CN107223312A - 用于数据链路功率降低和吞吐量提高的多调制 - Google Patents

Abstract

提供了一种组合脉宽调制和相位调制的多调制方案。

Description

用于数据链路功率降低和吞吐量提高的多调制

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月4日提交的美国临时申请No.62/112,084的权益。

技术领域

本申请涉及信令，尤其涉及一种组合了脉宽调制和相位调制的多调制数字信令方案。

背景技术

已经开发了多种数字信令协议，以支持在诸如移动设备之类的系统中的集成电路之间的通信。这些信令协议在本文中被视为是“数字(式)”的，其中，传送方电路将其传送引脚驱动为高至电源电压电平，或是将其引脚接地，以传送一比特。此类数字信令协议的示例包括：通用I/O(GPIO)和通用异步接收机发射机(UART)。例如，UART发射机在传送引脚上驱动数字信号，在UART接收机的接收引脚上接收该数字信号。UART接收机使用过采样时钟对接收到的信号进行采样，以确定接收的信号是二进制高还是二进制低。

为了降低功耗，已经利用诸如行程长度编码(RLE)等各种无损数据压缩技术。但由于压缩的程度取决于数据的随机性，行程长度编码不能保证固定和可预测的吞吐量提高。如果数据传输是完全随机的，则行程长度编码没有提供益处。其他更复杂的方案提供了改善的吞吐量，但与数字信令不兼容。例如，正交相移键控(QPSK)方案的使用使常规的数字信令的吞吐量倍增，但需要使用两个独立的正弦副载波。相反，数字信令协议则简单得多，因为在码元传输期间，发射机仅需驱动其传送引脚至电源电压和/或接地。类似地，数字信令接收机仅需确定在过采样时钟的每次采样时正接收电压高信号还是电压低信号。

因此，在本领域中需要一种具有增加的吞吐量和降低的功耗的改善型数字信令协议。

概述

为了相对于传统数字信令技术提高吞吐量，提供一种用于传送经相位编码的、经脉宽调制的码元的发射机。例如，假设各码元具有两个可能的脉宽。在常规的脉宽调制方案中，这两个脉宽将表示一比特。但另外，各码元还具有至少两个可能的相位。在两相位的实施例中，各脉冲被对准，使得它们的下降沿与比特周期(码元周期)的结束对准，或使它们的上升沿与比特周期的开始对准。该两相位对准因此表示另一比特。给定脉宽调制和相位调制这两者的组合，所产生的码元在本文中被标示为“多调制”码元或字。由于增加的吞吐量和减少的功耗，多调制码元的传输相比于二进制相位或脉宽调制方案是相当有利的。此外，这些优势的获取无需脱离传统数字信令技术。换言之，在所产生的多调制码元的传输期间，发射机仅需驱动传送引脚至电源电压和接地。模拟正弦曲线(诸如QPSK中)所涉及的复杂性因此可以被避免。这些优势可以从以下详细描述更好地领会。

附图简述

图1解说了四个示例多调制两比特码元。

图2解说了图1的一些多调制码元和相应的二进制相位调制输入比特和脉宽调制输入比特的集合之间的关系。

图3A是根据本公开的一实施例的发射机的框图。

图3B是解说由图3A的发射机传送的多调制码元的星座的概念示图。

图3C是根据本公开的一实施例的接收机的框图。

图4解说了用于解调由图3的发射机传送的多调制码元的过采样时钟样本。

图5是结合图3A的发射机和图3C的接收机的示例系统。

图6是根据本公开的一实施例的传送多调制码元的方法的流程图。

本公开的各实施例及其优势通过参考以下详细描述而被最好地理解。应当领会，相同参考标记被用来标识在一个或多个附图中所解说的相同元件。

详细描述

提供了一种数字信令协议，其相对于在例如UART协议中使用的传统数字信令而言，使吞吐量倍增。就此而言，UART比特通常由跨比特周期处于电源电平或接地的电压信号来表示。就简易性而言这是相当有利的，因为可以使用常规的反相器作为输出驱动器。本文公开的数字信令协议保留了此简易性，其中，被传送的多调制码元包括经脉宽调制以具有至少第一脉宽和第二脉宽的二进制高部分。相应的发射机将其传送引脚断言至电源电压，以传送每个多调制码元的二进制高部分。该发射机使其传送引脚接地，以传送每个多调制码元的剩余二进制低部分。为了相对于传统数字信令技术提高吞吐量，该发射机还对于每个多调制码元的二进制高部分在两种边沿对准之间进行选择。这两种边沿对准是关于每个多调制码元的周期或码元长度来定义的。在第一边沿对准中，二进制高部分的上升沿与码元周期的开始对准。在第二边沿对准中，二进制高部分的下降沿与码元周期的结束对准。

