基于OFDM技術(shù)的聲波通信系統(tǒng)研究

祝曉霞，胡紹祖，嚴(yán) 瓊，黃幼萍

(福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)爆炸式的發(fā)展，手機、智能穿戴設(shè)備等智能移動終端越來越普及[1]，人們更依賴移動終端獲取和發(fā)送信息[2-3]，智能終端間的近距離通信比如移動支付、數(shù)據(jù)分享、身份識別和設(shè)備配對等需求激增[4]，且應(yīng)用場景多樣化，為近距離移動通信發(fā)展提供良好前景[5]。聲波通信技術(shù)作為一種新型的近距離通信方式近年來得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)利用智能終端的聽筒和麥克風(fēng)進行通信，通過軟件就可以實現(xiàn)，無需增加額外的硬件開銷，為智能終端的近場通信提供一種便利且價格低廉的方式[6]。目前智能終端間聲波通信采用的主要是FSK（Frequency Shift Keying）調(diào)制方式[7-8]。2012年IPhone的一款應(yīng)用chip開啟聲波通信的商用，chirp通過建立一個含有32個字符（[0-9，a-v]）的表，并將每個字符映射到頻率表。一段聲波信號包含20個音即20個字符，每87.2 ms發(fā)一個音。這種傳輸模式每次傳輸32個字符，傳輸10位信息位，傳輸速率為1/87.2=11.47字符/秒。國內(nèi)的支付寶使用的聲波支付使用的是類似雙音多頻的通信方法。聲波支付發(fā)出的是18kHz頻率的聲波，在18kHz有3個值可以選取，分別是小于、大于和等于18 kHz，所以每個時刻有3種組合。再結(jié)合時間窗口，就可以組合成許多編碼。聲波通信能夠使用的頻率有限，采用FSK調(diào)制方式能實現(xiàn)的傳輸速率較低，限制了聲波通信的應(yīng)用場景。為了提高傳輸速率需要提高頻譜利用率，正交頻分復(fù)用（Orthography Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)將頻譜劃分為多個正交的子載波，每個子載波單獨傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了載波的利用率，是一種非常成熟的高頻譜利用率調(diào)制方式[9]。將OFDM技術(shù)應(yīng)用到聲波通信系統(tǒng)中能夠解決有效帶寬下傳輸速率低的問題[10]。本文主要研究OFDM技術(shù)在手機聲波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析聲音信道包括環(huán)境噪聲和聲音傳輸特性，根據(jù)聲音信道的特點設(shè)計OFDM通信系統(tǒng)，包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計，同步方案設(shè)計和信道編碼選擇，系統(tǒng)使用帶寬3 kHZ，通信的傳輸速度為4 kbit/s。最后編寫Android程序在智能終端進行測試，通過通信距離、傳輸角度等測試，驗證系統(tǒng)的性能。

1 聲波通信系統(tǒng)信道分析

任何通信系統(tǒng)的設(shè)計都依賴傳輸介質(zhì)或者傳輸信道的特性，對于聲波通信系統(tǒng)，影響通信系統(tǒng)設(shè)計的特征有兩個：環(huán)境噪聲和聲音傳播特性。在這個部分將研究分析這兩個特征。

1.1 環(huán)境噪聲

聲波通信系統(tǒng)主要應(yīng)用在商場和咖啡廳等公共場所，這些地方的環(huán)境噪聲較大，容易對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。為了描述環(huán)境噪聲的影響，本文使用同一個設(shè)備收集了超市和咖啡廳等應(yīng)用場景多個時段的聲音，分析各個場景聲音的頻率響應(yīng)。圖1是超市和咖啡廳環(huán)境噪聲的頻率響應(yīng)圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在1～3 kHz范圍內(nèi)兩種場景下信號能量都超過5 dB，在1kHz附近甚至超過15 dB。當(dāng)頻率超過3 kHz后信號的能量明顯降低到5dB以下，超市由于背景音樂、設(shè)備噪聲等影響，在高頻率也有較強的信號。從分析可以得到結(jié)論，0～3 kHz由于噪聲影響太大不適用于通信系統(tǒng)。

