CN103988474A - 针对c8psk hart系统中的电缆损耗均衡发射信道的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种通过使要发射数据穿过使要发射数据预失真以补偿带宽限制的信道补偿装置来调整发射自现场装置的波形以克服电缆带宽限制的方法。预失真可确保电缆的控制端上接收高质量信号。

Description

针对C8PSK HART系统中的电缆损耗均衡发射信道的方法和设备
发明背景
本发明涉及高速信道可寻址远程转换器（“HART”）系统，且更具体地涉及均衡C8PSK HART系统中的电缆损耗。
HART协议是用于在智能现场装置与控制系统之间跨模拟线发送和接收数字信息及通过同时允许双向数字通信而提高传统的4-20mA信号传递的全球标准。图1图示HART网络的示意图。如所示，HART网络100包括控制室101和耦接至控制室101的多个现场装置110.1至110.n。现场装置通常是由控制室101控制的仪器，例如，压力传感器、控制阀等。其响应于来自控制室101的命令收集信息并且经由HART协议将信息传达回至控制室101。控制室101随后根据接收自现场装置的信息控制现场装置，例如，110.1。结合HART协议，控制室101与现场装置通信以执行装置配置或再配置、装置诊断及装置故障排除而无需指派工程师到现场。在图1中，R1至Rn及C1至Cn分别表示将现场装置110.1至110.n互连至控制室101的通信线的电阻及电容且Rsense表示至网络的控制室101的负载。
相干8向相移键控（C8PSK）广泛用于电信行业且已知用于提供2线现场设备所需的较快通信与较低功率消耗之间的最佳平衡。
图2图示现有技术C8PSK HART现场装置中的发射器的示意架构。如所示，符号映射装置201的输入被耦接至发射器200的输入。符号映射装置201按9.6Kbits/秒接收输入数据流且将数据流分为多个符号，每个符号是一组三个连续位（三位）且被映射为相角。符号映射装置201的输出信号的频率是3.2KHz。
查找表（LUT）202的输入被耦接至符号映射装置201的输出以接收符号。符号被用作LUT202的指针以找出符号的实部和虚部。
根升余弦（RRC）滤波器203被耦接至LUT202的输出以接收符号的虚部（Imag）且RRC滤波器204被耦接至LUT202的输出以接收符号的实部（Real）。RRC滤波器203和204过滤符号的实部和虚部并且分别输出符号的正交相位信号Q和同相信号I。
混合器205的一个输入被耦接至RRC203的输出以接收正交相位信号Q且混合器205的另一个输入接收载波cos(ωt)。混合器205将Q与cos(ωt)相乘。
混合器206的一个输入被耦接至RRC204的输出以接收同相信号I且混合器206的另一个输入接收载波sin(ωt)。混合器206将I与sin(ωt)相乘。
加法器207的一个输入被耦接至混合器205的输出以接收信号Q×cos(ωt)且加法器207的另一个输入被耦接至混合器206的输出以接收信号I×sin(ωt)。加法器207将这两个信号组合在一起并且输出要发射信号Q×cos(ωt)+I×sin(ωt)。
数字模拟转换器（DAC）208具有被耦接至加法器207的输出的输入，并且将要发射信号Q×cos(ωt)+I×sin(ωt)转换为模拟信号。
缓冲器209的输入被耦接至DAC208的输出。模拟信号在进入发射信道之前在缓冲器209上缓冲。
信道特性对于HART网络中的每个现场装置不同，这取决于其与控制室的距离。在现有技术C8PSK HART系统中，控制室无表示现场装置位置的数据且因此不了解其与现场装置之间电缆的带宽。电缆带宽可因电缆系统的非线性而导致控制室接收器上的大比特误码率。
根据C8PSK HART协议，可通过现场装置中的接收器中的信道估计装置估计并且均衡从控制室至现场装置的信道的带宽限制。但是，C8PSK HART标准和现有技术C8PSK HART现场装置均无发射器侧均衡。
因此，需提供一种调整来自现场装置的信号以克服电缆带宽限制的方法和一种可补偿其发射信道中的带宽限制的现场装置并且需允许控制室中的良好接收而不管现场装置在网络中的位置。
附图说明
因此，可了解本发明的特征，下文描述多个图示。但是，应注意附图仅图示本发明的特定实施方案且因此不被视作限制其范围，因为本发明可涵盖其它同样有效的实施方案。
图1图示HART网络的示意图。
图2图示现有技术C8PSK HART现场装置中的发射器的示意架构。
图3图示根据本发明的一个实施方案的C8PSK HART现场装置中的发射器的示意架构。
图4图示根据本发明的一个实施方案的C8PSK HART现场装置的接收器和发射器的示意架构。
图5图示C8PSK HART系统中的模拟信号。
图6示出根据本发明的一个实施方案的均衡C8PSK HART现场装置中的发射信道的方法。
具体实施方式
本发明提供一种方法以通过使要发射信号穿过使要发射信号预失真以补偿带宽限制而调整从现场装置发射至控制室的波形以克服电缆带宽限制。预失真可改进信号在控制室接收时的质量。
