專利名稱：多通道聲波通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于聲波實(shí)現(xiàn)多路設(shè)備之間信息發(fā)送、 信息接收還原、多通道共存防止載波沖突的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著GSM數(shù)字移動(dòng)通訊技術(shù)的商用，以手機(jī)為代表的移動(dòng)終端設(shè)備成為人們生活必備工具，并且在完成基本通話功能基礎(chǔ)上，近年來又增加了藍(lán)牙、NFC近場(chǎng)通訊等技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位以及手機(jī)支付等諸多功能。這些基本功能都是基于電磁波為基本傳輸媒介而實(shí)現(xiàn)的，需要專用的硬件和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)代價(jià)高昂。有別于電磁波的信息傳遞，傳統(tǒng)的聲光電構(gòu)成了人類最基礎(chǔ)的信息發(fā)布和傳遞的方式，而作為手機(jī)基本通話功能，麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器是每部手機(jī)必備的基礎(chǔ)硬件。由揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)組成的音頻信息發(fā)送接收系統(tǒng)，成為一種廉價(jià)的通信方式。尤其是在人耳可辨的理論聲波頻率上限20KHz附近的類超聲波頻率是一種有效的載波頻率，有如下優(yōu)點(diǎn)1.人耳無法識(shí)別不會(huì)帶來噪聲；2.可以被手機(jī)麥克風(fēng)有效接收；3.遠(yuǎn)離通常使用的聲波頻率，正常的聲波信號(hào)對(duì)其干擾少。這些優(yōu)點(diǎn)可以使移動(dòng)終端利用超聲波或者類超聲波作為通信載波或者定位信號(hào)使用。在申請(qǐng)日2011年5月4日發(fā)明專利CN102202258.A中，單純利用超聲波頻率特征， 無法傳遞有效信息，而且發(fā)生頻點(diǎn)少；申請(qǐng)日在2007年2月15日的發(fā)明專利CN101247183A 中，使用振幅調(diào)制傳遞信息，存在誤碼率高，沒有公開載波防沖撞的有效機(jī)制?？傊?，現(xiàn)有解決方法的實(shí)用性不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出一種聲波或者類超聲波載波防沖撞的多通道通信方法和系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)聲波或者類超聲波發(fā)生器共存而不會(huì)相互干擾。這種方法對(duì)類超聲波作為室內(nèi)定位格點(diǎn)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備精準(zhǔn)定位非常必要。本發(fā)明的第二個(gè)目的是公開一種高效的多通道FSK解調(diào)處理方法，大大減少了傳統(tǒng)多通道信道解調(diào)的運(yùn)算量，提高了接收效率的同時(shí)，降低了接收設(shè)備的硬件實(shí)現(xiàn)成本和功耗。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一套聲波信道規(guī)劃方法、聲波信息發(fā)送部分以及聲波信息接收部分，發(fā)送和接收部分可以單獨(dú)工作，也可以在同一部移動(dòng)終端，比如手機(jī)中實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案
多通道聲波通信系統(tǒng)，包括聲波信息發(fā)生器和聲波信息接收器。所述的聲波信息發(fā)生器包括第一麥克風(fēng)、第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、信道選擇模塊、 DDS載波發(fā)生模塊、FSK調(diào)制模塊、碼元信息存儲(chǔ)模塊、編碼模塊、第一時(shí)鐘模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊、模擬濾波模塊、放大器模塊和揚(yáng)聲器。
第一麥克風(fēng)的輸出端與第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與信道選擇模塊的輸入端信號(hào)連接，信道選擇模塊的輸出端與FSK調(diào)制模塊的一個(gè)輸入端信號(hào)連接。碼元信息存儲(chǔ)模塊的輸出端與編碼模塊的輸入端信號(hào)連接，編碼模塊的輸出端與 FSK調(diào)制模塊的另一個(gè)輸入端信號(hào)連接。DDS載波發(fā)生模塊的輸出端與FSK調(diào)制模塊的再一個(gè)輸入端信號(hào)連接。FSK調(diào)制模塊的輸出端與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與模擬濾波模塊的輸入端信號(hào)連接，模擬濾波模塊的輸出端與放大器模塊的輸入端信號(hào)連接，放大器模塊的輸出端與揚(yáng)聲器信號(hào)連接。第一時(shí)鐘模塊提供兩種時(shí)鐘信號(hào)，其中一種時(shí)鐘信號(hào)提供給第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、DDS載波發(fā)生模塊和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊；另一種時(shí)鐘信號(hào)提供給信道選擇模塊、FSK調(diào)制模塊、碼兀信息存儲(chǔ)模塊和編碼模塊。