CN1663154A - 利用声波传输数据的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用声波在发射机装置和接收机装置之间传输数据的方法，其中所述发射机装置具有用于以一个或多个频率传输声载波的第一电声传感器以及用于将该声载波调制为待传输数据的函数的部分，所述接收机具有用于接收由发射机装置调制的声载波的第二电声传感器以及用于解调该声载波并从中提取所传输的数据的部分。所述第一和第二电声传感器各自具有确定的带宽和确定的频率响应特性。所述声载波的频率在确定时间段内是变化的，以扫过位于所述第一和第二电声传感器的共有带宽内的确定的频率范围，使得传输的声载波的频率在任何时候都不与所述第一和第二电声传感器的频响特性的波峰和波谷相重合。以及一种用于实现上述方法的数据传输系统。

Description

利用声波传输数据的系统和方法

技术领域

本发明主要涉及利用声波传输数据的系统和方法。

背景技术

在本说明书的语境中，短语“声波”意味产生声音的弹性波，此声音根据其波长，可听见或不可听见，或者说，为这样的弹性波，其在相关传播介质中的波长对应于次声或声音频率，甚至超声频率。

本技术领域中已有使用声波传输数据的系统。例如，美国专利4,242,745描述了一种配备了电声传感器的时钟(timepiece)，该电声传感器用于接收通过调制由外部发射机装置生成的声载波(acoustic carrierwave)传输的数据。

美国专利4,320,387描述了一种便携装置以及利用声波进行数据通信的方法。此文献特别提到了利用电声传感器通过超声来传输数据。其特别提到了利用称为频移键控(FSK)的声载波频率调制技术来传输数据。

美国专利5,719,825和美国专利5,848,027都描述了一种用于记录和处理用户个人数据(例如，运动员的身体活动)的系统，其中特别包括能够通过声波进行通信的电子时钟和数据处理终端。更具体地，此时钟配备了电声传感器(压电元件)，用于向所述数据处理终端传输所述用户个人数据，此终端本身配备了麦克风，用于接收由所述时钟生成的声波。

文献EP 1 075 098，就本申请而言，描述了一种声信号转换器电路以及用声波在两个时钟或者在数据处理终端与时钟之间交换数据的双向通信方法。

最后，文献WO 2001/10064，也就本申请而言，描述了一种用于在便携单元和通信终端之间进行声通信的系统。

以上所述的最后两个文献特别提到了利用数据处理终端已有的音频装置(扬声器和声卡)借助声波向便携单元传输所需数据。此种解决方案的一个优点在于无需为所述数据处理终端提供任何专门用于传输和/或接收数据的装置。

迄今所构想的利用声学方法传输数据的典型解决方案，特别是从数据处理终端向便携单元传输数据的典型方案，是以确定的频率生成声载波并调制此声载波，使其成为待传输数据的函数。声载波作为所述数据的函数的调制可以是，例如，利用本技术领域中已知的调制技术对声载波进行调幅，调频或者调相。

然而，可以注意到，成品的数据处理终端通常配置的扬声器是低成本装置，因此，其具有非常不规律的频响特性。对现有的成品扬声器样本所进行的测量表明作为频率函数的信号的幅度的变化程度很大(常常大于±10dB)。实际上，多数通常与个人计算机配置使用的扬声器系统并未考虑再现高保真声音，它们的响应曲线也因此非常不规则。所述不规则的响应曲线本质上应归因于所述扬声器的声阻抗随频率快速变化的事实，且在其固有频率上具有非常显著的极值，导致了系统响应曲线中的波峰和波谷。同样可以注意到，如果扬声器和便携单元之间的距离很短，幅度失真问题将更加严重。

因此，使用已有扬声器系统的缺点在于，不管使用何种调制技术来传输数据，由于声载波的频率可能与扬声器频率响应中的波峰或波谷相重合，用声波不能保证高度可靠的数据传输。

因此，必须找到这样的解决方案以增加所述使用声波的数据传输系统的传输可靠性。本发明的目的就在于提出一种这样的解决方案。

发明内容

为此，本发明提出了一种方法，其具有权利要求1中陈述的特点，用于利用声波在发射机装置和接收机装置之间传输数据。

本发明还包括具有权利要求9中所陈述的特点的系统，用于实现上述传输方法，利用声波传输数据。

本发明的优选实施例形成了附属权利要求的客体。

因此，根据本发明，声载波的频率在确定的时间段内是变化的，以扫过分别装载在所述发射机和接收机装置上的第一和第二电声传感器的共有频带中的确定频率范围。这可以保证所传输的声载波的频率在任何时候都不与所述第一和第二电声传感器的频响特性的波峰和波谷相重合。

