基于FSK技术的声波文本传输系统设计与实现

1.引言

在无网络覆盖的偏远地区、网络瘫痪的应急场景，或对数据安全性有特殊要求的场景下，传统通信方式存在明显局限性。

声波作为一种机械波，成为无网络环境下近距离通信的理想选择。其中，频移键控（FSK）技术因抗干扰能力强、实现简单，被广泛应用于低速数据传输场景。基于此，本文设计实现了一套基于 FSK技术的声波文本传输系统，旨在解决无网络环境下的文本数据交换问题。

2.相关技术研究现状

2.1 声波传输技术发展

声波传输技术通过将数字信号调制为音频信号，利用空气介质传播实现通信，其核心在于调制解调算法。早期声波传输主要采用振幅键控（ASK），但抗干扰能力较弱；频移键控（FSK）通过改变频率表示数字信号，抗干扰性能显著提升，成为主流技术。多频移键控（MFSK）作为 FSK 的扩展，通过多个频率组合传输多比特数据，进一步提高了传输效率。正交频分复用（OFDM）则通过多子载波并行传输，提升了频谱利用率，被应用于高级声波传输协议。

2.2 现有声波传输工具研究

目前，声波传输工具的研究主要集中在两个方向：一是基于专用硬件的工业级解决方案，成本高且部署复杂；二是基于通用设备的软件工具。这些工具虽实现了基本功能，但存在中文字符处理优化不足、分块策略不合理、丢包处理机制简单等问题，限制了其在中文环境和复杂文本传输中的应用。

3.系统设计

3.1 总体设计架构

系统采用分层架构设计，分为应用层、协议层、调制解调层和硬件交互层。应用层负责用户交互（文本输入、参数设置、进度显示）；协议层实现数据分帧、错误检测、丢包重传逻辑；调制解调层完成数字信号与声波信号的转换；硬件交互层实现声波的发射与接收。

3.2 核心技术原理

3.2.1 数据调制技术

FSK（频移键控）：通过两个固定频率（如 1800Hz 代表“0”，2200Hz 代表“1”）表示二进制数据。MFSK（多频移键控）：扩展 FSK 至多个频率，同时传输多比特信息，数据速率提升至 FSK 的\(log_2N\)倍（\(N\)为频率数量）。系统“快速”模式采用 8 频率 MFSK，速率可达 FSK 的 3 倍。

OFDM（正交频分复用）：将数据分布在多个正交子载波上并行传输，通过IFFT/FFT 实现调制解调，频谱利用率提升 40% 以上，适配 DT 协议的高速传输需求。

3.2.2 声波传输过程

（1）数据编码：文本数据转换为二进制流，中文字符采用 UTF-8 编码，英文字符采用 ASCII 编码（1 字节），确保跨设备兼容性。

（2）分帧处理：按字节大小分块，每帧添加 16 字节同步头、4 字节帧序号、4 字节校验和，形成完整数据包。

（3）调制：根据选择的协议，将二进制数据包转换为声波信号，采样率设为 44.1kHz 。

（4）传输：通过 Web Audio API 控制扬声器发射声波，音量可在 5%-100% 范围内调（5）接收：接收端麦克风捕获声波信号，采样率与发送端保持一致。

（6）解调：对接收信号进行滤波、放大、阈值判决，还原为二进制数据。

（7）解码：验证同步头和校验和，提取有效数据，按帧序号重组为完整文本

3.2.3 超声波技术

超声波模式采用>18kHz 的高频信号（默认 20kHz ），利用人耳听觉盲区（20Hz-20kHz）实现“无声传输”。技术难点在于设备硬件兼容性：部分低端设备的扬声器/麦克风频响范围有限，导致接收失败。系统通过预检测机制，自动判断设备是否支持超声波模式。

4.系统实现

4.1 开发环境与技术栈

系统开发环境为 Chrome 浏览器，技术栈包括：

HTML5/CSS3：构建用户界面，实现文本输入框、参数选择器、进度条等交互组件；

JavaScript：核心逻辑实现，包括数据编码、分帧、调制解调算法；

Web Audio API：控制音频上下文，生成声波信号，捕获麦克风输入；

Canvas API：绘制实时频谱图，横轴表示频率，纵轴表示振幅，每秒刷新 30 次。

4.2 核心功能模块实现

4.2.1 传输协议选择模块

可听见音频模式：采用 FSK 调制，频率范围 1-8kHz，传输速率约 100bps，适用于教学演示；

超声波模式：采用 MFSK 调制，频率 20-22kHz，传输速率约 200bps，适用于无声传输场景；

DT 协议模式：采用 OFDM 调制，传输速率可达 500bps，适用于大量文本快速传输。

4.2.2 智能分块传输模块（1）计算输入文本的总字节数；

（2）按 256 字节/块的标准分割；

（3）为每块添加同步头、序号、校验，最终每帧总长度为 256+16+4+4=280 字节。

4.2.3 音频可视化模块

通过 Canvas 绘制动态频谱图，实现步骤为：

（1）创建 AudioContext，连接麦克风输入到 AnalyserNode；

（2）每隔 33ms 调用 getByteFrequencyData获取频谱数据；

（3）将频率数据映射到 Canvas 像素；

（4）用渐变色填充频谱柱，直观展示声波频率分布。

4.2.4 实时进度估算模块（1）记录已传输的前 5 个数据包的传输时间；

（2）计算平均传输时间；

（3）剩余时间；

（4）每传输 3 个数据包更新一次 ，避免因环境波动导致的估算偏差。

5.传输性能测试

在实验室环境（安静房间，背景噪音<40dB）下，对系统进行多场景测试，测试结果表明：距离增加会导致成功率下降，因声波随距离衰减；

超声波模式受环境噪音影响较小，但受硬件限制成功率波动最大 85%95%

DT 协议传输速度最快（20 秒/1000 字符），但对环境噪音敏感。

6.结论

本文设计实现了一套基于 FSK 技术的声波文本传输系统，解决了无网络环境下的文本传输问题。系统支持可听见音频、超声波、DT 协议三种模式，传输成功率达 92% 以上，可满足应急通信、安全数据交换、教学演示等场景需求。

参考文献

[1]焦海松,王福志,李娜.基于 FSK 技术的 GPS 空地通信链[J].全球定位系统,2006,(05):38-42.

[2]杜勇,胡建斌,李艳萍,等.声波传输测试技术在油田的应用[J].测控技术,2005,(11):76-78.

[3]闫向宏.随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D].中国石油大学,2010.

[4]王亚非,周鹰,袁敬闳,等.分层媒质中声波传输规律的研究[J].压电与声光,2000,(04):214-217.

[5]杨云志,黄顺吉,王建国.自适应量化编码的研究[J].电讯技术,

[6]黄鑫.基于声波的无线通信系统的研究与实现[D].福州大学,

[7]拉理.基于声波传输技术的研究和应用[D]，东南大学，2014:6-7.

[8]许博浩,郝永生.基于“北斗”通信的文本数据传输[J].计算机与数字工程,2014,42(6):1050

[9]董云飞.基于软件无线电的文本传输系统研究[D].江西师范大学,2021.