TBSK modem

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TBSK (Trait Block Shift Keying) modemは、FFT/IFTTを使わない、低速、短距離の音響通信の実装です。 バイト/ビットストリームの振幅信号への変調、振幅信号からバイト/ビットストリームへの復調ができます。

開発用のライブラリと、コンソールアプリtbskmodemがあります。

Youtubeでみる（信号音付きです。）

性能

静かな室内での音響通信性能は、ビットレートが5bps～1kbps、通信距離は1mくらいです。 パソコンに備わるマイクとスピーカーで通信ができます。

その他の媒体でも、それなりに波形を伝送できれば通信できると思います。

仕様

特徴ブロック差動変調

TBSKの特徴ブロック差動変調は、波形シンボルの代わりに任意形状のトーン信号とその反転値を、2値の伝送シンボルとして使います。 トーン信号はスペクトラム拡散したSin波を使いますが、他にも任意形状の波形を使うことができます。 復調は、隣接するシンボルの相関値を遅延検波します。相関値は1,-1を取るので、これをビットに復調します。

この伝送方式のパラメータは、トーン信号長(Tick数×搬送波周波数)のみです。トーン信号長だけ適合していれば、同一な復調器で信号の形式によらず復調することができます。

信号同期

信号の検出は相関値を一定時間観測して判定します。信号の先端には通常のシンボルよりも長い同期パターンを配置します。 初期の同期シンボル検知のほか、同期ずれを補正するためにシンボル反転時の相関ピークを検出します。 搬送波の安定しないシステムでシンボル1の信号を長時間を送ると、同期が取れずにストリームが中断します。 長時間の通信では、数十秒に一度は0のシンボルを連続して送信されるようにデータを加工してください。

トーン信号

標準のトーン信号は、Sin波をPN符号で位相シフトしたスペクトラム拡散波形です。 トーン信号は復調側でS/N比が高くなる形状であれば何でも構いません。トーン信号にサイン波を使用すると、DPSK変調と同じ動作をします。

外乱耐性

トーン信号が長いほど外乱耐性は強くなりますが、トーン信号が長くなるほどビットレートは低下します。 搬送波周波数に対する最大通信レートの理論値は1bit/Hzです。実際には0.01bit/Hzが目安となります。

トーン信号は、線路媒体の特性に合わせて、時間方向、周波数方向に拡散（帯域の無駄遣い）ができます。

パケット仕様

現状のプロトコルは、開始点検出とそれに続くペイロード読出しのみを実装しています。パケットサイズや終端識別子、エラー訂正、検出についてはアプリケーションで実装してください。

ライセンス

本ソフトウェアは、MITライセンスで提供します。ホビー・研究用途では、MITライセンスに従って適切に運用してください。 産業用途では、特許の取り扱いに注意してください。

このライブラリはMITライセンスのオープンソースソフトウェアですが、特許フリーではありません。

特許権については、YAMAHA CORPORATION様の所有する以下の特許、及び派生元特許周辺に類似する箇所がある様に思われます。 専門家の監修は受けておりませんので、詳細はご自身でお調べください。

特許情報プラットフォーム

変調装置及び復調装置 WO-A-2010/016589

GetStarted

Anacondaの利用を前提として説明します。Pythonのバージョンは、Python 3.10.xを推奨します。

セットアップが成功すると、コマンドラインツールのtbskmodemも同時にインストールされます。

Anacondaでのセットアップ

ソースコードをgithubからcloneします。

>git clone https://github.com/nyatla/TBSKmodem.git

step4までは外部モジュールは不要です。

step4より先に進むならば、numpy,sounddeviceをインストールしてください。 サウンドの再生やキャプチャに必要です。

>conda install -c anaconda numpy
>conda install -c conda-forge python-sounddevice

pipからのセットアップ

Linux環境のpipでセットアップする場合はportaudioも必要になります。

$sudo apt-get install portaudio19-dev
$pip install tbskmodem

portaudioをセットアップできればWindows下でも利用できるはずです。

サンプルプログラムの場所

サンプルプログラムはTBSKmodem/getstartedディレクトリにあります。

> cd getstarted

step1. データをwaveファイルに変換

step1.modulate.pyは、ビット値を変調することができます。

> python step1_modulate.py
Imported local library.
[WARN] Imported local library.
>

このスクリプトは変調した振幅信号をwavファイルに保存します。 出力ファイル名は、step1.wavです。

[WARN] Imported local library.と表示されましたか？心配は不要です。 この表示は、ライブラリではなく、ローカルディレクトリにあるtbskmodemパッケージをリンクした時に表示されるメッセージです。

メイン関数を見てみましょう。

def main():
    # tone=SinTone(10,10).mul(0.5)      # DPSK
    tone=XPskSinTone(10,10).mul(0.5)    # SSFM DPSK
    payload=[0,1,0,1,0,1,0,1]*16 # 16byte
    carrier=8000

    #modulation
    mod=TbskModulator(tone)
    src_pcm=[i for i in mod.modulateAsBit(payload)]

    #save to wave
    with open("step1.wav","wb") as fp:
        PcmData.dump(PcmData(src_pcm,16,carrier),fp)

このスクリプトは、まず伝送シンボルに相当するXPskSinToneオブジェクトを生成します。 次に、変調器のTbskModulatorオブジェクトを生成して、modulateAsBit関数で変調します。 変調するのはビット値(1 or 0)の配列で、合計8*16=128ビットです。

modulateAsBit関数の戻り値は、変調した振幅値(float)を返すイテレータです。これをリストにして、最後にWaveファイルにして保存します。

step2. wavファイルから復調

step2.modulate.pyは、作成したwavファイルを元のビット列に戻します。

> python step2_demodulate.py
[WARN] Imported local library.
[0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
>

