CN103141095B - 串行化数据流中的统计字边界检测 - Google Patents
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Abstract
公开使用算法的方法、系统和装置,其包括:以周期N使数据流中的比特得分,其中N是比特中的字‑长;并且然后在一些大量的样本后选择获得最高得分的比特作为最高有效比特。比特bk获得分数点所处的条件取决于二进制格式。
Description
发明权利
通过国家自然科学基金和联合大学公司之间合作协定号AST-0956545和AST-0223851下的美国政府支持来作出本发明,并且因此,美国政府在本发明中具有某些权利。
对有关申请的参考
本申请要求2010年7月26日提交的美国临时申请号61/367733和2010年7月28日提交的61/368422的优先权,这两者都命名为“串行化数据流中的统计字边界检测(Statistical Word Boundary Detection in Serialized Data Streams)”,并且通过引用而特别且全部结合于此。
背景
1. 发明的领域
本发明针对评价数据流的方法和系统,并且特别地,涉及检测数据流中的字边界的方法和系统。
2.发明的背景
在宽的带宽数据传送的广泛的、完善建立的领域中,承认在广泛的环境条件面前数字链路的优越稳定性、保真度和健壮性而由数字链路慢慢取代模拟链路。模拟链路仅在收集大量数据并且数字硬件可用的资源严重受到限制的最苛刻情况下仍然是优选的解决方案。尽管被精心设计并且非常可靠,常规的数字链路依靠传送器处的工业标准格式化,其仅可以使用例如微处理器或VLSI电路的复杂的高速数字逻辑装置来实现。
下面是模拟光纤链路中当前技术发展水平的示例:由Photonics Systems公司.的PSI-1600系列微波光子链路、由Linear Photonics的XiMod 25/30GHz光纤链路以及由Miteq的SATCOM光纤产品。像所有模拟链路技术一样,它们的性能对例如温度、振动和线缆弯曲的环境因素敏感,并且它们由于介质的基本属性(例如分散和耗散损失)而不可恢复地使信号降级。
下面提供数字光纤链路中的当前技术发展水平的一示例:2005年新德里第28届URSI会员大会,B. Carlson, P. Dewdney, P. Napier和D. Fort的“Data Transmissionand Signal Processing for the Expanded Very Large Array (EVLA)”。尽管在大部分环境扰动面前是健壮且可靠的,实现必须要求接收器室(资源极其有限的困难空间)中的大量辅助硬件。
发明内容
本发明克服与当前策略和设计关联的问题和缺点并且提供统计地确定数据流中的字边界的新系统和方法。
本发明的一个实施例针对方法。该方法包括一个或多个处理器,其获得数据集,其中该数据集包括字,并且这些字包括符号;使用数据集的统计属性推断字之间的边界;并且输出具有标识的字边界的数据集。
在一优选实施例中,每字的符号数量是恒定的并且使用数据集的统计属性推断每字的符号数量。在另一个实施例中,每字的符号数量是动态的并且使用数据集的统计属性推断每字的符号数量。
优选地,数据集采用串行格式。串行数据优选地采用小字节序或大字节序顺序中的一个。在优选实施例中,方法还可包括将串行数据转换成并行数据。在优选实施例中,方法还可包括通过移动、旋转、延迟和缓冲中的一个重新对齐并行数据。
优选地,符号是二进制数字或比特。字的格式优优选地是符号加数值、标准二进制、偏移二进制、二的补码、一的补码、浮点和格雷码中的一个。
在优选实施例中,字具有已知的固定长度。数据集可分成与字具有相同长度的符号组。方法优选地包括基于布尔逻辑测试对每个组中的符号位置指派得分。优选地,这些得分在有限数量的组上累积。
优选地,方法进一步包括通过累积的得分标识单个符号位置,并且推断该单个符号位置占据数据集的字内的单个位置。推断的位置优选地是最高有效数字、最低有效数字和符号数字中的一个。
优选地,数据集包括采用符号加数值格式的二进制字,布尔逻辑测试是
,并且
