一种远距离超声通信方法及消费电子设备

技术领域

本发明涉及超声通信技术，尤其涉及一种远距离超声通信方法及消费电子设备。

背景技术

消费电子设备之间的通信传输通常使用无线通信和WIFI技术。WIFI和蓝牙技术都需要消费电子设备先打开WIFI和蓝牙设备并开始建立连接，此过程需要用户等待数秒时间。另外WIFI信号具有很强的穿透性，能够被室外的设备探测到，存在用户数据泄露的风险。而使用超声波进行通信传输，喇叭和麦克风的开启时间在1ms以下，用户无需等待便可以完成信号的发射或者接收，同时由于超声波的穿透能力弱，超声信号仅仅能被室内的设备探测到，极大的提高了通信数据的安全性。基于超声通信的低延迟和数据的安全性，近年来市场对基于消费电子设备超声通信传输的需求越来越强烈。

由于超声波在空气中传播的衰减很强，再加上消费电子喇叭本身发射的超声波功率普遍较弱，在经过空气传播之后，超声波信号的能量急剧衰减，当到达五米以上的传输距离后，超声波通信信号将会被设备底噪及环境噪音淹没，通信信号的信噪比极度恶化。除了信噪比恶化之外，随着通信距离的提升，房间混响带来的多径效应也将极大增加通信信号之间的码间干扰，进一步限制了超声通信系统的传输距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远距离超声通信方法及用于实现该方法的消费电子设备，可在5米以上的距离实现稳定的超声通信。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的第一方面，提供了一种远距离超声通信方法，由发射设备执行，包括：

步骤101、将需要传输的二进制数据调制为码元序列o(k)；

步骤102、采用扫频信号g(t)作为脉冲信号，

其中，T表示码元时间长度，f

步骤103、将码元序列上采样至与扫频信号采样点数相同，随后与脉冲信号进行卷积，将码元信号加载到脉冲信号中，得到基带信号，基带信号的表达式如下：

s(t)＝∑

其中，k表示码元编号；

步骤104、对基带信号进行频率调制，得到最终用于传输的超声通信信号u(t)；

步骤105、将超声通信信号u(t)以音频格式存储，使用消费电子设备自带的扬声器播放超声通信信号。

在一实施例中，所述步骤101包括：

将需要传输的长度为N的二进制数据以两位为基本单元，拆解为N/2个基本单元，基本单元有(00，01，10，11)四类，将这四类基本单元用正交相移键控表示，分别编码为(1+1j，-1+1j，-1-1j，1-1j)四类复数信号，得到一个长度为N/2的复数码元序列o(k)。

在一实施例中，所述步骤104包括：

取基带信号s(t)的实部和虚部，得到实部信号a(t)和虚部信号b(t)；

将实部信号a(t)与cos(2πf

将两路信号相加得到最终用于传输的超声通信信号u(t)，上述过程的数学表达式如下：

u(t)＝real(s(t))×cos(2πf

其中real()和imag()分别表示取实部和取虚部操作。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于消费电子设备的远距离超声通信接收方法，由接收设备执行，包括：

步骤201、通过麦克风对超声通信信号进行采集，得到接收信号v

步骤202、对v

步骤203、采用扫频信号g(t)的共轭逆序列g

步骤204、对信号a″

步骤205、对下采样信号p

步骤206、对信号x(n)进行相位偏移补偿得到信号x″(n)；

步骤207、将信号x″(n)进行码元判决得到z(n)并将其换为二进制信号o′(n)。

在一实施例中，所述步骤202包括：

将v(t)分别与cos(2πf

在一实施例中，所述麦克风包括双麦克风阵列，采集到的接收信号v

其中w

初始时刻令w

e(n)＝|x(n)|

其中，μ表示学习率。

在一实施例中，步骤206具体包括：

计算不同相位估计值下的相位偏移值：

通过码元判决函数，判断实部与虚部的正负，

d(n，m)＝f(x′(n，m))

选择误差最小的相位估计对信号进行相位补偿

i＝argmin(e(m))

