CN109347571B - 基于超声波的无线广播通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波的无线广播通信方法及系统，包括：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；通过麦克风接收调制的信号；提取接收到的信号中所需的信号特征；利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调。基于超声波的通信具有高方向性，可在短距离内实现穿透性，使得系统在人群中仍然运行良好。

Description

基于超声波的无线广播通信方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及基于超声波的无线广播通信方法及系统。

背景技术

随着物联网技术的发展，智能设备逐渐增多并且呈现继续增加的趋势，相应地，智能设备之间的联系也因为物联网而更加密切。在其飞速前进的同时，一些问题也渐渐出现，比如：安全性问题，在物联网连接中，许多设备涉及个人隐私，如何在没有隐私泄露的情况下与其他物联网设备连接是第一大问题；设备间联通问题，许多设备有自己的应用场景和不同的需求，我们如何针对不同的应用场景分别使用适当的方法是需要考虑的第二大问题等。在近期的研究中，已经有人员提出了一些尝试性的解决方式，比如：蓝牙、近场通讯、射频识别技术以及无线局域网等。然而这些技术都具有自己的局限性，需要我们提出一种更高效且稳定的方法，随着这些缺点的发现，人们也逐渐将研究投入到了声音上。

在之前的研究之中，已经开发出了用于水下通信的声学应用，该应用使用扬声器和麦克风作为传感器来监测海洋生态系统。近年来，许多研究已经在空中声学通信领域进行了许多尝试。空中声学通信可以为智能设备中WiFi和蓝牙通信方式提供替代方法，但是由于超声波的方向性，超声波通信主要被用于研究无线传感和环境检测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超声波的无线广播通信方法及系统。

根据本发明提供的一种基于超声波的无线广播通信方法，包括：

信号传输步骤：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收步骤：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取步骤：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断步骤：利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调步骤：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调。

较佳的，对于幅度调制的信号，使非线性性质造成的二次项恰好等于原信号的平方结果：

S_AM＝m(t)cos(ω_ct)+α*cos((ω_c+ω_v)t)

其中，m(t)为所需要传输的基带信号，ω_c为载波信号的频率，α为调制参数，ω_v为信道对应频率偏移。

较佳的，所述解调步骤对幅度调制的信号进行解调时：分信道进行解调，再合成不同信道的解调内容。

较佳的，对于频移键控调制的信号，使其平方项在通过麦克风的低通滤波器之后的频率中心位于特定位置：

S_FM＝A₁*cos(ω_c1t+βcosω_m1t)+A₂*cos(ω_c2t+γcos(2*ω_m2t))+A₃*cos(ω_st)

其中，ω_c1、ω_c2和ω_s是三个载波频率，ω_m1和ω_m2为基带信息的频率表示，γ和β为调制参数需要根据硬件的频响来决定。

较佳的，所述解调步骤对频移键控调制的信号进行解调时：确定通信的信道数目，由通过带通滤波器、低通滤波器和平方器组成的解调器进行解调。

根据本发明提供的一种基于超声波的无线广播通信系统，包括：

信号传输模块：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收模块：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取模块：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断模块：利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调模块：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调。

较佳的，对于幅度调制的信号，使非线性性质造成的二次项恰好等于原信号的平方结果：

S_AM＝m(t)cos(ω_ct)+α*cos((ω_c+ω_v)t)

其中，m(t)为所需要传输的基带信号，ω_c为载波信号的频率，α为调制参数，ω_v为信道对应频率偏移。

较佳的，所述解调模块对幅度调制的信号进行解调时：分信道进行解调，再合成不同信道的解调内容。

较佳的，对于频移键控调制的信号，使其平方项在通过麦克风的低通滤波器之后的频率中心位于特定位置：

S_FM＝A₁*cos(ω_c1t+βcosω_m1t)+A₂*cos(ω_c2t+γcos(2*ω_m2t))+A₃*cos(ω_st)

其中，ω_c1、ω_c2和ω_s是三个载波频率，ω_m1和ω_m2为基带信息的频率表示，γ和β为调制参数需要根据硬件的频响来决定。

较佳的，所述解调模块对频移键控调制的信号进行解调时：确定通信的信道数目，由通过带通滤波器、低通滤波器和平方器组成的解调器进行解调。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

基于超声波的通信具有高方向性，可在短距离内实现穿透性，使得系统在人群中仍然运行良好。此外，超声波通信具有低功耗的优点，使其更适合于对于功率有所限制的物联网设备。通过SDMA(空分多址，space division multiple access)增加了空间中通信信道数目，从而有效地提高了传输速率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为麦克风的结构示意图；