数据通过适当的声载波调制(特别是调幅)得到传输，并辅助以声载波调频，其基本目的是加宽所述发射机和/或接收机装置带宽内的声信号的发射频谱。以这种方式变化所述声载波的频率保证了所传输信号的频率在任何时候都不与所使用的声音系统的频率响应的波峰和波谷相重合。因此，显然，根据本发明，声载波的两种调制方式互相叠加，一种用来传输数据，而另一种，在这种涉及声载波频率的调制和变化的情况下，用来确保足够的声载波频谱差异。

在一种已被证明特别有效的本发明的优选实施例中，由发射机装置的声学传感器生成的声载波的频率通过使用了一种或多种调制信号的调频技术改变。已发现，利用这种解决方法，可以获得非常高的数据传输可靠性。

在所述数据传输系统的一种实施例中，还以存储在表中的样本序列的形式存储声载波。这大大简化了所述被调制的声载波的生成，因为参考所述表并基于该存储的样本序列就足以生成该声载波。从而，无需为所述传输系统提供专用的电子装置。实际上，提供所谓“即插即用”的简单数据处理应用程序就足以在数据处理终端上实施本发明。

一般而言，很明显，有两种可以用来生成所述声载波的方法：直接生成，依照该方法，通过在发送数据时执行的数学函数来生成所述声载波，或者间接生成，依照该方法，一种预定义的“波表”被存储并可以在重置(resituating)所述声载波时被读取。

可以注意到，本发明的另一个优点在于实施此发明无需改变接收机单元，其工作方式在各方面都与先前的情况类似。从而，本发明的实施非常简单、便宜。

附图说明

通过阅读以下对本发明实施例的具体说明，本发明的其它特点和优势将更加清晰明显，该说明仅以非限制性例子的方式给出，并结合附图进行阐释，其中：

-图1是系统示图，该系统利用声波在数据处理终端和便携单元，例如手表，之间进行数据通信；

-图2是根据本发明的第一种实施模式生成的声载波的时域图，在此模式中，声载波的频率在确定的频率范围内以基本线性的方式变化；

-图3是根据本发明的另一种实施模式生成的声载波的时域图，在此模式中，通过使用了两个调制信号的调频技术来改变所述声载波的频率；

-图4是根据图3的实施模式连续发送声载波所得到的频谱的示图；

-图5是通过对根据图3的实施模式调频后的声载波进行调幅来对确定的比特序列进行传输的示图；以及

-图6是界定在发送一个比特的时间内的图3声载波的样本序列的示图。

具体实施方式

图1是系统示图，该系统利用声波在作为整体分别用参考数字1和2标识的数据处理终端和便携单元之间进行数据通信。例如，便携单元1可以方便地选取能够佩戴在用户手腕上的手表的形式。

数据处理终端2可以是成品的个人计算机(PC)，其包括用于发射传达信息的声信号的装置。在图1描述的示例中，这些装置通常为配置在个人计算机内部的声卡24，一个或多个扬声器26以及麦克风28的形式。

应当记住图1所示系统的一个优点在于，无需更改数据处理终端的结构或为其增加专用于所使用的无线链路的类型的传输组件。为实施本发明，将程序装载入计算机，令其可以调制所述声信号，以使得此信号能够在后面由便携单元1正确解码就足够了。

如果数据处理终端2通过它的扬声器26发送用于传达信息的声信号，此信号立刻由便携单元1的接收机装置获取。这些接收机装置采用双向电声传感器18的形式，其同时充当麦克风(声接收机)和扬声器(声发射机)的作用。在接收模式中，此电声传感器18将输入的声信号转换为电信号，然后再由便携单元1的转换器装置将该电信号转换为将由该单元的处理装置处理的数据，以由此提取由所述声信号携带的有用信息。在图1的例子中，便携单元1的转换装置包括放大器10，其用于放大由电声传感器18产生的电信号，解调电路(解调器)12，其与所述信号放大器连接并用于解调所接收的信号并将解调后的信号传到组成所述便携单元处理装置的微控制器14的输入端。由所述声信号携带的信息由数据处理终端2发送，解调器12解调，并由微控制器14处理，可以存储于便携单元1的存储器16中和/或在例如液晶显示器的显示装置15中显示。电池11，其可以是充电电池，向便携单元1供电。

