基于二進制幀的通信系統中的自適應檢測閾值補償的制作方法
【專利摘要】一種在基于二進制幀的通信系統中產生自適應閾值的方法，包括收集對應于起始位的接收信號的Kst樣本；計算起始位的接收信號的參數Pst的估計值；基于Pst調整開始閾值；收集對應于停止位的接收信號的Ksp樣本；計算停止位的接收信號的參數Psp的估計值；基于Psp調整停止閾值。
【專利說明】基于二進制幀的通信系統中的自適應檢測閾值補償
【技術領域】
[0001]本發明所披露的各種實施例涉及在基于二進制幀的通信系統中的自適應檢測閾值補償。
【背景技術】
[0002]在非理想信道中傳輸已調制的數據的任何通信系統中，接收機在解調所接收信號時會造成信道損傷。在二進制數據通信系統的特定情況下，解調的效率在于接收機區分在所接收的信號中二進制“O”或二進制“I”的傳輸的能力。確定在任何給定時間的數據信道的工作特性，將允許接收機對信道損傷進行補償。對于二進制數據通信，接收機可使用兩個閾值來確定何時在接收信號中檢測到二進制“O”或二進制“I”。在隨著時間緩慢變化的信道中，這些閾值可隨時間進行調整，以補償在通道中的變化。通常情況下，數據信道可以通過導頻信號或用以確定信道特性的其它信號來表征。其缺點是由于費用的增加和系統復雜性的加大導致數據吞吐量減少。
【發明內容】
[0003]各種實施例的簡要總結如下。在下面的
【發明內容】
中可能會作一些簡化或省略，其目的是強調和介紹各種實施例的一些方面，而不是限制本發明的范圍。在接下來的部分，會詳細描述各個實施例以便本領域的普通技術人員能夠制造和使用本發明的思想。
[0004]各種實施例涉及在基于二進制幀的通信系統中制造自適應閾值的方法，包括:收集與起始位相對應的接收信號的Kst樣本；計算與起始位相對應的一個或多個接收信號參數Pst的估計值；基于Pst調整閾值；收集與停止位相對應的接收信號的Ksp樣本，計算與停止位相對應的一個或多個接收信號參數Psp的估計值；基于Psp調整閾值。
[0005]各種實施例涉及閾值補償器，包括:幀位檢測器；幀位收集器；幀位參數計算設備，以及幀位閾值計算設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]為了更好地理解各種實施例，參考以下附圖，其中:
[0007]圖1A和圖1B示出了二進制數據和由二進制數據通過OOK調制的載波信號；
[0008]圖2示出了 OOK調制的7位幀；
[0009]圖3示出了多個OOK調制的7位幀；
[0010]圖4示出了發送的OOK調制信號、隨時間變化的信道增益、信道中的隨時間變化的加性噪聲和包含信道增益和加性噪聲的影響的接收信號；
[0011]圖5示出了當檢測閾值未被補償時，檢測閾值及其影響；
[0012]圖6示出了數據幀的一個例子；
[0013]圖7示出了包括自適應閾值補償器的通信系統中的接收機的方框圖；
[0014]圖8示出了自適應閾值補償器的流程圖；[0015]圖9示出了使用圖8所示的自適應閾值補償方法的結果。
[0016]為了便于理解，相同的附圖標記被用于指定具有大致相同或相似結構的元件和/或大致相同或相似的功能。
【具體實施方式】
[0017]各種類型的調制可用于將數字信號調制到載波信號。下面描述的一個實施例使用開關鍵控(OOK)調制，這只是本發明的一個具體實施例。然而，其他類型的調制可以與自適應閾值補償器的實施例一起使用，例如為了發送二進制“O”或“I”而調制載波的幅度、相位、頻率或其組合的任何通信系統。
