一種M元并行組合Chirp擴(kuò)頻的空氣聲波通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別是涉及利用空氣聲波作為信道進(jìn)行通信的方法，更具體地說(shuō)，涉及一種M元并行組合Chirp擴(kuò)頻的空氣聲波通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能終端技術(shù)的快速發(fā)展令手機(jī)已然成為信息傳遞的重要工具，利用智能終端的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器在空氣中可以進(jìn)行方便快捷的通信，因此，在移動(dòng)支付、消息推送等方面都能得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]在空氣中利用聲波通信的技術(shù)主要有三種，一種是Naratte公司研發(fā)出一種名為Zoosh的新技術(shù)，能在任何有麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)NFC(近場(chǎng)無(wú)線通信)操作。同以往必須依賴NFC專業(yè)芯片不同，Zoosh技術(shù)是利用超聲波技術(shù)進(jìn)行的安全電子通信。該技術(shù)可被添加到任意應(yīng)用程序或者擁有簡(jiǎn)單軟件更新系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備中，大大降低了用戶在完成NFC相關(guān)任務(wù)如手機(jī)支付或安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的難度。另一種是Mo蝙蝠技術(shù)(簡(jiǎn)稱為Mobat)，這是一項(xiàng)利用聲波或超聲波實(shí)現(xiàn)近距離無(wú)接觸式數(shù)據(jù)通訊的技術(shù)。Mo蝙蝠是一種非接觸式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以在智能移動(dòng)終端、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC和智能控件工具間進(jìn)行近距離無(wú)接觸式數(shù)據(jù)通信。還有一種是“迅音”超聲波NFC技術(shù)(簡(jiǎn)稱“迅音”)，其能夠讓具有喇叭、麥克風(fēng)的終端設(shè)備通過(guò)聲波進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。這些通信技術(shù)都試圖解決空氣中的聲波通信問(wèn)題，比如Zoosh主要解決15cm距離以內(nèi)的近距離聲波通信，Mo蝙蝠技術(shù)和“迅音”技術(shù)主要解決1cm距離以內(nèi)的聲波通信。當(dāng)空氣中聲波信號(hào)的收發(fā)距離在幾米或以上的距離時(shí)，空氣聲信道會(huì)由于聲波的反射和環(huán)境散射產(chǎn)生復(fù)雜的多徑效應(yīng)，另外，在空氣聲信道中，由于收發(fā)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)嚴(yán)重，如圖1和圖2所示，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的情況，在室內(nèi)環(huán)境下收發(fā)距離為4m和1m時(shí)，多徑信道的時(shí)間延遲會(huì)達(dá)到上百毫秒，而且有時(shí)信道結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，會(huì)造成接收端出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間干擾，目前，尚無(wú)應(yīng)對(duì)上述復(fù)雜信道的有效通信方法的公開(kāi)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)上述【背景技術(shù)】的問(wèn)題，提出一種M元并行組合Chirp擴(kuò)頻的空氣聲波通信方法。
[0005]本發(fā)明M元并行組合Chirp擴(kuò)頻的空氣聲波通信方法，包括信號(hào)發(fā)送和信號(hào)接收兩部分。
[0006]信號(hào)發(fā)送處理:
[0007]首先生成一個(gè)Chirp序列集合,其中Chirp序列集合由Chirp信號(hào)構(gòu)造而成,所述Chirp信號(hào)包括但不限于線性調(diào)頻、雙曲調(diào)頻等調(diào)頻信號(hào)。所述Chirp序列集合的構(gòu)造方法為:
[0008]找到一個(gè)二元序列集合(集合中各序列元素為O或1，各序列長(zhǎng)度可以不一樣)。將序列集合中的每個(gè)序列中的“I” ( “O”)映射為上調(diào)Chirp信號(hào)(Up Chirp)，每個(gè)序列中的“O” ( “I”)映射為下調(diào)Chirp信號(hào)(Down Chirp)。對(duì)于長(zhǎng)度非I的二元序列對(duì)應(yīng)的Chirp序列，每個(gè)“O”或“I”對(duì)應(yīng)的Chirp信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為符號(hào)時(shí)間除以二元序列元素個(gè)數(shù)。通過(guò)以上方法得到該二元序列集合和對(duì)應(yīng)的Chirp序列集合。
