CN103716271B - 基于二进制帧的通信系统中的自适应检测阈值补偿 - Google Patents

Abstract

一种在基于二进制帧的通信系统中产生自适应阈值的方法，包括收集对应于起始位的接收信号的Kst样本；计算起始位的接收信号的参数Pst的估计值；基于Pst调整开始阈值；收集对应于停止位的接收信号的Ksp样本；计算停止位的接收信号的参数Psp的估计值；基于Psp调整停止阈值。

Description

基于二进制帧的通信系统中的自适应检测阈值补偿

技术领域

本发明所披露的各种实施例涉及在基于二进制帧的通信系统中的自适应检测阈值补偿。

背景技术

在非理想信道中传输已调制的数据的任何通信系统中，接收机在解调所接收信号时会造成信道损伤。在二进制数据通信系统的特定情况下，解调的效率在于接收机区分在所接收的信号中二进制“0”或二进制“1”的传输的能力。确定在任何给定时间的数据信道的工作特性，将允许接收机对信道损伤进行补偿。对于二进制数据通信，接收机可使用两个阈值来确定何时在接收信号中检测到二进制“0”或二进制“1”。在随着时间缓慢变化的信道中，这些阈值可随时间进行调整，以补偿在通道中的变化。通常情况下，数据信道可以通过导频信号或用以确定信道特性的其它信号来表征。其缺点是由于费用的增加和系统复杂性的加大导致数据吞吐量减少。

发明内容

各种实施例的简要总结如下。在下面的发明内容中可能会作一些简化或省略，其目的是强调和介绍各种实施例的一些方面，而不是限制本发明的范围。在接下来的部分，会详细描述各个实施例以便本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明的思想。

各种实施例涉及在基于二进制帧的通信系统中制造自适应阈值的方法，包括：收集与起始位相对应的接收信号的Kst样本；计算与起始位相对应的一个或多个接收信号参数Pst的估计值；基于Pst调整阈值；收集与停止位相对应的接收信号的Ksp样本，计算与停止位相对应的一个或多个接收信号参数Psp的估计值；基于Psp调整阈值。

各种实施例涉及阈值补偿器，包括：帧位检测器；帧位收集器；帧位参数计算设备，以及帧位阈值计算设备。

附图说明

为了更好地理解各种实施例，参考以下附图，其中：

图1A和图1B示出了二进制数据和由二进制数据通过OOK调制的载波信号；

图2示出了OOK调制的7位帧；

图3示出了多个OOK调制的7位帧；

图4示出了发送的OOK调制信号、随时间变化的信道增益、信道中的随时间变化的加性噪声和包含信道增益和加性噪声的影响的接收信号；

图5示出了当检测阈值未被补偿时，检测阈值及其影响；

图6示出了数据帧的一个例子；

图7示出了包括自适应阈值补偿器的通信系统中的接收机的方框图；

图8示出了自适应阈值补偿器的流程图；

图9示出了使用图8所示的自适应阈值补偿方法的结果。

为了便于理解，相同的附图标记被用于指定具有大致相同或相似结构的元件和/或大致相同或相似的功能。

具体实施方式

各种类型的调制可用于将数字信号调制到载波信号。下面描述的一个实施例使用开关键控(OOK)调制，这只是本发明的一个具体实施例。然而，其他类型的调制可以与自适应阈值补偿器的实施例一起使用，例如为了发送二进制“0”或“1”而调制载波的幅度、相位、频率或其组合的任何通信系统。

OOK是幅移键控(ASK)的一个特例，其中，调制载波频率的幅度以通过载波发送二进制数据。图1A和图1B示出了二进制数据和由二进制数据OOK调制的载波信号。图1A的110示出了当序列011010110110101101101011011010使用OOK调制在载波波形上调制时的OOK传输的一个例子。在OOK中，在它们各自的位周期中，二进制“1”可以表示载波的关断(载波关)，二进制“0”表示载波的接通(载波开)。因此，如图1B的120所示，当“0”要被发送时，载波接通；和当“1”要被发送时，载波关断。

如上文所述，在其它实施例中的载波的频率或相位也可以被调制。例如，二进制相移键控(BPSK)调制改变载波的相位(而不是幅度)来编码二进制“0”或“1”，并二进制频移键控(BFSK)使用不同频率的载波在对应于“0”和“1”的位周期进行编码二进制数据用于传输。

