CN106375023B - 一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统 - Google Patents

一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于通信领域，提供了一种基于多进制chirp‑rate键控调制的声波通信方法，包括信号发送及信号接收，所述方法包括：对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp‑rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。本发明实施例中，使用多进制chirp‑rate键控调制来调制信号，信息传输速率高，对接收的信号进行帧同步和/或码元同步，一定程度上提高了信号同步的精度，也进一步提高接收信号的效率。

Description

一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统
技术领域
本发明实施例属于通信领域，尤其涉及一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统。
背景技术
随着物联网和智能设备的发展，设备间的互联需求日渐增长。用于构建移动设备间无线通信系统的技术方案有很多，比如蓝牙、WiFi，但它们基本上都是利用电磁波作为通信载体，而近些年来应用越来越广的声波通信技术在一些领域却更有优势，比如安防领域、海洋通信和室内通信。
声波通信技术是近年发展起来的一门新兴技术，与传统的无线电通信技术相比，由于空气中声波通信不占用无线信道带宽、不受电磁干扰，因此有较好的应用前景。可以应用于带音频设备的移动设备间数据交互、带音频设备的移动设备接收承载于音频信号中的数字信号等方面。
现有技术中出现的一种智能摄像机“小水滴”的声波联网技术，其应用声波通信技术，该声波联网技术的声音较为悦耳，但存在着成功率较低的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统，旨在解决现有的误码率较高，传输速率较低的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法，包括信号发送及信号接收，所述方法包括：
对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。
优选地，所述对需要发送的数字信号进行信道编码及进行chirp调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号，具体包括：
在所述需要发送的数字信号上插入预设字段，形成插入数字序列，所述预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符；
对所述插入数字序列进行信道编码；
对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制，生成已调信号；
在所述已调信号前添加同步头；
将添加同步头的已调信号转换为发射信号发射出去。
优选地，所述预设字段还包括分隔字符及加密信息字符，所述在所述需要发送的数字信号上插入预设字段具体为：
在所述需要发送的数字信号的前、中、后分别插入所述长度信息字符、分隔字符、加密信息字符。
优选地，所述对所述插入数字序列进行信道编码之后、对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制之前还包括：
在编码后的数字信号前添加检验字段。
优选地，所述多进制chirp-rate键控调制为16-chirp调制。
优选地，所述对所接收的信号进行信号同步处理具体包括：
对所接收的信号进行帧同步处理；
对帧同步处理后的信号进行码元同步处理。
优选地，所述对所接收的信号进行帧同步处理具体为：
采用滑动窗搜索法获取同步头位置；
校正所获取的同步头位置。
优选地，所述同步头包括帧同步头及码元同步头，所述采用滑动窗搜索法获取同步头位置，具体为：
以一个窗口的长度为帧同步长度，每滑动一个窗口的距离，对该窗口对应的数字信号进行傅里叶变换运算，获得对应的频谱幅值；
判断所述频谱幅值是否大于预设阈值；
当判断为是时，确认当前窗口为帧同步头所在位置；
当判断为否，继续滑动，继续执行获得对应的频谱幅值的步骤。
优选地，所述对帧同步处理后的信号进行码元同步处理具体包括：
将所接收的信号与标准chirp信号做互相关运算，获得所述接收的已调信号偏离所述标准chirp信号的距离；
将所获得的偏离距离对所接收的信号进行同步处理，获得同步处理信号。
本发明实施例的另一目的在于提供一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统，包括信号发送装置、信号接收装置，其中:
信号发送装置，用于对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
信号接收装置，用于对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。
在本发明实施例中，使用多进制chirp调制来调制信号，信息传输速率高，减小了系统误码率。
此外，对接收的信号进行帧同步及码元同步处理，保证同步精度的同时减小了运算量，使得在性能较差的嵌入式硬件平台上亦能进行音频信号的实时处理。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的流程图；
图2a为本发明提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的chirp信号的时间频率曲线图；
图2b为本发明提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的chirp信号的数字信号映射关系图；
图3是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S1的具体流程图；
图4是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的同步头结构图；
图5是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S2的具体流程图；
图6是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S22的具体流程图；
图7是本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的信号解调流程图；
图8是本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的结构图；
图9是本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的信号发送装置1的具体结构图；
图10是本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的信号接收装置2的具体结构图；
图11是本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的同步模块22的具体结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
图1示出了本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的流程图，详述如下：
步骤S1，对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
具体地，将需要发送的数字信号(具体可为视频信号、音频信号等，优选为音频信号)，例如用户选择的SSID(如W)及password(如1)等原始数据进行调制形成已调信号，并在已调信号前部插入同步头以形成发射信号，优选地，所述同步头包括帧同步头及码元同步头；
步骤S2，对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号。
具体地，对所接收的信号进行同步处理，获得同步处理信号，并对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，其中，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。
本实施例中，接收到数字信号时，对该数字信号进行帧同步和/或码元同步处理，可一定程度上提高同步准确度，进而提高数据解调的准确率。
在本实施例的一个优选方案中，上述步骤S1前还可包括：
步骤S0，生成一chirp载波信号集合，所述chirp载波信号集合包括chirp信号；
其中，chirp信号优选包括18种chirp信号，具体包括：一个线性up-chirp，一个线性down-chirp，和16个中间调频率突变的chirp信号，如图2a及2b所示，为本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的时间频率曲线图及数字信号映射关系图，其中呈现了16-chirp信号及chirp BOK(包括up-chirp及down-chirp)信号的映射关系。
需要说明的是，上述步骤S0不局限于在步骤S1之前，还可与步骤S1或与步骤S2同步，此处对此不作限制。
在本实施例的一个优选方案中，如图3所示，为本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S1的具体流程图；上述步骤S1具体包括：
步骤S11，在需要发送的数字信号上插入预设字段，形成插入数字序列，所述预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符；