在利用所述便携单元通过声学方法发送数据的语境中，该单元还配备了转换和发送装置以将由该便携单元的处理装置提供的数据转换为调制后的声信号，并发送此信号。如图1所示，这些转换装置包括调制电路(调制器)13，其经由驱动电路17驱动发射机装置，即电声传感器18。便携单元1的处理装置，也就是微控制器14，用于控制调制电路13，令其成为待发射的数据的函数，此数据通常存储于便携单元1的存储器16中。

还可以注意到，图1中的微控制器14通常包括编码和解码部分(分别对应调制器13的上行数据流和解调器12的下行数据流)。并且，调制器13和/或解调器12在实际中可以构成微控制器14的功能的组成部分。

所述电声传感器的具体结构和所述相关联的处理和转换装置在此处不进行具体描述。可参见，例如在背景技术中引用过在此作为参考的文献EP1 075 098和WO 2001/10064。这些文献特别提到了将通常用来生成警报的声音生成电路改为能够将调制后的声信号转换为电信号，并且反之亦可行的双向转换电路。

需要注意的是，图1中所示的通信系统用于在所述数据处理终端和所述便携单元之间提供双向通信，扬声器26用于从个人计算机2向便携单元1传输数据，同时麦克风28用于接收由便携单元1发送的数据。本说明书的余下部分将更具体地说明从数据处理终端2向便携单元1传送数据。

在背景技术中提到，现有技术方案的一个缺点在于用于传输数据的声载波的频率可能与所述扬声器的频率响应的波峰和波谷相重合。不管用来对信息编码的调制方式如何，此问题都将出现。在调幅的情况下，信息通过改变声载波的幅度进行编码，此声载波以确定频率传输，从而可能与所述扬声器的频率响应中的不规则相重合。调相的情况相同，通过改变所述信号的相位对信息进行编码。最后，在调频的情况下，通过改变所述声载波的频率对信息进行编码，调制后的声载波的频率至少部分地与扬声器的频率响应中的不规则相重合，部分数据可能因此丢失。

根据本发明，做出的选择仍然是通过改变在所述扬声器的电声传感器和所述便携单元的电声传感器的共有频带中的确定频率范围内的载波频率来引入高频谱差异。通过对本身已经被调频的声载波再进行适当的调制来发送待传输的数据。对于传输所述数据所用的调制方式的选择决定于在这两种调制(用于传输所述数据的调制和用于确保所述声载波的足够的频谱差异的调频)之间必须不存在或仅存在微小干扰的条件。

最简单的解决方法是除了对此声载波进行调频之外，还对此声载波进行调幅来发送数据。这种情况下，可以注意到，仍然需要选择调频参数来保证，第一，就像已提及的，声载波有足够的频谱差异，第二，声信号的包络尽可能的不受影响。

调幅的替代方法也可以是调频。可以注意到，在这种情况下，由于用来传输数据的调频叠加在用来在有用带宽内展开频谱的调频上，使得解码所述信息变得更加复杂。这种情况下，I/Q解调器(具有相位正交信号)可区别所述载波的相位或频率。

在本说明书余下部分，为了简单起见，假设数据通过调幅声载波传输。更确切地说，基本原理为，当所述比特值等于第一逻辑电平(例如，“1”)时，所述声载波在所述比特发送时间内具有确定的非零幅度电平，而当所述比特值等于第二逻辑电平(例如，“0”)时，其具有零幅度电平。例如，可参考图5，其给出了利用上述技术发送比特序列的示图。

注意到此处具有明确的幅度调制模式，也可以设想出其它很完美的调幅模式，例如，在这样的调制模式中，以两个半周期信号序列的形式传输比特“1”，所述两个半周期信号为，声载波的幅度首先开始非零，然后为零，相反，以两个半周期信号序列的形式传输比特“0”，此处的两个半周期信号为，声载波的幅度首先为零，然后为非零(这一般被称为曼彻斯特调制或编码)。

在确定的频率范围内实现所述声信号的高频谱差异的解决方法包括，在有用带宽，即，所述扬声器的电声传感器和所述便携单元的电声传感器的共有带宽内，改变所述声载波的频率。单纯通过说明性、非限制性的例子，可以确定，所述系统的有用带宽对应于从约2700Hz到约4000-4500Hz的频率范围(即约1.5k Hz的带宽)，此带宽基本上由所述便携单元中使用的电声传感器的特性以及此便携单元的结构确定。

