基于ofdm的聲波通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于OFDM的聲波通信方法，將原始數(shù)據(jù)通過信道編碼后調(diào)制成由多個OFDM符號組成的數(shù)據(jù)幀的聲波信號通過揚聲器發(fā)射，麥克風(fēng)接收到聲波信號后再經(jīng)解調(diào)和信道譯碼后還原為原始數(shù)據(jù)，在通訊過程中，通過導(dǎo)頻信息實現(xiàn)符號同步，通過插入巴克碼的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀同步，簡化了處理，誤碼率低，提高聲波通訊的效率，推進(jìn)聲波通訊的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于OFDM的聲波通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于OFDM的聲波通信方法，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]聲波頻率在24kHz以下可以充分利用現(xiàn)有的視頻音頻播放設(shè)備與接收裝置，無需對特殊定制的揚聲器與麥克風(fēng)，人耳無法輕易察覺的頻率，不會對人們的日常生活產(chǎn)生較多影響，因此，聲波通訊得到了廣泛應(yīng)用，但是，傳統(tǒng)的聲波通訊【技術(shù)領(lǐng)域】，處理過程復(fù)雜，誤碼率比較高，抑制了聲波通訊的效率，阻礙了聲波通訊的發(fā)展。
[0003]正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，雖然OFDM的概念已經(jīng)存在了很長時間，但是直到最近，它才被人們認(rèn)識到是一種實現(xiàn)高速雙向無線數(shù)據(jù)通信的良好方法，并常見于電通訊中，在聲波通訊【技術(shù)領(lǐng)域】還沒有涉及，如何將正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)應(yīng)用在聲波通訊中，以簡化處理過程，減少誤碼率，提高通訊效率，是當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)的聲波通訊，處理過程復(fù)雜，誤碼率比較高，抑制了聲波通訊的效率，阻礙了聲波通訊的發(fā)展的問題。本發(fā)明提供的基于OFDM的聲波通信方法，簡化了處理，誤碼率低，提高聲波通訊的效率和同步性，具有良好的應(yīng)用前景。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:包括以下步驟，
[0007]步驟(I)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，得到擴(kuò)展數(shù)據(jù)；
[0008]步驟(2)，基于OFDM將信道分成若干正交子信道，包括數(shù)據(jù)信號子信道，恒定信號子信道、零功率信號子信道及巴克碼信號子信道，所述數(shù)據(jù)信號子信道用于將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分到各個數(shù)據(jù)信道；所述恒定信號子信道用于固定發(fā)送信號；所述零功率信號子信道用于校正頻率；所述巴克碼子信道用于實現(xiàn)幀同步；
[0009]步驟(3)，符號映射，將步驟(I)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將每組低速子數(shù)據(jù)流映射為星座圖，并調(diào)制到對應(yīng)的子信道進(jìn)行傳輸；
[0010]步驟(4)，將所有子信道的星座圖一并進(jìn)行反向傅里葉變換，完成頻域量向時域量的轉(zhuǎn)換；
[0011]步驟(5)，對反向傅里葉變換后的OFDM符號，進(jìn)行信號擴(kuò)展，得到數(shù)字音頻信號；
[0012]步驟(6)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸入給揚聲器，并通過揚聲器將模擬音頻信無線傳送給遠(yuǎn)端的麥克風(fēng)；
[0013]步驟(7)，麥克風(fēng)將接收的模擬音頻信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號；
[0014]步驟(8)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行傅里葉變換實現(xiàn)解調(diào)，完成時域量向頻域量的轉(zhuǎn)換，得到各個子信道的星座圖；
[0015]步驟(9)，對各OFDM符號進(jìn)行同步捕捉，若捕捉成功，則執(zhí)行步驟(10);若捕捉失敗，則滑動捕捉窗口，重復(fù)步驟(8)，直到捕捉成功；
[0016]步驟(10)，將信道分解為若干正交子信道；
[0017]步驟(11)，符號逆映射，將同步后的子信道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將為并行的低速子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為步驟(I)相同的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，并進(jìn)入信道進(jìn)行傳輸；
[0018]步驟(12)，對步驟(11)得到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，將擴(kuò)展數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)，完成聲波通信。
[0019]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(3)，符號映射，將每組低速子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)映射為星座圖，轉(zhuǎn)化過程為，將每組低速子數(shù)據(jù)的各個比特根據(jù)星座圖分配到其對應(yīng)的子信道中，通過反向傅里葉變換后的OFDM符號。
[0020]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(5)，對反向傅里葉變換后的OFDM符號，進(jìn)行信號擴(kuò)展的方法為減少在相鄰的兩個OFDM符號切換時的能量泄露，需要復(fù)制部分原信號延拓作為過渡區(qū)域，前一個OFDM符號的后過渡區(qū)與后一個OFDM符號的前過渡區(qū)相疊加，前、后過渡區(qū)的漸變窗函數(shù)依次為:
[0021]= 7(C0€it； + 1:;.? ￡ 2Tl).
