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    The invention relates to a method of encoding information symbols of an alphabet into random acoustic signals. The encoding dictionary is heuristically constructed by acquiring a set of random signals (110), selecting subsets of these signals (140), and, for each subset, calculating the matrix correlating the selected signals (160), the encoding dictionary being the subset whose correlation matrix is closest to a diagonal matrix (170-180). The invention also relates to a method for transmitting and receiving information symbols by means of random acoustic signals.
    公开号:FR3052614A1
    申请号:FR1655443
    申请日:2016-06-13
    公开日:2017-12-15
    发明作者:Canizares David Alvarez；Fonseca Victor Manuel Mendez
    申请人:SECOM；
    IPC主号:
    专利说明:

    ou
    ou encore
    où les coefficients Ci sont les éléments de la matrice de corrélation et où min, max et moy signifient respectivement la valeur minimale, la valeur maximale et la moyenne.
    Selon un second mode de réalisation, préalablement à l'étape (b), on normalise l'énergie des signaux aléatoires centrés de manière à obtenir des signaux aléatoires normalisés possédant tous une même énergie moyenne par échantillon (¾).
    Le facteur de qualité peut être calculé au moyen de
    ou
    ou encore
    où les coefficients Q sont les éléments de la matrice de corrélation et ^ est ladite énergie moyenne par échantillon des signaux aléatoires, où min, max et moy signifient respectivement la valeur minimale, la valeur maximale et la moyenne. L'invention concerne en outre un méthode de transmission de symboles d'information appartenant à un alphabet (A) au moyen de signaux acoustiques, dans laquelle lesdits symboles sont codés au moyen de la méthode de codage définie précédemment, les signaux acoustiques correspondants à des symboles d'information successifs étant transmis séquentiellement sur le canal de transmission.
    Alternativement, les signaux acoustiques correspondants à différents symboles d'information peuvent être transmis simultanément sur le canal de transmission.
    Dans tous les cas, on peut effectuer un codage canal de blocs desdits symboles préalablement à leur codage par signaux acoustiques. L'invention concerne enfin une méthode de réception de symboles d'information, dans laquelle le signal acoustique reçu pendant un temps symbole est transformé en signal électrique par un transducteur, puis corrélé avec chacun des signaux aléatoires du dictionnaire de codage pour fournir une pluralité de résultats de corrélation, le résultat de corrélation le plus élevé en valeur absolue fournissant l'indice d'un symbole reçu pendant ledit temps symbole.
    Alternativement, le signal acoustique reçu pendant un temps symbole est transformé en signal électrique par un transducteur, puis corrélé avec chacun des signaux aléatoires du dictionnaire de codage pour fournir une pluralité de résultats de corrélation, les résultats de corrélation supérieurs, en valeur absolue, à une valeur de seuil prédéterminée fournissant les indices des symboles reçus pendant ledit temps symbole.
    Optionnellement, le signal acoustique reçu pendant un temps symbole est transformé en signal électrique par un transducteur, puis corrélé avec chacun des signaux aléatoires du dictionnaire de codage pour fournir une pluralité de résultats de corrélation, les résultats de corrélation supérieurs, en valeur absolue, à une valeur de seuil prédéterminée fournissant les indices des symboles reçus pendant ledit temps symbole, les blocs de symboles reçus étant ensuite soumis à un décodage canal.
    BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faite en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
    La Fig. 1 représente de manière schématique une méthode de construction d'un dictionnaire de codage au moyen de signaux acoustiques aléatoires selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    La Fig. 2 représente de manière schématique une méthode de construction d'un dictionnaire de codage au moyen de signaux acoustiques aléatoires selon un second mode de réalisation de l'invention ;
    La Fig. 3 représente une matrice d'autocorrélation des signaux acoustiques aléatoires utilisés dans le codage de la Fig. 2 ;
    La Fig. 4 représente de manière schématique une méthode de transmission de symboles d'information codés au moyen de signaux acoustiques aléatoires, selon un mode de réalisation de l'invention ;
    La Fig. 5 représente de manière schématique une méthode de réception d'un signal acoustique aléatoire transmis par la méthode de transmission de la Fig. 4.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
    On considérera dans la suite un système d'émission/ réception sur un canal acoustique. Par canal acoustique on entend un canal de propagation d'une onde sonore (dans le domaine des fréquences audibles 20Hz-20kHz), voire d'une onde ultrasonore (c'est-à-dire de fréquence au-delà de 20 kHz) ou d'une onde infrasonore (c'est-à-dire de fréquence en deçà de 20Hz).