因为数据通常在基于数据包的数字通信系统中的离散数据包中发送，数据的连续流(像字符串“011010110110101101101011011010”如上文110所示)经常被解析成数据帧进行传输。其结果是在通信系统可以更容易地检测和纠正数据包中的错误，例如，用循环冗余校验(CRC)位。这样的离散数据包可以被称为帧。

图2示出了OOK调制的7位帧。每个帧210可包含三种不同类型的位：起始位(记为St)，可以表明该帧的开始，数据位(记为D)可以包含实际的数据(有效载荷)；和停止位(记为Sp)可以表明该帧的结束。在本实施例中，请注意起始位可记为二进制“0”和停止位可记为二进制“1”，但是反过来也是可以的。使用“0”作为起始位和“1”作为停止位是基于帧的系统的普遍接受的惯例，如UART协议。

这样经OOK调制后的数据帧220可以通过传输介质(例如，有线或无线)在信道上传输，并且可以在接收机中接收。信道可以具有它自己的幅度、相位和频率响应，因此，信道响应可能会使接收信号的特性失真。此外，信道和接收机的前端可能增加接收信号的噪声。这些失真和噪声信号可能是需要接收机解调的，以便重新得到二进制数据。

信道可以具有它自己的典型的幅度、相位和频率响应，频率响应也可以被称为信道响应。当信号通过信道时，信道响应会导致所传输的信号的幅度、相位、频率或这些的组合的失真。另外，信道和接收机的前端都可能增加接收信号的噪声。此外，信道响应和噪声功率可能会随着时间发生变化，特别是当传输介质被暴露在随时间而改变的环境中时。这可能会导致随时间变化的信道响应和随时间变化的噪声作用于接收信号。一个强大的接收机设计可能会包括一些手段来弥补这种随时间变化的信道响应和噪声。

图3示出了多个OOK调制的7位帧。图3示出了发送的载波波形320对应于4个在不同时刻发送的二进制数据帧310。为简单起见，在后面的附图中也用相同的数据帧描述。图3中的断线符号“//”表示在这些帧的传输之间省略了一段时间。

图4示出了发送的OOK调制的信号410，随时间变化的信道增益420、在信道中的随时间变化的加性噪声430、包括信道增益和加性噪声的影响的接收信号440。另外，图4示出了随时间变化的信道增益和加性噪声对所发送的信号的影响。发送的波形410在4个不同的时刻示出以及随时间变化的信道增益420在相应的时刻示出。随时间变化的噪声430可以是在这些时刻加到信号上的噪声。最终的信号440在接收机中接收。如图所示，接收信号可能会被噪声破坏，以及接收信号的幅度也可能也会因为变化的信道幅度相应而发生变化。

通常，在OOK中，接收机中的检测器可以基于开阈值和关阈值决定是否发送“0”或“1”，可以在接收机中预先计算开阈值和关阈值。因此，当一个或多个信号的参数(例如，它的功率)高于(或低于)开阈值时，则接收器可以决定二进制“0”是否被发送，当一个或多个的信号参数(例如，它的功率)低于(或高于)关阈值时，则接收器可以决定二进制“1”是否被发送。其他信号参数可以包括相位、频率、幅度等，或这些的任意组合。

当信道具有随时间变化的响应时和当随时间变化的噪声被加到接收信号时，为了减轻随时间变化的信道响应和噪声的影响，任何一个接收机可以采用一些判决导向方法来改变阈值，或可以周期性地估计信道来计算当时适用的信道响应。在这两种方法中，接收机可以改变用于检测二进制数据的阈值以补偿在信道中的增益和噪声的变化。然而，通过上述方法改变接收机阈值是非常复杂的，可能会受到错误传播问题的损害。因此，下面描述的自适应阈值补偿器及其方法提供一个不太复杂实施例，并且不受错误传播问题的损害。

图5示出了当检测阈值未被补偿时的检测阈值及其影响。在图5的第三曲线530中，开阈值、阈值上限，和关阈值，阈值下限，为常数。所发送的位模式510在第一曲线中，接收信号520在第二曲线中。接收信号的包络540在接收机的检测器的输入处。因为没有阈值补偿，一个完整的帧(第3帧)，可能会错误地解码为多个0。此外，在大多数地方可能会不正确地解码另一帧(第2帧)。