所述的聲波信息接收器包括第二麥克風(fēng)、第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字下變頻器模塊、數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊、同步判決模塊和第二時(shí)鐘管理模塊。所述的同步判決模塊可進(jìn)一步包括快速傅里葉變換模塊、數(shù)控遲早門載波同步模塊和碼元同步模塊。所述的數(shù)控遲早門載波同步模塊包括誤差提取模塊和積分器模塊；所述碼元同步模塊包括比較判決模塊、信息碼元同步模塊和解碼校驗(yàn)?zāi)K。第二麥克風(fēng)的輸出端與第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與數(shù)字下變頻器模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字下變頻器模塊的輸出端與數(shù)字濾波器模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字濾波器模塊的輸出端與降采樣模塊的輸入端信號(hào)連接，降采樣模塊的輸出端與自動(dòng)增益控制模塊的輸入端信號(hào)連接，自動(dòng)增益控制模塊帶有多個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端都與一個(gè)信道的同步判決模塊的輸入端信號(hào)連接。同步判決模塊內(nèi)部，快速傅里葉變換模塊有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸入端和自動(dòng)增益控制模塊的輸出端信號(hào)連接，快速傅里葉變換模塊的一個(gè)輸出端和誤差提取模塊的輸入端信號(hào)連接，誤差提取模塊的輸出端和積分器模塊的輸入端信號(hào)連接，積分器模塊的輸出端和快速傅里葉變換模塊的另外一個(gè)輸入端信號(hào)連接。快速傅里葉變換模塊的另一個(gè)輸出端和比較判決模塊的輸入端信號(hào)連接，比較判決模塊的輸出端和信息碼元同步模塊的輸入端信號(hào)連接，信息碼元同步模塊的輸出端和解碼校驗(yàn)?zāi)K的輸入端信號(hào)連接。第二時(shí)鐘模塊提供兩種時(shí)鐘信號(hào)，其中一種時(shí)鐘信號(hào)提供給第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，另一種時(shí)鐘信號(hào)提供給數(shù)字下變頻器模塊、數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊、同步判決模塊。聲波信息發(fā)生器中的揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)，該聲波信號(hào)由聲波信息接收器中第二麥克風(fēng)接收。利用上述多通道聲波通信系統(tǒng)進(jìn)行通信方法，包括以下步驟
步驟1-1.第一麥克風(fēng)采集聲波信號(hào)，將聲壓能量轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，送入第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。步驟1-2.第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到的音頻數(shù)字信號(hào)送入到信道選擇模塊中， 信道選擇模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)做快速傅里葉變換提取出信號(hào)的頻域特征，根據(jù)規(guī)劃的信道頻點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)信道中信道頻點(diǎn)能量是否超過門限閾值，如果超過閾值則認(rèn)為該信道已經(jīng)被其他發(fā)生設(shè)備所占用；遍歷所有的信道，找出未被占用的信道，確定該信道對(duì)應(yīng)的信道頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，并傳遞給FSK調(diào)制模塊。步驟1-3.原始信息保存在碼元信息存儲(chǔ)模塊中，為了保證通信質(zhì)量，原始信息經(jīng)過編碼模塊后，完成插入前導(dǎo)碼和用于校驗(yàn)或者糾錯(cuò)的冗余碼元的工作。步驟1-4. FSK調(diào)制模塊根據(jù)信道選擇所確定的載波頻率，由DDS載波發(fā)生模塊生成載頻離散的采樣點(diǎn)，并根據(jù)編碼模塊的結(jié)果，選擇二進(jìn)制碼元O使用頻率為Π的載頻，二進(jìn)制碼元I使用頻率f2的載頻，每個(gè)碼元載波為2的N次方個(gè)離散采樣點(diǎn)，這些離散采樣點(diǎn)按照采樣時(shí)鐘交給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊。步驟1-5.