CN104868956A - 基于声波信道的数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波信道的数据通信方法，包括：采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列；采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号；根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择；通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输。本发明还公开了另外两种基于声波信道的数据通信方法。本发明可以现在被背景噪声淹没的微弱信号环境下的数据信号通信。

Description

基于声波信道的数据通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于声波信道的数据通信方法。

背景技术

信号通信系统的系统模型如图1所示，在发射端，原始数据通过信道编码后进行信号调制，调制成由多个符号组成的数据帧的音频信号并进行数模转换，再通过扬声器发射；在接收端，麦克风接收到音频信号后再经模数转换、信号解调和信道译码后还原为原始数据。

频率在24kHz以下的音频通信可以充分利用现有的视频音频播放设备与接收装置，无需特殊定制的扬声器与麦克风，但是在自然界中24kHz以下的音频往往具有很强环境噪音的干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于声波信道的数据通信方法，本发明可以实现在被背景噪声淹没的微弱信号环境下的音频信号通信。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于声波信道的数据通信方法，包括：

采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列；

采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号；

根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择；

通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输。

进一步的，所述采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列，具体包括：

采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列；

采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列。

进一步的，所述采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号，具体包括：

从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号；

从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……；

将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据；

将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号；

其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

进一步的，在所述将所述编码后序列映射为若干数字音频符号，之后还包括：

复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

进一步的，在所述完成所述数字音频符号的符号扩展，之后还包括：

对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

本发明还提供了一种基于声波信道的数据通信方法，包括：

接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号；

通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据；

通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列；

采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

进一步的，所述通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据，具体包括：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据；其中，相关性计算函数为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

进一步的，所述通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列，具体包括：

对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号；

按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调；

其中，所述奇/偶数映射符号的获取通过以下步骤得到：从预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

进一步的，所述采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号，具体包括：

采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到原始数据信号。

本发明还提供了又一种基于声波信道的数据通信方法，包括：

采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列；

采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号；

根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择；

通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输；

接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号；

通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据；

通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列；

采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

进一步的，所述采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列，具体包括：

采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列；

采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列；

所述采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号，具体包括：

采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到数据音频信号。

进一步的，所述采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号，具体包括：

从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号；

从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……；

将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据；

将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号；

其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

进一步的，在所述将所述编码后序列映射为若干数字音频符号，之后还包括：

复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

进一步的，在所述完成所述数字音频符号的符号扩展，之后还包括：

对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

进一步的，所述通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据，具体包括：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据；

其中，相关性计算函数为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

进一步的，所述通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列，具体包括：

对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号；

按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明可以实现在被背景噪声淹没的微弱信号环境下的通讯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是现有技术中信号通信系统的系统框图；

图2是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的一个实施例的流程示意图；

图3是CRC编码和BCH编码示意图；

图4是符号映射过程示意图；

图5是符号扩展示意图；

图6是符号扩展的举例示意图；

图7是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的另一实施例的流程示意图；

图8是当接收到的信号与原始信号样本相似时，相关性函数的图像；

图9是当接收到的信号与原始信号样本无关时，相关性函数的图像；

图10是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的又一实施例的流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动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。

图2是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的一个实施例的流程示意图，本实施例是基于数据发送描述的，如图2所示，本实施例包括步骤：

S101、采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列。

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。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统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，并且可以验证数据正确性和完整性。

具体的，步骤S101包括步骤：

S1011、采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列。

其中，原始数据信号为任意二进制数据。CRC即循环冗余校验码(CyclicRedundancy Check)：是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备可以通过验证接收到的数据是否有错误。

参照图3，假设每帧发送32bit原始数据，将原始数据根据CRC12编码扩展为44bit(32bit原始数据+12bitCRC)，即CRC编码序列为44bit。

S1012、采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列。

BCH编码取自Bose、ray-Chaudhuri与Hocquenghem的缩写，是多级、循环、错误校正、变长数字编码的一种编码方法，是一种循环的线性分组码。通过BCH编码纠正传输过程中发生的错误。