在下面描述的实施例中，接收机帧结构的知识可以被用于基于起始位和停止位自适应地计算开阈值和关阈值。这可以使帧被正确地解码，而与随时间变化的信道响应无关。

在一般的基于帧的数据通信系统中，发送数据帧可以以开始符号开始，并可以以停止符号结束，开始符号和停止符号可以在通信协议中定义。在基于二进制帧的通信协议(例如，UART协议)的情况下，开始符号可以是二进制“0”和停止符号可以是二进制“1”。请注意，在不影响本实施例的工作的情况下，开始符号和停止符号也可以相反。当在接收机处的发送数据的速率是已知的，接收机可精确地知道什么时候开始起始位和停止位。这种帧结构的知识，可以被用于计算在传输二进制“1”和“0”期间接收信号的功率的可靠估计。这可以使接收机精确计算检测器所使用的开阈值和关阈值。通过连续地/周期性地计算这些估计，接收机可跟踪信道和噪声的变化，而不需要任何额外的数据(如导频信号)。

现在将描述一种自适应阈值的补偿器及其方法的实施例。二进制数据可使用OOK的载波波形发送。另外，接收机知道接收数据的速率(即，接收数据速率)。在下面的描述中，起始位是二进制的“0”，和停止位是二进制的“1”。然而，在不影响本实施例的操作的情况下，起始位和停止位可以分别为二进制的“1”和“0”。

图6示出了数据帧的一个例子。在图6中，接收信号有7位的帧结构。图6还示出了的帧结构下面的时间线，用Tst界定帧的开始位周期的开始和用Tsp界定停止位周期的开始。

图7示出了在通信系统中的接收机的方框图，该接收机包括自适应阈值补偿器。接收机700可以包括信号采样器710、检测器720、和阈值补偿器730。信号采样器710接收数据信号并产生数据样本。信号采样器710的采样速率通常可以是多个比特率K，因此对于每个位可以收集K个样本。优选的，K可以至少为4或5，使每个位能收集足够的样本来估计对应于采样位的一个或多个信号参数。也可以使用其他的K值。K值越大提供的样本越多则参数估计的更准确，但代价是接收机的样本也增加。K值越小采样要求降低，但可能会导致不太准确的参数估计。因此，K的选择需要平衡接收机700上的这些和其他方面的限制。信号参数可以包括功率、相位、频率、振幅等，或这些的任意组合。

探测器720可以从信号采样器710接收数据样本。检测器720将两个阈值，开阈值和关阈值应用到数据样本以确定出现“1”位或“0”位。检测器720可能需要在样本的窗口中具有一定数量的样本，来满足上述阈值中的一个，再决定是否出现“1”位或“0”位。另外，检测器也可以接收校准信息以指示位起始于哪个样本。

阈值补偿器730可以进一步包括帧位检测器732，帧位样本收集器734，帧位参数估计器736，和阈值计算器738。帧位检测器732从信号采样器710接收数据样本。帧位检测器732确定帧位什么时候出现。当帧位出现时，帧位检测器732可以发送用于帧位的数据样本到帧位收集器734。帧位可以检测是起始位或停止位，并可以进一步向帧位收集器734指示数据样本是否符合起始位或停止位。

帧位收集器734可以从帧位检测器收集帧位样本。分别收集起始位和停止位的样本。另外，帧位收集器734可以收集单个起始位和停止位的数据样本或可以收集多个起始位和停止位的样本。基于内存的限制和信道和噪声随时间的变化，选择收集的数据样本的帧位的数目。变化越快，窗口越短，变化越慢，窗口越长。此外，可以分析样本，以确定信道特性的变化有多快以及可以相应地调整用于帧位样本的窗口。

帧位参数估计器736使用所收集的用于帧位的数据样本，以评估所接收到的帧位信号的一个或多个参数。信号参数可以包括功率、相位、频率，幅度等，或这些的任意组合。帧位参数估计器736，可以将用于帧位的估计参数发送到阈值计算器738，并可以进一步指示帧位阈值计算器738数据样本是否符合起始位或停止位。阈值计算器738可以接收用于帧位的估计功率并且可以计算更新的阈值，阈值计算器738可以将更新的阈值发送到检测器720。阈值的计算，可使用任何已知的方法，以及可以基于调制的特性，信道、噪声、接收机等。

