CN106561010A - 用于超声波通信的基于自适应信令的mfsk调制方案 - Google Patents

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Abstract

公开了用于超声波通信的基于自适应信令的MFSK调制方案。公开一种超声波通信电路。该电路包括超声波发送器，其设置成通过超声波通信信道向远程收发器发送具有频率的训练信号。超声波接收器设置成响应于训练信号从远程收发器接收信息。超声波发送器设置成向远程收发器发送数据信号。数据信号具有由信息确定的占空比。

Description

用于超声波通信的基于自适应信令的MFSK调制方案
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.119(e)要求2015年10月2日提交的美国临时申请No.62/236,585(TI-76453PS)的权益，其整体内容通过引用并入在此。
技术领域
本发明的实施例涉及通过多路径衰减信道编码数据信号以进行超声波通信。
背景技术
超声波技术已被开发用于实际应用，如测量管道中的流体速度、测量管道和管道中流体的特性、通过诸如金属管的各种介质的超声波通信、水下声学测量、医疗应用以及众多的其它应用。
参考图1，例如Hosman等人发表于仪表和测量的IEEE学报第12期第60卷第3767-3774页(2011年12月)的“用于通过金属结构的超声波通信的基于MFSK的发送器/接收器的设计与表征”(Hosman et al.，“Design and Characterization of an MFSK-BasedTransmitter/Receiver for Ultrasonic Communication Through MetallicStructures，”IEEE Trans.On Instrumentation and Measurement，Vol.60，No.12，pp.3767-3774(Dec.2011))公开了一种用于通过运输集装箱的钢角柱来通信的超声波通信系统，其通过引用整体并入本文。该通信系统借助于附接的超声波换能器通过钢角柱向运输集装箱外部的接收器发送多音频移键控(MFSK)数据。钢角柱被表征为金属多路径衰减信道。Hosman等人利用如图2处所示的MFSK编码系统。数据字施加到符号编码器，以选择性施加频率f0至fN-1到求和电路。选定的频率然后通过钢角柱施加到超声波换能器用于传输。Hosman等人的MFSK系统使用来自N个可用音调的Q个求和音调的不同组合来产生符号，其中被定义为N！/(Q！(N-Q)！)。MFSK编码有利地产生比在如图3中所示的传统频移键控(FSK)编码基本上更多的编码符号。在此，例如，N＝32个可用音调将编码每个FSK符号中的5位(log2(32))。通过比较的方式，MFSK将编码29位或将编码Q＝16的的整数部分。这导致用于采用相同数量可用音调的MFSK编码的显著更高的数据速率。本发明人已经意识到，需要通过多路径衰减信道来改善通信技术，以进一步提高数据吞吐量并降低符号差错率(SER)。因此，以下描述的优选实施例旨在提高现有技术。
发明内容
在本发明的第一实施例中，公开了超声波通信电路。该电路包括超声波发送器，其设置成通过超声波通信信道向远程收发器发送具有相应频率的训练信号。超声波接收器设置成响应于训练信号从远程收发器接收信息。超声波发送器设置成向远程收发器发送具有由信息确定的占空比的数据信号。
在本发明的第二实施例中，公开了超声波通信电路。该电路包括超声波接收器，其设置成通过超声波通信信道从远程收发器接收具有频率的训练信号。超声波发送器设置成响应于训练信号向远程收发器发送信息。超声波接收器设置成从远程收发器接收具有由信息确定的占空比的数据信号。
在本发明的第三实施例中，公开了调制超声波信号的占空比的方法。该方法包括通过超声波通信信道向远程收发器发送多个训练信号，其中每个训练信号具有相应频率。该方法进一步包括接收用于每个相应频率的信息；以及通过超声波通信信道向远程收发器发送具有由信息确定的占空比的数据信号。
附图说明
图1是现有技术的一种超声波通信系统的简化图；
图2是现有技术的一种多音频移键控(MFSK)编码系统；
图3是将频移键控(FSK)位/符号与作为N个可用音调的Q的函数的多音频移键控(MFSK)位/符号比较的图；
图4是本发明的超声波通信系统的图；
图5A是将32kHz的发送波形与通过10米铜管接收的相应波形比较的图；
图5B是将40.25kHz的发送波形的频域与通过10米铜管接收的波形的相应频域比较的图；
图6A是示出对于14米换能器分离的作为最小音调分离(MTS)的函数的符号错误率(SER)的图；
图6B是示出对于14米换能器分离的作为最小音调分离(MTS)的函数的数据速率的百分比下降的图；
图7是示出对于5米和10米换能器分离的作为频率的函数的通过铜管发送的超声波信号的延迟传播的图；
图8是示出作为换能器分离的函数的通过铜管发送的超声波信号的平均延迟传播的图；
