CN110636460B - 一种基于语音通话的信息传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于语音通话的信息传输方法，包括如下步骤：发送者手动输入或者选择文件确定待发送的信息；发送者确定信息之后，在第一中继设备和第二中继设备之间建立语音通话，发送者位于第一中继设备附近，接收者位于第二中继设备附近；成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备；第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，识别出对应的信息。本发明能够在数据信号不佳或者无法使用数据流量的场合下传输信息。

Description

一种基于语音通话的信息传输方法
技术领域
本发明涉及信息传输技术领域，尤其是一种基于语音通话的信息传输方法。
背景技术
当前常见的在智能手机上传输信息的方式有三种：流量上网、发送短消息以及语音通话。
流量上网需要手机开通电信运营商提供的流量服务，并且发送端和接收端双方都要开通此服务。虽然现在人们使用智能手机时大多数是依赖流量传输信息的，但是流量服务也有自己的一些弊端，比如在一些偏远山区或者地下停车场，信号欠佳，用户无法连接互联网，或者传输双方有一方不能连接互联网，这时利用此方案传输信息不可行。
发送短消息是手机常用的功能之一，在发送端手机有话费的前提下，我们可以自己编辑短信发送信息。但是此方案需要我们手动编辑短信，这会导致信息较长时显得比较繁琐，并且此方案不能选择手机中的文件发送出去，在有些需要发送文件的场合下不能很好地工作。
语音通话也是手机中最常被使用的功能之一，我们不需要使用流量服务，不需要自己编辑短信，而且目前国内实行手机单向收费，只需要拨打电话的一端存有话费支持通话即可。在这种方案的基础上，我们可以利用语音通话来作为传输信息的信道，提供了在不同场合中更多信息传输方案的选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于语音通话的信息传输方法，能够在数据信号不佳或者无法使用数据流量的场合下传输信息。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于语音通话的信息传输方法，包括如下步骤：
(1)发送者手动输入或者选择文件确定待发送的信息；
(2)发送者确定信息之后，在第一中继设备和第二中继设备之间建立语音通话，发送者位于第一中继设备附近，接收者位于第二中继设备附近；
(3)成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，并且利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备；
(4)第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，成功识别出对应的信息。
优选的，步骤(2)中，在第一中继设备和第二中继设备之间建立一个语音通话的连接，直接消耗话费的通话，双方在没有流量的情况下进行信息传输。
优选的，步骤(3)中，成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，并且利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备具体包括如下步骤：
(31)发送者将确定好的信息转化成对应的码字，然后编码成有两个频率组合而成的双音多频信号，这种信号可以由发送者的扬声器以声音的形式播放；
(32)在发送者用户可以自己输入一个双音多频信号的播放周期，输入好播放周期之后将信息连续不断地以声波信号的形式播放出来。
优选的，步骤(4)中，第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，成功识别出对应的信息具体包括如下步骤：
(41)第二中继设备会收到语音通话中第一中继设备传输过来的声音信号，第二中继设备提高音量将这些语音信号通过扬声器播放出来；
(42)接收端实时利用麦克风录制第二中继设备播放出来的声音信号，并且利用快速傅里叶变换算法计算出这些信号的频率成分，查找编码表中每种频率组合对应的码字，然后成功将码字解码成与发送端相对应的信息。
本发明的有益效果为：本发明可以通过语音通话传输信息，能够在无数据信号的场景下使用，尤其适用于偏远山区数据传输或救灾场景；对设备要求低，发送端和接收端为智能手机，语音通话部分可以由非智能机完成，座机亦可。语音通话可以由现在的蜂窝无线网络完成，亦可由传统电话线网络实现；误码率低至2％，准确率高。
附图说明
图1为本发明的实现框架示意图。
图2为本发明不同设备个数下的误码率示意图。
图3为本发明不同信号时长下的误码率示意图。
图4为本发明不同载波下的误码率示意图。
图5为本发明发送端和接收端在不同场景下的误码率示意图。
图6为本发明不同发送端播放声音分贝大小的误码率示意图。
具体实施方式