[0018]OOK是幅移鍵控(ASK)的一個特例，其中，調制載波頻率的幅度以通過載波發送二進制數據。圖1A和圖1B示出了二進制數據和由二進制數據OOK調制的載波信號。圖1A的110示出了當序列011010110110101101101011011010使用OOK調制在載波波形上調制時的OOK傳輸的一個例子。在OOK中，在它們各自的位周期中，二進制“I”可以表示載波的關斷(載波關)，二進制“O”表示載波的接通(載波開)。因此，如圖1B的120所示，當“O”要被發送時，載波接通；和當“ I”要被發送時，載波關斷。
[0019]如上文所述，在其它實施例中的載波的頻率或相位也可以被調制。例如，二進制相移鍵控(BPSK)調制改變載波的相位(而不是幅度)來編碼二進制“O”或“1”，并二進制頻移鍵控(BFSK)使用不同頻率的載波在對應于“O”和“I”的位周期進行編碼二進制數據用于傳輸。
[0020]因為數據通常在基于數據包的數字通信系統中的離散數據包中發送，數據的連續流(像字符串“011010110110101101101011011010”如上文110所示)經常被解析成數據幀進行傳輸。其結果是在通信系統可以更容易地檢測和糾正數據包中的錯誤，例如，用循環冗余校驗(CRC)位。這樣的離散數據包可以被稱為幀。
[0021]圖2示出了 OOK調制的7位幀。每個幀210可包含三種不同類型的位:起始位(記為St)，可以表明該幀的開始，數據位(記為D)可以包含實際的數據(有效載荷)；和停止位(記為Sp)可以表明該幀的結束。在本實施例中，請注意起始位可記為二進制“O”和停止位可記為二進制“1”，但是反過來也是可以的。使用“O”作為起始位和“I”作為停止位是基于幀的系統的普遍接受的慣例，如UART協議。
[0022]這樣經OOK調制后的數據幀220可以通過傳輸介質(例如，有線或無線)在信道上傳輸，并且可以在接收機中接收。信道可以具有它自己的幅度、相位和頻率響應，因此，信道響應可能會使接收信號的特性失真。此外，信道和接收機的前端可能增加接收信號的噪聲。這些失真和噪聲信號可能是需要接收機解調的，以便重新得到二進制數據。
[0023]信道可以具有它自己的典型的幅度、相位和頻率響應，頻率響應也可以被稱為信道響應。當信號通過信道時，信道響應會導致所傳輸的信號的幅度、相位、頻率或這些的組合的失真。另外，信道和接收機的前端都可能增加接收信號的噪聲。此外，信道響應和噪聲功率可能會隨著時間發生變化，特別是當傳輸介質被暴露在隨時間而改變的環境中時。這可能會導致隨時間變化的信道響應和隨時間變化的噪聲作用于接收信號。一個強大的接收機設計可能會包括一些手段來彌補這種隨時間變化的信道響應和噪聲。
[0024]圖3示出了多個OOK調制的7位幀。圖3示出了發送的載波波形320對應于4個在不同時刻發送的二進制數據幀310。為簡單起見，在后面的附圖中也用相同的數據幀描述。圖3中的斷線符號“//”表示在這些幀的傳輸之間省略了一段時間。
[0025]圖4示出了發送的OOK調制的信號410，隨時間變化的信道增益420、在信道中的隨時間變化的加性噪聲430、包括信道增益和加性噪聲的影響的接收信號440。另外，圖4示出了隨時間變化的信道增益和加性噪聲對所發送的信號的影響。發送的波形410在4個不同的時刻示出以及隨時間變化的信道增益420在相應的時刻示出。隨時間變化的噪聲430可以是在這些時刻加到信號上的噪聲。最終的信號440在接收機中接收。如圖所示，接收信號可能會被噪聲破壞，以及接收信號的幅度也可能也會因為變化的信道幅度相應而發生變化。
[0026]通常，在OOK中，接收機中的檢測器可以基于開閾值和關閾值決定是否發送“O”或“1”，可以在接收機中預先計算開閾值和關閾值。因此，當一個或多個信號的參數(例如，它的功率)高于(或低于)開閾值時，則接收器可以決定二進制“O”是否被發送，當一個或多個的信號參數(例如，它的功率)低于(或高于)關閾值時，則接收器可以決定二進制“I”是否被發送。其他信號參數可以包括相位、頻率、幅度等，或這些的任意組合。