數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊將FSK調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，為了避免重復(fù)采樣導(dǎo)致的低頻干擾，模擬信號(hào)經(jīng)過模擬濾波模塊后，濾掉了重復(fù)采樣的低頻干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)載波信號(hào)做整形，濾波后的模擬信號(hào)送到放大器模塊中放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成聲波信號(hào)的發(fā)送。步驟2-1.聲波經(jīng)過第二麥克風(fēng)被轉(zhuǎn)換為模擬電平信號(hào)。步驟2-2.模擬電平信號(hào)送給第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)。步驟2-3.經(jīng)過第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由數(shù)字下變頻器模塊、 數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊做數(shù)字信號(hào)預(yù)處理。步驟2-4.將經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)通信信道分別送入各自同步判決模塊做載波同步、數(shù)據(jù)判決、碼元同步和校驗(yàn)提取，其步驟可進(jìn)一步描述為
步驟2-4-1.在同步判決模塊內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)被送入到快速傅里葉變換模塊做FFT運(yùn)算，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果送入到誤差提取模塊，并根據(jù)已知規(guī)劃信道頻點(diǎn)的FFT 模值做誤差提取，誤差提取的結(jié)果送入到積分器模塊確定FFT窗口初始值，并反饋到快速傅里葉變換模塊用于FFT運(yùn)算，完成載波同步調(diào)整功能。步驟2-4-1所描述的功能屬于數(shù)控遲早門載波同步模塊。步驟2-4-2.在同步判決模塊內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)被送入到快速傅里葉變換模塊做FFT運(yùn)算，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果被送入到比較判決模塊，根據(jù)已知規(guī)劃信道頻點(diǎn)的 FFT模值比較，得到接收碼元信息。步驟2-4-3.接收碼元信息送入到信息碼元同步模塊，去掉前導(dǎo)碼，得到一組編碼后的碼元。步驟2-4-4.經(jīng)過信息碼元同步模塊所得到編碼后的碼元再經(jīng)過解碼校驗(yàn)?zāi)K， 做冗余校驗(yàn)以判斷接收碼元是否正確，如果冗余校驗(yàn)結(jié)果正確，則將接收碼元作為最終的原始信息；如果冗余校驗(yàn)結(jié)果不正確，則放棄該接收碼元。步驟2-4-2至2-4-4所描述的功能屬于碼元同步模塊。更進(jìn)一步地說，步驟1-2中所述的聲波信道其規(guī)劃方法具體為在類超聲波頻帶內(nèi)事先規(guī)劃出多個(gè)通信頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔△f是聲波接收器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊采樣頻率除以每個(gè)碼元的離散采樣點(diǎn)數(shù)的商，而每個(gè)碼元采樣點(diǎn)數(shù)是2的N次方；通信頻點(diǎn)的中心頻率為信道間隔的整數(shù)倍，為了實(shí)現(xiàn)類超聲波通信，最小的中心頻率要大于18KHz。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明公開了一套不需要手機(jī)增加額外元件的基礎(chǔ)上低成本的實(shí)現(xiàn)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備短距離通信的系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明所公開的聲波信道規(guī)劃和選擇方法，解決了聲波通信中的信號(hào)相互干擾的問題，為聲波發(fā)生器作為定位格點(diǎn)的實(shí)用性難題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，通過事先規(guī)劃好的頻點(diǎn)，使得FFT后的結(jié)果方便比較判決，大大減少了同步判決的實(shí)現(xiàn)難度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低廉，主要工作模塊都可以通過軟件編程完成，同時(shí)避免了傳統(tǒng)FSK解調(diào)每一路都要經(jīng)過的濾波、相關(guān)判決等大量的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，使得本發(fā)明所示系統(tǒng)，即可以由運(yùn)算能力強(qiáng)大的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)，又很方便的由一些使用MCU的終端實(shí)現(xiàn)?？傊景l(fā)明很好的適應(yīng)了手機(jī)智能化的發(fā)展趨勢(shì)，為手機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航定位、手機(jī)短距離通信提供了一種低成本的解決方案。


