CN108988957A - 一种基于线性调频的空气声波通信编码方法 - Google Patents

一种基于线性调频的空气声波通信编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，采用多种以上相同持续时间、相同相位以及不同起始、截止频率的线性调频信号代表2个或者2个以上比特的数据码元，将数据信息调制在所述线性调频信号的起止频率和调频斜率上得到数据帧，然后在数据帧的头部添加长度信息，而且引入纠错校验码，同时对码元的前肩和后肩进行斜坡幅度调制，在数据帧的头尾部加入帧起始和结束信号。本发明的一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，利用线性调频信号可以从局部推演出全局的特性，能够有效地抗多径干扰，同时在数据帧中加入了纠错校验码进一步提高声波通信解码在低信噪比的情况下的解码成功率，利用斜坡幅度调制降低了声波通讯时的噪声。

Description

一种基于线性调频的空气声波通信编码方法
技术领域
本发明属于空气声波通信技术领域，具体涉及一种基于线性调频的空气声波通信编码方法。
背景技术
目前空气声波通信的编码方法基本上是沿用无线电通信的编码方法，有：2FSK、MFSK、BPSK、DPSK、QPSK、OFDM。而声波通信有其自身的特点：(1)通信速率低；(2)由于声波传输速度很慢，速度为340米/秒，而且声波的传输途径多种多样，直射、折射、反射，这就导致多径干扰会很严重。上面这些无线电编码方法的码元自相关性不强，一旦码元被干扰，就有可能产生误码。在通信过程中由于相位、频率和幅度的突变还会产生刺耳的噪声。当前的编码方式没有考虑空气声波的传输特性，存在编码效率低、无法进一步减轻多径干扰、会产生刺耳的噪声等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，其抗多径干扰效果好，还能减少声波通信过程中产生的噪声。
本发明所采用的技术方案是：一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，采用四种或四种以上相同持续时间、相同相位以及不同起始、截止频率的线性调频信号代表2个或者2个以上比特的数据码元，将数据信息调制在所述线性调频信号的起止频率和调频斜率上得到数据帧。
优选的，所述线性调频信号的数学表达式为cos(2π*(fb+(fe-fb)*t/T)*t)，其中，fb为起始频率，fe为截止频率，T为持续时间，t的取值为0≤t≤T。
进一步的，用线性调频信号的编码方式将所述数据帧的长度附加在所述数据帧的头部。
或者，在所述数据帧的尾部附加帧结束信号。
进一步的，利用CRC8算法在所述数据帧加入纠错校验码，所述CRC8算法的多项式公式是x8+x2+x+1。
进一步的，在所述数据帧的最前端附加帧起始信号。
优选的，对所述数据帧的每个数据码元的前肩进行斜坡幅度调制，对所述数据帧除最后一个数据码元外的其余数据码元的后肩进行斜坡幅度调制，在同一个数据码元中，前肩斜坡幅度调制的时间短于后肩斜坡幅度调制的时间。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，利用线性调频信号可以从局部推演出全局的特性，能够有效地抗多径干扰，同时在数据帧中加入了纠错校验码进一步提高声波通信解码在低信噪比的情况下的解码成功率，利用斜坡幅度调制降低了声波通讯时的噪声。
附图说明
图1是本发明实施例1的无帧结束标志的编码图；
图2是本发明实施例2的有帧结束标志的编码图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，采用四种或四种以上相同持续时间、相同相位以及不同起始、截止频率的线性调频信号代表2个或者2个以上比特的数据码元，将数据信息调制在线性调频信号的起止频率和调频斜率上得到数据帧。优选的，选取16中线性调频信号代表不同二进制4bit组合，从而兼顾编码效率和解码效率。
而具体的，线性调频信号的数学表达式为cos(2π*(fb+(fe-fb)*t/T)*t)，其中，fb为起始频率，fe为截止频率，T为持续时间，t的取值为0≤t≤T。
根据实验，3～5米距离范围内的空气声波通信其多径干扰会持续20～40ms，通常是20ms居多。只要数据码元的持续时间大于等于40ms，该码元就有很大的几率没有被完全干扰。多径干扰分为两种：一种是前一码元干扰后一码元，另一种是本码元的前半部分干扰后半部分。如果是正弦波信号，有可能干扰信号与通信信号刚好幅度相近、相位相反而导致衰减最大，从而不能正确解码。而线性调频信号是非正弦波信号，上述情形基本不会发生。也就是说，解码时，把码元分为2个或3个区间进行自相关运算，得到各区间的起止频率、调频斜率，就可以从某个区间局部的特征得到该码元携带的数据信息，这样即使码元的某个区间被多径效应干扰了，只要存在一个区间没有被干扰，该码元所携带的信息就会被准确地解码出来。
线性调频信号这种可以从局部推演出全局的特性，能够有效地抗多径干扰，相当于每个码元自带了纠错码，降低了通信的误码率。
但是仍然存在某个码元完全被干扰的情况，为了进一步提高声波通信解码装置在低信噪比的情况下解码的成功率，本发明在数据帧中加入了纠错校验码，这样即使少数几个码元被完全干扰，也能通过纠错码得到正确的信息。优选地，纠错校验码选择CRC8算法，其多项式公式是x8+x2+x+1。
为了让声波通信解码装置能够准确定位码元的位置，本发明在数据帧的信息头部加入了帧起始信号。帧起始信号可以采用单音信号或者线性调频信号来实现。
为了让声波通信解码装置能够识别数据帧什么时候能够结束，本发明在数据帧中包含了数据帧长度信息。也可以在数据帧结束后附加一个帧结束信号来替代数据帧长度信息，帧结束信号可以采用单音信号或者线性调频信号来实现。
