一种基于音频的OFDM通信系统和方法与流程

本发明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。

背景技术：

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(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，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。

技术实现要素：

(1)要解决的技术问题

针对现有的通信装置的不足，本发明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

本发明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为根据本发明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，更为具体的描述本发明。

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D_ns，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Q_ns的数据长度为0.1+0.1*1/4＝0.125s。在多帧信号Q_ns前后和中间按规律的插入的收发双方已知导频信号P_ns，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S_s准备完毕，之后S_s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S_s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P_ns来推测出信道H，然后根据信道H和接收到的信号D_nr来推测出发送方的用户信号D′_ns。

具体通信步骤：

表一、收发双方约定的通信档位及调制解调方法

表一中描述了收发双方约定的通信速率和频带范围。如图3发送的信号频谱图所示，帧头包含0.25s的LPM信号、0.1s的空闲信号、0.125*2＝0.25s的“慢速”档调制帧头校验的信息，其后4.75s为3个档位通信误码率测试的信号。

第一步：启动接收机的软件，选择“接收”，再选择采用“无线”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，直到判断有发送方的数据帧头到来为止。

第二步：启动发射机的程序，选择“发送”，然后选择采用“无线”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)，然后选择“测试速率”选项，程序自动循环播放一段大约5.35s的声音信号，即“档位测试信号”数据包，包括：LPM信号0.25s、空闲信号0.1s、帧头校验信号0.125*2＝0.25s、“档位测试信号”4.75s，总共5.35s时长，“档位测试信号”内容在第三步中有详细的描述。

第三步：该步骤在接收机：“档位测试信号”数据包帧头校验。如图5所示，每隔0.6s分析一次录音的实时数据，并将前一个0.6s数据放在本0.6s的数据前面构成1.2s的数据，找到该1.2s数据中与约定的LPM信号匹配峰值最大值的时刻点t₀，若0.25s≤t₀≤0.85s，则进行后续的工作，否则抛弃该时刻t₀，重新进入下一个循环0.6s的数据分析。找到合适时刻点t₀后，向后延续0.1s开始持续记录0.25s(t₀+0.1≤t≤t₀+0.35)的数据，分析该0.25s信号。收发 双方约定该0.25s的数据为两帧采用“慢速”档位的数据，前面0.125s为导频信号181bit的已知数P_1r(其对应的未经过信道的已知信号为P_1s)，后面的0.125s数据为待测181bit的帧头D_1r(其对应的未经过信道的已知信号为D_1s),通过P_1r、P_1s和D_1r，就可以推断出接收到的帧头D′_1s，若D′_1s＝D_1s，则表示帧头校验成功，否则程序再次循环第三步的流程，如图4所示。

第四步：该步骤在接收机端。“档位测试信号”数据包帧头校验成功后，继续录音后续的“档位测试信号”，共38帧，每帧0.125s，共4.75s。在这“档位测试信号”4.75s的数据中，收发双方约定的数据内容如下：

1、连续的“慢速”档10帧，时长0.125*10＝1.25s，数据内容为0-255的循环码，数据长度181*1*10＝1810bit；

2、连续的“中速”档10帧，时长0.125*10＝1.25s，数据内容为0-255的循环码，数据长度181*2*10＝3620bit；

3、连续的“快速”档10帧，时长0.125*10＝1.25s，数据内容为0-255的循环码，数据长度381*4*10＝15240bit；

在上述30帧的信号中，在其前和尾部各放置一帧0.125s导频，以及中间每间隔5帧插入一帧0.125s的导频信号，其调制解调方法与其前面的一帧相同，据此推测总共插入8帧导频信号，因此“档位测试信号”时长为(10+10+10+8)*0.125＝4.75s。

按照上述的收发双方约定的数据格式，开始解调，然后再将解调的数据与发送的原始数据进行比对(该“档位测试信号”的数据内容是收发双方均已知的)，统计其三个档位的误码率，将结果显示出来。到此，收发双方的通信方式握手成功。

第五步：接收机选择对应的误码率为0的档位，然后开始进入“用户数据接 收”选项，开始录音。发射机按照前述选定档位的方式发送需要发送的用户文件，其中发射机发送的数据格式按照时间排序为：0.25s的LPM信号、0.1s的空闲信号、0.125*2＝0.25s的“慢速”档调制帧头校验的信息、其后就是正式的“用户数据”文件内容。在“用户数据”之前的0.25s+0.1s+0.125s*2＝0.6s的帧头内容与上述的第二、三步中一样，相应的接收机的解调方法也是一样的。针对于“用户数据”文件内容的部分，发送方调制和接收方解调都是按照选定档位规定的方式进行。