[发明专利]用于声通信的设备和方法

说明书

技术领域

本发明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用于声通信的设备和方法，而且更具体地，涉及使用心理声学模型的用于声通信的设备和方法。

背景技术

声通信是在移动设备之间传送数字信息的一种可能的方式。声通信的优点在于，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 the First International Workshop on Information Hiding,Cambridge,U.K.,May 30-June 1,1996,pp.293-315、以及L.Boney等,Digital watermarks for audio signals,IEEE Intl.Conf.on Multimedia Computing and Systems,pp.473-480,March 1996中分别讨论的。

图1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 Acoustic OFDM,Proc.Fortieth Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,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，并向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强度。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。

发明内容

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，参见图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