具体地，该预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符(len),还可包括分隔字符(0x0d)及加密信息字符(mode)，其中，所述长度信息字符用于在接收端通知进程共接收多长的音频信号，分隔字符用于在接收端区分SSID和Password，加密信息字符为对WiFi等各种加密方式进行自定义编码得到的字符，添加上述预设字段后，形成数字序列。进一步优选地，在所述需要发送的数字信号的前、中、后分别插入所述长度信息字符、分隔字符、加密信息字符。
步骤S12，对插入数字序列进行信道编码；
具体地，对上述数据序列进行RS编码，以使系统获得一定的检错和纠错能力，其主要为在信息码元序列尾部添加了若干监督码元，以使得接收端接收到信号后可基于此进行检错和纠错。优选地，可采用关系式：k＝f(m)＝[m/80]*8,m,k∈N进行编码，其中，所述m为码元序列长度，所述k为监督码元序列长度，均以比特为单位。
步骤S13，对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制，生成已调信号；
具体地，上述chirp调制具体基于上述chirp载波信号集合进行多进制chirp-rate键控调制，即用编码后的数字信号去调制chirp信号，优选地，基于该chirp载波信号集合，选择该集合中的与该编码后的数字信号对应的chirp信号作为已调信号，并进行多进制chirp-rate键控调制，进一步优选地，该多进制chirp-rate键控调制至少包括16-chirp调制，本实施例中，优选采用16-chirp调制。此外，还可以是其他形式的chirp调制，此处对此不作限制。
步骤S14，在上述已调信号前添加同步头；
具体地，该同步头包括帧同步头及码元同步头。
步骤S15，将添加同步头的已调信号转换为发射信号发射出去。
具体地，当上述已调信号为数字音频信号时，可通过扬声器将数字音频信号转换成模拟声波信号并广播出去。
在本实施例的一个优选方案中，上述步骤S12之后、步骤S13之前还可包括：
步骤S16，在编码后的数字信号前添加检验字段。
本实施例中，在形成的数字序列前添加检验字段(如01010101，即字符0x55)，便于接收端接收到信号时，基于该检验字段识别所接收的信号是否为有用信号。
步骤S13中，具体根据不同字段采用不同的方式进行调制，例如：对检验字段和信息码元序列中的长度信息字符len，采用chirp BOK(binary orthogonal keying，二进制正交键控)调制方式，而对其他的信息码元以及监督码元序列，优选基于chirp载波信号集合进行chirp调制，例如采用16Chirp调制方式。由于chirp BOK调制的误码率在同等条件下低于16-chirp调制，而检验字段和字符len是对本系统总体误码率起着关键作用的部分，为了尽可能保证这两部分数据的正确解调，对其单独采用chirp BOK调制。至于两个同步头(帧同步头及码元同步头)，由于同步头本身的特殊性，既可以将其视作模拟信号，也可以视作是数字信号“1”经FSK(Frequency Shift Keying，频移键控)和chirp BOK调制而得的。
具体地，数字信号调制是用数字符号去调制载波信号的幅度、频率、相位等，本实施例中，是用数字符号调制chirp信号的调频率，将每一个数字符号映射为一个具有特定调频率的chirp信号(见图2a及2b)，每一条实线或半划线构成的折线表示一种chirp信号的时频特性。16-chirp调制利用了两个子信道[f1,f2]和[f3,f4]，每个子信道包含8种不同调频率的chirp信号(见图2所示)，并且每种信号在时间中点都存在着调频率突变，而chirp BOK调制占用了完整信道[f1,f4]，这有利于充分利用频谱资源，减小误码率。对于chirp BOK调制，二进制数字1映射为up-chirp信号(调频率为正且不变)，二进制数字0映射为down-chirp信号(调频率为负且不变)，在16-chirp调制中，每四个二进制比特构成一个数字符号，分别映射为16种不同的chirp信号。其中，f1:3800Hz；f2:4800Hz；f3:5200Hz；f4:6200Hz；T＝20ms。
优选地，同步头结构图如图4所示，包括帧同步头及码元同步头，其中，所述帧同步头为sin信号，优选为20ms长，频率为7000Hz的正弦信号，而码元同步头为chirp信号，码元同步头包括一段20ms长的有效码元同步头、前后两个10ms长的空白间隔(即在此段时间内不发出任何声波信号)。该有效码元同步头即为up-chirp信号，频率在3800～6200Hz之间，该空白间隔用于容忍帧同步的正负同步误差(即左偏或右偏)。
在本实施例的进一步优选方案中，如图5所示，为本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S2的具体流程图；上述步骤S2具体包括：