所设想的第一种方案基于以基本线性的方式在有用频带内改变所述频率。在这种情况下，声载波可表述为以下解析形式：

CARRIER(t)＝sin(2π·(f0+Δf·(t/Tbit))·t+alpha)    (1)其中，f0为扫频时的初始频率，Δf对应于待扫描频带宽度的一半，Tbit为比特发送时间，而alpha为用于保证所述声载波从一个比特到另一个比特的连续性的适当相移(适当的情况下，可忽略此相移)。相移alpha可用如下形式表述：

alpha＝(2π·(f0+Δf)·Tbit)·(N-1)    (2)

其中，N对应于相关的第N个比特。

图2示出了遵照以上等式(1)的声载波。此图中，选择任意比特的发送时间约为7.8ms(确切地说，1/128＝7.8125ms)，参数f0和Δf的取值分别为3000Hz和1000Hz。需要注意的是，此图中，信号的相位alpha也被从一个比特调整到下一个比特。

依照以上原理对所产生声载波的谱分析表明产生所述声载波的频率范围基本上从所选择的频率f0扩展了等于2×Δf的带宽。在上述数值例中，f0和Δf的值分别为3000Hz和1000Hz，所生成的声载波的频谱基本上位于从3000Hz到5000Hz的频带内。

所述以线性方式在确定的频率范围内改变所述声载波频率的方案的替代方案可以是，通过利用了一种或多种调制信号的调频技术来改变所述声载波的频率。在使用两种调制信号进行调频的情况下，所述声载波可表示为如下的解析形式：

CARRIER(t)＝sin(2π·f0·t+Δ1/f1sin(2π·f1·t)+Δ2/f2sin(2π·f2·t))  (3)

其中，f0为所述声载波的中心频率，f1和Δ1分别为第一调制信号的频率和最大偏移量，f2和Δ2分别为第二调制信号的频率和最大偏移量。如前所述参照等式(1)，尽管此参数不是必须的，仍然可以设想如上定义的声载波包括相移，其被选择以确保该声载波从一个比特到另一个比特的连续性。

图3示出了符合上述等式(3)的声载波。此图中，比特发送时间Tbit同样约等于7.8ms，此例中的参数f0，f1，Δ1，f2和Δ2的取值分别为3331Hz，1000Hz，200Hz，600Hz和120Hz。注意到参数f0，f1，Δ1，f2和Δ2由某些约束条件决定。因此，中心频率f0被定义为所述系统有用带宽的函数并基本处于此有用带宽的中间。调制参数f1，Δ1，f2和Δ2被选择作为比特发送时间Tbit和所述系统有用带宽的函数，这是保证所述声载波在该有用带宽内的足够频谱差异的基本条件。

所选的参数f0，f1，f2，Δ1和Δ2改变所述声载波频谱的带宽以及该声载波频率尖峰的数目和位置。图4通过说明性的实例示出了当重复周期为7.8ms时，连续重复图3中的声载波得到的频谱。特别注意在中心频率3331Hz处的频率尖峰和在2331Hz，2731Hz，3931Hz和4331Hz处的附加峰，以及强度较低的其它频率尖峰。

定性地看，可发现上述第二种方案能够得到更好的结果，此方案中，所述声载波由一个或多个调制信号调制。注意到，由于数据通过所述声载波的调幅传输，对所采用的声载波的频率调制必须使得对给定的幅度调制电平而言，此声载波的包络基本保持不变(即基本上不受影响)，以使得对数据传输不产生太多干扰或者根本不产生干扰。

当在配备了一个或多个扬声器的数据处理终端上实施本发明时，以预先确定的样本序列的形式存储所述声载波将更有优势(尤其对限制所述数据处理终端的计算负荷而言)。特别地，必须存储代表在一个比特时间段上的声载波的样本序列，例如，以存储于所述数据处理终端的表格的形式。要生成所述声波，则只需查询所存储的表格以生成对应于比特发送时间的声载波部分，并为每个待传输的比特重复此操作即可。所述声载波然后被调制为待传输数据的函数。在特殊情况下，当数据通过依据前述关于图5的原理的幅度调制来进行传输时，准确地说，很明显地，只有当需要传输比特“1”时，才产生所述声载波，而当传输比特“0”时，所述声载波具有零幅度。

