无网通信技术

LoRa可以传输音频吗?

  LoRa技术确实可以传输音频信号。以下是详细分析:

  •   LoRa无线音频模组:LoRa无线音频模组WS8302DLS支持通过I2S数字音频或模拟音频接口传输语音信号,并且支持PTT功能和音频编码速率的配置。
  •   LoRa语音传输方案VLoRa:VLoRa使用Codec 2编解码器将低比特率语音信号转换为数字格式,适用于单个LoRa信道的应急通信。
  •   低成本、安全的长距离通信系统:该系统利用LoRa技术进行语音信号传输,通过扩频调制实现长距离通信,并且采用语音编码技术将语音信号的整体数据速率降低至7.5 kbps以下,非常适合语音传输。
  •   Voice Over LoRa™系统:研究人员开发了一种Voice-over LoRa系统,用于紧急服务的语音通信,该系统包括WiFi到LoRa网关和LoRa到卫星网关,展示了LoRa在语音传输中的应用。
  •   LoRa数字语音模块:LoRa数字语音模块支持全双工、多方通话,并且预留优先位,适用于实时性要求较高的音频应用场景。

  LoRa技术可以传输音频信号,而且在多个应用场景中已经得到了实际应用和验证。

  一、 VLoRa技术在应急通信中的应用

  VLoRa技术在应急通信中的应用案例主要包括以下几个方面:

  紧急通信系统的备份方案:VLoRa系统被设计为一个可适应的备份系统,用于在卫星信号无法覆盖或其它通信系统不可靠、不存在或已失效的区域进行紧急通信。这种系统可以在需要时提供语音传输服务,从而确保在灾难发生时仍能保持通信畅通。

  基于LoRa的救援信使系统:BitStream-The Rescue Messenger是一个使用LoRa技术的解决方案,旨在帮助紧急救援人员与受困人员之间进行有效沟通。该系统不仅提供定制消息和GPS位置信息,还可以集成到移动设备中以增强功能,从而在自然灾害中减少生命和财产损失。

  高信頼・高効率的应急恢复技术:国立研究开发法人信息通信研究机构构建了一个试验环境,将LoRa技术和LTE技术混合使用,以实现光制御网的应急恢复。通过时间分割访问控制和非IP/LPWA的Mesh网络,该技术成功地解决了网络负荷过重和数据包丢失等问题,实现了快速的应急响应。

  二、 LoRa技术在长距离语音传输中的低数据速率优化?

  为了实现LoRa技术在长距离语音传输中的低数据速率优化,可以采用以下几种方法:

  语音编码技术:通过使用线性预测编码(LPC)模型对语音信号进行分析和合成,将语音信号分解为有声帧和无声帧,并对它们分别进行优化以减少数据速率。例如,将语音信号分解为主帧和子帧,选择具有最高能量的子帧,并使用脉冲编码和量化来表示这些子帧。这种方法可以将数据速率降低至7.5 kbps以下,从而适应LoRa模块的数据传输能力。

  加密解密方法:为了确保消息隐私并防止未经授权的访问,开发了一种加密解密方法。生成的输出位被分为128位的包,并使用XOR操作加密,接收方使用相同的密钥进行解密,恢复原始消息。

  Chirp扩频谱(CSS)技术:利用CSS技术通过线性频率调制的脉冲编码,实现最大音质的远距离通信。CSS系统具有出色的范围与数据速率可扩展性、低功耗和低延迟,特别适合长距离通信。

  Low Data Rate Optimization(LDRO)功能:当单个符号传输时间超过16毫秒时,必须使能LDRO位,以增强LoRa连接在低速率条件下的鲁棒性。

  三、 Voice Over LoRa™系统的架构和工作原理

  Voice Over LoRa™系统是一种利用LoRa技术进行语音传输的系统,主要用于紧急服务等低比特率语音通信场景。其架构和工作原理如下:

  初始化过程:语音流的开始由一个初始化包触发,该包包含3字节的有效负载大小和序列号为0的信息。此外,它还指定了用于编码音频数据的编解码器(如G.711、Codec 2或G.729)。

  数据传输:语音数据通过一系列称为Stream Datapackets的数据包进行传输。每个数据包仅包含编码后的音频数据作为有效负载。

  终止过程:当语音流结束时,会发送一个Stream Termination Packet来释放播放资源。

  应用程序层处理:在应用程序层,Python负责处理语音处理任务。使用Pyaudio库访问音频平台,并将音频记录到Codec 2模块进行压缩。压缩后的数据实时打包并通过串行链接发送到Arduino,然后传输到LoRa物理层。

  接收端处理:在接收端,数据从Arduino传输到应用程序,并通过Pyaudio解码和缓冲以进行播放。比特率由所选的编解码器管理,生成的数据总量取决于录音持续时间。

  协议测试与性能评估:研究人员编写了一些应用程序来在受控条件下重复测试VLoRa协议。这些应用程序允许指定编解码器和数据包大小以自动化数据收集。他们分析了过去关于LoRa物理层性能的研究结果,发现产生的吞吐量足以支持目标Codec 2比特率(700比特/秒)。

  延迟问题及解决方案:由于Codec 2以固定速率生成数据(700比特/秒),当传输速率超过此能力时,会导致数据无法立即传输。较小的数据包需要排队等待,从而导致较高的延迟。为了解决这一问题,可以在发送或接收端创建缓冲区,以使数据生成过程与传输速率同步。这种方法虽然可以稳定语音流,但会增加延迟。

  Voice Over LoRa™系统通过利用LoRa技术的低功耗广域特性,实现了低比特率的语音通信。

  四、 LoRa数字语音模块支持的全双工、多方通话功能的具体实现方式

  LoRa数字语音模块支持全双工、多方通话功能的具体实现方式主要依赖于宽带扩频技术和全双工通信技术。根据,LoRa数字语音模块采用宽带扩频技术,这意味着它能够在同一信道上同时进行发送和接收,从而实现全双工通信。用户只需外接麦克风、语音功放和天线即可组成一台完整的对讲机,这表明模块的全双工功能是通过硬件接口实现的。

  进一步地,提到了BSMA(Backscatter Multiple Access)方案,这是一种在LoRa网络中实现全双工通信的解决方案。BSMA方案利用LoRa的特性,如预览码的碰撞和窄带特性,来减少数据包冲突。它通过使用天线隔离、模拟取消和数字取消技术,实现了超过100 dB的信号抑制比,远超传统方法。BSMA方案不仅适用于LoRa,也适用于任何支持设备端通道感知的协议,这表明LoRa数字语音模块的全双工、多方通话功能可以通过BSMA方案在网关上实现,无需对现成的终端设备进行修改。

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