图2为超声波发生器波束示意图；

图3为本发明的通信示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一般的商用麦克风系统可以表示为如图1所示的框图，其包括传感器、前置放大器、低通滤波器、衰减器、以及模数转换器。我们利用前置放大器的非线性性质，对超声波进行处理从而实现超声波广播通信方法。

传统的SDMA技术利用智能天线技术，利用智能天线的方向将不同的数据传输到不同的空间。类似地，如图2所示，我们测试了超声波探头的波束角，可以从图2的右图中看出探头的空间波束角实际上可以抽象成一个简单的圆锥体，通过简单的模型我们可以在小空间内轻松视线(LOS)场中实现SDMA。

如图3所示，本发明提供的一种基于超声波的无线广播通信方法，包括：

信号传输步骤：建立空分多址(SDMA)的超声波广播通信，实现幅度调制(AM)的语音信号传输和频移键控调制(FSK)的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收步骤：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取步骤：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断步骤：利用支持向量机(SVM)分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调步骤：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调，以适应非线性性质。

传统的SDMA技术利用智能天线技术，利用智能天线的方向将不同的数据传输到不同的空间。类似地，因为超声发生器具有小波束角度以及超声波具有高方向性，使得可以在视线(LOS)场中实现SDMA。

在没有任何干扰的情况下部署SDMA，必须使衰减最小化，以便最大化传输距离。

我们可以通过设置特定间隔ω的发生器来应用SDMA方案。

d为传播距离，θ为波束张角。

实施例一：

为了评估SDMA中的简单模型，我们测试了发生器输出功率与传输距离之间的关系。为了将传输距离扩展到8m，我们采用并联电路的换能器阵列(4×4)。当功率提升到5w时，我们可以得到8m的传输距离。

我们还通过实验测试了简单模型计算的理论面积与实际面积之间的差异比。结果表明，尽管建模区域与实际区域之间存在较大差距，但简单扇区模型可以很好地实现SDMA方案而不受任何干扰。

其次为调幅调制与频移键控对适应非线性性质而做的调整。

对于调幅调制，在调制方面，我们利用了麦克风带宽很宽的特点，对其信号进行了改变，使得非线性性质造成的二次项恰好等于原信号的平方结果:

S_AM＝m(t)cos(ω_ct)+α*cos((ω_c+ω_v)t)

其中，m(t)为所需要传输的基带信号，ω_c为载波信号的频率，α为调制参数，ω_v为信道对应频率偏移。

在解调方面，我们遵循以下两步骤：

步骤1：确定通信中的信道数目。

步骤2：设计由带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)和平方器组成的解调器。

对于频移键控，类似调幅调制，我们对FSK信号进行了改变，使其平方项在通过低通滤波器之后的频率中心位于特定位置:

S_FM＝A₁*cos(ω_c1t+βcosω_m1t)+A₂*cos(ω_c2t+γcos(2*ω_m2t))+A₃*cos(ω_st)

其中，ω_c1、ω_c2和ω_s是三个载波频率，ω_m1和ω_m2为基带信息的频率表示，γ和β为调制参数需要根据硬件的频响来决定。

同时，为了获得更高的通信速率，我们设计了多速率多信道协同传输方案。在该方案中，我们分别使用具有不同传输速率的两个信道；对于接收器，我们进行以下步骤：

步骤1：分信道解调。

步骤2：合成不同信道解调内容，按照速率比进行插值。

实施例二：

对于AM调制：

我们的AM通信方案是(3×3)发生器阵列系统，接收器是三星智能手机。录制的声音信号在MATLAB中进行提取和处理，为了测试解调语音的质量，我们通过常用的语音识别系统Google语音识别引擎进行测试。我们选取3个通道进行了实验，测试距离为1米(从低频到高频通道：ch1，ch2，ch3)并测试其语音识别精度以评估我们的AM通信。结果表明除了ch3精度低于90％受不均匀频率响应影响外，ch1和ch2的精度均高于90％，特别是ch2高达99％。我们还测试了传输距离对于精度的影响。结果表明，由于信道存在衰减，精度随着距离的增加而变低。

对于FSK：

我们的FSK通信由三个更大尺寸的超声发生器组成，以实现高比特率通信。我们测试了增加发送器和接收器之间的分离时，此通信方案的吞吐量。结果表明，我们的方案可以在0.5米处实现6kbps的吞吐量，在1米处实现4.8kbps的吞吐量，在2米处实现3kbps的吞吐量。我们同时将此方案和最先进的移动声学通信在吞吐量方面进行了比较。结果表明，与受窄带限制的最先进系统不同之处在于，由于我们的系统利用了整个可听带宽，我们传输比特率比已有系统更高。

最后我们利用支持向量机依据不同信号特征对调制方法进行了检测。

实施例三：

步骤A:特征提取:

我们利用R参数来检测信号变化强度。

首先，计算包络的平方结果:

E(n)＝|s(n)|²＝Re²[s(n)]+Im²[s(n)]

其中，s(n)为信号，Re和Im分别代表信号的实部和虚部。

然后，计算均值和方差：

其中，n为信号的长度。

最后，计算R参数：

R＝σ²/μ²

其中，σ²为方差，μ为均值。

我们利用载波权重因子来判断是否为载波：载波重量因子定义为峰值幅度与频谱邻接幅度之间的比值。

我们利用频谱中前6个峰的指数(频率)的差异来描述频率分散程度。

同时还用到了超出信号频谱平均功率的点数。

利用特征向量能够达到98％的识别率，能够满足自适应解调系统的要求。

步骤B:训练阶段：

我们首先通过Matlab生成一组噪声调制信号，将信号分成包含2048个点的段，并用“0”表示标记AM，“1”表示FSK。然后通过上面提到的特征提取方法计算出特征向量输入SVM并通过超参数调整优化精度。(在训练中，我们选择了Gaussian Kernel作为SVM的核函数。)

步骤C:测试阶段：

我们的测试装置是由智能设备上的微型电话所记录的实用数据。通过相同的方法，我们也可以在Matlab上测试SVM分类器的准确性。

在上述一种基于超声波的无线广播通信方法的基础上，本发明还提供一种基于超声波的无线广播通信系统，包括：

信号传输模块：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收模块：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取模块：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断模块：利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调模块：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于超声波的无线广播通信方法，其特征在于，包括：

信号传输步骤：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收步骤：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取步骤：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断步骤：利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调步骤：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调；

设置特定间隔ω的发生器来应用空分多址方案；

d为传播距离，θ为波束张角；

对于幅度调制的信号，使非线性性质造成的二次项等于原信号的平方结果：

S_AM＝m(t)cos(ω_ct)+α*cos((ω_c+ω_v)t)

其中，m(t)为所需要传输的基带信号，ω_c为载波信号的频率，α为调制参数，ω_v为信道对应频率偏移；

对于频移键控调制的信号，使其平方项在通过麦克风的低通滤波器之后的频率中心位于特定位置：

S_FM＝A₁*cos(ω_c1t+βcosω_m1t)+A₂*cos(ω_c2t+γcos(2*ω_m2t))+A₃*cos(ω_st)

其中，ω_c1、ω_c2和ω_s是三个载波频率，ω_m1和ω_m2为基带信息的频率表示，γ和β为调制参数需要根据硬件的频响来决定。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的无线广播通信方法，其特征在于，所述解调步骤对幅度调制的信号进行解调时：分信道进行解调，再合成不同信道的解调内容。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的无线广播通信方法，其特征在于，所述解调步骤对频移键控调制的信号进行解调时：确定通信的信道数目，由通过带通滤波器、低通滤波器和平方器组成的解调器进行解调。

4.一种基于超声波的无线广播通信系统，其特征在于，包括：

信号传输模块：建立空分多址的超声波广播通信，实现幅度调制的语音信号传输和频移键控调制的数字信号传输，将语音信号和数字信号调制到超声波波段；

接收模块：通过麦克风接收调制的信号；

特征提取模块：提取接收到的信号中所需的信号特征；

调制方式判断模块：利用支持向量机分类器对提取的不同信号特征进行检测，分类出幅度调制和频移键控调制的信号；

解调模块：对分类出的幅度调制和频移键控调制的信号进行解调；

设置特定间隔ω的发生器来应用空分多址方案；

d为传播距离，θ为波束张角；

对于幅度调制的信号，使非线性性质造成的二次项等于原信号的平方结果：

S_AM＝m(t)cos(ω_ct)+α*cos((ω_c+ω_v)t)

其中，m(t)为所需要传输的基带信号，ω_c为载波信号的频率，α为调制参数，ω_v为信道对应频率偏移；

对于频移键控调制的信号，使其平方项在通过麦克风的低通滤波器之后的频率中心位于特定位置：

S_FM＝A₁*cos(ω_c1t+βcosω_m1t)+A₂*cos(ω_c2t+γcos(2*ω_m2t))+A₃*cos(ω_st)

其中，ω_c1、ω_c2和ω_s是三个载波频率，ω_m1和ω_m2为基带信息的频率表示，γ和β为调制参数需要根据硬件的频响来决定。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的无线广播通信系统，其特征在于，所述解调模块对幅度调制的信号进行解调时：分信道进行解调，再合成不同信道的解调内容。

6.根据权利要求4所述的基于超声波的无线广播通信系统，其特征在于，所述解调模块对频移键控调制的信号进行解调时：确定通信的信道数目，由通过带通滤波器、低通滤波器和平方器组成的解调器进行解调。

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