图9A是示出接收的信号和具有0.25占空比的重叠的时序图；
图9B是示出没有0.15占空比重叠的接收信号的时序图；以及
图10是示出根据本发明的训练波形传输和自适应占空比判定的流程图。
具体实施方式
本发明的优选实施例通过如从下面的详细描述变得明显的各种导电介质来提供在符号差错率(SER)和超声波传输的所得数据吞吐量上的显著优势。
参考图4，存在本发明的双向超声波通信系统的图。该系统包括布置成通过超声波通信信道420与第二通信模块460通信的第一通信模块450。超声波通信信道可以是固体、液体或气体介质，并且可以位于其中有线或无线通信困难的环境中。例如，超声波通信信道420可以是以前安装在商业或住宅综合体中的金属管、用于流体或气体传输的埋设管或导管、金属框架或支撑结构或其它导电介质。此外，介质可以是塑料材料，诸如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)或其它导电介质。本发明的发明人已经确定，各种各样的导电介质可以被表征为用于传导超声波信号的多路径衰减信道。
第一通信模块450包括数字信号处理器(DSP)400或具有信号处理能力的其它合适处理器。这优选包括模数转换(ADC)、快速傅里叶变换(FFT)，以及快速傅立叶逆变换(IFFT)的能力。DSP 400耦合到映射器/解码器电路402和检测器电路404，用于从换能器410接收超声波信号。DSP 400还耦合到映射器/编码器电路408和音调发生器电路406，用于经由换能器410通过超声波通信信道420发送超声波信号。第二通信模块460包括DSP 430或其它合适的处理器。DSP 430耦合到映射器/解码器电路432和检测器电路434，用于经由换能器440通过超声波通信信道420从第一通信模块450接收超声波信号。DSP 430还耦合到映射器/编码器电路438和音调发生器电路436，用于经由换能器440通过超声波通信信道420向第一通信模块450发送超声波信号。
在操作中，在DSP 400处的数字数据字被映射并编码408以从M个可用音调或频率选择相应一组Q个超声波音调或频率，其中Q和M是正整数。电路408优选地是多音频移键控(MFSK)映射器和编码器。M个音调或频率可以以线性方式被最小频率间隔Δf分隔开。该组Q个音调可经受最小音调分离(MTS)从该组M个音调选择，以将在2015年12月15日提交的共同未决申请序列号14/969,227(TI-76451)中所公开的每个N位数据字编码，其中该文献通过引用整体并入本文。在此，N小于或等于的整数部分。音调发生器406产生和施加Q个选择的超声波音调到换能器410。代表N位数据字的所选择的Q个音调随后在具有占空比θ的符号时间Ts期间由超声波换能器410发送，该超声波换能器410被附接到形成超声波通信信道420的导电介质。换能器440接收通过超声波通信信道420发送的Q个超声波音调。然而，由于超声波通信信道420的多路径衰减，接收的音调通过延迟传播而失真。检测器434从换能器440接收超声波信号，并且识别各个音调。映射器/解码器电路432解映射并解码由该组Q个音调表示的消息，并发送接收到的数据字到DSP 430。
第二通信模块460的DSP 430还可发起到第一通信模块450的发送。DSP 430处的数字数据字被映射并编码438以从M个可用音调或频率选择相应一组Q个超声波音调或频率。电路438与电路408类似，并且优选地是多音频移键控(MFSK)映射器和解码器。音调发生器436产生和施加Q个选择的超声波音调至换能器440。代表N位数据字的所选择的Q个音调随后通过超声波通信信道420由超声波换能器440发送。换能器410接收Q个超声波音调，其也由于超声波通信信道420的多路径衰减通过延迟传播造成失真。检测器404从换能器410接收超声波信号并识别各个音调。映射器/解码器电路402解映射并解码由该组Q个音调表示的消息，并发送接收到的数据字到DSP 400。
现在转向图5A，其为将发送的32kHz正弦波形与通过10米铜管接收的相应波形比较的图。发送的信号具有10V的峰峰电压，并且被缩放用于与接收的信号的1.3mV峰峰电压比较。接收的信号阐明由于在复杂的超声波结构中可能发生的多路径衰减而导致的严重延迟传播。接收的信号的相邻侧波瓣的大小只略小于原接收信号。当在N位数据字中的Q个音调的其它音调上叠加时，这可能导致在接收器处的检测问题和增加的符号错误率(SER)。
图5B是将40.25kHz的发送波形的频域与通过10米铜管接收的波形的对应频域比较的图。该图阐明了在40.55kHz处发送的信号的第一侧波瓣比在40.25kHz处的发送的信号的大小小14dB。然而，接收的信号的第一侧波瓣比在40.25kHz处的接收信号的大小仅小6dB。这主要是因为多路信道不相等地衰减每个频率。因此，接收器可能将Q个发送音调中的一个音调的真实峰值与Q个发送音调中的另一个音调的侧波瓣混淆。这导致检测误差和增加的SER。