bk是比特k的值,bk-1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是符号数字。
在另一个实施例中,数据集包括采用标准二进制或偏移二进制格式的二进制字,布尔逻辑测试是
,并且
bk是比特k的值,bk-1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是最高有效比特。
在另一个实施例中,数据集包括采用二的补码格式的二进制字,布尔逻辑测试是
;并且
bk是比特k的值,其中bk-1和bk+1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是最高有效比特。
在一优选实施例中,方法进一步包括通过介质传送数据集。该介质可以是传送线、光纤、同轴线缆和自由空间中的一个。优选地,该介质是波导。该波导可以是矩形、圆形、椭圆形或脊形中的一个。
在一优选实施例中,字的功率谱密度大致上等于白噪声的功率谱密度。优选地,字的概率分布大致上是高斯分布。优选地,字是由模拟到数字转换器(ADC)的样本输出。
在优选实施例中,来自多个源的字被交织。方法优选地进一步包括主动和被动其中之一地收集数据集。数据集可以是SONAR、RADAR、辐射计、反射计和偏振计中的一个的输出。
本发明的另一个实施例针对包括处理器的系统。该系统获得包括字的数据集,并且字包括符号;使用数据集的统计属性推断字之间的边界;并且输出具有标识的字边界的数据集。
在一优选实施例中,系统进一步包括串行化器和/或光纤。优选地,系统进一步包括具有传送端和接收端的数据传送链路。该传送端优选地包括模拟到数字转换器(ADC)、串行化器、激光器驱动器和激光器中的一个或多个。接收端优选地包括光电二极管、跨阻抗放大器、解串器、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)中的一个或多个。
优选地,系统是SONAR、RADAR、辐射计、反射计、偏振计、无线传送器、蜂窝电话、成像摄像机、传送器、接收器和收发器中的一个。优选地,系统进一步包括分光计和相关器中的一个。优选地,系统进一步包括数据记录器。
本发明的另一个实施例针对模拟到数字转换器(ADC)。ADC包括模拟输入和数字输出。输出采用串行格式并且未对于字对齐将输出编码。
优选地,ADC的类型是直接转换或闪速、逐次逼近、斜坡-比较、威尔金森(Wilkinson)、集成、delta-编码的、管道、Sigma-Delta、时间交织的和时间-伸展。优选地,ADC输出介质是铜、光纤和自由空间中的一个。在一优选实施例中,比特分辨率是可调的。
本发明的另一个实施例针对标识字边界的方法。该方法包括装置,其获得串行数据流,其中该数据流包括字,并且这些字包括符号;使用数据流的统计属性推断字之间的边界;并且输出具有标识的字边界的数据流,其中该装置是解串器、多路分解器和通用异步接收器/传送器(UART)中的一个。
本发明的其他实施例和优点部分在描述中阐述(其如下),并且部分可从该描述变得明显,或可从本发明的实践习得。
附图说明
仅通过示例并且参考附图更详细地描述本发明,其中:
图1是最小传送开销光子链路的简化框图。
图2是模拟信号和使用符号-数值、标准二进制和二的补码格式的对应5-比特采样输出字的概率分布的图。
图3是符号-数值格式的得分概率的标绘图。N=8比特。横坐标解释为信号的平均电压摆幅(2σ)除以采样器的全标度范围(2Nv0)。
图4是是标准二进制格式的得分概率的标绘图。N是任意数。横坐标解释为信号的平均电压摆幅(2σ)除以采样器的全标度范围(2Nv0)。
图5是二的补码格式的得分概率的标绘图。N=8比特。横坐标解释为信号的平均电压摆幅(2σ)除以采样器的全标度范围(2Nv0)。
图6描绘使用描述的算法(其中计算的M=255个字并且σ=5v0)的8-比特、二的补码数据的得分的概率分布。
图7描绘对于二的补码格式中多个常见使用情况的作为计算的样本M的函数的算法失败(锁定在不正确的比特上)的概率。
图8是在N=2时的得分概率的标绘图。结果对于所有二进制格式是相同的。插图示出在不同功率水平处模拟信号的高斯分布以及在四个采样器箱(bin)中的对应概率。
