CN108631884B - 一种基于非线性作用的声波通信方法 - Google Patents

一种基于非线性作用的声波通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性作用的声波通信方法。对需要传输的数据转换成FDM信号，将FDM信号调制到超声波频段，幅度调制后的信号即为不可听的高频信号，放大后经扬声器发送出去；利用麦克风电路的非线性作用将接收到的不可听的高频信号进行解调，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号；FDM信号经过进一步的解调得到待传输的原始数据。本发明在保证通信带宽的前提下，解决了可听性这一问题，相比于近超声波通信的4kHz的带宽提高了近3倍，最终通信速率可达16.29kbps，且误码率低。

Description

一种基于非线性作用的声波通信方法
技术领域
本发明属于智能设备声波通信技术领域，具体涉及一种基于非线性作用的声波通信方法。
背景技术
随着智能设备的广泛应用，设备间的数据交互变得越来越普遍，目前常用的近场通信方式有蓝牙，NFC等，然而这些近场通信方式都需要额外硬件的支撑，增加了设备成本，由于蓝牙设备在使用前需要提前配对，这将给用户的使用带来极大不便。
然而声波通信却不存在成本和用户不友好的缺点，首先，扬声器和麦克风都是普遍存在的，几乎所有的设备都配备有麦克风和扬声器系统，因此不需要额外的硬件支撑。其次，声音通信在使用前不需要进行设备间的配对，大大方便了用户的使用。
目前基于智能设备的声波通信主要分为三类：1.可听声音通信：直接使用可听的频带(50Hz-20kHz)进行声波通信，由于通信时会产生可听的声音，所以用户体验比较差。2.不可听声音通信：为了解决用户体验差的问题，通过使用近超声波频段的声音(18-22kHz)进行通信，由于通信频带比较窄，该方式的数据传输速率较低。3.隐蔽声波通信：为了解决可听性带来的用户体验差这个问题，通过一定的技术将用于通信的声波信号嵌入到一段音乐中，从而掩蔽了声波信号产生的噪声。由于该声波信号的频带有限，因此通信速率也比较低。
Lee H等人提出了一种基于啁啾信号的智能设备间的声波通信方法，该方法利用啁啾信号进行通信，为了避免被听见，啁啾信号的频率设置在19.5kHz–22kHz之间，最高通信速率为16bps。不足之处在于：由于工作频段设置在近超声波频段(18-22kHz)，导致可用带宽有限，因此传输速率比较低。
Nandakumar等人提出了一种基于声波的近场通信系统，其中信号的编码方式为OFDM(正交频分多路复用)，工作带宽在6-7kHz之间，最高通信速率为2.76kbps。不足之处在于：通信的频率范围为7-8kHz，因此该通信方式能够被人听到，影响用户体验；由于通信的可用带宽有限，所以传输速率比较低。
为了解决目前声波通信存在的通信速率低，能够被人听见从而降低了用户体验这两个问题，本发明提出了基于非线性作用的声波通信方法。
发明内容
为了解决目前声波通信可听性与传输速率低的问题，本发明提出了基于非线性作用的声波通信方法。该方法是将用于通信的可听声音信号调制到高频段(>25kHz)，因此发送出去的信号是不可听的，智能设备的麦克风在接收到该高频信号后，通过麦克风电路的非线性作用将调制到高频的声音信号解调，得到原始声音信号，然后进一步的解码得到传输的数据。
本发明的技术方案如下：
基于非线性作用的声波通信方法包括如下步骤：
步骤一，对需要传输的数据进行预编码，转换成二进制数据流；
步骤二，将二进制数据流转换成FDM信号，FDM信号通过不同频率的子载波传送各路消息，以实现多路通信，所述的FDM信号通信带宽为100Hz–20kHz；
步骤三，将FDM信号调制到超声波频段，幅度调制后的信号即为不可听的高频信号，放大后经扬声器发送出去；
步骤四，麦克风接收不可听的高频信号，利用麦克风电路的非线性作用将接收到的不可听的高频信号进行解调，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号；
步骤五，非线性作用解调得到的FDM信号经过进一步的解调得到二进制数据流；
步骤六，将二级制数据流进行解码得到待传输的原始数据，自此，就实现了基于非线性作用声波通信的整体过程。
优选的，所述的步骤二中包含设置子载波的频率以及子载波的个数以避免互调失真的步骤，要求子载波等频率间隔的同时，任意两个不同频率的子载波相加、减不会产生已被选用的子载波。
优选的，所述的步骤三中，将FDM信号调制到40kHz-50kHz。
优选的，所述的步骤四中，解调后的信号中不但包括FDM信号也包含高频的载波信号，高频的载波信号经过低通滤波器以后将会被滤除，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)通信速率有明显的提高。由于通信速率与可用带宽有着直接的关系，因此为了提高通信速率，通信带宽设置为100Hz–20kHz(由于麦克分-扬声器信道存在一定程度的频率选择性衰落，通信带宽可根据信道的状态进行适当调整)。相比于近超声波通信的4kHz的带宽提高了近3倍，最终通信速率可达16.29kbps。