一种基于语音通话的信息传输方法，包括如下步骤：
(1)发送者手动输入或者选择文件确定待发送的信息；
(2)发送者确定信息之后，在第一中继设备和第二中继设备之间建立语音通话，发送者位于第一中继设备附近，接收者位于第二中继设备附近；
(3)成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，并且利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备；
(4)第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，成功识别出对应的信息。
如图1所示，系统包含四个设备，分别是发送者、第一中继设备、第二中继设备和接收者。在实际实验和使用中，发送者、第一中继设备为一组，接收者、第二中继设备为一组，两组不在同一个区域内。
1、编码播放声波数据；
本步骤主要实现从发送者播放出双音多频声波信号。发送者为一台安装有本发明的应用程序的安卓智能手机，其包含获取信息、编码器和播放声音三个部分，每个部分的功能如下所述。
1.1、用户在安卓智能手机上运行应用程序，有两种方法可以确定待发送信息：手动输入信息、浏览并选择手机内存文件。前者用户可以随时编辑自己想发送的信息，适合较短信息的发送，后者可以先选择浏览手机内存的文件，选中后应用程序会读取文件中的信息然后将其编码发送出去，适合较长信息。
1.2、在本发明中，我们采用的声波信号产生方式是双音多频信令方式，此声波信号的每个码字由两个频率(一个低频和一个高频)组合而成，这种组合方式可以很好地减少周围噪音的干扰，因为每个码字是由两个频率的谐波叠加而成的，而现实噪音中极少出现相同频率组合的声音。因为编码表的组合有限，所以待发送的信息只能由16种码字组成，本发明建议采用表1所示的编码方式，而在实际使用中可以更改这16个码字。更进一步地，因为有16个码字，所以每个码字可以由4个比特组成，所以我们还可以发送对应的比特流数据，可以提高信息的传输速率。
在编码的具体实现中，我们将要16个码字编码成一个码字组合F＝{0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111}，对输入的信息，获取到这个字符串的每个字符，然后将其转换成对应的码字，每个码字由两种频率组合，通过Android API中的ToneGenerator将每个码字对应的频率播放出来。
表1双音多频编码方式
Figure BDA0002181142760000041
1.3、在发送者应用程序编码好信息之后，便将信息转化成了安卓API可以播放的音频数据，用户可以在应用程序中输入每个码字的播放周期，较长的播放周期可以减少误码率，但是会降低传输速率，而较短的播放周期会提高传输速率，但是会增加误码率。用户可以选择播放周期长度，本发明建议的每个码字的时间长度为250ms。当播放周期长度确定后，信息会以双音多频声波信号的形式从扬声器播放出来。
2、将声音数据从发送者传输到接收者；
本步骤主要实现在发送者和接收者之间声波信号的传输，第一中继设备和第二中继设备是本功能的实现者。
2.1、因为安卓手机厂商出于安全方面的考虑，手机在打电话的同时不能通过其他应用程序从同一手机的扬声器中播放出声音，所以本发明建议增加第一中继设备来转发从发送者播放出来的声音。所以在第一中继设备的操作就是建立与第二中继设备的语音通话，而且第一中继设备要与发送者近距离放置，距离过远的话会引起误码率升高。
2.2、在接收者上，虽然一台智能手机可以完成解码识别的功能，但在实验中我们发现因为手机麦克风会优化过滤手机自身在语音通话中收到的声波信号，所以会引起误码率增加，而增加一个设备来转发声波信号会降低误码率，所以本发明建议增加第二中继设备。所以第二中继设备的操作就是建立与第一中继设备的语音通话并提高音量通过扬声器播放出来，并且第二中继设备要与接收者近距离放置。
3、解码识别声波信号；
本步骤主要实现在接收者上利用快速傅里叶变换解码声波信号并识别成与发送者对应的信息。接收者为一台安装有本发明的应用程序的安卓智能手机，包括录制声音和解码器两个部分。
3.1、用户在接收者上点击开始识别按钮，接收者会开始调用智能手机上的麦克风录制中继设备2播放的声音，然后对这些声音信号进行快速傅里叶变换以分析出它们的频率组成，这个阶段可以将声波信号从时域转换成频域。
3.2、在运用快速傅里叶变换得到声音的频率信息之后，接收者会在解码器部分对声音进行解码。解码器会在编码表中查找所有码字组合的频率成分，如果发现当前计算出的频率组合出现在编码表中，那就返回这个频率组合对应的码字，从而解码出相应的信息。至此，一次完整的信息传输便结束了。
在本发明解码的具体实现如下：
(1)麦克风录音到原始声波数据RawDatan；
(2)运用FFT(快速傅里叶变换)算法计算出每段信号RawDatai的频谱数组Spectrumi＝FFT(RawDatai)(0<i≤n)，本发明中每段信号长度为1024，数组Spectrumi的长度和每段信号长度一致也为1024；
