CN114448523B - 一种基于频域调制pwam的超声波通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法及系统，方法包括：利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，构建在频域符合PWAM编解码的前缀码、后缀码和多个码块；编码端获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，以超声波形式发送编码信息；解码端获取编码信息，利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。与现有技术相比，本发明通过频域上的PWAM调制进行编码和解码，根据高低频信号的占比和高低频信号的频率差调制基本波形，以超声波形式进行通信，可以使得信号可以在噪声干扰条件下依然稳定传输。

Description

一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法及系统

技术领域

本发明涉及超声波通信领域，尤其是涉及一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法及系统。

背景技术

随着信息通信技术的发展，信息旁路通信技术作为一个子领域(既可以用于正面的辅助网络通信，也可以反面用来进行侧信道攻防演练)也在不断进步，与基于光信号、磁信号、毫米波信号的旁路通信技术相比，超声波通信技术由于其不需要依赖额外的硬件，不容易对人的正常生活造成影响，逐渐成为旁路通信领域非常活跃的研究方向，已经有人将超声波通信技术应用到矿用开关故障指示器、油水井自动化应用中。

移动互联网作为信息互联网的重要组成部分，也有许多旁路通信的相关研究，尤其是以近场通讯采用的波段为传输媒介的通信系统。但是这样的通信方式需要手机有较好的硬件支持，且通信距离较短，目前尚未有人将超声波通信应用到移动端手机之间的旁路通信技术中。

脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)和脉冲幅度调制PAM(PulseAmplitude Modulation)是无线电通信领域常用的两种技术，两者结合脉冲宽度及幅度调制PWAM(Pulse Width and Amplitude Modulation)可以得到更高的通信速率。但是，磁信号PWAM通信虽然可以适应物理隔绝AirGap的应用场景，但是在移动设备感知的应用场景下发送端缺乏稳定可用的磁信号发生器，而且接收端需要特殊的硬件支持(高精度磁传感器)。移动端不具备稳定的信号收发硬件条件，容易造成较高的误码率。

发明内容

发明人经过研究和分析，发现虽然时序信号上声波容易收到干扰，但是在频域上声谱较为稳定。即使有白噪声或瞬时冲击信号干扰，也能在码流上保证干扰产生的波动控制在码距范围内。因此，如果通过频域上的PWAM调制进行编码和解码，就可以使得信号可以在噪声干扰条件下依然稳定传输。本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，包括以下步骤：

S1、利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，构建多个在频域符合PWAM编解码的码块，每个码块对应一个信号字符，设计在频域符合PWAM编解码的前缀码和后缀码；

S2、编码端获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，以超声波形式发送编码信息；

S3、解码端获取编码信息，利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。

进一步的，步骤S1中，信号字符为十六进制的离散数值，码元为代表不同离散数值的基本波形，信号调制和解析以帧为最小单位，每个码元包含多个帧，通过改变每个帧中高低频信号的占比和高低频信号的频率差得到不同的码元，码块为对应码元的传输序列。

进一步的，每个码元包含40个帧，每个帧的大小frameSize为240。

进一步的，每个帧的有效信息频段在17kHz～22kHz，17kHz～22kHz在数据帧的频谱上对应的tap在80+5～80+30之间。

进一步的，调制信号频率锯齿式变化的帧，不同变化的多个帧组成码块；调制信号频率阶梯式变化的帧，多个帧组成前缀码；调制信号频率全低频的帧，多个帧组成后缀码；前缀码和后缀码对应的帧的信号频率变化与码元中帧的信号频率变化不同。

进一步的，步骤S2中，将待发送的信息拆分为字符，将每个字符转换为16位的二进制流，每4位作为一个信号字符，找到各个信号字符对应的码块，根据信息中字符的前后序以及二进制流中的高低位将码块进行组合，得到初始信息，再在初始信息前加上前缀码，在初始信息后加上后缀码，得到编码信息，将编码信息通过播放器以超声波形式发送。

