Передача данных с мобильных телефонов при помощи ультразвука

R&D-команда Azoft работает над новым проектом по считыванию и передаче данных с мобильных телефонов при помощи ультразвука. Перед нами стоит задача разработать альтернативу технологии NFC (Near Field Communication), позволяющую передавать информацию с любых телефонов в независимости от установленной операционной системы и наличия специальных чипов, как например NFC-чип.

Предложенное нами решение будет особенно интересно банкам и другим финансовым компаниям, т.к. кроме обмена данными между телефонами, технология беспроводной высокочастотной связи может быть использована для считывания информации другими устройствами, позволяя, к примеру, рассчитываться через терминал с помощью телефона.

Задача проекта

Создать приложение, позволяющее телефонам, расположенным на расстоянии не более 1 метра друг от друга, обмениваться данными посредством акустических волн в ультразвуковом диапазоне. На текущей стадии проекта прототип приложения разрабатывается только для iOS.

Практическая значимость проекта

1. Альтернатива технологии NFC (Near Field Communication)

Разработка технологии беспроводной высокочастотной связи ведется уже давно, более 10 лет, но массового применения она так и не получила. Лидеры мобильных рынков не могут договориться о едином формате протокола коммуникации ближнего поля: Apple это направление игнорирует, а производители телефонов с платформой Android, наоборот, продвигают.

В связи с тем, что появление общепринятого стандарта связи малого радиуса действия сейчас под вопросом, передача данных посредством ультразвука могла бы стать хорошей альтернативой. Преимущество этого способа в том, что в отличие от NFC, требующего, чтобы на телефонах, участвующих в обмене данными, был установлен специальный чип, передача данных через ультразвук может осуществляться почти на любых телефонах, т. к. любой телефон оборудован динамиком и микрофоном. Единственное, процессор телефона должен позволять проводить необходимые расчеты.

2. Связь между телефонами с различными ОС

Т.к. использование метода не предъявляет специфических требований к техническим характеристикам телефона, а реализуется на уровне программного обеспечения, передачу данных с помощью звуковых волн можно использовать для обмена информацией между телефонами с самыми различными ОС, что особенно важно в текущей ситуации усиливающейся дифференциации мобильных платформ.

3. Распознавание объектов в пространстве (Gesture Recognition)

Технологию ультразвука можно использовать не только для передачи данных, но и для распознавания объектов в пространстве. Для Android уже существуют прототипы приложений, которые распознают движение пальцев пользователя, не касающихся экрана, с помощью камеры. Эту же идею можно реализовать и с помощью ультразвука.

Обзор проекта

Выбор частоты

Человеческое ухо способно воспринимать звуковую волну в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц – звуки выше и ниже человек уже не слышит. Все динамики, микрофоны, акустические системы настроены именно на этот слышимый диапазон, но у среднестатистического человека этот диапазон еще уже: звуки от 16 кГц и выше воспринимают единицы.

Для подавляющего большинства мобильных устройств, теоретически максимальная частота записи и воспроизведения составляет 22 050 Гц. Это ограничение продиктовано максимально возможной частотой дискретизации для этих устройств, которая составляет 44 100 Гц.

В нашем же распоряжении оказывается диапазон примерно от 16,5 кГц—17 кГц до 18,5 кГц—19 кГц. Брать частоты выше 19 кГц мы не рискуем, т.к. АЧХ микрофона и динамика телефона в этой области могут заметно ухудшаться. Выбранный же диапазон корректно воспроизводится и принимается динамиками и микрофонами большинства телефонов.

Реализация

Итак, у нас есть диапазон, в котором устройства могут генерировать и принимать звуковые волны, неслышимые человеком, или диапазон для несущей частоты. Далее выбирается схема модуляции, т. е. схема, по которой модулирующий цифровой сигнал будет управлять параметрами несущего сигнала. От выбора модуляции зависит сложность реализации самих модулятора и демодулятора, а также помехоустойчивость при заданной скорости.

Сложность: отражение звука

Как известно, звук распространяется во всех направлениях и отражается от различных предметов. Поэтому при приеме сигнала практически всегда возникает ситуация, когда помимо «прямой» звуковой волны, т.е. прошедшей по прямой между динамиком и микрофоном, приходят еще и отраженные волны.

Рис.1 Прямая и отраженная звуковые волны.

При этом в пространстве образуется интерференционная картина, когда энергия волн перераспределяется между различными точками пространства. Т.к. характер перераспределения энергии также зависит от частот волн, картина может меняться, что вызывает определенные сложности при передаче.

Так, может возникнуть ситуация, когда приемник (микрофон) окажется в точке, где прямая и отраженные волны приходят в противофазе и «гасят» друг друга. В этом случае уровень (амплитуда) полезного сигнала может оказаться даже меньше уровня шумов. Этот эффект называется замиранием.

Итак, допустим, что выбор пал на частотную модуляцию. Это означает, что модулирующий двоичный цифровой сигнал управляет частотой несущего сигнала. Например, для 0 может быть выбрана частота 17 кГц, а для 1 – 18 кГц. В этом случае, как показывает практика, возможна ситуация, когда у волн с частотой, к примеру, 18 кГц в точке приема наблюдается довольно низкий уровень энергии. Помимо этого, приходит эхо волн предыдущего сигнала (например, от 0, который передавался перед 1) с частотой 17 кГц с более высоким уровнем энергии; в этом заключается вторая сложность.

