CN104639287B - 一种超声波通讯编码方法及系统 - Google Patents

一种超声波通讯编码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波通讯编码方法及系统，设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。基于有限状态自动机的超声波编码方法，有限状态自动机可以灵活设计编码方案，有效提高信息传输的比特率，可以有效推广超声波通讯在实际生活中应用。本发明在超声波通讯中引入同步信号和奇偶校验信号，提升信息传输的质量。

Description

一种超声波通讯编码方法及系统
技术领域
本发明涉及一种超声波通讯编码方法及系统，尤其涉及一种基于有限状态自动机的超声波通讯编码方法及系统。
背景技术
目前的终端设备多数具有放音和录音功能，使用声波进行信息的传输附加成本低，同时超声波在传输时方向性强，受外界环境干扰少，所以超声波用于通讯越来越受到青睐。在目前的超声波通讯系统中，多数的编码时间过长，同时缺少有效的方法保证远距离和复杂的场景下信息传输的质量。现有的用于超声波通讯的编码方法，使用一些特定的单频超声波信号完成信息的传输，2个频段传输1bit信息，传输的信息量较少；编码没有考虑信息开始的标志位，水印开始段检测不准。同时在实际应用中，由于环境的影响，信息传输过程中可能受污染，缺少有效的侦测手段。现有技术的缺点如下：1.相同的时间内传输的数据量较少，实时性较高方案中应用受限。2.编码鲁棒性不高，水印检测不准，在受环境影响时无法及时侦测。3.设计方法简单、单一，不够灵活。传统的超声波通讯编码方法，在传输信息比特率和质量上无法满足应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种超声波通讯编码方法及系统，克服现有方案相同时间内传输的数据量较少，实时性较高的方案中应用受限难点；解决编码鲁棒性不高，水印检测不准，受环境影响时无法及时侦测；解决设计方法简单、单一，不够灵活的技术问题。
本发明的技术方案是：构建一种超声波通讯编码方法，步骤如下：
编码：设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；
构建编码序列：将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；
进行超声波信息加载：将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
本发明的进一步技术方案是：还包括构建同步信号：设置一个单频信号作为编码信号的同步信号。
本发明的进一步技术方案是：将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
本发明的进一步技术方案是：所述超声波通讯编码信号还包括生成的奇偶校验编码段。
本发明的进一步技术方案是：所述多状态跳转的有限状态自动机的状态跳转数目根据编码采用的进制以及信息的表示范围确定。
本发明的进一步技术方案是：所述同步信号的长度大于等于2倍编码段单频信号长度。
本发明的技术方案是：构建一种超声波通讯编码系统，包括编码模块、编码序列构建模块、超声波信息加载模块，所述编码模块设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；所述编码序列构建模块将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；所述超声波信息加载模块将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
本发明的进一步技术方案是：还包括同步信号构建模块，所述同步信号构建模块设置一个单频信号作为编码信号的同步信号。
本发明的进一步技术方案是：还包括超声波信息加载模块，将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
本发明的进一步技术方案是：还包括奇偶校验编码模块，所述奇偶校验编码模块生成奇偶校验编码段。
本发明的技术效果是：构建一种超声波通讯编码方法及系统，设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。基于有限状态自动机的超声波编码方法，有限状态自动机可以灵活设计编码方案，有效提高信息传输的比特率，可以有效推广超声波通讯在实际生活中应用。本发明在超声波通讯中引入同步信号和奇偶校验信号，提升信息传输的质量。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的5状态的跳转图。
图3为本发明单频信号时域波形图。
图4为本发明单频信号频域波形图。
图5为本发明带有同步位信号段的频谱图。
图6为本发明带有奇偶校验信息的频谱图。
图7为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种超声波通讯编码方法，步骤如下：
编码：设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码。
