声波通信方法、设备及存储介质与流程

声波通信方法、设备及存储介质
【技术领域】
1.本技术涉及一种声波通信方法、设备及存储介质，属于通信技术领域。


背景技术：

2.随着电子科学技术的发展，越来越多的智能设备配备了音频接口，这拓宽了声波通信的应用场景。声波通信是指：将信息数据嵌入声波信号，并使用音频接口进行声波信号的播放和接收，以传输信息数据。
3.传统的声波通信方式，包括：发送端对待传输的信息数据进行调制，得到目标声波信号，并播放目标声波信号；接收端对接收到的目标声波信号进行预处理，并对预处理后的信号进行解调，得到信息数据。
4.然而，由于声波传输距离越长，因多路径衰减产生的噪声就越多，而传统的声波通信方式在对声波信号进行预处理的过程中不能有效消除多路径衰减产生的噪声，导致传统的声波通信方式对声波信号识别距离短的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了声波通信方法、设备及存储介质，可以解决传统的声波通信方式对声波信号识别距离短的问题。本技术提供如下技术方案：
6.第一方面，提供一种声波通信方法，所述方法包括：
7.获取目标声波信号，所述目标声波信号是线性调频得到的；
8.将所述目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到所述目标声波信号对应的脉冲信号，以使所述脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；
9.使用预设的滤波器对所述脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；
10.将所述滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到所述滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以反映所述时频信号的频率随时间的变化情况；
11.基于所述时频信号确定信息数据。
12.可选地，所述脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；
13.所述第一脉冲信号是对所述目标声波信号以第一旋转角度进行分数阶傅里叶变换的得到；所述第一旋转角度根据所述目标声波信号中每个信号周期内频率线性增大的第一声波信号的信号斜率确定；
14.所述第二脉冲信号是对所述目标声波信号以第二旋转角度进行分数阶傅里叶变换的得到；所述第二旋转角度根据所述目标声波信号中每个信号周期内频率线性减小的第二声波信号的信号斜率确定。
15.可选地，所述基于所述时频信号确定信息数据，包括：
16.将所述第一脉冲信号对应的时频信号与所述第二脉冲信号对应的时频信号叠加，得到叠加后的时频信号；
17.对所述叠加后的时频信号进行解调，得到所述信息数据。
18.可选地，所述对所述叠加后的时频信号进行解调，得到所述信息数据，包括：
19.使用预设高通滤波器和预设低通滤波器对所述叠加后的时频信号进行过滤，得到经过所述预设高通滤波器处理的第一叠加后的时频信号和经过所述预设低通滤波器处理的第二叠加后的时频信号；
20.计算不同时刻所述第一叠加后的时频信号与所述第二叠加后的时频信号之间的信号强度差值；
21.根据所述信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定所述信息数据。
22.可选地，所述使用预设高通滤波器和预设低通滤波器对所述叠加后的时频信号进行过滤之前，还包括：
23.对所述叠加后的时频信号进行降采样，得到降采样后的时频信号；
24.确定所述降采样后的时频信号的起始位置，以从所述起始位置开始对所述降采样后的时频信号进行解调。
25.可选地，所述使用预设的滤波器对所述脉冲信号进行滤波处理，得到降噪后的脉冲信号，包括：
26.使用预设的二维带通滤波器对所述脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号，所述二维带通滤波器的带通宽度根据所述目标声波信号的带宽确定；所述二维带通滤波器的移动步长根据所述目标声波信号的信号周期确定。
27.可选地，所述二维带通滤波器的移动步长通过下式计算得到：
[0028][0029]
其中，为所述二维带通滤波器的移动步长；t
symbol
为所述目标声波信号的信号周期；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；
[0030]
所述二维带通滤波器的带通宽度通过下式计算得到：
[0031]bequivalent
＝csc(
∝
)(f
h-f
l
) cot(
∝
)cos(
∝
)fs[0032]
其中，b
equivalent
为所述二维带通滤波器的带通宽度；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；fh为所述目标声波信号的最大频率；f
l
为所述目标声波信号的最小频率；fs为目标声波信号的采样率。
[0033]
可选地，所述将所述目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到所述目标声波信号对应的脉冲信号，通过下式表示：
[0034][0035]