    Le message à coder, et le cas échéant à transmettre, est constitué de symboles d'information appartenant à un alphabet prédéterminé. Cet alphabet est constitué par exemple par un ensemble de mots de n bits, où n> . De manière générale, pour un alphabet A de cardinal N , on pourra toujours se ramener à un ensemble de mots binaires de taille
    L'idée à la base de l'invention est de construire de manière heuristique un codage des symboles de l'alphabet A par des signaux acoustiques aléatoires. Plus précisément, en supposant que l'on a généré un ensemble S de cardinal M y> N de signaux aléatoires, l'idée à la base de l'invention est de sélectionner un sous-ensemble de ces M signaux aléatoires, respectant un certain critère de qualité, et d'associer de manière biunivoque à chaque symbole de l'alphabet A l'un des signaux aléatoires ainsi sélectionnés. L'injection de A dans S ainsi obtenue définit alors un codage par signaux aléatoires qui sont ensuite reproduits par un transducteur électroacoustique, d'où la qualification de codage acoustique aléatoire.
    La Fig. 1 représente de manière schématique une méthode de construction d'un dictionnaire de codage au moyen de signaux acoustiques aléatoires, selon un premier mode de réalisation de l'invention.
    Selon une première variante, la construction du dictionnaire de codage {codehook) est réalisée de manière séquentielle, par itérations successives. Alternativement, la construction du dictionnaire de codage pourra être réalisée de manière parallèle comme expliqué plus loin. A l'étape 110, on acquiert un ensemble de signaux acoustiques aléatoires. Ces signaux ont été obtenus par exemple au moyen d'un générateur aléatoire utilisant un phénomène physique comme le bruit thermique aux bornes d'une résistance ou le bruit de souffle d'un microphone. Ces signaux sont acquis au moyen d'une chaine d'acquisition présentant une bande passante prédéterminée, puis échantillonnés à la fréquence de Nyquist correspondante. Alternativement, les signaux aléatoires peuvent avoir été obtenus par un générateur pseudo-aléatoire, avantageusement choisi de qualité cryptographique. Dans la suite, il est expressément convenu que l'expression « signaux aléatoires » couvre ces deux alternatives. Quoi qu'il en soit, chaque signal aléatoire est ainsi constitué de L· échantillons, et stocké dans une mémoire. A l'étape 120, on filtre optionnellement les signaux aléatoires avec un filtre présentant un gabarit d'intérêt, par exemple un filtre ayant pour réponse la réponse du canal de transmission. La réponse du canal de transmission est constituée par la convolution de la réponse de la chaîne d'amplification, de la réponse du transducteur d'émission (haut-parleur, transducteur piézo-électrique ou autre), de la réponse du canal de propagation, de la réponse du transducteur de réception (microphone, transducteur piézo-électrique ou autre) et enfin de la réponse de la chaîne de réception. A l'étape 130, on centre et normalise chacun des signaux aléatoires, le cas échéant filtrés à l'étape 120, de manière à obtenir un ensemble S de signaux acoustiques aléatoires centrés de même énergie E . Plus précisément, si l'on note 5,=(5,(1),....5,(L)) un signal acoustique aléatoire généré précédemment, le signal centralisé et normalisé correspondant est donné par
    avec :
    (1)
    où est la moyenne du signal S- et E„=ElL est l'énergie moyenne par échantillon des signaux aléatoires. A l'étape 140, on sélectionne arbitrairement un sous-ensemble de S constitué par N signaux aléatoires centrés et normalisés et l'on calcule la matrice de corrélation de ces signaux. La matrice de corrélation est une matrice symétrique de taille NxN dont les éléments sont les coefficients de corrélation :
    (2) et dont les éléments diagonaux sont tous égaux à
    Dans la suite, on appellera facteur de qualité de la matrice de corrélation, ou de manière équivalente facteur de qualité de l'ensemble Sj^, la valeur :
    (3) ou, alternativement :
    (4) où
    est la moyenne des valeurs absolues des éléments hors diagonale de la matrice de corrélation (tenant compte que la matrice est symétrique).
    Encore alternativement, le facteur de qualité peut être défini par:
    (5)
    De manière générale, la matrice de corrélation C est caractérisée par un facteur de qualité Q traduisant sa proximité à une matrice diagonale, le facteur de qualité étant d'autant plus élevé que les éléments non diagonaux de la matrice sont plus faibles par rapport aux éléments diagonaux.
    On entre ensuite dans une boucle itérative en 150. A l'étape 150, on prend en compte un nouveau signal aléatoire centré et normalisé S^. de S, non encore considéré, par conséquent
    A l'étape 160, on calcule les matrices de corrélation , de taille NxN, des signaux aléatoires Λ'^,...,5-_p5^,. Autrement dit, on substitue successivement chacun des N signaux de par le signal S^. et l'on calcule à chaque fois la matrice de corrélation des signaux après cette substitution.
    On notera que le calcul de la matrice ne requiert que le calcul de N-l coefficients de corrélation selon l'expression (2) à savoir du signal avec les signaux les autres coefficients ayant été précédemment calculés.