具体实施过程如下：编码串不一定限于8位，使用多少位需要考虑实际应用需求，位数越多传输的信息范围更大，但是传输一个有限信息的时间也更长。本发明以8位举例：使用8bit对信息进行编码，总的指令数目为256个(0-255)，二进制表述为(00000000-11111111)，同理使用4进制描述为(0000-3333)。每一个ID代表一个具体的物理指令和意义，本发明也支持使用更高进制进行信息的描述。利用超声波来控制一些终端设备，即超声波控制，发送端发送控制指令ID，目前认为常用的控制应用方案中256个指令(8位)就可以满足需求了。使用超声波传输一些字符信息，即超声波通讯，目前ASCII字符可打印的字符是96个，所以8位基本满足需求了。如果字符串超出8位，即数据值大于256，可以使用9位或者更多位，那么对应的编码序列相应加长即可。
构建编码序列：将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符。
具体实施过程如下：将4进制长度为4的编码串(0000-3333)作为有限状态自动机的输入字符，设计一个5状态跳转方案有限状态自动机(本发明需要根据信息传输的比特率，输入字符进制，设计一个合理有限状态自动机)。有限状态自动机是一个五元组，其中：
Q表示状态的非空有穷集合，q是M的一个状态，本方法中自动机状态集合为a,b,c,d,e字母构成的最大长度为5的状态序列。
∑表示输入字母表，4进制表示的字母表为(0,1,2,3)，对应步骤a)设计的序列集合。
表示状态转移函数，Q×∑→Q。
q表示M的开始状态。
F表示M的终止状态集合，F被Q包含。
以上的描述过程可以使用如下的转换图表达，如图2所示，使用一个5状态的跳转图描述，5状态有限自动机其跳转输入字符为0,1,2,3。
具体实施例中，所述多状态跳转的有限状态自动机的状态跳转数根据编码采用的进制以及信息的表示范围确定。如果使用的是2进制，一个状态跳转到其他状态，输入有0，1两个可能字符，则对应的编码就是本专利提到的需要使用3个不同超声波频段信号进行跳转描述(3个状态2个输入字符)。举例：假设传输的ID为75，二进制为01001011，我们使用a，b，c三个超声波段进行描述这个二进制串，则设计超声波编码对应的也许就是ababcabac。
如果设计的4进制，一个状态跳转到其他状态，输入有0,1,2,3四个可能字符，则需要5个不同超声波频段信号进行跳转描述(5个状态4个输入字符)。举例：假设传输的ID为75，四进制序列串为1023，我们使用a,b,c,d,e,5个不同超声波频段信号描述这个四进制串，则设计超声波编码是acdea，和二进制相比编码的长度更短了，传输时间上更快了。
所以使用不同的进制描述意义在于超声波频段越多，使用更高进制串描述，最终传输的时间更短或者信息表示范围更大。
进行超声波信息加载：将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
具体实施过程如下：将长度为5的状态序列映射到高频的单频信号，单频信号状态的跳转包含编码信息，本发明根据此原则设计总长度为125ms有效超声波编码信息。
生成单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
图3为本发明单频信号时域波形图，图4为本发明单频信号频域波形图。
单频信号只是一个载体，单频信号之间的跳转描述一个待编码的信息序列。单频信号选取的多少以及长短都是根据实际应用和需求进行调整的。本发明中，单频信号选择超声波段的单频信号或者近超声波段的单频信号。
如图5所示，本发明的优选实施方式是：还包括构建同步信号：设置一个单频信号作为编码信号的同步信号,所述同步信号的长度大于等于2倍编码段单频信号长度。具体实施过程如下；设计一个时长为50ms的单频信号作为同步信号，同时需要保证该信号长度≥2×编码段单频信号长度，这样可以和编码段的单频信号作区分，同时在干扰的环境中，仍然可以保证同步信号的有效，保证信息传输的质量。
如图6所示，本发明的优选实施方式是：所述超声波通讯编码信号还包括生成的奇偶校验编码段。在信息传输的过程中，合理使用奇偶校验位，接收端可以实时发现数据的正确性，在出错的情况下，终止信号的接收并给发射端反馈信息，及时调整超声波发射的环境和距离。本文设计的奇偶校验位放在有效编码段的后部，如果有效码子段的1的个数是偶数，则设置跳转到校验位的状态为0，否则设计校验位的状态为1。
如图7所示，本发明的具体实施方式是：构建一种超声波通讯编码系统，包括编码模块1、编码序列构建模块2、超声波信息加载模块3，所述编码模块1设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；所述编码序列构建模块2将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；所述超声波信息加载模块3将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
如图6所示，本发明的具体实施过程是：编码模块1设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码。具体实施过程如下：编码串不一定限于8位，使用多少位需要考虑实际应用需求，位数越多传输的信息范围更大，但是传输一个有限信息的时间也更长。本发明以8位举例：使用8bit对信息进行编码，总的指令数目为256个(0-255)，二进制表述为(00000000-11111111)，同理使用4进制描述为(0000-3333)。每一个ID代表一个具体的物理指令和意义，本发明也支持使用更高进制进行信息的描述。利用超声波来控制一些终端设备，即超声波控制，发送端发送控制指令ID，目前认为常用的控制应用方案中256个指令(8位)就可以满足需求了。使用超声波传输一些字符信息，即超声波通讯，目前ASCII字符可显示的字符是96个，所以8位基本满足需求了。如果字符串超出8位，即数据值大于256，可以使用9位或者更多位，那么对应的编码序列相应加长即可。