阈值补偿器730可以在电路如集成电路(IC)中实现。阈值补偿器730也可以被实现为接收机电路的一部分，该接收机电路可以是IC。另外，阈值补偿器730可以被实现为处理器上执行的程序指令。本文中所使用的术语处理器将被理解为涵盖了多种设备，如微处理器，现场可编程门阵列(FPGA)，特定应用集成电路(ASIC)，和其他类似的处理装置。

图8示出了一种自适应阈值补偿器的流程图。方法800可以通过阈值补偿器730和/或接收机700来执行。方法800开始于步骤805。首先，该方法800的步骤810可以计算起始位开始时间Tst和停止位开始时间Tsp。由于阈值补偿器730具有数据速率和在信号中的数据的帧结构的知识，阈值补偿器730可以计算起始位和停止位的开始时间。可以存储Tst和Tst以供后用。

接下来在步骤815中，阈值补偿器730可以通过确定当前时间是否等于或超过起始位开始时间Tst来等待起始位周期的开始。如果没有，则方法800返回，再次执行步骤815。如果是，阈值补偿器接下来可以收集与起始位相对应的接收信号样本的Kst的数目(以采样频率)，并可以将其存储在数据阵列中820。所存储的起始位的数据可以用于单个起始位，或者可包括用于如上所讨论的多个起始位的数据。

然后，在步骤825中，阈值补偿器730可以在Kst样本的阵列上使用参数估计算法计算与起始位相对应的信号的一个或多个参数Pst。这种算法的一个例子，可以包括信号功率的估计值作为阵列中的幅度值的平方和的平均值。接着，在步骤830中，阈值补偿器730可以根据Pst计算开阈值。该开阈值可以被发送到检测器720。

接着在步骤835中，阈值补偿器730可以等候适量的时间(位周期乘以在帧中数据位的数目)，直到达到时间Tsp。此时，在步骤840中，阈值补偿器730可以收集对应于停止位的所接收的信号样本的Ksp的数目(以采样频率)并可以将其存储在数据阵列中。所存储的停止位的数据可以用于单个停止位，或者可以包括用于如上所述多个停止位的数据。

然后，在步骤845中，阈值补偿器730可以在Ksp样本的阵列上使用参数估计算法计算对应于停止位中的信号的一个或多个参数Psp的估计值。这种算法的一个例子，可以包括估计信号功率作为阵列中的幅度值的平方和的平均值。接着，在步骤850中，阈值补偿器730可以基于Psp计算关阈值。这关阈值可以被发送到检测器720。然后方法800结束于步骤855。虽然上述方法是本方法中的单通道，但是可以基于当前的信道和噪声特性重复该方法以重复计算检测阈值。

图9示出了使用图8所示的自适应阈值补偿方法后的结果。图9中的第一和第二曲线910和920与图5中相同。此外，第三曲线930示出了所接收的信号的与图5的信号包络540相同的包络940。但在图9中，如图所示，阈值是变化的。在之前的图5中，在第二和第三帧中有数据检测错误，但使用自适应阈值，第二和第三帧可以被正确地检测到。

图9示出了由于使用图8所示的方法的阈值补偿器730的阈值的变化。在图9中，开阈值(阈值上限)和关断阈值(阈值下限)随时间变化，同时伴随信道增益和噪声情况。可以基于实施连续地或周期性地进行计算这些阈值，因此可以跟踪噪声和信道增益的变化。这可能会导致一个非常强大的检测器720和接收机700，从而可以正确地解码信号。

上面所描述的阈值检测器和方法可以适用于使用二进制与标准的帧结构通信的系统。例如，除了OOK调制波形，它可能被用于自适应地补偿BPSK调制的波形的相位阈值，BFSK调制的波形的频率阈值，或用于在通信系统中表示二进制阈值0/1的相位、频率和幅度值的任何组合。此外，阈值补偿器和上述方法可以用于各种应用和系统中，包括下面的例子：机器到机器的通信系统；有线，串行通信系统；车载电力线通信；片上网络应用，其中信息可以通过电力线在芯片上的不同系统之间传输；用于无线胶囊内窥镜的OOK发射机和诸如此类应用等。