图9描绘对于没有CW分量的标准二进制数据的理论(线)和测量(标记)的得分概率。用于测量的数据流的频谱在右上角中示出。
图10描绘对于具有高频带CW分量的标准二进制数据的理论(线)和测量(标记)的得分概率。用于测量的数据流的频谱在右上角中示出。
图11描绘对于具有低频带CW分量的标准二进制数据的理论(线)和测量(标记)的得分概率。用于测量的数据流的频谱在右上角中示出。
图12描绘对二的补码数据的理论(线)和测量(标记)的得分概率。数据点取自多个频谱,其包括具有注入的低频带、中频带和高频带CW音调的一些以及来自Green BankTelescope(其中呈现显著水平的RFI)上的L-频带前端的一些。频谱中的一些横过标绘图的顶部示出。
图13描绘使用高速XOR门、模拟低通滤波器和比较器的标准/偏移二进制的字边界检测系统的一个可能的实现。
具体实施方式
如在本文中实施并且广泛描述的,本文中的公开提供本发明的详细实施例。然而,公开的实施例可只是本发明的示范,其可采用各种和备选形式实施。因此,无意于特定结构和功能细节应该是限制性的,而相反,意图是它们对权利要求提供基础并且作为代表性基础以用于教导本领域内技术人员以不同的方式采用本发明。
图1描绘在传送侧上具有最小处理开销的点到点光纤数字数据链路的框图的一实施例。与在传送器处采用功率密集型格式化、架构和编码操作来管理和维护链路的常规数字光纤链路不同,例如射电天文“噪声”的独特的统计特性使这些技术中的许多变得不必要,并且允许使用数据本身作为诊断输入而完全在接收端处执行链路维护。
例如,不需要比特-加扰器来保证对时钟恢复的逻辑水平转变。来自接收器的噪声独自将足以确保具有足够频率的数据方面的转变。
在时钟恢复后在任意边界处通过将比特流分解成字-长段而在数据传送链路的接收端处开始算法。字可以是比特、符号或信号的任何编组。此外,字可以在二进制或另一个编号系统中。每个字的格式可以是符号加数值、标准二进制、偏移二进制、二的补码、一的补码、浮点、格雷码或其他格式。字可以来自一个源或多个源。如果字来自多个源,它们可以被交织。这些段内的比特位置则是基于它们是否满足使每个比特与其邻近比特有关的布尔逻辑测试的给定点。逻辑测试本身对于字格式(偏移二进制、二的补码、符号-数值等)是特定的。在一些预定的大量字上对得分记数,并且具有最高得分的比特位置确定为字中的最高有效比特(MSB)。数据流中的段然后可作为字由简单的延迟缓冲器或移位寄存器来重新对齐。
在采样数据具有高斯概率分布并且频谱含量是近似白噪声的常见应用中,算法运作因为已经精心设计逻辑测试以使在MSB上的得分通常是在字中的任何其他比特上的两倍多。在具有现实的通频带形状和适度强壮的人造射频信号的实际宽带射频数据上执行的模拟和测量示出这些非理想的特性未足够地改变统计以干扰算法。此外,本发明不限于以具有高斯概率分布的数据来使用,也不限于成为白噪声所需要的信号的频谱。具有有区别且稳定的统计(其根据数据字内的比特位置而不同)的任何数据集是本发明的应用的候选。具有可以采用此方式利用的已知统计属性的候选信号的其他示例包括原位传感器读出、主动雷达、声纳或激光雷达返回或一般具有任何种类的被动或受激发射的扫描。如果通过主动受激(例如雷达)收集数据集,主动信号可以是连续波,脉冲的、线性调频的、调制的或多频的,并且它可本地(单基地)、远程(双基地)或由其他环境源(机会性的)来合成。由算法用来区分字流中的比特的特定逻辑测试将从一个应用到下一个应用而不同,但一旦已知信号属性,它们的推导对于本领域内技术人员将是相对简单的。
在优选实施例中,假设以比特为单位的字的大小是事前已知的。因为所有样本值在理论上是可能的,即使具有变化的可能性,单个字-长的检查不足以可靠地确定数据中字边界的偏移。相反,将必须处理大量的字-长以便在作出正的检测并且需要的位移被放在适当的位置之前使统计的确定性累积。链路则可视为相对于字边界同步。
关于模拟信号统计作出两个假设。首先,假设它嘈杂(随机)地具有高斯分布,并且其次,假设它是白噪声,从而保证连续样本是不相关的。值得简要地承认确切意义上这些条件中的任一个严格来说都是不真实的。频谱将不可避免包括在一些水平的非高斯分量,并且由于频带限制滤波器、RFI和感兴趣信号,将总是存在跨源仪器的瞬时带宽的噪声功率的一些变化。
