本發(fā)明涉及一種用于手機或者筆記本電腦的喇叭和麥克風之間的無線或者有線的OFDM數(shù)字通信的方法。

背景技術(shù)：

絕大多數(shù)的計算機和智能手機都配備有標準的音頻接頭，標準的音頻接頭幾乎是最常用的外設之一，有的配置有外置的喇叭和麥克風，不需要額外的佩戴長長的耳機麥克風線也能夠進行錄音和播放功能。目前比較常見的無線通信方式有紅外、藍牙、WiFi、USB等等，其中紅外、藍牙、WiFi采用無線通信的方式。筆記本電腦和現(xiàn)在智能手機基本上都不配備紅外，而藍牙、WiFi需要專門的芯片，且通信協(xié)議復雜，成本和功耗都較高，一般微型的MCU板或配置略低的手機不具備該通信功能。目前來看，市場的絕大部分手機和電腦均配置標準的音頻接頭，而且由于音頻接頭機械結(jié)構(gòu)和電路簡單，一些MCU板卡也比較容易配置，因此采用音頻接頭的喇叭和麥克風來實現(xiàn)無線通信在某些場合比較合適。本方案的通信方法采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)技術(shù)，它是一種調(diào)制解調(diào)分別基于IFFT和FFT方法的多載波傳輸方案。若收發(fā)之間有線連接，則可以選擇帶寬更寬且編碼率更高的QPSK甚至8PSK的快速傳輸方法，若為無線方式，則選擇帶寬略低且編碼率低的BPSK的慢速的方式傳送，以保證0誤碼率。

公開號為CN104301521A的中國專利公開了一種基于手機音頻接頭的調(diào)制方式、通信電路以及通信方法，其采用的是有線連接，并且采用的是非常簡單的0和1數(shù)字碼直接傳輸，其通信速率非常低且誤碼率比較高，并且其不能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(1)要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有的通信裝置的不足，本發(fā)明提供了一種基于電腦或手機的音頻接口的有線OFDM通信或者利用喇叭和麥克風之間的無線OFDM通信設備及通信方法。當有導線連接時，采用快速低誤碼率的收發(fā)方式，當為無導線連接時，也能夠利用發(fā)送方的喇叭和接收方的麥克風之間進行無線通信。在人工選擇采用有線或者無線時，對應的程序會自動選擇相應的通信方式。

(2)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種基于電腦或手機音頻接口的有線或無線的OFDM通信方法。

如圖1所示，當為有線連接時，需要一根兩側(cè)均為標準音頻接頭的信號線。通用的音頻接口的直徑為3.5毫米的4線接口，以圖1的插孔為例，從左到右(從小到大)依次為左聲道接口、右聲道接口、地線GND接口、麥克風線接口。由于本方案中，只有一個麥克風接口，所以在設計的導線中，只需將左邊的插頭的左聲道接口引出來，連接到右邊插頭的麥克風接口，并且在右邊接頭處的麥克風接口前端需要對地連接一個1.2K歐姆的電阻R2，用以匹配接收方的麥克風電路的需求。同樣，右邊的接頭的左聲道接口連接到左邊接頭的麥克風接口端，并且在左邊麥克風接口的前端也需要連接一個1.2K歐姆的電阻R1。如上所述，該導線包含左右兩個標準音頻接頭，并且在導線兩端各配置一個1.2K歐姆的電阻，導線中包含3根漆包銅導線。

以上導線的設計是為滿足有線通信時所需的硬件條件，但當選擇無線通信時，無需圖1中的導線和音頻公頭接頭，系統(tǒng)主要包括發(fā)射機，接收機，發(fā)射機軟件模塊，接收機軟件模塊，發(fā)送方具備可用的喇叭，接收方具備可用的麥克風，如圖2所示。以此類推，若想主機1和主機2既能夠無線發(fā)信息也能夠無線收信息，則其需要主機1和2同時具備可用的喇叭和麥克風。

通過音頻插接頭內(nèi)部的卡扣，主機1和主機2會自動判斷是否插入音頻接頭，也就說會自動判斷采用有線還是無線通信方式，但需要注意的是有些老式的機器不具備通過卡扣自動判斷功能，所以在軟件設計端需要留出人工選擇選項。

在以上硬件條件準備完成的條件下，就可以進行OFDM音頻通信。以主機1作為發(fā)射機、主機2作為接收機為例。

第一步：啟動接收機的軟件，選擇“接收”，再選擇采用“無線”還是“有線”通信方式(因為有些老式的機器不能夠自動判斷音頻接頭是否插入，若主機支持自動識別，會自動跳過該選項)，然后軟件開始自動進入麥克風錄音程序，等待發(fā)射機的數(shù)據(jù)幀頭到來。

第二步：啟動發(fā)射機的程序，選擇“發(fā)送”，然后選擇采用“無線”還是“有線”通信方式(因為有些老式的機器不能夠自動判斷音頻接頭是否插入，若主機支持自動識別，會自動跳過該選項)，隨后進行測試速率，發(fā)射機循環(huán)發(fā)送“檔 位測試信號”數(shù)據(jù)包。