编码序列构建模块2将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符。具体实施过程如下：将4进制长度为4的编码串(0000-3333)作为有限状态自动机的输入字符，设计一个5状态跳转方案有限状态自动机(本发明需要根据信息传输的码流率，输入字符进制，设计一个合理有限状态自动机)。有限状态自动机是一个五元组，其中：
Q表示状态的非空有穷集合，q是M的一个状态，本方法中自动机状态集合为a,b,c,d,e字母构成的最大长度为5的状态序列。
∑表示输入字母表，4进制表示的字母表为(0,1,2,3)，对应步骤a)设计的序列集合。
表示状态转移函数，Q×∑→Q。
q表示M的开始状态。
F表示M的终止状态集合，F被Q包含。
以上的描述过程可以使用如下的转换图表达，如图2所示，使用一个5状态的跳转图描述，5状态有限自动机其跳转输入字符为0,1,2,3。
所述超声波信息加载模块3将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。具体实施过程如下：将长度为5的状态序列映射到超声波段的单频信号，单频信号状态的跳转包含编码信息，本发明根据此原则设计长度为25ms单频信号,编码串总长度为125ms超声波编码信息。
生成单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
如图5所示，本发明的优选实施方式是：还包括同步信号构建模块4，同步信号构建模块4设置一个单频信号作为编码信号的同步信号,所述同步信号的长度大于等于2倍编码段单频信号长度。具体实施过程如下；设计一个时长为50ms的单频信号作为同步信号，同时需要保证该信号长度≥2×编码段单频信号长度，这样可以和编码段的单频信号作区分，同时在干扰的环境中，仍然可以保证同步信号的有效，保证信息传输的质量。
如图5所示，本发明的优选实施方式是：还包括奇偶校验编码模块5，所述奇偶校验编码模块5生成奇偶校验编码段。
本发明的技术效果是：构建一种超声波通讯编码方法及系统，设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。基于有限状态自动机的超声波编码方法，有限状态自动机可以灵活设计编码方案，有效提高信息传输的比特率，可以有效推广超声波通讯在实际生活中应用。本发明在超声波通讯中引入同步信号和奇偶校验信号，提升信息传输的质量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波通讯编码方法，步骤如下：
编码：设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；
构建编码序列：将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；
进行超声波信息加载：将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
2.根据权利要求1所述超声波通讯编码方法，其特征在于，还包括构建同步信号：设置一个单频信号作为编码信号的同步信号。
3.根据权利要求1所述超声波通讯编码方法，其特征在于，将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
4.根据权利要求1所述超声波通讯编码方法，其特征在于，将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号的过程还包括生成奇偶校验编码段。
5.根据权利要求1所述超声波通讯编码方法，其特征在于，所述多状态跳转的有限状态自动机的状态数目根据编码采用的进制以及信息的表示范围确定。
6.根据权利要求2所述超声波通讯编码方法，其特征在于，所述同步信号的长度大于等于2倍编码段单频信号长度。
7.一种超声波通讯编码系统，其特征在于，包括编码模块、编码序列构建模块、超声波信息加载模块，所述编码模块设计编码序列串，采用所述编码序列串对待传输信息进行编码；所述编码序列构建模块将所述编码序列串作为多状态跳转的有限状态自动机的输入字符；所述超声波信息加载模块将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号，超声波单频信号状态的跳转包含编码信息。
8.根据权利要求7所述超声波通讯编码系统，其特征在于，还包括同步信号构建模块，所述同步信号构建模块设置一个单频信号作为编码信号的同步信号。
9.根据权利要求7所述超声波通讯编码系统，其特征在于，将所述有限状态自动机的状态序列映射到超声波单频信号的公式如下：
y＝cos(2π×f×t+θ)
其中f为目标频带，t为采样间隔，θ为初始相位角。
10.根据权利要求7所述超声波通讯编码系统，其特征在于，还包括奇偶校验编码模块，所述奇偶校验编码模块生成奇偶校验编码段。
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