BCH编码把原始数据序列按固定的k位一组划分成消息组，再将每一消息组独立变换成长为n(n>k)的二进制数字组，称为码字，其中监督位r＝n-k，记为bch(n,k)，如果消息组的数目为M(显然M>＝2),由此所获得的M个码字的全体便称为码长为n、信息数目为M的分组码，记为n，M。把消息组变换成码字的过程称为编码，其逆过程称为译码。

参照图3所示，将CRC编码序列划分为4组，每组11bit做BCH(15,11)编码后，得到60bit的数据。即编码后序列为60bit。

S102、采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号。

具体的，步骤S102具体包括：

S1021、从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号。

预设音频序列符号组的获取采用以下步骤：对预设符号进行音频采样后得到时间序列，采用符号选择标准从时间序列中选择若干组作为音频序列符号。具体的，符号选择标准是：在各个频率上的功率符合人耳等响度曲线，以保障各个频率人耳感受到的音量相同；在时域上较为平坦，没有剧烈的起伏；每个音频序列符号之间的相关性极弱。

S1022、从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

当n＝1时，从所述预设音频序列符号组中选择4个序列符号，并将4个序列符号中两个分为奇数映射符号，两个分为偶数映射符号；当n＝2时，从所述预设音频序列符号组中选择8个序列符号，并将8个序列符号中4个分为奇数映射符号，4个分为偶数映射符号，例如，假设n＝2，8个序列符号分别采用A、B、C、D、E、F、G、H表示，将A、B、C、D分为奇数映射符号，E、F、G、H分为偶数映射符号。

S1023、将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据。

假设，编码后序列为00010110……，那么，编码序列可以分为00、01、01、10、……，等若干序列组，每一序列组中包括2个比特数据。

S1024、将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号。

假设，映射关系为：奇数映射符号A/B/C/D代表数据00/01/10/11，偶数映射符号E/F/G/H代表数据00/01/10/11，那么排序为1的编码序列组为00，1为奇数，00编码序列组对应的奇数映射符号为A，因此00编码序列组映射为符号A；排序为2的编码序列组为01,2为偶数，01编码序列组对应的偶数映射符号为F，因此00编码序列组映射为符号F，参照图4，以此类推，将编码序列组映射完成，得到数字音频信号的数据帧，其中S代理同步符号。其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

可选的，步骤S102在S1024之后还可以包括步骤S1025和S1026。

S1025、复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

其中，为了保障在2个符号切换时的能量不向其他频率泄露(减少杂音)，故需要复制部分原信号延拓作为过渡区域。为了提高在同步捕捉的成功率以及减少多径干扰造成的信号失真，还可以在前过渡区域与原信号之间复制原信号尾部的一部分信号作为保护间隔。具体参考图5。

S1026、对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

假设，2048个采样点为一个符号的样值序列长度，保护间隔与过度区域的长度为样值的1/8，将2048点序列的数字音频信号的头部的256个样本复制到尾部并加余弦窗为后过渡区域，尾部的512个样本复制到头部并在头部的前256个样本加余弦窗作为前过度区域后256个样本作为保护间隔，前一个符号的后过渡区域与后一个符号的前过渡区域叠加，具体参考图6。

S103、根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择。

在发射端AD转换之前考虑到发射设备特性以及使用要求可以对发射的信号进行信道频段选择，即对于某些频率的信道进行静默只在特定频率的信道发送信号。信道频段选择主要是考虑到：①发射装置的发射功率是有限的，划分的信道频段越多平均到每个信道的功率就越小，需要集中功率到干扰小的信道；②传输调制后的数据音频信号时的带宽是有限的，频段数量越少需要的带宽也越小。所以发射端优先考虑人耳无法察觉的频段(16khz以上)，其次考虑干扰少的频段。

S104、通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输。

图7是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的另一实施例的流程示意图，本实施例是针对信号接收一端描述的，如图7所示，包括：

S201、接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号。

S202、通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据。

具体的，步骤S202包括步骤：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据。。

其中，相关性计算函数的计算公式为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

其中，由于传输过程损失、发声设备衰减和环境噪音的干扰，某些频率上的信号难以识别，在实际解调过程中，需要对信道进行选择。具体原理为：将0-24kHz划分为多个信道，计算相关性时，分别对各个信道频段范围内的频率进行相关性计算(将其他信道的FFT的结果置零)，被干扰的信道频段的相关峰相较于其他信道来说较不明显，可以剔除强干扰信道频段数据。