其中，s为离散分数阶傅里叶变换的对象函数；k为所述脉冲信号对应的采样点，同时也为离散分数阶傅里叶变换域上y轴分量；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；j为虚数；fs为所述目标声波信号的采样率；m每次求合计算所采用的窗的大小；s[n]为所述目标声波信号采样后的离散函数；n为采样点数量。
[0036]
第二方面，提供一种电子设备，所述设备包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序，所述程序由所述处理器加载并执行以实现第一方面提供的声波通信方法。
[0037]
第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有程序，所述程序被处理器执行时用于实现第一方面提供的声波通信方法。
[0038]
本技术的有益效果至少包括：通过获取目标声波信号；将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以所述时频信号的频率随时间的变化情况；基于时频信号确定信息数据；可以解决传统的声波通信方式对声波信号识别距离短的问题，由于在分数阶傅里叶域中对目标声波信号进行降噪处理，可以有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，所以可以减小多路径衰减产生的噪声对声波信号识别的影响，从而提高声波信号的识别距离。
[0039]
另外，由于脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号，可以便于对第一脉冲信号和第二脉冲信号分别进行过滤，使得滤波后的第一脉冲信号主要包括第一声波信号对应的脉冲信号，滤波后的第二脉冲信号主要包括第二声波信号对应的脉冲信号，可以进一步提高对脉冲信号过滤的效果，有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，从而提高声波信号的识别距离。
[0040]
另外，由于根据信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定信息数据，可以根据各个周期内少量的信号判断各个周期内信号对应的信号类型，从而确定信息数据，从而提高声波信号的识别距离。
[0041]
另外，由于本技术提供的声波通信方法仅通过软件层面的改进即可实现，不涉及对发送端和接收端硬件的改进，所以可以提高声波通信方法的适用性，便于部署使用。
[0042]
上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0043]
图1是本技术一个实施例提供的声波通信系统的结构示意图；
[0044]
图2是本技术一个实施例提供的声波通信方法的流程图；
[0045]
图3是本技术一个实施例提供的目标声波信号的示意图；
[0046]
图4是本技术一个实施例提供的脉冲信号的示意图；
[0047]
图5是本技术一个实施例提供的二维带通滤波器的示意图；
[0048]
图6是本技术一个实施例提供的信号强度差值变化情况的示意图；
[0049]
图7是本技术一个实施例提供的信号强度差值变化情况计算过程的示意图；
[0050]
图8是本技术另一个实施例提供的二维带通滤波器的示意图；
[0051]
图9是本技术一个实施例提供的声波通信场景的示意图；
[0052]
图10是本技术另一个实施例提供的声波通信方法的流程图；
[0053]
图11是本技术一个实施例提供的声波通信装置的框图；
[0054]
图12是本技术一个实施例提供的电子设备的框图。
【具体实施方式】
[0055]
下面结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施
例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。
[0056]
首先，对本技术实施例涉及的若干名词进行介绍。
[0057]
线性调频信号，又称为啁啾信号，是指：在一个信号周期内信号频率作线性变化的信号；其中，信号周期内频率线性增大的信号为正啁啾，信号周期内频率线性减小的信号为负啁啾。
[0058]
分数阶傅里叶变换，是指：以观看时频面的角度去旋转时频面的坐标轴，然后再从观察频域的角度去分析信息，当时频面的坐标轴旋转角度为90度时，即为傅里叶变换。
[0059]
图1是本技术一个实施例提供的声波通信系统，该系统包括发送端110和接收端120。
[0060]
可选地，发送端110可以是手机、音响等具有声波播报功能的设备，本实施例不对发送端110的类型作限定。
[0061]
本实施例中，发送端110具有根据音频数据播报声波信号的功能。
[0062]
可选地，音频数据可以是发送端110根据待发送的信息数据生成的，或者，也可以是其他设备根据待发送的信息数据生成并向发送端110传输的，本实施例不对音频数据的获取方式作限定。
[0063]
在一个示例中，音频数据发送端110生成的，此时，根据信息数据生成音频数据，包括：对信息数据进行编码，得到编码信息；对编码信息进行调制，得到调制后的信息数据；对调制后的信息数据进行量化重采样及编码，得到音频数据。
[0064]
可选地，对信息数据进行编码的方式可以是汉明码，或者，也可以是卷积码，本实施例中不对信息数据进行编码的方式作限定。
[0065]