步骤S21，接收信号；
具体地，接收上述的已调信号，即为经过添加同步头的已调信号。
步骤S22，对所接收的已调信号进行信号同步处理，获得同步处理信号；
具体地，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理，优选地，本实施例中，所述同步处理包括帧同步处理及码元同步处理。
在本实施例的一个优选方案中，如图6所示，为本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的步骤S22的具体流程图；上述步骤S22具体包括：
步骤S221，对所接收的已调信号进行帧同步处理；
具体地，帧同步处理包括采用滑动窗搜索法获取同步头位置；以及校正所获取的同步头位置。
在本实施例的一个优选方案中，采用滑动窗搜索法获取同步头位置的具体过程如下：
以一个窗口的长度为帧同步长度，每滑动一个窗口的距离，对该窗口对应的数字信号(例如音频信号)进行傅里叶变换运算，获得对应的频谱幅值，例如可进行6000或7000Hz的傅里叶变换运算，此处对此不作限制。
判断所述频谱幅值是否大于预设阈值；
当判断为是时，确认当前窗口为同步头所在位置，获得帧同步头预定位置，转到校正步骤；
当判断为否，继续滑动，继续获得对应的频谱幅值的步骤。
具体地，滑动窗的长度等于帧同步头长度，即读取长度为20ms的音频数据，每次对滑动窗所包含的音频数据进行6000Hz频点处的傅里叶变换(DTFT)运算，将该处频谱幅值和预设阈值比较，若超过阈值，则认为帧同步头已经到达，表示当前滑动窗所在位置为帧同步头所在位置，转到校正步骤，否则滑动窗移动一个窗口长度的距离并继续上述过程，直至找到帧同步头所在位置。
优选地，所述预设阈值采用公式：F＝A+z来设置，其中，该A为固定增量值，Z为噪声叠加值，即滑动窗移动一次，如果该窗口对应的6000Hz频点处的频谱幅值判定为噪声，则将此频谱幅值叠加到噪声叠加值中，并以叠加后的值作为Z的当前值，例如：每移动一次滑动窗就能得到一个6000Hz频点处的频谱幅值，若该值未能超过阈值，则判定为噪声，并将此值加入“噪声队列”，与之前的“噪声值”一起计算出新的噪声均值并据此更新阈值，至于固定增量值，可以设为噪声值方差的若干倍或根据实测估算出一个经验值，此处对此不作限制。
进一步地，校正所获取的同步头位置的具体过程如下：
A1，将帧同步头预定位置所在窗口的起始位置标为X，对应的窗口标为窗口1；
A2，基于帧同步头预定位置所在窗口往后滑动一个窗口长度；将帧同步头预定位置所在窗口与滑动之后的窗口之间的叠加点标为Y，滑动之后的窗口标为窗口2，需要说明的是，上述窗口1及窗口2并没有特别的意义，为了便于识别，故将起始位置对应的窗口标为窗口1，而将滑动之后对应的窗口标为窗口2。
A3，分别计算窗口1及窗口2进行傅里叶变换运算，获得f(X)及f(Y)；
A4，计算Y与X的差值，并与误差要求A进行比较,其中所述误差要求A可根据实际情况而设，此处对此不作限制；
A5，判断Y-X>A时，判断是否f(X)>f(Y)，当判断为是时，取Yt＝(X+Y)/2，返回到A3，否则取Xt＝(X+Y)/2,返回到A3，继续校正流程，其中Yt及Xt分别为调整后的坐标位置；
A6,判断Y-X≤A时，取Z＝(X+Y)/2，Z为帧同步头所在位置。
步骤S222，对帧同步处理后的信号进行码元同步处理。
具体地，该步骤包括：将所接收的数字信号(例如音频信号，具体为经过帧处理的音频信号)与标准chirp信号做互相关运算，获得所述接收的数字信号偏离所述标准chirp信号的距离；将所获得的偏离距离对所接收的数字信号进行同步处理，获得同步处理信号。其中，该标准chirp信号的距离采用公知的标准，此处对此不作限制。
步骤S23，对同步处理信号进行解调，获得原始的数字信号；
具体地，可基于上述chirp载波信号集合来解调同步处理信号，如根据该同步处理信号在chirp载波信号集合中获取对应的chirp信号来解调，并还原为原始的数字信号。此外还可以采用现有的解调方法，此处对此不作限制。
在本实施例的又一优选方案中，还可包括：
步骤S24，判断所解调的原始的数字信号是否出错，当判断为否时，转到步骤S25；判断为是时，返回到步骤S21，继续接收信号。
具体地，该判断过程为纠错过程，具体的实现过程采用现有的技术，此处不再赘述,所述原始的数字信号为发送前的未经过处理的数字信号。
步骤S25，输出所解调的数字信号，具体地，该数字信号即为原始的数字信号。
具体地，信号解调流程如下图7所示，接收端接收声波信号，分别经过16个不同的匹配滤波器处理后，对每个滤波器输出进行定时抽样(峰值采样)，最后对16个采样值进行比较判决，最大的那个采样值来自哪个匹配滤波器输出信号就意味着该匹配滤波器的冲激响应与接收信号相关度最高。由于匹配滤波处理和互相关运算在数学上并无区别，因此匹配滤波器也相当于相关器，16个匹配滤波器的冲激响应即本设计16-chirp调制所采用的16种不同的chirp信号。由chirp信号的自相关特性已知chirp信号和其自身的相关度最高，因此比较判决所得的最大采样值所对应的匹配滤波器的冲激响应即接收信号自身，这样接收信号是哪一种chirp信号就判决出来了，由于四比特数字符号和16个chirp信号一一映射，因此即可解出声波信号所传递的数字信号。