圖I為本發(fā)明聲波通信系統(tǒng)示意圖2為本發(fā)明聲波信道規(guī)劃示意圖3為本發(fā)明聲波信息發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明聲波信息發(fā)生器編碼模塊示意圖5為本發(fā)明聲波信息接收器接收示意圖6為本發(fā)明聲波信息接收器同步判決模塊示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加明白，結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明
本發(fā)明的聲波通信系統(tǒng)包括聲波信息發(fā)生器和聲波信息接收器，聲波信息接收器可以同時(shí)接收四個(gè)聲波信息發(fā)生器所發(fā)送的信息，如圖I所示。聲波通信系統(tǒng)首先需要對(duì)信道做出規(guī)劃，為了實(shí)現(xiàn)類超聲波通信，本實(shí)施例中規(guī)劃利用聲波ISKHz到22kHz為聲波通信頻段。44100Hz是移動(dòng)終端設(shè)備中最常使用的音頻采樣頻率，考慮到設(shè)備兼容性，聲波通信系統(tǒng)使用44100Hz作為采樣時(shí)鐘頻率。規(guī)劃每位碼元的采樣點(diǎn)數(shù)是1024，這樣確定信道間隔Af=44100/1024=43Hz。確定通信信道頻率是信道間隔的整數(shù)倍，最低的信道頻率是18001Hz (信道間隔的418倍)，最高的信道頻率是 21920Hz (信道間隔的509倍)，這樣可以得到一張信道規(guī)劃表，如表I和圖2
表I信道基帶信號(hào)頻率(Hz)間隔倍數(shù)信道IMt O18001418Mt I18044419佶道2Mt O18130421bit I18174422信道30Mt O bit I21877 21920508 509
從圖2中可以看到，一些信道頻點(diǎn)，如間隔倍數(shù)為420的頻率為18088Hz的頻點(diǎn)沒有被用作FSK調(diào)制信道頻點(diǎn)，這些頻點(diǎn)作為環(huán)境噪聲參考頻點(diǎn)使用。圖3是聲波信息發(fā)生器結(jié)構(gòu)流程圖。聲波由第一麥克風(fēng)301采集，將聲壓能量轉(zhuǎn)換為模擬電平信號(hào)，送入到第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊302轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊采樣時(shí)鐘頻率是44100Hz ；
第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊302得到的音頻數(shù)字信號(hào)送入到信道選擇模塊303中，信道選擇模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)做快速傅里葉變換提取出信號(hào)的頻域特征，根據(jù)規(guī)劃的信道頻點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)信道中信道頻點(diǎn)能量是否超過門限閾值，如果超過閾值則認(rèn)為該信道已經(jīng)被其他發(fā)生設(shè)備所占用。在本實(shí)施例中，先計(jì)算信道I的18001Hz和18044Hz頻點(diǎn)FFT模值，然后平均，再除以環(huán)境噪聲參考頻點(diǎn)18060Hz的FFT模值。如果這個(gè)比值大于2，認(rèn)為該信道已經(jīng)被其他發(fā)生器占用，該信道不可用。按照上述方法遍歷所有的信道，找出未被占用的信道，確定該信道對(duì)應(yīng)的信道頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，并傳遞給306 FSK調(diào)制模塊。比如發(fā)現(xiàn)信道2和信道12沒有被其他發(fā)生器占用，選擇信道2作為本發(fā)生器信息調(diào)制信道，即對(duì)應(yīng)18130Hz為bit 0,18174Hz 為 bit I。原始信息存放在碼元信息存儲(chǔ)模塊304中，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過編碼模塊305做編碼處理，編碼模塊如圖4所示，插入一組1010跳變的前導(dǎo)碼，編碼使用CRC-4校驗(yàn)碼，后續(xù)插入4bit校驗(yàn)碼位，但編碼方式不限于CRC校驗(yàn)碼，編碼方式可以根據(jù)需要選擇。本實(shí)施例中原始信息是10位數(shù)字信號(hào)1111111111，編碼使用CRC-4校驗(yàn)碼，校驗(yàn)多項(xiàng)式為10011，對(duì)原始信息編碼得到的CRC-4的校驗(yàn)碼為0011，前導(dǎo)碼為12位，編碼模塊 305 輸出的碼元為 10101010101011111111110011。編碼后的碼元被送到FSK調(diào)整模塊306做頻移鍵控調(diào)制，其信號(hào)調(diào)制的頻率由頻道選擇模塊303確定，如本實(shí)施例所述選擇信道2，bitO是18130 Hz，bitl是18174 Hz，每個(gè)bit做1024次采樣，根據(jù)DDS載波發(fā)生模塊307中的正弦波查找表直接生成對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，并交給309數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，DDS載波發(fā)生模塊和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊采樣頻率均為44100Hz。