CN103051415A - 用于通信系统的将比特编码为符号的设备和方法 - Google Patents

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CN103051415A CN2012103776528A CN201210377652A CN103051415A CN 103051415 A CN103051415 A CN 103051415A CN 2012103776528 A CN2012103776528 A CN 2012103776528A CN 201210377652 A CN201210377652 A CN 201210377652A CN 103051415 A CN103051415 A CN 103051415A
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Abstract

描述了一种用于通信系统的将比特编码为符号的设备和方法。在一个实施例中，用于通信系统的将比特编码为符号的方法包括：接收要发送的N比特数据集，其中N是整数；使用多项式产生辅助加扰值；使用辅助加扰值对所述N比特数据集进行加扰，以产生加扰的数据；将加扰的数据映射为多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N；以及输出所述特定M符号集，以经由传输介质进行发送。还描述了其他实施例。

Description

用于通信系统的将比特编码为符号的设备和方法
技术领域
本公开涉及一种用于通信系统的将比特(bit)编码为符号(symbol)的设备和方法。
背景技术
当脉冲幅度调制(PAM)信号流经由具有变压器形式的无源高通滤波器或者任何高通滤波器的串行点到点通信介质传输时，接收机处接收到的信号将无DC，原因在于高通滤波器衰减了PAM信号的低频分量。如果PAM信号流不是无DC的，则信号流的DC开始从标称电压移向正电压或负电压。这种现象称作基线漂移(BLW)，这种现象的发生通常是由于网络变压器或任何形式的高通滤波器的高通本质以及用于数据传输的符号没有频繁的正负电压转变。当发生BLW时，系统的误码率(BER)性能劣化。改善基线漂移现象的最常见解决方案是：1)通过在本地接收机中再生所传输信号的近似DC值来补偿BLW，2)通过估计在发送PAM信号流之前本地发射机中发射信号的等价DC值来补偿BLW(这种方法可能不太有效，原因在于这是前馈方法)，以及3)在发射机处，使用比特至符号映射技术，其中符号具有充足的正负电压转变。
对于第一种解决方案，常规技术在接收机处使用基线漂移补偿单元，也称作基线漂移电路，其补偿接收信号的DC电平的变化。通过使用这种解决方案，使用数字信号处理(DSP)算法来在数字域中有效地补偿BLW。因此，在高速串行通信系统中，基线漂移电路的使用增加了如下方面的成本：硅面积和接收机电路的功耗。
对于第二种解决方案，这种方法是基于前馈的，因此不能得到有效的解决方案。
对于第三种解决方案，常规比特至符号映射技术确实在发射机中提供符号的充足正负电压转变来改善系统的BER性能。
然而，需要一种比特至符号映射技术，以进一步改善串行通信系统的BER性能。
发明内容
描述了一种用于通信系统的将比特编码为符号的设备和方法。在一个实施例中，用于通信系统的将比特编码为符号的方法包括：接收要发送的N比特数据集，其中N是整数；使用多项式产生辅助加扰值；使用辅助加扰值对所述N比特数据集进行加扰，以产生加扰的数据；将加扰的数据映射为多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N；以及输出所述特定M符号集，以经由传输介质进行发送。还描述了其他实施例。
在一个实施例中，一种用于通信系统的将比特编码为符号的设备包括：辅助加扰模块，被配置为使用多项式产生辅助加扰值；数据加扰模块，被配置为使用来自辅助加扰模块的辅助加扰值来对要发送的N比特数据集进行加扰，以产生加扰的数据，其中N是整数；以及符号发生模块，被配置为将加扰的数据映射为多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N，M个符号是要经由传输介质进行发送的符号。
