CN107515836A - 一种动态双阈值的bmc解码装置及方法 - Google Patents

一种动态双阈值的bmc解码装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动态双阈值的BMC解码装置及方法，其中，动态双阈值的BMC解码方法，包括：根据接收的BMC波形生成原始宽度序列；根据原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列；根据原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据原始低电平序列生成低电平第一采样点数据；根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列；将窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将窗口低电平序列与低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据；按照采样顺序，对高电平第一采样点数据和高电平第二采样点数据，以及低电平第一采样点数据和低电平第二采样点数据进行缓冲；并进行译码。

Description

一种动态双阈值的BMC解码装置及方法
技术领域
本发明属于通讯解码装置领域，涉及一种动态双阈值的BMC解码装置及方法。
背景技术
随着电子技术的发展，通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)提供电能的应用已经上升到了与数据传输同等重要的地位，其接口的供电能力也从1.0版本的5V@500mA提升到了2.0版本的5V@1.5A，可满足许多电子产品的供电需求。最新发布的USB PD(PowerDelivery)功率传输协议，是基于USB 3.1版本，即USB type-C端口提出的功率传输新概念，将USB接口的供电能力提升到了一个新的高度。得益于Type-C接口的大功率特性，USB PD可实现提供高达100W的电能，可为笔记本电脑、大屏幕监视器、平板电视机等更大的用电设备提供电能。
在USB Type-C接口中，USB PD通信使用一条CC(CC1或CC2线)通道，由USB PD供电规范定义。它采用半双工通信机制，使用双相标记编码(Bi-phase Mark Coding，BMC)传输经过4B/5B编码的二进制数据。此方法已经作为标准发布，简单灵活，可简化接收器的设计，目前正逐步得到了广泛的应用。
图1是BMC的编码定义和一段接收端恢复出的BMC波形示例。在BMC编码中，Bit-1定义为在每个UI(Unit Interval)的起始，有一次电平切换，且在每个UI的中间位置，有第二次电平切换，高电平和低电平宽度形成50％的占空比。Bit-0定义为仅在每个UI起始，有一次电平切换；
双相标记编码(Bi-phase Mark Coding,BMC)可被认为是一种曼彻斯特(Manchester)编码。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中至少有一次跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。接收方利用包含有同步信号的特殊编码从信号自身提取同步信息来锁定自己的时钟脉冲频率，达到同步目的。但每一个码元被调制成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
在实际应用中由于传输介质良莠不齐，信道长短不一，BMC波形往往受外界干扰严重，且接收电路可能存在较大的直流偏置及码间干扰等问题，这些会对接收到的BMC波形占空比造成较大影响，引起波形的失真严重。在这里主要归纳为以下几个因素：
1、接收电路从模拟量到数字量转换时存在较大本地直流偏置。BMC编码本身不存在直流分量，但接收电路存在的直流偏置若叠加到产生的BMC数字波形上，可能这些直流偏置往往比前端接收电路的噪声还要大，一方面使得信噪比变差，另一方面使得接收到的BMC信号转换成数字量后波形的占空比失真严重。
2、电平转换速率不一致，即信号从低电平到高电平切换，与从高电平到低电平切换的速率不一致或不相匹配，这也会间接导致BMC波形占空比失真。现代运算放大器有某些方式的推挽式输出级，许多是不对称的，并且某一方向的转换速率比其他方向有更大的倾向；
3、接收时钟抖动，信道加性噪声，码间干扰等非理想因素也会造成BMC波形占空比失真。
在本实施例中，当接收电路在模拟量到数字量转换时，电平转换速率不一致且模拟电平比较器存在较大的正向直流偏差，导致了接收并转换后的BMC数字波形严重畸变，如图1所示波形明显存在两个问题：
1、Bit-1的占空比畸变明显，A部分宽度明显小于B；
2、Bit-1的低电平段B和随后Bit-0的高电平段C宽度接近。
在诸多工程实践中，为了解决信道噪声或干扰问题，通常采用FIR滤波器进行有用信号外的无用信号过滤，这些方法大多预先定义一个固定阈值，根据输入的某一特征分布与正常占空比情况下的偏差是否超过阈值来判定接收信息。在固定阈值算法中，阈值是预先设定的常数，一旦算法开始执行就不再改变。这种方法的主要问题在于，接收信号及噪声的大小都是未知的，如果消息包较长且波形出现了严重占空比失真，或受噪声干扰严重，则解码的错误率将大大增加，不能很好的适应动态变化的接收环境。
另外一种是采用单阈值的动态算法，判定阈值是根据正常历史宽度动态调整的，这种办法解决了固定阈值不能适应动态变化接收环境的问题。但若BMC波形存在占空比失真，其高电平段的宽度与低电平段的宽度往往会存在较大差异，若将这些数据都作为正常的历史有效值参与到单阈值的动态调整中，则会导致阈值出现较大幅度波动或剧烈振荡，在这种情况下算法反而会恶化判决系统。
