基于高頻音訊的信息推廣系統研究

李圣普，王小輝

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基于高頻音訊的信息推廣系統研究

李圣普，王小輝

摘 要：提出利用人耳聽覺特性以聲音為傳輸媒介，在高頻中埋藏要傳送的資訊，并實際應用在行動裝置上，讓使用者可以使用揚聲器循環播放聲音訊號，達到消費者靠近店家即可收到該店家的消費資訊的目的。在傳送端使用18kHz 左右的音頻，配合RS code、preamble encoder和PSK傳遞信號，并在接收端使用 preamble detection、PLL、RS decoder 解出訊號，讓整個系統最后實現在iOS裝置上，實驗結果證實系統可以成功傳遞商家信息。

關鍵詞：高頻；聲音信號；商家信息；廣播系統

平頂山，467002

王小輝（1980-），女（漢族），河南滑縣人，平頂山學院，計算機科學與技術學院，講師，碩士，研究方向：人工智能及應用，平頂山，467002

0 引言

隨著智能機的普及，如何能在消費場所感知消費者的位置是否位于商家附近，進而提供商家最新消費信息至消費者手機上的方法，是現今熱門的研究點。如圖1所示：

圖1　情景示意圖

情境假設，消費者的智能設備安裝由賣場提供的特定應用，當靠近一個商家時，行動裝置可以立刻收到該商家的消費資訊。

因為使用一般的揚聲設備就可以將信號推播，所以此系統可利用一般商家已有的揚聲設備，傳送人耳不易察覺的高頻音訊訊號，并在其上承載商家特定的消費信息，消費者利用智能終端上已有的麥克風接收與解碼此高頻音訊訊號。最后在手機上即時顯示消費信息通知，達到為此商家即時傳遞特定消費信息的目的。

1 系統設計

以下進一步說明完成此高頻音訊行動資訊廣播系統，所需考慮的各種系統規格。

1.1 頻帶選擇

為能利用人耳不易察覺的音訊訊號傳遞消費資訊，文中將調查人耳的聽覺特性與背景環境噪音分布情形。首先綜合各聽覺研究文獻的結論，找出人耳對各種頻率的頻率響應?；旧先硕钊菀捉邮艿姆秶?~4 kHz左右，而在16 KHz以上，人耳的敏感度就急劇降低。 然后到賣場用頻譜分析儀實際測量環境雜訊，發現大部份的賣場噪音皆分布在低頻帶部分，尤其是與人耳最易感知的2~4 kHz重疊。因此，根據上述調查結果，進一步以實際音訊訊號與環境雜訊，進行不同頻帶的人耳聽覺測試。最后選擇以16~20 kHz 的頻帶，作為主要音訊通訊訊號的載波頻帶。

1.2 封包方式

考慮連續傳送封包，必須在每個封包的開頭加上一段preamble，如圖2所示：

圖2　preamble 示意圖

如此接收端可以依據該訊號作時序同步。

1.3調變方式選擇

調變系統采用PSK作為基本架構，其中考慮PSK是因為它的效能通常比amplitude shift keying (ASK)和 frequency shift keying (FSK)好。佐證資料PSK、ASK 與 FSK 編碼方式與其效能比較，如圖3所示：

圖3　調變系統比較圖

2 系統實現方法

在文中，依據上述設計，提出一個基于高頻音訊通訊系統的特定消費信息傳遞系統。圖4為這套系統的傳送端架構。以下將逐一介紹此系統重點的方塊圖的功能和原理。

2.1 傳送端

一開始會先把所想傳送的商家資訊（網址），如

http://getlife.com.cn/mall/index，轉換成 ASCII 碼，由二進位碼組成如圖4所示：

圖4　傳送端架構

2.1.1 RS code

錯誤更正碼可用來保護數位資料，主要目的就是在最小成本頻寬內降低錯誤率。在已知的錯誤更正碼中，RS （Reed-Solomon） code 對突發性的錯誤有很強的更正能力，主要功用是用來糾正隨機雜訊（random noise）所造成的錯誤，此種錯誤的發生通常是零散的。雖然 RS code 能夠糾錯 t個未知錯誤（error），不過需要犧牲2t個冗余資料（redundant data）。另外，設定每筆資料（symbol）的位元數為 m，因此m 一組 code word 的長度（包括冗余資料）最多為 n=2 -1。