在一实施例中，所述步骤207包括：通过码元判决函数，将信号p

在一实施例中，步骤204中，在t＝kT/2时刻进行下采样。

根据本发明的第三方面，提供了一种消费电子设备，包括：

扬声器，用于播放超声通信信号；

存储器，用于存储软件程序和数据；

处理器，用于当执行所述软件程序时，实现如第一方面任一项所述的远距离超声通信方法。

根据本发明的第四方面，一种消费电子设备，包括：

麦克风，用于采集超声信号；

存储器，用于存储软件程序和数据；

处理器，用于当执行所述软件程序时，实现如第二方面任一项所述的远距离超声通信方法。

本发明实施例的有益效果是：采用扫频信号作为码元函数，利用扫频信号的自相关特性提升通信信号的信噪比，从而提升通信系统的传输距离。优选地，采用双麦克风阵列对超声信号进行采样，可获得双通道通信信号，再经过双通道CMA均衡器，不但能够补偿房间多径效应带来的码间干扰，还能够进一步增强通信信号的信噪比，进而提升通信系统的传输距离。使用相位估计算法补偿传输过程中发生的相位偏移。此外，本发明实施例使用QPSK调制方式，可将2比特数据加载到一个码元上面，提升远距离通信的传输速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是本申请方法实施例中的步骤示意图；

图2是扫频信号频谱对比图；

图3是CMA均衡前后效果对比图；

图4是相位补偿前后效果对比图；

其中，图3和图4使用二维坐标表示复数信号，图中横坐标In-phase表示的是信号的实部，纵坐标Quad rature表示的是信号的虚部。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

本申请实施例提供了一种远距离超声通信方法，包括信号生成发射步骤和信号接收处理步骤。

其中，信号生成发射步骤如图1中a所示，包括：

步骤101、将需要传输的二进制数据调制为码元序列o(k)；

调制方法可以为BPSK(二进制相移键控)调制、QSPK(正交相移键控)调制、16QAM(正交幅度调制)、32QAM、128QAM、1024QAM等，不同调制方式影响码元序列o(k)的表达方式。例如，如果是BPSK调制，则只有2种可能表示，分别为(1，-1)；如果是16QAM调制，则有16种可能表示(1+1j，1-1j，-1-1j，-1+1j，1+3j，1-3j，-1-3j，-1+3j，3+1j，3-1j，-3-1j，-3+1j，3+3j，3-3j，-3-3j，-3+3j)。

在本实施例中，采用QSPK(正交相移键控)调制信号，使一个码元能够传播2比特数据，提高系统的通信速率。首先将需要传输的长度为N的二进制数据以两位为基本单元，拆解为N/2个基本单元，基本单元有(00，01，10，11)四类；将这四类基本单元用正交相移键控表示，分别编码为(1+1j，-1+1j，-1-1j，1-1j)四类复数信号，得到一个长度为N/2的复数码元序列o(k)。

步骤102、采用扫频信号g(t)作为脉冲信号，

其中，T表示码元时间长度，f

在本实施例中，扫频信号的初始频率和终止频率分别为-1.5kHz和1.5kHz，扫频信号持续时长为5ms，采样频率为48kHz。

该扫频信号具有非常强的自相关特性，其自相关后的信号表达式如下：

其中g

图2左边展示了扫频信号及其自相关之后的信号，可以看到扫频信号自相关之后只在0时刻附近信号的幅度有很高的数值，而在其余时刻信号幅度几乎为0。使用扫频信号的自相关特性，可以用于对抗远距离传输强噪声对信号的干扰。图2右边展示了对扫频信号添加高斯白噪声后，信噪比为0dB，使用g

步骤103、将码元序列通过补零的方式上采样240倍，至与扫频信号采样点数相同，随后与脉冲信号进行卷积，从而将码元信号加载到脉冲信号中，得到基带信号，基带信号的表达式如下：