為了避免重復(fù)采樣導(dǎo)致的低頻干擾，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過模擬濾波模塊310后，濾掉了重復(fù)采樣的低頻干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)載波信號(hào)做整形，濾波后的模擬信號(hào)送到放大器模塊311中放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成聲波信號(hào)的發(fā)送。本實(shí)施例中，放大器模塊使用D類放大器，D類放大器對(duì)音質(zhì)損失以及所產(chǎn)生的高頻干擾對(duì)聲波通信沒有影響，而且D類放大器效率高，可以簡(jiǎn)化電源、功耗和散熱設(shè)計(jì)， 便于發(fā)生設(shè)備小型化，是聲波通信系統(tǒng)理想選擇。本實(shí)施例中揚(yáng)聲器使用帶式高音揚(yáng)聲器， 利用帶式揚(yáng)聲器高頻特征好的特點(diǎn)，在減少類超聲波所在高頻段頻寬衰減的同時(shí)，減少了發(fā)生器體積，但實(shí)驗(yàn)證明，普通球頂高音揚(yáng)聲器同樣可以應(yīng)用到聲波發(fā)生系統(tǒng)中。聲波信息發(fā)生器中，時(shí)鐘管理模塊308提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊302、DDS載波發(fā)生模塊307和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊309的采樣時(shí)鐘，即44100Hz，同時(shí)提供頻道選擇模塊303、編碼模塊305、FSK調(diào)制模塊306的系統(tǒng)工作時(shí)鐘，該時(shí)鐘頻率根據(jù)運(yùn)算要求和功耗指標(biāo)確定。聲波信息發(fā)生器中，頻道選擇模塊303、編碼模塊305、DDS載波發(fā)生模塊307、FSK 調(diào)整模塊306都是在數(shù)字域內(nèi)通過數(shù)字信號(hào)處理用軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件要求非常低，利用普通MCU就可以實(shí)現(xiàn)。圖5是聲波信息接收器意圖。聲波信息由第二麥克風(fēng)501米集轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)送到第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊502中轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊502的采樣頻率是44100Hz。第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊502輸出的離散數(shù)字信號(hào)送入到下變頻器503，做下變頻處理采集了 N個(gè)數(shù)據(jù)，其中第1、3、5等奇數(shù)點(diǎn)保持?jǐn)?shù)據(jù)不變，2、4、6等偶數(shù)點(diǎn)的相位偏移 Ji，將18KHz到22Khz的頻率搬移到低頻段。下變頻器503的輸出結(jié)果送入到數(shù)字濾波器模塊504做數(shù)字低通濾波，只保留聲波信息的頻帶，濾除非工作頻段的噪聲。本實(shí)施例使用25階，截止頻率為5. 5KHz的FIR濾波器。數(shù)字濾波器模塊504的輸出結(jié)果送入到降采樣模塊505中做4倍降采樣，每個(gè)bit 的采樣點(diǎn)數(shù)由1024個(gè)采樣點(diǎn)減少為256個(gè)采樣點(diǎn)，這樣減少后續(xù)FFT的計(jì)算量。降采樣處理后的信號(hào)，被送入到自動(dòng)增益控制模塊506中，將信號(hào)振幅均勻化，避免后續(xù)遲早門同步誤差提取由于振幅不均勻?qū)е碌腻e(cuò)誤。經(jīng)過自動(dòng)增益控制處理后的信號(hào)送入到多路同步判決模塊507中，對(duì)每一路信號(hào)做載波同步和碼元同步，最終得到原始碼元信息。進(jìn)一步的說明同步判決模塊的工作流程，圖6為同步判決模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。同步判決模塊由快速傅里葉變換模塊601、碼元同步模塊602和數(shù)控遲早門載波同步模塊603 三部分組成。經(jīng)過自動(dòng)增益控制處理后的信號(hào)首先送到快速傅里葉變換模塊601做FFT運(yùn)算， 每一位碼元對(duì)應(yīng)256個(gè)采樣點(diǎn)做FFT運(yùn)算，得到信號(hào)的頻域特征。比如我們使用信道2作為解調(diào)信道，表2為規(guī)劃信道2在接收器不同模塊處FFT橫坐標(biāo)位置。表 2信道基帶信號(hào)頻率(Hz)_隔倍數(shù)接收器ADC后1024 個(gè)點(diǎn)FFT位置接收器降采樣后 256點(diǎn)FFT位置信道2Mt O1813042142293bit I1817442242392
