一种基于LoRa调制的在音乐中隐藏信息的方法

一种基于lora调制的在音乐中隐藏信息的方法
技术领域
1.本发明涉及无线信息传输技术领域，具体涉及一种基于lora编码的在音乐中隐藏信息从而实现智能手机声波传输的方法。


背景技术：

2.日常生活中，在商场、餐厅此类的公共场所使用人工方式想要在不打扰用户的情况下向用户广播信息是非常麻烦的。使用无线信息传输技术来实现信息的广播可以较好地解决这一问题。声学数据传输技术可以将信息编码进音乐中，通过播放音乐来实现无线数据传输。
3.现有的声学数据传输技术大致可以分为两类，第一类是在人耳可听的较低的频段进行数据编码，此类编码嵌入信息的主要方式是通过修改音频的幅度和频率，这就导致了编码后的音频可能会改变原始音频的音乐质量从而影响到用户的听觉体验。第二类是在人耳听不到的近超声波频段或者超声波频段进行编码，使用超声波可以很好地保证音乐的质量但是却需要专门的超声波扬声器才能播放出音频，并且市场上的智能手机也无法接收到超声波，推广困难且成本大。
4.常用的编码方法有调频、chirp编码等，调频实际上就是一种使载波频率按照调制信号改变的调制方式，使用傅里叶变换可以获取其频率从而进行解码。chirp是一种频率线性变化的编码方法，传统解码方法为对声音的短时傅里叶变换执行霍夫变换或者相关性解码。但是这两种方法在编码中即使在近超声波的高频频段依然产生了人耳可以听见的噪音，并且都具有一定的误码率，因此不能很好地实现在不损坏音频质量的前提下向用户低误码率的传输信息数据。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于lora调制的将信息隐藏在音乐中的方法。能够在不损害音乐质量即不打扰用户的前提下通过智能手机向用户广播信息数据，并且成本低、易推广。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于lora编码的将信息隐藏在音乐中的方法，包括如下步骤：
7.本发明分为信息发送者和信息接收者两大部分，其中信息发送者包括如下步骤：
8.(1)发送者需要准备好将要播放的音乐以及需要广播给用户的信息，并且将待发送的信息编码为lora符号；具体而言，
9.(11)发送者以18khz为起始频率，通过在频域循环平移chirp进行编码，生成lora符号，并且只取lora信号的实数部分播放；
10.(12)发送者根据up-chirp的不同的开始频率来编码不同的数据，将开始频率为18khz的信号编码为0，将循环平移后起始频率为18.4khz的信号编码为1；
11.(2)发送者需要生成一个启动信号添加在信息编码lora符号之前，启动信号具体
为一段特殊的固定的lora序列；
12.(3)发送者对产生的lora符号的每个不连续的频率处必须使用新型窗口加窗处理以消除频率突变造成的噪音，对于上述编码为0的lora信号使用如下新型窗口以消除频率突变造成的噪音，对于上述编码为0的lora信号使用如下新型窗口来进行预处理，对于上述编码为1的lora信号使用如下新型窗口来进行预处理，其中m表示一个lora符号的样本数，具体表示为m＝fs*τ，其中，τ为一个lora符号的持续时间，fs为采样率，n为从0增长到m的一个自变量，将生成的每一个lora符号分别乘以w1(n)或者w2(n)以获得经过预处理后的lora编码的音频，使得每一个频率突变处的突变之后的频率都从0开始逐渐产生，突变之前的频率都逐渐消失至0；
13.(4)发送者将生成的处理完毕的lora符号与准备好的将要播放的音乐混合起来，生成携带了信息的混合音乐文件，并且使用扬声器广播隐藏了信息的音乐；
14.信息接收者包括以下两个步骤：
15.(5)接收者使用智能手机的麦克风接收扬声器播放的隐藏了信息的音乐，首先要确认帧的开始；
16.(6)接收者确认帧的开始位置后，将会开始解码lora信号；具体而言：