s(t)＝∑

其中，k表示码元编号；

步骤104、对基带信号进行频率调制，得到最终用于传输的超声通信信号；

在本实施例中，步骤104包括：

取基带信号s(t)的实部和虚部，得到实部信号a(t)和虚部信号b(t)；

将实部信号a(t)与cos(2πf

将两路信号相加得到最终用于传输的超声通信信号u(t)，上述过程的数学表达式如下：

u(t)＝real(s(t))×cos(2πf

其中real()和imag()分别表示取实部和取虚部操作。公式4可将信号的频谱中心在0Hz搬运到f

步骤105、将超声通信信号u(t)以音频格式存储，使用消费电子设备自带的扬声器播放超声通信信号。

信号接收处理步骤如图1中b所示，包括：

步骤201、通过麦克风对超声通信信号进行采集，得到接收信号v

优选地，为了补偿房间多径效应带来的码间干扰，可采用双麦克风阵列超声信号，采集到的接收信号v

步骤202、对v

将v(t)分别与cos(2πf

步骤203、采用步骤102的脉冲信号的共轭逆序列g

步骤204、对信号v″

在本实施例中，令r

r

将公式(3)代入公式(5)当中可得

从公式(6)可以看出信号r

针对双通道通信信号，本方法还包括步骤205、将下采样信号p

其中，w

初始时刻令w

e(n)＝|x(n)|

其中，μ表示学习率。

针对双通道信号使用双通道CMA均衡器不但能够补偿房间多径效应带来的码间干扰，还能够进一步增强通信信号的信噪比，进而提升通信系统的传输距离。该CMA均衡器可补偿掉超声通信信号在空间传播时房间多径效应带来的码间干扰。图3展示了CMA均衡器的输入与输出的星座图，可以看到由于码间干扰，输入信号的星座图非常混乱。而输出星座图由于CMA均衡器补偿了码间干扰，星座图的呈现出一个类似于圆圈的形状。

在一实施例中，该方法还包括步骤206、对均衡器输出的信号进行相位偏移补偿，常相位偏移为φ(t)是一个缓慢变化的过程，在一个比较短的时间内(例如100ms)以内，可以认为相位偏移是一个固定的数值，使用如下公式完成相位偏移补偿：

计算不同相位估计值下的相位偏移值：

通过码元判决函数，判断实部与虚部的正负，

d(n，m)＝f(x′(n，m)) #(11)

选择误差最小的相位估计对信号进行相位补偿

i＝argmin(e(m)) #(13)

经实验发现，24个连续的数据的相位偏移大致相同，因此在本实施例中将x(n)以24个为一组，认为一组内信号的相位偏移数值相同。公式10中m的每一个取值代表了一种相位偏移的估计，取L＝8，则m可以取2L+1即17个数值，也就是17个不同的相位估计。

通过公式11、12计算出17个不同相位估计的误差。其中函数f()为码元判决函数，将输入信号的实部和虚部是否为正数判别为-1和1。例如输入信号为0.5-0.5j，该信号实部为0.5为正数，则实部判别为1，而虚部-0.5为负数，则虚部判别为-1，则该信号经过函数f()的结果为1-1j。

通过公式13、14选择出误差最小的相位估计，对信号x(n)进行相位补偿。图4展示了经过相位补偿前后信号的星座图。

步骤207、将信号p

本申请实施例还提供了一种消费电子设备，以实现上述远距离超声通信方法。消费电子设备既可以只执行信号生成发射步骤和信号接收处理步骤之一，也可以二者都执行。

当执行信号生成发射步骤时，要求该消费电子设备应至少具有扬声器，用于播放超声通信信号；存储器，用于存储软件程序和数据；以及处理器，用于执行软件程序。

当执行信号接收处理步骤时，要求该消费电子设备应至少具有麦克风，用于采集超声信号；存储器，用于存储软件程序和数据；以及处理器，用于执行软件程序。

当既需要执行信号生成发射步骤，又需要执行信号接收处理步骤时，该消费电子设备应同时具有麦克风、扬声器、存储器和处理器。

例如，在家庭使用场景中，可采用本方法连接手机和电视(需要具有麦克风)。当手机向电视发送指令信号时，由手机执行信号生成发射步骤，通过手机扬声器发送超声信号，由电视麦克风采集超声信号，执行信号接收处理步骤。当电视向手机发送音、视频信号时，由电视执行信号生成发射步骤，通过电视扬声器发送超声信号，由手机麦克风采集超声信号，执行信号接收处理步骤。

容易理解的是，消费电子设备是指用于个人和家庭与广播、电视有关的电子产品，主要包括电视、电话、个人电脑、家庭办公设备、家用电子保健设备、汽车电子产品等。随着技术发展和新产品新应用的出现，数码相机、智能音箱、智能会议系统等产品也在成为新兴的消费类电子设备。

综上所述，本申请提供的远距离超声通信方法，其有益效果包括：

1、能够使用消费电子设备生成超声通信信号，并用其自带的扬声器完成超声通信信号的发射，使用其自带的双麦克风完成远距离超声通信信号的接收，并通过信号处理完成远距离超声通信的解码。

2、通过使用扫频信号作为脉冲函数，使用扫频信号的共轭逆序列作为匹配滤波，利用扫频信号的自相关特性提升信号在强噪声环境下的信噪比。

3、通过使用双通道CMA均衡器完成信道均衡，补偿空间传播时房间多径效应带来的码间干扰。

4、通过使用相位估计算法，补偿传输过程中发生的相位偏移。

5、优选使用QPSK调制方式，可将2比特数据加载到一个码元上面，提升远距离通信的传输速率。

经试验，本方法可在5米距离以上使用消费电子设备完成400bit/s的信号传输，相较于现有超声通信方法，大幅提升了通信距离。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。