基于OFDM技术的声波通信系统研究

祝晓霞，胡绍祖，严 琼，黄幼萍

(福建江夏学院 电子信息科学学院，福建 福州 350108)

随着移动互联网爆炸式的发展，手机、智能穿戴设备等智能移动终端越来越普及[1]，人们更依赖移动终端获取和发送信息[2-3]，智能终端间的近距离通信比如移动支付、数据分享、身份识别和设备配对等需求激增[4]，且应用场景多样化，为近距离移动通信发展提供良好前景[5]。声波通信技术作为一种新型的近距离通信方式近年来得到广泛应用，该技术利用智能终端的听筒和麦克风进行通信，通过软件就可以实现，无需增加额外的硬件开销，为智能终端的近场通信提供一种便利且价格低廉的方式[6]。目前智能终端间声波通信采用的主要是FSK（Frequency Shift Keying）调制方式[7-8]。2012年IPhone的一款应用chip开启声波通信的商用，chirp通过建立一个含有32个字符（[0-9，a-v]）的表，并将每个字符映射到频率表。一段声波信号包含20个音即20个字符，每87.2 ms发一个音。这种传输模式每次传输32个字符，传输10位信息位，传输速率为1/87.2=11.47字符/秒。国内的支付宝使用的声波支付使用的是类似双音多频的通信方法。声波支付发出的是18kHz频率的声波，在18kHz有3个值可以选取，分别是小于、大于和等于18 kHz，所以每个时刻有3种组合。再结合时间窗口，就可以组合成许多编码。声波通信能够使用的频率有限，采用FSK调制方式能实现的传输速率较低，限制了声波通信的应用场景。为了提高传输速率需要提高频谱利用率，正交频分复用（Orthography Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术将频谱划分为多个正交的子载波，每个子载波单独传输数据，大大提高了载波的利用率，是一种非常成熟的高频谱利用率调制方式[9]。将OFDM技术应用到声波通信系统中能够解决有效带宽下传输速率低的问题[10]。本文主要研究OFDM技术在手机声波通信系统中的应用，分析声音信道包括环境噪声和声音传输特性，根据声音信道的特点设计OFDM通信系统，包括系统参数的设计，同步方案设计和信道编码选择，系统使用带宽3 kHZ，通信的传输速度为4 kbit/s。最后编写Android程序在智能终端进行测试，通过通信距离、传输角度等测试，验证系统的性能。

1 声波通信系统信道分析

任何通信系统的设计都依赖传输介质或者传输信道的特性，对于声波通信系统，影响通信系统设计的特征有两个：环境噪声和声音传播特性。在这个部分将研究分析这两个特征。

1.1 环境噪声

声波通信系统主要应用在商场和咖啡厅等公共场所，这些地方的环境噪声较大，容易对通信系统产生干扰。为了描述环境噪声的影响，本文使用同一个设备收集了超市和咖啡厅等应用场景多个时段的声音，分析各个场景声音的频率响应。图1是超市和咖啡厅环境噪声的频率响应图，从图中可以发现在1～3 kHz范围内两种场景下信号能量都超过5 dB，在1kHz附近甚至超过15 dB。当频率超过3 kHz后信号的能量明显降低到5dB以下，超市由于背景音乐、设备噪声等影响，在高频率也有较强的信号。从分析可以得到结论，0～3 kHz由于噪声影响太大不适用于通信系统。

图1 超市和咖啡厅环境噪声的频率响应

1.2 声音传播特性

声波是一种广泛存在的机械波，是机械振动在介质中的能量传输[11]。声音在空气中传播时易发生衰减，研究表明声波衰减特性服从指数变化规律[12]，声波振幅随传播距离变化的规律满足公式（1），其中b0为声源处初始振幅，A为距离声源x处的振幅，ω为角频率，φ为位角，α为衰减指数，由公式（2）表示，其中ms为空气介质常数受空气介质的物理特性如粘性等影响。从公式可以发现随着距离的增加声音的幅度呈指数下降，频率越高声音的衰减越大，能够传输的距离越短。