以下示例实施例涉及仅使用两个脉宽和两个相位的系统，然而如本文所公开地应当领会可组合任何数目的脉宽和相位。图1示出二进制高部分的两个示例脉宽。在以下讨论中，二进制高部分被标示为“脉冲”。第一脉冲100占码元周期的25％，而第二脉冲105占码元周期的75％。注意，脉冲100和105两者的下降沿都与码元周期的结束对准。脉冲100和105因此是如上文所讨论的第二边沿对准的示例，其中，脉冲下降沿与码元周期的结束对准。在逻辑高系统中，脉冲100和105两者由此起始于逻辑0(接地)并结束于逻辑高(电源电压)。在逻辑低系统中，则指示脉冲100和105两者起始于逻辑高值(接地)并结束于逻辑低值(电源电压)也是等效的。不失一般性，以下讨论针对一种逻辑高系统。由于脉冲100和105两者被定相为同时结束于比特周期(码元周期)边界，因此脉冲100和105可被认为表示第一相位。互补的第二相位由一对脉冲110和115表示。脉冲110类似于脉冲100，其也具有等于码元周期的25％的脉宽。但不同于脉冲100的是，脉冲110移相180度以使其与码元周期的开始同时开始。脉冲110的上升沿因此与码元周期的开始对准。同样地，脉冲115相对于脉冲105移相180度，以使脉冲115的上升沿与码元周期的开始或起始对准。与脉冲110形成对比，脉冲115具有码元周期75％的宽度。脉冲110和115是如上文所讨论的第一边沿对准的示例，其中脉冲上升沿与码元周期的开始对准。

因此存在相比于脉冲100和105由脉冲110和115表示的二进制相位调制。第一边沿对准或第二边沿对准定义该二进制相位调制。类似地，每对脉冲100/105和110/115表示二进制脉宽调制。脉冲100，105，110和115的组合因此表示二进制相位调制和二进制脉宽调制两者，从而每个脉冲可被认为包含两比特多调制码元。脉冲100，105，110和115可因此也被分别标示为多调制码元100，105，110，115。与替换性编码技术(诸如QPSK)不同，对脉冲100，105，110和115的调制是完全二进制的：发射机仅需传送二进制高信号达比特周期的某个历时并且传送二进制低信号达比特周期的剩余历时。因每个脉冲代表一两比特字，因此有四个可能的二进制两比特字，它们可表示为：[00]，[01]，[10]，和[11]。将什么两比特码字指派给一给定脉冲可以是任意的。将有四个此类选择——图1表示一种选择，其中脉冲100表示字[00]，脉冲105表示字[01]，脉冲110表示字[10]，以及脉冲115表示字[11]。将可以理解，可替换的脉宽(诸如70/30或80/20)可被用于二进制脉宽调制方案。此外，在替换实施例中，脉宽数和相位数可从仅两个增加。

参照图2可更好地领会到，所产生的将二进制相位调制与二进制脉宽调制组合的“多模式”调制带来的吞吐量提高和功率降低。如图2所示，有八个二进制比特D0到D7，它们使用脉宽调制来表示以产生常规经脉宽调制序列200。这些同样的比特也可使用相位调制来表示以产生常规经相位调制序列205。用于相位调制的载波是方形脉冲(比特周期的50％的脉宽)，其下降沿与比特周期的结束对准以表示二进制0。此类对准将在本文中被称为“不翻转”，因为它对于方形脉冲表示0度相位调制。相反，其上升沿与比特周期的开始对准的方形脉冲表示二进制1的相位调制。此类调制在本文中被表示为“翻转”，因为它表示180度相位调制。

对于常规的数字序列200和205而言，需要八个比特周期来传送该八个比特D0到D7。相反，多调制序列210仅在四个比特周期内传送该八个比特，其表示比单调制序列200和205大两倍的吞吐量。为创建多调制序列210，比特D0到D7中的一半被指定为脉宽调制比特，另一半被指定为相位调制比特。例如，比特D0，D2，D4，和D6可被假定为表示相位调制比特。相反，比特D1，D3，D5，和D7可被假定为表示所述脉宽调制比特。在此示例中，二进制1由比特周期的75％的脉冲表示，而二进制0由比特周期的25％的脉冲表示。如序列200中所示，这些脉冲都具有与它们各自的比特周期的结束对准的下降沿。