[0027]當信道具有隨時間變化的響應時和當隨時間變化的噪聲被加到接收信號時，為了減輕隨時間變化的信道響應和噪聲的影響，任何一個接收機可以采用一些判決導向方法來改變閾值，或可以周期性地估計信道來計算當時適用的信道響應。在這兩種方法中，接收機可以改變用于檢測二進制數據的閾值以補償在信道中的增益和噪聲的變化。然而，通過上述方法改變接收機閾值是非常復雜的，可能會受到錯誤傳播問題的損害。因此，下面描述的自適應閾值補償器及其方法提供一個不太復雜實施例，并且不受錯誤傳播問題的損害。
[0028]圖5示出了當檢測閾值未被補償時的檢測閾值及其影響。在圖5的第三曲線530中，開閾值、閾值上限，和關閾值，閾值下限，為常數。所發送的位模式510在第一曲線中，接收信號520在第二曲線中。接收信號的包絡540在接收機的檢測器的輸入處。因為沒有閾值補償，一個完整的幀(第3幀)，可能會錯誤地解碼為多個O。此外，在大多數地方可能會不正確地解碼另一幀(第2幀)。
[0029]在下面描述的實施例中，接收機幀結構的知識可以被用于基于起始位和停止位自適應地計算開閾值和關閾值。這可以使幀被正確地解碼，而與隨時間變化的信道響應無關。
[0030]在一般的基于幀的數據通信系統中，發送數據幀可以以開始符號開始，并可以以停止符號結束，開始符號和停止符號可以在通信協議中定義。在基于二進制幀的通信協議(例如，UART協議)的情況下，開始符號可以是二進制“O”和停止符號可以是二進制“I”。請注意，在不影響本實施例的工作的情況下，開始符號和停止符號也可以相反。當在接收機處的發送數據的速率是已知的，接收機可精確地知道什么時候開始起始位和停止位。這種幀結構的知識，可以被用于計算在傳輸二進制“I”和“O”期間接收信號的功率的可靠估計。這可以使接收機精確計算檢測器所使用的開閾值和關閾值。通過連續地/周期性地計算這些估計，接收機可跟蹤信道和噪聲的變化，而不需要任何額外的數據(如導頻信號)。
[0031]現在將描述一種自適應閾值的補償器及其方法的實施例。二進制數據可使用OOK的載波波形發送。另外，接收機知道接收數據的速率(即，接收數據速率)。在下面的描述中，起始位是二進制的“O”，和停止位是二進制的“I”。然而，在不影響本實施例的操作的情況下，起始位和停止位可以分別為二進制的“ I ”和“O”。[0032]圖6示出了數據幀的一個例子。在圖6中，接收信號有7位的幀結構。圖6還示出了的幀結構下面的時間線，用Tst界定幀的開始位周期的開始和用Tsp界定停止位周期的開始。
[0033]圖7示出了在通信系統中的接收機的方框圖，該接收機包括自適應閾值補償器。接收機700可以包括信號采樣器710、檢測器720、和閾值補償器730。信號采樣器710接收數據信號并產生數據樣本。信號采樣器710的采樣速率通常可以是多個比特率K，因此對于每個位可以收集K個樣本。優選的，K可以至少為4或5，使每個位能收集足夠的樣本來估計對應于采樣位的一個或多個信號參數。也可以使用其他的K值。K值越大提供的樣本越多則參數估計的更準確，但代價是接收機的樣本也增加。K值越小采樣要求降低，但可能會導致不太準確的參數估計。因此，K的選擇需要平衡接收機700上的這些和其他方面的限制。信號參數可以包括功率、相位、頻率、振幅等，或這些的任意組合。
[0034]探測器720可以從信號采樣器710接收數據樣本。檢測器720將兩個閾值，開閾值和關閾值應用到數據樣本以確定出現“I”位或“O”位。檢測器720可能需要在樣本的窗口中具有一定數量的樣本，來滿足上述閾值中的一個，再決定是否出現“I”位或“O”位。另夕卜，檢測器也可以接收校準信息以指示位起始于哪個樣本。
