CN106375024B - 声波通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种声波通信系统包括一串并变换单元及一载波信号生成器。该串并变换单元用于对一编码信号进行分组处理，以得到若干分组，还用于对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字。该载波信号生成器根据分组中低位字、高位字分别对一非线性Chrip调制器及一FSK调制器进行键控制。该载波信号生成器对键控制后生成的一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应已调信号，该已调信号通过一输出装置转换为声波信号。另外，本发明还提供了一种声波通信方法。本发明声波通信系统及方法通过非线性Chrip调制器及FSK调制器的级联调制，使得调制信号的瞬时频率在一定范围内上下变动，如此使得信息传输速率亦可提高。

Description

声波通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域，尤其涉及一种声波通信系统及方法。

背景技术

随着移动互联网时代的到来以及音频用户接口(如麦克风和扬声器)的广泛配备，基于空气信道的声波通信技术正在越来越广泛地被应用。与传统的无线通信技术，如WiFi、蓝牙等相比，利用声波进行数据传输的优势主要是便捷和低成本。然而，现有的声波通信的数据距离较为有限，传输速率较低(只达到16bit/s)，而且在通信距离稍远时，其数据传输的误码率亦会明显增加。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种可提高传输速率的声波通信系统及方法。

一种声波通信系统，包括：

一串并变换单元，用于接收一编码信号，该串并变换单元用于对该编码信号进行分组处理，以得到若干分组；该串并变换单元还用于对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字；及

一载波信号生成器，用于根据一分组中低位字对一非线性Chrip调制器进行键控制，以输出一级生成信号；该载波信号生成器还用于根据该分组中高位字对一FSK调制器进行键控制，以输出二级生成信号；该载波信号生成器对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号，该已调信号通过一输出装置转换为声波信号。

一种声波通信方法，包括：

用于接收一编码信号；

对该编码信号进行分组处理，以得到若干分组；

对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字；

根据一分组中低位字对一非线性Chrip调制器进行键控制，以输出一级生成信号；

根据该分组中高位字对一FSK调制器进行键控制，以输出二级生成信号；及

对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号，其中该已调信号通过一输出装置转换为声波信号。

上述声波通信系统及方法通过非线性Chrip调制器及FSK调制器级联调制，使得调制信号的瞬时频率在一定范围内上下变动，如此使得通信距离较同类产品和技术远，系统抗噪声、抗多径、抗多普勒性能强，系统误码率极低，数据传输可靠性高；信息传输速率亦可提高。

附图说明

图1是本发明声波通信系统的较佳实施方式的方框图。

图2是图1中第一处理装置与调制装置的较佳实施方式的方框图。

图3是图2中调制信号的格式的较佳实施方式的示意图。

图4是本发明中已调信号的时频特性的示意图。

图5是图1中第二处理装置与解调装置的较佳实施方式的方框图。

图6是图5中信号解调单元的较佳实施方式的方框图。

图7是本发明声波通信方法的较佳实施方式的流程图。

图8图7中步骤S732的较佳实施方式的流程图。

图9是图7中步骤S740的较佳实施方式的流程图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1，本发明声波通信系统90的较佳实施方式包括一用于输出一声波信号的发射设备30及一用于接收该声波信号的接收设备60。本实施方式中，该发射设备30、接收设备60可为数据处理设备，如智能手机；该发射设备30可通过空气等传输介质与该接收设备60进行通信。

本实施方式中，该发射设备30包括一调制装置20、一输出装置40、及一连接于该调制装置20、输出装置40的第一处理装置10。该第一处理装置10用于输出一编码信号至该调制装置20；该调制装置20对该编码信号进行调制操作，以输出对应的调制信号199(见于图3)；该输出装置40接收该调制信号，并将该调制信号转换为对应的声波信号。本实施方式中，该第一处理器10可为具有数据处理能力的芯片，如CPU芯片、DSP芯片或是音频芯片等；该输出装置40可为一扬声器。

