过渡区的渐变窗函数依次为：

$f1\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(\mathrm{\π},2\mathrm{\π});f2\left(x\right)=\frac{1}{2}(\cos \left(x\right)+1),x\∈(0,\mathrm{\π}).$

5.根据权利要求4所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述前过渡区与原信号之间设有保护间隔区域，所述保护间隔区为原信号尾部信号的延拓。

6.根据权利要求1所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述同步捕捉单元设有两种捕捉情况，

(1)DFT窗口的起始位置落在循环前缀内，DFT窗口所包含的抽样值为此OFDM符号内的值，则不存在产生符号间的干扰，正确解调，同步捕捉成功；

(2)DFT窗口的起始位置落在循环前缀外，DFT窗口所包含的抽样值包含了下一个OFDM符号的值，则存在符号间的干扰，同步捕捉失败，需要将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，再次解调，以便正确解调，同步捕捉成功。

7.根据权利要求6所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述将DFT窗口通过滑动单元向后滑动，滑动位移的计算过程为，

(1)设有IDFT单元生成信号样本的长度为L，则扩展后数据的长度为2.75L；

(2)两个OFDM符号的过渡区域交叠在一起，过渡区域为0.25L，则两个OFDM符号头部的间距为2.75L-0.25L＝2.5L；

(3)DFT窗口长度为L，滑动距离为2.5L/2＝1.25L。

8.根据权利要求1所述的基于OFDM的声波通信系统，其特征在于：所述每个OFDM符号均设有一位巴克码，将巴克码依次存入位移寄存器，位移寄存器的长度等于巴克码的长度，当接收端的巴克码识别器的尖锐峰值出现时，判断帧开始与结束位置，实现帧同步。