[0022]:2 (λ； = 7 (COS(? + 1:, ,Y *Ξ《O, I!)。

m
[0023]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:所述前過渡區(qū)與原信號之間設(shè)有保護(hù)間隔區(qū)域，所述保護(hù)間隔區(qū)為原信號尾部信號的延拓。
[0024]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(9)，對各OFDM符號進(jìn)行同步捕捉，設(shè)有兩種捕捉情況，
[0025](I) DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴內(nèi)，DFT窗口所包含的抽樣值為此OFDM符號內(nèi)的值，則不存在產(chǎn)生符號間的干擾，正確解調(diào)，同步捕捉成功；
[0026](2) DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴外，DFT窗口所包含的抽樣值包含了下一個OFDM符號的值，則存在符號間的干擾，同步捕捉失敗，需要將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，再次解調(diào)，以便正確解調(diào)，同步捕捉成功。
[0027]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:所述將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，滑動位移的計算過程為，
[0028](I)設(shè)有IDFT單元生成信號樣本的長度為L，則擴(kuò)展后數(shù)據(jù)的長度為2.75L ；
[0029](2)兩個OFDM符號的過渡區(qū)域交疊在一起，過渡區(qū)域為0.25L，則兩個OFDM符號頭部的間距為2.75L-0.25L = 2.51；
[0030](3) DFT 窗口長度為 L，滑動距離為 2.5 L/2 = 1.25L。
[0031]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:每個OFDM符號均設(shè)有一位巴克碼，將巴克碼依次存入位移寄存器，位移寄存器的長度等于巴克碼的長度，當(dāng)接收端的麥克風(fēng)判決電平的尖銳峰值出現(xiàn)時，判斷幀開始與結(jié)束位置，實現(xiàn)幀同步。
[0032]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(I)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，包括第一 BCH編碼、交織、第二 BCH編碼三個步驟。
[0033]前述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(12)，對步驟(11)得到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，包括第一 BCH譯碼、解交織、第二 BCH譯碼三個步驟。
[0034]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的基于OFDM的聲波通信方法，將原始數(shù)據(jù)通過信道編碼后調(diào)制成由多個OFDM符號組成的數(shù)據(jù)幀的聲波信號通過揚聲器發(fā)射，麥克風(fēng)接收到聲波信號后再經(jīng)解調(diào)和信道譯碼后還原為原始數(shù)據(jù)，在通訊過程中，通過導(dǎo)頻信息實現(xiàn)符號同步，通過插入巴克碼的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀同步，簡化了處理，誤碼率低，提高聲波通訊的效率，推進(jìn)聲波通訊的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的基于OFDM的聲波通信方法的流程圖。
[0036]圖2是本發(fā)明的信道編碼的流程圖。
[0037]圖3是本發(fā)明的信道譯碼的流程圖。
[0038]圖4是本發(fā)明的子信道用途分配示意圖。
[0039]圖5是本發(fā)明的擴(kuò)展數(shù)據(jù)的示意圖。
[0040]圖6是本發(fā)明的DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴內(nèi)的同步捕捉示意圖。
[0041]圖7是本發(fā)明的DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴外的同步捕捉示意圖。