在一个实施例中，一种用于通信系统的将比特编码为符号的方法包括：将一个附加比特串接至要发送的数据字节，以产生9比特数据；使用多项式产生9个加扰值；使用9个辅助加扰值对所述9比特数据进行加扰，以产生9比特加扰的数据；将所述9比特加扰的数据映射为多个6符号集中的特定6符号集；以及输出所述特定6符号集，用于经由传输介质进行发送。
附图说明
通过以下结合附图以示例方式对本发明原理的详细描述，本发明实施例的其他方面和优势将变得清楚。
图1是根据本发明实施例的通信系统的示意框图；
图2是根据本发明实施例的通信系统中包括的通信设备的发射机的框图；
图3是根据本发明实施例的比特至符号映射表的示例；
图4是根据本发明实施例的通信系统中包括的通信设备的发射机的框图；
图5是根据本发明实施例的用于通信系统的将比特编码为符号的方法的流程图。
贯穿描述，相似参考数字可以用于标识相似元件。
具体实施方式
将容易理解，在此一般性描述以及附图中所示的实施例中的部件可以多种不同配置来设置和设计。因此，以下对附图中所示的多种实施例的详细描述并非旨在限制本公开的范围，而仅是多种实施例的代表。尽管在附图中呈现了实施例的多个方面，但是除非特别指出，否则附图并不一定按比例绘制。
所描述的实施例在所有方面都应认为只是说明而非限制。因此，本发明的范围由所附权利要求而非在此的详细描述来予以指示。落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变应包括在权利要求的范围内。
贯穿本说明书，对特征、优势或类似语言的引用并非暗示能够利用本发明实现的所有这些特征和优势应该处于或者处于任何单一实施例中。相反，涉及特征和优势的语言应理解为结合实施例所描述的具体特征、优势或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，特征、优势和类似语言的讨论可以但并非一定涉及相同实施例。
此外，所描述的本发明的特征、优势和特性可以在一个或多个实施例中以任何适当方式组合。鉴于本文的描述，本领域技术人员将意识到，可以在不具有具体实施例的一个或多个具体特征或优势的情况下实践本发明。在其他情况下，可以在一些实施例中实现可能未在本公开的所有实施例中呈现的附加特征和优势。
贯穿本说明书，对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着，结合所指实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但并非全都涉及相同实施例。
图1是根据本发明实施例的通信系统100的框图。通信系统包括经由一个或多个通信媒介104彼此进行通信的多个通信设备102A和102B。通信设备可以是单机设备或者是嵌入了一个设备或一组设备的大系统(例如交换机或路由器)的一部分。在图1中，所示通信系统包括两个通信设备。然而，通信系统可以包括直接与共享的通信介质相连或者经由交换机/路由器等连接的附加通信设备。此外，在所示实施例中，通信系统经由通信设备之间的单条非屏蔽双绞线(UTP)提供串行点到点全双工通信。然而，在其它实施例中，通信系统可以在通信设备之间提供不同种类的有线通信或无线通信。如下文更详细所述，通信设备使用比特至符号编码技术，以在发射时提供符号的充足正负电压转变来改善系统的BER性能。
通信设备102A和102B在结构和功能上彼此类似。每个通信设备被配置为发射和接收符号形式的数据，每个符号可以是正一(+1)、零(0)或负一(-1)这三个不同值之一。因此，要在通信设备之间传输的数据在经由传输介质104(可以是通信设备之间连接的UTP电缆)进行传输之前首先被映射至不同符号。
如图1所示，通信设备102A和102B各自均包括处理单元106、发射机电路108、接收机电路110、混合(hybrid)电路112和高通滤波器(HPF)114。处理单元被配置为产生要向其它通信设备发送的输出数据以及处理来自其它通信设备的输入数据。处理单元还被配置为执行一个或多个操作。处理单元的具体操作可以随通信系统100的应用而改变。在一些实施例中，处理单元可以包括能够执行处理单元的至少一些操作的处理器。处理器可以是诸如微处理器或微控制器等通用数字处理器，诸如数字信号处理器、控制器或现场可编程门阵列(FPGA)等专用处理器。