声波在传输过程中会遇到各种介质，不同介质对声波的折射和反射不一样，同一声源发出的信号最终经过不同的传输路径到达接收端，因此在声波通信设计时需要考虑多径干扰对系统的影响。

2 OFDM通信系统设计

通信系统由发送端和接收端两部分组成，发送端由信源编码、QAM调制和OFDM调制3个模块组成，接收端由信号同步、OFDM解调、QAM解调和信源解码4个模块组成。接下来详细介绍主要模块的设计。

2.1 OFDM调制和解调

OFDM系统是由大量频率间隔相同的子载波构成，这些子载波的频谱相互叠加提高了系统的频谱利用率[13]。OFDM信号传输数据经过串并变换后映射到相互正交的子载波上，调制后的OFDM符号可由式(3)表示。

公式(3)中，N为OFDM的子载波个数；T为OFDM的符号周期；di（i=0,1,2，…，N-1）为各个子信道的基带数据；为第 i个子载波的载波频率；

OFDM系统设计首先要确定3个参数：带宽（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）及保护间隔（Guard Interval）。按照惯例，保护间隔的时间长度应该为环境信道时延扩展的4～5倍。确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就可以确定了。假设最大多径时延为τmax，循环前后缀的长度Tcp=τmax，一个符号的持续时间Ts=6*Tcp，有用符号持续时间T=4*Tg。本通信系统应用于10 cm范围内，由于声音的传播具有方向性同时在传播过程中易产生损耗，因此假设最大多径长度为距接收端10 cm范围内，也就是传播距离为20 cm，声音在空气中的传播速度为C=340 m/s，因此多径时延t=0.2/340=0.59 ms。在本系统中取多径时长τmax=0.67 ms，循环前后缀的长度为Tcp=0.67 ms，有用符号持续时间 Ts=4*Tcp=2.68 ms，符号持续时间 Ts=6*Tcp=4.02 ms，子载波间隔带宽选取3 kHz，频带载波f=7 kHz，通信频率范围为（5.5～8.5 kHz），采用BPSK调制方式，比特率Rate=2 kbit/s。

2.2 信号同步

接收端通过信号同步算法确认发送信号到达时间，因此同步技术对信号的正确解调至关重要。本文通过在发送数据中引入辅助数据完成信号同步[14]。辅助数据的结构为两个相同的OFDM符号，由于前后符号相同，因此两个符号间具有强相关性。这两个OFDM符号的产生可以使用下面这种方式：假设系统使用的子载波数为N，选取长度为N的伪随机序列，将伪随机序列经过IFFT调制，调制后的数据加上长度为Ncp的循环前后缀构成长度为Ns=N+2*Ncp的OFDM符号P，将这个符号复制后即可生成第二个符号。假设生成的符号表示为rn，r*n表示符号的共轭函数，则定时度量函数为：

P(d）和R(d）的值都可以使用迭代算法来完成。

在定时判断的时候如果只有一个峰值很容易造成误判和漏判，因此常常希望可以有多个峰值联合判断，提高系统准确定时概率，本文使用[P,P,-P,-P]结构引入4个同步符号构造3个峰值完成系统同步。仿真环境情况为：子载波数N=128，循环前后缀长度为32，一个符号长度为192。伪随机序列为[-1,1,1,1,1,-1,1,-1]，在 1-4和 125-128八个子载波上传输，其他子载波不传输数据，数据的起始时刻设置为201，从图中可以看到在201,393,585三个时刻 （三个同步符号起始位置）M(d)的值最大。

图2 同步定时度量函数

2.3 信道编码

信号在传输过程中由于干扰等因素可能导致传输错误，因此需要通过信道编码来识别或纠正错误。本文通过双向奇偶检验技术检验接收信号是否出错。双向奇偶检验通过在横纵两个方向信号的末尾添加0/1，保证传输信号1的个数为奇数或者偶数。接收端检测接收信号中1的个数是否满足条件判断接收信号是否解调错误。对于错误信号接收端丢弃重新接收，信号接收完成后接收端向发送端回复握手信号完成本次通信。