[0042]圖8是本發(fā)明一個實施例的編碼與譯碼的示意圖。
[0043]圖9是本發(fā)明一個實施例的QPSK方式調(diào)制數(shù)據(jù)的星座圖。
[0044]圖10是本發(fā)明一個實施例的信號擴(kuò)展的示意圖。
[0045]圖11是本發(fā)明一個實施例的同步捕捉與滑動的示意圖。

【具體實施方式】
[0046]下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0047]如圖1所示，本發(fā)明的基于OFDM的聲波通信方法，包括以下步驟，
[0048]步驟(I)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，得到擴(kuò)展數(shù)據(jù)；這里的原始數(shù)據(jù)，即需要發(fā)送的信息的內(nèi)容數(shù)據(jù)，可以是任何二進(jìn)制數(shù)據(jù)，包括但不限于文字、圖片、視頻、音頻等類型的數(shù)據(jù)，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)是在信號調(diào)試模塊中產(chǎn)生，擴(kuò)展是通過添加監(jiān)督數(shù)據(jù)使得在通訊過程中積累的誤差能夠得到糾正；
[0049]步驟(2)，基于OFDM將信道分成若干正交子信道，包括數(shù)據(jù)信號子信道，恒定信號子信道、零功率信號子信道及巴克碼信號子信道，所述數(shù)據(jù)信號子信道用于將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分到各個數(shù)據(jù)信道；所述恒定信號子信道用于固定發(fā)送信號用于OFDM符號同步，符號同步成功，才能夠正確將數(shù)據(jù)信道的星座圖逆映射，如果符號同步失敗則需要滑動解調(diào)窗口直至同步成功；所述零功率信號子信道用于校正頻率；所述巴克碼子信道用于實現(xiàn)幀同步；
[0050]步驟(3)，符號映射，將步驟(I)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將每組低速子數(shù)據(jù)流映射為星座圖，并調(diào)制到對應(yīng)的子信道進(jìn)行傳輸；
[0051]步驟(4)，將所有子信道的星座圖一并進(jìn)行反向傅里葉變換，完成頻域量向時域量的轉(zhuǎn)換；
[0052]步驟(5)，對反向傅里葉變換(IDFT)后的OFDM符號，進(jìn)行信號擴(kuò)展，得到數(shù)字音頻信號;
[0053]步驟(6)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸入給揚聲器，并通過揚聲器將模擬音頻信無線傳送給遠(yuǎn)端的麥克風(fēng)；
[0054]步驟(7)，麥克風(fēng)將接收的模擬音頻信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號；
[0055]步驟(8)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行傅里葉變換(DFT)實現(xiàn)解調(diào)，完成時域量向頻域量的轉(zhuǎn)換，得到各個子信道的星座圖；
[0056]步驟(9)，對各OFDM符號進(jìn)行同步捕捉，若捕捉成功，則執(zhí)行步驟(10);若捕捉失敗，則滑動捕捉窗口，重復(fù)步驟(8)，直到捕捉成功；
[0057]步驟(10)，將信道分解為若干正交子信道；
[0058]步驟(11)，符號逆映射，將同步后的子信道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將為并行的低速子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為步驟(I)相同的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，并進(jìn)入信道進(jìn)行傳輸；
[0059]步驟(12)，對步驟(11)得到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，將擴(kuò)展數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)，完成聲波通信。
[0060]所述揚聲器與麥克風(fēng)之間通過低于24kHz以下通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這里聲波頻率在24kHz以下可以充分利用現(xiàn)有的視頻音頻播放設(shè)備與接收裝置，無需對特殊定制的揚聲器與麥克風(fēng)，人耳無法輕易察覺的頻率，不會對人們的日常生活產(chǎn)生較多影響；