在这些假设下,对任何样本的模拟信号电压的概率分布由以下给出
(1)
其中v是瞬时模拟电压,μ是平均值,并且σ2是方差。在任何一个时刻信号将落在v1和v2之间的概率由以下给出
(2a)
(2b)
(2c)
这些概率已经使用下列归一化在图2中对32个箱列成表
(3)
其中vmax-vmin是采样器的模拟输入范围,v0是对每个水平的阈值电压,并且N是每样本的比特数量。已经进一步假设自中心没有偏移。小于一个采样器阈值的小偏移误差不应明显影响统计。在图的右侧上是采用若干二进制格式的采样器输出的5-比特二进制表示。该图仅用于说明,因为在该阶段未关于每字的比特数量作出假设。
最后,不失一般性地假设数据采用“小字节序”方式来串行化,这意味着每个字中的最低有效比特b0首先被传送,接着是其他比特b1…bN-1(以有效性递增的顺序)。这对于数字串行链路是最常见的习惯,然而之后的分析同样适用于“大字节序”数据流,假如以相反的顺序处理比特并且其中文本参考序列中的“先前的”或“接着的”字,相反要理解相对的意思。
算法如下。进入的串行化数据流分成N-比特组块,其中N是每字的比特数量。这些通常将不表示实际样本,因为还没有检测到字边界。算法的目标是确定N-比特组块内实际N-比特样本的偏移。对于组块内的每个比特位置,给出得分。如果规定的逻辑测试是TRUE,该比特位置获得1个分数点,并且如果测试结果是FALSE,获得0个分数点。测试将取决于使用的二进制格式。然后在一些大量的组块M上对得分记数,并且公告具有最高得分的比特位置是实际样本的最高有效比特(MSB)。
在一优选实施例中,串行化数据被转换成并行数据。该并行数据例如通过移动、旋转、延迟和/或缓冲被重新对齐。在此之前,可以通过介质传送数据,例如该介质可以是传送线、光纤、同轴线缆或自由空间。备选地,该介质可以是波导并且该波导是矩形、圆形、椭圆形或脊形中的一个。
可以通过首先考虑给定的比特将在对给定的二进制格式限定的逻辑测试中产生TRUE的概率而评估上文的算法的性能。对于实际样本中的比特k将该概率指示为pk。
授予组块i中的比特k的分数点则是伯努利分布随机变量Xi,k,其中平均值和方差由以下给出
(4a)
(4b)
(注意指数k指实际样本中比特的有效性,其中k=0对应于最低有效比特并且k=N-1对应于最高有效比特。这些比特在组块内的位置i是未知的直到完成算法。)
在对M个组块记录后比特位置k的得分Yk是
(5)
通过中心极限定理,我们知道对于大的M,Y的概率分布是高斯分布,其中平均值和方差由以下给出
(6a)
(6b)
算法失败的概率Pf是MSB的得分小于其他比特中的一个的得分的概率。
(7a)
(7b)
在失败的概率是小的并且是保守(即,它通过重复计算多于一个的错误比特具有比最高有效比特更高的得分的情况而过高估计失败概率)时保持逼近。对补余误差函数的有用的上界是
(8)
在下文,对三个常见的二进制格式(符号-数值、标准二进制和二的补码)评估该算法的性能。
符号-数值
尽管在该上下文中很少使用符号-数值标记法,但是它是相当简单的分析情况,因此它在这里被完整性论述。
首先,限定在应用于符号比特(其为了该分析目的被视为最高有效)时优选导致TRUE的逻辑测试。
从图2的检查中显而易见的是,在具有最高发生概率的样本字中,符号比特后的最高有效比特几乎总是接近电压标度的中心的零。后面的比特呈现具有较小频率的值零。“bk-1=0”因此可似乎是用于使每个比特得分的良好的逻辑测试,然而因为所有高位比特假设具有高概率的零值,该测试未很好地区分比特,尤其是在曾经仅使用最里面的样本码的低模拟功率水平处。若干比特位置可以容易地以几乎相同的得分结束。相反,添加当前比特bk也等于一的测试准则。尽管符号比特大致上一半时间未能通过该测试,它以更大规律性使前几个高位比特未通过。因此,
(9)
其中上标“sm”指符号-数值格式。在整篇该文献中,下标应该理解为循环的,使得
(10)
在等式(9)中通过测试的比特在图中被装入盒中,如果比特模式包含在字内则是实线的,并且如果它跨越字边界则是虚线的。给定比特获得分数点的概率是
(11)
并且可以是如下对于特定情况的图2的读出
