CN1095245C - 采用快闪调制的双相或fm调制解调器及调制解调方法 - Google Patents

采用快闪调制的双相或fm调制解调器及调制解调方法 Download PDF

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Abstract

在红外(IR)通信中将双相或FM编码方式和快闪调制方式相结合。通过在调制过程中缩小编码脉冲宽度从而使功率损耗被有效地降低以便使FM编码可以很好地适应在同步通信系统中进行IR通信的程度。另外，对噪声滤除也进行了叙述。

Description

采用快闪调制的双相或FM调制解调器 及调制解调方法
本发明涉及对数字通信的调制，更具体地说涉及使用双相或FM编码(调频编码)来进行红外通信调制。
本申请和本发明涉及到正在共同未决的美国专利申请(申请序号：YO 944-177)中的内容，该申请是由同一发明人与此申请同时提出并转让给同一受让人。
红外(IR)通信中一个重要的考虑是，红外数据访问(IRDA-Infrared Data Access)标准调制方案和被调制的数据模式是密切相关的。因此它是不适合于同步通信的，这种通信要求所收到的信号总含有能导出位速率时钟的足够的信息，并能从相当稳定的直流信号电平中得到好处。和IRDA标准比较，脉冲位置调制(PPM-pulseposition modulation)对于红外通信来说，在功率损耗和数据对直流电平漂移无关两方面而言是十分完美的。所以，脉冲位置调制，如四位置PPM，对红外通信是相当普遍地采用的，因为在发送一定数据的数据时它只需要很少的脉冲而同时它维持一个稳定的直流电平而和发送的数据模式无关。
和这些优点相抵消的是这样的事实，PPM由于使用大量的位置因而会受到一系列缺点的损害。一个缺点是，模拟锁相环对于跟踪输入信号成为必不可少的需要。因此，整个系统的成本上升。第二个缺点是具有大量的位元位置的PPM信号可能没有所要求的那样稳定的直流电平。另一方面，PPM在使用较少的位元位置时也会出现不少缺点。这种缺点之一是在较少的位元位置时功率损耗增加。此外，即使在仅用少量位元位置时PPM也不像双相或FM编码方案那样能保持一个稳定的直流电平。因此，从它的直流电平的不稳定性来看PPM编码在同步通信方面可能是有问题的。
涉及双相信号(FM1)(biphase mark(FM1))和双相空间(FM0)(biphase space(FM0))编码并包括一种曼彻斯特编码的双相或FM编码是数字通信中一种常用的调制方案。这种编码的好处包括这样一个事实，即位速率时钟是作为调制的一部分而传送的，并且它具有一个稳定的直流电平，该直流电平提供一个平衡的模拟信号使它适用于同步通信。但是，在使它适合于红外通信时，这种类型的调制在发送信号时在功率消耗方面是相当昂贵的。不过，它确实存在若干具有吸引力的特色。除了能维持稳定的直流电平而与发送的数据模式无关外，它还能把载波频率维持在一个紧凑的带宽内。和PPM相比，双相编码方案比四位置PPM可维持更好的恒定的直流电平，并且它把位速率时钟作为编码数据的一部分来传送而同时维持和四位置PPM相类似的平均功率损耗。尽管如此，在传送IR信号时双相或FM编码比起IRDA和PPM调制方案来说，一般要消耗更多功率，这仍然是个缺点。这种在通过IR信号发送FM编码的模式期间需要过大的功率消耗是在考虑红外通信的FM编码中应予关注的最大的问题。
因此，在这一技术中的一个问题是，找出一种红外编码或调制系统，它在功率效率方面是最优的，同时还保持了双相编码的恒定直流电平和携带时钟信息的特点。
因此，本发明的一个目的就是提供一种用于红外通信的高效系统和编码方法，它同时还能提供多用性。
本发明的另一个目的是提供一种在红外通信中使用双相编码的高效系统和编码方法。
本发明的再一个目的是通过把双相编码和快闪调制(flashmodulation)在红外通信中结合起来的解决已有技术中的问题。
按照本发明，对双相或FM编码方案用快闪调制来进行修改，以便缩小编码脉冲的大小从而产生出一种高效且多用的系统和编码方法，即一种FM和快闪(FM/FLASH)调制解调器，它适用于红外通信。改进后的系统在功率消耗方面可以和四位置脉冲调制(PPM)相比拟，同时还保持了上面所说的双相编码的各种优点。这种比较是基于这样的假定，即4位PPM使用1/2位周期的脉冲宽度，每两位用一周期，而目前的带快闪的FM技术平均使用每位1/4周期脉冲。