本实施方式中，该接收设备60包括一解调装置80、一接收装置70及一连接于该解调装置80、接收装置70的第二处理装置50。该接收装置70用于接收该发射设备30输出的声波信号，并生成对应的处理信号。该解调装置80用于对该处理信号进行解调操作，以得到对应的解调信号。本实施方式中，当该解调信号包含音频内容时，该第二处理装置50控制该输出装置40，以输出该解调信号包含的音频内容。

请一并参阅图2与图3，该第一处理装置10包括一信道编码单元100及一信号单元102。

该信道编码单元100用于将一数字信号(如调制信号199格式中包括一信息码元序列)进行编码处理，以生产该编码信号(如在信息码元序列增加对应的监督码元序列)。本实施方式中，该数字信号可包括一图像信息、音频信息或是其他的信息。该发射设备30用于将该数字信号的内容通过声波通信的方式传输至该接收设备60，以使得该接收设备60输出或显示该数字信号所对应的内容。在其他实施方式中，该数字信号所包含的内容不限于上述内容。本实施方式中，该信道编码单元100可采用RS编码或交织编码对该数字信号进行编码，以进一步降低系统的误码率。

该调制装置20包括一串并变换单元203、一非线性Chrip调制器205、一FSK调制器207及一载波信号生成器209。

该串并变换单元203用于对该信道编码单元100输出的编码信号进行串并处理。具体地，该串并变换单元203对接收的编码信号以2字(bit)为单位进行分组处理，以得到若干组合，如处理后将得到00、01、10、11四个组合。之后，该串并变换单元203对每一分组进行串并变换，以得到每一分组的高位字与低位字。

该载波信号生成器209根据变换后的低位字对该非线性Chrip调制器205进行键控制，还根据变换后的高位字对该FSK调制器207进行键控。即将变换后的低位字、高位字分别作为该非线性Chirp调制器205和FSK调制器207的控制位。本实施方式中，对该非线性Chirp调制器205和FSK调制器207的控制即控制相应的开关选通。本实施方式中，该非线性Chirp调制器205为二进制的非线性Chirp调制器，该FSK调制器207为二进制的FSK调制器。

本实施方式中，由于分组后存在4种组合，该载波信号生成器209控制该非线性Chrip调制器205及FSK调制器207进行调制时包括两种非线性Chirp载波信号和两种FSK载波信号。本实施方式采用的方案如下，但方案并不仅限于此唯一：

本实施方式中，非线性Chirp载波信号采用Sin Chirp载波信号，其中Sin Chirp载波信号表达式：

FSK载波信号表达式：

cos(2πf₁t) (公式3)

其中B为Sin Chirp信号带宽，即扫频范围；T为载波信号持续时长；f₀＝B/2，f₁和f₂为频谱搬移距离，|f₁-f₂|＞＝B；Ω为一控制扫频周期的变量。本实施方式中，基于Chirp扩频BT乘积越大越好的原则以及声波通信应人耳听不到为宜，一个可选的参数设置为：B＝1500Hz(赫兹)，T＝20ms(毫秒)，f₀＝750Hz，f₁＝18000Hz，f₂＝19500Hz，Ω＝1，N⁺表示正整数。

本实施方式中，选通规则如下：

当低位字为1时，适应于公式1；当低位字为0时，适应于公式2。

当高位字为1时，适应于公式3；当高位字为0时，适应于公式4。

例如：当一分组为01时，由该串并变换单元203确定该分组的高位字为0、低位字为1。如此，根据低位字0对该非线性Chrip调制器205进行调制得到一级生成信号为：根据高位字1对该FSK调制器207进行调制得到二级生成信号为：cos(2πf₂t)。之后，该载波信号生成器209对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到的已调信号为：一级生成信号*cos(2πf₂t)，即*cos(2πf₂t)，该已调信号可改写为：

