CN113938215B - 多路双工声波通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法，所述数据发送模块包括：数据分组单元、数据封装单元、音频数据生成单元、音频播放单元；数据分组单元用以将信息分成至少一基本单元片段；数据封装单元用以对所述数据分组单元分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元；音频数据生成单元用以将所述数据封装单元封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据；音频播放单元用以播放所述音频数据生成单元生成的音频数据。本发明提出的数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法，可在特定环境下完成设备间的通信。

Description

多路双工声波通信系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种通信系统，尤其涉及一种数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法。

背景技术

在某些场合下,尤其是存在金属屏蔽的场合,很难使用无线电信号传输数据，或者，需要使用专业的设备来传输数据。如果需要通信的主体一方是普通人,另一方是机器设备,难以完成通信。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的通信系统，以便克服现有通信系统存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法，可在特定环境下完成设备间的通信。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种数据发送模块，所述数据发送模块包括：

数据分组单元，用以将信息分成至少一基本单元片段；

数据封装单元，连接所述数据分组单元，用以对所述数据分组单元分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元；

音频数据生成单元，连接所述数据封装单元，用以将所述数据封装单元封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据；

音频播放单元，连接所述音频数据生成单元，用以播放所述音频数据生成单元生成的音频数据。

作为本发明的一种实施方式，所述数据封装单元用以在基本单元片段的基础上,头部加上引导帧，尾部加上纠错帧、校验帧、间隔帧，形成基本数据单元。

作为本发明的一种实施方式，所述音频数据生成单元用以将同时发送的多路比特流分别调制，不同的比特流工作在不同频率上；

所述数据发送模块进一步包括混音装置，用以将所调制的音频流相叠加,混合形成一个完整的音频流。音频播放单元的响应频段能覆盖到这些频率。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种数据接收模块，所述数据接收模块包括：

音频数据获取单元，用以获取所述音频播放单元播放的音频数据；

模数转换单元，连接所述音频数据获取单元，用以将所述音频数据获取单元获取的音频数据转换为数字信号；

数据分析单元，连接所述模数转换单元，用以分析所述模数转换单元生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据。

作为本发明的一种实施方式，所述数据分析单元包括解调器，所述解调器用以将接收到的比特流转化为实际的某个单一频率的正弦波信号；如果该比特为0，则仅生成一段空白的信号；如果该比特为1，生成一段正弦波信号。

作为本发明的一种实施方式，所述数据分析单元用以将数字信号按照固定的时间块一次进行分析；固定的时间块为所述音频播放单元发生的每比特的时间长度的1/4～3/4；每两个相邻的固定时间块中,有1/4～3/4的长度重叠。

作为本发明的一种实施方式，所述数据分析单元用以对时间块进行频域处理,获得通信频段的强度,以及通信频段临近频段的强度；

如果通信频段的相应强度接近最大值,并且相比于临近频率的信号值要显著大,从而判定是否有扬声器在该频率发声,将该频段在该时间块的表现设为1,反之则为0；

获得了某一频段的时间块对应的1-0比特流后，对其进行交错拆分,分成3个候选比特流；

对于每个候选比特流,查找引导帧,如果引导帧存在,则从引导帧开始,转为字节串；

对于每个有引导帧的候选比特流生成的字节串,通过纠错码处理，再验证校验码最终确认是否正确收到信息并解码。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种多路双工声波通信系统，所述多路双工声波通信系统包括：上述的数据发送模块以及上述的数据接收模块。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种数据发送方法，所述数据发送方法包括：

数据分组步骤；将信息分成至少一基本单元片段；

数据封装步骤；对数据分组步骤分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元；

音频数据生成步骤；将所述数据封装步骤封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据；

音频播放步骤；播放音频数据生成步骤生成的音频数据。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种数据接收方法，所述数据接收方法包括：

音频数据获取步骤；获取音频数据；

模数转换步骤；将所述音频数据获取步骤获取的音频数据转换为数字信号；

数据分析步骤；分析所述模数转换步骤生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种多路双工声波通信方法，所述多路双工声波通信方法包括：上述的数据发送方法以及上述的数据接收方法。