    On détermine ensuite le facteur de qualité pour chacune des matrices ,N r selon l'une des expressions (3) à (5) et l'on en déduit :
    (6)
    En 170, on teste si
    est supérieur à la valeur Q , autrement dit s'il existe une substitution par permettant d'améliorer le facteur de qualité de l'ensemble . Dans la négative, on passe à l'étape 185 pour tester un critère d'arrêt. Dans l'affirmative, on passe à l'étape 180. A l'étape 180, on substitue dans l'ensemble le signal avec /j = arg max ) par le signal S^. et l'on met i a jour le facteur de qualité : A l'étape 185, on teste un critère d'arrêt. Si le critère d'arrêt est satisfait, la construction du code se termine en 190. A défaut, on prend en compte un nouveau signal acoustique aléatoire en 150.
    Un premier critère d'arrêt peut être l'épuisement de l'ensemble S .
    Alternativement ou cumulativement, un second critère d'arrêt peut être l'obtention d'un facteur de qualité supérieur à une valeur de seuil prédéterminée Ô™ .
    La boucle 150-185 est répétée tant que l'on n'a pas épuisé les signaux de S (premier critère d'arrêt) ou obtenu un facteur de qualité supérieur à la valeur de seuil (second critère d'arrêt).
    Ainsi, on construit progressivement un ensemble de signaux acoustiques aléatoires présentant entre eux un faible niveau de corrélation.
    Au lieu de procéder de manière itérative, on pourra procéder de manière parallèle. Dans ce cas, on considère d'emblée toutes les combinaisons possibles de N signaux aléatoires de S et l'on calcule pour chacune de ces combinaisons le facteur de qualité de leur matrice de corrélation. On sélectionne enfin la combinaison conduisant au facteur de qualité le plus élevé. L'ensemble des signaux aléatoires résultant constitue le dictionnaire de codage.
    La Fig. 2 représente de manière schématique une méthode de construction d'un dictionnaire de codage au moyen de signaux acoustiques aléatoires selon un second mode de réalisation de l'invention.
    Les étapes 210 et 220 d'acquisition et de filtrage d'un ensemble de signaux aléatoires sont identiques aux étapes 110 et 120 de la Fig. 1 et ne seront donc pas décrites à nouveau. A l'étape 230, on soustrait à chaque signal sa moyenne de manière à obtenir un ensemble de signaux aléatoires centrés, >5ξ. Toutefois, à la différence du premier mode de réalisation, les signaux aléatoires ne sont pas ici normalisés en énergie. Optionnellement, on pourra toutefois éliminer les signaux d'énergie inférieure à un seuil prédéterminé. On obtient en définitive un ensemble S de signaux aléatoires. A l'étape 240, on sélectionne arbitrairement un sous- ensemble de S constitué par N signaux aléatoires centrés i = l,...,N et l'on calcule la matrice de corrélation de ces signaux. Les éléments de cette matrice de corrélation sont donnés par :
    (7) A la différence du premier mode de réalisation, les éléments de la diagonale ne sont pas identiques. On calcule ensuite le facteur de qualité de la matrice de corrélation, c'est-à-dire, de manière équivalente, le facteur de qualité de l'ensemble .
    Dans ce mode de réalisation, le facteur de qualité peut être calculé comme suit:
    (8) ou, alternativement :
    (9) voire encore :
    (10)
    Comme dans le premier mode de réalisation, le facteur de qualité Q' traduit la proximité de la matrice de corrélation à une matrice diagonale.
    On entre ensuite dans une boucle itérative, les étapes 250 à 285 étant identiques aux étapes 150 à 185 précédemment décrites à la différence près que le facteur de qualité, g', est calculé à l'aide de l'une des expressions (7) à (9).
    Lorsque le critère d'arrêt est satisfait, c'est-à-dire lorsque l'ensemble S est épuisé ou lorsque l'on a trouvé, par substitutions successives, un sous-ensemble
    Sj^ dont le facteur de qualité est inférieur à une valeur de seuil prédéterminée Qjh, le sous-ensemble résultant est le dictionnaire de codage recherché.
    La Fig. 3 représente les éléments d'une matrice de corrélation des signaux acoustiques aléatoires d'un dictionnaire de codage construit selon la méthode de la Fig. 2. Plus précisément, on a représenté ici les valeurs absolues |ci| des coefficients de corrélation des signaux acoustiques aléatoires du dictionnaire avec N = 256 .
    On remarque que les coefficients de corrélation de la diagonale principale, c'est-à-dire les énergies des différents signaux aléatoires, sont sensiblement plus élevés que les coefficients de corrélation hors diagonale.
    La Fig. 4 représente de manière schématique une méthode de transmission de symboles d'information au moyen de signaux acoustiques aléatoires, selon un mode de réalisation de l'invention.
    On suppose que l'on a préalablement généré un dictionnaire de codage selon la méthode de la Fig. 1 ou de la Fig. 2, autrement dit que l'on dispose d'un ensemble de signaux acoustiques aléatoires.