圖1 超市和咖啡廳環(huán)境噪聲的頻率響應(yīng)

1.2 聲音傳播特性

聲波是一種廣泛存在的機械波，是機械振動在介質(zhì)中的能量傳輸[11]。聲音在空氣中傳播時易發(fā)生衰減，研究表明聲波衰減特性服從指數(shù)變化規(guī)律[12]，聲波振幅隨傳播距離變化的規(guī)律滿足公式（1），其中b0為聲源處初始振幅，A為距離聲源x處的振幅，ω為角頻率，φ為位角，α為衰減指數(shù)，由公式（2）表示，其中ms為空氣介質(zhì)常數(shù)受空氣介質(zhì)的物理特性如粘性等影響。從公式可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加聲音的幅度呈指數(shù)下降，頻率越高聲音的衰減越大，能夠傳輸?shù)木嚯x越短。

聲波在傳輸過程中會遇到各種介質(zhì)，不同介質(zhì)對聲波的折射和反射不一樣，同一聲源發(fā)出的信號最終經(jīng)過不同的傳輸路徑到達(dá)接收端，因此在聲波通信設(shè)計時需要考慮多徑干擾對系統(tǒng)的影響。

2 OFDM通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成，發(fā)送端由信源編碼、QAM調(diào)制和OFDM調(diào)制3個模塊組成，接收端由信號同步、OFDM解調(diào)、QAM解調(diào)和信源解碼4個模塊組成。接下來詳細(xì)介紹主要模塊的設(shè)計。

2.1 OFDM調(diào)制和解調(diào)

OFDM系統(tǒng)是由大量頻率間隔相同的子載波構(gòu)成，這些子載波的頻譜相互疊加提高了系統(tǒng)的頻譜利用率[13]。OFDM信號傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換后映射到相互正交的子載波上，調(diào)制后的OFDM符號可由式(3)表示。

公式(3)中，N為OFDM的子載波個數(shù)；T為OFDM的符號周期；di（i=0,1,2，…，N-1）為各個子信道的基帶數(shù)據(jù)；為第 i個子載波的載波頻率；

OFDM系統(tǒng)設(shè)計首先要確定3個參數(shù)：帶寬（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）及保護間隔（Guard Interval）。按照慣例，保護間隔的時間長度應(yīng)該為環(huán)境信道時延擴展的4～5倍。確定了保護間隔，則OFDM符號周期長度就可以確定了。假設(shè)最大多徑時延為τmax，循環(huán)前后綴的長度Tcp=τmax，一個符號的持續(xù)時間Ts=6*Tcp，有用符號持續(xù)時間T=4*Tg。本通信系統(tǒng)應(yīng)用于10 cm范圍內(nèi)，由于聲音的傳播具有方向性同時在傳播過程中易產(chǎn)生損耗，因此假設(shè)最大多徑長度為距接收端10 cm范圍內(nèi)，也就是傳播距離為20 cm，聲音在空氣中的傳播速度為C=340 m/s，因此多徑時延t=0.2/340=0.59 ms。在本系統(tǒng)中取多徑時長τmax=0.67 ms，循環(huán)前后綴的長度為Tcp=0.67 ms，有用符號持續(xù)時間 Ts=4*Tcp=2.68 ms，符號持續(xù)時間 Ts=6*Tcp=4.02 ms，子載波間隔帶寬選取3 kHz，頻帶載波f=7 kHz，通信頻率范圍為（5.5～8.5 kHz），采用BPSK調(diào)制方式，比特率Rate=2 kbit/s。