同理可得其他输入时的输出信号，由此得到如下映射关系：

当分组为00时，该已调信号表示为：

当分组为01时，该已调信号表示为：

当分组为10时，该已调信号表示为：

当分组为11时，该已调信号表示为：

请一并参阅图4，其表示四个已调信号的时频特性的映射关系图，由此图可以清晰地看出Sin Chirp信号的扫频特性：其瞬时频率以中心频率f₁+f₀或f₂+f₀为平衡位置以Sin函数形式在B Hz范围内上下变动。如此使得通信距离较同类产品和技术远，系统抗噪声、抗多径、抗多普勒性能强，系统误码率极低，数据传输可靠性高(可达32bit/s)；信息传输速率亦可提高。

该信号单元102用于接收该调制装置20输出的已调信号，并在该已调信号中加入同步信号、保护间隔及校验字段，以生成该调制信号。该调制信号由该输出装置40转换为声波形式输出。在其他实施方式中，该输出装置40亦可将该已调信号转换为声波信号，以声波形式输出。

请参阅图5及图6，该接收装置70用于接收该发射设备30输出的声波信号，并将生成对该声波信号的处理信号。本实施方式中，该接收装置70可为一麦克风。

该第二处理装置50包括一同步判断单元500及一检查纠错单元502。

该同步判断单元500用于接收该接收装置70输出的处理信号，该同步判断单元500还用于根据该处理信号中包含的同步信号进行信号同步操作，并判断信号同步操作是否成功，当信号同步操作成功时，该同步判断单元500将该处理信号输出至该信号解调单元80；当信号同步操作失败时，该同步判断单元500继续接收其他处理信号。

该信号解调单元800包括若干用于对该处理信号进行解调的匹配滤波器810、对应该匹配滤波器810数量的峰值采样模块820及一比较判决模块830。本实施方式中，该匹配滤波器810的数量与分组后组合的数量相对应，如包括四个匹配滤波器810(匹配滤波器A、匹配滤波器B、匹配滤波器C、匹配滤波器D)。

本实施方式中，每一匹配滤波器810具有不同的冲激响应，如匹配滤波器A的冲激响应为匹配滤波器B冲激响应为 匹配滤波器C冲激响应为匹配滤波器D冲激响应为

每一匹配滤波器810均接收该处理信号，每一匹配滤波器810均用于对该处理信号进行滤波处理，以输出对应的滤波信号。

该峰值采样模块820用于对滤波信号进行采样处理，以输出对应的采样信号。

该比较判决模块830用于接收各峰值采样模块820输出的采样信号，并根据各采样信号的采样值的大小来判断该处理信号对应的匹配滤波器，以根据对应的匹配滤波器的冲激响应来对该处理信号进行解调，并产生对应的解调信号。

该检查纠错单元502对该解调信号进行纠错处理，以判断该解调信号是否可以纠错；当该解调信号无法纠错时，该同步判断单元500重新开始接收处理信号；当该解调信号纠错成功时，该检查纠错单元502输出该解调信号。如将该解调信号输出至该输出装置40，输出该解调信号的内容。