(12a)
(12b)
(12c)
通过识别上文的模式,对于更一般情况的公式可以写为 (13)
其中第一情况s=0对应于符号比特。这在图3中标绘为信号强度的函数。
注意当信号强度非常高时,得到一个分数点的符号比特的概率迅速下降。这对应于采样器的饱和,在该情况下最外面的样本码开始比中心中的那些甚至更频繁地出现。算法在该情形下将失败。然而,这对于采样器不是有用的操作点,并且在实践中应几乎从不出现。对射电天文的标称信号强度通常对于量化噪声而最优化,其在大部分情况下将使操作点处于标绘图的左侧,远低于饱和交叉点,其中不存在对符号比特的强烈的统计偏差。显著的例外是二-比特采样(N=2),其将在下文讨论。
标准二进制
采用标准二进制(或偏移二进制)格式的采样器输出码在图2的第二列中示出。0和1的模式具有关于概率分布中心的奇对称,因此不管比特的有效性如何,任何比特将假设以相同概率地具有两个值。因此上文描述的对于符号-数值情况的方法将不适用。
相反,注意在最可能的采样器输出(采样器范围中心中的那些)中,两个最高有效比特不同,而接着的几个比特相同。因此,用于标准二进制情况的逻辑测试是当前的比特与先前的比特不同,
(14)
如上文,得到一个分数点的给定比特的概率可以从图读出
(15a)
(15b)
(15c)
或换句话说
(16)
其中
(17)
当s=N-1时,被比较的两个比特在当前的字与先前的字(使用小字节序比特顺序)之间的字边界上延伸。在该情况下不同的两个比特的概率简单地是一半,这是由于以下事实:0的概率和1的概率在所有比特位置中是同样可能的并且数据流中随后的字不相关。因此
(18)
这在图4中标绘,其清楚地示出对最高有效比特(k=N-1)到饱和交叉点左侧的强烈的统计偏差。
二的补码
对二的补码标记法的样本码在图2的最后一列中示出。与标准二进制不同,前两个比特在最常见样本中是相等的而不是不同。事实上,这是标准二进制与二的补码样本码之间的唯一差异。对二的补码的逻辑测试则将是当前的比特与先前的比特匹配,并且与接着的比特不匹配,
(19)
再次,比特得分的概率最容易从图读出,
(20a)
(20b)
(20c)
(20d)
对于s≥2的一般等式是,
(21)
这些概率在图5中标绘。
上文的算法可靠地运作,只要逻辑测试提供对MSB的强烈统计偏差,其通常对于射电天文中的标称信号水平是这样的情况。作为一示例,对于8-比特、二的补码数据的得分的概率分布(其中计算的M=255个字,并且σ=5v0)在图6中示出。对MSB(k=7)的钟形曲线远处于所有其他的右侧。在该情况下,失败的机会(如使用等式(7)计算的)小于7x10-7。
利用计算的字的数量,如在图7中对于许多常用情况示出的,可靠性呈指数地改善。在所有这些情况中,对最佳量化噪声的标称信号水平远低于饱和交叉点。
在接近使采样器饱和的射电天文中的唯一情况是何时使用两-比特采样。对于N=2的比特得分的概率在图8中示出。该标绘图对于所有二进制格式是相同的。使用二-比特采样的量化噪声的最佳水平近似是σ=v0(在标绘图上,σ/2v0=0.5)。算法将在该情形下运作,但统计边缘已经相对于到目前为止讨论的所有情况而减小,因此必须计算稍大数量的样本来实现相同的可靠性水平。
图8示出当信号水平增加到超过该点时,模拟信号的高斯曲线的长尾使外面的两个样本码出现的概率增加直到它们变得比最里面的码甚至更有可能出现。除移动1比特外,这些码与最里面的码相同。在这些条件下,算法将通过锁定错误比特而失败。
在实践中,如果当字边界检测算法正运行时对于采样器处于饱和没有任何担心,简单的办法将是在进行此之前仅仅使前端放大器偏置向下,从而使系统的增益下降以及将模拟信号水平推到标绘图的极左侧。一旦建立字-锁,可以使增益又转向。
算法包括以周期N使数据流中的比特得分(其中N是比特中的字-长)并且然后在一些大量样本后选择获得最高得分的比特作为最高有效比特。在比特bk获得分数点所处的条件取决于二进制格式,并且如下,
符号-数值:bk=1,bk-1=0
标准二进制:bk≠ bk-1
二的补码:bk = bk-1 ≠ bk+1