更具体地说，双相或FM格式化数据的位单元从概念上被划分成为半个位单元。在本系统中，每当在发送器线路上的FM编码数据的一个输入信号在半个位单元期间为高时，就有一个比半个位单元宽度还小(例如为1/4位单元宽度)的快闪脉冲发生并发送。但是，由于双相编码信号在每个位单元的末尾出现一次转换过程，当没有收到需要编码的输入信号或别的什么情况时，数据线就在高电平下处于空闲状态，从而如果当发送器线路只是在每半个位单元时采样的话，那么就会有多个快闪脉冲送出去。为了当发送器在空闲状态下消除这些多余的脉冲，调制器要这样来设计，即为了开始调制，它必须在发送器数据线上检测到一个转换过程。这样，调制仅在一个位单元周期内进行。一旦发送器数据线的电平变低，调制器就复位到初始状态并准备就绪去检测下一个转换沿。当调制器下一次检测到发送数据的一个上升沿时，它就送出一个1/4位单元长的快闪脉冲。然后，当它到达位单元的中间时，如果数据线在位单元的第二个一半仍保持为高时它就送出另外1/4位单元长的脉冲。如果数据线在位单元的第二个一半变低，则调制器复位到初始状态并等待下一个上升沿。因此，在送出了两个连续的1/4位单元长的脉冲后，即一个在位单元的开始而下一个在位单元后一半的开始，如果数据仍保持在高电平，则就不再有脉冲输出。直到调制器检测到另一个上升沿之前不会再有脉冲输出。因此，如果FM编码的数据仅在半个位单元为高，则调制器仅在FM编码脉冲的开头送出一个1/4位单元长的快闪脉冲。如果FM编码的数据在一个位单元长度内为高，则调制器将送出两个1/4位单元长的脉冲，一个在开始，另一个在半个位单元周期处。
在解调器方面，一旦检测到一个输入信号脉冲，它就被延长到半个位单元的长度。然后解调器在位单元的中间对输入数据的电平作采样。如果采样为高，它就把延长为半个位单元的脉冲再扩展到整个位单元长度。在这种情况下，解调器在寻找下一个输入脉冲之前将等待到下一个位单元的中间为止，因为在双相编码信号中在每个位单元的末尾会有一次转换以使信号变低。另一方面，如果位单元中间的采样为低，则解调器仅在当前的位单元接近末尾处检测下一个脉冲，正如由第一个输入脉冲的边沿所确定的那样。这种解调方案因此可以从它所接收到的带有快闪调制的FM信号恢复产生一个FM编码信号。
为了滤除噪声，解调器还包括用以证实输入脉冲的逻辑。当解调器检测到输入脉冲的上升沿时，它在一个预定的小于1/4位单元的时间之后再对脉冲电平采样。如果采样是高电平，这就认定输入脉冲是有效的。如果它的采样是低电平，则它就忽略该脉冲并等待下一脉冲。
图1表明了各种信号形式的比较，这些信号是把一个串行的数字输入信号按照不同的编码技术进行调制而得到的，这些不同的编码技术包括已有技术的不归零制(NRZ)制、FM1和FM0编码，以及按照本发明的FM0/快闪和FM1/快闪编码。
图2是按照本发明的一个FM/快闪调制器的示意图。
图3是按照本发明的一个FM/快闪解调器的示意图。
本发明的带有快闪的双相或FM(FM/快闪)调制解调器可以用一个标准的ASIC(专用集成电路)单元及一个具有内装FM编码/解码器的同步通信控制器来实现。同步通信控制器也可以有一个内装的数字锁相环，以使它不必装在调制解调器中。在这一实施中最好还有16倍的过采样时钟，它可以为每一位单元提供16次计数。
图1表明了按照已有技术的不同编码方法所调制的信号的形式，并且也表明了本发明的缩减脉冲宽度调制的信号的形式。在最上面所显示的信号是待编码的串行数字输入，接下来是不归零制(NRZ)编码格式，然后是双相编码的FM1和FM0方案的两种相应的形式。底下的两种信号是按照本发明的由FM1/快闪和FM0/快闪编码所产生的相应形式的表示。
FM/快闪调制解调器的部件示于图2和图3中。从图2中可见，调制器是用一个4位计数器30来实现的，当它的START(启动)输入被延迟触发器31的输出起动时，它可以被触发而每次从零开始计数到15。当计数器30返回到零时，它就停止计数除非启动输入在那时是受激励的。对计数器30的启动输入是一个同步FM编码输入而CLR/(清除)输入是一个通过反相器(NOT)和或非(NOR)门NOR2的非同步反相清除(clear-not)输入。计数器30的输出QA是最低有效位计数输出位而QD是最高有效位计数输出位。
