一种基于音频的OFDM通信系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于音频的OFDM通信系统，包括发射机，接收机，发射机软件模块，接收机软件模块，发射机音频接口，接收机音频接口，其特征在于，所述发射机上安装有喇叭，接收机上安装有麦克风，发射机通过喇叭向接收机发送无线音频信号，接收机通过麦克风接收无线音频信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于手机或者笔记本电脑的喇叭和麦克风之间的无线或者有线的OFDM数字通信的方法。
技术介绍
绝大多数的计算机和智能手机都配备有标准的音频接头，标准的音频接头几乎是最常用的外设之一，有的配置有外置的喇叭和麦克风，不需要额外的佩戴长长的耳机麦克风线也能够进行录音和播放功能。目前比较常见的无线通信方式有红外、蓝牙、WiFi、USB等等，其中红外、蓝牙、WiFi采用无线通信的方式。笔记本电脑和现在智能手机基本上都不配备红外，而蓝牙、WiFi需要专门的芯片，且通信协议复杂，成本和功耗都较高，一般微型的MCU板或配置略低的手机不具备该通信功能。目前来看，市场的绝大部分手机和电脑均配置标准的音频接头，而且由于音频接头机械结构和电路简单，一些MCU板卡也比较容易配置，因此采用音频接头的喇叭和麦克风来实现无线通信在某些场合比较合适。本方案的通信方法采用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)技术，它是一种调制解调分别基于IFFT和FFT方法的多载波传输方案。若收发之间有线连接，则可以选择带宽更宽且编码率更高的QPSK甚至8PSK的快速传输方法，若为无线方式，则选择带宽略低且编码率低的BPSK的慢速的方式传送，以保证0误码率。公开号为CN104301521A的中国专利公开了一种基于手机音频接头的调制方式、通信电路以及通信方法，其采用的是有线连接，并且采用的是非常简单的0和1数字码直接传输，其通信速率非常低且误码率比较高，并且其不能够实现无线传输。
技术实现思路
(1)要解决的技术问题针对现有的通信装置的不足，本专利技术提供了一种基于电脑或手机的音频接口的有线OFDM通信或者利用喇叭和麦克风之间的无线OFDM通信设备及通信方法。当有导线连接时，采用快速低误码率的收发方式，当为无导线连接时，也能够利用发送方的喇叭和接收方的麦克风之间进行无线通信。在人工选择采用有线或者无线时，对应的程序会自动选择相应的通信方式。(2)技术方案本专利技术提供了一种基于电脑或手机音频接口的有线或无线的OFDM通信方法。如图1所示，当为有线连接时，需要一根两侧均为标准音频接头的信号线。通用的音频接口的直径为3.5毫米的4线接口，以图1的插孔为例，从左到右(从小到大)依次为左声道接口、右声道接口、地线GND接口、麦克风线接口。由于本方案中，只有一个麦克风接口，所以在设计的导线中，只需将左边的插头的左声道接口引出来，连接到右边插头的麦克风接口，并且在右边接头处的麦克风接口前端需要对地连接一个1.2K欧姆的电阻R2，用以匹配接收方的麦克风电路的需求。同样，右边的接头的左声道接口连接到左边接头的麦克风接口端，并且在左边麦克风接口的前端也需要连接一个1.2K欧姆的电阻R1。如上所述，该导线包含左右两个标准音频接头，并且在导线两端各配置一个1.2K欧姆的电阻，导线中包含3根漆包铜导线。以上导线的设计是为满足有线通信时所需的硬件条件，但当选择无线通信时，无需图1中的导线和音频公头接头，系统主要包括发射机，接收机，发射机软件模块，接收机软件模块，发送方具备可用的喇叭，接收方具备可用的麦克风，如图2所示。以此类推，若想主机1和主机2既能够无线发信息也能够无线收信息，则其需要主机1和2同时具备可用的喇叭和麦克风。通过音频插接头内部的卡扣，主机1和主机2会自动判断是否插入音频接头，也就说会自动判断采用有线还是无线通信方式，但需要注意的是有些老式的机器不具备通过卡扣自动判断功能，所以在软件设计端需要留出人工选择选项。在以上硬件条件准备完成的条件下，就可以进行OFDM音频通信。以主机1作为发射机、主机2作为接收机为例。第一步：启动接收机的软件，选择“接收”，再选择采用“无线”还是“有线”通信方式(因为有些老式的机器不能够自动判断音频接头是否插入，若主机支持自动识别，会自动跳过该选项)，然后软件开始自动进入麦克风录音程序，等待发射机的数据帧头到来。第二步：启动发射机的程序，选择“发送”，然后选择采用“无线”还是“有线”通信方式(因为有些老式的机器不能够自动判断音频接头是否插入，若主机支持自动识别，会自动跳过该选项)，随后进行测试速率，发射机循环发送“档位测试信号”数据包。第三步，接收机接收到“档位测试信号”数据包后，对“档位测试信号”数据包进行帧头校验，校验成功则进入第四步，否则重复第三步。第四步，“档位测试信号”数据包帧头校验成功后，继续接收正确的“档位测试信号”，并按照收发双方约定的数据格式，开始解调，将解调的数据与发送的原始数据进行比对，计算出各种通信档位误码率。第五步，发射机和接收机选择最快通信速率且零误码率的通信档位，然后发射机开始使用选中档位的方式发送需要发送的用户文件。(3)有益效果通过上述音频通信方案，避免的传统的直接传输01数字码所带来的低速率和高误码率等等问题，并且所需要的导线结构和收发电路非常简单，在没有导线的情况下依然能够通过喇叭麦克风进行数据传送，大量的工作只需通过软件解决，从而实现低成本高速率的稳定数据传送。