本发明人已经确定，SER的有效减少是可能的，其中仅通过在表示数据字的该组Q个选择的音调内实现最小音调间隔(MTS)的数据吞吐量中存在小的减少。图6A是示出对于14米的发送/接收换能器分离的作为最小音调分离(MTS)的函数的符号错误率(SER)的图。图6B是示出对于14米的发送/接收换能器分离的作为最小音调分离(MTS)的函数的数据速率中百分比下降的图。图6A和图6B图解阐明了优于现有技术的利用MTS的MFSK系统的显著优点。
本发明人还已经确定，通过通信信道420(图4)的时间域延迟传播是发送的超声波频率的强函数。参考图7，其示出对于5米和10米换能器分离的作为频率的函数的通过铜管发送的从32kHz至62kHz的超声波信号的延迟传播的图。在此，延迟传播是发送的信号持续时间和接收的信号持续时间之间的时间差。返回参考图5A，例如，对于25ms的延迟传播，4ms的发送信号持续时间产生29ms的接收的信号。图7的图示出了强频率相关性，其中在低频率处具有最大延迟传播和在高频率处具有最小延迟传播。对于5米的换能器分离，延迟传播在32kHz至62kHz的频率范围内从约35ms降低到25ms，并且是近似线性的。对于10米换能器分离，32kHz至62kHz的频率范围内从约50ms到35ms的延迟传播的类似下降发生。
此外，延迟传播是换能器分离的强函数。图8是示出作为换能器分离的函数通过铜管发送的超声波信号的平均延迟传播。垂直轴线表示作为沿水平轴线从1至10米的距离的函数在32kHz至62kHz的频率范围内的平均延迟传播。延迟传播随着换能器分离从20ms到40ms的增加而增加。
现在转到图9A，存在示出发送的信号以及接收信号与0.25占空比的重叠的时序图。第一发送信号900包括具有5ms的持续时间TSθ和20ms的符号时间TS的多个正弦波。因此，发送波形900的占空比是5ms/20ms＝0.25。如先前所讨论，发送信号900经受延迟传播并作为信号902被接收。第二信号904还包括具有5ms持续时间的多个正弦波，并且在第一符号时间TS结束时被发送。发送的信号904也经受延迟传播，并且作为信号906被接收。接收的信号902和906的延迟传播具有在区域908中的显著重叠。在该重叠区域中信号902和906的叠加可以具有足够的大小以在接收器处引起同步和检测问题以及增加的SER。
下面参考图9B，存在示出如在图9A中的发送和接收信号但具有0.15的占空比的时序图。第一发送信号910包括具有5ms持续时间TSθ和33.3ms的符号时间TS的多个正弦波。因此，发送波形910的占空比是5ms/33.3ms＝0.15。如先前所讨论，发送的信号910经受延迟传播，并且作为信号912被接收。第二信号914还包括具有5ms持续时间的多个正弦波。然而由于占空比减小，信号914在33.3ms时的第一符号时间TS的结束时发送。发送的信号914也经受延迟传播并且作为信号916被接收。然而，在此，接收的信号912和916不重叠。减小的占空比因此有利地降低相邻信号的干扰，并减少SER。然而，减小的占空比也可以降低数据吞吐量。因此，本发明人已经意识到精确调节发送信号的占空比以优化具有最小干扰的数据吞吐量的需求。
现在参考图10，将参考图4描述根据本发明的训练波形传输和自适应占空比判定的流程图。当选择一组M个频率时，流程图开始于方框1000处。通信模块450通过通信信道420向通信模块460发送M个频率中的每个频率。训练波形中的每个频率包括具有接收模块已知的持续时间的多个正弦波形，以及确保相邻的接收信号不重叠的足够小的占空比。训练波形优选以恒定占空比θ和符号时间TS发送，以使得通信模块460保持与通信模块450同步。通信模块460接收训练波形的序列，并且在方框1004处执行延迟传播估计。延迟传播估计是基于用于每个频率的测量的接收信号能量的阈值。例如，当接收的训练信号频率f1的信号能量超过阈值时，通信模块460将此定义为开始时间。同样地，当接收的训练信号频率f1的信号能量低于阈值时，通信模块460将此定义为结束时间。由于通信模块460知道发送训练波形的持续时间，所以它计算用于频率f1的相应延迟传播d1。针对一组延迟传播估计值DS的每个训练波形频率f1至fM，重复该过程。接收器然后计算用于每个频率的适当占空比。适当的占空比优选尽可能大，而不产生相邻的接收信号重叠908(图9A)。用于每个频率或频率范围的所选择的占空比从通信模块460发送到通信模块450。通信模块450使用这些接收的占空比作为在音调发生器406中基于自适应占空比的调制器1006。
在操作中，通信模块450和460假定通信信道420的互易性。因此，这两个通信模块使用相同自适应占空比用于它们的相应传输。当通信模块450发送Q音调的MFSK符号到通信模块460时，它使用Q音调的最坏情况下频率的占空比。换能器410和440之间的换能器空间保持固定，因此最坏情况下的占空比对应于在接收的MFSK符号中的Q音调的最低频率。通信模块460从通信模块450接收和解码MFSK符号。通信模块460根据Q音调的最低频率确定占空比θ。因此，通信模块460还知道接收的MFSK符号的符号时间TS，以及因此知道下一个MFSK符号的到达时间。可以存在多达对应于M个所选频率的M个占空比。然而，将占空比的数量限制于M个频率的K个子集可以是可取的，其中每个子集对应于M个超声波频率的范围。在这种情况下，可以只需要使用在每个K子集中的最低频率作为训练波形，从而减少校准时间。它也可以希望排除M个频率中的一些频率，该频率需要非常短的占空比以提高吞吐量。在本发明的另一个实施例中，通信模块450可以将延迟传播估计值1004直接传达给通信模块440，并且两个模块可以单独地确定适当的占空比。