发射机电路108被配置为从处理单元106接收输出数据并且将输出数据编码为用于发射的符号。然后，向混合电路112发送要发射的符号，以经由高通滤波器114(例如可以是变压器)在传输介质104上进行传输。接收机电路110被配置为经由高通滤波器和混合电路从传输介质接收输入符号并且将符号解码为原始发射的数据。然后向处理单元发送解码的数据以进行处理。
混合电路112被配置为促进经由高通滤波器114在传输介质104(可以是UTP电缆)上进行全双工通信。当两个发射机经由UTP电缆同时发射符号时，电缆上的信号是两个发射的符号之和。在这种情况下，混合电路将发射的信号与接收的信号相分离。
现在转到图2，示出了根据本发明实施例的通信设备102A和102B的发射机电路108。发射机电路被设计为将N比特(N位)数据编码为M个符号的集合，其中N和M是整数，使得M小于N。N比特数据包括要发送的信息，其以M个符号的形式在传输介质104上进行传输。发射机电路包括比特转换模块202、数据加扰(scrambler)模块204、辅助加扰模块(side scrambler module)206、符号发生模块208、符号搅乱(shuffling)模块210、乘法模块212和多路复用器214。因为这些模块是发射机电路的部件，所以这些模块中的至少一些包括执行其相应功能的电路。发射机电路还可以包括在发射机中常见的经由UTP电缆串行地发射信号的部件，比如以太网发射机电路。
比特转换模块202被配置为接收要发送的数据集。在一个实施例中，比特转换模块接收的数据集是N比特数据，其中N是8。因此，比特转换模块接收的数据集是8比特数据或数据字节，将利用该示例来描述图2所示部件的操作。然而，在其它实施例中，接收的数据集可以是比数据字节小或大的数据。在具体实现中，比特转换模块在四条并行信号线路上从介质无关接口(MII)216接收数据字节。在该实现中，比特转换模块202、数据加扰模块204、辅助加扰模块206、符号发生模块208和符号搅乱模块210是通信设备102A或102B的物理层(PHY)的物理编码子层(PCS)的一部分。比特转换模块还被配置为将附加的一个比特串接至接收的数据字节的最高有效位，以产生9比特串接数据tx_data[8:0]。即，通过将附加的一个比特添加到接收到的数据字节来将接收的数据字节构造成9比特数据集tx_data[8:0]。通过使用额外的串接比特(tx_data[8:0]的第8位)来将接收的数据字节转换为三个3比特数据。在一个实施例中，所述额外的比特是冗余比特，其被串接到接收的数据字节的MSB，以检测或校正符号错误。在其它实施例中，所述额外的比特可以是来自MII的下一半字节(nibble，4比特)的LSB，或者可以是来自MII的下一接收半字节的任何比特。得到的9比特数据tx_data[8:0]作为比特转换模块的输出被发送至数据加扰模块。在这些实施例中，比特转换模块的输出是接收的数据字节。
数据加扰模块204被配置为从比特转换模块202接收9比特数据tx_data[8:0]，并且使用来自辅助加扰模块206的9个辅助加扰输出值Scn[8:0]来对9比特数据进行加扰，以产生加扰的9比特数据Sdn[8:0]。例如，辅助加扰模块的输出值Scn[8:0]可以表示为(其中，符号^意为XOR操作)：
Scn[8:7]＝Syn[8:7]；
Scn[6]＝Syn[6]；
Scn[5:4]＝Syn[5:4]；
Scn[3]＝Syn[3]；
Scn[2:1]＝Syn[2:1]；以及
Scn[0]＝Syn[0]。
变量Syn[8:0]可以如下计算：
Syn[0]＝Scrn[0]；
Syn[1]＝Scrn[3]^Scrn[8]；
Syn[2]＝Scrn[6]^Scrn[16]；
Syn[3]＝Scrn-1[0]，
Syn[4]＝Scrn-1[3]^Scrn-1[8]，
Syn[5]＝Scrn-1[6]^Scrn-1[16]，
Syn[6]＝Scrn-2[0]，
Syn[7]＝Scrn-2[3]^Scrn-2[8]，
Syn[8]＝Scrn-2[6]^Scrn-2[16]。
通过使用上述表达式，数据加扰模块204产生的加扰的9比特数据Sdn[8:0]例如可以定义为：