第三步，接收機接收到“檔位測試信號”數(shù)據(jù)包后，對“檔位測試信號”數(shù)據(jù)包進行幀頭校驗，校驗成功則進入第四步，否則重復第三步。

第四步，“檔位測試信號”數(shù)據(jù)包幀頭校驗成功后，繼續(xù)接收正確的“檔位測試信號”，并按照收發(fā)雙方約定的數(shù)據(jù)格式，開始解調(diào)，將解調(diào)的數(shù)據(jù)與發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進行比對，計算出各種通信檔位誤碼率。

第五步，發(fā)射機和接收機選擇最快通信速率且零誤碼率的通信檔位，然后發(fā)射機開始使用選中檔位的方式發(fā)送需要發(fā)送的用戶文件。

(3)有益效果

通過上述音頻通信方案，避免的傳統(tǒng)的直接傳輸01數(shù)字碼所帶來的低速率和高誤碼率等等問題，并且所需要的導線結(jié)構(gòu)和收發(fā)電路非常簡單，在沒有導線的情況下依然能夠通過喇叭麥克風進行數(shù)據(jù)傳送，大量的工作只需通過軟件解決，從而實現(xiàn)低成本高速率的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳送。

通過設置高中低三種不同通信檔位，收發(fā)雙方可以在滿足零誤碼率的前提下，采用最快的通信檔位進行數(shù)據(jù)傳輸。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明所需制作的音頻接頭收發(fā)導線的結(jié)構(gòu)示意圖。。

圖2為本方案中有線或無線OFDM通信示意圖。

圖3為本方案中OFDM通信發(fā)送接收流程圖。

圖4為本方案中具體實施方式中的通信實例程序設計流程圖。

圖5為本方案中“檔位測試信號”的時頻歷程波形圖。

圖6為本方案中通訊接收機數(shù)據(jù)流幀頭尋找方式圖。

具體實施方式

在圖1和圖2所述的硬件條件準備完成后，才可以進行后續(xù)的通信流程。這里以圖2中的“主機1-手機”只發(fā)送(以下簡稱發(fā)射機)和“主機2-電腦”只接收(以下簡稱接收機)的最基本的無線收發(fā)OFDM通信方式為例，更為具體的描述本發(fā)明。

硬件要求：手機具備功能良好的喇叭，電腦具備功能完好的麥克風。

本方案中OFDM通信簡要介紹：以表1中的速度等級“慢速”通信方式為例，發(fā)送和接收流程圖如圖3所示，采用BPSK調(diào)制方法，發(fā)射端的DA和接收方的AD的變換率均為44.1KHz，正交信號頻率范圍200Hz-2000Hz，其IFFT的變換點數(shù)為4410點，子載波頻率間隔為10Hz，推斷出子載波個數(shù)為181個。由于采用BPSK的調(diào)制方式，發(fā)送的單幀時域信號攜帶的二進制數(shù)據(jù)量為361*1＝181bit。經(jīng)過IFFT后，得到0.1s的時域信號D_ns，然后添加1/4長度的循環(huán)前綴CP，最終得到待發(fā)射單幀信號Q_ns的數(shù)據(jù)長度為0.1+0.1*1/4＝0.125s。在多幀信號Q_ns前后和中間按規(guī)律的插入的收發(fā)雙方已知導頻信號P_ns，最后再在整段信號的頭部添加線性調(diào)頻LPM信號作為起始標志信號，方便接收方匹配峰值查找起始標志位置，至此發(fā)射的信號S_s準備完畢，之后S_s通過手機的喇叭播放即可。電腦通過麥克風接收到的信號為S′_s(麥克風接收到的信號S′_s是由S_s經(jīng)過空氣聲信道后得到的信號)，待接收程序找到頭部的LPM信號后，程序開始對接收到的信號進行幀分組，每幀0.125s，去掉循環(huán)前綴CP，得到每幀0.1s的信號，再經(jīng)過FFT解調(diào)，根據(jù)雙方已知的導頻信號P_ns來推測出信道H，然后根據(jù)信道H和接收到的信號D_nr來推測出發(fā)送方的用戶信號D′_ns。

具體通信步驟：

表一、收發(fā)雙方約定的通信檔位及調(diào)制解調(diào)方法

表一中描述了收發(fā)雙方約定的通信速率和頻帶范圍。如圖3發(fā)送的信號頻譜圖所示，幀頭包含0.25s的LPM信號、0.1s的空閑信號、0.125*2＝0.25s的“慢速”檔調(diào)制幀頭校驗的信息，其后4.75s為3個檔位通信誤碼率測試的信號。

第一步：啟動接收機的軟件，選擇“接收”，再選擇采用“無線”通信方式(因為有些老式的機器不能夠自動判斷音頻接頭是否插入，若主機支持自動識別，會自動跳過該選項)，然后軟件開始自動進入麥克風錄音程序，直到判斷有發(fā)送方的數(shù)據(jù)幀頭到來為止。