本实施例中，对编码信息进行调制，包括：将编码信息中比特位为0的数据调制为信号周期内频率线性增大的音频数据，比特位为1的数据调制为信号周期内频率线性减小的音频数据。
[0066]
其中，信号周期的长度为预设定值，预先存储在发送端110中。
[0067]
示意性地，信号周期内频率线性增大是指：信号周期内频率从第一预设频率线性增大为第二预设频率。信号周期内频率线性减小是指：信号周期内频率从第二预设频率线性减小为第一预设频率。
[0068]
其中，第一预设频率和第二预设频率均为预设定值，且第一预设频率小于第二预设频率。
[0069]
在其他实施例中，对编码信息进行调制，包括：将编码信息中比特位为0的数据调制为预设信号周期内频率线性减小的音频数据，比特位为1的数据调制为信号周期内频率线性增大的音频数据，本实施例不对音频调制的方式作限定。
[0070]
为了将音频数据的频率提升到预设频率范围，本实施例中，在对编码信息进行调制之后，还包括：将调制后的编码信息乘以预设弦函数，对编码信息进行载波调制，以使得调制后的编码信息的频率范围为预设频率范围。
[0071]
其中，预设弦函数具有稳定的初始相位。
[0072]
可选地，预设频率范围为预设定值，预先存储在发送端110中。预设频率范围可以大于或等于20khz，或者，可以小于20khz，本实施例不对预设频率范围作限定。
[0073]
在一个示例中，预设频率范围为频率小于20khz。
[0074]
可选地，预设弦函数可以为正弦函数，或者也可以为余弦函数，本实施例不对预设弦函数的类型作限定。
[0075]
可选地，对调制后的信息数据进行量化重采样及编码，得到音频数据，包括：使用数字非递归型(finite impulse response，fir)带通滤波器对调制后的信息数据进行滤波，得到滤波后的信息数据；使用预设音频格式对滤波后的音频信息进行量化从采样及编码，得到音频数据。
[0076]
可选地，预设音频格式为无损音频格式，该无损音频格式可以为flac格式，或者，也可以为wav格式，本实施例不对无损音频格式的类型作限定。
[0077]
本实施例中，接收端120可以是手机、电脑、智能音响等具有声波采集和处理功能的设备，本实施例不对接收端120的类型作限定。
[0078]
本实施例中，接收端120用于获取声波信号。
[0079]
可选地，声波信号可以是发射端110产生的，或者，也可以是其他设备产生的，或者，还可以是声波信号在传输过程中产生的噪声信号，本实施例不对声波信号的类型作限定。
[0080]
本实施例中，接收端120用于获取目标声波信号；将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以反映时频信号的频率随时间的变化情况；基于时频信号确定信息数据。
[0081]
其中，目标声波信号是线性调频得到的。
[0082]
可选地，接收端120还用于基于预设弦函数对目标声波信号进行载波解调，以将载波解调后的声波信号进行分数阶傅里叶变换。
[0083]
其中，预设弦函数的有接收端的震荡器算法产生。
[0084]
可选地，基于时频信号确定信息数据包括：根据发送端的编码方式对时频信号进行解码，得到信息数据。
[0085]
综上所述，本实施例提供的声波通信系统，接收端获取目标声波信号；将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以反映时频信号的频率随时间的变化情况；基于时频信号确定信息数据；可以解决传统的声波通信方式对声波信号识别距离短的问题，由于在分数阶傅里叶域中对目标声波信号进行降噪处理，可以有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，所以可以减小多路径衰减产生的噪声对声波信号识别的影响，从而提高声波信号的识别距离。
[0086]
下面对本技术提供的声波通信方法进行详细介绍。
[0087]
图2是本技术一个实施例提供的声波通信方法，本实施例以该方法应用于图1所示声波通信系统中的接收端为例进行说明。该方法包括以下几个步骤：
[0088]
步骤201，获取目标声波信号。
[0089]
其中，目标声波信号是线性调频得到的，目标声波信号的频率在各个信号周期内呈线性变化。
[0090]
可选地，信号周期为预设定值，预先存储在接收端中。
[0091]
可选地，目标声波信号是接收端以预设采样率对环境中的声波信号进行采样得到的。
[0092]
其中，预设采样率为预设定值，预先存储在接收端中。
[0093]
在实际实现时，采样率可以为44.1khz、48khz，96khz或者192khz，本实施例不对采样率的取值作限定。
[0094]
本实施例中，目标声波信号包括至少一个信号周期，在各个信号周期内目标声波信号的频率线性增大，或者线性减小。即，目标声波信号包括：信号周期内频率线性增大的第一声波信号，和信号周期内频率线性减小的第二声波信号。
[0095]
参考图3，目标声波信号包括0～t1、t1～t2和t2～t3三个信号周期；在0～t1和t2～t3这两个信号周期内，目标声波信号的频率线性增大，为第一声波信号；在t1～t2这个信号周期，目标声波信号的频率线性减小，为第二声波信号。
[0096]
可选地，第一声波信号的信号斜率相同，第二声波信号的信号斜率相同。
[0097]
步骤202，将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值。