当输入到或非门NOR 2的复位信号起作用时，调制器被初始化到一个已知的有效状态。当一个从串行控制器来的FM编码传输数据信号在FM_TX输入线上变为高时，延迟触发器31的输出就置成1，使得计数器30在16倍时钟线上的从16倍过采样时钟来的信号的下一个上升沿时开始计数。当计数器30计数至1，J-K触发器32的J输入端就置位，而在线IR_TX上的调制器的输出则在16倍时钟线上的信号的上升沿时置位，因而起动一个高电平上的输出脉冲。在计数到5时，J-K触发器32的K输入端置位，它使IR_TX上的输出复位从而结束该脉冲。这种4计数的置位和复位就在线IR_TX上向一个IR源送出一个约1/4位单元长的脉冲。IR源把电子脉冲转换成相应的IR光脉冲以便作为编码信号的一部分而传输到解调器。
如果在线FM_TX上的FM编码信号在该位单元长的时间的中间变成了低，则IR_TX线被异步清除信号所清除而不管计数器30的计数如何。这个清除信号是通过反相器(NOT)和或非门(NOR 2)而提供给J-K触发器32的CLRN端口和计数器30的CLR/输入端的。如果在FM_TX线上的双相编码信号正好是一个位单元长，则第二个1/4位单元长的脉冲将使用上一段落中所提到的部件在计数为9时被送出到IR_TX上，而在计数为13时IR_TX又被复位。第一D触发器31在FM_TX信号从低向高转换时被置位，而在计数为3和11时则被D触发器33的输出所复位，从而使得D触发器31准备就绪去检测在FM_TX线上的信号的下一个上升沿。计数器30在从计数15返回到零或在FM_TX输入变为低时就被清除为零。
图3中所示的解调器首先检测从IR接收器来的、在IR_RX线上的输入红外脉冲信号的上升沿，这个接收器能检测由调制器的IR源输出的IR 1/4位单元宽度的光脉冲。当检测到上升沿时，锁存器23被置位，一个5位的计数器20开始从零往上计数。计数器20的时钟脉冲来自16倍时钟线的输入的上升沿。当计数器20计数到3和11时，在锁存器25和26之间的锁存器21在时钟脉冲的下一个上升沿被置位。输入的IR_RX信号直接送到D触发器24，且在锁存器24被锁存器21的输出所触发时该输入信号被采样，这样，当IR_RX为高时就产生半个位单元长度的已解调的FM编码信号FM_RX。从锁存器24输出的FM_RX信号被送到串行控制器，以便在红外通信系统中把FM编码解码成为NRZ(不归零)格式。这样，D触发器24在计数3和11时对IR_RX采样，而在计数为19时当受到锁存器25的检测而被清除。
FM编码的FM_RX输出信号在计数为4和12时被锁存器22所采样，并且，如果那时候FM_RX为低，则D触发器23在检测到IR_RX的上升沿时就被清除，使得它准备就绪以检测下一个上升沿。在计数为20时(这是由锁存器26检测的)，D触发器23也将被清而不管在此以前所采样到的FM_RX信号的电平。当D触发器23被清除时，计数器20也把计数复位为零并停留在该计数上，直到D触发器23检测到下一个输入的上升沿为止。
应该看到，为了滤除噪声，解调器包含了能确认输入脉冲的逻辑。像已解释的那样，当计数器20的计数为3和11时，锁存器21在时钟脉冲的下一个上升沿被置位，而直接送到D触发器24的输入的IR_RX信号在锁存器24被锁存器21的输出所触发时就被采样。从锁存器24来的输出FM_RX信号将根据采样到的IR_RX信号的电平而变高或变低。然后，这个FM_RX输出信号在计数为4或12时被锁存器22所采样，如果在那些时候FM_RX是低，则检测IR_RX上升沿的D触发器23被清除，从而使它准备就绪以检测下一个上升沿。这样，如果解调器检测到一个输入脉冲的上升沿，其脉冲电平将在一个预定的时间(最好是3个时钟计数)之后再采样，这比1/4位单元脉冲的宽度要小。如果采样是高电平，则可以认定该输入脉冲是有效的，并输出一个高电平。如果采样是低电平，则该脉冲被忽略，且系统被复位以等待下一脉冲。
因此，这个解调器把从IR_RX线上输入的、带有快闪调制的FM信号变为FM编码的数据送出到线路FM_RX上。所以，本发明的FM/快闪调制解调器接收FM编码的数据作为输入，而在它的部件之间传送后又输出FM编码的数据，因此和它一起使用的任何有关设备或系统不需要专门适合于去处理它的内部编码，即带快闪的FM编码。