本发明中，使用多进制chirp-rate键控调制方式来调制信号，可实现抗干扰能力强、系统误码率较低的目的；对接收的信号进行帧同步及码元同步处理，一定程度上提高了信号同步的准确性，也进一步提高接收信号的效率。
此外，采用16种不同的chirp信号进行16进制调制，提高信号传输速率。
再者，结合了sin信号及chirp信号的特点来进行同步，一方面可保证信号同步速率，另一方面保证了同步的精度。
应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
实施例二：
图8示出了本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的结构图，该系统包括信号发送装置1、与所述信号发送装置1连接的信号接收装置2，其中：
信号发送装置1，用于对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
具体地，将需要发送的数字信号(具体可为视频信号、音频信号等，优选为音频信号)，例如用户选择的SSID(如W)及password(如1)等原始数据进行调制形成已调信号，并在已调信号前部插入同步头以形成发射信号，优选地，所述同步头包括帧同步头及码元同步头；
信号接收装置2，用于对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号。
具体地，对所接收的信号进行同步处理，获得同步处理信号，并对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，其中，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理。
本实施例中，接收到数字信号时，对该数字信号进行帧同步和/或码元同步处理，可一定程度上提高同步准确度，进而提高数据解调的准确率。
在本实施例的一个优选方案中，还可包括：与所述信号发送装置1及所述信号接收装置2均连接的chirp序列集合生成模块3。
集合生成模块3，用于生成一chirp载波信号集合，所述chirp载波信号集合包括chirp信号；
其中，chirp信号优选包括18种chirp信号，具体包括：一个线性up-chirp，一个线性down-chirp，和16个中间调频率突变的chirp信号，如图2a及2b所示，为本发明第一实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法的时间频率曲线图及数字信号映射关系图，其中呈现了16-chirp信号及chirpBOK(up-chirp及down-chirp)信号的映射关系。
如图9所示，为本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的信号发送装置1的具体结构图；该信号发送装置1包括：字段插入模块11、与插入模块11连接的编码模块12、与编码模块12连接的调制模块13、与调制模块13连接的同步头添加模块14、与同步头添加模块14连接的转换发射模块15，其中：
字段插入模块11，用于在需要发送的数字信号上插入预设字段，形成插入数字序列；
具体地，该预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符(len),还可包括分隔字符(0x0d)及加密信息字符(mode)，其中，所述长度信息字符用于在接收端通知进程共接收多长的音频信号，分隔字符用于在接收端区分SSID和Password，加密信息字符为对WiFi等各种加密方式进行自定义编码得到的字符，加添上述预设字段后，形成数字序列。具体地，在所述需要发送的数字信号的前、中、后分别插入所述长度信息字符、分隔字符、加密信息字符。
编码模块12，用于对插入数字序列进行信道编码；
具体地，对上述数据序列进行RS编码，以使系统获得一定的纠错和检错能力，其主要为在信息码元序列尾部添加了若干监督码元，以使得接收端接收到信号后可基于此进行纠错和检错。优选地，可采用关系式：k＝f(m)＝[m/80]*8,m,k∈N进行编码，其中，所述m为码元序列长度，所述k为监督码元序列长度，均以比特为单位。
调制模块13，用于对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制，生成已调信号；
具体地，基于上述chirp载波信号集合进行多进制chirp-rate键控调制，即用编码后的数字信号去调制chirp信号，优选地，基于该chirp载波信号集合，选择该集合中的与该编码后的数字信号对应的chirp信号作为已调信号，进行多进制chirp-rate键控调制，进一步优选地，该多进制chirp-rate键控调制至少包括16-chirp调制，本实施例中，优选采用16-chirp调制。此外，还可以是其他类型的chirp调制，此处对此不作限制。