[0098]
其中，预设阈值为预设定值，预先存储在接收端中。
[0099]
为了在滤波过程中更好的消除目标声波信号中的噪声信号，可选地，预设阈值接近于0，以使得脉冲信号在时间维度上变化小。
[0100]
由于第一声波信号和第二声波信号的信号斜率不同，为了使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值，在对目标声波信号进行分数阶傅里叶变换时需要以不同旋转角度分别对目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到相应的脉冲信号。
[0101]
可选地，脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；第一脉冲信号是对目标声波信号以第一旋转角度进行分数阶傅里叶变换的得到；第二脉冲信号是对目标声波信号以第二旋转角度进行分数阶傅里叶变换的得到。
[0102]
其中，第一旋转角度根据目标声波信号中每个信号周期内频率线性增大的第一声波信号的信号斜率确定；第二旋转角度根据目标声波信号中每个信号周期内频率线性减小的第二声波信号的信号斜率确定。
[0103]
可选地，第一旋转角度为第一声波信号的斜率对应的倾斜角度。
[0104]
在一个示例中，根据第一声波信号的斜率确定第一旋转角度通过下式表示：
[0105]
a＝arctan(k1)
[0106]
其中，a为第一旋转角度，k1为第一声波信号的斜率。
[0107]
可选地，第一声波信号的斜率为预设定值，预先存储在接收端中。
[0108]
可选地，第二旋转角度为第二声波信号的斜率对应的倾斜角度。
[0109]
在一个示例中，根据第二声波信号的斜率确定第二旋转角度通过下式表示：
[0110]
b＝arctan(k2)
[0111]
其中，b为第二旋转角度，k2为第二声波信号的斜率。
[0112]
可选地，第二声波信号的斜率为预设定值，预先存储在接收端中
[0113]
由于，第一旋转角度是根据第一声波信号的斜率确定的，所以在第一脉冲信号中，第一声波信号对应的脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；由于，第二旋转角度是根据第
二声波信号的斜率确定的，所以在第二脉冲信号中，第二声波信号对应的脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值。
[0114]
参考图4，图4中的左图为第一脉冲信号，图4中的右图为第二脉冲信号。
[0115]
在一个示例中，将目标声波信号进行分数阶傅里叶变化，得到目标声波信息对应的信号，通过下式表示：
[0116][0117]
其中，f为分数阶傅里叶变换的对象函数
∝
为分数阶傅里叶变换域中的y轴分量；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；t为分数阶傅里叶变换域中的时间；f(t)是指代的是时域上的函数，即被分数阶傅里叶变换的对象；j为虚数。
[0118]
在另一个示例中，将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，通过下式表示：
[0119][0120]
其中，s为离散分数阶傅里叶变换的对象函数；k为脉冲信号对应的采样点，同时也为离散分数阶傅里叶变换域上y轴分量；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；j为虚数；fs为目标声波信号的采样率；m每次求合计算所采用的窗的大小；s[n]是目标声波信号采样后的离散函数；n为采样点数量。
[0121]
步骤203，使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号。
[0122]
由于脉冲信号在x轴分量上长度极短，采用常规的带通滤波器不易剔除x轴分量上的噪声，因此不适合使用常规的带通滤波器进行滤波处理。对此特性，本技术采取二维带通滤波法进行处理。
[0123]
可选地，使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到降噪后的脉冲信号，包括：使用预设的二维带通滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到降噪后的脉冲信号。
[0124]
其中，二维带通滤波器的带通宽度根据目标声波信号的带宽确定；二维带通滤波器的移动步长根据目标声波信号的信号周期确定。
[0125]
其中，二维带通滤波器的移动步长是指：二维带通滤波器在滤波过程中一次移动的距离。由于在分数阶傅里叶域中使用二维带通滤波器对脉冲信号进行过滤，所以二维带通滤波器的移动步长等于分数阶傅里叶域内的信号间距。
[0126]
参考图5所示的二维带通滤波器，白色部分为带通部分，黑色部分为带阻部分；白色部分在竖直方向上的宽度为二维带通滤波器的带通宽度；白色部分在水平方向上的长度为预设经验值。
[0127]
可选地，二维带通滤波器的移动步长通过下式计算得到：
[0128][0129]
其中，为二维带通滤波器的移动步长；t
symbol
为目标声波信号的信号周期；
∝
为
分数阶傅里叶变换时的旋转角度。
[0130]
可选地，二维带通滤波器的带通宽度通过下式计算得到：
