CN105049128A - 一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，将发送端滤波器组发送各路子载波的方法简化为相乘的IFFT和PPN矩阵；然后提取一段原始音频信号的功率谱包络信息，将原始音频信号的功率谱和经过IFFT后的各路子载波的频谱进行相乘从而对各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号并将该声波信号向接收端滤波器组进行发射；接收端滤波器组接收到声波信号后进行解调，获得原始数据。本发明提供的方法能够掩盖FBMC声波通信系统通信过程中产生的噪声。

Description

一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法。

背景技术

近年来，无线通信技术飞速发展，滤波器组多载波(FBMC，FilterBankMulti-carrier)由于其相对OFDM技术有更高频率利用率，在感知无线电和多接入通信系统中得到广泛研究和应用。

在FBMC声波通信系统中，由于原始数据经过发送端编码调制以后，通过麦克风产生的是一定频率范围内的声波，在人耳听到的是让人难以接受的噪声，容易对周围环境和用户体验造成不良影响。因此，如何掩盖这种噪声成为必须要解决的问题。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，用以掩盖FBMC声波通信系统通信过程中产生的噪声。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，将发送端滤波器组发送各路子载波的方法简化为相乘的IFFT和PPN矩阵；然后提取一段原始音频信号的功率谱包络信息，将原始音频信号的功率谱和经过IFFT后的各路子载波的频谱进行相乘从而对各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号并将该声波信号向接收端滤波器组进行发射；接收端滤波器组接收到声波信号后进行解调，获得原始数据。

上述方案中，本发明提供的方法通过对多载波声波通信的各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号，该声波信号能够掩盖FBMC声波通信系统通信过程中产生的噪声。

优选地，将发送端滤波器组简化为相乘的IFFT和PPN矩阵的具体过程如下：

发送端滤波器组包含的滤波器的频率响应H(f)表示为：其中Z＝e^i2πf，h_i表示脉冲响应系数，L表示脉冲响应系数h_i的长度；根据扩展FFT方法，滤波器频率响应的Z变换H(Z)表示如下：

$H\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_p\left(Z^M\right)Z^{-p}$

令滤波器的脉冲响应系数h_i的长度为两个因子的乘积即L＝kM，则Z变换表示为：

$H_p\left(Z^M\right)=\underset{K=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{kM}+p}{Z}^{-\mathrm{kM}}$

H_p(Z^M)包含了频率响应的相位偏移，设发送端滤波器组第一个滤波器频率响应为B₀(f)，那么发送端滤波器组第k个滤波器的频率响应由B₀(f)经过k/M个单位频偏得到，如下所示：

$B_k\left(f\right)=H(f-\frac{k}{M})=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{-j2\mathrm{\πi}(f-k/M)}$

相对应的Z变换为：

$B_k\left(Z\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{i2\mathrm{\πik}/M}{Z}^{-i}$

用多相结构表示： $B_k\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{kp}}{Z}^{-p}{H}_p\left(Z^M\right)$

令W＝e^-j2π/M，得到如下所示的各路子载波的频谱矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{B}_0\left(Z\right)\\ B_1\left(Z\right)\\ .\\ .\\ .\\ B_{M-1}\left(Z\right)\end{array}\right]$ 为各路子载波的频谱矩阵，为IFFT， $\left[\begin{array}{c}{H}_0\left(Z^M\right)\\ Z^{-1}{H}_1\left(Z^M\right)\\ .\\ .\\ .\\ Z^{-(M-1)}{H}_{M-1}\left(Z^M\right)\end{array}\right]$ 为多相结构PPN矩阵。

优选地，对音频信号进行线性预测分析从而提取原始音频信号的功率谱，线性预测分析过程为：计算原始音频信号的自相关函数，然后结合计算的自相关函数使用列文森-杜宾算法求得原始音频信号的AR系数a＝[a(1)，……，a(Na)]和增益常数σ²，即可通过下式获取原始音频信号的功率谱：

$E\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)\right|}^2}$

$A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\underset{v=0}{\overset{\mathrm{Na}}{\mathrm{\Σ}}}a\left(v\right)e^{-\mathrm{jv\Ω}}$

其中，E(e^jΩ)表示原始音频信号的功率谱，A(e^jΩ)表示AR系数a的频谱，Na为线性预测分析的阶数。

优选地，提取获得一段原始音频信号的功率谱后，使用低通滤波器去除原始音频信号功率谱中的低频部分，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与去除低频部分的原始音频信号功率谱相加。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的方法通过对多载波声波通信的各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号，该声波信号能够掩盖FBMC声波通信系统通信过程中产生的噪声。