同步头添加模块14，用于在经调制后的已调信号前添加同步头；
具体地，该同步头包括帧同步头及码元同步头。
转换发射模块15，用于将添加同步头的已调信号转换为发射信号发射出去。
具体地，当上述已调信号为数字音频信号时，可通过扬声器将数字音频信号转换成模拟声波信号并广播出去。
在本实施例的一个优选方案中，信号发送装置1还可包括：
检验字段添加模块16，用于在编码后的数字信号前添加检验字段；
具体地，在形成的数字序列前添加检验字段(如01010101，即字符0x55)，便于接收端接收到信号时，基于该检验字段识别所接收的信号是否为有用信号。
上述调制模块13具体根据不同字段采用不同的方式进行调制，例如：对检验字段和信息码元序列中的长度信息字符len，采用chirp BOK(binary orthogonal keying，二进制正交键控)调制方式，而对其他的信息码元以及监督码元序列，优选基于chirp载波信号集合进行多进制chirp-rate键控调制，例如采用16-chirp调制方式来进行调制。由于chirpBOK调制的误码率在同等条件下低于16-chirp调制，而检验字段和字符len是对本系统总体误码率起着关键作用的部分，因此为了尽可能保证这两部分数据的正确解调，对其单独采用chirp BOK调制。至于两个同步头，由于同步头本身的特殊性，既可以将其视作模拟信号，也可以视作是数字信号“1”经FSK和chirp BOK调制而得的。
具体地，数字信号调制是用数字符号去调制载波信号的幅度、频率、相位等，本实施例中，是用数字符号调制chirp信号的调频率，将每一个数字符号映射为一个具有特定调频率的chirp信号(见图2a及2b)，每一条实线或半划线构成的折线表示一种chirp信号的时频特性。16-chirp调制利用了两个子信道[f1,f2]和[f3,f4]，每个子信道包含8种不同调频率的chirp信号，并且每种信号在时间中点都存在着调频率突变，而chirp BOK调制占用了完整信道[f1,f4]，这有利于充分利用频谱资源，减小误码率。对于chirp BOK调制，二进制数字1映射为up-chirp信号(调频率为正且不变)，二进制数字0映射为down-chirp信号(调频率为负且不变)，在16-chirp调制中，每四个二进制比特构成一个数字符号，分别映射为16种不同的chirp信号。其中，f1:3800Hz；f2:4800Hz；f3:5200Hz；f4:6200Hz；T＝20ms。
优选地，同步头结构图如图4所示，包括帧同步头及码元同步头，其中，所述帧同步头为sin信号，优选为20ms长，频率为7000Hz的正弦信号，而码元同步头为chirp信号，码元同步头包括一段20ms长的有效码元同步头、前后两个10ms长的空白间隔(即在此段时间内不发出任何声波信号)。该有效码元同步头即为up-chirp信号，频率在3800～6200Hz之间，该空白间隔用于容忍帧同步的正负同步误差(即左偏或右偏)。
在本实施例的进一步优选方案中，如图10所示，为本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的信号接收装置2的具体结构图；上述信号接收装置2具体包括：接收模块21、与接收模块21连接的同步模块22、与同步模块连接的解调模块23，其中：
接收模块21，用于接收信号，具体地，接收上述的已调信号，即为经过添加同步头的已调信号。
同步模块22，用于对所接收的信号进行信号同步处理，获得同步处理信号；
具体地，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理，优选地，本实施例中，所述同步处理包括帧同步处理及码元同步处理。
解调模块23，用于对同步处理信号进行解调，获得原始的数字信号；
具体地，可基于上述chirp载波信号集合来解调同步处理信号，如根据该同步处理信号在chirp载波信号集合中获取对应的chirp信号来解调，并还原为原始的数字信号。此外还可以采用现有的解调方法，此处对此不作限制。
在本实施例的一个优选方案中，还可包括：与解调模块23连接的判断模块24、与判断模块24连接的输出模块25，其中：
判断模块24，用于判断所解调的原始的数字信号是否出错，当判断为否时，将判断结果反馈给输出模块25，当判断为是时，反馈给接收模块21；
具体地，该判断过程为纠错过程，具体的实现过程采用现有的技术，此处不再赘述，所述原始的数字信号为发送前的未经过处理的数字信号。
输出模块25，用于输出接收的数字信号。