    Les mots à transmettre sont optionnellement codés en 410 au moyen d'un codage canal, par exemple un codage par bloc de type BCH ou Reed-Solomon. Le cas échéant, on pourra également y ajouter un code CRC, de manière connue en soi. Les blocs ainsi codés par le codage canal et/ou codage CRC sont ensuite découpés en mots de taille n et par conséquent des symboles d'un alphabet A de cardinal iV = 2" . A chaque mot de Π bits, ^—^nr üt en 420 dans la mémoire 430, le signal aléatoire de qui lui est associé de manière biunivoque. Ce signal est ensuite converti en un signal analogique en 440 puis amplifié en 450 avant d'être émis par un transducteur en 460 (haut-parleur ou transducteur piézo-électrique par exemple).
    Ainsi, une séquence de mots à transmettre est transformée en un signal acoustique constitué par une séquence de signaux acoustiques aléatoires de .
    Alternativement, plusieurs mots, autrement dit plusieurs symboles de l'alphabet A, pourront être transmis simultanément sur le canal de transmission. Dans ce cas, le signal acoustique transmis pendant une période mot sera simplement constitué par la somme des signaux acoustiques aléatoires associés à ces différents mots.
    La Fig. 5 représente de manière schématique une méthode de réception d'un signal acoustique transmis par la méthode de transmission de la Fig. 4.
    Le signal acoustique reçu par le transducteur 510, est converti en un signal électrique qui, le cas échéant, est amplifié (étape non représentée) puis échantillonné en 520 à la fréquence de Nyquist. La séquence d'échantillons ainsi obtenue est corrélée dans une batterie de corrélateurs en parallèle 530i,..., 530n avec les signaux aléatoires de base S- ^ (ou dans le second mode de réalisation) du dictionnaire .
    Les corrélateurs peuvent être réalisés par exemple sous la forme de filtres adaptés aux signaux aléatoires de base S-^ ί^Ι,.,.,Ν (ou dans le second mode de réalisation).
    On supposera d'abord que la transmission a lieu de manière séquentielle et que les corrélateurs sont synchronisés avec les transitions entre mots successifs. On pourra notamment prévoir de transmettre une séquence pilote en préambule (par exemple un entête de trame) en préambule de la charge utile, permettant aux corrélateurs de se synchroniser avec la cadence mot l/T.
    Les résultats de corrélation en sortie des différents corrélateurs sont comparés entre eux en 540, au terme de chaque période T . L'indice i du signal 3'· (^) correspondant au résultat de corrélation le plus élevé en valeur absolue donne l'indice du symbole de l'alphabet A qui a été transmis. En pratique, l'indice i est utilisé en 550 comme élément d'adresse pour lire une mémoire 560 dans laquelle sont stockés les mots de l'alphabet A.
    Le mot de n bits lu à cette adresse, est fourni à un décodeur canal 570. Le décodeur canal concaténe les mots consécutifs pour former des blocs et effectue un décodage canal de ces blocs. L'homme du métier comprendra que le décodage canal permettra de corriger certaines erreurs pouvant affecter les blocs transmis et que le calcul du CRC permettra de déterminer si ces blocs ont été correctement décodés.
    Selon une variante, plusieurs mots peuvent être transmis simultanément sur le canal de transmission. Dans ce cas, les résultats de corrélation ne sont pas comparés entre eux (en valeur absolue) mais à une valeur de seuil prédéterminée. Les sorties des corrélateurs donnent alors les indices des mots de l'alphabet A qui ont été transmis. De la même façon, après concaténation des mots en blocs, un décodage canal des blocs peut ensuite être effectué.
    De nombreuses autres variantes pourront être envisagées par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, au niveau de l'émission, on pourra prévoir que les signaux aléatoires soient utilisés pour moduler une porteuse ou une pluralité de sous-porteuses avant l'étape d'amplification. De manière symétrique, le signal reçu par le transducteur acoustique pourra subir une démodulation correspondante avant d'être corrélé par la batterie de corrélateurs.
    Du fait de la nature aléatoire des signaux acoustiques, il est difficile pour un tiers écoutant le canal de les décoder pour obtenir les symboles d'information transmis. En outre, on pourra prévoir une pluralité d'ensembles à l'émission et à la réception, ces ensembles étant utilisés selon une séquence prédéterminée. Alternativement, la commutation d'un ensemble Sj^ à un autre pourra être commandée par un mot de contrôle transmis sur le canal acoustique ou bien sur un canal auxiliaire.
    RANDOM ACOUSTIC SIGNAL ENCODING METHOD AND TRANSMISSION METHOD THEREOF
    DESCRIPTION
    TECHNICAL AREA
    The present invention generally relates to the field of coding as well as that of communication by acoustic, sonic, infrasonic or ultrasonic signals.
    STATE OF THE PRIOR ART
    The coding of information by acoustic signals has been widely used in the context of data transmission, in particular on a voice channel of a fixed telephony system. For example, it is well known to transmit alphanumeric data by means of DTMF (Dual Tone Multi Frequency) codes, each alphanumeric character corresponding to a pair of audible frequencies transmitted simultaneously over the voice channel. A description of a DTMF coding method can be found in US Pat. No. 6,751,303. This DTMF coding may also be preceded by an error correction coding (channel coding) as proposed in the US application. -A-2004/008108078.