(2)保证高速率的前提下，实现无声通信。如果为了提高通信速率而采用可听频段的带宽，最终会导致通信过程是可听的；为了使得通信过程不可听，之前的做法是将通信带宽设置在较窄的近超声波频段或者将有限频段的通信信号嵌入到一段音乐中，虽然实现了“无声”的通信方式，但是通信速率大大降低，不能够从根本上解决通信速率与可听性两者之间的矛盾。为了解决这一矛盾，我们提出在发送编码后的信号之前，先通过幅度调制的方式将其调制到超声波频段，由于发送出去的信号是超声波信号，所以在保证通信带宽的前提下，解决了可听性这一问题。接收端在接受到调制后的超声波信号以后，利用麦克风电路的非线性作用将调制之前的信号解调出来，进一步的进行解码操作，恢复出原始待传输的数据。
(3)与蓝牙，NFC等近场通信方式不同，此通信方式无需额外硬件的支撑，任何具有麦克风电路的智能设备都能够采用，降低了成本。而且在使用之前也不需要配对，提高了用户使用的便捷性。
该通信方法可以广泛应用在移动支付从而替代传统的现金、信用卡、NFC、二维码等支付方式；信息推送系统，文件/图片传输等。用于各种各样的移动智能设备不需要额外硬件就能满足使用它的条件，且方便快捷，所以声波通信的应用将会变得越来越普遍。
附图说明
图1为基于非线性作用的声波通信系统示意图；
图2为调制信号进过麦克风电路非线性作用后的示意图。
图3为通信系统参数设置。
具体实施方式
本发明针对智能设备语音通信中的传输速率与可听性之间的矛盾，提出了基于非线性作用的声波通信方法。通过将可听的声音信号调制到高频，并利用麦克风电路的非线性作用的解调作用，实现高通信速率和不可听的效果。
如图1-2所示，基于非线性作用的声波通信方法包括如下步骤：
步骤一，对需要传输的数据进行预编码，转换成二进制数据流；
步骤二，将二进制数据流转换成FDM信号，FDM信号通过不同频率的子载波传送各路消息，以实现多路通信，所述的FDM信号通信带宽为100Hz–20kHz；
步骤三，将FDM信号调制到超声波频段，幅度调制后的信号即为不可听的高频信号，放大后经扬声器发送出去；
步骤四，麦克风接收不可听的高频信号，利用麦克风电路的非线性作用将接收到的不可听的高频信号进行解调，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号；
步骤五，非线性作用解调得到的FDM信号经过进一步的解调得到二进制数据流；
步骤六，将二级制数据流进行解码得到待传输的原始数据，自此，就实现了基于非线性作用声波通信的整体过程。
优选的，所述的步骤二中包含设置子载波的频率以及子载波的个数以避免互调失真的步骤，要求子载波等频率间隔的同时，任意两个不同频率的子载波相加、减不会产生已被选用的子载波。
优选的，所述的步骤三中，将FDM信号调制到40kHz-50kHz。
优选的，所述的步骤四中，解调后的信号中不但包括FDM信号也包含高频的载波信号，高频的载波信号经过低通滤波器以后将会被滤除，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号。
以下实施例为基于非线性作用的语音通信方法，测试的接受设备为iPhone 5S。其它不同类型智能设备的操作方法一致，不再做进一步说明。
首先将待发送的数据进行编码并生成FDM信号，然后通过信号发生器[3]将FDM信号调制到超声波频段，通过超声波扬声器[4]播放出来，由此可以达到不可听的效果。通信系统的各项参数设定如图3.
接收端设备iPhone 5S的麦克风接收到超声波信号以后，由于非线性作用，调制之前的FDM信号会被解调出来。此时，信号中不但包括低频的FDM信号也会包含高频的调制信号，在经过低通滤波器以后，高于截止频率(一般在24kHz左右)的信号将会被滤除，最终通过解码获得原始的传输数据。
通过整体的测试，该方法能够在无声的前提下达到16.24kbps的数据传输速率，误码率为1.4％。

Claims (2)

1.一种基于非线性作用的声波通信方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，对需要传输的数据进行预编码，转换成二进制数据流；
步骤二，将二进制数据流转换成FDM信号，FDM信号通过不同频率的子载波传送各路消息，以实现多路通信，所述的FDM信号通信带宽为100 Hz–20 kHz；所述的步骤二中包含设置子载波的频率以及子载波的个数以避免互调失真的步骤，要求子载波等频率间隔的同时，任意两个不同频率的子载波相加、减不会产生已被选用的子载波;
步骤三，将FDM信号调制到40kHz -50kHz，幅度调制后的信号即为不可听的高频信号，放大后经扬声器发送出去；
步骤四，麦克风接收不可听的高频信号，利用麦克风电路的非线性作用将接收到的不可听的高频信号进行解调，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号；
步骤五，非线性作用解调得到的FDM信号经过进一步的解调得到二进制数据流；
步骤六，将二级制数据流进行解码得到待传输的原始数据。
2.根据权利要求1所述的基于非线性作用的声波通信方法，其特征在于所述的步骤四中，解调后的信号中不但包括FDM信号也包含高频的载波信号，高频的载波信号经过低通滤波器以后将会被滤除，从而恢复出调制在高频载波信号上的FDM信号。
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