具体地，信号解调流程如下图7所示，接收端接收声波信号，分别经过16个不同的匹配滤波器处理后，对每个滤波器输出进行定时抽样(峰值采样)，最后对16个采样值进行比较判决，最大的那个采样值来自哪个匹配滤波器输出信号就意味着该匹配滤波器的冲激相应与接收信号相关度最高。由于匹配滤波处理和互相关运算在数学上并无区别，因此匹配滤波器也相当于相关器，16个匹配滤波器的冲激响应即本设计16-chirp调制所采用的16种不同的chirp信号。由chirp信号的自相关特性已知chirp信号和其自身的相关度最高，因此比较判决所得的最大采样值所对应的匹配滤波器的冲激响应即接收信号自身，这样接收信号是哪一种chirp信号就判决出来了，由于四比特数字符号和16个chirp信号一一映射，因此即可解出声波信号所传递的数字信号。
在本实施例的一个优选方案中，如图11所示，为本发明第二实施例提供的一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统的同步模块22的具体结构图；上述同步模块22具体包括：帧同步处理单元221、与帧同步处理单元221连接的码同步处理单元222，其中：
帧同步处理单元221，用于对所接收的信号进行帧同步处理；
具体地，该帧同步处理单元221具体包括：获取子单元及校正子单元，其中：
获取子单元，用于采用滑动窗搜索法获取同步头位置；
校正子单元，用于校正所获取的同步头位置；
在本实施例的一个优选方案中，获取子单元采用滑动窗搜索法获取同步头位置的具体过程如下：
以一个窗口的长度为帧同步长度，每滑动一个窗口的距离，对该窗口对应的数字信号(例如音频信号)进行傅里叶变换运算，获得对应的频谱幅值，例如可进行6000或7000Hz的傅里叶变换运算，此处对此不作限制。
判断所述频谱幅值是否大于预设阈值；
当判断为是时，确认当前窗口为同步头所在位置，获得帧同步头预定位置，将获得的帧同步头预定位置反馈给校正子单元；
当判断为否，继续滑动，继续执行获得对应的频谱幅值的步骤。
具体地，滑动窗的长度等于帧同步头长度，即读取长度为20ms的音频数据，每次对滑动窗所包含的音频数据进行6000Hz频点处的傅里叶变换(DTFT)运算，将该处频谱幅值和预设阈值比较，若超过阈值，则认为帧同步头已经到达，表示当前滑动窗所在位置为帧同步头所在位置，转到校正步骤，否则滑动窗移动一个窗口的长度的距离并继续上述过程，直至找到帧同步头所在位置。
进一步优选地，所述预设阈值采用公式：F＝A+z来设置，其中，该A为固定增量值，Z为噪声叠加值，即滑动窗移动一次，如果该窗口对应的6000Hz频点处的频谱幅值判定为噪声，则将此频谱幅值叠加到噪声叠加值中，并以叠加后的值作为Z的当前值，例如：每移动一次滑动窗就能得到一个6000Hz频点处的频谱幅值，若该值未能超过阈值，则判定为噪声，并将此值加入“噪声队列”，与之前的“噪声值”一起计算出新的噪声均值并据此更新阈值，至于固定增量值，可以设为噪声值方差的若干倍或根据实测估算出一个经验值，此处对此不作限制。
进一步地，校正子单元校正所获取的同步头位置的过程如下：
A1，将帧同步头预定位置所在窗口的起始位置标为X，对应的窗口标为窗口1；
A2，基于帧同步头预定位置所在窗口往后滑动一个窗口长度；将帧同步头预定位置所在窗口与滑动之后的窗口之间的叠加点标为Y，滑动之后的窗口标为窗口2，需要说明的是，上述窗口1及窗口2并没有特别的意义，为了便于识别，故将起始位置对应的窗口标为窗口1，而将滑动之后对应的窗口标为窗口2。
A3，分别计算窗口1及窗口2进行傅里叶变换运算，获得f(X)及f(Y)；
A4，计算Y与X的差值，并与精度常数A进行比较,其中所述精度常数A可根据实际情况而设，此处对此不作限制；
A5，判断Y-X>A时，判断是否f(X)>f(Y)，当判断为是时，取Yt＝(X+Y)/2，返回到A3，否则取Xt＝(X+Y)/2,返回到A3，继续校正流程，其中Yt及Xt分别为调整后的坐标位置；
A6,判断Y-X≤A时，取Z＝(X+Y)/2，Z为帧同步头所在位置。
码同步处理单元222，用于对帧同步处理后的信号进行码元同步处理；
具体地，码同步处理单元222具体用于：
将所接收的音频信号(具体为经过帧处理的数字信号)与标准chirp信号做互相关运算，获得所述接收的数字信号偏离所述标准chirp信号的距离；将所获得的偏离距离对所接收的数字信号进行同步处理，获得同步处理信号。其中，该标准chirp信号的距离采用公知的标准，此处对此不作限制。
需要说明的是，本实施例的系统的具体工作原理与上述实施例所述的方法的实现过程基本一致，具体可参考上述实施例。
本发明中，使用多进制chirp-rate键控调制方式来调制信号，可实现抗干扰能力强、系统误码率较低的目的；对接收的信号进行帧同步及码元同步，运算量小，一定程度上提高了信号同步的精度，也进一步提高接收信号的效率。
此外，采用16种不同的chirp信号进行16进制调制，提高信号传输速率。
再者，结合了sin信号及chirp信号的特定来进行同步，一方面可保证信号同步速率，另一发明保证了同步的精度，在保证同步精度的同时减小了运算量，使得在性能较差的嵌入式硬件平台上亦能进行音频信号的实时处理。