    The DTMF encoding method, however, offers no protection against attacks by a third party attempting to intercept the transmitted messages. A first solution to guarantee the confidentiality and the integrity of the messages transmitted on the voice channel would be to encrypt the messages by means of a encryption algorithm with private key or with public key, then to transmit the symbols of the messages thus encrypted by means of DTMF codes. On reception, the symbols of the messages thus encrypted could then be obtained from a DTMF-centered filter bank and the plaintext message would be restored by a decryption algorithm.
    However, the encryption / decryption algorithms are complex to implement, especially since the encryption keys used are long to guard against cryptanalysis attacks.
    The object of the present invention is therefore to provide a method of coding by means of acoustic signals which guarantees a good level of confidentiality of the transmitted messages, while being particularly simple and robust.
    STATEMENT OF THE INVENTION
    The present invention is defined by a method of encoding information symbols belonging to an alphabet (A) by means of acoustic signals, characterized in that: (a) a set of random signals is acquired and filtered by means of a filter of interest;
    (b) selecting subsets () of N signals from said set, and for each subset, calculating a correlation matrix of the selected signals; (c) the coding dictionary is the subset of N signals corresponding to the closest correlation matrix of a diagonal matrix; (d) encoding each information symbol of the alphabet by a random dictionary signal, said random dictionary signal being transformed into an acoustic signal by means of a transducer.
    Advantageously, said random signals are acquired by means of a random generator using a physical phenomenon.
    Preferably, in step (c): (cl) successively substituting a new random signal belonging to said set to one of the random signals (S-, S-) of a first selected subset of signals; (c2) for each subset thus substituted, the correlation matrix of the random signals is calculated and a quality factor (Q ^, Q 'i ^) characterizing the proximity of the correlation matrix to a matrix is deduced therefrom; diagonal; steps (c1) and (c2) being repeated as long as no random signals of said set have been exhausted and / or the quality factor is less than a predetermined threshold value Th) ·
    According to a first embodiment, prior to step (b), each random signal is subtracted from its mean so that said random signals are centered.
    The quality factor can be calculated by means of
    or
    or
    where the coefficients Ci are the elements of the correlation matrix and where min, max and moy respectively mean the minimum value, the maximum value and the mean.
    According to a second embodiment, prior to step (b), the energy of the random signals centered is normalized so as to obtain standardized random signals all having the same average energy per sample (¾).
    The quality factor can be calculated by means of
    or
    or
    where the coefficients Q are the elements of the correlation matrix and ^ is the mean energy per sample of the random signals, where min, max and moy respectively mean the minimum value, the maximum value and the average. The invention further relates to a method of transmitting information symbols belonging to an alphabet (A) by means of acoustic signals, wherein said symbols are encoded by means of the encoding method defined above, the acoustic signals corresponding to successive information symbols being transmitted sequentially over the transmission channel.
    Alternatively, the acoustic signals corresponding to different information symbols can be transmitted simultaneously on the transmission channel.
    In all cases, it is possible to carry out block channel coding of said symbols prior to their encoding by acoustic signals. Finally, the invention relates to a method of receiving information symbols, wherein the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer, and then correlated with each of the random signals of the coding dictionary to provide a plurality of correlation results, the highest correlation result in absolute value providing the index of a received symbol during said symbol time.
    Alternatively, the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer, then correlated with each of the random signals of the coding dictionary to provide a plurality of correlation results, the higher correlation results, in absolute value, at a predetermined threshold value providing the indices of the symbols received during said symbol time.
    Optionally, the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer, then correlated with each of the random signals of the coding dictionary to provide a plurality of correlation results, the higher correlation results, in absolute value, at a predetermined threshold value providing the indices of symbols received during said symbol time, the received symbol blocks then being channel decoded.
    BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages of the invention will appear on reading preferred embodiments of the invention with reference to the appended figures among which:
    Fig. 1 schematically shows a method of constructing a coding dictionary by means of random acoustic signals according to a first embodiment of the invention;
    Fig. 2 schematically shows a method of constructing a coding dictionary by means of random acoustic signals according to a second embodiment of the invention;
    Fig. 3 represents an autocorrelation matrix of the random acoustic signals used in the coding of FIG. 2;
    Fig. 4 schematically shows a method of transmitting information symbols coded by means of random acoustic signals, according to an embodiment of the invention;
    Fig. 5 schematically shows a method of receiving a random acoustic signal transmitted by the transmission method of FIG. 4.
    DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
    In the following, we will consider a transmission / reception system on an acoustic channel. By acoustic channel is meant a propagation channel of a sound wave (in the range of audible frequencies 20 Hz-20 kHz), or even of an ultrasonic wave (that is to say of frequency beyond 20 kHz) or an infrasonic wave (that is to say, a frequency below 20 Hz).