每个相位调制比特D0，D2，D3，和D6对后续的脉宽调制比特(分别为，比特D1，D3，D5，和D7)进行相位调制。在此情形中，这些相位调制比特的二进制1被假定表示180度的相位逆转，以使得脉冲调制是“翻转”的。相反，这些相位调制比特的二进制0被假定表示没有相位改变(“不翻转”)。PWM比特D1是0，其在此示例中对应于25％的脉宽。由于相位调制比特D0具有二进制1值，因此PWM比特D1的脉冲翻转，以形成相应的多调制字A(其对应于关于图1所讨论的多调制码元110)。PWM比特D3是二进制1，其在此示例中对应于75％的脉宽。相反，相位比特D2具有二进制0值，从而来自PWM比特D3的脉冲不翻转，以形成相应的多调制字B(其对应于图1的多调制码元105)。然而，相位调制比特D4具有二进制1值，从而PWM比特D5的脉冲翻转，以形成相应的多调制字C(其对应于图1的多调制码元115)。最后，相位比特D6是二进制0，从而来自PWM比特D7的脉冲不翻转，以形成相应的多调制字D(其再次对应于图1的多调制码元105)。可以立即看到，相比于输入PMW和相位调制比特，所产生的多调制码字有若干优势。例如，如果假定多调制码元周期在相位和PWM比特方面与比特周期相同，则其吞吐量将增加两倍。此外，相比序列200或序列205使用八个脉冲，在序列210的多调制字中仅有四个脉冲的传输，因此功耗将被减半。最后，相比常规的序列200或205，由于上升沿和下降沿的数量减半，因此来自多调制字A到D的电磁干扰(EMI)将减少。

现在将讨论图3A中示出的被配置用于多调制码元的传输的示例发射机300。比特解复用器305接收输入数据流，并将输入比特流解复用为PWM输入比特和相位输入比特。例如，如果该输入比特流包括16个比特(从比特D0到比特D15)，则解复用器305可解复用比特D0，D2，D4，D6，D8，D10，D12和D14，以形成相位比特。相反，比特D1，D3，D5，D7，D9，D11，D13和D15则形成PWM比特。在此实施例中，每个相位比特和相继的PWM比特形成输入比特对，该输入比特对由调制器310调制为图1的四个可能的多调制码元100，105，110和105中的一个。例如，比特D0和D1形成一输入比特对，比特D2和D3形成另一对，以此类推。调制器310可包括四比特查找表328，其存储有四个可能的输入组合[00]，[01]，[10]，[11]。当收到输入比特对[00]时，该查找表选定多调制码元100。类似地，当收到输入比特对[01]时，该查找表选定多调制码元105，以此类推。响应于根据来自过采样时钟源320的时钟信号(诸如时钟边沿)的循环而产生的样本，输出驱动器325传送由查找表328选择的多调制码元。输出驱动器325可包括反相器326，该反相器326通过传送引脚315将所得的样本驱动输出，以将所产生的传送的多调制码元提供至外部接收机(以下进一步讨论)。如本文中所使用的，“引脚”是通用术语，涵盖了集成电路用于耦合到电路板上导线或者其他物理互连(例如，封装互连或者穿孔式通孔互连)的结构(诸如焊盘或实体引脚)。为了提供吞吐量的额外增加，输入数据流可被无损地编码，诸如在比特解复用前进行行程长度编码。

图3B解说了针对四个多调制码元100到115的所产生相位星座。所有码元位于X轴。由于多调制码元100和105的后沿与比特边界的结束对准，因此任意地它们被视为具有负相位，而多调制码元100和105则被视为具有正相位。由于多调制码元105和115的脉宽比多调制码元100和110的脉宽长，因此多调制码元105和115更远离原点，以表示其更大的能量。