为了降低前一码元对后一码元的干扰，有些编码方法采用在码元之间加入一定间隔时间(如20ms)的方法，但这种方法会导致编码效率低。本发明对线性调频信号每个数据码元的前肩和后肩分别进行不同宽度的斜坡幅度调制。斜坡幅度调制并不携带数据信息，仅仅是为了降低前一码元对后一码元的干扰和降低噪声。在同一个数据码元中，前肩斜坡幅度调制的时间短于后肩斜坡幅度调制的时间，前肩宽度取码元宽度的1/30～1/40；后肩宽度取码元宽度的1/4～1/3。对前肩进行斜坡幅度调制可降低声波通讯时的噪声；对后肩进行比较宽的斜坡幅度调制，减少了本码元发送的能量，可减少本码元对后一码元的多径干扰。根据以上所述原理，本发明的最后一个数据码元的后肩不进行斜坡幅度调制，这样最后一个码元发送的能量就不会减少，以便让声波通信解码装置能更好地接收信息。
下面结合具体附图和实施例对本发明的内容作详细说明。
实施例1
本实施例选取16种线性调频信号代表不同二进制4bit组合。线性调频信号的数学表达式是cos(2π*(fb+(fe-fb)*t/T)*t)，其中，fb为起始频率，fe为截止频率，T为持续时间，t的取值为0≤t≤T。具体的线性调频信号的信息如表1所示：
表1
如要发送的二进制数据是：0100，1111，0101，0000，1010，1011，1100，1101，1110，1111，0000，0001，0010，0011，0010，0001，1101，1100，0100，0100，1100，1101，则用线性调频信号的编号来表示则是：4F50ABCDEF012321DC44CD。
接着统计要发送的数据的长度，按4bit为单位来统计。以上数据的长度是22，转换为2进制是0001,0110，用线性调频信号的编号来表示则是16，把数据长度信息附加在原数据的头部，得到数据(1)：164F50ABCDEF012321DC44CD。
纠错校验码选择CRC8，其多项式公式是x8+x2+x+1。对164F50ABCDEF012321DC44CD求CRC8计算，得到CRC8校验码为：62，把校验码附加到数据(1)头部，得到数据(2)：62164F50ABCDEF012321DC44CD；将数据(2)按字节反序，得到数据(3)：CD44DC212301EFCDAB504F1662；对数据(3)求CRC8计算，得到CRC8校验码为：41，校验码附加到数据(2)尾部，得到最终发送的数据(4)：62164F50ABCDEF012321DC44CD41。
对每个数据码元的线性调频信号的前肩进行斜坡幅度调制，对除最后一个数据码元的其余数据码元的后肩全部进行斜坡幅度调制，前肩的斜坡时间选择为1.111ms，后肩的斜坡时间选择为12ms，如图1的④、⑤所示。对前肩进行斜坡幅度调制可降低声波通讯时的噪声，对后肩进行比较宽的斜坡幅度调制，减少了本码元发送的能量，可减少本码元对后一码元的多径干扰。根据以上所述原理，本发明最后一个码元的后肩不进行斜坡幅度调制，这样最后一个码元发送的能量就不会减少，以便让声波通信解码装置能更好地接收信息。
为了能够让声波通信解码装置能够准确定位码元的位置，在信息头部加入了帧起始信号，本实例中帧起始信号由两部分组成，第一部分是持续时间为60ms、频率为14700HZ的单音频信号，其后肩进行宽度为10ms的斜坡幅度调制；第二部分是持续时间为20ms、频率为14950HZ的单音频信号，其前肩进行宽度为1.111ms的斜坡幅度调制，其后肩进行宽度为12ms的斜坡幅度调制，以免对第一个码元产生多径干扰。
本实施例利用技术线性调频的空气声波通信编码方法生成的数据帧的编码图如图1所示，其中①段为帧起始信号，可以为单音信号或者线性调频信号，②段为针对线性调频信号的CRC校验码，③段为包含数据长度信息的数据信息，④段为码元前肩斜坡，⑤段为码元后肩斜坡。
实施例2
本实施例与实施例1的编码方式基本一致，不同点在于实施例1中由于数据信息中包含了数据长度信息，因此无帧结束信号，而本实施例的线性调频信号的数据信息中不包含数据长度信息，本实施例则需要在数据帧的最尾部包含一个帧结束信号。其编码图如图2所示，其中⑥段为线性调频信号的不包含数据长度信息的数据信息，⑦段为帧结束信号，可以为单音信号或者线性调频信号。

Claims (7)

1.一种基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，采用四种或四种以上相同持续时间、相同相位以及不同起始、截止频率的线性调频信号代表2个或者2个以上比特的数据码元，将数据信息调制在所述线性调频信号的起止频率和调频斜率上得到数据帧。
2.如权利要求1所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，所述线性调频信号的数学表达式为cos(2π*(fb+(fe-fb)*t/T)*t)，其中，fb为起始频率，fe为截止频率，T为持续时间，t的取值为0≤t≤T。
3.如权利要求1所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，用线性调频信号的编码方式将所述数据帧的长度附加在所述数据帧的头部。
4.如权利要求1所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，在所述数据帧的尾部附加帧结束信号。
5.如权利要求3或4所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，利用CRC8算法在所述数据帧加入纠错校验码。
6.如权利要求1所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，在所述数据帧的最前端附加帧起始信号。
7.如权利要求1所述的基于线性调频的空气声波通信编码方法，其特征在于，对所述数据帧的每个数据码元的前肩进行斜坡幅度调制，对所述数据帧除最后一个数据码元外的其余数据码元的后肩进行斜坡幅度调制，在同一个数据码元中，前肩斜坡幅度调制的时间短于后肩斜坡幅度调制的时间。
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