第二步：啟動發(fā)射機的程序，選擇“發(fā)送”，然后選擇采用“無線”通信方式(因為有些老式的機器不能夠自動判斷音頻接頭是否插入，若主機支持自動識別，會自動跳過該選項)，然后選擇“測試速率”選項，程序自動循環(huán)播放一段大約5.35s的聲音信號，即“檔位測試信號”數(shù)據(jù)包，包括：LPM信號0.25s、空閑信號0.1s、幀頭校驗信號0.125*2＝0.25s、“檔位測試信號”4.75s，總共5.35s時長，“檔位測試信號”內(nèi)容在第三步中有詳細的描述。

第三步：該步驟在接收機：“檔位測試信號”數(shù)據(jù)包幀頭校驗。如圖5所示，每隔0.6s分析一次錄音的實時數(shù)據(jù)，并將前一個0.6s數(shù)據(jù)放在本0.6s的數(shù)據(jù)前面構(gòu)成1.2s的數(shù)據(jù)，找到該1.2s數(shù)據(jù)中與約定的LPM信號匹配峰值最大值的時刻點t₀，若0.25s≤t₀≤0.85s，則進行后續(xù)的工作，否則拋棄該時刻t₀，重新進入下一個循環(huán)0.6s的數(shù)據(jù)分析。找到合適時刻點t₀后，向后延續(xù)0.1s開始持續(xù)記錄0.25s(t₀+0.1≤t≤t₀+0.35)的數(shù)據(jù)，分析該0.25s信號。收發(fā) 雙方約定該0.25s的數(shù)據(jù)為兩幀采用“慢速”檔位的數(shù)據(jù)，前面0.125s為導頻信號181bit的已知數(shù)P_1r(其對應的未經(jīng)過信道的已知信號為P_1s)，后面的0.125s數(shù)據(jù)為待測181bit的幀頭D_1r(其對應的未經(jīng)過信道的已知信號為D_1s),通過P_1r、P_1s和D_1r，就可以推斷出接收到的幀頭D′_1s，若D′_1s＝D_1s，則表示幀頭校驗成功，否則程序再次循環(huán)第三步的流程，如圖4所示。

第四步：該步驟在接收機端?！皺n位測試信號”數(shù)據(jù)包幀頭校驗成功后，繼續(xù)錄音后續(xù)的“檔位測試信號”，共38幀，每幀0.125s，共4.75s。在這“檔位測試信號”4.75s的數(shù)據(jù)中，收發(fā)雙方約定的數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

1、連續(xù)的“慢速”檔10幀，時長0.125*10＝1.25s，數(shù)據(jù)內(nèi)容為0-255的循環(huán)碼，數(shù)據(jù)長度181*1*10＝1810bit；

2、連續(xù)的“中速”檔10幀，時長0.125*10＝1.25s，數(shù)據(jù)內(nèi)容為0-255的循環(huán)碼，數(shù)據(jù)長度181*2*10＝3620bit；

3、連續(xù)的“快速”檔10幀，時長0.125*10＝1.25s，數(shù)據(jù)內(nèi)容為0-255的循環(huán)碼，數(shù)據(jù)長度381*4*10＝15240bit；

在上述30幀的信號中，在其前和尾部各放置一幀0.125s導頻，以及中間每間隔5幀插入一幀0.125s的導頻信號，其調(diào)制解調(diào)方法與其前面的一幀相同，據(jù)此推測總共插入8幀導頻信號，因此“檔位測試信號”時長為(10+10+10+8)*0.125＝4.75s。

按照上述的收發(fā)雙方約定的數(shù)據(jù)格式，開始解調(diào)，然后再將解調(diào)的數(shù)據(jù)與發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進行比對(該“檔位測試信號”的數(shù)據(jù)內(nèi)容是收發(fā)雙方均已知的)，統(tǒng)計其三個檔位的誤碼率，將結(jié)果顯示出來。到此，收發(fā)雙方的通信方式握手成功。

第五步：接收機選擇對應的誤碼率為0的檔位，然后開始進入“用戶數(shù)據(jù)接 收”選項，開始錄音。發(fā)射機按照前述選定檔位的方式發(fā)送需要發(fā)送的用戶文件，其中發(fā)射機發(fā)送的數(shù)據(jù)格式按照時間排序為：0.25s的LPM信號、0.1s的空閑信號、0.125*2＝0.25s的“慢速”檔調(diào)制幀頭校驗的信息、其后就是正式的“用戶數(shù)據(jù)”文件內(nèi)容。在“用戶數(shù)據(jù)”之前的0.25s+0.1s+0.125s*2＝0.6s的幀頭內(nèi)容與上述的第二、三步中一樣，相應的接收機的解調(diào)方法也是一樣的。針對于“用戶數(shù)據(jù)”文件內(nèi)容的部分，發(fā)送方調(diào)制和接收方解調(diào)都是按照選定檔位規(guī)定的方式進行。