发射机300的传送引脚315通过合适的传输信道(诸如印刷电路板上的引线)与图3C所示的接收机360的接收引脚335相耦合。接收机360包括解调器345，解调器345用于解调在接收引脚335上接收到的码元。例如，解调器345可包括输入电路340，该输入电路340包括反相器370，反相器370用于响应于过采样时钟330的时钟信号的循环(诸如时钟边沿)产生接收到的码元的样本。接收到的码元因此由解调器345中的一系列样本来表示。解调器345可分析该系列中的起始样本(或多个起始样本)，以确定该起始样本是否大于一阈值(例如，该阈值是发射机300所使用的电源电压除以二)。如果该起始样本大于阈值，则解调器345确定接收到的多调制码元具有与码元周期的开始的上升沿对准，并产生相应的相位调制比特(诸如相应的比特375)，该相位调制比特由比特复用器350接收。类似地，解调器345可对接收到的样本系列中超过电压阈值的样本数量进行计数，以确定哪一个脉宽对应于接收到的多调制码元。基于所确定的脉宽，解调器345产生相应的相位调制比特(诸如相应的比特375)，该相位调制比特也由比特复用器350接收。比特复用器350随后复用所产生的比特系列，以产生接收到的数据比特流380。周期性地，发射机300可响应于其过采样时钟的循环而传送样本的训练系列，从而接收机360可周期性地使其过采样时钟330与发射机300的过采样时钟320对准。

图4示出了接收机360中关于过采样时钟信号400的样本执行的多调制码元100到115的解调。为保持过采样时钟330和320彼此同相，发射机330可周期性地传送训练序列，诸如具有50％占空比的脉冲系列。可随后使用帧和报头来传送多调制码元，诸如常规地在UART中所执行的。该帧和报头的尺寸是接收机和发射机两者已知的。因此，接收机可关于该已知结构确定帧的码元边界。如图4所示，图3中的接收机360可使用如根据每个多调制码元100到115的过采样时钟信号400所采样的初始样本来确定其相位。如果该第一样本是0，则接收机360知晓其将会解调多调制码元100或105。为了区分这些多调制码元，接收机360可通过将每个样本与一阈值(诸如电源电压的一半)相比较，来跨多调制码元相比于二进制0的样本的计数对二进制1(电源电压)的样本进行计数，以确定码元的脉宽。相反，如果该初始样本是二进制1，接收机360则必须区分多调制码元100和115。该区分也可通过将采样自接收到的多调制码元的二进制1样本的计数与来自此相同采样的二进制0样本的计数进行比较来执行。此类过采样方案可被容易地扩展以解调更高阶(大于二进制)的相位和脉宽调制。此外，多调制码元也可采用多幅度，以允许更大的功耗降低和吞吐量增加。

图5示出了示例系统500，其中片上系统(SOC)505配置有发射机(诸如发射机300)(未示出)和接收机(诸如接收机360)(未示出)，以使用多调制码元与多个外围设备510通信。每个外围设备510因此也包括相应的接收机和发射机。所产生的多调制码元可通过系统总线515被传送。系统500可包括蜂窝电话、智能电话、个人数字助理、平板计算机、膝上型计算机、数码相机、手持式游戏设备、或其他合适设备。除了与外围设备510通信，SOC 505还通过系统总线515与存储器(诸如DRAM 520)和显示控制器525通信。显示控制器525进而耦合至驱动显示器535的视频处理器530。

现在将关于图6的流程图来讨论一种发射机300的示例操作方法。该方法包括接收至少一个脉宽调制比特和至少一个相位调制比特的动作600。在发射机300中比特解复用器305处接收数据比特流以及导致将相位调制比特和脉宽调制比特解复用到调制器310是动作600的示例。该方法还包括动作605，其基于至少一个脉宽调制比特，并包括在至少第一脉宽和第二脉宽之间选择以提供所选的脉宽。类似地，该方法包括动作610，其基于至少一个相位调制比特，并包括在至少所选脉宽的上升沿与码元周期的开始的对准和所选脉宽的下降沿与码元周期的结束对准之间选择，以提供所选的边沿对准。通过查找表328进行的对合适码元的选择是动作605和610的示例。最后，该方法包括根据所选脉宽和所选边沿对准在该码元周期内传送码元的动作615，该码元在所选脉宽期间等于电源电压，并且在所选脉宽之外等于接地。输出驱动器325进行的码元传送是动作615的示例。

如本领域普通技术人员至此将领会的并取决于手头的具体应用，可以在本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法上做出许多修改、替换和变动而不会脱离本公开的范围。有鉴于此，本公开的范围不应当被限定于本文所解说和描述的特定实施例(因为其仅是作为本公开的一些示例)，而应当与所附权利要求及其功能等同方案完全相当。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