    The message to be encoded, and if necessary to be transmitted, consists of information symbols belonging to a predetermined alphabet. This alphabet is constituted for example by a set of words of n bits, where n> . Generally speaking, for an alphabet A of cardinal N, we can always reduce ourselves to a set of binary words of size
    The idea underlying the invention is to heuristically construct a coding of the symbols of the alphabet A by random acoustic signals. More precisely, assuming that a set S of cardinal M y> N of random signals has been generated, the idea underlying the invention is to select a subset of these M random signals, respecting a certain number of random signals. quality criterion, and to associate in a one-to-one way with each symbol of the alphabet A one of the random signals thus selected. The injection of A into S thus obtained then defines a coding by random signals which are then reproduced by an electroacoustic transducer, hence the qualification of random acoustic coding.
    Fig. 1 schematically shows a method of constructing a coding dictionary by means of random acoustic signals, according to a first embodiment of the invention.
    According to a first variant, the construction of the coding dictionary (codehook) is performed sequentially, by successive iterations. Alternatively, the construction of the coding dictionary may be performed in parallel manner as explained below. In step 110, a set of random acoustic signals is acquired. These signals have been obtained for example by means of a random generator using a physical phenomenon such as the thermal noise across a resistor or the blast noise of a microphone. These signals are acquired by means of an acquisition chain having a predetermined bandwidth, and then sampled at the corresponding Nyquist frequency. Alternatively, the random signals may have been obtained by a pseudo-random generator, advantageously chosen of cryptographic quality. In the following, it is expressly agreed that the expression "random signals" covers these two alternatives. In any case, each random signal consists of L · samples and stored in a memory. In step 120, the random signals are optionally filtered with a filter having a template of interest, for example a filter having as response the response of the transmission channel. The response of the transmission channel is constituted by the convolution of the response of the amplification chain, the response of the emission transducer (loudspeaker, piezoelectric transducer or other), the response of the propagation channel, the response of the receiving transducer (microphone, piezoelectric transducer or other) and finally the response of the reception chain. At step 130, each of the random signals, optionally filtered in step 120, is centered and normalized so as to obtain a set S of random acoustic centered signals of the same energy E. More precisely, if we write 5, = (5, (1), .... 5, (L)) a random acoustic signal generated previously, the corresponding centralized and normalized signal is given by
    with:
    (1)
    where is the average of the signal S- and E "= ElL is the average energy per sample of the random signals. At step 140, a subset of S consisting of N centered and normalized random signals is arbitrarily selected and the correlation matrix of these signals is calculated. The correlation matrix is a symmetric matrix of size NxN whose elements are the correlation coefficients:
    (2) and whose diagonal elements are all equal to
    In the following, we will call quality factor of the correlation matrix, or equivalent quality factor of the set Sj ^, the value:
    (3) or, alternatively:
    (4) where
    is the average of the absolute values of the off-diagonal elements of the correlation matrix (taking into account that the matrix is symmetric).
    Again alternatively, the quality factor can be defined by:
    (5)
    In general, the correlation matrix C is characterized by a quality factor Q translating its proximity to a diagonal matrix, the quality factor being all the higher as the non-diagonal elements of the matrix are smaller compared to the elements. diagonal.
    Then it enters an iterative loop at 150. In step 150, we take into account a new normalized and standardized random signal S ^. of S, not yet considered, therefore
    In step 160, the correlation matrices, of size NxN, of the random signals Λ '^, ..., 5-_p5 ^, are calculated. In other words, each of the N signals is successively replaced by the signal S ^. and the signal correlation matrix is calculated each time after this substitution.
    Note that the calculation of the matrix only requires the calculation of Nl correlation coefficients according to the expression (2) ie the signal with the other coefficients coefficients previously calculated.
    The quality factor for each of the matrices, N r, is then determined according to one of the expressions (3) to (5) and from this is deduced:
    (6)
    In 170, we test if
    is greater than the value Q, ie if there is a substitution by improving the quality factor of the set. If not, go to step 185 to test a stopping criterion. If so, proceed to step 180. In step 180, the signal is generally substituted with / j = arg max) by the signal S ^. and the quality factor is updated: In step 185, a stopping criterion is tested. If the stopping criterion is satisfied, the construction of the code ends at 190. Otherwise, a new random acoustic signal is taken into account at 150.
    A first stop criterion can be the exhaustion of the set S.
    Alternatively or cumulatively, a second stopping criterion may be to obtain a quality factor greater than a predetermined threshold value Ô ™.
    The loop 150-185 is repeated until the signals of S (first stopping criterion) have been exhausted or a quality factor higher than the threshold value (second stopping criterion) has been obtained.
    Thus, a set of random acoustic signals having a low level of correlation is progressively built up.
    Instead of proceeding iteratively, we can proceed in parallel. In this case, all the possible combinations of N random signals of S are considered from the start and the quality factor of their correlation matrix is calculated for each of these combinations. Finally, the combination leading to the highest quality factor is selected. The set of resulting random signals constitutes the coding dictionary.
    Fig. 2 schematically shows a method of constructing a coding dictionary by means of random acoustic signals according to a second embodiment of the invention.