利用本发明,可以完全在接收端处执行数字串行链路的管理,而在传送端处没有发生任何特定格式化。这允许数字链路的传送电子器件的尺寸、复杂性和功耗充分减小。对于使用现成组件的典型应用,它可以仅由模拟到数字转换器(ADC)、串行化器、激光器驱动器和激光器组成。如果制造具有串行输出的定制ADC,串行化器也可以被消除。本发明避免需要ADC使用线路码,其插入逗号符号或其他控制来帮助字对齐。这使某些应用能够在仅可以使用模拟链路之前的地方实现数字传送的益处。在许多应用中,如在射电天文中,非常常见的是,功率、尺寸和重量限制在数据采样必须出现的地方比在发生数据处理和存储的地方的数据链路的接收端处要苛刻得多。算法可以在接收端处在软件或固件中实现。优选地,算法在例如解串器、多路分解器、通用异步接收器/传送器(UART)或其他处理器的逻辑装置中被硬编码。
算法例如可以与SONAR、RADAR、辐射计、反射计、偏振计、无线传送器、蜂窝电话、分光计、相关器、数据记录器、成像摄像机或另一个传送器、接收器或收发器一起使用。在一优选实施例中,数据传送链路用于传送数据集。该数据传送链路优选地具有传送端和接收端。该传送端可以包括模拟到数字转换器(ADC)、串行化器、激光器驱动器和激光器中的一个或多个,而接收端可以包括光电二极管、跨阻抗放大器、解串器、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)中的一个或多个。
在一优选实施例中,ADC的输出是串行的并且对于字对齐未被另外编码。ADC可以是直接转换或闪速、逐次逼近、斜坡-比较、威尔金森、集成、delta-编码的、管道、Sigma-Delta、时间交织的和时间-伸展。ADC的输出可以是铜、光纤、自由空间,或能够传送信号的另一个介质。优选地,比特分辨率是可调的。
下列示例图示本发明的实施例,但不应被看作限制本发明的范围。
示例
为了验证算法,以及证明RFI和其他非高斯、非白噪声效应对算法的影响,分析来自射电天文接收器的实际数据。数据根据由算法规定的逻辑测试来得分并且结果对于每个比特平均。通过裁剪波形并且截短比特而从相同的数据模拟多个信号水平。结果在图9至图12中示出。每个数据点代表100,000个样本上的平均。
图9是没有任何CW分量的数据的得分概率,如右上角中频谱中示出的。代表真实数据的标记落在标绘图的动态范围的大部分上的理论曲线的顶部上。在标绘图右侧处在开始裁剪波形的地方仅k=0比特略微偏离。这是逻辑测试(bk≠ bk-1)对于其跨越字边界的比特。对k=0的理论曲线基于以下假设:噪声是白噪声,因此在连续样本之间没有相关性。在测量中看到的偏离可能是由于频谱的“颜色”,或换句话说,频带的高端处的增益斜率。利用在幅度方面下降的高频分量,相邻样本之间的相关性是小的但是正的(因此,跨字边界的“错配”的机会更小)。
图10示出包含强的高频CW音调的频谱的得分概率。CW音调的强度大致上是频谱中总的综合功率的两倍。在该情况下,由于相邻样本之间小的但是负的相关性,k=0比特在比预测的更大的信号水平处具有更高的得分概率。在标绘图的极右边处,剩余比特在得分概率方面也比预期略快地下降,但总的来说,测量和理论之间的一致性是很好的。
图11示出包含强的低频CW音调的频谱的得分概率。再次,CW音调的强度大致上等于频谱中的噪声功率,并且因此是数据流中总的综合功率的两倍。这里,强的低频分量在连续样本之间形成正相关系数,并且k=0比特朝高信号水平处的较低概率偏离。
最后,图12示出取自多个不同频谱的二的补码数据流的理论和测量得分概率,所述频谱包括具有低-、中-和高-频带CW注入音调的一些以及使用Green Bank Telescope上的L-频带前端的一些(对其呈现高水平的宽带RFI)。然而,在所有这些情况中,非理想分量太微弱而不能在统计上引起与理论预测的显著偏离。
总的来说,尽管由于非常强的非高斯分量和非白噪声带通形状引起一些能测量的效应,测量和理论之间的一致性是非常好的,尤其是在算法操作所针对的动态范围上。