请参阅图7，本发明声波通信方法的较佳实施方式包括如下步骤：

步骤S730，一第一处理装置对一数字信号进行编码处理，以输出对应的编码信号。

步骤S732，一调制装置对该编码信号进行调制操作，以输出对应的已调信号。

步骤S734，该第一处理器在该已调信号中加入同步信号、保护间隔及校验字段，以生成一调制信号。

步骤S736，通过一输出装置将该调制信号转换为声波信号。

步骤S738，一接收设备接收该输出装置输出的声波信号，并生成对应该声波信号的处理信号。

步骤S740，一解调装置对该处理信号进行解调处理，以得到对应的解调信号。

步骤S742，输出该解调信号。

请参阅图8，步骤S732的较佳实施方式还包括：

步骤S760，对该编码信号进行分组处理，以得到若干分组。

步骤S762，对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字。

步骤S764，根据分组中低位字对非线性Chrip调制器进行键控制，以输出一级生成信号。

步骤S766，根据分组中高位字对FSK调制器进行键控制，以输出二级生成信号。

步骤S768，对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号。

请参阅图9，步骤S740的较佳实施方式包括：

步骤S870，根据该处理信号中包含的同步信号进行信号同步操作。

步骤S872，判断信号同步操作是否成功，当同步操作成功时，执行步骤S874；当同步操作失败时，返回步骤S870。

步骤S874，通过若干匹配滤波器对该处理信号进行滤波处理，并输出对应的滤波信号。

步骤S876，对各滤波信号进行采样处理，并输出对应的采样信号。

步骤S878，并根据各采样信号的采样值的大小来判断该处理信号对应的匹配滤波器。

步骤S880，根据对应的匹配滤波器的冲激响应来对该处理信号进行解调，并产生对应的解调信号。

步骤S882，判断该解调信号是否可以纠错；当该解调信号可以纠错时，执行步骤S742；当该解调信号纠错失败时，返回步骤S870。

上述声波通信系统及方法通过非线性Chrip调制器及FSK调制器级联调制，使得调制信号的瞬时频率以中心频率f₁+f₀或f₂+f₀为平衡位置在一定范围内上下变动，如此使得通信距离较同类产品和技术远，系统抗噪声、抗多径、抗多普勒性能强，系统误码率极低，数据传输可靠性高；信息传输速率亦可提高。另外，通过信道编码单元进行编码，有利于进一步降低系统的误码率。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种声波通信系统，包括：

一串并变换单元，用于接收一编码信号，其中所述编码信号包含若干二进制序列，该串并变换单元用于对该编码信号的二进制序列进行分组处理，以得到若干分组；该串并变换单元还用于对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字，其中每一分组的高位字包括二进制的0或1，每一分组的低位字包括二进制的0或1；及

一载波信号生成器，用于根据一分组中低位字对一非线性Chrip调制器进行键控制，当所述低位字为1时，输出一级生成信号当所述低位字为0时，输出一级生成信号其中B为扫频范围，T为载波信号持续时长，f₀＝B/2，Ω为一控制扫频周期的变量；该载波信号生成器还用于根据该分组中高位字对一FSK调制器进行键控制，当高位字为1时，输出二级生成信号cos(2πf₁t)，当高位字为0时，输出二级生成信号cos(2πf₂t),其中， ₁和f₂为频谱搬移距离，|f₁-f₂|>＝B；该载波信号生成器对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号，该已调信号通过一输出装置转换为声波信号。

2.如权利要求1所述的声波通信系统，其特征在于：该声波通信系统还包括一信道编码单元及一信号单元，该信道编码单元用于对一数字信号进行编码处理，以输出该编码信号；该信号单元用于在该已调信号中加入同步信号、保护间隔及校验字段，以生成一调制信号，该调制信号通过该输出装置转换为声波信号。

3.如权利要求2所述的声波通信系统，其特征在于：该声波通信系统还包括一用于接收一处理信号的信号解调单元，其中该处理信号由该声波信号转换得到，该信号解调单元包括若干用于对该处理信号进行解调的匹配滤波器、对应该匹配滤波器数量的峰值采样模块及一比较判决模块；若干匹配滤波器对该处理信号进行滤波处理，并输出对应的滤波信号；各峰值采样模块用于对对应的滤波信号进行采样处理，并输出对应的采样信号；该比较判决模块根据对应的匹配滤波器的冲激响应来对该处理信号进行解调，并产生对应的解调信号。