    Steps 210 and 220 for acquiring and filtering a set of random signals are identical to steps 110 and 120 of FIG. 1 and will not be described again. In step 230, each signal is subtracted from its average so as to obtain a set of random signals centered,> 5ξ. However, unlike the first embodiment, the random signals are not here normalized in energy. Optionally, however, it will be possible to eliminate the energy signals below a predetermined threshold. We finally obtain a set S of random signals. At step 240, a subset of S consisting of N random centered signals i = 1,..., N is arbitrarily selected and the correlation matrix of these signals is calculated. The elements of this correlation matrix are given by:
    (7) Unlike the first embodiment, the elements of the diagonal are not identical. The quality factor of the correlation matrix is then calculated, that is to say, in an equivalent manner, the quality factor of the set.
    In this embodiment, the quality factor can be calculated as follows:
    (8) or, alternatively:
    (9) or even:
    (10)
    As in the first embodiment, the quality factor Q 'reflects the proximity of the correlation matrix to a diagonal matrix.
    Then it enters an iterative loop, the steps 250 to 285 being identical to the steps 150 to 185 previously described except that the quality factor, g ', is calculated using one of the expressions (7). at (9).
    When the stopping criterion is satisfied, that is to say when the set S is exhausted or when it has been found, by successive substitutions, a subset
    Sj ^ whose quality factor is less than a predetermined threshold value Qjh, the resulting subset is the desired coding dictionary.
    Fig. 3 represents the elements of a correlation matrix of the random acoustic signals of a coding dictionary constructed according to the method of FIG. 2. More precisely, the absolute values | ci | correlation coefficients of the random acoustic signals of the dictionary with N = 256.
    It is noted that the correlation coefficients of the main diagonal, that is to say the energies of the various random signals, are substantially higher than the non-diagonal correlation coefficients.
    Fig. 4 schematically shows a method of transmitting information symbols by means of random acoustic signals, according to one embodiment of the invention.
    It is assumed that a coding dictionary has previously been generated according to the method of FIG. 1 or FIG. 2, that is to say that one has a set of random acoustic signals.
    The words to be transmitted are optionally coded at 410 by means of channel coding, for example a BCH or Reed-Solomon type block coding. If necessary, it will also be possible to add a CRC code, in a manner known per se. The blocks thus encoded by the channel coding and / or CRC encoding are then cut into words of size n and therefore of the symbols of an alphabet A of cardinal iV = 2.sub.e At each word of bits, ^ - ^ nr üt in 420 in the memory 430, the random signal of which it is associated in a one-to-one manner, this signal is then converted into an analog signal at 440 and then amplified at 450 before being emitted by a transducer at 460 (loudspeaker or transducer piezoelectric for example).
    Thus, a sequence of words to be transmitted is transformed into an acoustic signal constituted by a sequence of random acoustic signals of.
    Alternatively, several words, in other words several symbols of the alphabet A, can be transmitted simultaneously on the transmission channel. In this case, the acoustic signal transmitted during a word period will simply consist of the sum of the random acoustic signals associated with these different words.
    Fig. 5 schematically shows a method of receiving an acoustic signal transmitted by the transmission method of FIG. 4.
    The acoustic signal received by the transducer 510 is converted into an electrical signal which, if necessary, is amplified (step not shown) and then sampled at 520 at the Nyquist frequency. The sequence of samples thus obtained is correlated in a parallel correlator bank 530i, ..., 530n with the basic random signals S- ^ (or in the second embodiment) of the dictionary.
    The correlators can be made, for example, in the form of filters adapted to the basic random signals S.sub.i,.,., .Sub. (Or in the second embodiment).
    It will be assumed first that the transmission takes place sequentially and that the correlators are synchronized with the transitions between successive words. In particular, it will be possible to transmit a preamble pilot sequence (for example a frame header) in the preamble of the payload, enabling the correlators to synchronize with the word rate l / T.
    The correlation results at the output of the different correlators are compared with each other at 540, at the end of each period T. The index i of the signal 3 '· (^) corresponding to the highest correlation result in absolute value gives the index of the symbol of the alphabet A which has been transmitted. In practice, the index i is used in 550 as an address element to read a memory 560 in which are stored the words of the alphabet A.
    The word of n bits read at this address is supplied to a channel decoder 570. The channel decoder concatenates the consecutive words to form blocks and performs channel decoding of these blocks. Those skilled in the art will understand that the channel decoding will make it possible to correct certain errors that may affect the blocks transmitted and that the calculation of the CRC will make it possible to determine whether these blocks have been correctly decoded.
    According to one variant, several words can be transmitted simultaneously on the transmission channel. In this case, the correlation results are not compared with one another (in absolute value) but with a predetermined threshold value. The outputs of the correlators then give the indices of the words of the alphabet A that have been transmitted. In the same way, after concatenation of the words into blocks, block channel decoding can then be performed.