S203、通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列。

S2031、对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号。

其中，当接收到的信号与样本相似时，相关性函数的图像如图8所示，其中相关峰的位置为检测窗口偏移原点的距离。当接收到的信号与样本无关时，相关性函数的图像如图9所示，因此通过对于相关性函数的相关峰识别即可判断当前接收到的信号有无当前符号样本的内容。

当相关性函数的图像中没有识别出明显的相关峰时，则当前窗口没有或少量包含了同步符号的样值序列，或者当前信号干扰过强，则需要向后滑动一定的距离再次进行同步捕捉；当相关性函数的图像中识别出明显的相关峰时，即当前的检测窗口包含了同步符号的样值序列，帧同步成功，那么即可根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据此偏移量调整检测窗口位置进行符号同步。

S2032、按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调。

其中，所述奇/偶数映射符号的获取通过以下步骤得到：从预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

S204、采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

具体的，步骤S204具体包括：

S2041、采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

S2042、采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到原始数据信号。

图10是本发明提供的基于声波信道的数据通信方法的又一实施例的流程示意图，包括步骤：

S301、采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列。

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。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统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，并且可以验证数据正确性和完整性。

具体的，步骤S301包括步骤：

S3011、采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列。

其中，原始数据信号为任意二进制数据。CRC即循环冗余校验码(CyclicRedundancy Check)：是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备可以通过验证接收到的数据是否有错误。

参照图3，假设每帧发送32bit原始数据，将原始数据根据CRC12编码扩展为44bit(32bit原始数据+12bitCRC)，即CRC编码序列为44bit。

S3012、采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列。

BCH编码取自Bose、ray-Chaudhuri与Hocquenghem的缩写，是多级、循环、错误校正、变长数字编码的一种编码方法，是一种循环的线性分组码。通过BCH编码纠正传输过程中发生的错误。

BCH编码把原始数据序列按固定的k位一组划分成消息组，再将每一消息组独立变换成长为n(n>k)的二进制数字组，称为码字，其中监督位r＝n-k，记为bch(n,k)，如果消息组的数目为M(显然M>＝2),由此所获得的M个码字的全体便称为码长为n、信息数目为M的分组码，记为n，M。把消息组变换成码字的过程称为编码，其逆过程称为译码。

参照图3所示，将CRC编码序列划分为4组，每组11bit做BCH(15,11)编码后，得到60bit的数据。即编码后序列为60bit。

S302、采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号。

具体的，步骤S302具体包括：

S3021、从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号。

预设音频序列符号组的获取采用以下步骤：对预设符号进行音频采样后得到时间序列，采用符号选择标准从时间序列中选择若干组作为音频序列符号。具体的，符号选择标准是：在各个频率上的功率符合人耳等响度曲线，以保障各个频率人耳感受到的音量相同；在时域上较为平坦，没有剧烈的起伏；每个音频序列符号之间的相关性极弱。

S3022、从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

当n＝1时，从所述预设音频序列符号组中选择4个序列符号，并将4个序列符号中两个分为奇数映射符号，两个分为偶数映射符号；当n＝2时，从所述预设音频序列符号组中选择8个序列符号，并将8个序列符号中4个分为奇数映射符号，4个分为偶数映射符号，例如，假设n＝2，8个序列符号分别采用A、B、C、D、E、F、G、H表示，将A、B、C、D分为奇数映射符号，E、F、G、H分为偶数映射符号。

S3023、将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据。

假设，编码后序列为00010110……，那么，编码序列可以分为00、01、01、10、……，等若干序列组，每一序列组中包括2个比特数据。

S3024、将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号。

假设，映射关系为：奇数映射符号A/B/C/D代表数据00/01/10/11，偶数映射符号E/F/G/H代表数据00/01/10/11，那么排序为1的编码序列组为00，1为奇数，00编码序列组对应的奇数映射符号为A，因此00编码序列组映射为符号A；排序为2的编码序列组为01,2为偶数，01编码序列组对应的偶数映射符号为F，因此00编码序列组映射为符号F，参照图4，以此类推，将编码序列组映射完成，得到数字音频信号的数据帧，其中S代理同步符号。其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