[0061]如圖2所示，步驟(I)，信道編碼過程，包括第一 BCH編碼、交織、第二 BCH編碼三個步驟，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，得到擴(kuò)展后數(shù)據(jù)；
[0062]如圖3所示，步驟(12)，信道譯碼過程，包括第一 BCH譯碼、解交織、第二 BCH譯碼三個步驟，實現(xiàn)將擴(kuò)展后數(shù)據(jù)還原成原始數(shù)據(jù)；
[0063]聲頻數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，通過信道編、解碼模塊這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生；
[0064]步驟(3)，符合映射，將數(shù)據(jù)分組后，將每組數(shù)據(jù)映射為一張星座圖，具體過程為:將每組數(shù)據(jù)的各個比特根據(jù)星座圖分配到其對應(yīng)的子信道中，這里步驟(2)將0-24kHz的頻率劃分為多個正交子信道(通過DFT變換的信號肯定是正交的，劃分信道的數(shù)量等于DFT的點數(shù)的一半)，將人耳無法輕易察覺子信道拿出來分配作為不同用途(數(shù)據(jù)信道、巴克碼信道、零功率信道、恒定信號信道)，假設(shè)做50點DFT，劃分了 25個子信道，每個子信道的帶寬為1kHz，那么如果人耳無法輕易察覺的頻率為15kHz?24kHz，那么可以將16-25共10個子信道去劃分不同的用途，每個子信道都是通過星座圖的方式將數(shù)據(jù)映射上去，譬如bpsk調(diào)制則每個信道可以映射lbit, cipsk調(diào)制是2bit, 8psk調(diào)制是3bit, qam調(diào)制是4bit,不同的調(diào)制方式對應(yīng)不同的星座圖，數(shù)據(jù)信號信道，把需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分到各個數(shù)據(jù)信道；巴克碼信道把星座中特定點的位置作為+1和-1，實現(xiàn)幀同步；零功率信號信道，不發(fā)送任何數(shù)據(jù)，在此點處功率為0，用于校正頻率；恒定信號信號，固定發(fā)送不變的信號，作為導(dǎo)頻(用作符號同步、信道估計和信道均衡)、零功率信號導(dǎo)頻(用作驗證符號同步)及巴克碼信號導(dǎo)頻(用作幀同步)，符合逆映射單元是其反過程，符號映射如圖4所示。
[0065]步驟(11)，符合逆映射過程，通過恒定信號信道的強(qiáng)度與相位信號已知，通過其強(qiáng)度對可以對其他信道的強(qiáng)度做歸一化處理，計算出整體信號的衰減或增益的值，通過公式
(I)可以得知解調(diào)時的偏移量τ，
[0066]τ = ( θ - Θ，)N/2 k (I)
[0067]其中，N為DFT時的總數(shù)；k為變換后的第k個點，即第k個子信道，k對于N/2共軛；Θ為該點的實際相位；Θ ’為(通過接收到的信號)計算出的相位(當(dāng)對齊起始位置時θ = θ ’根據(jù)上述公式計算得出偏移量τ = O，當(dāng)沒有對齊起始位置時，Θ與Θ ’不相等即可通過上述公式計算出偏移量τ)；
[0068]當(dāng)根據(jù)恒定信號對其他信號的強(qiáng)度與相位進(jìn)行修正后，就可以根據(jù)修正后的強(qiáng)度和相位畫出星座圖，再根據(jù)星座圖得出其對應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0069]本發(fā)明直接通過IDFT單元調(diào)制，可以同時對多個子信道同時進(jìn)行調(diào)制，節(jié)約了高通濾波器設(shè)備，在輸出數(shù)字音頻信號時無需過濾低通信號。
[0070]本發(fā)明直接通過DFT單元解調(diào)，可以同時對多個子信道同時進(jìn)行解調(diào)，節(jié)約了高通濾波器設(shè)備，在輸入數(shù)字音頻信號時無需過濾低通信號。
[0071]步驟(5)，進(jìn)行信號擴(kuò)展，用于減少在相鄰的兩個OFDM符號切換時的能量泄露，如圖5所示，需要復(fù)制部分原信號延拓作為過渡區(qū)域，為了保證信號的周期性需要復(fù)制原信號尾部信號作為前過渡區(qū)域與保護(hù)間隔，復(fù)制原信號頭部信號作為后過渡區(qū)域，前一個OFDM符號的后過渡區(qū)與后一個OFDM符號的前過渡區(qū)相疊加，前、后過渡區(qū)的漸變窗函數(shù)依次為:
[0072]flW =奮〔ec.s(:v; 4-1::.—τ s (?τ,2ιτ)=+ 5 (Ο.π)
[0073]這里過渡區(qū)域的漸變窗函數(shù)與疊加方式縮短了過渡區(qū)域的長度同時也減少了能量泄露的值，使符號切換時人耳無法輕易察覺。
[0074]所述前過渡區(qū)與原信號之間設(shè)有保護(hù)間隔區(qū)域，所述保護(hù)間隔區(qū)為原信號尾部信號的延拓。
[0075]步驟(9)，同步捕捉過程，設(shè)有兩種捕捉情況，解調(diào)時的定時偏移為τ個采樣，
[0076](I)如圖6所示，DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴內(nèi)，DFT窗口所包含的抽樣值為此OFDM符號內(nèi)的值，則不存在產(chǎn)生符號間的干擾，正確解調(diào)，同步捕捉成功；
[0077](2)如圖7所示，DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴外，DFT窗口所包含的抽樣值包含了下一個OFDM符號的值，則存在符號間的干擾，同步捕捉失敗，需要將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，再次解調(diào)，以便正確解調(diào)，同步捕捉成功。
[0078]所述將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，滑動位移的計算過程為，
[0079](I)設(shè)有IDFT單元生成信號樣本的長度為L，則擴(kuò)展后數(shù)據(jù)的長度為2.75L，具體為，復(fù)制原始信號的尾部0.5L作為前過渡區(qū)域與保護(hù)間隔+復(fù)制2L個完整的原始信號+復(fù)制原始信號的頭部0.25L作為后過渡區(qū)域；
[0080](2)兩個OFDM符號的過渡區(qū)域交疊在一起，過渡區(qū)域為0.25L，則兩個OFDM符號頭部的間距為2.75L-0.25L = 2.51；
[0081](3) DFT 窗口長度為 L，滑動距離為 2.5 L/2 = 1.25L。
[0082]所述每個OFDM符號均設(shè)有一位巴克碼，將巴克碼依次存入位移寄存器，位移寄存器的長度等于巴克碼的長度，當(dāng)接收端的巴克碼識別器的尖銳峰值出現(xiàn)時，判斷幀開始與結(jié)束位置，實現(xiàn)幀同步，巴克碼識別器原理:巴克碼依次存入一味寄存器，當(dāng)每位寄存器中的巴克碼與預(yù)先設(shè)定的巴克碼相同時，該為寄存器輸出I電平，每位寄存器的輸出通過加法器相加，當(dāng)巴克碼符合是即加法器的輸出為峰值。
[0083]根據(jù)本發(fā)明的基于OFDM的聲波通信方法，介紹一個具體實施例，
[0084]假設(shè)每幀發(fā)送256bit原始數(shù)據(jù)(信道編碼后擴(kuò)展為1024bit)，使用16個數(shù)據(jù)傳輸子載波，使用QPSK星座圖(2bit)，則每幀數(shù)據(jù)有32個OFDM符號(1024/16/2 = 32)，數(shù)字音頻信號的采樣精度為16bit、采樣頻率為44.1kHz,以640采樣點為一個OFDM符號，則每幀信號的長度為:32*640/44100 ^ 0.4644(秒)，實現(xiàn)過程，
[0085]信道編碼與譯碼
[0086]對每幀的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行如下編碼過程:
[0087](I)將原始數(shù)據(jù)劃分為16組，每組161^丨做801(31，16)編碼后，得到496bit的數(shù)據(jù)，再添加16bit的幀尾信息；
[0088](2)將數(shù)據(jù)依次按行送入2個16 bit*16bit的交織器，再按列依次取出；
[0089](3)數(shù)據(jù)劃分為32組，每組16bit做BCH(31，16)編碼后，得到992bit的數(shù)據(jù)，再添加32bit的幀尾信息，在這里具體設(shè)計編譯碼的過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員的現(xiàn)有技術(shù)
[0090]譯碼是其逆過程，編碼與譯碼過程，如圖8所示；
[0091]信號調(diào)制與解調(diào)
[0092](I)符號映射與逆映射
[0093]將17kHz?21kHz頻段劃分出23個子信道(16個用于傳輸數(shù)據(jù)信號，3個用于傳輸恒定信號，2個用于傳輸巴克碼信號,2個用于傳輸零功率信號)。由于米用256點IDFT生成信號故共有128個頻點，其中:
[0094]數(shù)據(jù)信號頻點為:99,100，101，102，103，104，105，106，107，108，110，111，112，113，114， 115
[0095]恒定信號頻點為:98，119，120
[0096]巴克碼信號頻點為:109，118
[0097]零功率信號頻點為:116，117
[0098]通過QPSK方式調(diào)制數(shù)據(jù)，使用如圖9所示的星座圖，在數(shù)據(jù)信號頻點，每個頻點傳輸2bit數(shù)據(jù)；在恒定信號頻點，恒定傳輸“11”；巴克碼信號頻點，“11”表示“ + ”，“00”(表示使用13位巴克碼(幀內(nèi)每個OFDM符號發(fā)送I位，當(dāng)13位巴克碼)發(fā)送完畢后的幀內(nèi)(剩余)OFDM符號發(fā)送零信號；零功率信號頻點，發(fā)送零信號；
[0099](2)信號擴(kuò)展
[0100]將256點通過IDFT單元生成的數(shù)字音頻信號，做如圖10所示的方式擴(kuò)展，
[0101](3)同步捕捉與滑動
[0102]當(dāng)使用256點樣本窗口作DFT單元解調(diào)時，解調(diào)窗口其實位置落點，如圖10所示，解調(diào)DFT窗口的起始位置在A與B之間時可與正確解調(diào)，如圖11所示，在C與D之間無法正確解調(diào)，AB = CD，即初次捕捉有50%的概率捕捉成功，當(dāng)初次捕捉失敗時，只需向后滑動320個樣本即可100%捕捉成功，平均1.5次捕捉即可實現(xiàn)符號同步，符號同步效率高，在這里通過具體的數(shù)值介紹符號同步的情況，即IDFT生成的樣本長度為X，通過擴(kuò)展后的長度為x+x+x/2+x/4 = 2.75x,由于前后2個OFDM符號的過渡區(qū)域交疊在一起，故2個OFDM符號頭部的間距為2.75x-x/4 = 2.5x，每次解調(diào)的DFT窗口長度為X，滑動距離為2.5x/2 =1.25x，上面舉例中的數(shù)值即為按照這種比例設(shè)置，就可以達(dá)到平均1.5次捕捉即可實現(xiàn)符號同步的效果。
[0103](4)幀同步
[0104]當(dāng)依次收到幀內(nèi)第13個OFDM符號時，巴克碼出現(xiàn)尖銳峰值，依此便可判斷幀開始與結(jié)束位置。
[0105] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟(I)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，得到擴(kuò)展數(shù)據(jù)； 步驟(2)，基于OFDM將信道分成若干正交子信道，包括數(shù)據(jù)信號子信道，恒定信號子信道、零功率信號子信道及巴克碼信號子信道，所述數(shù)據(jù)信號子信道用于將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分到各個數(shù)據(jù)信道；所述恒定信號子信道用于固定發(fā)送信號；所述零功率信號子信道用于校正頻率；所述巴克碼子信道用于實現(xiàn)幀同步； 步驟(3)，符號映射，將步驟(I)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將每組低速子數(shù)據(jù)流映射為星座圖，并調(diào)制到對應(yīng)的子信道進(jìn)行傳輸； 步驟(4)，將所有子信道的星座圖一并進(jìn)行反向傅里葉變換，完成頻域量向時域量的轉(zhuǎn)換； 步驟(5)，對反向傅里葉變換后的OFDM符號，進(jìn)行信號擴(kuò)展，得到數(shù)字音頻信號； 步驟(6)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸入給揚聲器，并通過揚聲器將模擬音頻信無線傳送給遠(yuǎn)端的麥克風(fēng)； 步驟(7)，麥克風(fēng)將接收的模擬音頻信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號； 步驟(8)，將數(shù)字音頻信號進(jìn)行傅里葉變換實現(xiàn)解調(diào)，完成時域量向頻域量的轉(zhuǎn)換，得到各個子信道的星座圖； 步驟(9)，對各OFDM符號進(jìn)行同步捕捉，若捕捉成功，則執(zhí)行步驟(10);若捕捉失敗，則滑動捕捉窗口，重復(fù)步驟(8)，直到捕捉成功； 步驟(10)，將信道分解為若干正交子信道； 步驟(11)，符號逆映射，將同步后的子信道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，并將為并行的低速子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為步驟(I)相同的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，并進(jìn)入信道進(jìn)行傳輸； 