[0131]bequivalent
＝csc(
∝
)(f
h-f
l
) cot(
∝
)cos(
∝
)fs[0132]
其中，b
eguivalent
为二维带通滤波器的带通宽度；
∝
为分数阶傅里叶变换时的旋转角度；fh为目标声波信号的最大频率；f
l
为目标声波信号的最小频率；fs为目标声波信号的采样率。
[0133]
可选地，目标声波信号的最大频率和最小频率为预设定值，预先存储在接收端中。
[0134]
在一个示例中，目标声波信号的最大频率和最小频率根据预设频率范围确定。
[0135]
可选地，预设的二维带通滤波器是经过升余弦函数整形得到的。
[0136]
在一个示例中，使用预设的二维带通滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到降噪后的脉冲信号，包括：确定初始滤波位置；从初始滤波位置开始对脉冲信号进行滤波。
[0137]
可选地，确定初始滤波位置，包括：使用二维带通滤波器在时间轴上滑动一个预设时长，计算该预设时长内不同时刻经二维带通滤波器滤波后的信号强度，将滤波后的信号强度最强的位置确定为初始滤波位置。
[0138]
在一个示例中，预设时长等于一个信号周期。
[0139]
为了避免采样造成的误差，在另一个示例中，预设时长等于信号周期与误差参数之和，误差参数根据采样率确定。
[0140]
可选地，从初始滤波位置开始对脉冲信号进行滤波，包括：从初始位置开始，以移动步长在时间轴方向上滑动，将未通过二维带通滤波器的信号滤除。
[0141]
由于脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号，相应地，使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号，包括：使用预设的滤波器对第一脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的第一脉冲信号；使用预设的滤波器对第二脉冲信号进行处理，得到滤波后的第二脉冲信号。
[0142]
步骤204，将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以反映时频信号的频率随时间的变化情况。
[0143]
由于脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号，相应地，将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，包括：将滤波后的第一脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第一脉冲信号对应的时频信号；将滤波后的第二脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第二脉冲信号对应的时频信号。
[0144]
可选地，滤波后的第一脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第一脉冲信号对应的时频信号，包括：对滤波后的第一脉冲信号以第三旋转角度进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第一脉冲信号对应的时频信号。
[0145]
其中，第三旋转角度与第一旋转角度相反。
[0146]
可选地，滤波后的第二脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第二脉冲信号对应的时频信号，包括：对滤波后的第二脉冲信号以第0时频信号。
[0147]
其中，第四旋转角度与第二旋转角度相反。
[0148]
步骤205，基于时频信号确定信息数据。
[0149]
可选地，基于时频信号确定信息数据，包括：将第一脉冲信号对应的时频信号与第
二脉冲信号对应的时频信号叠加，得到叠加后的时频信号；对叠加后的时频信号进行解调，得到信息数据。
[0150]
可选地，对叠加后的时频信号进行解调，得到信息数据，包括：使用预设高通滤波器和预设低通滤波器对叠加后的时频信号进行过滤，得到经过预设高通滤波器处理的第一叠加后的时频信号和经过预设低通滤波器处理的第二叠加后的时频信号；计算不同时刻第一叠加后的时频信号与第二叠加后的时频信号之间的信号强度差值；根据信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定信息数据。
[0151]
为了保证高通滤波器和低通滤波器输出的相位同步，高通滤波器和低通滤波器采用相同的窗函数和相同的阶数。
[0152]
参考图6，在一个示例中，信号强度通过对数的形式表示，此时，信号强度差值在各个信号周期内的变化情况如图6所示。
[0153]
可选地，根据信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定信息数据，包括：将信号周期划分成三个部分，其中第一部分的时长等于即最后一部分的时长，根据信号周期第一部分中各时刻能量强度差值的平均值与最后一部分中各时刻能量强度差值的平均值之差，判断各周期的信号类型，得到信息数据。
[0154]
其中，信号类型为第一声波信号或第二声波信号。
[0155]
