通过极其嘈杂的音频信号传输数字数据的常用方法?

信息处理 声音的 频谱 频率 解调 数字通信
2022-01-12 23:13:33

我正在开发使用音频将数据从计算机传输到移动设备的软件。具体来说,从计算机的扬声器到设备的麦克风。(我正在开发发送器和接收器软件。)这是一个通道,采样率是标准的 44.1Khz。它需要对噪音非常有弹性——它将用于有街道噪音、人们说话、背景音乐等的环境,这些环境可能比信号本身响亮 10dB。

对DSP几乎一无所知,到目前为止,我显然已经实现了频分复用开关键,直到现在才意识到:)基本上96个频率中的每一个都对应一个位,并且在接收端,如果频率存在,该位已打开。然后我使用一些自定义纠错码将这 96 位缩减为 8 个非常可靠的位。

我的系统运行良好且非常健壮,但不幸的是数据速率极低(~80 位/秒)。我对如何提高带宽有一些想法,比如使用超过 96 个频率,以及使用相位分量对额外数据进行编码。看来我应该研究频移键控和相移键控。

所以 - 我的问题很简单:

在嘈杂的广播音频信号中编码数据有哪些选择,每种技术可以预期什么样的带宽和错误率?

3个回答

您使用的方案称为On/Off Keying它的效率不是很高,但它很简单并且可以完成工作。

当您说信号比本底噪声低 10 dB 时,我怀疑您的意思是,如果将所有信号能量和 0.3 - 14 kHz 的所有噪声相加,则信号会弱 10 dB,但信号使用更窄的频率范围,使信号在非常特定的频率下更强。如果不是这样,如果不进行长时间同步平均,您将无法获得可靠的数据传输,听起来您不是。

有许多不同的方法可以做到这一点。现有技术将使用 17-21 kHz 频带中的OFDM信号。一种更简单但效率不高的方法(但仍然比您的 OOK 更有效)是在 17-21 kHz 频带中使用QPSK信号。如果您有足够的传输功率,您可以将其修改为 8-PSK 或 16-QAM 以获得更高的吞吐量。由于听起来传输功率比带宽更受限制(您可以通过 4 kHz 的带宽获得比 80 位/秒更多的数据),我将在数据流中添加前向纠错(FEC) 码.

使用 QPSK,您可以获得(忽略来自纠错码的潜在吞吐量降低)1 位/秒/赫兹,因此您的上限为 4 千位/秒。使用 8-PSK 为 6 kbits/s,使用 16-QAM 为 8 kbits/s。采用更高数据速率的代价是您更容易出错。

OFDM 的数据速率更复杂。鉴于您的 DSP 知识水平,我会选择 QPSK,然后在需要时从那里进行修改。听起来你会对任何接近 4 kbits/s 的速度感到兴奋,所以这应该足够好了。

似乎您已经在使用没有循环前缀、没有编码 (FEC) 和许多未使用的子载波的粗略版本的OFDM 。您当前所做的也类似于MT-63等业余无线电协议。您还可以研究扩频调制技术(许多),这些技术专为具有大量干扰的非常嘈杂的通道而设计。

您似乎正在尝试重新创建已为语音频段调制解调器完成的工作。用于传真传输的一种简单且非常可靠的协议是 ITU V.21 300 bps FSK。这种调制方案有详尽的记录。这种类型的调制用于传真传输中的控制信令,因为它非常稳健。

如果您需要提高速度,您正在寻找已在语音频带通道上用于高达 9600bps 的 PSK。除此之外,您正在使用 QAM 寻找一个非常复杂的方案,但我认为您不需要去那里。