4.如权利要求3所述的声波通信系统，其特征在于：该声波通信系统还包括一同步判断单元及一检查纠错单元；该同步判断单元用于接收该处理信号，该同步判断单元还用于根据该处理信号中包含的同步信号进行信号同步操作，并判断信号同步操作是否成功，当信号同步操作成功时，该同步判断单元将该处理信号输出至该信号解调单元；当信号同步操作失败时，该同步判断单元继续接收其他处理信号；该检查纠错单元对该解调信号进行纠错处理，以判断该解调信号是否可以纠错；当该解调信号无法纠错时，该同步判断单元重新开始接收处理信号；当该解调信号纠错成功时，该检查纠错单元输出该解调信号。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的声波通信系统，其特征在于：该非线性Chirp调制器为二进制的非线性Chirp调制器，该FSK调制器为二进制的FSK调制器，该串并变换单元对该编码信号分组后产生第一至第四组合；

当分组为第一分组时，该已调信号表示为：

当分组为第二分组时，该已调信号表示为：

当分组为第三分组时，该已调信号表示为：

当分组为第四分组时，该已调信号表示为：

6.一种声波通信方法，包括：

接收一编码信号，其中所述编码信号包含若干二进制序列；

对该编码信号的二进制序列进行分组处理，以得到若干分组；

对每一分组进行串并变换，以得到一分组中对应的高位字与低位字，其中每一分组的高位字包括二进制的0或1，每一分组的低位字包括二进制的0或1；

根据一分组中低位字对一非线性Chrip调制器进行键控制，当所述低位字为1时，输出一级生成信号当所述低位字为0时，输出一级生成信号其中B为扫频范围，T为载波信号持续时长，f₀＝B/2，Ω为一控制扫频周期的变量；

根据该分组中高位字对一FSK调制器进行键控制，当高位字为1时，输出二级生成信号cos(2πf₁t)，当高位字为0时，输出二级生成信号cos(2πf₂t),其中， ₁和f₂为频谱搬移距离，|f₁-f₂|>＝B；及

对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号，其中该已调信号通过一输出装置转换为声波信号。

7.如权利要求6所述的声波通信方法，其特征在于：

“接收一编码信号”步骤之前还包括：对一数字信号进行编码处理，以输出该编码信号；

“对该一级生成信号及二级生成信号进行级联操作得到一对应该分组的已调信号”步骤之后还包括：

在该已调信号中加入同步信号、保护间隔及校验字段，以生成一调制信号；

将该调制信号通过该输出装置转换为声波信号。

8.如权利要求7所述的声波通信方法，其特征在于：

“将该调制信号通过该输出装置转换为声波信号”步骤之后还包括：

接收由该声波信号转换为的处理信号；

对该处理信号进行滤波处理，并输出对应的滤波信号；

对对应的滤波信号进行采样处理，并输出对应的采样信号；

根据对应的匹配滤波器的冲激响应来对该处理信号进行解调，并产生对应的解调信号。

9.如权利要求8所述的声波通信方法，其特征在于：

“对该处理信号进行滤波处理，并输出对应的滤波信号”步骤之前还包括：

根据该处理信号中包含的同步信号进行信号同步操作，并判断信号同步操作是否成功；

当信号同步操作成功时，执行“对该处理信号进行滤波处理，并输出对应的滤波信号”步骤；

当信号同步操作失败时，继续接收其他处理信号；

“根据对应的匹配滤波器的冲激响应来对该处理信号进行解调，并产生对应的解调信号”步骤之后还包括：

对该解调信号进行纠错处理，以判断该解调信号是否可以纠错；

当该解调信号无法纠错时，重新开始接收处理信号；

当该解调信号纠错成功时，输出该解调信号。

10.如权利要求6至9中任意一项所述的声波通信方法，该非线性Chirp调制器为二进制的非线性Chirp调制器，该FSK调制器为二进制的FSK调制器，其特征在于：

对该编码信号分组后产生第一至第四组合；

当分组为第一分组时，该已调信号表示为：

当分组为第二分组时，该已调信号表示为：

当分组为第三分组时，该已调信号表示为：

当分组为第四分组时，该已调信号表示为：