CN109690979B - 通过随机声信号编码的方法及相关的传输方法 - Google Patents

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CN109690979B CN201780036935.7A CN201780036935A CN109690979B CN 109690979 B CN109690979 B CN 109690979B CN 201780036935 A CN201780036935 A CN 201780036935A CN 109690979 B CN109690979 B CN 109690979B
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Abstract

本发明涉及一种将字母表的信息符号编码成随机声信号的方法。通过以下步骤以启发式方式来构造编码字典：获取(110)随机信号的集合；通过传输信道的等效滤波器对所述随机信号进行滤波；选择(140)经滤波后的信号的子集，并且对于每个子集，计算(160)所选择的信号的相关矩阵，以及由相关矩阵最接近地类似于对角矩阵的子集构成(170‑180)编码字典。本发明还涉及一种通过声信号发送和接收信息符号的方法。

Description

通过随机声信号编码的方法及相关的传输方法
技术领域
本发明总体上涉及编码领域和通过声信号、声波信号、次声信号或超声波信号进行通信的领域。
背景技术
通过声信号进行信息编码已广泛用于数据传输的环境中，特别是在固定电话系统的语音信道上。例如，众所周知的是通过DTMF(Dual Tone Multi Frequency，双音多频)码发送字母数字数据，每个字母数字字符对应于在语音信道上同时发送的一对可听频率。用于DTMF编码的方法的描述可在专利US-B-6751303中找到。此外，该DTMF编码可在专利申请US-A-2004/0081078中提出的纠错编码(信道编码)之前进行。
然而，DTMF编码方法不能防止试图拦截所发送的消息的第三方的攻击。保证在语音信道上传输的消息的机密性和完整性的第一种解决方案是通过采用私钥或公钥的加密算法来加密消息，然后发送上述通过DTMF码加密的消息的符号。在接收时，上述经加密的消息的符号可从以DTMF频率为中心的一组滤波器获得，并且清除的消息将通过解密算法恢复。
然而，加密/解密算法实现起来很复杂，特别是考虑到所使用的加密密钥很长才能防止密码分析攻击。
因此，本发明的目的是提出一种通过声信号进行编码的方法，该方法保证了所发送的消息的良好机密性，并且特别简单可靠。
发明内容
本发明提出了一种通过声信号对字母表(A)的信息符号进行编码的方法，，其特征在于，该方法包括：
(a)获取随机信号的集合并通过感兴趣的滤波器对该随机信号进行滤波；
(b)选择所述集合中N个信号的子集(SN)，并且对于每个子集，计算所选择的信号的相关矩阵；
(c)将与最接近于对角矩阵的相关矩阵对应的N个信号的子集保留为编码字典；以及
(d)通过所述字典的随机信号来编码字母表的每个信息符号，字典的所述随机信号通过换能器转换成声信号。
有利地，通过随机发生器使用物理现象来获取所述随机信号。
优选地，在步骤(c)，
(c1)通过第一选择的信号子集的随机信号
Figure BDA0001904367770000021
中的一个依次替换所述集合的新的随机信号；以及
(c2)针对所替换的子集中的每一个，计算所述随机信号的相关矩阵(Ci→k，C'i→k)，并推导出表征所述相关矩阵与对角矩阵的接近度的品质因数(Qi→k，Q'i→k)；
只要所述集合的随机信号尚未耗尽和/或所述品质因数低于预定阈值(QTh，Q'Th)，重复步骤(c1)和(c2)。
根据第一实施例，在步骤(b)之前，从每个随机信号中减去所述随机信号的平均值使得所述随机信号集中。
品质因数通过
Figure BDA0001904367770000022
或者
Figure BDA0001904367770000023
或者
Figure BDA0001904367770000024
来计算，其中系数C'ij是该相关矩阵的元素，并且min、max和moy分别表示最小值、最大值和平均值。
根据第二实施例，在步骤(b)之前，对所集中的随机信号的能量进行归一化，以获得归一化的随机信号，所述归一化的随机信号每个样本具有相同的平均能量(E0)。
所述品质因数可通过
Figure BDA0001904367770000031
或者
Figure BDA0001904367770000032
或者
Figure BDA0001904367770000033
来计算，其中系数Cij是相关矩阵的元素，E0是所述随机信号的每个样本的平均能量，并且其中min、max和moy分别表示最小值、最大值和平均值。
本发明还涉及一种用于通过声信号发送字母表(A)的信息符号的方法，其中，所述符号通过预先定义的编码方法编码，所述声信号对应于在传输信道上顺序发送的连续的信息符号。
