一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法及装置

本发明涉及声音信号处理，尤其是涉及一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法及装置。

背景技术：

1、随着移动智能设备数量的增多，基于声信号的隐蔽通讯技术也有了极大的发展。一般而言，信息设备中的声设备(如声卡、扬声器、麦克风等)工作频段带宽要大于人耳接受的声频段带宽，当有人选择超出人耳接受范围的频段或人容易忽略的特种声音作为载波，就可以实现信息的隐蔽传输，因此在众多声隐蔽通信技术当中，使用超声波信号作为传输媒介是人们研究的重点和热点。以往有关方面的研究无一例外都是基于通信工程中的调频、调幅等技术，实现0-1信号的传输。该种通信方式不稳定且速度极慢。除此之外，该种通信方式还需要声音发送端和接收端相互配合，接收端在收到信号后要进行解调、解码转音频播放等一系列后续操作，这就造成了系统结构较为复杂、处理时间较长的问题。

2、此外，随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术已从医学领域被逐渐应用于工业无损检测等领域。扬声器阵列作为最简单的相控阵之一被使用在很多场合，例如专用音响、电脑、电视等设备，然而扬声器阵列尤其是超声波扬声器阵列的应用却很少，对于其研究的主要方向是单音频声向角控制，实际上由于单个音频带宽不会很大，因此对于阵元而言，其中的多数带宽都被浪费掉了，导致系统的利用率比较低下。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法及装置，能够缩短通信系统响应时间、简化通信系统结构，在低成本的前提下实现远距离、多角度并发隐蔽通讯的目的。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，包括以下步骤：

3、s1、获取原始音频，并从原始音频中截取预发送的频段信号；

4、s2、将截取的频段信号调制到互不重叠的超声波段；

5、s3、将调制后的音频合并为一个组合音频；

6、s4、根据主动降噪系统所处位置方向以及组合音频的频带分布，计算出相控阵中每个阵元所发音频的相位延迟；

7、s5、根据计算的相位延迟，在组合音频的相位谱中进行补偿，之后通过相控阵将补偿后的组合音频发送出去；

8、s6、主动降噪系统接收到组合音频，通过接收电路产生原始音频，并结合主动降噪算法处理，还原得到声信号。

9、进一步地，所述步骤s1中原始音频具体是通过软件系统或采用录制方法获得。

10、进一步地，所述步骤s1中从原始音频中截取预发送的频段信号的具体过程为：

11、利用傅里叶变换，将原始音频从时域转化为频域，之后再截取频域信号中选定带宽在3khz预设范围内的频域信号，即为预发送的频段信号。

12、进一步地，所述步骤s2的具体过程为：

13、在傅立叶变换得到的频谱上，将选定的频段信号复制到目的频段中，再将选定频段置零。

14、进一步地，所述步骤s3的具体过程为：

15、在频谱上将处于不同频带的各个音频信号进行组合，得到一个新的完整频谱图，然后再通过逆傅立叶变换，得到时域上的音频信号，即为组合音频。

16、进一步地，所述步骤s4具体是考虑频带分布补偿和目标角度偏移补偿，以计算出相控阵中每个阵元所发音频的相位延迟。

17、进一步地，所述步骤s5具体包括以下步骤：

18、s51、将相位延迟在组合音频的相位谱中进行补偿，再通过逆傅立叶变换得到时域上阵元们需要播放的音频信号；

19、s52、将步骤s51得到的音频信号由数字信号转为模拟信号，然后对该模拟信号进行信号功率放大；

20、s53、将放大后的模拟信号接入由多个超声波传感器组成的相控阵中，通过相控阵将电信号转换为超声波信号实现发送。

21、进一步地，所述步骤s53中相控阵由多个超声波传感器呈一字型排列组成。

22、进一步地，所述步骤s6具体包括以下步骤：

23、s61、主动降噪系统接收到组合音频，由接收电路产生调制前各个音频对应的电信号；

24、s62、将接收电路产生的电信号经过主动降噪算法处理，还原得到声信号。

25、一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理装置，包括音频发送端、接收端，其中，发送端包括计算机、外置声卡、功率放大器和由多个超声波传感器组成的相控阵，计算机通过usb接口与外置声卡相连接，用于将预先生成的多路数字音频信号转为模拟信号；