本发明的带快闪的双相或FM调制解调器可以用于FM 0或FM 1编码的数据，同时也可用于曼彻斯特编码的数据，而且适用于同步通信。全数字的锁  相环并不是必需的，但可以作为一个部分而被包括在解调器中，如果希望的话；它的实现对熟悉本技术领域的人们是不困难的。
这里所说明的带快闪的FM调制解调器特别适用于可交互操作的多协议定向红外无线通信控制器中，这种控制器在和本申请同时提交、共同未决的美国专利(申请序号：YO 994-177)中已有说明并在此提出以供参考。这种调制解调器也可以用在任何使用双相或FM调制的通信控制器中，只要被用来对接收器中的信号进行放大和滤波的模拟电路可以允许通过这种被调制的信号的话。
虽然本发明是以它的优选实施例来特别地示出和说明的，但应该理解，对熟悉本技术的人们来说，可以进行各种形式和细节上的改变而不背离本发明的范围和精神实质。

Claims (23)

1.一种双相或FM调制系统，该系统包括对数字输入信号进行FM编码的装置，实现该编码方式是通过产生由表明在上述输入信号内的电平转换的高电平和低电平所组成的经过FM编码的输出信号，这些电平的长度不小于半个单元周期但是却不大于一个位单元周期，其特征在于，其改进包括：
用于根据所述的经FM编码的输出信号对上述输出信号进行快闪调制的装置，它根据所述输出信号的每半个位单元周期的电平而产生小于半个位单元宽度的脉冲来实现快闪调制，
所述的快闪调制装置包括：
计数器装置，它根据收到的所述FM编码输出信号的高电平而输出包括第一计数脉冲和第5计数脉冲的计数脉冲；
第一装置，它根据从所述计数器装置来的第一计数脉冲以输出一个脉冲信号；以及
第二装置，它根据第5计数脉冲以停止由所述第一装置输出的所述脉冲信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述快闪调制装置包括产生大约1/4位单元宽度的脉冲的装置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计数器装置输出第9计数脉冲和第13计数脉冲，
所述第一装置根据第9计数脉冲而输出一个脉冲信号；以及
所述第一装置根据第13计数脉冲而停止所述第一装置输出的所述脉冲信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于上述计数器装置输出第3计数脉冲和第11计数脉冲，并包括：
用于检测所述FM编码输出信号的高电平的开始，并输出一个信号以起动上述的计数脉冲的装置；以及
还包括根据第3和第11计数脉冲而使所述的检测装置复位的装置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括：
用于检测上述FM编码输出信号的低电平并且产生一个指明该检测情况的信号的装置；以及
根据所述的指示信号使所述的计数器装置复位为零的装置。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于对所述的快闪调制的脉冲信号进行解调的装置，它包括：
从所述的快闪调制装置接收输入的快闪调制脉冲的装置；
根据由所述的接收装置所收到的输入快闪调制脉冲，在检测到该信号时就产生一个半个位单元宽度的信号的装置。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述的输出装置包括：用于输出计数脉冲的计数器装置；以及第一装置，它根据上述的计数器装置来的第3和第11计数脉冲对输入上述接收装置的快闪调制脉冲进行采样并在检测到该时输出一个半个位单元宽度的信号。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于上述的解调器装置还包括：
第二装置，它根据从上述计数器装置来的第4计数脉冲对从上述第一装置来的输出进行采样，且在没有检测到装修位单元宽度的信号时把上述的计数器装置到零。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，
上述的第二装置根据从上述的计数器装置来的第12计数脉冲而对上述的第一装置的输出进行采样，且在没有检测到半个位单元宽度的信号时把上述的计数器装置复位到零。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括能把上述的快闪调制脉冲信号转换成IR光脉冲信号的装置。