图3图示根据本发明的一个实施方案的C8PSK HART现场装置中的发射器的示意架构。如所示，信道补偿装置310可被添加至图2中的发射器，其输入耦接至加法器207的输出且其输出耦接至DAC208的输入。要发射信号可通过信道补偿装置310预失真，用信道损伤补偿带宽限制。在一个实施方案中，信道补偿装置310可为均衡器。例如，均衡器可能是线性均衡器（例如，MMSE（最小均方误差）均衡器和迫零均衡器）、决策反馈均衡器、盲均衡器、自适应均衡器、Viterbi均衡器、BCJR均衡器或turbo均衡器。应了解信道补偿装置310可被放置在发射器中的其它位置，例如，符号映射装置201与LUT202之间。
HART是主/从协议，其意指智能现场装置仅在主设备（其是HART系统中的控制室）对其“发言”时“发言”。HART交易由主设备命令连同从设备响应组成。由现场装置中的接收器获得的信道损伤可用于现场装置中的发射器中的信道补偿。
图4图示根据本发明的一个实施方案的C8PSK HART现场装置的接收器和发射器的示意架构。如所示，在现场装置110.n中的接收器400上，来自控制室101的命令可通过模拟数字转换器（ADC）401转换为数字信号且随后由信道选择滤波器402过滤。信道估计装置403可估计信道损伤并且在于混合器404和405上解调前补偿信道损伤。随后在要发射信号进入发射信道之前，信道损伤可由发射器300中的信道补偿装置310用于预失真。
具体地，ADC401的输入可被耦接至接收器400的输入。ADC401可接收来自HART网络的模拟信号并且将其转换为数字信号。
信道选择滤波器402的输入可被耦接至ADC401的输出。信道选择滤波器402可过滤来自ADC401的数字信号以仅传递所要信号，即，经C8PSK HART调制的信号。可过滤带外信号。
信道估计装置403可具有被耦接至信道选择滤波器402的输出的输入。信道估计装置403可估计信道损伤（现场异常）（包括量值和相损伤）并且补偿信道损伤。
下表1示出根据C8PSK HART协议的C8PSK消息段。
表1
如所示，消息的前导具有40个符号且是接收器400已知的固定序列。信道估计装置403可将其接收的序列与表1中的前导序列比较以检测信道损伤并且补偿信道损伤。
在一个实施方案中，信道估计装置403可为均衡器。在一个实施方案中，均衡器可能是线性均衡器（例如，MMSE均衡器和迫零均衡器）、决策反馈均衡器、盲均衡器、自适应均衡器、Viterbi均衡器、BCJR均衡器或turbo均衡器。
在一个实施方案中，信道估计装置403可保存可由相同现场装置中的发射器中的信道补偿装置310存取的存储器中的信道损伤。
在一个实施方案中，接收器中的信道估计装置403可应用于发射器300并且用作信道补偿装置310，使得由现场装置的接收器400中的信道估计装置403估计的信道损伤可用于使要由现场装置中的发射器300发射至控制室101的信号预失真以减小或消除控制室101所接收的信号中的错误。
图5图示C8PSK HART系统中的模拟信号。信号501是在现场装置中的接收器400上接收的失真信号。信号502是理想信号，其具有对称轨道且在+/-67.5°上结束。信道估计装置403可在其输入上接收失真信号501，补偿信道损伤并且在其输出上提供理想信号502。具体地，信道估计装置403可旋转失真信号501以使其向下偏移以变为信号503并且调整信号503的量值以使其变窄以变为理想信号502。简而言之，信道估计装置403可形成窄的旋转信号，其针对量值和相失真被校正。
返回图4，来自信道估计装置403的经补偿信号随后可针对各别I和Q信号穿过IQ解调器。IQ解调器可包括混合器404和405。混合器404的一个输入可被耦接至信道估计装置403的输出以接收经补偿信号且混合器404的另一个输入可被耦接至正弦载波。混合器404可输出I信号。混合器405的一个输入可被耦接至信道估计装置403的输出以接收经补偿信号且混合器405的另一个输入可接收具有90°相移的正弦载波。混合器405可输出jQ信号。
RRC有限脉冲响应（FIR）滤波器406和407可被耦接至混合器404和405以分别接收I和jQ信号并且过滤信号。
Tan-1(Q/I)函数408的输入可被分别耦接至滤波器406和407的输出以接收经过滤信号。Tan-1(Q/I)函数可提取符号以找出其角度。
符号解映射装置409的输入可被耦接至Tan-1(Q/I)函数的输出和sign(I)和sign(Q)。符号解映射装置409可将符号分为3位以复制发射位。
来自时钟数据恢复电路411的时钟数据可被应用至来自符号解映射装置409的位且位随后可进入数据缓冲器410。
由接收器400中的信道估计装置403检测到的信道损伤可用于使发射信号预失真。返回图3，发射器300中的信道补偿装置310可从接收器400中的信道估计装置403了解信道损伤且随后预补偿来自加法器207的信号的量值和相位，使得当其接收于控制室时，其是正确的。在一个实施方案中，信道补偿装置310的输入可为图5中所示的理想信号502且其输出可为图5中的失真信号501。
图6示出根据本发明的一个实施方案的均衡C8PSK HART系统中的发射信道的方法。
