使用 Python 使用音频传输数据

Posted 2023-02-25

【中文标题】使用 Python 使用音频传输数据

【英文标题】：Transferring Data using Audio using Python

【发布时间】：2014-11-29 15:59:42

【问题描述】：

我有一个项目，涉及获取一个字符串并将其转换为一系列不同频率的声音，然后将声音读回原始文本。

机器 1：

“Hello World” --> 一些音频

机器 2：

一些音频 --> “Hello World”

是否有任何库或项目可以让我这样做？如果没有，关于如何实现这一点的任何建议？

【参考方案1】：

您需要了解调制技术。正常程序是这样的：

使用一些纠错码使二进制数据冗余 将数据调制为离散信号 数模转换器 通过物理介质传输 A/D 转换器采样 解调 纠错

如果您想更简单地执行此操作，则可以跳过纠错部分，但这会带来风险，即您的整个数据在稍微不是最佳的环境下被损坏。

让我们快速浏览一下其中的软件部分。

添加纠错码

有很多代码可以做到这一点。一个非常简单的方法就是重复每个比特多次，并在纠错阶段取所有接收比特的平均值。

调制

您有一系列 1 和 0，并希望将其转换为波形。您可以通过将它们映射到不同的基本信号来做到这一点。在简单的情况下，这些信号可以只是不同频率的正弦信号，通常它们可以是任何信号，但应该是正交的以在统计上独立。 然后你需要指定一位将被发送多长时间，这称为符号长度。您发送信号的时间越长，就越容易检测到它，但是您每次发送的数据更少。请记住，我们正在创建一个离散信号，然后通过一些 D/A 转换器（我们的声卡）。

一个例子

我们希望使用 00110100 的正弦波发送 00110100 0 和 10000Hz 的正弦信号 0。我们选择符号长度为 1 毫秒，因此它是两个基本信号周期的倍数，这改善了形状。 所以我们发送一个频率为 5000 Hz 的正弦波持续 2 毫秒，然后是 10000 赫兹持续 2 毫秒，然后是 5000 赫兹持续 1 毫秒，10000 赫兹持续 1 毫秒，最后是 5000 赫兹持续 2 毫秒。 要为此创建采样点，我们必须选择一种音频格式。让我们使用 44 kHz 的采样频率。 执行此操作的代码类似于：

for bit in data:
    for i in range(0, sampling_frequency * symbol_length):
        signal.append(sin(i * sample_length * symbol_frequency(bit)))

sampling_frequency 大概是 44 kHz，symbol_length 是 1ms，sample_length 是 1/sampling_frequency，symbol_frequency 对于 0 是 5000 Hz，对于 1 是 10000 Hz。

解调

这可以通过相关函数来完成。基本上，您假设您有一个符号，然后查看您接收到的信号与该符号生成的信号有多相似。相似度是接收到的样本和理论样本的乘积在所有样本上的总和。如果您的频率与信号匹配，则整个信号的符号应该相等，因此这最终会产生一个很大的值，对于不同的频率，符号会在不同的点发生变化，并且最终都会在零附近的某个地方结束。对于我们的简单案例，您可以使用假设的 1 和假设的 0 来计算相关函数，然后使用较大的一个作为您收到的符号。

要读取您创建的音频并将其写入文件，您可以使用默认的 python 波形库：https://docs.python.org/2/library/wave.html

【讨论】：

这是一个符合您所说的项目。 github.com/romanz/amodem/blob/master/README.rst