操作地,上文描述的字边界检测算法可以采用多个不同的方式使用,这取决于应用。例如,它可连续运行,每当计数器中的任一个变满时对每个比特位置使计数器重新归零,或它可以采用预定间隔周期地运行。对得分记数所在的窗口可包括给定间隔中的比特中的全部,或仅是子集,并且得分窗口可重叠。如果与在先前的迭代上被标识的相比较不同的比特位置标识为最高有效比特(MSB),可发起标志,其指示已经出现比特滑动。然后可简单地丢弃来自先前两个间隔的数据(因为滑动可已经在当前间隔或通过先前间隔的中途期间出现)或数据可被缓冲并且用滑行窗口重新处理以更好地定位滑动。
在一些实施例中,关于每个比特位置的得分可由数字逻辑记数。在其他实施例中,得分概率的测量可使用模拟手段来估计。例如,对标准/偏移二进制(bk≠ bk-1)考虑布尔逻辑测试。当数据流进入单个、高速异或(XOR)门时,这可以对任何和所有比特位置评估,如在图13中示出的。该逻辑门的快速二进制输出流然后可简单地通过模拟低通滤波器或漏积分器来平均。相对于XOR门的逻辑轨,该滤波器的输出电压将与它所应用的比特位置的平均得分概率成比例。通过将该电压得分与预定判定阈Vth比较,比较器则非常被需要以确定是否并行输出流被对齐。
从本文公开的本发明的说明书和实践的考虑,本发明的其他实施例和使用将对本领域内技术人员变得明显。本文引用的所有参考文献(包括所有出版物、美国和外国专利和专利申请)通过引用而特定并且全部结合。意图是说明书和示例仅视为示范性的,其具有由随附权利要求指示的本发明的真正范围和精神。此外,术语“包括”包含术语“由…组成”和“基本上由…组成”,并且术语包括、包含和含有不意在为限制性的。
Claims (51)
1.一种检测数据流中的字边界的方法,包括:
获得数据集,其中所述数据集包括字,并且所述字包括符号;
使用所述数据集的统计属性推断字之间的边界,其中,使用数据被获得时的所述数据本身从在接收端执行的、施加到所述数据集中的相邻符号的布尔逻辑测试推导所述数据集的统计属性;以及
输出具有标识的字边界的所述数据集。
2.如权利要求1所述的方法:
其中,每字的符号数量是恒定的;并且
其中,使用所述数据集的统计属性推断每字的符号数量。
3.如权利要求1所述的方法:
其中,每字的符号数量是动态的;并且
其中,使用所述数据集的统计属性推断每字的符号数量。
4.如权利要求1所述的方法,其中,所述数据集采用串行格式。
5.如权利要求4所述的方法,其中,串行数据采用小字节序或大字节序顺序中的一个。
6.如权利要求4所述的方法,进一步包括将所述串行数据转换成并行数据。
7.如权利要求6所述的方法,进一步包括通过移动、旋转、延迟和缓冲中的一个使所述并行数据重新对齐。
8.如权利要求1所述的方法,其中,所述符号是二进制数字或比特。
9.如权利要求1所述的方法,其中,所述字的格式是符号加数值、标准二进制、偏移二进制、二的补码、一的补码、浮点和格雷码中的一个。
10.如权利要求1所述的方法,其中,所述字具有已知的固定长度。
11.如权利要求1所述的方法,其中,所述数据集分成具有与所述字相同长度的符号组。
12.如权利要求1所述的方法,进一步包括基于所述布尔逻辑测试对每个组中的符号位置指派得分。
13.如权利要求12所述的方法,其中,所述布尔逻辑测试通过一个或多个高速逻辑门来评估。
14.如权利要求13所述的方法,其中,所述高速逻辑门的输出通过低通滤波器或漏积分器。
15.如权利要求14所述的方法,其中,用比较器将所述积分器的输出与判定阈比较来确定字边界对齐。
16.如权利要求12所述的方法,进一步包括在有限数量的组上累积得分。
17.如权利要求16所述的方法,进一步包括通过累积的得分标识单个符号位置,并且推断所述单个符号位置占据所述数据集的所述字内的单个位置。
18.如权利要求17所述的方法,其中,所推断的位置是最高有效数字、最低有效数字和符号数字中的一个。
19.如权利要求18所述的方法:
其中,所述数据集包括采用符号加数值格式的二进制字;
其中,所述布尔逻辑测试是
(bk=1)∧(bk-1=0);并且
其中,bk是比特k的值,bk-1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是符号数字。
20.如权利要求18所述的方法:
其中,所述数据集包括采用标准二进制或偏移二进制格式的二进制字;
其中,所述布尔逻辑测试是
bk≠bk-1;并且
其中,bk是比特k的值,bk-1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是最高有效比特。