本发明的有益效果在于：本发明提出的数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法，可在特定环境下完成设备间的通信。

在本发明的一种使用场景中，每个设备只要需要扬声器或麦克风中的一个；通过本发明的发声和接收的算法，使得这些设备间能进行通信,拥有扬声器的设备可以发送信号,拥有麦克风的设备可以接收信号；同时拥有扬声器和麦克风的设备可以收发信号。在同一个工作环境下,当环境噪音干扰不大时,允许多路同时通信。

附图说明

图1为本发明一实施例中数据发送模块的组成示意图。

图2为本发明一实施例中数据接收模块的组成示意图。

图3为本发明一实施例中多路双工声波通信系统的组成示意图。

图4为本发明一实施例中数据发送方法的流程图。

图5为本发明一实施例中数据接收方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。

本发明揭示了一种数据发送模块，图1为本发明一实施例中数据发送模块的组成示意图；请参阅图1，所述数据发送模块1包括：数据分组单元11、数据封装单元12、音频数据生成单元13、音频播放单元14。

所述数据分组单元11用以将信息分成至少一基本单元片段。所述数据封装单元12连接所述数据分组单元11，用以对所述数据分组单元11分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元。在本发明的一实施例中，所述数据封装单元12用以在基本单元片段的基础上,头部加上引导帧，尾部加上纠错帧、校验帧、间隔帧，形成基本数据单元。所述音频数据生成单元13连接所述数据封装单元12，用以将所述数据封装单元12封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据。

在本发明的一实施例中，所述音频数据生成单元13包括调制器，所述调制器用以将待发送的比特流转化为实际的某个单一频率的正弦波信号；如果该比特为0，则仅生成一段空白的信号；如果该比特为1，生成一段正弦波信号。所述数据分析单元23用以将数字信号按照固定的时间块一次进行分析；固定的时间块为所述音频播放单元发生的每比特的时间长度的1/4～3/4(如2/3)；每两个相邻的固定时间块中,有1/4～3/4(如1/2)的长度重叠。

所述音频播放单元14连接所述音频数据生成单元13，用以播放所述音频数据生成单元13生成的音频数据。

在本发明的一实施例中，所述音频数据生成单元13用以将同时发送的多路比特流分别调制，不同的比特流工作在不同频率上；所述数据发送模块进一步包括混音装置，将所调制的音频流相叠加,混合形成一个完整的音频流。音频播放单元14的响应频段能覆盖到这些频率。在一实施例中，所述音频播放单元为超线性扬声器。

本发明同时揭示了一种数据接收模块，图2为本发明一实施例中数据接收模块的组成示意图；请参阅图2，所述数据接收模块2包括：音频数据获取单元21、模数转换单元22及数据分析单元23。

所述音频数据获取单元21用以获取所述音频播放单元14播放的音频数据。所述模数转换单元22连接所述音频数据获取单元21，用以将所述音频数据获取单元21获取的音频数据转换为数字信号。所述数据分析单元23连接所述模数转换单元22，用以分析所述模数转换单元22生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据。

所述数据分析单元22用以对时间块进行频域处理,获得通信频段的强度,以及通信频段临近频段的强度。如果通信频段的相应强度接近最大值,并且相比于临近频率的信号值要显著大,从而判定是否有扬声器在该频率发声,将该频段在该时间块的表现设为1,反之则为0。获得了某一频段的时间块对应的1-0比特流后，对其进行交错拆分,分成3个候选比特流。对于每个候选比特流,查找引导帧,如果引导帧存在,则从引导帧开始,转为字节串。对于每个有引导帧的候选比特流生成的字节串,通过纠错码处理，再验证校验码最终确认是否正确收到信息并解码。

本发明进一步揭示了一种多路双工声波通信系统，图3为本发明一实施例中多路双工声波通信系统的组成示意图；请参阅图3，所述多路双工声波通信系统包括：数据发送模块1及数据接收模块2；数据发送模块1用以发送数据，数据接收模块2用以接收数据。