[0035]閾值補償器730可以進一步包括幀位檢測器732，幀位樣本收集器734，幀位參數估計器736，和閾值計算器738。幀位檢測器732從信號采樣器710接收數據樣本。幀位檢測器732確定幀位什么時候出現。當幀位出現時，幀位檢測器732可以發送用于幀位的數據樣本到幀位收集器734。幀位可以檢測是起始位或停止位，并可以進一步向幀位收集器734指示數據樣本是否符合起始位或停止位。
[0036]幀位收集器734可以從幀位檢測器收集幀位樣本。分別收集起始位和停止位的樣本。另外，幀位收集器734可以收集單個起始位和停止位的數據樣本或可以收集多個起始位和停止位的樣本。基于內存的限制和信道和噪聲隨時間的變化，選擇收集的數據樣本的幀位的數目。變化越快，窗口越短，變化越慢，窗口越長。此外，可以分析樣本，以確定信道特性的變化有多快以及可以相應地調整用于幀位樣本的窗口。
[0037]幀位參數估計器736使用所收集的用于幀位的數據樣本，以評估所接收到的幀位信號的一個或多個參數。信號參數可以包括功率、相位、頻率，幅度等，或這些的任意組合。幀位參數估計器736，可以將用于幀位的估計參數發送到閾值計算器738，并可以進一步指示幀位閾值計算器738數據樣本是否符合起始位或停止位。閾值計算器738可以接收用于幀位的估計功率并且可以計算更新的閾值，閾值計算器738可以將更新的閾值發送到檢測器720。閾值的計算，可使用任何已知的方法，以及可以基于調制的特性，信道、噪聲、接收機
坐寸ο
[0038]閾值補償器730可以在電路如集成電路(IC)中實現。閾值補償器730也可以被實現為接收機電路的一部分，該接收機電路可以是1C。另外，閾值補償器730可以被實現為處理器上執行的程序指令。本文中所使用的術語處理器將被理解為涵蓋了多種設備，如微處理器，現場可編程門陣列(FPGA)，特定應用集成電路(ASIC)，和其他類似的處理裝置。
[0039]圖8示出了一種自適應閾值補償器的流程圖。方法800可以通過閾值補償器730和/或接收機700來執行。方法800開始于步驟805。首先，該方法800的步驟810可以計算起始位開始時間Tst和停止位開始時間Tsp。由于閾值補償器730具有數據速率和在信號中的數據的幀結構的知識，閾值補償器730可以計算起始位和停止位的開始時間。可以存儲Tst和Tst以供后用。
[0040]接下來在步驟815中，閾值補償器730可以通過確定當前時間是否等于或超過起始位開始時間Tst來等待起始位周期的開始。如果沒有，則方法800返回，再次執行步驟815。如果是，閾值補償器接下來可以收集與起始位相對應的接收信號樣本的Kst的數目(以采樣頻率)，并可以將其存儲在數據陣列中820。所存儲的起始位的數據可以用于單個起始位，或者可包括用于如上所討論的多個起始位的數據。
[0041]然后，在步驟825中，閾值補償器730可以在Kst樣本的陣列上使用參數估計算法計算與起始位相對應的信號的一個或多個參數Pst。這種算法的一個例子，可以包括信號功率的估計值作為陣列中的幅度值的平方和的平均值。接著，在步驟830中，閾值補償器730可以根據Pst計算開閾值。該開閾值可以被發送到檢測器720。
[0042]接著在步驟835中，閾值補償器730可以等候適量的時間(位周期乘以在幀中數據位的數目)，直到達到時間Tsp。此時，在步驟840中，閾值補償器730可以收集對應于停止位的所接收的信號樣本的Ksp的數目(以采樣頻率)并可以將其存儲在數據陣列中。所存儲的停止位的數據可以用于單個停止位，或者可以包括用于如上所述多個停止位的數據。