21.如权利要求17所述的方法,其中,所述数据集包括采用二的补码格式的二进制字:
其中,所述布尔逻辑测试是
(bk=bk-1)∧(bk≠bk+1);并且
其中bk是比特k的值,其中bk-1和bk+1是相邻比特的值,并且推断具有最高的最后得分的比特位置是最高有效比特。
22.如权利要求17所述的方法,其中,所述得分被连续记数。
23.如权利要求17所述的方法,其中,所述数据集分成间隔。
24.如权利要求23所述的方法,其中,所述得分在每个间隔中字-长组的子集上累积。
25.如权利要求24所述的方法,其中,所述得分在间隔的交叠集中累积。
26.如权利要求1所述的方法,进一步包括通过介质传送所述数据集。
27.如权利要求26所述的方法,其中,所述介质是传送线、光纤、同轴线缆和自由空间中的一个。
28.如权利要求26所述的方法,其中,所述介质是波导。
29.如权利要求28所述的方法,其中,所述波导是矩形、圆形、椭圆形或脊形中的一个。
30.如权利要求1所述的方法,其中,所述字的功率谱密度等于白噪声的功率谱密度。
31.如权利要求1所述的方法,其中,所述字的概率分布是高斯分布。
32.如权利要求1所述的方法,其中,所述字是通过模拟到数字转换器(ADC)的样本输出。
33.如权利要求1所述的方法,其中,来自多个源的所述字被交织。
34.如权利要求1所述的方法,进一步包括主动和被动其中之一地收集所述数据集。
35.如权利要求1所述的方法,其中,所述数据集是SONAR、RADAR、辐射计、反射计和偏振计中的一个的输出。
36.一种检测数据流中的字边界的系统,包括:
用于获得包括字的数据集的装置,其中,所述字包括符号;
用于使用所述数据集的统计属性推断字之间的边界的装置,其中,使用数据被获得时的所述数据本身从在接收端执行的、施加到所述数据集中的相邻符号的布尔逻辑测试推导所述数据集的统计属性;以及
用于输出具有标识的字边界的所述数据集的装置。
37.如权利要求36所述的系统,进一步包括串行化器。
38.如权利要求36所述的系统,进一步包括光纤。
39.如权利要求36所述的系统,进一步包括具有传送端和接收端的数据传送链路。
40.如权利要求39所述的系统,其中,所述传送端包括模拟到数字转换器(ADC)、串行化器、激光器驱动器和激光器中的一个或多个。
41.如权利要求39所述的系统,其中,所述接收端包括光电二极管、跨阻抗放大器、解串器、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)中的一个或多个。
42.如权利要求36所述的系统,其中,所述系统是SONAR、RADAR、辐射计、反射计、偏振计、无线传送器和蜂窝电话中的一个。
43.如权利要求36所述的系统,其中,所述系统是成像摄像机。
44.如权利要求36所述的系统,其中,所述系统是传送器、接收器和收发器中的一个。
45.如权利要求36所述的系统,进一步包括分光计和相关器中的一个。
46.如权利要求36所述的系统,进一步包括数据记录器。
47.一种标识字边界的方法,包括:
获得串行数据流,其中所述数据流包括字,并且所述字包括符号;
使用所述数据流的统计属性推断字之间的边界,其中,使用数据流被获得时的所述数据流本身从在接收端执行的、施加到所述数据集中的相邻符号的布尔逻辑测试推导所述数据流的统计属性;以及
输出具有标识的字边界的所述数据流。
48.如权利要求47所述的方法,其中,所述数据流分成具有与所述字相同长度的符号组,进一步包括基于所述布尔逻辑测试对每个组中的符号位置指派得分,其中,所述得分在给定间隔中的所有字-长组上累积。
49.如权利要求48所述的方法,其中,在与先前间隔中相比较从给定间隔中的得分推断出不同的符号位置的情况下发起警告标志,其指示可能已经出现符号滑动。
50.如权利要求49所述的方法,其中,丢弃两个先前间隔的数据。
51.如权利要求49所述的方法,其中,用滑行得分窗口重新处理两个先前间隔的数据以更好地定位所述滑动。
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