2.1.2 Preamble

Preamble是具有與白雜訊類似的自相關性質的0和1所構成的編碼序列，此序列出現0 與1的機率各為50%，在所要傳的資料開頭加上 PN code，可讓接收端知道資料的起始點。選用PN code 作為 preamble 的原因是它與所傳的資料最不相像，這樣接收端在搜尋頭部時就不會出現錯誤 。

PSK 調變與 Root raised cosine filter

PSK調變選擇使用QPSK，理想的QPSK訊號表示如公式（1）：

需要選擇一個波形來傳送symbol，最理想的波形是raised cosine[3]，第一可限制頻寬，因為可以利用的頻寬有限，使用 raised cosine 作為傳送波型的頻寬公式如公式（2）：這里RS為符號傳送速率，α為降滾系數，介于0到1之間，所以，可以借助這兩個參數的調整來決定頻寬大小。第二可對抗符號間干擾（ISI），將符號的最高點與第二個符號零點重疊，這樣一來干擾可以減到最小。不同的α所描繪出的raised cosine的時域與頻域圖，如圖5、圖6所示：

圖5　raised cosine 時域波形

圖6　raised cosine 頻域波形

2.2 接收端

接收端的架構圖如圖7所示：

圖7　接收端架構

將把收到的Audio訊號經過PSK解調，preamble偵測同步，再做PLL同步頻率與相位，最后經過 RS decoder 解出所傳的商家資訊，如:http://getlife.com.cn/mall/index。以下逐一介紹各個模塊功能與原理。

2.2.1 Preamble detector

因為可以事先知道 preamble 是什么，所以可以事先在接收端把 preamble 波形記錄下來，偵測 preamble的起始點有兩種方法，一種是single sliding window ，選定一個視窗的長度，對視窗內的取樣點做自相關運算，然后藉由mn的大小判斷是否達到門檻值，如公式（3）：

這里n是資料的bin，k=0到L-1是preamble資料的長度。

判斷mn是否有達到訂定的門檻值，必須先知道雜訊的能量，而雜訊能量無法事先得知，所以用另一種偵測preamble 的方法，double sliding window，示意圖如圖8所示：

圖8　double sliding window

使用這個方法不再是判斷門檻值，而是直接取峰值。

2.2.2 PLL

訊號在接收端解調時，會碰到訊號的頻率與相位與接收端不一致的問題，這里參考了 Feed-forward Compensation Algorithm[4]的方法，這個方法好處是完全可以使用 DSP 的方式實現出來，流程如圖9所示：

圖9　頻率與相位補償流程圖

R（t）為接收端收到的訊號，可以表示成公式（4）：

θ為相位差。在這里將低通濾波器設計成 raised cosine filter，一方面是此濾波器有低通濾波器的效果，一方面是與傳送端做匹配。訊號經過濾波器可得到 I、Q 兩個 channel，如公式（5）、（6）：

補償矩陣運算式如公式（7）：

接下來將x1和x2，經過以下的運算得到 error function，如公式（10）：

到這里就可以發現，要讓x1( t )，x2( t )近似于I( t )與Q( t )，必須使e( t )的值接近零，也就是讓θ補償相位接近訊號的相位差，再來利用 loop filter 來調整的值。

3 實驗步驟與iOS應用程序

3.1 iOS 程式架構及流程

APP 程式架構上是使用 iOS SDK 里的 audio unit 的framework 來實現錄放音的動作，理由是audio unit是iOS里最底層的錄放音單元，較容易存取 raw data，這對于需經常使用dsp來說，比較容易操作與實現。

雖然iOS的行動裝置有支援傳統的C語言，但如果使用傳統的C語言來實現DSP運算，將會大大增加運算時間，如convolution的運算，經過測試使用傳統C語言來撰寫，將一個 4096長度的陣列與257 長度陣列做摺積運算，花費時間大約要五秒，而使用 iOS 提供的 vdsp系列的運算函式，運算時間極快，而傳送端與接收端的程式計算時間分別只要一到兩秒。系統實作流程圖如圖10所示：