在601中，现场装置110.n中的接收器400可接收来自控制室101的输入信号（根据表1格式化的命令）。
在602中，可通过ADC401将所接收信号转换为数字信号且可通过信道选择滤波器402将数字信号过滤以选择HART信号。
在603中，信道估计装置403可通过比较来自信道选择滤波器402的HART信号的前导与表1中所示的前导而检测信道损伤且朝向表1中所示的消息均衡HART信号的量值和相位。
在604中，如上文参考图4描述，经均衡信号可通过混合器404和405、RRC FIR406和407、Tan-1(Q/I)函数408、符号解映射装置409和数据缓冲器410。作为来自控制室101的命令的数据随后可由现场装置110.n处理。
现场装置110.n可响应于命令将数据流发送回控制室101。在605中，如上文参考图2和图3描述，在现场装置110.n中的发射器上，数据流可通过符号映射装置201、LUT202、RRC203和204、混合器205和206和加法器207。
在606中，信道补偿装置310可根据由现场装置的接收器400中的信道估计装置403检测到的信道损伤使来自加法器207的信号（其是要发射信号）预失真。
在607中，可通过DAC208将经补偿信号转换为模拟信号。模拟信号随后可通过缓冲器209缓冲并且发射回控制室101。
进一步实施方案也是可行的，其是所述实施方案的元素子集或不同组合元素的结果。

Claims (21)

1.一种HART网络中的现场装置，其包括：
发射器，其包括：
符号映射器，其被耦接至所述发射器的输入端以接收输入数据流并且将所述数据流划分为符号，每个所述符号是一组三个连续位；和
信道预失真器，其接收要发射信号并且用信道损伤使所述要发射信号预失真以补偿带宽限制。
2.根据权利要求1所述的现场装置，其中所述信道预失真器是均衡器。
3.根据权利要求2所述的现场装置，其中所述均衡器选自由：线性均衡器、决策反馈均衡器、盲均衡器、自适应均衡器、Viterbi均衡器、BCJR均衡器和turbo均衡器组成的组。
4.根据权利要求3所述的现场装置，其中所述线性均衡器选自由最小均方误差（MMSE）均衡器和迫零均衡器组成的组。
5.根据权利要求1所述的现场装置，其还包括：
接收器，其包括：
模拟数字转换器(ADC)，其接收来自所述HART网络的模拟信号并且将所述模拟信号转换为数字信号；和
信道估计装置，其估计在所接收的HART信号中的信道损伤并且补偿所述信道损伤。
6.根据权利要求5所述的现场装置，其中所述信道估计装置通过比较所述所接收的HART信号与已知序列来估计所述信道损伤。
7.根据权利要求6所述的现场装置，其中所述HART网络是C8PSK网络。
8.根据权利要求7所述的现场装置，其中所述已知序列在所述C8PSK HART协议中定义。
9.根据权利要求6所述的现场装置，其中所述信道估计装置是均衡器。
10.根据权利要求9所述的现场装置，其中所述均衡器选自由：线性均衡器、决策反馈均衡器、盲均衡器、自适应均衡器、Viterbi均衡器、BCJR均衡器和turbo均衡器组成的组。
11.根据权利要求10所述的现场装置，其中所述线性均衡器选自由MMSE均衡器和迫零均衡器组成的组。
12.根据权利要求6所述的现场装置，其中所述信道预失真器获得来自所述信道估计装置的所述信道损伤。
13.根据权利要求6所述的现场装置，其中所述信道预失真器和所述信道估计装置是相同类型的装置。
14.根据权利要求5所述的现场装置，其中所述信道预失真器是滤波器，其基于来自所述信道估计装置的信道损伤使所述要发射信号的量值和相位预失真。
15.一种用于减小HART网络中的现场装置上的信道损伤的方法，其包括：
在所述现场装置的接收器上：
接收从控制室发射至所述现场装置的命令；和
在所述所接收的信号中检测信道损伤的量值和相位；以及
在所述现场装置的发射器上：
将数据流映射为符号，每个所述符号包括三个连续位；
调制所述符号；
根据由所述接收器检测到的所述信道损伤使经调制的信号预失真；和
将预失真的信号发射至所述控制室。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：在所述接收器上，将来自所述控制室的所述命令转换为数字信号并且从所述数字信号选择HART消息。
17.根据权利要求16所述的方法，其中通过比较所选的HART消息与已知序列而检测所述信道损伤。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述网络是C8PSK HART网络。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述已知序列根据所述C8PSK HART协议定义。
20.根据权利要求16所述的方法，其还包括：在所述现场装置的所述接收器上，将所述数据信号中的符号解映射为位。
21.根据权利要求15所述的方法，其还包括：在所述现场装置的所述发射器上，将所述预失真的信号转换为模拟信号。
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