进一步的，步骤S3中，接收超声波形式的编码信息，将其转换到频域上，监听转换后的频域信号，并进行前缀码匹配，前缀码匹配成功后匹配码块和后缀符，扫描所有码块和后缀符，获取其中与前缀码欧式距离最短的后缀符作为终止符，将前缀码与终止符之间的码块转换为信号字符，映射为信息，解码得到编码端发送的信息。

进一步的，通过信号相似度匹配前缀码、码块和后缀码，当相似度达到预设置的阈值时，前缀码和后缀码匹配成功，选择与频域信号相似度最高的码块匹配频域信号。

一种基于频域调制PWAM的超声波通信系统，利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，包括：

信息发送端，包括编码器和播放器，编码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，编码器获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，播放器以超声波形式发送编码信息；

信息接收端，包括接收器和解码器，解码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，接收器接收超声波形式的编码信息，解码器利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。

进一步的，信号字符为十六进制的离散数值，码元为代表不同离散数值的基本波形，信号调制和解析以帧为最小单位，每个码元包含多个帧，通过改变每个帧中高低频信号的占比和高低频信号的频率差得到不同的码元，码块为对应码元的传输序列。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将PWAM算法移到频谱上，通过频域上的PWAM调制进行编码和解码，根据高低频信号的占比和高低频信号的频率差调制基本波形，通过超声波的形式进行通信，可以使得信号可以在噪声干扰条件下依然稳定传输。

(2)在设备之间物理隔离(没有网络)的情况下，不需要增加额外的硬件支持(比如深度摄像机、毫米波雷达等)，只需要使用包含扬声器和麦克风的手机或者任何包含这两种外接设备的终端，就可以实现基于频域调制的超声波通信，可以方便地跨平台复用。

(3)设计了在频域符合PWAM编解码的前缀码和后缀码，前缀码为频率阶梯式变化的码流，后缀码为全低频的码流，能明显与对应信号字符的码块进行区分。

附图说明

图1为超声波通信方法的流程图；

图2为码块的示意图；

图3为实施例中前缀码的示意图；

图4为超声波通信系统的架构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，构建多个在频域符合PWAM编解码的码块，每个码块对应一个信号字符，设计在频域符合PWAM编解码的前缀码和后缀码；

S2、编码端获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，以超声波形式发送编码信息；

S3、解码端获取编码信息，利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。

本发明的原理如下：

一般情况下，通过时域上的波进行信号传输，如使用一个高电平表示“1”，使用一个低电平表示“0”，脉冲信号的幅度、占空比可以通过PAM和PWM进行调制，从而可以设计多个基本波形(码元)，将基本波形与离散数值对应，从而以波的形式进行信息的编码和发送，接收端接收到波信号后，通过识别匹配基本波形来完成离散数值的识别，进而完成解码。但是，由于传输过程中不可能是无干扰的，对于超声波形式的信号来说，如果同时接收了白噪声、干扰噪声等，由于波的叠加，会导致脉冲幅度及脉冲宽度改变，接收到的信号偏离预先设计的基本波形，也就无法识别和解码了。

发明人另辟蹊径，发现虽然时序信号上声波容易收到干扰，但是在频域上声谱较为稳定，频域上关注的是高低频信号的占比、高频信号的最高频率、低频信号的最低频率，即使有噪声干扰，也很难影响整段信号的频谱分布，能在码流上保证干扰产生的波动控制在码距范围内。因此，如果利用PWAM算法在频谱上调制高低频信号的占比和高低频信号的频率差，设计多个不同的基本波形(码元)，不同基本波形中，高低频信号的占比以及最高频、最低频的频率大小进行不同设计，从而代表不同的离散数值，再转换为时域，就可以通过超声波进行信息发送。信息接收时，将超声信息转换为频域，识别匹配基本波形，从而完成解码。

