CN105187132A - 一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法，包括信号发送和信号接收。该方法包括步骤：生成一个Chirp序列集合，其中Chirp序列集合由Chirp信号构造而成；对需要发送的数字信息经过M元并行组合扩频调制单元生成调制信号，在调制信号前插入同步信号和时间保护间隔以形成发射信号；对接收信号进行时间同步，获取声信号的起始时间，对数据信号部分通过M元并行组合Chirp扩频解调单元恢复出原始的数字信息。本发明所述通信方法能够有效提高传统的Chirp扩频的频带利用率，抵消空气声信道中的多径效应和多普勒效应，且具有计算复杂度低、处理增益大和抗多普勒效应能力强的特点，便于在带有音频收/发设备的智能终端上应用。

Description

一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及利用空气声波作为信道进行通信的方法，更具体地说，涉及一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法。

背景技术

智能终端技术的快速发展令手机已然成为信息传递的重要工具，利用智能终端的麦克风和扬声器在空气中可以进行方便快捷的通信，因此，在移动支付、消息推送等方面都能得到广泛的应用。

在空气中利用声波通信的技术主要有三种，一种是Naratte公司研发出一种名为Zoosh的新技术，能在任何有麦克风和扬声器的移动设备上实现NFC(近场无线通信)操作。同以往必须依赖NFC专业芯片不同，Zoosh技术是利用超声波技术进行的安全电子通信。该技术可被添加到任意应用程序或者拥有简单软件更新系统的移动设备中，大大降低了用户在完成NFC相关任务如手机支付或安全数据转移的难度。另一种是Mo蝙蝠技术(简称为Mobat)，这是一项利用声波或超声波实现近距离无接触式数据通讯的技术。Mo蝙蝠是一种非接触式数据传输技术，可以在智能移动终端、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无接触式数据通信。还有一种是“迅音”超声波NFC技术(简称“迅音”)，其能够让具有喇叭、麦克风的终端设备通过声波进行数据通讯。这些通信技术都试图解决空气中的声波通信问题，比如Zoosh主要解决15cm距离以内的近距离声波通信，Mo蝙蝠技术和“迅音”技术主要解决10cm距离以内的声波通信。当空气中声波信号的收发距离在几米或以上的距离时，空气声信道会由于声波的反射和环境散射产生复杂的多径效应，另外，在空气声信道中，由于收发相对运动造成的多普勒效应严重，如图1和图2所示，根据实际测量的情况，在室内环境下收发距离为4m和10m时，多径信道的时间延迟会达到上百毫秒，而且有时信道结构极为复杂，会造成接收端出现严重的码间干扰，目前，尚无应对上述复杂信道的有效通信方法的公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述背景技术的问题，提出一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法。

本发明M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法，包括信号发送和信号接收两部分。

信号发送处理：

首先生成一个Chirp序列集合，其中Chirp序列集合由Chirp信号构造而成，所述Chirp信号包括但不限于线性调频、双曲调频等调频信号。所述Chirp序列集合的构造方法为：

找到一个二元序列集合(集合中各序列元素为0或1，各序列长度可以不一样)。将序列集合中的每个序列中的“1”(“0”)映射为上调Chirp信号(UpChirp)，每个序列中的“0”(“1”)映射为下调Chirp信号(DownChirp)。对于长度非1的二元序列对应的Chirp序列，每个“0”或“1”对应的Chirp信号的时间长度为符号时间除以二元序列元素个数。通过以上方法得到该二元序列集合和对应的Chirp序列集合。

然后，对需要发送的数字信息经过M元并行组合扩频调制单元生成调制信号，在调制信号前插入同步信号和时间保护间隔以形成发射信号。

信号接收处理：

首先对接收信号进行时间同步，获取声信号的起始时间，对数据信号部分通过M元并行组合Chirp扩频解调单元恢复出原始的数字信息，完成整个通信过程。

所述上调Chirp信号是指Chirp信号的频率或周期随着时间而增大；

所述下调Chirp信号是指Chirp信号的频率或周期随着时间而降低；

所述同步信号可以是任意一种具有时间分辨能力的信号序列，包括但不限于线性调频、双曲调频以及相移键控(PSK)调制的伪随机序列等，同步信号具有较长的持续时间和带宽，确保接收端能够有效的捕获信号并进行时间和频率的同步；

所述时间保护间隔周期需要参考信道最大时延进行设定，原则上应该不小于信道的最大时延；

本发明所使用的声波的频率可以是20kHz以下的音频范围，也可以是20kHz以上的超声波范围。

本发明所述通信方法能够有效提高传统的Chirp扩频的频带利用率，抵消空气声信道中的多径效应和多普勒效应，且具有计算复杂度低、处理增益大和抗多普勒效应能力强的特点，便于在带有音频收/发设备的智能终端上应用。

附图说明

图1为实际测量的室内环境下收发距离在4m时的空气声信道结构；

图2为实际测量的室内环境下收发距离在10m时的空气声信道结构；

图3为本发明所述通信方法的信号发射处理流程图；

图4为本发明所述通信方法的信号接收处理流程图；

图5为本发明所采用的信号格式；

图6为采用相干方式的M元并行组合Chirp扩频解调流程图；

图7为采用非相干方式的M元并行组合Chirp扩频解调流程图。

具体实施方式

下面结合附图具体对本发明进行详细说明。

图1和图2分别是实际测量的室内环境下收发距离在4m(近距离)和10m(远距离)时的空气声信道结构，通过图1和图2，可以看出：

(1)信道多径结构非常复杂，出现了非最小相位信道(即信道多径能量分布不是按照时间顺序递减)，采用通常的应付多径信道的均衡处理方法是难以对抗这种多径信道的，性能很差。