從表2可以看到，規(guī)劃的信道頻點(diǎn)在經(jīng)過降采樣處理后FFT橫坐標(biāo)均落在整數(shù)格點(diǎn)上， 這樣在提高FFT運(yùn)輸速度的前提下，不影響判決比較精度。在快速傅里葉變換模塊601中，取[1:256]個(gè)點(diǎn)做FFT，得到橫坐標(biāo)93點(diǎn)和92點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模值rl (93)和rl (92)，然后向后偏移128個(gè)點(diǎn)，取[129:384]再做一次FFT，得到r2 (93)和r2 (92)的模值，將這兩次FFT的結(jié)果送入到數(shù)控遲早門載波同步模塊603中。數(shù)控遲早門載波同步模塊603由誤差提取模塊603. I和積分器模塊603. 2兩部分組成。快速傅里葉變換模塊601得到的兩次FFT結(jié)果rl (93)、rl (92)和r2 (93)、r2 (92) 送入到誤差提取模塊603. 1，提取出同步誤差err
Err= (r2 (93) - rl (93) ) + (r2 (92) - rl (92))
同步誤差err送入到積分器模塊603. 2中，確定下一次FFT取值窗口的起始偏移量 offset
Offset= round ((offset+0. 2X err)/16) X16
即以16的倍數(shù)作為遲早門偏移量，得到的偏移量反饋到快速傅里葉變換模塊601中， 用于確定下一次FFT取值窗口位置，完成數(shù)控遲早門載波同步功能?？焖俑道锶~變換模塊601 FFT運(yùn)算的結(jié)果同時(shí)送入到碼元同步模塊602中。碼元同步模塊602由比較判決模塊602. I、信息碼元同步模塊602. 2和解碼校驗(yàn)?zāi)K602. 3組成。快速傅里葉變換模塊601 FFT運(yùn)算的結(jié)果送入到比較判決模塊602. I做比較判決，如表2實(shí)施例中對(duì)信道2做判決
如果r (93)大于r (92)，判決為bit O;如果r (93)小于等于r (92)，判決為bit I。 這樣得到一組編碼后的碼元信息:001010101010101111111111001110101010101011。比較判決模塊602. I的輸出結(jié)果送入到信息碼元同步模塊602. 2中做碼元同步， 確認(rèn)前導(dǎo)碼位置并提取出原始碼元和校驗(yàn)碼元，如本實(shí)施例，確認(rèn)101010101010為前導(dǎo)碼，提取出11111111110011為原始碼元和校驗(yàn)碼元并送入到解碼校驗(yàn)?zāi)K602. 3中，用 CRC-4校驗(yàn)多項(xiàng)式10011作為被除數(shù)，結(jié)果被整除，確認(rèn)接收信息正確，最終解析出原始的信息碼元1111111111。碼元同步模塊602功能完成。聲波信息接收器的時(shí)鐘管理模塊508提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊502的采樣時(shí)鐘 44100Hz,同時(shí)提供其他數(shù)字邏輯運(yùn)算的系統(tǒng)時(shí)鐘。聲波信息接收器除了第二麥克風(fēng)和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊外，其他模塊都是在數(shù)字域通過數(shù)字信號(hào)處理，以軟件方式實(shí)現(xiàn)，代價(jià)小，移植方便，便于在手機(jī)平臺(tái)推廣普及。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施成本低廉，實(shí)用性良好，便于在手機(jī)短距離通信、 精準(zhǔn)定位、簽到服務(wù)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域推廣。
權(quán)利要求
1.多通道聲波通信系統(tǒng)，包括聲波信息發(fā)生器和聲波信息接收器，其特征在于所述的聲波信息發(fā)生器包括第一麥克風(fēng)、第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、信道選擇模塊、DDS 載波發(fā)生模塊、FSK調(diào)制模塊、碼元信息存儲(chǔ)模塊、編碼模塊、第一時(shí)鐘模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊、模擬濾波模塊、放大器模塊和揚(yáng)聲器；第一麥克風(fēng)的輸出端與第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與信道選擇模塊的輸入端信號(hào)連接，信道選擇模塊的輸出端與FSK調(diào)制模塊的一個(gè)輸入端信號(hào)連接；碼元信息存儲(chǔ)模塊的輸出端與編碼模塊的輸入端信號(hào)連接，編碼模塊的輸出端與FSK 調(diào)制模塊的另一個(gè)輸入端信號(hào)連接；DDS載波發(fā)生模塊的輸出端與FSK調(diào)制模塊的再一個(gè)輸入端信號(hào)連接；FSK調(diào)制模塊的輸出端與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與模擬濾波模塊的輸入端信號(hào)連接，模擬濾波模塊的輸出端與放大器模塊的輸入端信號(hào)連接，放大器模塊的輸出端與揚(yáng)聲器信號(hào)連接；第一時(shí)鐘模塊提供兩種時(shí)鐘信號(hào)，其中一種時(shí)鐘信號(hào)提供給第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、 