当然のように、元のビット列に戻るはずです。

メイン関数を見てみましょう。

def main():
    wav=None
    with open("step1.wav","rb") as fp:
        wav=PcmData.load(fp)

    # tone=SinTone(20,8)
    tone=XPskSinTone(10,10)
    demod=TbskDemodulator(tone)

    ret=demod.demodulateAsBit(wav.dataAsFloat())
    print([i for i in ret] if ret is not None else None)

信号を格納したWaveファイルはstep1で作成したstep1.wavです。これを読み出します。 次にトーン信号を作り、そこから復調器のTbskDemodulatorを作り、demodulateAsBit関数で復調します。

demodulateAsBit関数はビット列をintで返すイテレータです。これをリストにして表示します。

イテレータは信号が成立しなくなるまで値をビット値を返し続けます。(信号終端についての疑問はここでは一旦忘れます。)

step3. バイトデータの変調と復調

バイト値を送受信する関数も当然実装済みです。 step3_bytedata.pyは、bytes値の変調と復調を実行します。

> python .\step3_bytedata.py
[WARN] Imported local library.
[b'0', b'1', b'2', b'3', b'4', b'5', b'6', b'7', b'8', b'9']
> 

メイン関数を見てみましょう。

def main():
    tone=XPskSinTone(10,10).mul(0.5)    # SSFM DPSK
    payload=b"0123456789" # 10byte
    carrier=8000

    #modulation
    mod=TbskModulator(tone)
    src_pcm=[i for i in mod.modulate(payload)]

    #save to wave
    wav=PcmData(src_pcm,16,carrier)
    with open("step3.wav","wb") as fp:
        PcmData.dump(wav,fp)

    #demodulate to bytes
    demod=TbskDemodulator(tone)
    ret=demod.demodulateAsBytes(wav.dataAsFloat())
    print([i for i in ret] if ret is not None else None)

step1とstep2を合体したような構造です。 mod.modulate関数に注目してください。ここで、payloadにbytesをそのまま渡しています。 そして、demod.demodulateAsBytesにも注目してください。データを渡すと、Bytesにして返してくれそうな関数です。

入力は連続するbytes値なのに戻り値が1byte単位のbytes型なのは不自然な気もしますが、そういうものです。

step4. 文字列の変調と復調

step4_text.pyは、文字列の変調と復調を実行します。

> python .\step4_text.py    
[WARN] Imported local library.
['ア', 'ン', 'タ', 'ヤ', 'ル', 'ー', 'ニ', 'ャ']
>

メイン関数を見てみましょう。step3とほとんど変わりません。

def main():
    tone=XPskSinTone(10,10).mul(0.5)    # SSFM DPSK
    payload="アンタヤルーニャ" # 8byte
    carrier=8000

    #modulation
    mod=TbskModulator(tone)
    wav=PcmData([i for i in mod.modulate(payload)],16,carrier)
    #save to wave
    with open("step4.wav","wb") as fp:
        PcmData.dump(wav,fp)

    #demodulate to bytes
    demod=TbskDemodulator(tone)
    ret=demod.demodulateAsStr(wav.dataAsFloat())
    print([i for i in ret] if ret is not None else None)

変調部分はmod.modulateそのままです。 関数呼び出しの変更点は、復調部分でdemodulateAsStr関数が使われているところです。

変調器と復調器は、それぞれ、bit配列,文字列,Hex string,bytes,uint8配列を引数に取る関数があります。 勘の良い読者の方は気が付いたかもしれませんが、Hex stringはブロックチェーンネットワークのトランザクションを送信するための機能です。🧱⛓

step5. マイク入力のテスト

step5_microphone.pyで、サウンドデバイスがpythonからアクセスできるかテストしましょう。

注意:WSL、VirtualBoxなどの仮想システムでは、サウンドデバイスにノイズが混じるため、通信が成立しないことがあります。

> python .\step5_microphone.py
[WARN] Imported local library.
Press [ENTER] to stop.
Volume meter
###

マイクに向かって一曲披露してください。選曲はお任せします。 "#"で示されるバーグラフが動いていれば、pythonは正常にマイクを認識しています。

うまく認識できない場合は次の事を試してください。

1. マイクがPCに接続されているか確認する。
2. スクリプトのdevice_idパラメータを変更する(1,2,3...)
3. 他のプログラムでマイクを認識しているか確認する。
4. もっと大きな声で歌う。

歌い終わったら、ENTERでプログラムを停止します。

step6. リアルタイム送受信

仕上げに、step6_realtime_receive.pyでリアルタイムに信号を復調します。 マイクの準備は宜しいですか？

注意:WSL、VirtualBoxなどの仮想システムでは、サウンドデバイスにノイズが混じるため、通信が成立しないことがあります。

> python .\step6_realtime_receive.py
[WARN] Imported local library.
160.0 bps
Play step6.wave in your player.
Start capturing
>アンタヤルーニャ
End of signal.
>

実行したディレクトリに、step6.wavが生成されています。 このWaveファイルをpythonに聞かせてください。 復調した文字列が表示されます。

ところで、受信した信号の終端はどこなのか？という疑問が残されたままです。 TBSKでは、信号を検知した後、信号強度が閾値を超えていれば、それが何であっても延々と値を復調し続けます。 上位の通信仕様でパケット長を固定したり、長さパラメータを初めに送信するなどして対処してください。

チュートリアルはここまでです。アンタヤルーニャ

👈To Be Continued ▲▼▲

さて、来週(来年)の目標は、

1. Unityで動かしてみよう。
2. ブラウザでも動かしてみよう。
3. ペイロードの秘匿化とエラー訂正

の３本です。