附图说明

图1为IFFT-PPN方法的实施过程示意图。

图2为OQAM调制的示意图。

图3为多载波声波通信方法的实施过程示意图。

图4为子载波功率控制的示意图。

图5为提取音频信号功率谱的原理示意图。

图6为子载波功率控制方法的原理示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明提供的多载波声波通信的方法具体如下：

将发送端滤波器组发送各路子载波的方法简化为相乘的IFFT和PPN矩阵；然后提取一段原始音频信号的功率谱包络信息，将原始音频信号的功率谱和经过IFFT后的各路子载波的频谱进行相乘从而对各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号并将该声波信号向接收端滤波器组进行发射；接收端滤波器组接收到声波信号后进行解调，获得原始数据。

本实施例中，通过以下操作将发送端滤波器组简化为相乘的IFFT和PPN矩阵：

在时域上，原型滤波器可以定义为脉冲响应系数h_i和输入输出序列的关系，如下式所示：

$y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i}x(n-i)$

其中L为脉冲响应系数的长度，采样频率假设为归一化，频率响应可以表示为：

$H\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{-j2\mathrm{\πif}}$

数字处理中，特别是数字滤波器一般使用Z变换来表示频率响应，令Z＝e^i2πf，那么上式可表示为：

$H\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{Z}^{-i}$

根据扩展FFT方法，滤波器频率响应的Z变换H(Z)表示如下：

$H\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_p\left(Z^M\right)Z^{-p}$

令滤波器的脉冲响应系数h_i的长度为两个因子的乘积即L＝kM，则Z变换表示为：

$H_p\left(Z^M\right)=\underset{K=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{kM}+p}{Z}^{-\mathrm{kM}}$

H_p(Z^M)包含了频率响应的相位偏移，设发送端滤波器组第一个滤波器频率响应为B₀(f)，那么发送端滤波器组第k个滤波器的频率响应由B₀(f)经过k/M个单位频偏得到，如下所示：

$B_k\left(f\right)=H(f-\frac{k}{M})=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{-j2\mathrm{\πi}(f-k/M)}$

相对应的Z变换为：

$B_k\left(Z\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{i2\mathrm{\πik}/M}{Z}^{-i}$

用多相结构表示： $B_k\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{kp}}{Z}^{-p}{H}_p\left(Z^M\right)$

令W＝e^-j2π/M，得到如下所示的各路子载波的频谱矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{B}_0\left(Z\right)\\ B_1\left(Z\right)\\ .\\ .\\ .\\ B_{M-1}\left(Z\right)\end{array}\right]$ 为各路子载波的频谱矩阵，为IFFT，可以由IFFT实现， $\left[\begin{array}{c}{H}_0\left(Z^M\right)\\ Z^{-1}{H}_1\left(Z^M\right)\\ .\\ .\\ .\\ Z^{-(M-1)}{H}_{M-1}\left(Z^M\right)\end{array}\right]$ 为多相结构PPN矩阵，这是滤波器组中所有滤波器的共有部分。

步骤S2中，对音频信号进行线性预测分析从而提取音频信号的功率谱，具体过程如图5所示，其中线形较细的曲线代表音频信号的功率谱曲线，线形较粗的曲线代表音频信号的包络曲线，线性预测分析过程为：计算原始音频信号的自相关函数，然后结合计算的自相关函数使用列文森-杜宾算法求得原始音频信号的AR系数a＝[a(1)，……，a(Na)]和增益常数σ²，即可通过下式获取原始音频信号的功率谱：

$E\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)\right|}^2}$

$A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\underset{v=0}{\overset{\mathrm{Na}}{\mathrm{\Σ}}}a\left(v\right)e^{-\mathrm{jv\Ω}}$

其中，E(e^jΩ)表示原始音频信号的功率谱，A(e^jΩ)表示AR系数a的频谱，Na为线性预测分析的阶数。

在具体实施的时候，如图3所示，在发送端，数据经过RS编码交织之后，再通过OQAM调制然后进行串并转换，接着通过IFFT与原始音频信号的功率谱相乘，然后经过多相网络PPN；串并转换后，乘以一个中心频率为12.5KHz的载波将数据频率范围限制在10-15KHz之间，再与原始音频信号的功率谱相加，通过扬声器发出一段接近原始音频信号功率谱的声波。在接收端，麦克风接收到声波信号后，经过带通滤波器得到数据频段的信号，然后乘以一个12.5KHz的载波进行相干解调，串并转换后，经过PPN-FFT结构，再通过并串转换，OQAM解调，RS译码恢复原始数据。

图1为IFFT-PPN方法示意图，根据上面公式推导可知发送端滤波器组可以简化为一个IFFT和PPN，比直接设计原型滤波器组的复杂度低很多。图2为OQAM调制示意图，在QAM调制信号中，虚部被延迟半个符号周期被传送。用以实现全速率通信，避免了只能用相隔子载波进行传输。

