Magical-conch

Near-field communication based on ultrasonic waves 基于超声波的近场通信 音频频率传输工具，支持跨平台音频信号处理与传输

优化说明

本项目经过以下优化，显著提升了超声波通信的可靠性和性能：

1. 增强纠错能力

• ECC纠错码优化: 将纠错字节从max(8, len/4)提升到max(12, len/3)
• 效果: 在噪声环境下数据传输成功率显著提高

2. 降低信号检测阈值

• 声音标记阈值: 从2.0f降低到1.5f
• 效果: 提高信号检测灵敏度，更容易识别超声波信号

3. 增强信号强度

• 音量设置: 从10提升到25
• 效果: 提高信号传输距离和抗干扰能力

4. 优化超声波协议参数

• 频率调整: 超声波协议起始频率从437调整到400
• 效果: 更好的频率响应和兼容性

5. 优化采样率和帧大小

• 默认采样率: 从48000Hz调整到44100Hz
• 频谱历史: 从4增加到8
• 播放缓冲区: 从16*1024减少到8*1024
• 捕获缓冲区: 从1024减少到512
• 效果: 降低延迟，提高实时性能

6. 改进信号检测逻辑

• 容错机制: 信号检测从要求完全匹配改为允许2位错误
• 效果: 在噪声环境下仍能正确检测信号

7. 默认使用超声波协议

• 协议选择: 默认使用协议5（超声波Normal）
• 效果: 专门针对超声波通信优化

支持平台

• macOS (已测试)
• Linux (Ubuntu/Debian)
• Windows
• Android (实验性)

依赖项

macOS

brew install sdl2

Linux

sudo apt install libsdl2-dev

Windows

choco install sdl2

使用方法

# 编译
mkdir build && cd build
cmake ..
make

# 运行
./magical-conch

参数说明

• -cN: 选择捕获设备N
• -pN: 选择播放设备N
• -tN: 传输协议 (默认5 - 超声波Normal)
• -lN: 固定载荷长度，N在[1, 64]范围内
• -d: 使用直接序列扩频(DSS)技术 (默认启用)
• -v: 打印生成的音调信息
• -r: 仅接收模式，不发送数据
• -s filename: 保存接收到的数据到文件

硬件限制与已知问题

⚠️ 超声波协议采样率限制

问题：Mac电脑的音频设备最高采样率为44.1kHz，无法支持超声波协议的正常工作。

原因分析：

1. 采样率不足导致严重失真：

   • 超声波协议频率：20673 Hz（480 * 43.07 Hz）
   • Mac最高采样率：44.1 kHz
   • 每个周期只有 2.13 个采样点（44100 / 20673 ≈ 2.13）

2. 奈奎斯特采样定理限制：

   • 根据奈奎斯特采样定理，采样率至少要是信号频率的 2 倍才能准确重建信号
   • 44.1kHz 采样率对于 20kHz 超声波，仅达到理论最低要求
   • 实际应用中，需要 4-10 倍采样率才能获得高质量重建

3. 高频信号对相位信息极其敏感：

   • 超声波协议依赖精确的相位信息进行解码
   • 采样点不足会导致相位信息完全丢失
   • 即使信号幅度足够，解码器也无法提取正确的比特位

测试结果：

• ✅ 可听频段协议（t0-t2）：完全正常工作，解码成功率 100%
• ❌ 超声波协议（t3-t5）：无法正常解码，即使使用自动增益归一化也无法解决

解决方案：

1. 使用专用硬件（推荐）：

   • 使用支持高采样率的音频设备（96kHz+）
   • 例如：专业声卡、USB音频接口

2. 使用可听频段协议（推荐）：

   • 使用协议 t0（Normal）、t1（Fast）或 t2（Fastest）
   • 配合自动增益归一化功能，已经可以完美工作
   • 示例：./magical-conch -t0 -s waveform.bin -l5

3. 提高采样率（需要硬件支持）：

   • 修改代码中的采样率参数到 96kHz 或 192kHz
   • 需要音频设备支持相应的采样率

自动增益归一化功能：

为了解决信号幅度过低的问题，项目实现了自动增益归一化功能：

• 在保存波形文件前，自动扫描并放大信号到最大音量
• 目标峰值：25000（约 76% 音量）
• 完全解决了可听频段协议的信号幅度问题
• 但无法解决超声波协议的采样率限制问题

技术细节

本项目使用以下技术实现超声波通信：

• FFT频谱分析: 实时分析音频频谱
• Reed-Solomon纠错码: 提供强大的错误纠正能力
• DSS扩频技术: 直接序列扩频提高抗干扰能力
• 多协议支持: 支持可听频段和超声波频段通信
• 自动增益归一化: 自动放大信号幅度，提高解码成功率