可选的，步骤S302在S3024之后还可以包括步骤S3025和S3026。

S3025、复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

其中，为了保障在2个符号切换时的能量不向其他频率泄露(减少杂音)，故需要复制部分原信号延拓作为过渡区域。为了提高在同步捕捉的成功率以及减少多径干扰造成的信号失真，还可以在前过渡区域与原信号之间复制原信号尾部的一部分信号作为保护间隔。具体参考图5。

S3026、对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

假设，2048个采样点为一个符号的样值序列长度，保护间隔与过度区域的长度为样值的1/8，将2048点序列的数字音频信号的头部的256个样本复制到尾部并加余弦窗为后过渡区域，尾部的512个样本复制到头部并在头部的前256个样本加余弦窗作为前过度区域后256个样本作为保护间隔，前一个符号的后过渡区域与后一个符号的前过渡区域叠加，具体参考图6。

S303、根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择。

在发射端AD转换之前考虑到发射设备特性以及使用要求可以对发射的信号进行信道频段选择，即对于某些频率的信道进行静默只在特定频率的信道发送信号。信道频段选择主要是考虑到：①发射装置的发射功率是有限的，划分的信道频段越多平均到每个信道的功率就越小，需要集中功率到干扰小的信道；②传输调制后的数据音频信号时的带宽是有限的，频段数量越少需要的带宽也越小。所以发射端优先考虑人耳无法察觉的频段(16khz以上)，其次考虑干扰少的频段。

S304、通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输。

S305、接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号。

S306、通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据。

具体的，步骤S306包括步骤：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据。。

其中，相关性计算函数的计算公式为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

其中，由于传输过程损失、发声设备衰减和环境噪音的干扰，某些频率上的信号难以识别，在实际解调过程中，需要对信道进行选择。具体原理为：将0-24kHz划分为多个信道，计算相关性时，分别对各个信道频段范围内的频率进行相关性计算(将其他信道的FFT的结果置零)，被干扰的信道频段的相关峰相较于其他信道来说较不明显，可以剔除强干扰信道频段数据。

S307、通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列。

S3071、对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号。

其中，当接收到的信号与样本相似时，相关性函数的图像如图8所示，其中相关峰的位置为检测窗口偏移原点的距离。当接收到的信号与样本无关时，相关性函数的图像如图9所示，因此通过对于相关性函数的相关峰识别即可判断当前接收到的信号有无当前符号样本的内容。

当相关性函数的图像中没有识别出明显的相关峰时，则当前窗口没有或少量包含了同步符号的样值序列，或者当前信号干扰过强，则需要向后滑动一定的距离再次进行同步捕捉；当相关性函数的图像中识别出明显的相关峰时，即当前的检测窗口包含了同步符号的样值序列，帧同步成功，那么即可根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据此偏移量调整检测窗口位置进行符号同步。

S3072、按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调。

其中，所述奇/偶数映射符号的获取通过以下步骤得到：从预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

S308、采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

具体的，步骤S308具体包括：

S3081、采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

S3082、采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到原始数据信号。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明在通讯过程中，通过相关峰的位置实现符号同步；通过插入同步符号的方式实现数据帧同步。通过计算信号相关性，并有选择的对强干扰频段进行剔除的方式。本发明可以实现在被背景噪声淹没的微弱信号环境下的通讯。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统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，装置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。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1.一种基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，包括：

采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列；

采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号；

根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择；

通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输。

2.如权利要求1所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列，具体包括：

采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列；

采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列。

3.如权利要求1所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号，具体包括：

从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号；

从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……；

将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据；

将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号；

其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

4.如权利要求3所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，在所述将所述编码后序列映射为若干数字音频符号，之后还包括：

复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

5.如权利要求4所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，在所述完成所述数字音频符号的符号扩展，之后还包括：

对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

6.一种基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，包括：

接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号；

通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据；

通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列；

采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

7.如权利要求6所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据，具体包括：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据；其中，相关性计算函数为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

8.如权利要求6所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列，具体包括：

对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号；

按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调；

其中，所述奇/偶数映射符号的获取通过以下步骤得到：从预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……。