可替选地，可在传输信道上同时发送对应于不同的信息符号的声信号。
在所有情况下，可在通过声信号对所述信息符号进行编码之前，对所述符号的块进行信道编码。
本发明最后涉及一种用于接收信息符号的方法，其中，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换成电信号，将所述电信号与编码字典的随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中最高的相关结果提供在所述符号时间期间接收到的符号的索引。
可替选地，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换成电信号，将所转换成的电信号与所述编码字典的随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中高于预定阈值相关结果提供在所述符号时间期间接收到的符号的索引。
可选地，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换为电信号，将所述电信号与编码字典的随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中高于预定阈值的相关结果提供在所述符号时间期间接收到的符号的索引，然后对所接收到的符号块进行信道解码。
附图说明
通过参考附图阅读本发明的优选实施例，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中，
图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的通过随机声学信号来构造编码字典的方法；
图2示意性地示出了根据本发明第二实施例的通过随机声学信号来构造编码字典的方法；
图3示出了在图2的编码中使用的随机声学信号的自相关矩阵；
图4示意性地示出了根据本发明的实施例的用于发送通过随机声学信号编码的信息符号的方法；
图5示意性地示出了用于接收通过图4的传输方法发送的随机声学信号的方法。
具体实施方式
下文中将考虑用于在声信道上发送/接收的系统。声信道被指的是用于传播声波(在可听频率20Hz-20kHz的范围内)的信道，或者甚至超声波(即频率大于20kHz)或次声波(即频率小于20Hz)。
要编码的消息在需要发送时由属于预定的字母表的信息符号构成。该字母表例如由一组n比特的字组成，其中n＞1。一般来说，对于基数为N的字母表A，总是可归结为大小为
Figure BDA0001904367770000041
的一组二进制字。
本发明的基本思想是以启发式方式构造通过随机声信号对字母表A的符号的编码。更具体地，在假设基数M＞＞N的随机信号的集合S被生成时，本发明的基本思想是遵守某个质量准则选择这M个随机信号的子集
Figure BDA0001904367770000042
并且以一对一的方式将上述选择的随机信号之一与字母表A的每个符号相关联。然后，将A单射到所获得的S限定了对随机信号的编码，接下来由电声换能器再现所述随机信号，进而限定了随机声学编码。
图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的通过随机声信号来构造编码字典的方法。
根据第一替选方案，通过连续迭代以顺序方式执行编码字典(或码本)的构造。可替选地，编码字典的构造可以如下文中所述以并行方式执行。
在步骤110，获取随机声信号的集合。这些信号例如通过随机发生器使用物理现象获得，该物理现象诸如在电阻的端子处的热噪声或麦克风的接地噪声。通过具有预定通带的采集链获取这些信号，然后以相应的奈奎斯特频率对所获得的信号进行采样。可替选地，随机信号可通过伪随机发生器、有利地通过对密码质量的选择获得。下文中，需要明确理解的是“随机信号”涵盖这两种选择。无论何种情况，每个随机信号由L个样本构成，并存储在存储器中。
在步骤120，可选地用具有感兴趣型的滤波器对随机信号进行滤波，该感兴趣型的滤波器例如为对传输信道的响应进行应答的滤波器。传输信道的响应由以下响应的卷积构成：放大链的响应、传输换能器(扬声器、压电换能器或其他设备)的响应、传播信道的响应、接收换能器(麦克风、压电换能器或其他设备)的响应以及接收链的响应。
在步骤130，如果需要在步骤120进行滤波，则对每个随机信号进行集中和归一化，以获得具有相同能量E的集中的随机声信号的集合S。更具体地，如果si＝(si(1),....si(L))表示先前产生的随机声信号，则相应的集中且归一化的信号由
Figure BDA0001904367770000051
给出：
Figure BDA0001904367770000052
其中，
Figure BDA0001904367770000053