26、外置声卡输出端与若干数量相同的功率放大器连接，用于提升信号的发送功率；

27、每路功率放大器的输出均连接一个超声波传感器来发送超声波信号；

28、所述接收端具体为主动降噪系统，该主动降噪系统通过接收电路的非线性效应产生调制前各个音频的电信号，这些电信号再经过主动降噪算法处理，便可被还原为声信号在内部扬声器中播出。

29、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

30、本发明首先截取预发送原始音频中的部分频段，然后将这些频段的音频分别调制到不同超声波段，之后根据主动降噪系统所在的方向位置，结合相控阵术，将不同频段的音频添加对应的相位延迟并分配到阵元上进行播放。由于播放的音频属于超声波，所以不能被人们直接听到，故利用主动降噪系统在收到音频后，其接收电路通过非线性效应产生调制前各个音频的电信号，这些电信号再经过主动降噪算法处理，便可被还原为声信号。由此只需要将调制好的信号在发送端发送，无需对接收端的主动降噪系统进行任何操作，便可直接收到可听且有意义的声音信号，系统响应时间短并且结构简单，能够在在低成本的前提下实现远距离、多角度并发隐蔽通讯的目的。

31、本发明利用傅里叶变换，将原始音频从时域转化为频域，截取频域信号中选定的频域信号，之后在傅立叶变换得到的频谱上，将选定的频段信号复制到目的频段中，再将选定频段置零，从而将截取的频段信号调制到互不重叠的超声波段，在频谱上将处于不同频带的各个音频信号进行组合，得到一个新的完整频谱图，然后再通过逆傅立叶变换，得到时域上的音频信号，即为组合音频，此外还考虑频带分布补偿和目标角度偏移补偿，以计算出相控阵中每个阵元所发音频的相位延迟，用于在组合音频的相位谱中进行补偿。由此能够在保证信号强度一致的前提下，通过频分复用技术提高通信信道的利用率，并且结合频分复用技术和相控阵技术实现了宽频率、多方向的声波聚焦和增强功能。

技术特征：

1.一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s1中原始音频具体是通过软件系统或采用录制方法获得。

3.根据权利要求1所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s1中从原始音频中截取预发送的频段信号的具体过程为：

4.根据权利要求3所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s2的具体过程为：

5.根据权利要求4所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s3的具体过程为：

6.根据权利要求1所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s4具体是考虑频带分布补偿和目标角度偏移补偿，以计算出相控阵中每个阵元所发音频的相位延迟。

7.根据权利要求5所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s53中相控阵由多个超声波传感器呈一字型排列组成。

9.根据权利要求7所述的一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法，其特征在于，所述步骤s6具体包括以下步骤：

10.一种基于如权利要求1所述适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法的音频处理装置，其特征在于，包括音频发送端、接收端，其中，发送端包括计算机(1)、外置声卡(2)、功率放大器(3)和由多个超声波传感器组成的相控阵(4)，计算机(1)通过usb接口与外置声卡(2)相连接，用于将预先生成的多路数字音频信号转为模拟信号；

技术总结
本发明涉及一种适用于主动降噪系统隐蔽通讯的音频处理方法及装置，该方法包括：获取原始音频，并从原始音频中截取预发送的频段信号；将截取的频段信号调制到互不重叠的超声波段；将调制后的音频合并为一个组合音频；根据主动降噪系统所处位置方向以及组合音频的频带分布，计算出相控阵中每个阵元所发音频的相位延迟；根据计算的相位延迟，在组合音频的相位谱中进行补偿，之后通过相控阵将补偿后的组合音频发送出去；主动降噪系统接收到组合音频，通过接收电路产生原始音频，并结合主动降噪算法处理，还原得到声信号。与现有技术相比，本发明能够缩短通信系统响应时间、简化通信系统结构，在低成本的前提下实现远距离、多角度并发隐蔽通讯的目的。

技术研发人员：薛广涛,邓沛岩,陈奕超,李熠劼,周峻韬
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17