2.2 信號同步

接收端通過信號同步算法確認(rèn)發(fā)送信號到達(dá)時間，因此同步技術(shù)對信號的正確解調(diào)至關(guān)重要。本文通過在發(fā)送數(shù)據(jù)中引入輔助數(shù)據(jù)完成信號同步[14]。輔助數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)為兩個相同的OFDM符號，由于前后符號相同，因此兩個符號間具有強相關(guān)性。這兩個OFDM符號的產(chǎn)生可以使用下面這種方式：假設(shè)系統(tǒng)使用的子載波數(shù)為N，選取長度為N的偽隨機序列，將偽隨機序列經(jīng)過IFFT調(diào)制，調(diào)制后的數(shù)據(jù)加上長度為Ncp的循環(huán)前后綴構(gòu)成長度為Ns=N+2*Ncp的OFDM符號P，將這個符號復(fù)制后即可生成第二個符號。假設(shè)生成的符號表示為rn，r*n表示符號的共軛函數(shù)，則定時度量函數(shù)為：

P(d）和R(d）的值都可以使用迭代算法來完成。

在定時判斷的時候如果只有一個峰值很容易造成誤判和漏判，因此常常希望可以有多個峰值聯(lián)合判斷，提高系統(tǒng)準(zhǔn)確定時概率，本文使用[P,P,-P,-P]結(jié)構(gòu)引入4個同步符號構(gòu)造3個峰值完成系統(tǒng)同步。仿真環(huán)境情況為：子載波數(shù)N=128，循環(huán)前后綴長度為32，一個符號長度為192。偽隨機序列為[-1,1,1,1,1,-1,1,-1]，在 1-4和 125-128八個子載波上傳輸，其他子載波不傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的起始時刻設(shè)置為201，從圖中可以看到在201,393,585三個時刻 （三個同步符號起始位置）M(d)的值最大。

圖2 同步定時度量函數(shù)

2.3 信道編碼

信號在傳輸過程中由于干擾等因素可能導(dǎo)致傳輸錯誤，因此需要通過信道編碼來識別或糾正錯誤。本文通過雙向奇偶檢驗技術(shù)檢驗接收信號是否出錯。雙向奇偶檢驗通過在橫縱兩個方向信號的末尾添加0/1，保證傳輸信號1的個數(shù)為奇數(shù)或者偶數(shù)。接收端檢測接收信號中1的個數(shù)是否滿足條件判斷接收信號是否解調(diào)錯誤。對于錯誤信號接收端丟棄重新接收，信號接收完成后接收端向發(fā)送端回復(fù)握手信號完成本次通信。

3 通信系統(tǒng)測試

為了驗證通信系統(tǒng)的性能，本文利用Android studio軟件編寫安卓應(yīng)用程序在手機終端進行測試，圖3為程序界面，點擊文本框輸入傳輸?shù)膬?nèi)容，單擊share按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)，單擊stop按鈕停止發(fā)送數(shù)據(jù)，stop按鈕下方顯示接收到的數(shù)據(jù)同時在末端顯示括號和接收數(shù)據(jù)次數(shù)。測試設(shè)備為小米5S手機和華為Mate8手機，測試場景為：1、辦公室（面積約50 m2，除門窗打開外其余空間封閉）；2、超市（面積超過 1000 m2人流擁擠的大型超市）。

圖3 程序界面

首先測試不同調(diào)制階數(shù)（BPSK、QPSK和8PSK）和距離對系統(tǒng)誤碼率的影響，發(fā)送端的喇叭正對接收端麥克風(fēng)，水平移動接收端在指定距離進行測試，測試環(huán)境為辦公室。