3.2載波與頻寬

頻帶的選擇是依據訊號經由頻譜分析儀的能量來決定，因行動裝置的揚聲器與麥克風的取樣頻率最高可達44.1kHz，而根據調查結果人對16kHz以上的audio的敏感度就急遽下降，19kHz以上的訊號因裝置的頻率響應能量有所衰減，所以將載波定在 18kHz。因所要傳送的符號為 raised cosine，訊號的頻寬可以依照公式（1）來決定，符號傳送速率RS選擇32/44100秒，也就是在取樣頻率 44.1kHz 的情況下，每32 個 bin 傳送一次符號，α選擇 0.5，所以訊號所占頻寬大約等于 1033Hz。

3.3 資料與傳送速率設定

要決定裝置錄放音的 buffer 大小，選擇4096bit，如果使用raised cosine 做為傳送波形，必須先將資料 upsample，upsample 多少取決于RS，所以一個buffer 可容納的資料為 4096/32=128bit，而是使用QPSK 調變方式，可傳送的資料就可達到 256bit。

因為在實際應用上，要傳送的資訊只有一段網址或資料，依據ASCII的標準，一個字元是由8個bit所編碼。preamble的大小選擇 32bit，如果再加上錯誤更正碼、保護碼等，足以將一段完整的網址容納在一個buffer里。

3.4實現結果

先測試不加保護碼的情況，利用行動裝置的錄放音設備實際播放接收，并讀取行動裝置存下來的資料來驗證算法的正確性，傳送資料為http://getlife.com.cn/mall/index，圖11

為行動裝置解調完畢，經過相位補償的星座圖，依照星座圖的結果，可以完整解出 http://getlife.com.cn/mall/index這段網址，如圖11所示：

圖11　經補償星座圖

3.5 實驗環境

使用 iPhone 做為傳送端，iPad 做為接收端的模擬結果，在iPhone上設定的載波頻率是18kHz，在iPad上可以看到資料的載波在18Khz，資料的頻寬大約2kHz，接收端運算與解調結果，在 iPad 上可以看到傳送的網址及網頁。

4 總結

在文中提出了一個用高頻音頻訊號的行動資訊廣播系

統，整個系統并實際實現在iOS裝置上，且從實驗結果來看，此系統確實可以成功傳遞商家信息。并讓顧客可以用手機將信息完整解讀出來。未來本系統將再實行RS 保護碼，使資料量可以傳送更多，可傳送的距離更遠，錯誤率更低。

參考文獻

[1] Anil Madhavapeddy, David Scott, Alastair Tse,and Richard Sharp Audio Networking:The Forgotten Wireless Technology 2005 IEEE[C].

[2] Chuan Li, David A. Hutchins, and Roger J. Green Short-Range Ultrasonic Communications in Air Using Quadrature Modulation IEEE Transactions on Ultrasonics[C], Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 56, no. 10, October 2009.

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Raised-cosine_filter.

[4] Yinsheng LIU,Cheng TAO,Feedback compensation algorithm for BPSK/QPSK carrier synchronization[C],RADIOENGINEERING,VOL 19, NO 1,APRIL 2010.

Business Information Spreading System Based on High Frequency Sound Signal

Li Shengpu, Wang Xiaohui
(College of Computer Science and Technology, Pingdingshan University, Pingdingshan 467002, China)

Abstract:The paper proposes a new business information spreading system based on high frequency sound signal. Researching the sound transmission medium and the human ear hearing characteristics, the new business information spreading system hides spreading information in high frequency sound signal and applies on mobile devices to constantly broadcast voice signals by loudspeaker for stores. The consumers can receive consumption information of the stores if they are near. The sender uses audio around 18 KHZ, RS code, preamble encoder and PSK to pass information signal, and the receiving end uses the preamble detection, PLL and the RS to decoder signal. The whole system is finally implemented in the IOS device. The experimental results show that the system can transfer business information successfully.

Key words:High Frequency; Sound Signal; Business Information; Broadcast System

收稿日期：（2015.06.05）

作者簡介：李圣普（1983-），男（漢族），河南封丘縣人，平頂山學院，計算機科學與技術學院，講師，碩士， 研究方向：無線傳感器網絡及應用，

基金項目：河南省重點科技攻關項目（142102210225）；平頂山學院青年基金資助項目（PXY-QNJJ-2014007）

文章編號：1007-757X(2016)01-0030-03

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A