用于声通信的设备和方法技术

本发明专利技术公开一种声通信方法，包括：将音频信号滤波以衰减该音频信号的高频部分；产生与该音频信号和滤波信号之间的差对应的残余信号；基于预定心理声学模型产生用于该音频信号的心理声学掩蔽；通过将该残余信号与该心理声学掩蔽组合来产生心理声学谱掩蔽；通过根据该心理声学谱掩蔽调制数字数据来产生声通信信号；以及将该声通信信号与该滤波信号组合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及其中使用声信号在移动设备之间传输数字数据的，而且更具体地，涉及使用心理声学模型的。
技术介绍
声通信是在移动设备之间传送数字信息的ー种可能的方式。声通信的优点在干，可以仅使用软件在现有设备上实现数据通信协议，而不需要添加如基于无线电的通信系统所需要的诸如天线和RF前端的任何硬件元件。 已经提出几种方法用于通过音乐或语音信号来掩蔽(mask)声通信，以使得声通信让人耳听起来舒适，并且传达附加的人能够理解的信息。这样的方法包括“回声隐藏”或在噪声等级以下添加扩频信号，如D. Gruhl等，Echo Hiding, Proceedings of theFirst International Workshop on Information Hiding, Cambridge, U. K. , May 30-June1，1996，pp. 293-315、以及 L. Boney 等，Digital watermarks for audio signals, IEEEIntl. Conf. on Multimedia Computing and Systems, pp. 473-480, March 1996 中分别讨论的。图I示出用于将音频节目与声通信信号混合的常规方法。用于实现这样的方法的设备100包括声通信信号产生器110、组合器120和扬声器130。上述方法中，将诸如扩频信号的低等级通信信号简单地添加到诸如音乐、语音、警报声等音频节目。通过组合器120组合(或混合)音频节目和从声通信信号产生器110输出的声通信信号。通过扬声器以声波的形式发射组合信号。遗憾的是，常规方法未能充分开发声通信信道的容量，因而仅实现非常低的比特率，即，每秒几个比特。诸如 Y. Nakashima 等在 Evaluation and Demonstration of AcousticOFDM,Proc. Fortieth Asilomar Conference on signals, Systems andComputers, 2006 (ACSSC 2006), pp. 1747-1751中描述的类型的较好的方法是基于利用谱整形通信信号替换语音/音乐音频节目的高频成分。图2示出使用已知的频率替换技术产生与声通信信号混合的音频信号的方法。用于实现这样的方法的设备200包括快速傅立叶变换(FFT)块210、频带分离器220、逆快速傅立叶变换(IFFT)块230、前向纠错(FEC)编码块240、正交频分复用(OFDM)调制器250、组合器260和扬声器270。FFT块210对诸如音乐或语音的原始音频信号(或节目)执行FFT。之后，频带分离器220将FFT音频信号划分为高频区(bin)和低频区，向IFFT块230输出低频区，井向OFDM调制器250输出高频区。IFFT块230对去除高频区的原始音频信号执行IFFT。FEC编码块240对输入的数字数据执行FEC编码并输出数据。OFDM调制器250根据高频区对编码数字数据执行OFDM并输出数据，而且来自OFDM调制器的声通信信号具有与高频区类似整形的谱包络。换句话说，利用声通信信号替换高频区。图3a和3b示出根据频率替换技术产生的信号。图3a示出原始音频信号330的频谱，而图3b示出具有替换声通信信号的修改的音频信号330a的频谱。在每个频谱中，沿水平轴示出频率，并且沿垂直轴示出信号強度。如图3a中所示，基于频分将原始音频信号330划分为高频区(或区域)320和低频区310。如图3b中所示，修改的音频信号330a的低频区310与原始音频信号的相同，而原始音频信号的高频区320被替换为修改的音频信号的声通信信号325。