本实施例中，设计了十六进制的码元，因此设计了16个码块，关于码元中帧的数量、帧的大小、帧的有效信息段等，是根据数据传输速率、数据传输带宽、十六进制的要求、损耗、代价等综合考虑设置的。在其他实施方式中，也可以设计二进制、四进制、八进制等码元，根据实际需要设置具体的参数即可。

步骤S1中，信号字符为十六进制的离散数值，码元为代表不同离散数值的基本波形，信号调制和解析以帧为最小单位，每个码元包含多个帧，通过改变每个帧中高低频信号的占比和高低频信号的频率差得到不同的码元，码块为对应码元的传输序列。

理想情况下，n进制的frame数应为15*n，但是考虑到数据传输情况，帧长太短会减少码距，降低编解码的容错率，本实施例中每个码元包含40个帧，每个帧的大小frameSize为240。在频域上，每个帧的有效信息频段在17kHz～22kHz，17kHz～22kHz在数据帧的频谱上对应的tap在80+5～80+30之间。

调制信号频率锯齿式变化的帧，不同变化的多个帧组成码块；本实施例中构建的码块如图2所示，图中纵轴表示频率，横轴为tap，可以看出高低频信号的占比以及高低频信号的频率差不同，从而相互区别，且帧中的信号频率为锯齿状变化。

应使得前缀码和后缀码对应的帧的信号频率变化与码元中帧的信号频率变化不同，本申请对前缀码和后缀码进行了设计，调制信号频率阶梯式变化的帧，多个帧组成前缀码；调制信号频率全低频的帧，多个帧组成后缀码；本实施例中，前缀码如图3所示，横轴为tap，纵轴为频率，可以看到一帧中信号频率按照0-1-2-3-4-0的比例幅度阶梯变化。其他实施方式中，也可以设计类型、长度、信号频率特征不同的前缀码和后缀码，使得其与代表信号字符的码块区别开来即可。

基于频域信号调制的通信方法，编解码与时域信号调制的通信方法异曲同工，在完成码块构建后，每次编码只需要信号字符对应的码块进行组合，每次解码只需要将接收到的信号与码块进行匹配就可以识别信号字符，步骤S2和S3如下：

步骤S2中，将待发送的信息拆分为字符，将每个字符转换为16位的二进制流，每4位作为一个信号字符，找到各个信号字符对应的码块，根据信息中字符的前后序以及二进制流中的高低位将码块进行组合，得到初始信息，再在初始信息前加上前缀码，在初始信息后加上后缀码，得到编码信息，将编码信息通过播放器以超声波形式发送。

为了便于理解，可以这样看待信号转换：待发送的信息转换为信号字符流再转换为超声波声音信号，也就是待发送的信息映射为码元再映射为码块，码块与时域和频域相关，见图2。以发送“h”为例，对应ASCII值为104，对应二进制流为01101000，信号字符即“0110”和“1000”，根据图2，可以看出，将6号码块和8号码块组合即可。将组合后的码块加上前缀码和后缀码，再将组合后的码段转换为时域上的信号，即可以通过超声波形式进行发送。

步骤S3中，接收超声波形式的编码信息，将其转换到频域上，获取最大频tap考虑每个帧的有效信息频段，最大频tap反映编码的频率值；通过stride为100个帧的滑动窗口监听转换后的频域信号，并进行前缀码匹配，前缀码匹配成功后开始启动，进行码块和后缀符的匹配，扫描所有码块和后缀符，获取其中与前缀码欧式距离最短的后缀符作为终止符，将前缀码与终止符之间的码块转换为信号字符，映射为信息，解码得到编码端发送的信息。

本实施例中，通过信号相似度匹配前缀码、码块和后缀码，当相似度达到预设置的阈值时，如阈值设置为0.9，则前缀码和后缀码匹配成功；选择与频域信号相似度最高的码块匹配频域信号，从所有码块中选择相似度最高的作为匹配结果即可。

实施例2：

一种基于频域调制PWAM的超声波通信系统，利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，包括：

信息发送端，包括编码器和播放器，编码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，编码器获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，播放器以超声波形式发送编码信息；