17.(61)首先生成一个起始频率为800hz的down-chirp信号，对每一个收到的lora符号进行点乘一个down-chirp信号的处理，从而获得一个单频信号；
18.(62)对点乘之后的信号进行快速傅里叶变换，获取到单频信号用以区分开不同起始频率的信号从而进行解码。
19.所述步骤(11)和(12)具体包括：
20.比特0的编码的生成方式具体为，按给定采样率从以下函数采样为s(t)＝cos(2πf0t+πμ/2t2)，比特1的编码具体生成方式为其中f0为起始频率，fc为中间频率，μ定义为频率变化率，τ为一个lora符号的持续时间。
21.所述步骤(5)具体包括如下步骤：
22.(51)接收者使用短时傅里叶变换检测过滤掉原音乐以及环境噪音的高频段来对准符号数据；
23.(52)当接收者检测到音频频率临近lora的起始频率时，将会进入到一个特殊的状态，在这种状态下，本发明尝试解码即将到来的固定序列的lora启动信号，当接下来的固定
序列的lora符号全部被成功解码时，则实现帧同步，否则，将窗口滑动一个样本，开始下一次尝试；
24.(53)在帧同步结束后，成功定位到信号开始的时间点后，本发明将会每次向后移动十个单位尝试进行50次解码并记录解码结果，最后比较输出误码率最低的那一次解码结果。
25.所述步骤(62)具体包括：
26.接收者首先生成一个起始频率为800hz的down-chirp信号，具体生成方式为：s(t)＝cos(2πf1t-πμ/2t2)，这里的f1为800hz，μ定义为频率变化率，然后将接收到的lora符号与此down-chirp进行点乘操作，获取到一个新的信号，计算新的信号的不同频段的能量和来判断起始频率的具体计算方式为：设mag(i)为频率i的幅度，则计算方式为：设mag(i)为频率i的幅度，则如果e1＞e2，则该符号解码为比特0，否则解码为比特1。
27.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
28.(1)嵌入信息的音频不会降低音乐的质量，用户在听音乐的同时察觉不到lora符号的存在。即用户只需在欣赏音乐的同时就可以使用智能手机接收到lora信息。
29.(2)用音频直接广播需要传输的信息，即节省了劳动力的同时还在不打扰用户的情况下方便快捷地发送了信息。
30.(3)与传统的调频和chirp编码相比，本发明抗干扰性极强，对多径和多普勒效应的抵抗性也很强，具有更低的误码率以及更远的传输距离和更广泛的覆盖范围。
附图说明
31.图1为本发明的流程图
32.图2为本发明误码率随编码方法变化实验图
33.图3为本发明误码率随音量变化实验图
34.图4为本发明误码率随环境噪音变化实验图
具体实施方式
35.以下对本发明做具体的介绍。
36.本发明在实施时，信息发送者需要一个扬声器，扬声器用于广播混合了lora编码信息后的音频文件，用来发送信息。信息接收者需要一个智能手机，智能手机用于接收混合音频文件然后进行解码工作，用来接收信息。
37.整个过程分为信息发送者和信息接收者两大部分，信息发送者包括如下步骤：
38.(1)发送者需要准备好将要播放的音乐以及需要广播给用户的信息，并且将待发送的信息编码为lora符号。
39.本发明使用lora来编码信息，通过同一频段但是起始频率不同的chirp符号来表示0/1比特。设f0为该频段中lora符号的最小频率，f1为该频段中lora符号的最大频率，为f0和f1的中间频率。τ为一个lora符号的持续时间，本发明推荐将τ设置为100ms。μ为频率变化率，具体为
40.然后通过对持续时间为τ的两个余弦波进行时间采样来获得lora符号。本发明采用lora的编码方法，设f0为比特0的起始频率，为1比特的起始频率，本发明将f0设置为18khz。本发明将0比特的余弦波设置为s(t)＝cos(2πf0t+πμ/2t2)，将比特1的余弦波设置为也就是说，比特0的频率是从f0直接增加到f1，而比特1的频率是先从fc增加到f1，再从f0增加到fc。