从上述描述很明显可以看出，本发明的各种实施例可以实现在硬件和/或固件中。此外，各种实施例可以被实现为存储在机器可读存储介质上的指令，其可以通过至少一个处理器来执行以完成本文中所描述的操作。机器可读存储介质可以包括用于通过机器以可读形式存储信息的任何机制，该机器可以是个人或笔记本电脑，服务器，或其他计算设备。因此，有形的和非短暂性的机器可读存储介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备，和类似的存储介质。

本领域技术人员应当理解，这里的方框图是代表本发明原理的示例性电路的概念图。同样地，应当理解，任何流程图、作业图、状态转换图、伪代码等表示各种工艺，这些工艺可能在机器可读介质中出现，因此由计算机或处理器执行，而不论这种计算机或处理器是否被明确示出。

虽然各种实施例中已经特别参考某些描述了若干示例性实施例的戏，特别是，应该理解，本发明可以有其它实施例，其细节能够在各个明显的方面进行修改。对本技术领域的技术人员显而易见的是，在本发明的精神和范围之内可以产生变化和修改。因此，上述说明书和附图仅供说明之用，不以任何方式限制本发明，本发明由权利要求限定。

Claims (13)

1.一种在基于二进制帧的通信系统中产生自适应阈值的方法，其特征在于，包括：

在帧起始时收集与起始位相对应的接收信号的Kst个样本；

基于Kst个样本计算起始位的接收信号的参数Pst的估计值；

基于Pst调整开阈值；

在帧结束时收集与停止位相对应的接收信号的Ksp个样本，其中Kst和Ksp个样本是分别采集的；

基于Ksp个样本计算停止位的接收信号的参数Psp的估计值；

基于Psp调整关阈值；

其中所述起始位和停止位的数值不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定接收信号起始位的开始时间Tst，和确定接收信号停止位的开始时间Tsp。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收信号是OOK调制信号、BPSK调制信号和BFSK调制信号之一。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将开阈值和关阈值应用到接收信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括检测二进制位。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括重复以下步骤：

收集与起始位相对应的接收信号的Kst个样本；

计算起始位的接收信号的参数Pst的估计值；

基于Pst调整开阈值；

收集与停止位相对应的接收信号的Ksp个样本；

计算停止位的接收信号的参数Psp的估计值；以及

基于Psp调整关阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，收集Kst个样本包括为多个起始位收集接收信号的样本，收集Ksp个样本包括为多个停止位收集接收信号的样本。

8.一种阈值补偿器，其特征在于，包括：

帧位检测器，被配置为检测帧的起始位和帧的停止位，所述起始位和停止位的数值不同；

帧位收集器，用于在帧起始时收集与起始位相对应的接收信号的Kst个样本，和在帧结束时收集与停止位相对应的接收信号的Ksp个样本，其中Kst和Ksp个样本是分别采集的；

帧位参数估计设备，用于基于Kst个样本计算起始位的接收信号的参数Pst的估计值，和基于Ksp个样本计算停止位的接收信号的参数Psp的估计值；和

帧位阈值计算设备，被配置为基于计算出的帧起始位信号参数计算第一阈值，基于计算出的帧结束位信号参数计算第二阈值。

9.根据权利要求8所述的阈值补偿器，其特征在于，帧位收集器被配置为收集多个帧的帧的起始位的样本和帧的停止位的样本。

10.根据权利要求8所述的阈值补偿器，其特征在于，帧位阈值计算设备被配置为基于所计算出的帧的起始位的功率计算第一阈值，和基于计算出的帧的停止位的功率计算第二阈值。

11.根据权利要求8所述的阈值补偿器，其特征在于，帧位检测器被配置为接收信号，该信号是OOK调制信号、BPSK调制信号和BFSK调制信号之一。

12.一种接收机，其特征在于，包括根据权利要求8所述的阈值补偿器。

13.一种系统，其特征在于，包括根据权利要求8所述的阈值补偿器，其中，所述系统是以下系统之一：机器到机器的通信系统；有线串行通信系统；车载通信系统；片上网络，其中信号通过电力线在芯片上的不同系统之间传输；和接收机，被配置为从医疗设备接收信号。