3 通信系统测试

为了验证通信系统的性能，本文利用Android studio软件编写安卓应用程序在手机终端进行测试，图3为程序界面，点击文本框输入传输的内容，单击share按钮发送数据，单击stop按钮停止发送数据，stop按钮下方显示接收到的数据同时在末端显示括号和接收数据次数。测试设备为小米5S手机和华为Mate8手机，测试场景为：1、办公室（面积约50 m2，除门窗打开外其余空间封闭）；2、超市（面积超过 1000 m2人流拥挤的大型超市）。

图3 程序界面

首先测试不同调制阶数（BPSK、QPSK和8PSK）和距离对系统误码率的影响，发送端的喇叭正对接收端麦克风，水平移动接收端在指定距离进行测试，测试环境为办公室。

图4为不同调制阶数下不同距离系统的误比特率。从图中可以得到两点：1、随着距离的增加误比特率逐渐升高，当距超过20 cm时系统的误比特率明显升高，本文第2部分的分析可以知道声音在空气中呈指数衰减，距离越远信号能量越弱，从测试情况发现本文设计的系统通信距离为20cm，这个距离满足NFC的使用场景需求；2、随着调制阶数的增加，系统的误比特率增高，BPSK和QPSK调制方式系统的误比特率在20 cm距离内基本相同，超过20 cm后BPSK方式略好于QPSK方式，8PSK调制方式误比特率明显高于其他两种调制方式。系统参数设计中已经计算在BPSK调制方式下系统的比特率Rate=2 kbit/s，如果使用QPSK调制方式则系统的比特率Rate=4 kbit/s，系统的速率明显提高且误比特率几乎不会增加。接下来测试使用QPSK方式系统的抗噪声性能。

在超市场景进行测试，系统的调制方式为QPSK。图5是办公室和超市两种场景下系统使用QPSK调制方式时，不同距离下系统的误比特率。从图上可以发现随着距离的增加两种场景误比特率的变化趋势相同，由于超市噪音较多误比特率略高于办公室场，但是在20 cm范围内能够满足通信需求。

图4 不同调制阶数系统的误比特率

图5 不同环境系统的误比特率

从上面两个测试可以得到结论，系统使用QPSK调制方式能够在20 cm范围内实现可靠通信，系统的传输速率Rate=4 kbit/s。

最后测试麦克风和听筒间的角度对通信系统的影响，测试地点为办公室，测试距离为20 cm，图6是不同角度下系统的误比特率，180°时麦克风和听筒背向放置，360°时麦克风和听筒朝同一个方向放置。分析测试数据，麦克风和听筒间夹角越大系统的误比特率越高，180°时误比特率最高。产生这种现象的原因主要是声音的传播具有方向性，当接收端不在发送端传播范围内，接收端无法接收到直达信号只能接收反射或折射信号，信号的能量会急剧减弱。360°时误比特率也较高，主要原因为此时麦克风和听筒朝向一致，由于手机机身的阻挡听筒无法接收直达信号只能接收反射或折射信号，因此接收到的信号能量较弱误码率较高。

图6 麦克风和听筒间不同角度下系统误码率

综合分析,在嘈杂开放的超市和安静封闭的办公室场景下，本文设计的通信系统使用QPSK调制方式在20 cm范围内能够实现通信。由于声音的传输具有方向性，在通信过程中需要注意麦克风和听筒的角度，尽量保持两者的夹角小于90°以保证系统可靠稳定传输。

4 总结和展望

目前主流的声波通信系统一般使用FSK调制方式能够达到的传播速度有限，本文将OFDM技术应用到声波通信系统中，在3 kHz带宽下使用8个子载波传输数据，使用QPSK调制方式系统的传输速率可以达到4 kbit/s，大大提高了声波通信的传输速率，能够满足NFC应用场景下的速率要求。实际测试在20 cm范围内，麦克风和听筒夹角在90°内能够实现可靠稳定通信。目前通信系统主要应用于智能手机间，后续计划将系统移植到其他智能设备中，推广声波通信的应用场景。

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