本领域普通技术人员可以意识到，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、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。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。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置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。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法，包括信号发送及信号接收，其特征在于，所述方法包括：
对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理；
所述对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号，具体包括：
在所述需要发送的数字信号上插入预设字段，形成插入数字序列，所述预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符；
对所述插入数字序列进行信道编码；
对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制，生成已调信号；
在所述已调信号前添加同步头；
将添加同步头的已调信号转换为发射信号发射出去；
所述预设字段还包括分隔字符及加密信息字符，所述在所述需要发送的数字信号上插入预设字段具体为：
在所述需要发送的数字信号的前、中、后分别插入所述长度信息字符、分隔字符、加密信息字符。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述插入数字序列进行信道编码之后、对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制之前还包括：
在编码后的数字信号前添加检验字段。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多进制chirp-rate键控调制为16-chirp调制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所接收的信号进行信号同步处理具体包括：
对所接收的信号进行帧同步处理；
对帧同步处理后的信号进行码元同步处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所接收的信号进行帧同步处理具体为：
采用滑动窗搜索法获取同步头位置；
校正所获取的同步头位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述同步头包括帧同步头及码元同步头，所述采用滑动窗搜索法获取同步头位置，具体为：
以一个窗口的长度为帧同步长度，每滑动一个窗口的距离，对该窗口对应的数字信号进行傅里叶变换运算，获得对应的频谱幅值；
判断所述频谱幅值是否大于预设阈值；
当判断为是时，确认当前窗口为帧同步头所在位置；
当判断为否，继续滑动，继续执行获得对应的频谱幅值的步骤。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对帧同步处理后的信号进行码元同步处理具体包括：
将所接收的信号与标准chirp信号做互相关运算，获得接收的已调信号偏离所述标准chirp信号的距离；
根据所获得的偏离距离对所接收的信号进行同步处理，获得同步处理信号。
8.一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信系统，其特征在于，包括信号发送装置、信号接收装置，其中:
信号发送装置，用于对需要发送的数字信号进行信道编码及进行多进制chirp-rate键控调制以生成已调信号，并在已调信号前插入同步头以形成发射信号；
信号接收装置，用于对接收信号进行同步处理、对同步处理信号进行解调获得原始的数字信号，所述同步处理包括帧同步处理和/或码元同步处理；
字段插入模块，用于在需要发送的数字信号上插入预设字段，形成插入数字序列，所述预设字段至少包括所述发送的数字信号的长度信息字符；
编码模块，用于对插入数字序列进行信道编码；
调制模块，用于对编码后的数字信号进行多进制chirp-rate键控调制，生成已调信号；
同步头添加模块，用于在经调制后的已调信号前添加同步头；
转换发射模块，用于将添加同步头的已调信号转换为发射信号发射出去；
所述预设字段还包括分隔字符及加密信息字符，此时，所述字段插入模块具体为：
在所述需要发送的数字信号的前、中、后分别插入所述长度信息字符、分隔字符、加密信息字符。
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