(2)多径时间扩展达到了30-50ms。由于空气声信道带宽通常为kHz量级，因此多径扩展与通信数据符号时间之比达到了几十到一百的量级，若采用通常的均衡处理方法实现复杂度大，运算很不稳定。

本发明的方法可以较好地对抗具有以上两个特点声信道的信道带来的信号畸变，获得较好的通信效果。

本发明所述通信方法的核心思想在于，通过构造由Chirp序列集合组成的准正交信号集合，采用组合扩频的方式进行扩频数据调制，并对信号格式作出相应的设计，以提高Chirp扩频的频带利用率，抵消空气声信道中的多径效应和多普勒效应，且具有计算复杂度低、处理增益大和抗多普勒效应能力强的特点。

本发明所述通信方法，包括信号发送和信号接收两部分处理过程。图3给出的所述通信方法的信号发射处理流程。

参见图3，在信号发送端：首先，根据不等长二元序列的集合，例如，{(0)，(1)，(1，0)，(0，1)}构造Chirp序列集合。Chirp信号采用线性调频，序列中“0”映射为上调Chirp信号(UpChirp)、“1”映射为Chirp下调Chirp信号(DownChirp)。带宽为18～20kHz，符号周期为10ms。按照以上方法构造的4元Chirp序列集合是一个准正交信号集合，分别为上调序列(UpChirp)、下调序列(DownChirp)、下上序列((Down-upChirp)和上下序列(Up-downChirp)，具有较好的互相关性和良好的自相关性，适合于作扩频调制。

其次，对需要发送的数字信息经过M元并行组合扩频调制单元生成调制信号，具体做法是：将4个符号分别映射为比特：00、01、10、11。把需要发送的数字信息经过串并转换，依次根据串并转换后的数据比特选择对应的4个Chirp序列中的1个。在发射信号的格式安排上，参照图5，先在数据信号头部添加持续时间为100ms、带宽18～20kHz的双曲调频作为同步信号，并加上时间保护间隔，所述同步信号可以是任意一种具有时间分辨能力的信号序列，包括但不限于线性调频、双曲调频以及相移键控(PSK)调制的伪随机序列等，同步信号具有较长的符号周期和带宽，确保接收端能够有效的捕捉数据并进行时间同步；所述时间保护间隔周期的设定需要参考信道最大时延，原则上应该不小于信道的最大时延，本实施例将时间保护间隔设定为100ms，由此形成完整的发射信号。

图4为本发明所述通信方法的信号接收处理流程，在信号接收端，先进行时间同步，将接收信号与同步信号进行相关，提取峰值位置时间作为同步信号的起始时间，然后，对数据信号部分通过M元并行组合Chirp扩频解调单元恢复出原始的数字信息并输出数字信息，从而完成整个通信过程。

图6为采用相干方式的M元并行组合Chirp扩频相干解调流程图，即对数据信号部分通过M元并行组合Chirp扩频解调单元恢复出原始的数字信息的过程。具体的做法是：依次对每个符号周期内的接收信号分别与原始发射的4个线性Chirp序列进行相应匹配滤波，接收信号分别通过上调序列、下调序列、上下序列和下上序列这四种匹配滤波器后，便进行各个匹配滤波器输出信号抽样值大小的比较，将其中最大的一个对应的数据信息作为判决输出，并恢复出原始发射信号。

图7为采用非相干方式的M元并行组合Chirp扩频解调流程图。做法与图6的流程类似，具体的做法是：依次对每个符号周期内的接收信号分别与原始发射的4个线性Chirp序列进行相应匹配滤波，分别通过上调序列、下调序列、上下序列和下上序列这四种匹配滤波器后，先提取各个匹配滤波器输出信号的包络，再比较包络数据抽样值的大小，将其中最大的一个对应的数据信息作为判决输出，并恢复出原始发射信号。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的改变、修改和变形或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种M元并行组合Chirp扩频的空气声波通信方法，包括信号发送和信号接收，其特征在于：

生成一个Chirp序列集合，其中Chirp序列集合由Chirp信号构造而成；

对需要发送的数字信息经过M元并行组合扩频调制单元生成调制信号，在调制信号前插入同步信号和时间保护间隔以形成发射信号；

对接收信号进行时间同步，获取声信号的起始时间，对数据信号部分通过M元并行组合Chirp扩频解调单元恢复出原始的数字信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述Chirp序列集合的生成过程包括：

构造一个二元序列集合,其中该二元序列集合中各序列元素为0或1；

将该二元序列集合中的每个序列中的“1”(或“0”)映射为上调Chirp信号，每个序列中的“0”(或“1”)映射为下调Chirp信号；

对于长度非1的二元序列对应的Chirp序列，每个“0”或“1”对应的Chirp信号的时间长度为符号时间除以二元序列元素个数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中数字信息经过M元并行组合扩频调制单元生成调制信号包括：

将Chirp序列集合中的Chirp序列分别映射为数字比特；

将需要发送的数字信息经过串并转换；

依次根据串并转换后的数字比特按照并行组合扩频调制映射规则选择对应的Chirp序列集合中的一个或多个Chirp序列作为发射信号。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述Chirp信号包括线性调频和双曲调频信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述同步信号是任意一种具有时间分辨能力的信号序列，包括线性调频、双曲调频以及相移键控(PSK)调制的伪随机序列。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述时间保护间隔周期不小于信道的最大时延。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述M元并行组合Chirp扩频解调单元采用相干方式进行解调。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述M元并行组合Chirp扩频解调单元采用非相干方式进行解调。