android音频口通信——2FSK信号调制

android音频口通信（一）——2FSK信号调制

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出处：http://blog.csdn.net/xl19862005

作者：大熊（Xandy）

http://blog.csdn.net/xl19862005/article/details/8522869

一、前言

    之前一直都在博客园混（地址：http://www.cnblogs.com/xl19862005），最近才搬家至CSDN，由于前几个月刚换新工作，好久没有更新博客了，抱歉！

    今天要和大家分享一个本人最近研发的完全具有自主知识产权的项目——android音频口通信，并寻求有兴趣的同行和友人一起合作！

    大家都知道拉卡拉，但它具体的技术实现我相信很少有人能说出来个一二，本人也正是抱着遇见问题勇往直前的技术男的精神，花了一两个月的时间，完全摸透并已初步实现了用android手机的音频口（耳机输出输入）来实现全双工的通信，一但通信协议建立了，下面好玩的东西就多了！！

    你可以完全不再用担心你家的电视或者空调等此类用红外遥控的电器一时找不到遥控器而烦恼了，加上我现在研发的音频口扩展头，将其插入你的android手机的耳机口，装上特制的APP，你将可以用它来遥控你家的任何带红外遥控功能的电器！

    你也可以抛开目前那种单调的耳机口防尘塞，加上相应的扩展头，你将可以实时知道你周围环境的温度、湿度等等指标……

    诸如此类的运用，数不胜数，在这里我就不一一列举了，下面转入我们的正题吧（^_^不好意思，闲话说多啦，哈哈……）

二、通信建立的基础——耳机线上传输的信号

    我们知道，耳机是用来听音乐，打电话的，既然是和声音相关的，那么耳机线上传输的就是音频信号，常见的音频信号一般都是在100Hz——10KHz左右的范围内，那么手机里面的音频输出系统（DA和音频功放）的幅频特性（也既带宽）一定也是在这个范围（这是本人的猜想，由于设备和仪器有限，没有进行系统的测试，有兴趣的朋友可以用相关的测试仪器测测），那么，既然有带宽，好家伙，我们就可以通过努力在这个频带内实现我们的通信信道了！另外值得提的一点是，耳机线上传输的音频信号是交流的！

    下面我们来看看市面上常见的耳机座（公头）的引脚定义，android手机上用的耳机大多都是3.5mm的四芯座，在这四个芯中，分别是：地、左声道、右声道和线控开关（MIC），而这四芯的排列常见的有如下两种：

1、国家标准

2、国际标准

   国际标准耳机座MIC和GND和国内标准是反的，其它的一样！

不难发现有了左右声道，向外设扩展头供电和发送数据就有了相应通信线路的支持，另外有了MIC这个打电话时输入说话的信号通道，那么手机接收数据也有了硬件通道的支持了！

三、如何调制数据

   说到信号的调制解调，很多人都会想到收音机，没错，收音机之所以能听到千里之外的歌声，正是利用了电磁波作为传输媒介，将声源的信号通过特定的调制加载到电磁波上，然后传输到广阔的空间里的，无线电的调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种，而调制又有模拟调制和数字调制之分，模拟调制就是把模拟信号（比如人说话的声音）直接加载到电磁波上，使得电磁波的某一特性随着声源的变化而变化；而数字调制是近现才发展起来的，特别是DSP（没错，就是数字信号处理）技术的发展，数字调制中的FM有2FSK(2进制调制)、4FSK（4进制调制）、8FSK（8进制调制）等等。

   由于在数字系统中，使用的是0、1表示的二进制数据，在这里，我使用了2FSK来作为信号的调制。

3.1 何为2FSK

    2FSK按字面的英语全称是：2(binary system) Frequency-shift keying（二进制频移键控），就是用二进制里的0、1来控制载波的频率，从而达到通信的目的！例如：我们用1ms长、1KHz的正弦信号来代表二进制里的1；用1ms长、2KHz的正弦来代表二进制里的0；那一连串的1KHz、2KHz的信号解调出来就是一连串的0和1，这样是不是达到了我们想要的二进制调制的目的了？

下面我们来看一张更加形像的gif动画图

3.2 android下实现2FSK（纯软件调制）

   要实现2FSK，首先我们得在android系统下面获得一个基准的正弦信号发生器，有了这个基准的正弦信号发生器，只要给它一个二进制量（0 or 1），就可改变输出频率，从而达到我们想要的信号调制目的。

   下面直接上图了，经过调制后的信号输出波形图：（黄色的是实际输出波型、红色方波是我后来P上去的对应二进制数据）

    这是我定义的通信协议头的一部分是：0x5AA5

3.3 android下音频播放相关

    android下音频播放的基本步骤如下：

①获取对应音频采样率下的最小缓冲区的大小

 public static int pwMinBufferSize = AudioTrack.getMinBufferSize(EncoderCore.getPowerSupplySamplerate(),
                                 AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO,
                                 AudioFormat.ENCODING_PCM_8BIT);

②新建AudioTrack

 AudioTrack pwAT = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC,
                 EncoderCore.getPowerSupplySamplerate(),
                 AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO,
                 AudioFormat.ENCODING_PCM_8BIT,
                 pwMinBufferSize*2,
                 AudioTrack.MODE_STATIC);

③将缓冲区中的音频数据写入音频播放线程并设置左右声道音量等

 pwAT.write(carrierSignal, 0, EncoderCore.getPowerSupplyBufferSize());//写入音频数据
         pwAT.flush();//刷新
         pwAT.setStereoVolume(1, 0);//设置左右声道播放音量
         pwAT.setLoopPoints(0, EncoderCore.getPowerSupplyBufferSize(), -1);//设置音频播放循环点
         pwAT.play();//开始播放