参考图7，在一个示例中，θ[n]为叠加后的时频信号，h[n]为θ[n]经过预设高通滤波器滤波后的信号，即第一叠加后的时频信号，l[n]为θ[n]经过预设低通滤波器滤波后的信号，即第二叠加后的时频信号，e{h[n：n ε]}为高通滤波后的信号中采样片段的能量，e{l[n∶n ε]}为低通滤波后的信号中采样片段的能量，其中，ε为采样片段的长度。dm[pi]为信号强度差值在第i个信号周期内的变化情况，其中输入的pi为第i信号周期的初始位置。η为将一个信号周期分为三部分后，最后一部分的起始位置相对于第一部分起始位置的偏移量。
[0156]
可选地，采样片段的长度ε为小于最后一部分的时长。
[0157]
在一个示例中，采样片段的长度为信号周期的二十分之一。
[0158]
在一个示例中，第i个信号周期的初始位置，通过下式计算：
[0159]
pi＝p0 t
symbol
[0160]
其中，pi为第i个信号周期的初始位置；p0为叠加后的时频信号的起始位置；t
symbol
为目标声波信号的信号周期。
[0161]
在一个示例中，将一个信号周期分为三部分后，最后一部分的起始位置相对于第一部分起始位置的偏移量，通过下式计算：
[0162][0163]
其中，η为将一个信号周期分为三部分后，最后一部分的起始位置相对于第一部分起始位置的偏移量；fh为预设高通滤波器截止频率；b为目标声波信号的带宽；t
symbol
为目标声波信号的信号周期。
[0164]
在一个示例中，预设低通滤波器的带宽通过下式计算：
[0165]fl
＝b-fh[0166]
其中，f
l
为预设低通滤波器截止频率；b为目标声波信号的带宽；fh为预设高通滤波
器截止频率。
[0167]
在一个示例中，信号强度差值在第i个信号周期的内的变化情况通过下式计算：
[0168][0169]
其中，dm[pi]为信号强度差值在第i个信号周期内的变化情况；i为叠加后的时频信号中的信号周期数；pi为每个信号周期的起始位置；η为将一个信号周期分为三部分后，最后一部分的起始位置相对于第一部分起始位置的偏移量；∈为采样片段的长度；h为经过高通滤波后的信号；l为经过低通滤波后的信号；θ为叠加后的时频信号；hh为预设高通滤波器的方程；h
l
为预设低通滤波器的方程；e{
·
}用于计算信号的能量强度。
[0170]
为了确保解调出的信息数据的准确性，根据信号周期第一部分中各时刻能量强度差值的平均值与最后一部分中各时刻能量强度差值的平均值之差，判断各周期的信号类型，包括：计算信号周期第一部分中各时刻能量强度差值的平均值与最后一部分中各时刻能量强度差值的平均值之差的绝对值，在绝对值大于或等于预设差值阈值的情况下，根据信号周期第一部分中各时刻能量强度差值的平均值与最后一部分中各时刻能量强度差值的平均值之差，判断信号类型；在绝对值小于预设差值阈值的情况下，放弃该信号数据。
[0171]
可选地，判断各周期的信号类型的方式可以是软判决，或者，也可以是硬判决，本实施例不对信号类型的确定方式作限定。
[0172]
在一个示例中，使用最大似然性(maximum likelihood estimation,mle)算法的解码器判断各周期的信号类型。
[0173]
可选地，使用预设高通滤波器和预设低通滤波器对叠加后的时频信号进行过滤之前，还包括：对叠加后的时频信号进行降采样，得到降采样后的时频信号；确定降采样后的时频信号的起始位置，以从起始位置开始对降采样后的时频信号进行解调。
[0174]
在一个示例中，降采样的过程为从每20个采样点中采一个采样点，对应地，采样率从48khz降低到2.4khz。
[0175]
可选地，降采样后的时频信号的起始位置通过降采样后的时频信号中第一声波信号和/或第二声波信号的出现次序表示。
[0176]
比如，以两个连续的第一目标声信号作为将采样后的时频信号的起始位置。
[0177]
可选地，确定降采样后的时频信号的起始位置，包括：将降采样后的时频信号进行分数阶傅里叶转换，得到降采样后的时频信号对应的降采样后的脉冲信号；使用预设的二维带通滤波器沿时间轴滑动，以确定降采样后的脉冲信号的起始位置；根据降采样后的脉冲信号的起始位置确定降采样后的时频信号的起始位置。
[0178]
比如，以两个连续的第一目标声信号作为将采样后的时频信号的起始位置，此时确定降采样后的时频信号的起始位置，包括：将降采样后的时频信号以第一旋转角度进行分数阶傅里叶转换，得到降采样后的时频信号对应的降采样后的第一脉冲信号；使用预设的二维带通滤波器沿时间轴滑动，以确定降采样后的第一脉冲信号中两个连续的第一目标声信号对应的脉冲信号的位置；根据降采样后的第一脉冲信号中两个连续的第一目标声波
信号对应的脉冲信号的位置，确定降采样后的时频信号中两个连续的第一目标声波信号出现的位置。
[0179]
同时，为了便于查找两个连续的第一目标声波信号对应的脉冲信号的位置，预设的二维带通滤波器如图8所示，白色区域为带通区域，两个带通区域之间的间隔为分数阶傅里叶域内的信号间距，即，二维带通滤波器的移动步长，通过计算通过两个带通区域的信号的能量强度可以判断当前位置是否为信号头位置。
[0180]
为了更好的说明本发明提供的声波通信方法，以下给出一个实例进行说明。
[0181]
参考图9所示的声波通信场景，分别将接收端放置在距离发送端15米、35米、40米、50米、60米和70米的位置以接收发送端播报的声波信号，并使用本技术提供的声波通信方法对声波信号处理得到信息数据，测试条件和结果如下表1所示：
[0182]
表1不同条件下的传输成功率