41.(2)发送者需要生成一个启动信号添加在信息编码lora符号之前，启动信号具体为一段特殊的固定的lora序列。
42.由于客户端无法得知编码开始的准确时间，直接进行解码会造成较大的误码率，在(1)中所述的lora信息编码之前，本发明为了正确解码还需要加入一个启动信号以确认帧的准确开始时间。为此，本发明在信息编码的一开头生成一个固定长度的特殊lora序列来作为启动信号。
43.(3)发送者对产生的lora符号的每个不连续的频率处必须使用新型窗口加窗处理以消除频率突变造成的噪音。
44.本发明对于上述编码为0的lora信号使用如下新型窗口本发明对于上述编码为0的lora信号使用如下新型窗口来进行预处理，对于上述编码为1的lora信号使用如下新型窗口来进行预处理，其中m表示一个lora符号的样本数，具体表示为m＝fs*τ。其中，fs为采样率，τ为一个chirp符号的持续时间，n为从0增长到m的一个自变量。
45.本发明将生成的每一个lora符号分别乘以对应的w(n)获得经过预处理后的lora音频，使得每一个lora符号包括每一个lora符号内部的不连续的频率都从0开始逐渐产生，且在频率发生突变之前逐渐消失。此时，每一个lora符号均可以与下一个lora符号无断层的连接起来并且1比特对应的lora符号内部也可以频率无突变地连接起来。
46.(4)发送者将生成的处理完毕的lora符号与准备好的将要播放的音乐混合起来，生成携带了信息的混合音乐文件，并且使用扬声器广播隐藏了信息的音乐。
47.信息接收者包括如下步骤：
48.(5)接收者使用智能手机的麦克风接收扬声器播放的隐藏了信息的音乐，首先要确认帧的开始。
49.(51)接收者使用短时傅里叶变换检测音乐17500hz之上的频率来过滤掉原音乐以及环境噪音来对准符号数据。
50.(52)当接收者检测到音频频率临近lora的起始频率时，将会进入到一个特殊的状态，在这种状态下，本发明尝试解码即将到来的固定序列的lora启动信号，当接下来的固定序列的lora符号全部被成功解码时，则实现帧同步，否则，将窗口滑动一个样本，开始下一次尝试。
51.(6)接收者确认帧的开始位置后，将会开始解码lora信号。
52.(61)假设对应于lora符号的一段声音是s0。本发明对s0进行快速傅里叶变换，得到频率的幅度，设mag(i)为频率i的幅度。
53.(62)分别计算能量和(62)分别计算能量和
54.(63)比较e1和e2的大小，如果e1＞e2，则将该符号解码为0比特，否则解码为1比特。记录此时的误码率并且将整体音频往后移10个样本。
55.(64)移动10个样本后得到新的s0，重复上述解码步骤50次，对比获得误码率最小的一组解码数据并输出，至此，接收者完成解码工作，获取了隐藏在音乐中的信息。
56.本发明的效果可用以下实验进一步说明。
57.实验一测试了直接调频编码方法以及传统的chirp编码与本发明提出的lora编码在相同环境下的误码率的对比。我们将音量均设置为100％以及将智能手机放在距离扬声器相同的位置来测试误码率，实验结果如附图2所示。实验结果表明，本发明在几种编码算法中表现最好，具有最低的误码率。
58.实验二测试了扬声器不同音量对误码率的影响，分别将音量设置为扬声器广播音量的10％、30％、50％、70％和100％来测误码率，实验结果如附图3所示。实验结果表明，本发明是相当健壮的，只有当音量低于一个较低的阈值时误码率才会增加，在其他多数情况下本发明均表现稳定。
59.实验三测试了不同分贝的环境噪音对于解码的影响。实验将环境噪音分别控制为30分贝、40分贝、50分贝和60分贝，在此情况下进行传输数据解码工作。实验结果如附图4所示。由实验可以得出，本发明抗干扰性极强，可以在环境噪音极其恶劣的情况下较好地运行。这表示着本发明可以在各种不同类型的场所适用，无论是安静的咖啡厅还是吵闹的商城，本发明均可以很好地工作。