技术实现思路
技术问题该方法允许声信号接收器的简单实现，因为原始音频信号和声通信信号在分开的频带中传输。然而，该方法有两个缺点。首先，该方法降低原始音频信号(即，音乐/语音信号)的质量，因为原始音频信号与声通信信号之间在频域中有急剧的转变，參见图3b。其次，由于声通信信号仅仅集中在相对高的音频频率，该方法未能充分利用可用的信号带宽。因此，如果音乐/语音音频节目不包含高频区，或者如果接收方设备麦克风不能捕获包括高频区的整个宽带音频频谱，则声数据通信将是不可能的(即便降低比特率)。解决方案因此，作出本专利技术以解决上面提到的现有技术中出现的问题，而且本专利技术的ー个方面提供其中可以避免原始音频信号与替换声通信信号之间的陡峭边界的。本专利技术的另ー个方面提供使用原始音频信号的整个频谱的。根据本专利技术的ー个方面，提供ー种声通信方法，包括将音频信号滤波以衰减该音频信号的高频部分；产生与该音频信号和滤波信号之间的差对应的残余信号；基于预定心 理声学模型产生用于该音频信号的心理声学掩蔽；通过将该残余信号与该心理声学掩蔽组合来产生心理声学谱掩蔽；通过根据该心理声学谱掩蔽调制数字数据来产生声通信信号；以及将该声通信信号与该滤波信号組合。有益效果根据本专利技术的用于声通信的方法和设备提供至少以下优点。 首先，根据本专利技术，可以降低通过将声通信信号插入音频节目导致的失真信号的音频敏感度。其次，根据本专利技术，有效地使用整个频带，使得即便接收方麦克风不检测整个宽带音频频谱，或者音频节目不包括高频区，也允许数据传输。附图说明通过结合附图的以下详细说明，本专利技术的以上和其他方面、特征和优点将变得更加显而易见，其中图I示出用于将音频节目与声通信信号混合的常规方法；图2示出使用已知的频率替换技术与声通信信号混合的音频信号；图3a和3b示出根据频率替换技术产生的信号；图4示出根据本专利技术的实施例的用于执行声通信的设备；图5a至5f示出根据本专利技术的实施例的信号产生过程的不同的步骤中的信号谱；图6示出用于计算频率掩蔽阈值和用于在阈值以下布置声通信信号的方法；以及图7是示出根据本专利技术的实施例的用于计算心理声学掩蔽的方法的主要步骤的流程图。具体实施例方式本领域技术人员显然可知，为简单和清楚起见，附图中的元件被示出作为示例，而 不是基于其尺度示出。例如，附图中的一些元件的尺寸与其他元件相比可以夸大以便帮助理解。另外，方法的步骤和设备的元件由附图中的一般符号表示，而且应当注意，仅仅示出本专利技术的细节。本领域技术人员已知的细节可以略去。说明书中，诸如“第一”和“第二”的相对术语可以用于将ー个元件与另ー个元件分开，而并不表示这些元件之间的任何实际关系或顺序。在本专利技术的实施例中，阐述两个基本想法。首先，避免原始音频信号与替换声通信信号之间的陡峭边界。其次，在整个可用音频信号谱中添加很小的量的声通信信号到这样的程度，以使得这样的添加不能够被人耳察觉。为了产生根据本专利技术的声通信信号，在逐渐地衰减高频区的高架(high-shelf)滤波器中滤波诸如音乐或语音的原始音频信号。例如參见这里描述的图5b。之后，计算原始信号与衰减信号之间的差。存储这样的残余信号的频谱形状。进ー步，根据原始音频信号的频谱形状来计算所谓的心理声学(或频率)掩蔽(mask)阈值。心理声学掩蔽阈值的计算是基于在一些频率上存在强音频信号时邻近频率上的声音信号对一般听众将变得无法听到的事实。參照图6示出和解释该效应。该效应被称为频率掩蔽效应，而且在有损音频压缩算法中被广泛使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑熙远，高俊豪，李相默，李起相，S智德科夫，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：