[0183][0184]
其中，第一接收端和第二接收端为不同的接收端；10bps和20bps表示信息数据的传输速度。
[0185]
由上述测试结果可知，本技术提供的声波通信方法可以实现长距离的信息传输，在发送端与接收端距离70米时，仍能具有高传输成功率，尤其是在传输速度较低时具有良好的长距离通信效果。
[0186]
同时，如果在发送端使用卷积码对信息数据进行编码，在接收端使用软判决对目标声波信号进行解调，可以进一步提高长距离通信时的传输成功率。
[0187]
经实验证明，本技术提供的声波通信方法，在分数阶傅里叶域中对目标声波信号进行降噪，并采用配套的信号解调对降噪后的声波信号进行解调在对抗多径衰落信道干扰方面有显著效果。在实际测试中，本发明的声波通信对行人、推车等低速移动目标所产生的信号多普勒频移具有鲁棒性。
[0188]
综上所述，本实施例提供的声波通信方法，通过获取目标声波信号；将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以时频信号的频率随时间的变化情况；基于时频信号确定信息数据；可以解决传统的声波通信方式对声波信号识别距离短的问题，由于在分数阶傅里叶域中对目标声波信号进行降噪
处理，可以有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，所以可以减小多路径衰减产生的噪声对声波信号识别的影响，从而提高声波信号的识别距离。
[0189]
另外，由于脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号，可以便于对第一脉冲信号和第二脉冲信号分别进行过滤，使得滤波后的第一脉冲信号主要包括第一声波信号对应的脉冲信号，滤波后的第二脉冲信号主要包括第二声波信号对应的脉冲信号，可以进一步提高对脉冲信号过滤的效果，有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，从而提高声波信号的识别距离。
[0190]
另外，由于根据信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定信息数据，可以根据各个周期内少量的信号判断各个周期内信号对应的信号类型，从而确定信息数据，从而提高声波信号的识别距离。
[0191]
另外，由于本技术提供的声波通信方法仅通过软件层面的改进即可实现，不涉及对发送端和接收端硬件的改进，所以可以提高声波通信方法的适用性，便于部署使用。
[0192]
为了更清楚地理解本技术提供的声波通信方法，下面对该方法举一个实例进行说明。如图10所示。本实施例以该方法用于图1所示的声波通信系统中的接收端中为例进行说明。该方法至少包括以下几个步骤：
[0193]
步骤1001，获取目标声波信号，执行步骤1002和步骤1005；
[0194]
步骤1002，将目标声波信号以第一旋转角度进行分数阶傅里叶变换，得到第一脉冲信号；
[0195]
步骤1003，使用预设的二维带通滤波器对第一脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的第一脉冲信号；
[0196]
步骤1004，将滤波后的第一脉冲信号以第三旋转角度进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第一脉冲信号对应的时频信号，执行步骤1008；
[0197]
步骤1005，将目标声波信号以第二旋转角度进行分数阶傅里叶变换，得到第二脉冲信号；
[0198]
步骤1006，使用预设的二维带通滤波器对第二脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的第二脉冲信号；
[0199]
步骤1007，将滤波后的第二脉冲信号以第四旋转角度进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的第二脉冲信号对应的时频信号，执行步骤1008；
[0200]
步骤1008，将第一脉冲信号对应的时频信号与第二脉冲信号对应的时频信号叠加，得到叠加后的时频信号；
[0201]
步骤1009，对叠加后的时频信号进行降采样，得到降采样后的时频信号；
[0202]
步骤1010，确定降采样后的时频信号的起始位置，以从起始位置开始对降采样后的时频信号进行解调；
[0203]
步骤1011，使用预设高通滤波器和预设低通滤波器对降采样后的时频信号进行过滤，得到经过预设高通滤波器处理的第一降采样后的时频信号和经过预设低通滤波器处理的第二降采样后的时频信号；
[0204]
步骤1012，计算不同时刻第一降采样后的时频信号与第二降采样后的时频信号之间的信号强度差值；
[0205]
步骤1013，根据信号强度差值在各个信号周期内的变化情况，确定信息数据。
[0206]
可选地，步骤1002可以在步骤1005之前执行，或者也可以在步骤1005之后执行，或者还可以与步骤1005同时执行，本实施例不对步骤1002与步骤1005之间的执行顺序作限定。
[0207]
本实施例的相关描述参考上述系统和方法实施例，本实施例在此不再赘述。
[0208]