所幸的是，44.1kHz的采样频率经常被用于在个人计算机上对音频信号进行采样。例如，对于比特发送时间Tbit约为7.8ms，所述声载波可以被表示为344个连续样本的序列。图6代表在一个比特发送时间上以44.1kHz对图3声载波的采样。

通常而言，很明显，对本领域一般技术人员而言，无需脱离附带权利要求中所定义的本发明的范围，可以对此处叙述的实施例进行各种显而易见的改变和/或改进。特别地，本发明不限于前述的两种实现模式，即不限于以基本线性的方式或采用多个调制信号的调频技术来改变所述声载波的频率。只要能保证声载波在所要求的带宽内的足够的频谱差异，可采用任何其它合适的调制形式来改变此声载波的频率。

最后，本发明不限于在包括至少数据处理终端和便携单元的系统中实现所提出的方法。所提出的传输方法可用于通过声波传输数据的任何系统，且系统中的发射机装置的电声传感器具有不规则的频率响应。类似地，相同的原理可用于防止所述声载波的频率与接收机(例如，数据处理终端的麦克风)中所使用的电声传感器的频率响应的不规则相重合。因此，所提出的传输方法可以在便携单元中实现以提高从便携单元到数据处理终端的数据传输的可靠性。

此外，图1所示的便携单元的结构中使用了双向电声传感器。显然，可以使用两个电声传感器，分别用于发送和接收数据。最后，本发明还可应用于单向数据传输系统。

Claims (10)

1.一种利用声波在发射机装置(2)和接收机装置(1)之间传输数据的方法，其中：

所述发射机装置(2)具有用于以至少一个频率传输声载波的第一电声传感器(26)以及用于将所述声载波调制为待传输数据的函数的部分，

所述接收机装置(1)具有用于接收所述经过发射机装置调制的声载波的第二电声传感器(18)以及用于解调所述声载波并从中提取所传输的数据的部分，并且

所述第一和第二电声传感器(26，18)各自具有确定的带宽和确定的频率响应特性，

此方法的特征在于，所述声载波的频率在确定的时间段内是变化的，以扫过位于所述第一和第二电声传感器(26，18)的共有带宽内的确定的频率范围，使得传输的声载波的频率在任何时候都不与所述第一和所述第二电声传感器的频响特性的波峰和波谷相重合。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述发射机装置的调制部分为调幅部分，并且，所述声载波的频率变化以使得此声载波的包络对于给定的幅度调制电平基本保持不变。

3.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其特征在于，所述声载波的频率在所述确定的频率范围内以基本线性的方式变化。

4.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其特征在于，以使用了一个或者多个调制信号的调频技术来改变所述声载波的频率。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述声载波的频率通过使用了两种调制信号的调频技术改变，且具有由如下等式所定义的类型的形状：

CARRIER(t)＝sin(2π·f0·t+Δ1/f1sin(2π·f1·t)+Δ2/f2sin(2π·f2·t))  (3)

其中，CARRIER(t)为所述声载波的时间函数表示，f0为所述声载波的中心频率，f1和Δ1分别为第一调制信号的频率和最大偏移量，f2和Δ2分别为第二调制信号的频率和最大偏移量。

6.根据权利要求4或者权利要求5的方法，其特征在于，所述声载波为中心频率在大约3000Hz到3500Hz并由所述调制信号调频的声波。

7.根据权利要求4的方法，其特点在于，待传输的数据包括通过在第一和第二确定的幅度电平之间对所述声载波进行幅度调制来传输的比特序列，并且，对所述声载波的调频参数进行选择以使得所述调频所得的声载波的频谱基本覆盖了发射机装置和接收机装置的全部共有频带。

8.根据前述权利要求中任何一个的方法，其特征在于，所述声载波以存储在表中的样本序列的形式存储在发射机装置中。

9.用于实现根据前述任何一个权利要求的传输方法的利用声波传输数据的系统，其特征在于，包括：

-与至少一个声发射机装置(26)相联系的数据处理终端(2)，其中该声发射机装置(26)具有用于传输所述声载波的第一电声传感器，并且

-配备有声接收机装置(18)的至少一个便携单元(1)，其中该声接收机装置(18)具有用于接收所述声载波的第二电声传感器。

10.根据权利要求9的用于传输数据的系统，其中所述声载波以存储在表中的样本序列的形式存储于所述数据处理终端(2)中，且其特征在于，所述数据处理终端包括软件部分，用于：

-查询所述表，

-基于所述样本序列生成声载波，以及

-将该声载波调制为待传输数据的函数。

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