步驟(12)，對步驟(11)得到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，將擴(kuò)展數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)，完成聲波通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(3)，符號映射，將每組低速子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)映射為星座圖，轉(zhuǎn)化過程為，將每組低速子數(shù)據(jù)的各個比特根據(jù)星座圖分配到其對應(yīng)的子信道中，通過反向傅里葉變換后的OFDM符號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(5)，對反向傅里葉變換后的OFDM符號，進(jìn)行信號擴(kuò)展的方法為減少在相鄰的兩個OFDM符號切換時的能量泄露，需要復(fù)制部分原信號延拓作為過渡區(qū)域，前一個OFDM符號的后過渡區(qū)與后一個OFDM符號的前過渡區(qū)相疊加，前、后過渡區(qū)的漸變窗函數(shù)依次為::1:? = 7 [cm[x) -f I,: € (it, 2%.= f(cos(xj - 11.X e (0, Ir:;。

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4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:所述前過渡區(qū)與原信號之間設(shè)有保護(hù)間隔區(qū)域，所述保護(hù)間隔區(qū)為原信號尾部信號的延拓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(9)，對各OFDM符號進(jìn)行同步捕捉，設(shè)有兩種捕捉情況， (I)DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴內(nèi)，DFT窗口所包含的抽樣值為此OFDM符號內(nèi)的值，則不存在產(chǎn)生符號間的干擾，正確解調(diào)，同步捕捉成功； (2)DFT窗口的起始位置落在循環(huán)前綴外，DFT窗口所包含的抽樣值包含了下一個OFDM符號的值，則存在符號間的干擾，同步捕捉失敗，需要將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，再次解調(diào)，以便正確解調(diào)，同步捕捉成功。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:所述將DFT窗口通過滑動單元向后滑動，滑動位移的計算過程為， (1)設(shè)有IDFT單元生成信號樣本的長度為L，則擴(kuò)展后數(shù)據(jù)的長度為2.75L ； (2)兩個OFDM符號的過渡區(qū)域交疊在一起，過渡區(qū)域為0.25L，則兩個OFDM符號頭部的間距為 2.75L-0.25L = 2.51； (3)DFT窗口長度為L，滑動距離為2.5 L/2 = 1.25L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:每個OFDM符號均設(shè)有一位巴克碼，將巴克碼依次存入位移寄存器，位移寄存器的長度等于巴克碼的長度，當(dāng)接收端的巴克碼識別器的尖銳峰值出現(xiàn)時，判斷幀開始與結(jié)束位置，實現(xiàn)幀同步。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(I)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，包括第一 BCH編碼、交織、第二 BCH編碼三個步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于OFDM的聲波通信方法，其特征在于:步驟(12)，對步驟(11)得到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，包括第一 BCH譯碼、解交織、第二 BCH譯碼三個步驟。
【文檔編號】H04L27/26GK104243389SQ201410500397
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】陳景竑, 陳相寧, 馮靜衠 申請人:陳景竑