是信号si的平均值，E0＝E/L是随机信号的每个样本的平均能量。
在步骤140，任意选择由N个集中且归一化的随机信号
Figure BDA0001904367770000054
构成的S的子集SN，并计算这些信号的相关矩阵。相关矩阵是一个大小为N×N的对称矩阵，其元素是相关系数：
Figure BDA0001904367770000055
并且对角元素都等于E0。
在下文中，相关矩阵的品质因数或者等同地集合SN的品质因数的值为：
Figure BDA0001904367770000061
或者，可替选地：
Figure BDA0001904367770000062
其中，
Figure BDA0001904367770000063
是相关矩阵的非对角元素(考虑到矩阵是对称的)的绝对值的平均值。
还可替选地，品质因数可通过限定为如下：
Figure BDA0001904367770000064
一般而言，相关矩阵C由表示其到对角矩阵的接近度的品质因数Q来表征，当矩阵的非对角元素与对角元素相比较低时，品质因数更高。
接下来在步骤150处进入迭代循环。
在步骤150，将S的尚未考虑的新的集中且归一化的随机信号
Figure BDA0001904367770000065
考虑在内，因此
Figure BDA0001904367770000066
在步骤160，计算随机信号
Figure BDA0001904367770000067
的大小为N×N的相关矩阵Ci→ki＝1,...,N。换言之，SN的N个信号中的每一个被信号
Figure BDA00019043677700000610
依次替换，并且每次在该替换之后计算信号的相关矩阵。
应该注意的是，矩阵Ci→k的计算仅需要根据表达式(2)计算N-1个相关系数，即采用信号
Figure BDA0001904367770000068
得到信号
Figure BDA0001904367770000069
其他系数先前已经计算过。
接下来根据表达式(3)至(5)之一确定每个矩阵Ci→k，i＝1,...,N的品质因数Qi→k，并由此推导出以下：
Figure BDA0001904367770000071
在步骤170，进行测试以确定
Figure BDA0001904367770000072
是否高于值Q，换句话说，如果存在
Figure BDA0001904367770000073
替换
Figure BDA0001904367770000074
则可改善该组SN的品质因数。如果
Figure BDA0001904367770000075
不高于值Q，则转到步骤185以测试停止准则。如果
Figure BDA0001904367770000076
高于值Q，则转到步骤180。
在步骤180，在集合SN中，用信号
Figure BDA0001904367770000077
替换信号
Figure BDA0001904367770000078
(其中
Figure BDA0001904367770000079
)，并且对品质因数进行更新：
Figure BDA00019043677700000710
在步骤185，测试停止准则。如果停止准则是令人满意的，则编码的构建过程在步骤190结束。反之，则返回步骤150考虑新的随机声信号。
第一停止准则可以是集合S的耗尽。
替选地或累积地，第二停止准则可以是获得高于预定阈值QTh的品质因数。
只要S的信号尚未耗尽(第一停止准则)或获得高于阈值的品质因数(第二停止准则)，就重复执行步骤150至步骤185。
因此，逐渐构造成彼此具有低相关性的随机声信号的集合SN。
代替以迭代方式继续进行，也能够以并行方式继续进行。在这种情况下，即刻考虑S的N个随机信号的所有可能的组合，并且针对这些组合中的每一个计算它们的相关矩阵的品质因数。最后，选择导致最高品质因数的组合。得到的随机信号的集合SN构成编码字典。
图2示意性地示出了根据本发明第二实施例的通过随机声信号来构造编码字典的方法。
获取随机信号的集合并对随机信号的集合进行滤波的步骤210和220与图1的步骤110和120相同，因此将不再赘述。
在步骤230，从每个信号中减去其平均值，以获得集中的随机信号
Figure BDA00019043677700000711
的集合。然而，与第一实施例不同，随机信号在此处不是能量归一化的。然而，可选地，可消除低于预定阈值ETh的能量信号。最终获得随机信号的集合S。
在步骤240，任意选择由N个集中的随机信号
Figure BDA0001904367770000081
构成的S的子集SN，并计算这些信号的相关矩阵。该相关矩阵的元素由下式给出：
Figure BDA0001904367770000082
与第一实施例不同，对角线上的元素不相同。接下来计算相关矩阵的品质因数，即就是说，等效地计算集合SN的品质因数。
在该实施例中，品质因数可如下计算：
Figure BDA0001904367770000083
或者，可替选地：