图4为子载波功率控制原理图，普通多载波信号的频谱是均匀的脉冲，提取获得一段原始音频信号的功率谱后，使用低通滤波器去除原始音频信号功率谱中的高频部分，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与去除高频部分的原始音频信号功率谱相加。

图6为整个子载波功率控制方法原理图，原始音频的功率谱与原始信号相乘。需要注意的是，原始音频信号中有一部分可能为零，在与各路子载波的频谱相乘的时候会把各路子载波的频谱变为零，因此需要设定一个最低阈值，避免音频信号的功率谱为零，从而降低信号的误码率。这样就得到了一个接近音频信号的高频功率谱，在进入扬声器之前同低频部分相加，得到一个和原始音频近似的信号，从而掩盖噪音影响。

本发明提供的方法通过对多载波声波通信的各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号，该声波信号能够掩盖FBMC声波通信系统通信过程中产生的噪声。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，其特征在于：将发送端滤波器组发送各路子载波的方法简化为相乘的IFFT和PPN矩阵；然后提取一段原始音频信号的功率谱包络信息，将原始音频信号的功率谱和经过IFFT后的各路子载波的频谱进行相乘从而对各路子载波的频谱功率进行修改，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与原始音频信号的功率谱相加，得到一段接近原始音频信号功率谱的声波信号并将该声波信号向接收端滤波器组进行发射；接收端滤波器组接收到声波信号后进行解调，获得原始数据。

2.根据权利要求1所述的音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，其特征在于：将发送端滤波器组简化为相乘的IFFT和PPN矩阵的具体过程如下：

发送端滤波器组包含的滤波器的频率响应H(f)表示为：其中Z＝e^i2πf，h_i表示脉冲响应系数，L表示脉冲响应系数h_i的长度；根据扩展FFT方法，滤波器频率响应的Z变换H(Z)表示如下：

$H\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_p\left(Z^M\right)Z^{-p}$

令滤波器的脉冲响应系数h_i的长度为两个因子的乘积即L＝kM，则Z变换表示为：

$H_p\left(Z^M\right)=\underset{K=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{kM}+p}{Z}^{-\mathrm{kM}}$

H_p(Z^M)包含了频率响应的相位偏移，设发送端滤波器组第一个滤波器频率响应为B₀(f)，那么发送端滤波器组第k个滤波器的频率响应由B₀(f)经过k/M个单位频偏得到，如下所示：

$B_k\left(f\right)=H(f-\frac{k}{M})=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{-j2\mathrm{\πi}(f-k/M)}$

相对应的Z变换为：

$B_k\left(Z\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{e}^{i2\mathrm{\πik}/M}{Z}^{-i}$

用多相结构表示： $B_k\left(Z\right)=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{h\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{kp}}{Z}^{-p}{H}_p\left(Z^M\right)$

令W＝e^-j2π/M，得到如下所示的各路子载波的频谱矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{B}_0\left(Z\right)\\ B_1\left(Z\right)\\ .\\ .\\ .\\ B_{M-1}\left(Z\right)\end{array}\right]$ 为各路子载波的频谱矩阵，为IFFT， $\left[\begin{array}{c}{H}_0\left(Z^M\right)\\ Z^{-1}{H}_1\left(Z^M\right)\\ .\\ .\\ .\\ Z^{-(M-1)}{H}_{M-1}\left(Z^M\right)\end{array}\right]$ 为多相结构PPN矩阵。

3.根据权利要求1所述的音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，其特征在于：对音频信号进行线性预测分析从而提取原始音频信号的功率谱，线性预测分析过程为：计算原始音频信号的自相关函数，然后结合计算的自相关函数使用列文森-杜宾算法求得原始音频信号的AR系数a＝[a(1)，……，a(Na)]和增益常数σ²，即可通过下式获取原始音频信号的功率谱：

$E\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)\right|}^2}$

$A\left(e^{\mathrm{j\Ω}}\right)=\underset{v=0}{\overset{\mathrm{Na}}{\mathrm{\Σ}}}a\left(v\right)e^{-\mathrm{jv\Ω}}$

其中，E(e^jΩ)表示原始音频信号的功率谱，A(e^jΩ)表示AR系数a的频谱，Na为线性预测分析的阶数。

4.根据权利要求1所述的音频播放中嵌入多载波声波通信的方法，其特征在于：提取获得一段原始音频信号的功率谱后，使用低通滤波器去除原始音频信号功率谱中的高频部分，修改后的各路子载波的频谱与PPN矩阵相乘后再与去除高频部分的原始音频信号功率谱相加。