所述数据发送模块1包括：数据分组单元11、数据封装单元12、音频数据生成单元13、音频播放单元14。所述数据分组单元11用以将信息分成至少一基本单元片段。所述数据封装单元12连接所述数据分组单元11，用以对所述数据分组单元11分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元。所述音频数据生成单元13连接所述数据封装单元12，用以将所述数据封装单元12封装的基本数据单元转换为比特流，然后叠加到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据。所述音频播放单元14连接所述音频数据生成单元13，用以播放所述音频数据生成单元13生成的音频数据。

所述数据接收模块2包括：音频数据获取单元21、模数转换单元22及数据分析单元23。所述音频数据获取单元21用以获取所述音频播放单元14播放的音频数据。所述模数转换单元22连接所述音频数据获取单元21，用以将所述音频数据获取单元21获取的音频数据转换为数字信号。所述数据分析单元23连接所述模数转换单元22，用以分析所述模数转换单元22生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据。

本发明揭示一种数据发送方法，图4为本发明一实施例中数据发送方法的流程图；请参阅图4，所述数据发送方法包括：

【步骤A1】数据分组步骤；将信息分成至少一基本单元片段；

【步骤A2】数据封装步骤；对数据分组步骤分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元；

【步骤A3】音频数据生成步骤；将所述数据封装步骤封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上,通过调制手段形成一段音频数据；

【步骤A4】音频播放步骤；播放音频数据生成步骤生成的音频数据。在一实施例中，将同时发送的多路比特流分别调制，不同的比特流工作在不同频率上；还可以通过混音装置将所调制的音频流相叠加,混合形成一个完整的音频流。音频播放单元的响应频段能覆盖到这些频率。

本发明还揭示一种数据接收方法，图5为本发明一实施例中数据接收方法的流程图；请参阅图5，所述数据接收方法包括：

【步骤B1】音频数据获取步骤；获取音频数据；

【步骤B2】模数转换步骤；将所述音频数据获取步骤获取的音频数据转换为数字信号；

【步骤B3】数据分析步骤；分析所述模数转换步骤生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据。

本发明进一步揭示一种多路双工声波通信方法，所述多路双工声波通信方法包括：上述的数据发送方法以及上述的数据接收方法。

在本发明的一种使用场景中，多路双工声波通信系统包括发射端(数据发送模块)、接收端(数据接收模块)。

发射端的执行过程如下:

步骤1.确定一个工作频率F1(通常为1000Hz～15000Hz)，音频分片长度D1(通常为10ms以上)，前导帧V1，帧内容长度为L1，纠错帧为C1，校验帧为C2。

步骤2.信号按照每段L1分割为若干段,末尾补充0。

步骤3.将前导帧V1，帧内容和纠错帧C1拼接成一个帧，然后将帧转为比特流B；其中,纠错帧使用Reed-Solomon的纠错码，C2为CRC32码。

步骤4.对这段帧的比特流生成一段音频，具体方式如下：按照比特流的顺续拼接一段音频,当比特值为0时插入一段长度为3倍D1的空白信号，当比特值为1时插入一段长度为3倍D1的频率为F1的信号。

步骤5.如果这个设备要同时传输多组数据，可以使用不同的工作频率，生成多段音频,多段间不需要同步开始同步结束，然后将这些独立的音频信号加和成一个混合的音频信号。

步骤6.通过扬声器将这段音频信号发送出去。

在接收端的执行过程如下：

步骤1.读取一段可能包含完整信号的音频；由于后期要使用FFT变换，所以音频设备的采样频率要高，通常为44.1kHz。

步骤2.将音频分割成2倍D1的小片，进行加窗FFT变换，其中每两个小片有长度为D1的重叠区域；FFT变换后，实际得到的FFT队列里的数值是FFT变换后的实部和虚部的模。

步骤3.查看FFT队列中F1的情况；具体是，计算FFT队列中，获得F1频点的极大值和极小值,然后获得一个数学变换，将其归一化到(0,1)之间；同时，对于F1临近的频点F1-1,F1+1，也使用这个数学变换；此时，F1-1和F1+1的频点的值可能会超过1或小于0。

步骤4.如果该F1频点的值大于指定阈值，并且F1频点和F1-1频点的值相差大于指定阈值，并且F1频点和F1+1频点的值相差也大于指定阈值；此时，将该小片的识别值记为1，否则为0。