DDS載波發(fā)生模塊和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊；另一種時(shí)鐘信號(hào)提供給信道選擇模塊、FSK調(diào)制模塊、碼兀/[目息存儲(chǔ)模塊和編碼模塊；所述的聲波信息接收器包括第二麥克風(fēng)、第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字下變頻器模塊、 數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊、同步判決模塊和第二時(shí)鐘管理模塊； 所述的同步判決模塊可進(jìn)一步包括快速傅里葉變換模塊、數(shù)控遲早門載波同步模塊和碼元同步模塊；所述的數(shù)控遲早門載波同步模塊包括誤差提取模塊和積分器模塊；所述碼元同步模塊包括比較判決模塊、信息碼元同步模塊和解碼校驗(yàn)?zāi)K；第二麥克風(fēng)的輸出端與第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端信號(hào)連接，第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與數(shù)字下變頻器模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字下變頻器模塊的輸出端與數(shù)字濾波器模塊的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字濾波器模塊的輸出端與降采樣模塊的輸入端信號(hào)連接，降采樣模塊的輸出端與自動(dòng)增益控制模塊的輸入端信號(hào)連接，自動(dòng)增益控制模塊帶有多個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端都與一個(gè)信道的同步判決模塊的輸入端信號(hào)連接；同步判決模塊內(nèi)部，快速傅里葉變換模塊有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸入端和自動(dòng)增益控制模塊的輸出端信號(hào)連接，快速傅里葉變換模塊的一個(gè)輸出端和誤差提取模塊的輸入端信號(hào)連接，誤差提取模塊的輸出端和積分器模塊的輸入端信號(hào)連接，積分器模塊的輸出端和快速傅里葉變換模塊的另外一個(gè)輸入端信號(hào)連接；快速傅里葉變換模塊的另一個(gè)輸出端和比較判決模塊的輸入端信號(hào)連接，比較判決模塊的輸出端和信息碼元同步模塊的輸入端信號(hào)連接，信息碼元同步模塊的輸出端和解碼校驗(yàn)?zāi)K的輸入端信號(hào)連接；第二時(shí)鐘模塊提供兩種時(shí)鐘信號(hào)，其中一種時(shí)鐘信號(hào)提供給第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊， 另一種時(shí)鐘信號(hào)提供給數(shù)字下變頻器模塊、數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊、同步判決模塊；聲波信息發(fā)生器中的揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)，該聲波信號(hào)由聲波信息接收器中第二麥克風(fēng)接收。
2.多通道聲波通信方法，其特征在于該方法包括步驟1-1.第一麥克風(fēng)采集聲波信號(hào)，將聲壓能量轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，送入第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)；步驟1-2.第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到的音頻數(shù)字信號(hào)送入到信道選擇模塊中，信道選擇模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)做快速傅里葉變換提取出信號(hào)的頻域特征，根據(jù)規(guī)劃的信道頻點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)信道中信道頻點(diǎn)能量是否超過門限閾值，如果超過閾值則認(rèn)為該信道已經(jīng)被其他發(fā)生設(shè)備所占用；遍歷所有的信道，找出未被占用的信道，確定該信道對(duì)應(yīng)的信道頻點(diǎn)數(shù)據(jù)， 并傳遞給FSK調(diào)制模塊；步驟1-3.原始信息保存在碼元信息存儲(chǔ)模塊中，為了保證通信質(zhì)量，原始信息經(jīng)過編碼模塊后，完成插入前導(dǎo)碼和用于校驗(yàn)或者糾錯(cuò)的冗余碼元的工作；步驟1-4. FSK調(diào)制模塊根據(jù)信道選擇所確定的載波頻率，由DDS載波發(fā)生模塊生成載頻離散的采樣點(diǎn)，并根據(jù)編碼模塊的結(jié)果，選擇二進(jìn)制碼元O使用頻率為Π的載頻，二進(jìn)制碼元I使用頻率f2的載頻，每個(gè)碼元載波為2的N次方個(gè)離散采樣點(diǎn)，這些離散采樣點(diǎn)按照采樣時(shí)鐘交給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊；步驟1-5.