超声波调制解调信号

本文最后更新于：2022年7月30日 下午

完成使用超声波调制发送解调IP地址的任务。

主要流程

1、 在电脑使用matlab，将提供的IP转换为32位二进制。将每一位0或1分别调制成480/48000=0.1s的正弦波，进行拼接。

2、 使用安卓手机发射调制的正弦波，使用麦克风接收声波信号。

3、 将麦克风收到的信号通过高通滤波器得到高频信号，根据信号的滑动均值和阈值提取收集到的整段信号，将根据信号窗口提取FFT能量作为0或1的解调。

4、 根据01串还原IP，完成超声波传输IP地址。

实现效果

在每秒100bits的情况，传输距离最高1m，超过这个距离接受的质量下降会导致有些bits识别错误，如果把窗口加长为每秒50bits，传输距离可以达到1.8m准确。

Thinking

除了分辨率会影响发射距离，发射手机的扬声器和接收手机的麦克风质量都会有影响。

考虑如何把发射距离提升到10m？

  • 使用更大功率的发射设备和接收设备
  • 考虑使用lora调制
  • 考虑改变发射频率

目前使用超声波发送调制信号可以使用lora调制，lora调制方法是商业的没有公布源码，可靠的实现可以参考清华博士的解析和实现。

代码实现

调制发送信号

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f1 = 17e3;   
f2 = 18e3;
fs = 48e3;      
A=350;
time=960;
sendSignal = zeros(1, time*32);

% 把ip转换为二进制
ipFields = uint8(str2double(split('173.33.45.29', '.')))'
temp=dec2bin(typecast(fliplr(ipFields), 'uint32'))
symbal = double(temp)-'0';

% 根据二进制生成正弦波
t = 0:1/fs:(time-1)/fs;
for i=symbal
    if i==0
        temp=A*cos(2*pi*f1*t);
    else
        temp=A*cos(2*pi*f2*t);
    end
    sendSignal = [sendSignal temp];
end
plot(sendSignal)
stft(sendSignal, fs)
dlmwrite("send/chirp.txt", sendSignal')

解调信号

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fs=48000;
f1 = 17e3;   
f2 = 18e3;
chirp_len=960;
mode='s7/';
% 读取文件
fileFolder = fullfile(['receive/', mode]);
dirOutput = dir(fullfile(fileFolder,'*.pcm'));
fileNames = {dirOutput.name};
file_name = fileNames{end}
file=['receive/' , mode, file_name];
data= importdata(file);

% 去掉头尾信息
data=data(15000:end-50000);
stft(data, fs, "FFTLength", 1024)

time = length(data);
t = 0:1/fs:(time-1)/fs;
% 获得超声波部分
data=highpass(data, 15000, fs);
% stft(data, fs, "FFTLength", 1024)

% 获得有效数据
A = movmean(abs(data), 20);
thresh = (max(A) - min(A))/7 + min(A);
inds = find(A > thresh);  % 找信号高于thre的下标位置
valid_data = data(inds(1):inds(end));  % 截取信号
if(length(valid_data)<32*chirp_len)
    valid_data=padarray(valid_data,32*chirp_len-length(valid_data), "pre");
else
    valid_data=valid_data(1:32*chirp_len);
end
% 
% stft(valid_data, fs, "FFTLength", 1024)

% 解调01信号
res=[];
for i= 1:chirp_len:length(valid_data)
    temp=valid_data(i:i+chirp_len-1);
    [argv, argmin]=max(abs(fft(temp, fs)));
    if(abs(argmin-f1)<abs(argmin-f2))
        res= [res 0];
    else
        res=[res 1];
    end
end

% 转换为ip
res;
str_res= sprintf('%1d', res)
deci_res=bin2dec(str_res)
IPVector= deci_res;
test=strcat(num2str(bitand(bitshift(IPVector,-24), 255)),'.',num2str(bitand(bitshift(IPVector,-16), 255)) ,'.',num2str(bitand(bitshift(IPVector,-8), 255)) ,'.',num2str(bitand(bitshift(IPVector,0), 255))  )