本发明的上述实施例通过自适应占空比调制有利地提供了具有最小相邻符号干扰的多音频移键控(MFSK)通信。当换能器间距或超声波信道特性改变时，图10的上述训练序列优选地被重复。然而，可以周期性地重复以补偿温度变化、环境噪声、通信信道的流体填充传导介质，或可能影响超声波通信信道的其它瞬态特性。
更进一步，虽然已经提供了众多的例子，但是本领域的技术人员应该认识到，各种修改、替换或改变可以对所描述的实施例进行，同时仍然落入由所附权利要求所限定的发明范围之内。其它组合对已经获取本说明书的本领域的技术人员将是明显的。

Claims (20)

1.一种通信电路，包括：
超声波发送器，其设置成通过超声波通信信道向远程收发器发送具有频率的训练信号；以及
超声波接收器，其设置成响应于所述训练信号从所述远程收发器接收信息，
其中所述超声波发送器设置成向所述远程收发器发送具有由所述信息确定的占空比的数据信号。
2.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述信息是所述超声波通信信道的延迟传播估计值。
3.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述信息是所述超声波发送器的发送的占空比。
4.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述训练信号包括多个频率，以及其中所述信息包括相应多个延迟传播估计值。
5.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述训练信号包括多个频率，以及其中所述信息包括相应多个占空比。
6.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述超声波发送器设置成周期性发送所述训练信号。
7.根据权利要求1所述的通信电路，其中所述数据信号是多音频移键控信号即MFSK信号。
8.根据权利要求7所述的通信电路，其中所述MFSK信号的占空比由所述MFSK信号的最低频率确定。
9.一种通信电路，包括：
超声波接收器，其设置成通过超声波通信信道从远程收发器接收具有频率的训练信号；以及
超声波发送器，其设置成响应于所述训练信号向所述远程收发器发送信息，
其中所述超声波接收器设置成从所述远程收发器接收具有由所述信息确定的占空比的数据信号。
10.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述信息是所述超声波通信信道的延迟传播估计值。
11.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述信息是所述远程收发器的发送的占空比。
12.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述训练信号包括多个频率，以及其中所述信息包括相应多个延迟传播估计值。
13.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述训练信号包括多个频率，以及其中所述信息包括相应多个占空比。
14.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述超声波接收器设置成周期性接收所述训练信号。
15.根据权利要求9所述的通信电路，其中所述数据信号是多音频移键控信号即MFSK信号。
16.根据权利要求15所述的通信电路，其中所述MFSK信号的占空比由所述MFSK信号的最低频率确定。
17.一种调制超声波信号的占空比的方法，包括：
通过超声波通信信道向远程收发器发送多个训练信号，每个训练信号具有相应频率；
接收用于每个相应频率的信息；以及
通过所述超声波通信信道向所述远程收发器发送具有由所述信息确定的占空比的数据信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述信息包括用于每个相应频率的占空比。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述信息包括每个相应频率的延迟传播估计值。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述数据信号是多音频移键控信号即MFSK信号，以及其中所述占空比由所述MFSK信号的最低频率确定。
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