С другой стороны, от отраженных волн есть и польза. В случает, когда между приемником и передатчиком нет прямой видимости – например, микрофон приемника и динамик передатчика смотрят в разные стороны – можно полагаться только на прием отраженных волн.

Решение

Существует несколько подходов к решению проблемы замираний. Мы остановились на подходе расширения спектра, согласно которому сигнал передается не на одной частоте, а на нескольких. Так, например, при передаче 1 можно использовать достаточно плавное изменение частоты от 18,1 кГц до 18,5 кГц, а для 0 – от 17,1 кГц до 17,5 кГц.

Это решение основывается на том, что одновременно для всех частот довольно широкого диапазона уровень амплитуды с меньшей вероятностью опустится до уровня шума, чем для одной фиксированной частоты. Тогда остается выявить наличие в сигнале хотя бы несколько частот одного из диапазонов, чтобы правильно распознать передаваемый символ.

Но гарантировать передачу полностью без искажений подход не может. Поэтому к существующей схеме мы добавляем помехоустойчивое кодирование.

Реализация демодулятора

На первых этапах в основу демодулятора было положено быстрое преобразование Фурье (БПФ, FFT). Его преимущество в том, что на выходе алгоритма получается весь спектр сигнала. Недостаток же заключается в том, что для разложения сигнала по N гармоникам потребуется 2N отсчетов сигнала. Т.е. для разложения сигнала по 512 гармоникам нужно 1 024 отсчета. Это привело к тому, что нам не удалось уложиться в доступный диапазон частот ультразвука при удовлетворительной скорости передачи.

Далее был опробован демодулятор на основе гетеродина. Суть его заключается в следующем:

Сигнал проходит через фильтр высоких частот, таким образом подавляются не нужные частоты ниже 16,5 кГц. Мы остановились на КИХ фильтре шестого порядка.

Результат параллельно умножается на два, сдвинутых относительно друг друга по фазе на /2, синусоидальных колебания с некоторой частотой 0. Согласно тригонометрическим формулам о перемножении синусов, на выходе получаем сумму двух волн с частотами —0 и +0, где — частота принятого сигнала. Мы выбрали в качестве значения для 0 17 850 Гц.

Результат проходит через фильтр низких частот, таким образом на выходе остается колебание с частотой —0. В данном случае наш выбор также пал на КИХ фильтр, но 30-го порядка.

Полученные квадратурные составляющие (их две), подвергаются дальнейшему анализу для выделения амплитуды и модулирующей частоты принимаемого сигнала. При получении амплитуды складываются квадраты квадратурных составляющих, при получении фазы – происходит их деление друг на друга, после – взятие и раскрытие арктангенса.

В отличие от БПФ, данный приемник с гетеродином рассчитан на наличие только одной частоты в сигнале в каждый момент времени, т. к. он не позволяет увидеть весь спектр сигнала.

Модулирующая частота, выделенная из сигнала при помощи приемника с гетеродином обычно имеет следующий вид (передача состояла из 10101010):

Слева и справа находятся шумы. В начале передачи находится стартовый символ (длинная наклонная прямая), который используется для синхронизации приемника и передатчика. Между посылками символов 0 и 1 (наклонные прямые) вставлены паузы (guard-интервалы), они помогают в борьбе с межсимвольной интерференцией.

Приемник может находится в двух режимах работы:

Режим 1

Включается анализ входящего сигнала на наличие стартового символа; решение о его наличии в сигнале принимается исходя из числа попаданий значений частоты в заданный коридор.

Рис. 2 Входящий сигнал.

Коридор представляет собой две параллельные прямые, проходящие с некоторым отступом от значений мгновенной частоты. Выглядеть он может следующим образом:

Рис. 3 Коридор значений частоты.

Данные вычисления проводятся для каждого отсчета принимаемого сигнала. Т. е. мы проходим окном по сигналу и считаем попадания в интервал. При превышении некого порога делается вывод о том, что обнаружен стартовый символ, и далее находится позиция, где количество попаданий максимально.

Таким образом находится конец стартового символа и, поскольку длины символов 0 и 1 и пауз заранее известны и фиксированы, то становятся известными области в сигнале, где расположены эти символы и паузы.

Режим 2

На каждой из областей проводится анализ на соответствие участка 0 или 1. Для этого также считается количество попаданий в заданные коридоры, аналогичные приведенному выше. Также некоторое улучшение дает учет попаданий с весом, равным амплитуде сигнала в данный отсчет.

На Рис. 2 изображен сигнал с высоким соотношением сигнал/шум. К сожалению, такое происходит не всегда и нередки случаи, когда график значений мгновенной частоты выглядит подобным образом:

Рис.4 Сигнал с низким соотношением сигнал/шум.

Такое ухудшение качества приема происходит с увеличением расстояния между приемником и передатчиком, а также зависит от их взаимной ориентации в пространстве, поскольку динамики и микрофоны имеют определенную направленность. Так например, наилучшее качество приема наблюдается, когда динамик передатчика и микрофон приемника смотрят друг на друга.

В заключение отметим, что вопрос выделения полезной составляющей из подобных сигналов с низким соотношением сигнал/шум остается для нас открытым.