步骤5.将每个小片的识别值1、0串联起来,形成一个1、0字串。

步骤6.分别选择字串的第1、2、3个字符作为开始，按照均匀的间隔3的次序,生成3个子字串(A1A2A3...,B1B2B3...,C1C2C3...)；上步中,字串的里的信号顺序分别为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3,…。

步骤7.在每个字串里,识别前导帧,如果前导帧不存在，则丢弃。

步骤8.如果前导帧存在，则从前导帧开始，提取相当于前导帧+内容帧+纠错帧+校验帧长度的一个整体0-1序列，转换为字节流。

步骤9.从步骤8处得到的字节流，计算纠错后是否正确，如果正确则认为已经识别出内容，同时跳过整个字节流的长度，转到步骤7开始识别；否则丢弃，并且同时跳过前导帧的长度，跳转导步骤7重新开始识别。

综上所述，本发明提出的数据发送模块、数据接收模块、多路双工声波通信系统及方法，可在特定环境下完成设备间的通信。

在本发明的一种使用场景中，每个设备只要需要扬声器或麦克风中的一个；通过本发明的发声和接收的算法，使得这些设备间能进行通信,拥有扬声器的设备可以发送信号,拥有麦克风的设备可以接收信号；同时拥有扬声器和麦克风的设备可以收发信号。在同一个工作环境下,当环境噪音干扰不大时,允许多路同时通信。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (1)

1.一种多路双工声波通信系统，其特征在于，所述多路双工声波通信系统包括：数据发送模块以及数据接收模块；

所述数据发送模块包括：

数据分组单元，用以将信息分成至少一基本单元片段；

数据封装单元，连接所述数据分组单元，用以对所述数据分组单元分出的基本单元片段进行封装，将对各基本单元片段封装后的数据作为基本数据单元；

音频数据生成单元，连接所述数据封装单元，用以将所述数据封装单元封装的基本数据单元转换为比特流，然后融合到音频载波上, 通过调制手段形成一段音频数据；

音频播放单元，连接所述音频数据生成单元，用以播放所述音频数据生成单元生成的音频数据；

所述数据封装单元用以在基本单元片段的基础上, 头部加上引导帧，尾部加上纠错帧、校验帧、间隔帧，形成基本数据单元；

所述音频数据生成单元用以将同时发送的多路比特流分别调制，不同的比特流工作在不同频率上;

所述数据发送模块进一步包括混音装置，用以将所调制的音频流相叠加, 混合形成一个完整的音频流；所述音频播放单元的响应频段能覆盖到这些频率；

所述数据接收模块包括：

音频数据获取单元，用以获取音频播放单元播放的音频数据；

模数转换单元，连接所述音频数据获取单元，用以将所述音频数据获取单元获取的音频数据转换为数字信号；

数据分析单元，连接所述模数转换单元，用以分析所述模数转换单元生成的数字信号，并获取对应数字信号对应的数据；

所述数据分析单元包括解调器，所述解调器用以将接收到的比特流转化为实际的某个单一频率的正弦波信号；如果该比特为0，则仅生成一段空白的信号；如果该比特为1， 生成一段正弦波信号；

所述数据分析单元用以将数字信号按照固定的时间块依次进行分析；固定的时间块为所述音频播放单元发生的每比特的时间长度的1/4~3/4；每两个相邻的固定时间块中, 有1/4~3/4的长度重叠；

所述数据分析单元用以对时间块进行频域处理, 获得通信频段的强度, 以及通信频段临近频段的强度；

如果通信频段的相应强度接近最大值, 并且相比于临近频率的信号值要显著大, 从而判定是否有扬声器在该频率发声, 如果存在发声, 则将该频段在该时间块的表现设为1, 反之则为0；

获得了某一频段的时间块对应的1-0比特流后，对其进行交错拆分, 分成3个候选比特流；

对于每个候选比特流, 查找引导帧, 如果引导帧存在, 则从引导帧开始, 转为字节串；如果引导帧不存在，则丢弃；

对于每个有引导帧的候选比特流生成的字节串, 通过纠错码处理，再验证校验码最终确认是否正确收到信息并解码。