因此，BMC解码需要一个阈值可自动调整的装置，使得当BMC波形存在占空比失真时，也能在一定的可解码范围内对BMC波形实现恰当判断，完成正确解码。
发明内容
针对上述情况及现有技术的缺陷，本发明提出了一种动态双阈值的BMC解码装置，可有效实现在BMC波形存在占空比失真环境下的实时判决和正确解码，解决了采用固定阈值或单阈值方法不能很好适应BMC波形占空比失真的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种动态双阈值的BMC解码方法，包括以下步骤：根据接收的BMC波形生成原始宽度序列；根据所述原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列；根据所述原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据所述原始低电平序列生成低电平第一采样点数据；根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列；将所述窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将所述窗口低电平序列与低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据；按照采样顺序，对所述高电平第一采样点数据和所述高电平第二采样点数据，以及所述低电平第一采样点数据和所述低电平第二采样点数据进行缓冲；并进行译码。
优选地，在生成所述原始高电平序列和所述原始低电平序列步骤后，还包括：从所述原始高电平序列和所述原始低电平序列中剔除异常值。
优选地，所述高电平判决阈值和所述低电平判决阈值分组控制，由不同的窗口电平序列独立生成，相互之间无联系。
优选地，所述窗口电平序列与所述电平判决阈值通过以下步骤获取：将所述原始电平序列作为输入，与所述电平判决阈值相比较，若原始电平序列元素大于所述电平判决阈值，则生成所述窗口电平序列，记作H’(H prime)或L’(L prime)；将所述窗口电平序列作为输入，从最开始的第一个窗口电平序列元素到随后若干个元素作为一个电平阈值的计算周期，使用周期内的序列元素计算得出新阈值；每次向后移动一个窗口电平元素，形成更新的滑动窗口，再次计算得出新阈值。滑动窗口的大小为包含正常窗口电平序列的元素个数，记为N。
优选地，所述高电平判决阈值和所述低电平判决阈值通过以下步骤生成：从窗口高电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成高电平判决阈值；以及从窗口低电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成低电平判决阈值。
另一方面提供了一种动态双阈值的BMC解码装置，包括：第一生成模块，用于根据接收的BMC波形生成原始宽度序列；第二生成模块，用于根据所述原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列；第三生成模块，用于根据所述原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据所述原始低电平序列生成低电平第一采样点数据；第四生成模块，用于根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列；第五生成模块，用于将所述窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将所述窗口低电平序列与所述低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据；数据缓冲模块，用于按照采样顺序，对所述高电平第一采样点数据和所述高电平第二采样点数据，以及所述低电平第一采样点数据和所述低电平第二采样点数据进行缓冲；译码电路，用于对数据缓冲模块中的采样数据进行译码。
优选地，所述装置还包括：异常判定模块，用于从所述原始高电平序列和所述原始低电平序列中剔除异常值。
优选地，所述装置还包括：加权平滑滤波器，由依次连接的延迟器、多位乘法器、多路加法器所组成，其长度包括N点但不限于N点；其用于生成电平判决阈值。
本发明的BMC解码装置实现简单、判决准确、实时性高、误报率低，可大幅提高BMC波形在存在占空比失真环境下的解码正确率，有很强的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是BMC的编码定义和一段接收端恢复出的BMC波形示例；
图2是本发明的动态双阈值BMC解码方法流程图；
图3是本发明的动态双阈值BMC解码装置结构框图；
图4是原始宽度序列和原始电平序列生成示意图；
图5是窗口高电平序列和窗口低电平序列的生成图；
图6是一个N点加权平滑滤波器的结构图；
图7是第一采样点和第二采样点的生成图；
图8是本发明的动态双阈值BMC解码装置控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式做详细说明。
图2是本发明的动态双阈值BMC解码方法流程图。如图2所示，一种动态双阈值的BMC解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S201，根据接收的BMC波形生成原始宽度序列。
解码装置接收BMC波形后，对输入波形进行脉冲宽度测量，生成原始宽度序列。
步骤S202，根据所述原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列。