Figure BDA0001904367770000084
或者为：
Figure BDA0001904367770000085
如在第一实施例中那样，品质因数Q'反映了相关矩阵与对角矩阵的接近度。
接下来进入迭代循环，步骤250至步骤285与前面描述的步骤150至步骤185相同，唯一的区别在于使用表达式(7)至(9)之一来计算品质因数Q'。
当满足停止准则时，也就是说当集合S耗尽时或者当通过依次替换发现其子集SN的品质因数低于预定阈值Q'Th时，得到的子集SN是所寻求的编码字典。
图3示出了根据图2的方法构造的编码字典的随机声信号的相关矩阵的元素。更具体地，这里示出了字典SN的随机声信号的相关系数的绝对值|C'ij|，其中N＝256。可观察到，主对角线的相关系数(即不同随机信号的能量)显著高于非对角线上的相关系数。
图4示意性地示出了根据本发明实施例的通过随机声信号来发送信息符号的方法。
假设根据图1或图2的方法的编码字典被预先生成，换句话说，存在随机声信号的集合SN。
通过在410中的信道编码可选地对待发送的字进行编码，信道编码例如BCH或里德-所罗门(Reed-Solomon)型块编码。如果需要，也可以以本身已知的方式添加CRC编码。通过信道编码和/或CRC编码进行编码的块接下来被划分成n大小的字，进而被划分成基数N＝2n的字母表A的符号。
在n比特的每个字
Figure BDA0001904367770000091
中，在420处在存储器430中读取以一对一的方式与所述每个字相关联的随机信号SN。接下来在440将该信号转换成模拟信号，然后在450将所转换的模拟信号被放大，最后在460通过换能器(例如扬声器或压电换能器)发出放大的信号。
因此，待发送的一串字被转换成由一串随机声信号SN构成的声信号。
可替选地，可在传输信道上同时发送多个字，即字母表A的多个符号。在这种情况下，在字周期期间发送的声信号将由与这些不同的字相关联的随机声信号的总和简单地构成。
图5示意性地示出了用于接收由图4的发送方法发送的声信号的方法。
通过换能器510接收到的声信号被转换成电信号，如果需要，将该电信号放大(该步骤未示出)，然后在520以奈奎斯特频率对放大后的信号进行采样。由此获得的样本序列在并行的一组相关器5301，……，530N中与字典SN的基本随机信号
Figure BDA0001904367770000092
(或在第二实施例中为
Figure BDA0001904367770000093
)相关。
相关器可例如以与基本随机信号
Figure BDA0001904367770000094
(或在第二实施例中为
Figure BDA0001904367770000095
Figure BDA0001904367770000096
)匹配的滤波器的形式实现。
首先假设传输以顺序方式进行，并且相关器与连续的字之间的转换同步。特别地，可以在前导码中向有效载荷发送前导码导频序列(例如帧头)，使相关器能够与字的节奏1/T同步。
在540，在每个周期T结束时，将不同相关器的输出处的相关结果相互比较。信号
Figure BDA0001904367770000101
的对应于绝对值中最高的相关结果的索引i给出了字母表A的已经发送的符号的索引。实际上，在550，将索引i用作地址元素来读取存储器560，该存储器中存储了字母表A的字
Figure BDA0001904367770000102
将在该地址处读取的n比特的字
Figure BDA0001904367770000103
提供给信道解码器570。信道解码器将连续的字进行连接形成块并对这些块执行信道解码。本领域技术人员将理解的是，信道解码将使得能够校正会影响所发送的块的某些误差，并且CRC的计算将使得能够确定这些块是否已被正确解码。
根据替选方案，可在传输信道上同时发送多个字。在这种情况下，不将相关结果(在绝对值中)彼此进行比较，而是与预定阈值进行比较。然后，相关器的输出给出字母表A的已发送的字的索引。以相同的方式，在将字连接成块之后，接下来可执行块的信道解码。
在不超出本发明范围的情况下，本领域技术人员可设想许多其他替代方案。例如，在传输时，可以设想在放大步骤之前使用随机信号来调制载波或多个子载波。以对称的方式，通过声换能器接收到的信号在被一组相关器相关之前会进行相应的解调。
由于声信号的随机性，对收听信道的第三方而言，对该声信号进行解码以获得发送的信息符号是困难的。此外，可在发送侧和接收侧设置多个集合SN，这些集合按照预定顺序被使用。可替选地，从一集合SN到另一集合的切换可以通过在声信道上或者在辅助信道上发送的控制字来控制。

Claims (13)

1.一种通过声信号对字母表的信息符号进行编码的方法，其特征在于，所述方法包括：
a、获取随机信号的集合并通过感兴趣的滤波器对所述随机信号进行滤波(110-120；210-220)，所述滤波器用于对要发送所述随机信号的传输信道的响应进行应答；