圖4為不同調(diào)制階數(shù)下不同距離系統(tǒng)的誤比特率。從圖中可以得到兩點：1、隨著距離的增加誤比特率逐漸升高，當(dāng)距超過20 cm時系統(tǒng)的誤比特率明顯升高，本文第2部分的分析可以知道聲音在空氣中呈指數(shù)衰減，距離越遠(yuǎn)信號能量越弱，從測試情況發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的系統(tǒng)通信距離為20cm，這個距離滿足NFC的使用場景需求；2、隨著調(diào)制階數(shù)的增加，系統(tǒng)的誤比特率增高，BPSK和QPSK調(diào)制方式系統(tǒng)的誤比特率在20 cm距離內(nèi)基本相同，超過20 cm后BPSK方式略好于QPSK方式，8PSK調(diào)制方式誤比特率明顯高于其他兩種調(diào)制方式。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計中已經(jīng)計算在BPSK調(diào)制方式下系統(tǒng)的比特率Rate=2 kbit/s，如果使用QPSK調(diào)制方式則系統(tǒng)的比特率Rate=4 kbit/s，系統(tǒng)的速率明顯提高且誤比特率幾乎不會增加。接下來測試使用QPSK方式系統(tǒng)的抗噪聲性能。

在超市場景進行測試，系統(tǒng)的調(diào)制方式為QPSK。圖5是辦公室和超市兩種場景下系統(tǒng)使用QPSK調(diào)制方式時，不同距離下系統(tǒng)的誤比特率。從圖上可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加兩種場景誤比特率的變化趨勢相同，由于超市噪音較多誤比特率略高于辦公室場，但是在20 cm范圍內(nèi)能夠滿足通信需求。

圖4 不同調(diào)制階數(shù)系統(tǒng)的誤比特率

圖5 不同環(huán)境系統(tǒng)的誤比特率

從上面兩個測試可以得到結(jié)論，系統(tǒng)使用QPSK調(diào)制方式能夠在20 cm范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠通信，系統(tǒng)的傳輸速率Rate=4 kbit/s。

最后測試麥克風(fēng)和聽筒間的角度對通信系統(tǒng)的影響，測試地點為辦公室，測試距離為20 cm，圖6是不同角度下系統(tǒng)的誤比特率，180°時麥克風(fēng)和聽筒背向放置，360°時麥克風(fēng)和聽筒朝同一個方向放置。分析測試數(shù)據(jù)，麥克風(fēng)和聽筒間夾角越大系統(tǒng)的誤比特率越高，180°時誤比特率最高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是聲音的傳播具有方向性，當(dāng)接收端不在發(fā)送端傳播范圍內(nèi)，接收端無法接收到直達(dá)信號只能接收反射或折射信號，信號的能量會急劇減弱。360°時誤比特率也較高，主要原因為此時麥克風(fēng)和聽筒朝向一致，由于手機機身的阻擋聽筒無法接收直達(dá)信號只能接收反射或折射信號，因此接收到的信號能量較弱誤碼率較高。

圖6 麥克風(fēng)和聽筒間不同角度下系統(tǒng)誤碼率

綜合分析,在嘈雜開放的超市和安靜封閉的辦公室場景下，本文設(shè)計的通信系統(tǒng)使用QPSK調(diào)制方式在20 cm范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)通信。由于聲音的傳輸具有方向性，在通信過程中需要注意麥克風(fēng)和聽筒的角度，盡量保持兩者的夾角小于90°以保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定傳輸。

4 總結(jié)和展望

目前主流的聲波通信系統(tǒng)一般使用FSK調(diào)制方式能夠達(dá)到的傳播速度有限，本文將OFDM技術(shù)應(yīng)用到聲波通信系統(tǒng)中，在3 kHz帶寬下使用8個子載波傳輸數(shù)據(jù)，使用QPSK調(diào)制方式系統(tǒng)的傳輸速率可以達(dá)到4 kbit/s，大大提高了聲波通信的傳輸速率，能夠滿足NFC應(yīng)用場景下的速率要求。實際測試在20 cm范圍內(nèi)，麥克風(fēng)和聽筒夾角在90°內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)定通信。目前通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能手機間，后續(xù)計劃將系統(tǒng)移植到其他智能設(shè)備中，推廣聲波通信的應(yīng)用場景。

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