其中，生成的原始高电平序列和原始低电平序列要对异常值剔除，避免出现系统性错误。
步骤S203，根据原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据原始低电平序列生成低电平第一采样点数据。
步骤S204，根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列。
窗口高电平序列的生成和窗口低电平序列的生成，分别主要包括如下步骤：
(1)将所述原始电平序列作为输入，与所述电平判决阈值相比较，若原始电平序列元素大于所述电平判决阈值，则生成所述窗口电平序列，记作H’(H prime)或L’(L prime)；
(2)将所述窗口电平序列作为输入，从最开始的第一个窗口电平序列元素到随后若干个元素作为一个电平阈值的计算周期，使用周期内的序列元素计算得出新阈值；
(3)每次向后移动一个窗口电平元素，形成更新的滑动窗口，再次计算得出新阈值。滑动窗口的大小为包含正常窗口电平序列的元素个数，记为N。
所切换的高电平判决阈值和低电平判决阈值是分组控制的，由不同的窗口电平序列独立生成，相互之间无联系。
步骤S205，将所述窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将所述窗口低电平序列与低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据。
高电平判决阈值和低电平判决阈值通过以下步骤生成：
从窗口高电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成高电平判决阈值；以及从窗口低电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成低电平判决阈值。
步骤S206，按照采样顺序，对所述高电平第一采样点数据和所述高电平第二采样点数据，以及所述低电平第一采样点数据和所述低电平第二采样点数据进行缓冲；并进行译码。
图3是本发明的动态双阈值BMC解码装置结构框图。如图3所示，一种动态双阈值的BMC解码装置，包括依次连接的各电路模块，具体包括：第一生成模块、第二生成模块、第三生成模块、第四生成模块、第五生成模块、数据缓冲模块和译码电路。
第一生成模块，是将输入波形实时测量并计算得出每一次电平切换之间的脉冲宽度，将宽度值按时间顺序排列所构成的一个原始宽度序列。
第二生成模块，是指将所述原始宽度序列根据电平切换类型的不同，分组为原始高电平序列和原始低电平序列。
如图4所示，具体的说，若检测到波形由低电平到高电平切换，则生成原始高电平序列，记作{Hk}，k为自然正整数。若检测到波形由高电平到低电平切换，则生成原始低电平序列，记作{Lk}，k为自然正整数。
原始高电平值的异常判定和原始低电平的异常判定，通过计算所述原始电平序列与电平判定阈值Tx或Ty的差值，若差值的绝对值大于某一预先设定值，则判定为异常宽度数据，序列当前元素丢弃。其中，预先设定值决定了电平判定的灵敏度。
第四生成模块，将原始高电平序列和原始低电平序列作为输入值，用于在一周期内，生成用于计算判决阀值的窗口电平序列。
如图5所示，窗口高电平序列的生成和窗口低电平序列的生成，分别主要包括如下步骤：
(1)将所述原始电平序列作为输入，与所述电平判决阈值相比较，若原始电平序列元素大于所述电平判决阈值，则生成所述窗口电平序列，记作H’(H prime)或L’(L prime)；
(2)将所述窗口电平序列作为输入，从最开始的第一个窗口电平序列元素到随后若干个元素作为一个电平阈值的计算周期，使用周期内的序列元素计算得出新阈值；
(3)每次向后移动一个窗口电平元素，形成更新的滑动窗口，再次计算得出新阈值。滑动窗口的大小为包含正常窗口电平序列的元素个数，记为N。
电平判决阈值的生成模块，包括一个N阶线性滤波器，使用滑动窗口内的窗口电平序列元素，进行加权平滑滤波，滤除序列中的高频分量，生成新的判决阈值。在本实施例中，采用相干平均(N＝4)，再乘以一个因子K(K＝0.87)得到新的判决阈值Tx或Ty。如图6所示，即
经过加权平滑滤波后的阈值将不会摆动得像所述窗口电平那么大，即Tx或Ty中的噪声小。
第三生成模块，如图7所示，包括高电平第一采样点的生成和低电平第一采样点的生成，是指在所述原始电平序列到来后的某一时间内，对BMC波形进行第一次采样，生成第一采样点数据。
第五生成模块，如图7所示，包括高电平第二采样点的生成和低电平第二采样点的生成，是指在所述窗口电平序列中，当序列元素值大于所述电平判决阈值Tx或Ty后的某一时间内，对BMC波形进行第二次采样，生成第二采样点数据。
数据缓存模块，是指将高电平第一采样点数据、高电平第二采样点数据、低电平第一采样点数据和低电平第二采样点数据，按照采样时间的先后顺序，依次存入采样数据缓冲中。
BMC译码模块，是指从采样数据缓冲中，通过组合前后两个采样数据，依据BMC译码规则，生成原始的调制比特流，完成BMC解码。
由上述可以看出，本发明提出的一种动态双阈值BMC解码装置，是按照输入波形的电平类型，可动态调整高电平的判断阈值或动态调整低电平的判断阈值，解决了采用固定阈值或单阈值方法不能很好适应BMC波形占空比失真的技术缺陷，可有效实现在BMC波形存在占空比失真环境下的实时判决和正确解码，并为试验所证实。
本发明的BMC解码装置实现简单、判决准确、实时性高、误报率低，可大幅提高BMC波形在存在占空比失真环境下的解码正确率，有很高的实用性。
图8为本发明的动态双阈值BMC解码装置的控制流程图。如图8所示，动态双阈值BMC解码装置的控制流程包括如下步骤：
步骤1，检测到输入信号，开始；
步骤2，对输入波形计算其脉冲宽度，生成原始宽度序列；