[0043]然后，在步驟845中，閾值補償器730可以在Ksp樣本的陣列上使用參數估計算法計算對應于停止位中的信號的一個或多個參數Psp的估計值。這種算法的一個例子，可以包括估計信號功率作為陣列中的幅度值的平方和的平均值。接著，在步驟850中，閾值補償器730可以基于Psp計算關閾值。這關閾值可以被發送到檢測器720。然后方法800結束于步驟855。雖然上述方法是本方法中的單通道，但是可以基于當前的信道和噪聲特性重復該方法以重復計算檢測閾值。
[0044]圖9示出了使用圖8所示的自適應閾值補償方法后的結果。圖9中的第一和第二曲線910和920與圖5中相同。此外，第三曲線930示出了所接收的信號的與圖5的信號包絡540相同的包絡940。但在圖9中，如圖所示，閾值是變化的。在之前的圖5中，在第二和第三幀中有數據檢測錯誤，但使用自適應閾值，第二和第三幀可以被正確地檢測到。
[0045]圖9示出了由于使用圖8所示的方法的閾值補償器730的閾值的變化。在圖9中，開閾值(閾值上限)和關斷閾值(閾值下限)隨時間變化，同時伴隨信道增益和噪聲情況。可以基于實施連續地或周期性地進行計算這些閾值，因此可以跟蹤噪聲和信道增益的變化。這可能會導致一個非常強大的檢測器720和接收機700，從而可以正確地解碼信號。
[0046]上面所描述的閾值檢測器和方法可以適用于使用二進制與標準的幀結構通信的系統。例如，除了 OOK調制波形，它可能被用于自適應地補償BPSK調制的波形的相位閾值，BFSK調制的波形的頻率閾值，或用于在通信系統中表示二進制閾值0/1的相位、頻率和幅度值的任何組合。此外，閾值補償器和上述方法可以用于各種應用和系統中，包括下面的例子:機器到機器的通信系統；有線，串行通信系統；車載電力線通信；片上網絡應用，其中信息可以通過電力線在芯片上的不同系統之間傳輸；用于無線膠囊內窺鏡的OOK發射機和諸如此類應用等。
[0047]從上述描述很明顯可以看出，本發明的各種實施例可以實現在硬件和/或固件中。此外，各種實施例可以被實現為存儲在機器可讀存儲介質上的指令，其可以通過至少一個處理器來執行以完成本文中所描述的操作。機器可讀存儲介質可以包括用于通過機器以可讀形式存儲信息的任何機制，該機器可以是個人或筆記本電腦，服務器，或其他計算設備。因此，有形的和非短暫性的機器可讀存儲介質可以包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質、光存儲介質、閃存設備，和類似的存儲介質。
[0048]本領域技術人員應當理解，這里的方框圖是代表本發明原理的示例性電路的概念圖。同樣地，應當理解，任何流程圖、作業圖、狀態轉換圖、偽代碼等表示各種工藝，這些工藝可能在機器可讀介質中出現，因此由計算機或處理器執行，而不論這種計算機或處理器是否被明確不出。
[0049]雖然各種實施例中已經特別參考某些描述了若干示例性實施例的戲，特別是，應該理解，本發明可以有其它實施例，其細節能夠在各個明顯的方面進行修改。對本【技術領域】的技術人員顯而易見的是，在本發明的精神和范圍之內可以產生變化和修改。因此，上述說明書和附圖僅供說明之用，不以任何方式限制本發明，本發明由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種在基于二進制幀的通信系統中產生自適應閾值的方法，其特征在于，包括: 收集與起始位相對應的接收信號的Kst樣本； 計算起始位的接收信號的參數Pst的估計值； 基于Pst調整開始閾值； 收集與停止位相對應的接收信號的Ksp樣本； 計算停止位的接收信號的參數Psp的估計值； 基于Psp調整停止閾值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括確定接收信號起始位的開始時間Tst，和確定接收信號停止位的開始時間Tsp。