9.如权利要求6所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号，具体包括：

采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到原始数据信号。

10.一种基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，包括：

采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列；

采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号；

根据发射设备特性和频段之间的干扰性，对信道频段进行选择；

通过数模转换器将所述数字音频信号转换为模拟音频信号，并按照选择的信道频段发送至信道进行传输；

接收信道上传输的模拟音频信号，并通过模数转换器转换为数字音频信号；

通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据；

通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列；

采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号。

11.如权利要求10所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述采用CRC编码方式和BCH编码方式对原始数据信号进行信道编码，得到编码后序列，具体包括：

采用CRC编码方式对原始数据信号进行编码，得到CRC编码序列；

采用BCH编码方式对所述CRC编码序列进行编码，得到编码后序列；

所述采用BCH解码方式和CRC解码方式对所述数字序列进行信道译码，得到原始数据信号，具体包括：

采用BCH解码方式对所述数字序列进行解码；

采用CRC编码方式对BCH解码后的信号进行解码，得到数据音频信号。

12.如权利要求10所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述采用预设音频序列符号组通过符号映射方式对所述编码后序列进行调制，得到数字音频信号，具体包括：

从预设音频序列符号组中选择一个序列符号作为数字音频信号的数据帧的同步符号；

从所述预设音频序列符号组中选择2ⁿ⁺¹个序列符号，并将所述2ⁿ⁺¹个序列符号分类为奇数映射符号和偶数映射符号，其中，奇数映射符号和偶数映射符号的个数相同，n＝1,2,3……；

将所述编码后序列分为若干编码序列组，每一所述编码序列组包括n比特数据；

将排序为奇数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述奇数映射符号中的一个序列符号，将排序为偶数的编码序列组按照预设映射关系映射为所述偶数映射符号中的一个序列符号，从而将所述编码后序列映射为若干数字音频符号；

其中，所述同步符号和所述若干数字音频符号组成数字音频信号的一个数据帧。

13.如权利要求12所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，在所述将所述编码后序列映射为若干数字音频符号，之后还包括：

复制所述数字音频符号的部分数据序列到所述数字音频符号的前端和后端，形成前过渡区和后过渡区，完成对所述数字音频符号的符号扩展；

其中，前过渡区的渐变窗函数为：后过渡区的渐变窗函数为：且数字音频信号的前一个数据帧的后过渡区与后一个数据帧的前过渡区相叠加。

14.如权利要求13所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，在所述完成所述数字音频符号的符号扩展，之后还包括：

对于符号扩展后的数字音频符号，复制尾部部分数据序列并插入到当前数字音频符号的前过渡区和头部之间作为保护间隔，对数字音频数据帧进行进一步的符号扩展。

15.如权利要求10所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述通过计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，从所述数字音频信号中剔除强干扰信道频段数据，具体包括：

将信道划分为若干信道频段，分别计算频率在各个信道频段范围内的数字音频信号与原始样本信号之间的相关性，将相关峰不明显的信道频段判定为强干扰信道频段，从数字音频信号剔除强干扰信道频段数据；

其中，相关性计算函数为：r_xy＝IFFT{FFT{x(k)}*FFT{y(k)}'}，式中，x(k)为数字音频信号，y(k)为原始样本信号，'表示共轭，FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示反向快速傅立叶变换。

16.如权利要求12所述的基于声波信道的数据通信方法，其特征在于，所述通过计算同步符号样本与已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号的相关性捕捉同步符号，并进行符号逆映射，从而完成信号解调，得到数字序列，具体包括：

对于已剔除强干扰信道频段数据的数字音频信号，不断的计算检测窗口中的数据和同步符号样本的相关性；当没有识别出明显的相关峰时，向后滑动一定的距离再次进行同步符号捕捉；当识别出明显的相关峰时，判断为帧同步成功，并根据相关峰的位置计算出检测窗口偏移原点的距离，根据所述检测窗口偏移原点的距离调整检测窗口位置，捕捉同步符号；

按照奇偶顺序，依次将奇/偶数映射符号的样本序列与所述数字音频信号中同步符号之后的数字符号进行相关性计算，最相似的奇/偶数映射符号即为当前符号内容，并根据预设映射关系将当前符号内容映射为数字序列，从而完成解调。