Sdn[8]＝Scn[8]^tx_data[8]；
Sdn[7:6]＝Scn[7:6]；
Sdn[5]＝Scn[5]^tx_data[5]；
Sdn[4:3]＝Scn[4:3]；
Sdn[2]＝Scn[2]^tx_data[2]；以及
Sdn[1:0]＝Scn[1:0]
通过使用Scrn[32:0]值，表达式Sgn[5:0]例如可以定义为：
Sgn[0]＝Scrn[1]^Scrn[5]；
Sgn[1]＝Scrn[4]^Scrn[8]^Scrn[9]^Scrn[13]；
Sgn[2]＝Scrn[7]^Scrn[11]^Scrn[17]^Scrn[21]；
Sgn[3]＝Scrn[10]^Scrn[14]^Scrn[15]^Scrn[19]^Scrn[20]^
Scrn[24]^Scrn[25]^Scrn[29]；
Sgn[4]＝Scrn[13]^Scrn[16]^Scrn[18]^Scrn[23]^Scrn[26]^
Scrn[27]^Scrn[30]^Scrn[31]；
Sgn[5]＝Scrn[16]^Scrn[21]^Scrn[22]^Scrn[24]^Scrn[25]^
Scrn[28]^Scrn[29]^Scrn[32]
辅助加扰模块206是产生辅助加扰值流的逻辑电路。在一个实施例中，辅助加扰模块被实现为具有33个延迟元件的线性反馈移位寄存器(LFSR)。当发射机电路作为主设备进行工作时，辅助加扰模块使用的主加扰多项式可以是gm(x)＝1+x13+x33，用于产生Scrn[32:0]值。当发射机电路作为从设备进行工作时，辅助加扰模块使用的从加扰多项式可以是gs(x)＝1+x20+x33，用于产生Scrn[32:0]值。
符号发生模块208被配置为接收加扰的9比特数据Sdn[8:0]，并且通过使用比特至符号映射表来将接收的9比特数据映射为6个符号An、Bn、Cn、Dn、En和Fn的集合，其中，比特至符号映射表可以存储在符号发生模块或者符号发生模块能够访问的存储设备(未示出)中。图3示出了这种比特至符号映射表的示例。比特至符号映射表可以具有至多512个条目，其中，每个条目具有六个符号，每个符号可以取正一(+1)、零(0)或负一(-1)这三个不同值之一。因为存在729(36)个可能符号而仅有512(29)个可能的9比特数据，所以在从729个可能符号中选择512个符号方面，存在一定的自由度。因此，可以选择512个符号，使得符号流的DC特性尽可能接近零，并且符号之间的欧几里得距离大到足以保持所要求的BER性能。向乘法单元212发送符号发生模块的输出，使得6个符号中的每一个符号分别发送至一个乘法单元。在所示实施例中，响应于发射使能信号tx_enable(可以来自处理单元106)，符号发生模块将接收的9比特数据映射为6个符号的集合。
符号搅乱模块210被配置为从辅助加扰模块206接收状态信息并且向乘法单元212发送状态信息，用于执行符号极性搅乱(polarityshuffling)。在一个实施例中，符号搅乱模块根据辅助加扰模块208的状态，向各乘法单元发送-1值或+1值，以改变来自符号发生模块208的符号的极性。辅助加扰模块的初始状态可以选为除全零之外的任何值。因此，每个乘法单元将从符号发生模块接收的符号乘以-1值或+1值，从而搅乱符号发生模块产生的6个符号的极性。然后，得到的六个符号的集合被发送至混合电路112(图1所示)用于发送。在具体实现中，得到的符号被发送至解复用器214(在所示实施例中，是6:1解复用器)，以经由物理介质连接(PMA)在单条UTP电缆(比如图1所示的UTP电缆104)上串行地进行传输。
为了对经由UTP电缆104发送的符号进行解码，通信设备102A和102B的接收机110包括执行解码处理所必需的部件，其中，解码处理实质上是编码处理的反向过程。因此，接收机的部件需要将接收的符号进行解复用(1:6)来产生6个符号的集合，对6个符号的集合进行解搅乱，将6个解搅乱的符号转换为9比特的加扰数据，解扰9比特的加扰数据，并且将9比特数据转换为4比特数据。为了执行符号解搅乱和比特解扰，接收机需要产生与发射机中的辅助加扰值相类似的辅助加扰值，以执行这些操作。根据本发明一个实施例的上述比特至符号编码技术相对常规比特至符号编码技术具有优势。例如，当与转让于Broadcom公司的US专利No.7,835,389中描述的比特至符号技术相比时，本文描述的比特至符号编码技术改善了DC特性，并且使BLW更简单。即，发射的PAM信号流的DC在接收机处接收该流时不会改变(或者可能改变得小很多)，使得在接收机处不需要基线漂移电路或者使得基线漂移电路的复杂性比Broadcom的解决方案低。