信息接收端，包括接收器和解码器，解码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，接收器接收超声波形式的编码信息，解码器利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。

本发明可以应用于移动设备之间的通信，如手机之间通过频谱调制的超声波信号进行通信，在本施例中，将编解码模块以C++SDK的方式集成在移动应用中，可以通过Android调用native API实现通信的功能，以扬声器和麦克风作为播放器和接收器，就可以进行实时通信。具体的，首先技术选型，确认第三方库依赖，(Eigen用来完成矩阵计算和时频转换、样条插值等工作，DspFilter用来完成定制化滤波)，再进行框架搭建及具体模块编写，超声波通信系统的架构如图4所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，构建多个在频域符合PWAM编解码的码块，每个码块对应一个信号字符，设计在频域符合PWAM编解码的前缀码和后缀码；

S2、编码端获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，以超声波形式发送编码信息；

S3、解码端获取编码信息，利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息；

步骤S1中，信号字符为十六进制的离散数值，码元为代表不同离散数值的基本波形，信号调制和解析以帧为最小单位，每个码元包含多个帧，通过改变每个帧中高低频信号的占比和高低频信号的频率差得到不同的码元，码块为对应码元的传输序列；

所述码块、前缀码和后缀码的构建为：调制信号频率锯齿式变化的帧，不同变化的多个帧组成码块，调制信号频率阶梯式变化的帧，多个帧组成前缀码，调制信号频率全低频的帧，多个帧组成后缀码，所述前缀码和后缀码对应的帧的信号频率变化与码元中帧的信号频率变化不同。

2.根据权利要求1所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，每个码元包含40个帧，每个帧的大小为240。

3.根据权利要求1所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，每个帧的有效信息频段在17kHz～22kHz，17kHz～22kHz在数据帧的频谱上对应的tap在80+5～80+30之间，tap表示采样点在帧当中的下标位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，步骤S2中，将待发送的信息拆分为字符，将每个字符转换为16位的二进制流，每4位作为一个信号字符，找到各个信号字符对应的码块，根据信息中字符的前后序以及二进制流中的高低位将码块进行组合，得到初始信息，再在初始信息前加上前缀码，在初始信息后加上后缀码，得到编码信息，将编码信息通过播放器以超声波形式发送。

5.根据权利要求1所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，步骤S3中，接收超声波形式的编码信息，将其转换到频域上，监听转换后的频域信号，并进行前缀码匹配，前缀码匹配成功后匹配码块和后缀符，扫描所有码块和后缀符，获取其中与前缀码欧式距离最短的后缀符作为终止符，将前缀码与终止符之间的码块转换为信号字符，映射为信息，解码得到编码端发送的信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信方法，其特征在于，通过信号相似度匹配前缀码、码块和后缀码，当相似度达到预设置的阈值时，前缀码和后缀码匹配成功，选择与频域信号相似度最高的码块匹配频域信号。

7.一种基于频域调制PWAM的超声波通信系统，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一所述的基于频域调制PWAM的超声波通信方法，利用PWAM算法对频谱上高低频信号的占比和高低频信号的频率差进行调制，包括：

信息发送端，包括编码器和播放器，编码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，编码器获取待发送的信息，将其分解为信号字符，组合信号字符对应的码块，加上前缀码和后缀码后得到编码信息，播放器以超声波形式发送编码信息；

信息接收端，包括接收器和解码器，解码器存储有在频域符合PWAM编解码的码块、前缀码和后缀码，每个码块对应一个信号字符，接收器接收超声波形式的编码信息，解码器利用信号相似度匹配识别编码信息所对应的码块，获取码块对应的信号字符，解码得到编码端发送的信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于频域调制PWAM的超声波通信系统，其特征在于，信号字符为十六进制的离散数值，码元为代表不同离散数值的基本波形，信号调制和解析以帧为最小单位，每个码元包含多个帧，通过改变每个帧中高低频信号的占比和高低频信号的频率差得到不同的码元，码块为对应码元的传输序列。

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