步骤3，根据电平切换类型，将原始宽度序列分别生成原始高电平序列和原始低电平序列；
步骤4，将原始高电平序列和原始低电平序列中的异常值剔除；
步骤5，从原始高电平序列中，生成高电平第一采样点数据；从原始低电平序列中，生成低电平第一采样点数据；
步骤6，判决原始高电平序列{Hk}中元素值是否大于判决阈值Tx，若是，则生成窗口高电平序列。判决原始低电平序列{Lk}中元素值是否大于判决阈值Ty，若是，则生成窗口低电平序列；
步骤7，从窗口高电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成高电平判决阈值Tx。从窗口低电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成低电平判决阈值Ty；
步骤8，从窗口高电平序列中生成高电平第二采样点数据。从窗口低电平序列中生成低电平第二采样点数据；
步骤9，将高电平第一采样点数据，低电平第一采样点数据，高电平第二采样点数据，低电平第二采样点数据，按照采样顺序依次存入采样数据缓冲中；
步骤10，BMC译码；
步骤11，输出解码后的比特流，完成。
在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。本发明中的“列”或“行”都是广义上的含义，其既可以指阵列中水平的一排，也可以指垂直的一排。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态双阈值的BMC解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据接收的BMC波形生成原始宽度序列；
根据所述原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列；
根据所述原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据所述原始低电平序列生成低电平第一采样点数据；
根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列；
将所述窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将所述窗口低电平序列与所述低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据；
按照采样顺序，对所述高电平第一采样点数据和所述高电平第二采样点数据，以及所述低电平第一采样点数据和所述低电平第二采样点数据进行缓冲；并进行译码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在生成所述原始高电平序列和所述原始低电平序列步骤后，还包括：
从所述原始高电平序列和所述原始低电平序列中剔除异常值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高电平判决阈值和所述低电平判决阈值分组控制，由不同的窗口电平序列独立生成，相互之间无联系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窗口电平序列与所述电平判决阈值通过以下步骤获取：
将所述原始电平序列作为输入，与所述电平判决阈值相比较，若原始电平序列元素大于所述电平判决阈值，则生成所述窗口电平序列，记作H’(H prime)或L’(L prime)；
将所述窗口电平序列作为输入，从最开始的第一个窗口电平序列元素到随后若干个元素作为一个电平阈值的计算周期，使用周期内的序列元素计算得出新阈值；
每次向后移动一个窗口电平元素，形成更新的滑动窗口，再次计算得出新阈值。滑动窗口的大小为包含正常窗口电平序列的元素个数，记为N。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高电平判决阈值和所述低电平判决阈值通过以下步骤生成：
从窗口高电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成高电平判决阈值；以及从窗口低电平序列中，通过对窗口内元素进行加权平滑滤波，生成低电平判决阈值。
6.一种动态双阈值的BMC解码装置，其特征在于，包括：
第一生成模块，用于根据接收的BMC波形生成原始宽度序列；
第二生成模块，用于根据所述原始宽度序列的电平切换类型，生成原始高电平序列和原始低电平序列；
第三生成模块，用于根据所述原始高电平序列生成高电平第一采样点数据，以及根据所述原始低电平序列生成低电平第一采样点数据；
第四生成模块，用于根据电平判决阈值分别生成窗口高电平序列和窗口低电平序列；
第五生成模块，用于将所述窗口高电平序列与高电平判决阈值进行比较，生成高电平第二采样点数据；以及将所述窗口低电平序列与所述低电平判决阈值进行比较，生成低电平第二采样点数据；
数据缓冲模块，用于按照采样顺序，对所述高电平第一采样点数据和所述高电平第二采样点数据，以及所述低电平第一采样点数据和所述低电平第二采样点数据进行缓冲；
译码电路，用于对数据缓冲模块中的采样数据进行译码。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
异常判定模块，用于从所述原始高电平序列和所述原始低电平序列中剔除异常值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
加权平滑滤波器，由依次连接的延迟器、多位乘法器、多路加法器所组成，其长度包括N点但不限于N点；其用于生成电平判决阈值。
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