这部分代码是左声道对外部扩展头进行供电的，所以要设置循环播放，如果是发送消息就不必循环了！
    信号的调制就到这里，下一节将分享2FSK信号的解调。

 

示例源码下载地址：http://download.csdn.net/detail/xl19862005/5016843

最新变种版调制解调 apk

http://download.csdn.net/download/xl19862005/5333232

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作者：大熊（Xandy）

一、解调电路

   我的设计中，解调端用的是MSP430的单片机，因为TI这种系列的单片机功耗很低，在休眠状态下，电流可达到uA级，正常工作下电流也可以保持在几个mA级左右。

  将手机右声道接至MSP430单片机的P2.3脚，在代码里设置并激活此引脚的第二功能（比较器0）的正向输入端，并将比较器0的反向输入端配置成内部VCC/2参考电压，如图，在手机右声道上用两个100K的电阻对VCC进行分压，所以只要右声道的电压在比较器导通的范围内变化时，比较器就能捕获到手机右声道上的信号了！下图是比较器的输出特性：

    像上一节中的那种调制信号经过比较器之后的输出波形图如下：

二、解调原理

     既然前面的调制信号是用不同频率的波形来表示的，经过比较器之后，输出的波形如上图所示，很容易发现，这些宽窄有续的方波里就携带了我们想要的信息，然后再通过MSP430单片机里的捕获器来捕获这些方波信号

并用定时器来计算这些方波的时间，从而解调出我们前面调制的信号，从而获得码元。

解调方框图如下：

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作者：大熊（Xandy）

 

写在最前：

        自从发布android音频通信的两篇博客之后，有很多同仁和有意向合作的人士联系过我，在这里首先深表感谢与支持！但也有一部分朋友希望提供源码和相应的技术资料等等，在这里我要说说我个人对国内目前IT行业的一些风气及看法。

       任何一项技术的出现与发展都有一个过程，然而在这个过程的背后却是技术人员无数个日日夜夜的艰辛付出（如果这项技术完全是您自主研发的，而不是copy!），然而在国内IT行业就有相当一部分公司和技术人员总是希望从别人那里获得免费的午餐，而不是借鉴别人的思路与提示再经过自己的努力做出自己的产品，所以每当看到有同行留言或给我发信件说能不能提供源码之类的文字，就让我感到心寒，隐约中感觉到这些人都带着一种浮躁的心情，恨不得天上掉馅饼、一夜就能爆富！也许带着这种心情，中国再过100年也造不出国产的飞机发动机！

 

……扯远了，回到正题！

 

前面两篇我介绍了FSK信息的调制与解调，单片机端的调制解调都是比较简单的，搞过串口通信之类的我相信一看就懂了，这里就不多提了，关于手机端的解调，应该是大多数人比较头疼的，因为受到手机的限制（手机能够接受到的音频数据只能是通过MIC），对送入的调制信号无法像单片机端那样可以通过操作单片机的IO和片内资源很容易就把调制信号解调出来，对于手机这端经过MIC采样之后将是一大堆一大堆的数据（AD值），如何在这么一大堆看似杂乱无章的数据里提取出来我们的码元呢？

这里我提一项技术——DSP

DSP(数字信号处理)在近现代中才发展起来的，特别是香农提出的采样定理：

如果信号是带限的，并且采样频率高于信号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。

为数字通信奠定了理论基础，及后来出来的一系列编码、解码（信源编码、信道编码）技术，才有了我们现在可随时随地上网聊天（GSM、CDMA等）

有了这些论理基础，我们的音频通信，手机端的接收也就不成问题了

在我的设计中，单片机端用1250HZ及1250*2HZ两种频率来调制我的bit 0与1，下面是经过FFT变换之后得到幅频特性曲线图

在这里我用的采样率是8000，进行64点FFT运算，上图标示的是传输0x55的前半字节，怎么看出呢？

(8000/64)*10 = 1250 ——> 0

(8000/64)*20 = 2500 ——> 1

(8000/64)*10 = 1250 ——> 0

(8000/64)*20 = 2500 ——> 1

 

可以看出每个图中的一个高脉冲（幅度最大点）就是我们传送数据时的调制频率，只要合理处理这些FFT变换之后的频谱数据，就可以解调出来我们在单片机端发送的码元了！

 

可能有眼尖的人会问，你不是说的64点FFT变换吗，怎么上图里都是32点的数据？那么请作出这样疑问的人补补FFT变换的相关的一些知识吧，我相信维基百科（BS baidu，一搜一堆广告），会比我

讲得更详细清楚！

 

下图是手机版音频分析仪截图：

我这里只是一个抛砖引玉的小文章，希望能给你一些提示与指引，如果希望提供源代码的还请绕道！谢谢。

 

如果有希望合作的可以给我发消息！

最后上一张图，是DEMO板，已经实现双向通信，目前支持的手机有：

MOTO里程碑2

魅族M9

三星 Galaxy SIII I939D

 

我定义的音频通信协议（就叫它A2B：audio to baud协议吧）一些性能指标如下：

速率：    0.3~6kbps 最佳工作速率2kbps-4kbps

误码率：1/10000（需要进一步测试，各个手机不太一样）

 

其它的后续陆续测试更新！

 

最新变种版调制解调 apk

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