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接收信號是OOK調制信號、BPSK調制信號和BFSK調制信號之一。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將開始閾值和停止閾值應用到接收信號。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于 ，還包括檢測二進位。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括重復以下步驟: 收集與起始位相對應的接收信號的Kst樣本； 計算起始位的接收信號的參數Pst的估計值； 基于Pst調整開始閾值； 收集與停止位相對應的接收信號的Ksp樣本； 計算停止位的接收信號的參數Psp的估計值；以及 基于Psp調整停止閾值。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，收集Kst樣本包括為多個起始位收集接收信號的樣本，收集Ksp樣本包括為多個停止位收集接收信號的樣本。
8.一種機器可讀的非短暫性的程序存儲設備，其特征在于，通過機器實施可執行指令的程序以實現權利要求1所述的方法。
9.一種機器可讀的非短暫性的程序存儲設備，其特征在于，通過機器實施可執行指令的程序以實現權利要求4所述的方法。
10.一種閾值補償器，其特征在于，包括: 幀位檢測器； 幀位收集器； 幀位參數估計設備；和 幀位閾值計算設備。
11.根據權利要求10所述的閾值補償器，其特征在于，幀位檢測器被配置為檢測幀的起始位和幀的停止位。
12.根據權利要求11所述的閾值補償器，其特征在于，幀位收集器被配置為收集幀的起始位的樣本和幀的停止位的樣本。
13.根據權利要求12所述的閾值補償器，其特征在于，幀位收集器被配置為收集多個幀的幀的起始位的樣本和幀的停止位的樣本。
14.根據權利要求12所述的閾值補償器，其特征在于，幀位參數計算設備被配置為基于所收集的幀的起始位的樣本計算幀的起始位中的信號參數和基于所收集的幀的停止位的樣本計算幀的停止位中的參數。
15.根據權利要求14所述的閾值補償器，其特征在于，幀位閾值計算設備被配置為基于所計算出的幀的起始位信號參數計算第一閾值，和基于所計算出的幀的停止位信號參數計算第二閾值。
16.根據權利要求13所述的閾值補償器，其特征在于，幀位功率計算設備被配置為基于所收集的幀的起始位的樣本計算幀的起始位中的信號參數和基于所收集的幀的停止位的樣本計算幀的停止位中的參數。
17.根據權利要求16所述的閾值補償器，其特征在于，幀位閾值計算設備被配置為基于所計算出的幀的起始位的功率計算第一閾值，和基于計算出的幀的停止位的功率計算第二閾值。
18.根據權利要求10所述的閾值補償器，其特征在于，閾值檢測器被配置為接收信號，該信號是OOK調制信號、BPSK調制信號和BFSK調制信號之一。
19.一種接收機，其特征在于，包括根據權利要求10所述的閾值補償器。
20.一種系統，其特征在于，包括根據權利要求10所述的閾值補償器，其中，所述系統是以下系統之一:機器到機器的通信系統；有線串行通信系統；車載通信系統；片上網絡，其中信息通過電力線在芯片上的不同系統之間傳輸；和接收機，被配置為從醫療設備接收信號 。
【文檔編號】H04L1/00GK103716271SQ201310435862
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】賽科提·普拉薩德·舍洛伊 申請人:Nxp股份有限公司