接收至少一个脉宽调制比特和至少一个相位调制比特；

基于所述至少一个脉宽调制比特，在至少第一脉宽和第二脉宽之间选择以提供所选脉宽；

基于所述至少一个相位调制比特，在至少所述所选脉宽的上升沿与码元周期的开始对准和所述所选脉宽的下降沿与码元周期的结束对准之间选择，以提供所选边沿对准；以及

根据所述所选脉宽和所述所选边沿对准，在所述码元周期内传送多调制码元，所述多调制码元在所述所选脉宽期间等于电源电压并在所述所选脉宽之外等于接地。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一脉宽包括所述码元周期的第一部分，而第二脉宽包括所述码元周期的剩余第二部分。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一脉宽是所述码元周期的25％，而所述第二脉宽是所述码元周期的75％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，传送所述多调制码元包括：响应于第一过采样时钟信号的循环，传送所述码元的样本。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在接收机中，根据第二过采样时钟，跨码元周期对所述多调制码元进行采样，以提供一系列样本；以及

使用所述一系列样本中的第一样本来确定所述所选边沿对准是上升沿对准还是下降沿对准。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

对于所述一系列样本，对等于电源电压的样本进行计数以提供第一计数，并且对等于接地的样本进行计数以提供第二计数；以及

比较所述第一计数和所述第二计数，以确定所述所选脉宽是所述第一脉宽还是所述第二脉宽。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，传送所述多调制码元包括：通过传送引脚传送所述多调制码元。

8.如权利要求7所述的方法，还进一步包括：响应于所述第一过采样时钟信号的循环，通过所述传送引脚周期性地传送训练序列。

9.如权利要求8所述的方法，还进一步包括：响应于接收到每个训练序列，在接收机中周期性地对准第二过采样时钟信号。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，传送所述多调制码元进一步包括：使用至少一个其他多调制码元对所述多调制码元进行行程长度编码。

11.一种发射机，包括：

比特解复用器，用于将输入数据比特流解复用为一系列相位宽度调制比特和一系列相位调制比特，其中每个相位调制比特与相应的一个相位宽度调制比特成对，以形成一系列比特对；

调制器，其被配置成接收每个比特对，并且基于在该比特对中相位宽度调制比特的二进制值，在至少第一脉宽和第二脉宽之间选择，来为多调制码元提供所选脉宽，以及被配置成响应于相应的相位调制比特的二进制值，在至少所述所选脉宽的上升沿与码元周期的开始对准和所述所选脉宽的下降沿与码元周期的结束对准之间选择，来为所述多调制码元提供所选边沿对准。

传送引脚；以及

输出驱动器，其被配置成在所述码元周期内通过所述传送引脚来驱动所述多调制码元，其中所述输出驱动器被配置成在所述所选脉宽期间向所述传送引脚充电，以及在所述所选脉宽以外将所述传送引脚放电至接地。

12.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，所述调制器包括查找表，所述查找表被配置成：针对每个比特对，响应于该比特对的脉宽调制比特的二进制值查找所述所选脉宽，以及响应于该比特对的相位调制比特的二进制值查找所述所选边沿对准。

13.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，所述输出驱动器包括反相器。

14.如权利要求13所述的发射机，其特征在于，所述输出驱动器被进一步配置成响应于过采样时钟的样本，通过所述传送引脚驱动所述多调制码元。

15.如权利要求14所述的发射机，其特征在于，所述输出驱动器被进一步配置成响应于所述过采样时钟的样本，周期性地传送训练序列。

16.一种接收机，包括：

接收引脚；

解调器，其被配置为对在码元周期期间在所述接收引脚上接收的收到多调制码元进行解调，以响应于所述收到多调制码元中的脉冲是具有第一脉宽还是具有第二脉宽，确定所述收到多调制码元的脉宽调制比特，并且被配置为响应于所述脉冲是具有与码元周期的开始的上升沿对准、还是具有与码元周期的结束的下降沿对准，确定所述收到多调制码元的相位调制比特；以及

比特复用器，所述比特复用器配置成将所述脉宽调制比特与所述相位调制比特复用成输入数据流。

17.如权利要求16所述的接收机，其特征在于，进一步包括：

过采样时钟源，其被配置成提供过采样时钟信号，其中所述解调器被配置成响应于所述过采样时钟信号的循环采样所述收到多调制码元，以产生一系列样本。

18.如权利要求17所述的接收机，其特征在于，所述解调器被进一步配置成，将至少第一样本与阈值相比较，以确定所述相位调制比特。

19.如权利要求17所述的接收机，其特征在于，所述解调器被进一步配置成：将所述系列中的每个样本与阈值相比较，以对超过阈值的样本进行计数，并且所述解调器进一步被配置成响应于所述计数而确定所述脉宽调制比特。

20.如权利要求17所述的接收机，其特征在于，所述接收机被进一步配置为响应于收到训练系列，对准所述过采样时钟信号。