數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊將FSK調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，為了避免重復(fù)采樣導(dǎo)致的低頻干擾，模擬信號(hào)經(jīng)過模擬濾波模塊后，濾掉了重復(fù)采樣的低頻干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)載波信號(hào)做整形，濾波后的模擬信號(hào)送到放大器模塊中放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成聲波信號(hào)的發(fā)送；步驟2-1.聲波經(jīng)過第二麥克風(fēng)被轉(zhuǎn)換為模擬電平信號(hào)；步驟2-2.模擬電平信號(hào)送給第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)；步驟2-3.經(jīng)過第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由數(shù)字下變頻器模塊、數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊做數(shù)字信號(hào)預(yù)處理；步驟2-4.將經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)通信信道分別送入各自同步判決模塊做載波同步、數(shù)據(jù)判決、碼元同步和校驗(yàn)提取，其步驟可進(jìn)一步描述為步驟2-4-1.在同步判決模塊內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)被送入到快速傅里葉變換模塊做FFT運(yùn)算，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果送入到誤差提取模塊，并根據(jù)已知規(guī)劃信道頻點(diǎn)的FFT 模值做誤差提取，誤差提取的結(jié)果送入到積分器模塊確定FFT窗口初始值，并反饋到快速傅里葉變換模塊用于FFT運(yùn)算，完成載波同步調(diào)整功能；步驟2-4-1所描述的功能屬于數(shù)控遲早門載波同步模塊；步驟2-4-2.在同步判決模塊內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的信號(hào)被送入到快速傅里葉變換模塊做FFT運(yùn)算，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果被送入到比較判決模塊，根據(jù)已知規(guī)劃信道頻點(diǎn)的FFT 模值比較，得到接收碼元信息；步驟2-4-3.接收碼元信息送入到信息碼元同步模塊，去掉前導(dǎo)碼，得到一組編碼后的碼元；步驟2-4-4.經(jīng)過信息碼元同步模塊所得到編碼后的碼元再經(jīng)過解碼校驗(yàn)?zāi)K，做冗余校驗(yàn)以判斷接收碼元是否正確，如果冗余校驗(yàn)結(jié)果正確，則將接收碼元作為最終的原始信息；如果冗余校驗(yàn)結(jié)果不正確，則放棄該接收碼元；步驟2-4-2至2-4-4所描述的功能屬于碼元同步模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道聲波通信方法，其特征在于步驟1-2中所述的聲波信道其規(guī)劃方法具體為在類超聲波頻帶內(nèi)事先規(guī)劃出多個(gè)通信頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔是聲波接收器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊采樣頻率除以每個(gè)碼元的離散采樣點(diǎn)數(shù)的商，而每個(gè)碼元采樣點(diǎn)數(shù)是2的N次方；通信頻點(diǎn)的中心頻率為信道間隔的整數(shù)倍， 為了實(shí)現(xiàn)類超聲波通信，最小的中心頻率要大于18KHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多通道聲波通信系統(tǒng)及方法。單純利用超聲波頻率特征，無法傳遞有效信息，而且發(fā)生頻點(diǎn)少。使用振幅調(diào)制傳遞信息，誤碼率高。本發(fā)明包括聲波信息發(fā)生器和聲波信息接收器。聲波信息發(fā)生器包括第一麥克風(fēng)、第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、信道選擇模塊、DDS載波發(fā)生模塊、FSK調(diào)制模塊、碼元信息存儲(chǔ)模塊、編碼模塊、第一時(shí)鐘模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊、模擬濾波模塊、放大器模塊和揚(yáng)聲器。聲波信息接收器包括第二麥克風(fēng)、第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字下變頻器模塊、數(shù)字濾波器模塊、降采樣模塊、自動(dòng)增益控制模塊、同步判決模塊和第二時(shí)鐘管理模塊。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了傳統(tǒng)FSK解調(diào)每一路都要經(jīng)過大量的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算。
文檔編號(hào)H04B11/00GK102611658SQ201210056270
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者冉嘉, 劉東棟, 趙良 申請(qǐng)人:杭州銳昂科技有限公司