现在转到图4，示出了能够在通信设备102A和102B中使用的根据本发明备选实施例的发射机电路408。与图2所示的发射机电路108类似，图4所示的发射机电路408被配置为将N比特数据编码为M个符号的集合，其中N和M是整数，使得M小于N。然而，发射机电路408不执行符号搅乱操作。因此，发射机电路408包括MII 216、串接模块202、数据加扰模块204、辅助加扰模块206和符号发生模块208，但是不包括符号再搅乱模块210和乘法单元212。
发射机电路408按照与图2所示的发射机电路108相同的方式进行工作，以使用诸如图3所示的表等比特至符号映射表来产生M个符号的集合，其中，比特至符号映射表可以存储在符号发生模块208或者符号发生模块能够访问的存储设备(未示出)中。同样使用数据字节被编码为6个符号的集合的具体实现，来描述发射机电路408的操作。比特转换模块202例如在四条并行信号线路上从MII 216接收数据字节，将附加的一个比特串接至数据字节并且输出得到的9比特数据tx_data[8:0]。然后，数据加扰模块204从比特转换模块接收9比特数据tx_data[8:0]，并且使用来自辅助加扰模块206的9个加扰输出值Scn[8:0]来对9比特数据进行加扰，以产生加扰的9比特数据Sdn[8:0]。然后，符号发生模块208接收加扰的9比特数据Sdn[8:0]，并且使用比特至符号表将接收的9比特数据映射为6个符号的集合。然后，得到的6个符号的集合被发送至混合电路112用于发送。
在该备选实施例中，因为没有搅乱符号，所以当在接收机处接收时不需要解搅乱符号。因此，在该备选实施例中，通信设备102A和102B的接收机110包括执行解码处理(无解搅乱)所必需的部件。因此，接收机的部件需要对接收的符号进行解复用(1:6)来产生6个符号的集合，将6个符号转换为9比特加扰的数据，对9比特加扰的数据进行解扰，并且将得到的数据字节转换为4比特数据。
根据本发明备选实施例的上述比特至符号编码技术将显著减少实现发射机所必需的电路部件。然而，该备选比特至符号编码技术将导致不那么简单的BLW并且劣化DC特性。
图5是根据本发明实施例用于通信系统的将比特编码为符号的方法的处理流程图。在块502中，将一个附加比特串接至要发送的N比特数据集以产生串接数据，其中N是整数。在块504中，使用多项式产生辅助加扰值。在块506中，使用辅助加扰值来加扰串接数据，以产生加扰的数据。在块508中，将加扰的数据映射到多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N。在块510中，输出特定M符号集，以经由传输介质进行传输。
可以以硬件、非临时性计算机可读介质中存储的软件或者二者的组合来实现已经描述或描绘的实施例的多种部件或单元。非临时性计算机可读介质可以是电、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装置或器件)，或者传播介质。非临时性计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除式计算机磁碟、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括具有只读存储器的紧凑型盘(CD-ROM)、带读/写的紧凑型盘(CD-R/W)、数字视频盘(DVD)和蓝光盘。此外，可以在处理器中实现已经描述或描绘的实施例的多种部件或单元，所述处理器可以包括多功能处理器和/或专用处理器。
尽管在此按照一定顺序示出和描述了方法操作，但是可以改变方法操作的顺序，使得可以按照相反顺序执行某些操作或者使得某些操作可以至少部分地与其它操作并发地执行。在另一实施例中，可以按照间歇的方式和/或交替的方式来实现不同操作的指令或子操作。