[0009]然后，對(duì)需要發(fā)送的數(shù)字信息經(jīng)過(guò)M元并行組合擴(kuò)頻調(diào)制單元生成調(diào)制信號(hào)，在調(diào)制信號(hào)前插入同步信號(hào)和時(shí)間保護(hù)間隔以形成發(fā)射信號(hào)。
[0010]信號(hào)接收處理:
[0011]首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，獲取聲信號(hào)的起始時(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)部分通過(guò)M元并行組合Chirp擴(kuò)頻解調(diào)單元恢復(fù)出原始的數(shù)字信息，完成整個(gè)通信過(guò)程。
[0012]所述上調(diào)Chirp信號(hào)是指Chirp信號(hào)的頻率或周期隨著時(shí)間而增大；
[0013]所述下調(diào)Chirp信號(hào)是指Chirp信號(hào)的頻率或周期隨著時(shí)間而降低；
[0014]所述同步信號(hào)可以是任意一種具有時(shí)間分辨能力的信號(hào)序列，包括但不限于線性調(diào)頻、雙曲調(diào)頻以及相移鍵控(PSK)調(diào)制的偽隨機(jī)序列等，同步信號(hào)具有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和帶寬，確保接收端能夠有效的捕獲信號(hào)并進(jìn)行時(shí)間和頻率的同步；
[0015]所述時(shí)間保護(hù)間隔周期需要參考信道最大時(shí)延進(jìn)行設(shè)定，原則上應(yīng)該不小于信道的最大時(shí)延；
[0016]本發(fā)明所使用的聲波的頻率可以是20kHz以下的音頻范圍，也可以是20kHz以上的超聲波范圍。
[0017]本發(fā)明所述通信方法能夠有效提高傳統(tǒng)的Chirp擴(kuò)頻的頻帶利用率，抵消空氣聲信道中的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，且具有計(jì)算復(fù)雜度低、處理增益大和抗多普勒效應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，便于在帶有音頻收/發(fā)設(shè)備的智能終端上應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)際測(cè)量的室內(nèi)環(huán)境下收發(fā)距離在4m時(shí)的空氣聲信道結(jié)構(gòu)；
[0019]圖2為實(shí)際測(cè)量的室內(nèi)環(huán)境下收發(fā)距離在1m時(shí)的空氣聲信道結(jié)構(gòu)；
[0020]圖3為本發(fā)明所述通信方法的信號(hào)發(fā)射處理流程圖；
[0021]圖4為本發(fā)明所述通信方法的信號(hào)接收處理流程圖；
[0022]圖5為本發(fā)明所采用的信號(hào)格式；
[0023]圖6為采用相干方式的M元并行組合Chirp擴(kuò)頻解調(diào)流程圖；
[0024]圖7為采用非相干方式的M元并行組合Chirp擴(kuò)頻解調(diào)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖具體對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]圖1和圖2分別是實(shí)際測(cè)量的室內(nèi)環(huán)境下收發(fā)距離在4m(近距離)和1m(遠(yuǎn)距離)時(shí)的空氣聲信道結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖1和圖2，可以看出:
[0027](I)信道多徑結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，出現(xiàn)了非最小相位信道(即信道多徑能量分布不是按照時(shí)間順序遞減)，采用通常的應(yīng)付多徑信道的均衡處理方法是難以對(duì)抗這種多徑信道的，性能很差。
[0028](2)多徑時(shí)間擴(kuò)展達(dá)到了 30-50ms。由于空氣聲信道帶寬通常為kHz量級(jí)，因此多徑擴(kuò)展與通信數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)間之比達(dá)到了幾十到一百的量級(jí)，若采用通常的均衡處理方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大，運(yùn)算很不穩(wěn)定。
[0029]本發(fā)明的方法可以較好地對(duì)抗具有以上兩個(gè)特點(diǎn)聲信道的信道帶來(lái)的信號(hào)畸變，獲得較好的通信效果。
[0030]本發(fā)明所述通信方法的核心思想在于，通過(guò)構(gòu)造由Chirp序列集合組成的準(zhǔn)正交信號(hào)集合，采用組合擴(kuò)頻的方式進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制，并對(duì)信號(hào)格式作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以提高Chirp擴(kuò)頻的頻帶利用率，抵消空氣聲信道中的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，且具有計(jì)算復(fù)雜度低、處理增益大和抗多普勒效應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
[0031]本發(fā)明所述通信方法，包括信號(hào)發(fā)