b、选择(150，250)所述集合中经上述滤波的N个随机信号的子集SN，并且对于每个子集，计算(160，260)所选择的信号的相关矩阵；
c、将与最接近于对角矩阵的相关矩阵对应的N个随机信号的子集保留为编码字典(170-180，270-280)；以及
d、通过所述编码字典的随机信号来编码所述字母表的每个信息符号，所述字典的所述随机信号通过换能器转换成声信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a，通过随机发生器利用物理现象来获取所述随机信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤c，
c1、通过第一选择的信号子集的随机信号
Figure FDA0003093772210000011
或
Figure FDA0003093772210000012
中的一个依次替换(150，250)所述集合的新的随机信号；以及
c2、针对所替换的子集中的每一个，计算(160，260)所述随机信号的相关矩阵Ci→k或C'i→k，并推导出表征所述相关矩阵与对角矩阵的接近度的品质因数Qi→k或Q'i→k；
只要所述集合的随机信号尚未耗尽和/或所述品质因数低于预定阈值QTh或Q'Th，则重复步骤c1和c2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤b之前，从每个随机信号中减去所述随机信号的平均值使得所述随机信号集中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述品质因数通过
Figure FDA0003093772210000021
或者
Figure FDA0003093772210000022
或者
Figure FDA0003093772210000023
来计算，其中，系数C'ij是所述相关矩阵的元素，并且其中，min、max和moy分别表示最小值、最大值和平均值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b之前，对所集中的随机信号的能量进行归一化以获得归一化的随机信号，所述归一化的随机信号每个样本具有相同的平均能量E0。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述品质因数通过
Figure FDA0003093772210000024
或者
Figure FDA0003093772210000025
或者
Figure FDA0003093772210000026
来计算，其中，系数Cij是所述相关矩阵的元素，E0是所述随机信号的每个样本的平均能量，并且其中min、max和moy分别表示最小值、最大值和平均值。
8.一种用于通过声信号发送字母表的信息符号的方法，其特征在于，通过根据权利要求1到7中一项所述的通过声信号进行编码的方法来对所述信息符号进行编码，所述声信号对应于在所述传输信道上同时发送的不同的信息符号。
9.一种用于通过声信号发送字母表的信息符号的方法，其特征在于，通过根据权利要求1到7中一项所述通过声信号进行编码的方法来对所述信息符号进行编码，多个声信号对应于在所述传输信道上同时发送的不同的信息符号。
10.根据权利要求8或9所述的用于发送信息符号的方法，其特征在于，在通过声信号对所述信息符号进行编码之前，执行对所述信息符号的块的信道编码。
11.一种用于接收通过权利要求8所述的发送方法发送的信息符号的方法，其特征在于，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换成电信号，将所述电信号与所述编码字典的所述随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中最高的相关结果提供在所述符号时间期间接收到的信息符号的索引。
12.一种用于接收通过权利要求9所述的发送方法发送的信息符号的方法，其特征在于，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换成电信号，将所述电信号与所述编码字典的所述随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中高于预定阈值的相关结果提供在所述符号时间期间接收到的信息符号的索引。
13.一种用于接收通过权利要求10所述的发送方法发送的信息符号的方法，其特征在于，通过换能器将在符号时间期间接收到的声信号转换成电信号，将所述电信号与所述编码字典的所述随机信号中的每一个相关联以提供多个相关结果，绝对值中高于预定阈值的相关结果提供在所述符号时间期间接收到的信息符号的索引，然后对所接收到的信息符号的块进行信道解码。
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