(3)本发明在解码端对应于1.2中码字组合F建立一个解码表的映射关系集合G，G＝{(45,77),(45,86),(45,95),(45,100),(49,77),(49,86),(49,95),(49,100),(55,77),(55,86),(55,95),(55,100),(60,77),(60,86),(60,95),(60,100)}，其中集合中每个元素是根据归一化得到的数据，代表高低频率的组合；
(4)得到每段的频谱数组之后，根据每个DTMF码字是由两个频率组合的原理，将频谱数组以中间位置为分割点逆向分为两个频率的组合Spectrumlow和Spectrumhigh，接着分别找出两个组合中的最大频率作为一个频率组合(Frequencylow,Frequencyhigh),然后在解码表中查找是否有(Frequencylow和Frequencyhigh)的元素，若找到则解码出对应的码字，若没找到则说明不是这段信号不是期望信号。
附图2所示为在不同数量实验设备下的误码率的对比，图中三个设备方案包括发送者、中继设备和接收者，而四个设备方案包括发送者、第一中继设备、第二中继设备和接收者，我们保证其他变量相同，仅仅改变实验室接收者是否添加了第二中继设备来对比实验结果，可以看出添加第二中继设备后误码率降低了52.75％。
附图3所示的是在不同发送者播放周期下的误码率，在保证其他变量相同情况下，我们在发送者中输入不同的信息播放周期进行信息传输，然后得到了接收者的误码率，可以看出随着播放周期的增加误码率主要呈下降趋势。
附图4所示的是建立语音通话时不同载波下的误码率，图中方案1表示第一中继设备使用中国电信SIM卡，第二中继设备使用中国联通SIM卡，方案2表示第一中继设备使用中国联通SIM卡，第二中继设备使用中国电信SIM卡。我们测试了两种方案中在不同播放播放周期下的误码率，图中可以看出来在各个播放周期中方案2的误码率始终低于方案1，效果更优于方案1。
附图5所示的是发送者和接收者在不同场景下的误码率，在其他变量相同时，我们分别把发送者和接收者置于室外和室内的场景组合中，图中可以看出当发送者和第一中继设备在室外而接收者和第二中继设备在室内时，误码率最低能达到6％。
附图6所示的在发送者不同播放音量的情况下的误码率，我们保证其他变量相同，仅仅改变播放的音量大小，图中可以看出在音量为45db时误码率达到最低的2％，因为音量过小第一中继设备会听不到播放的信号而音量过大会导致噪音的产生从而增加误码率。

Claims (4)

1.一种基于语音通话的信息传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)发送者手动输入或者选择文件确定待发送的信息；
(2)发送者确定信息之后，在第一中继设备和第二中继设备之间建立语音通话，发送者位于第一中继设备附近，接收者位于第二中继设备附近；
(3)成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，并且利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备；第一中继设备是转发发送者的扬声器的DTMF信号；
(4)第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，成功识别出对应的信息；接收者是通过接收者的麦克风接收第二中继设备的播放的声音。
2.如权利要求1所述的基于语音通话的信息传输方法，其特征在于，步骤(2)中，在第一中继设备和第二中继设备之间建立一个语音通话的连接，直接消耗话费的通话，双方在没有流量的情况下进行信息传输。
3.如权利要求1所述的基于语音通话的信息传输方法，其特征在于，步骤(3)中，成功建立语音通话之后，发送者将待发送的信息编码成双音多频声波信号，并且利用扬声器播放声音，该声音将自动从第一中继设备上通过语音通话传输给第二中继设备具体包括如下步骤：
(31)发送者将确定好的信息转化成对应的码字，然后编码成有两个频率组合而成的双音多频信号，这种信号可以由发送者的扬声器以声音的形式播放；
(32)在发送者用户可以自己输入一个双音多频信号的播放周期，输入好播放周期之后将信息连续不断地以声波信号的形式播放出来。
4.如权利要求1所述的基于语音通话的信息传输方法，其特征在于，步骤(4)中，第二中继设备接收到第一中继设备传过来的声音信号，并自动播放此声音信号，接收者利用快速傅里叶变换计算麦克风实时录制到的声波信号的频率，解码成相应的码字，成功识别出对应的信息具体包括如下步骤：
(41)第二中继设备会收到语音通话中第一中继设备传输过来的声音信号，第二中继设备提高音量将这些语音信号通过扬声器播放出来；
(42)接收端实时利用麦克风录制第二中继设备播放出来的声音信号，并且利用快速傅里叶变换算法计算出这些信号的频率成分，查找编码表中每种频率组合对应的码字，然后成功将码字解码成与发送端相对应的信息。
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