综上所述，本实施例提供的声波通信方法，由于脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号，可以便于对第一脉冲信号和第二脉冲信号分别进行过滤，使得滤波后的第一脉冲信号主要包括第一声波信号对应的脉冲信号，滤波后的第二脉冲信号主要包括第二声波信号对应的脉冲信号，可以提高对脉冲信号过滤的效果，有效消除声波信号的传输过程中因多路径衰减产生的噪声信号，从而提高声波信号的识别距离。
[0209]
图11是本技术一个实施例提供的声波通信装置的框图，该装置应用于图1所示的声波通信系统中的接收端，该装置至少包括以下几个模块：信号获取模块1110、第一变换模块1120、信号滤波模块1130、第二变换模块1140和信息确定模块1150。
[0210]
信号获取模块1110，用于获取目标声波信号，目标声波信号是线性调频得到的；
[0211]
第一变换模块1120，用于将目标声波信号进行分数阶傅里叶变换，得到目标声波信号对应的脉冲信号，以使脉冲信号的时间带宽积小于预设阈值；
[0212]
信号滤波模块1130，用于使用预设的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，得到滤波后的脉冲信号；
[0213]
第二变换模块1140，用于将滤波后的脉冲信号进行反分数阶傅里叶变换，得到滤波后的脉冲信号对应的时频信号，以反映时频信号的频率随时间的变化情况；
[0214]
信息确定模块1150，用于基于时频信号确定信息数据。
[0215]
相关细节参考上述系统和方法实施例。
[0216]
需要说明的是：上述实施例中提供的声波通信装置在进行声波通信，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将声波通信装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的声波通信装置与声波通信方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
[0217]
图12是本技术一个实施例提供的电子设备的框图。电子设备可以为图1所示的声波通信系统中的接收端。该电子设备至少包括处理器1201和存储器1202。
[0218]
处理器1201可以包括一个或多个处理核心，比如：4核心处理器、8核心处理器等。处理器1201可以采用dsp(digital signal processing，数字信号处理)、fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)、pla(programmable logic array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器1201也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称cpu(central processing unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器1201可以在集成有gpu(graphics processing unit，图像处理器)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器1201还可以包括ai(artificial intelligence，人工智能)处理器，该ai处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
[0219]
存储器1202可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可
以是非暂态的。存储器1202还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器1202中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器1201所执行以实现本技术中方法实施例提供的声波通信方法。
[0220]
在一些实施例中，电子设备还可选包括有：外围设备接口和至少一个外围设备。处理器1201、存储器1202和外围设备接口之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口相连。示意性地，外围设备包括但不限于：射频电路、触摸显示屏、音频电路、和电源等。
[0221]
当然，电子设备还可以包括更少或更多的组件，本实施例对此不作限定。
[0222]
可选地，本技术还提供有一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有程序，程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的声波通信方法。
[0223]
可选地，本技术还提供有一种计算机产品，该计算机产品包括计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有程序，程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的声波通信方法。
[0224]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0225]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。