11.一种用于双相或FM调制系统中的方法，该系统包括对数字输入信号进行FM编码的装置，实现该编码方式是通过产生由表明的上述输入信号内的电平转换的高电平和低电平所组成的经过FM编码的输出信号，这些电平的长度不小于半个位单元周期但是却不大于一个位单元周期，所述方法包括以下步骤：
接收上述的FM编码的输出信号；以及
按照所述的输出信号在每半个位单元周期内的电平转换而产生小于半个位单元宽度的脉冲，从而对上述的输出信号进行快闪调制。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的快闪调制步骤是产生约1/4位单元宽度的脉冲。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于上述的快闪调制步骤包括：
根据接收到上述FM编码输出信号的高电平而输出计数脉冲；
根据收到第1个计数脉冲而输出一个脉冲信号；以及
根据收到第5个计数而停止输出上述的脉冲信号。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
经9计数脉冲而输出一个脉冲信号；及
根据第13计数脉冲而停止输出上述的脉冲信号。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
在检测到上述的FM编码的输出信号的高电平的开始时就输出一个信号以起动上述的计数脉冲；以及
根据第3和第11计数脉冲再检测上述的FM编码的输出信号的电平。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
检测上述的FM编码的输出信号的低电平并产生一个表明该检测情况的信号；以及
根据上述的指示保证把上述的计数器装置复位到零。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还通过下步骤对上述的快闪调制的脉冲信号解调；
接收输入的快闪调制的脉冲；以及
根据所接收的输入的快闪调制的脉冲输出一个半个位单元宽度的信号。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
根据接收到一个输入的快闪调制的脉冲输出计数脉冲；以及
根据第3和第11计数脉冲对收到的输入快闪调制的脉冲进行采样；以及
在检测到该信号时输出一个半个位单元宽度的信号。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
根据第4计数脉冲对半个位单元宽度的信号的输出进行采样；以及
当没有检测到装修位单元宽度的信号时把计数脉冲复位到零。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：
根据第12计数脉冲对半个位单元宽度的信号的输出进行采样；以及
在没有检测到装修位单元宽度的信号时把所述的计数脉冲复位到零。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于
还包括把所述的快闪调制的脉冲信号转换成IR光脉冲信号的步骤。
22.一种双相或FM解调器，其特征在于包括：
根据小于半个位单元宽度的快闪调制的脉冲信号而接收从一个地FM调制信号进行快闪调制的装置发送来的所述快闪调制脉冲信号的装置；以及
根据由所述接收装置所接收的输入的快闪调制脉冲信号而在检测到该信号时输出一个半个位单元宽度的信号的装置，所述输出装置包含：用于输出包括第3和第11个计数脉冲的计数器装置；和根据来自计数器装置的第3个计数脉冲和第11个计数脉冲对接收输入快闪调制脉冲的接收装置取样并输出一个半个位单元宽度的信号的装置。
23.一种对小于半个位单元宽度的快闪调制的脉冲信号进行解调的方法，该信号是从一个用于对FM调制的信号进行如此的快闪调制的装置接收到的，所述方法包括下列步骤：
接收所述的小于半个位单元宽度的经过快闪调制的脉冲信号，该信号是由所述的用于对FM调制的信号进行快闪调制的装置发送的；以及
在收到每一个所述的快闪调制的脉冲信号时输出一个半个位单元宽度的信号。
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