    Many other variants may be envisaged by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. For example, at the transmission level, it will be possible for the random signals to be used to modulate a carrier or a plurality of subcarriers before the amplification step. Symmetrically, the signal received by the acoustic transducer may undergo a corresponding demodulation before being correlated by the battery of correlators.
    Due to the random nature of the acoustic signals, it is difficult for a third party listening to the channel to decode them to obtain the transmitted information symbols. In addition, a plurality of transmitting and receiving assemblies may be provided, these sets being used in a predetermined sequence. Alternatively, the switching of a set Sj ^ to another may be controlled by a control word transmitted on the acoustic channel or on an auxiliary channel.
    权利要求:
    Claims (14)
    [1" id="c-fr-0001]
    A method of encoding information symbols belonging to an alphabet (A) by means of acoustic signals, characterized in that: (a) a set of random signals is acquired and filtered by means of a filter interest (110-120; 210-220); (b) selecting (150, 250) subsets (Sff) of N signals from said set, and for each subset, calculating (160, 260) a correlation matrix of the thus selected signals; (c) the subset of N signals corresponding to the closest correlation matrix of a diagonal matrix (170-180,270-280) is used as coding dictionary; (d) encoding each information symbol of the alphabet by a random dictionary signal, said random dictionary signal being transformed into an acoustic signal by means of a transducer.
    [2" id="c-fr-0002]
    2. Coding method according to claim 1, characterized in that said random signals are acquired by means of a random generator using a physical phenomenon.
    [3" id="c-fr-0003]
    3. coding method according to claim 1 or 2, characterized in that in step (c): (cl) successively substitutes a new random signal (150, 250) belonging to said set to one of the signals random {, Sj) of a first selected subset of signals. ; (c2) we calculate (160, 260) for each of the subsets thus substituted the correlation matrix (.,)) of the random signals and we deduce a quality factor {Q O'j characterizing the proximity of the matrix of correlation to a diagonal matrix; steps (c1) and (c2) being repeated as long as random signals of said set have not been exhausted and / or the quality factor is less than a predetermined threshold value (Qrh r Qlh)
    [4" id="c-fr-0004]
    4. Coding method according to claim 3, characterized in that the filter of interest is a filter having as response the response of the transmission channel on which these signals are intended to be transmitted.
    [5" id="c-fr-0005]
    5. coding method according to claim 4, characterized in that, prior to step (b), subtracted from each random signal its average so that said random signals are centered.
    [6" id="c-fr-0006]
    Coding method according to claim 5, characterized in that the quality factor is calculated by means of

    or

    or

    where the coefficients are the elements of the correlation matrix and where min, max and moy respectively mean the minimum value, the maximum value and the average value.
    [7" id="c-fr-0007]
    7. Encoding method according to claim 5, characterized in that, prior to step (b), the energy of the random signals centered is normalized so as to obtain standardized random signals all having the same average energy per sample ( ^).
    [8" id="c-fr-0008]
    Coding method according to claim 7, characterized in that the quality factor is calculated by means of

    or

    or

    where the coefficients Q are the elements of the correlation matrix and -¾ is the mean energy per sample of the random signals and where min, max and moy respectively mean the minimum value, the maximum value and the average value.
    [9" id="c-fr-0009]
    A method of transmitting information symbols belonging to an alphabet (A) by means of acoustic signals, characterized in that said symbols are encoded by means of the acoustic signal coding method according to one of claims 1 to acoustic signals corresponding to successive information symbols being transmitted sequentially on the transmission channel.
    [10" id="c-fr-0010]
    Method for transmitting information symbols belonging to an alphabet (A) by means of acoustic signals, characterized in that said symbols are encoded by means of the coding method according to one of claims 1 to 8, a plurality acoustic signals corresponding to different information symbols being simultaneously transmitted on the transmission channel.
    [11" id="c-fr-0011]
    11. An information symbol transmission method according to claim 9 or 10, characterized in that a block channel coding of said symbols is carried out prior to their coding by acoustic signals.
    [12" id="c-fr-0012]
    12. A method of receiving information symbols transmitted by the transmission method of claim 9, characterized in that the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer and then correlated with each of the random signals of the encoding dictionary for providing a plurality of correlation results, the highest correlation result in absolute value providing the index of a symbol received during said symbol time.
    [13" id="c-fr-0013]
    13. A method of receiving information symbols transmitted by the transmission method of claim 10, characterized in that the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer, and correlated with each of the random signals. of the encoding dictionary for providing a plurality of correlation results, the correlation results are higher, in absolute value, than a predetermined threshold value providing the indices of the symbols received during said symbol time.
    [14" id="c-fr-0014]
    14. A method of receiving information symbols transmitted by the transmission method of claim 11, characterized in that the acoustic signal received during a symbol time is converted into an electrical signal by a transducer, then correlated with each of the random signals of the encoding dictionary for providing a plurality of correlation results, the higher correlation results, in absolute value, to a predetermined threshold value providing the indices of symbols received during said symbol time, the received symbol blocks being then decoded channel.
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