通过设置高中低三种不同通信档位，收发双方可以在满足零误码率的前提下，采用最快的通信档位进行数据传输。附图说明图1为根据本专利技术所需制作的音频接头收发导线的结构示意图。。图2为本方案中有线或无线OFDM通信示意图。图3为本方案中OFDM通信发送接收流程图。图4为本方案中具体实施方式中的通信实例程序设计流程图。图5为本方案中“档位测试信号”的时频历程波形图。图6为本方案中通讯接收机数据流帧头寻找方式图。具体实施方式在图1和图2所述的硬件条件准备完成后，才可以进行后续的通信流程。这里以图2中的“主机1-手机”只发送(以下简称发射机)和“主机2-电脑”只接收(以下简称接收机)的最基本的无线收发OFDM通信方式为例，更为具体的描述本专利技术。硬件要求：手机具备功能良好的喇叭，电脑具备功能完好的麦克风。本方案中OFDM通信简要介绍：以表1中的速度等级“慢速”通信方式为例，发送和接收流程图如图3所示，采用BPSK调制方法，发射端的DA和接收方的AD的变换率均为44.1KHz，正交信号频率范围200Hz-2000Hz，其IFFT的变换点数为4410点，子载波频率间隔为10Hz，推断出子载波个数为181个。由于采用BPSK的调制方式，发送的单帧时域信号携带的二进制数据量为361*1＝181bit。经过IFFT后，得到0.1s的时域信号Dns，然后添加1/4长度的循环前缀CP，最终得到待发射单帧信号Qns的数据长度为0.1+0.1*1/4＝0.125s。在多帧信号Qns前后和中间按规律的插入的收发双方已知导频信号Pns，最后再在整段信号的头部添加线性调频LPM信号作为起始标志信号，方便接收方匹配峰值查找起始标志位置，至此发射的信号Ss准备完毕，之后Ss通过手机的喇叭播放即可。电脑通过麦克风接收到的信号为S′s(麦克风接收到的信号S′s是由Ss经过空气声信道后得到的信号)，待接收程序找到头部的LPM信号后，程序开始对接收到的信号进行帧分组，每帧0.125s，去掉循环前缀CP，得到每帧0.1s的信号，再经过FFT解调，根据双方已知的导频信号Pns来推测出信道H，然后根据信道H和接收到的信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于音频的OFDM通信系统，包括发射机，接收机，发射机软件模块，接收机软件模块，其特征在于，所述发射机上安装有喇叭，接收机上安装有麦克风，发射机通过喇叭向接收机发送无线音频信号，接收机通过麦克风接收无线音频信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于音频的OFDM通信系统，包括发射机，接收机，发射机软件模块，接收机软件模块，其特征在于，所述发射机上安装有喇叭，接收机上安装有麦克风，发射机通过喇叭向接收机发送无线音频信号，接收机通过麦克风接收无线音频信号。2.如权利要求3所述一种基于音频的OFDM通信系统，其特征在于，所述发射机和接收机采用三种通信档位：慢速档，数据频率为200-2000Hz，频率间隔10Hz，单帧数据时长0.125s，子载波个数181，通信速率1448bps，通信速率字节181B/s；中速档，数据频率为200-2000Hz，频率间隔10Hz，单帧数据时长0.125s，子载波个数181，通信速率2896bps，通信速率字节362B/s；快速档，数据频率为200-4000Hz，频率间隔10Hz，单帧数据时长0.125s，子载波个数381，通信速率12192bps，通信速率字节1524B/s。3.如权利要求2所述一种基于音频的OFDM通信系统，其特征在于，还包含发射机音频接口，接收机音频接口，音频信号线，所述音频信号线一头插入发射机音频接口，一头插入接收机音频接口，所述音频插接头内部设有卡扣，发射机和接收机根据卡扣的接触情况判断是否插入音频接头，从而自动判断采用有线还是无线通信方式。4.如权利要求3所述一种基于音频的OFDM通信系统，其特征在于，所述音频信号线含左右两个标准音频接头，并且在导线两端各配置一个1.2K欧姆的电阻，音频接头信号线中包含3根漆包铜导线。5.使用如权利要求1至4之一所述基于音频的OFDM通信系统的通信方法，包括：第一步，启动接收机的软件，选择“接收”，然后软件开始自动进入麦克风录音程序，等待发射机的数据帧头到来；第二步，启动发射机的程序，选择“发送”，随后进行测试速率，发射机循环发送“档位测试信号”数据包；第三步，接收机接收到“档位测试信号”数据包后，对“档位测试信号”数据包进行帧头校验，校验成功则进入第四步，否则重复第三步；第四步，“档位测试信号”数据包帧头校验成功后，继续接收正确的“档位测试信号”，并按照收发双方约定的数据格式，开始解调，将解调的数据与发送的原始数据进行比对，计算出各种通信档位误码率；第五步，发射机和接收机选择最快通信速率且零误码率的通信档位，然后发射机开始使用选中档位的方式发送需要发送的用户文件。6.使用如权利要求5所述基于音频的OFDM通信系统的通...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏佳治，
申请(专利权)人：北京中科海讯数字科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11