此外，尽管已经描述或描绘的本发明具体实施例包括本文描述或描绘的若干部件，但是本发明的其它实施例可以包括更少或更多的部件，用于实现更少或更多的特征。
此外，尽管已经描述和描绘了本发明的具体实施例，但是本发明不限于所描述和描述的部件的具体形式或布置。由所附权利要求及其等同物来限定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于通信系统的将比特编码为符号的方法，所述方法包括：
接收要发送的N比特数据集，其中N是整数；
使用多项式产生辅助加扰值；
使用辅助加扰值对所述N比特数据集进行加扰，以产生加扰的数据；
将加扰的数据映射为多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N；以及
输出所述特定M符号集，以经由传输介质进行发送。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述N是8，所述接收包括接收要发送的数据字节。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述M是6，所述映射包括将加扰的数据映射为多个6符号集中的特定6符号集。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述产生包括使用以下多项式产生辅助加扰值：gm(x)＝1+x13+x33或者gs(x)＝1+x20+x33。
5.如权利要求1所述的方法，还包括使用辅助加扰值的状态来搅乱M个符号的极性。
6.如权利要求1所述的方法，还包括将M个符号复用到单条输出线路，使得能够经由传输介质串行地发送所述M个符号。
7.如权利要求5所述的方法，其中，传输介质包括非屏蔽双绞线(UTP)电缆。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：在四条并行信号线路上从介质无关接口(MII)接收N比特数据集，然后将一个附加的比特串接至所述N比特数据集。
9.如权利要求1所述的方法，还包括将一个附加的比特串接至要发送的N比特数据集。
10.一种设备，包括：
辅助加扰模块，被配置为使用多项式产生辅助加扰值；
数据加扰模块，被配置为使用来自辅助加扰模块的辅助加扰值来对要发送的N比特数据集进行加扰，以产生加扰的数据，其中N是整数；以及
符号发生模块，被配置为将加扰的数据映射为多个M符号集中的特定M符号集，其中M是整数并且M小于N，M符号是要经由传输介质进行发送的符号。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述N是8，数据加扰模块被配置为对要发送的8比特数据集进行加扰。
12.如权利要求10所述的设备，其中，所述M是6，符号发生模块被配置为将加扰的数据映射为多个6符号集中的特定6符号集。
13.如权利要求10所述的设备，其中，辅助加扰器模块被配置为使用以下多项式产生辅助加扰值：gm(x)＝1+x13+x33或者gs(x)＝1+x20+x33。
14.如权利要求10所述的设备，还包括符号搅乱模块，被配置为使用辅助加扰值的状态来输出值，以搅乱符号极性。
15.如权利要求10所述的设备，还包括多路复用器，被配置为将M个符号复用到单条输出线路，使得能够经由传输介质串行地发送所述M个符号。
16.如权利要求10所述的设备，其中，传输介质包括非屏蔽双绞线(UTP)电缆。
17.如权利要求10所述的设备，还包括比特转换模块，被配置为将一个附加的比特串接至要发送的所述N比特数据集。
18.一种用于通信系统的将比特编码为符号的方法，所述方法包括：
将一个附加比特串接至要发送的数据字节，以产生9比特数据；
使用多项式产生9个加扰值；
使用9个辅助加扰值对所述9比特数据进行加扰，以产生9比特加扰的数据；
将所述9比特加扰的数据映射为多个6符号集中的特定6符号集；以及
输出所述特定6符号集，用于经由传输介质进行发送。
19.如权利要求18所述的方法，还包括将6个符号复用到单条输出线路，使得能够经由传输介质串行地发送所述6个符号。
20.如权利要求18所述的方法，还包括使用辅助加扰值的状态来搅乱M个符号的极性。
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