CN111034138B - 小型且无缝的载波检测器 - Google Patents

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Abstract

载波检测器包括脉冲计时器和参考控制模块(235)，当两个以上的连续切换信号在1.5个波特周期内时，该参考控制模块输出逻辑高(H)，并且其保持逻辑高(H)直到其在两个波特周期内失去切换信号为止。载波检测器具有错误检测的容限，该错误检测发生在频率从较低移位到较高以及输入幅度电平未达到可检测电平时。通过该转换，由于滤波器(222)的瞬态响应，滤波器输出(227)处的幅度电平变为更高，其最终仅在一个波特周期内触发比较器(230)。

Description

小型且无缝的载波检测器
背景技术
传统的载波检测方法通常基于标准能量检测或RMS检测，并且它们需要高质量滤波器、整流器和变频器，所有这些都会导致高功耗和大的实现面积，而这些都是不希望的。
另一种常规方法是从涉及简单比较器或峰值检测器的幅度监控技术中得出的。图1示出了基于幅度检测的常规载波检测器。信号105经过前置滤波器102，并且滤波器输出107传递到具有比较器参考(COMP_REF)112的比较器110中。比较器输出114传递到脉冲发生器115，然后传递到锁存器117一定时期，并然后最终，信号在CD_OUT 120处输出。脉冲发生器115用来延长脉冲的长度，以使去毛刺(deglitch)模块有足够的时间动作。
该架构是简单的，但是对于前置滤波器102的瞬态响应是弱的。如果通过频移键控(FSK)来调制信号105，则载波的频率在跟随数据的多个频率之间改变。这会在数据转换时生成不连续的导数，从而导致前置滤波器输出107处的幅度电平发生波动。该波动电平取决于滤波器102的传递函数，(在传统方法中)其通常需要大的保护带以用于在“检测到的”和“拒绝的”幅度之间的幅度阈值，以补偿各种类型的滤波器的幅度电平波动，从而减小了可用的幅度范围。对于诸如工厂自动化之类的应用，高速公路可寻址远程换能器(HART)协议根据频移键控(FSK)方法调制直流(dc)信号，以允许在dc线路上进行通信。HART通讯协议是一种混合模拟/数字工业自动化协议，其对于在其他笨拙的装置上覆盖智能是有用的。HART协议的优点是允许通过传统的4-20mA模拟仪器电流回路进行通信，并共享由仅模拟主机系统使用的成对导线。
根据HART，数字信号可能具有两个频率，即分别代表位1和0的1200Hz和2200Hz。例如，可以通过在第一频率1200Hz(“Mark”)下根据正弦波调制数字一并在第二频率2200Hz(“Space”)下根据正弦波调制数字零，来传输数字字。特别代表逻辑低(“0”)，例如2200Hz(“Space”)转换到逻辑高(“1”)，例如1200Hz(“Mark”)的数据转换引起前置滤波器输出由于滤波器的传递函数而幅度减小，因为滤波器增益是频率的函数。这种幅度减小可能导致比较器110无法正确检测到载波。对于从逻辑高(1200Hz，“Mark”)到逻辑低(2200Hz-“Space”)的转换，可能发生类似但较不严重的问题。在这种情况下，瞬态效应可能导致前置滤波器输出实际上高于预期的阈值电平。
图1A示出了图1的载波检测器的时序图。图1示出了逻辑低(“0”)和逻辑高(“1”)的代表性数据序列；逻辑低(2200Hz-“Space”)和逻辑高(1200Hz-“Mark”)的频移调制表示；滤波器102的代表性滤波器输出；以及载波检测器输出。比较器110可能无法检测到从逻辑低到逻辑高的数据转换，这是由于在与对滤波器102的输入的调制改变有关的此类转换(诸如2200Hz转换到1200Hz)期间由前置滤波器瞬态响应反映的低幅度电平输出。这种困难由示出失去的载波检测的圆形脉冲反映。
在建立将正确地检测信号的系统中，诸如与HART协议系统连接，发送低频信号(例如，一系列的一)以调整载波检测阈值电平。然而，在载波检测器建立期间，基于那些低频率信号所需的检测的幅度电平，系统可能不正确地响应寄生信号和噪声。
发明内容
在所描述的示例中，载波检测器具有带有信号输入和滤波器输出的滤波器。比较器具有第一输入和第二输入。比较器的第一输入连接到滤波器的输出。脉冲计时器和参考控制模块具有输入和输出。脉冲计时器和参考控制模块输入耦合到比较器的输出。脉冲计时器和参考控制模块包括边沿检测器、计时器和有限状态机。脉冲计时器和参考控制模块输出连接到比较器的第二输入。
附图说明
图1是基于幅度检测的常规载波检测器的视图。
图1A是图1的载波检测器的时序图。
图2是根据实施例的载波检测器的功能图。
图2A是图2的载波检测器的时序图，
图3是根据实施例的操作载波检测器的过程的流程图。
图4示出了无线通信收发器的一般架构。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。
示例实施例包括小型数字电路和反馈架构，以建立小型且无缝的载波检测器，以减小前置滤波器输出处的幅度电平的波动。
图2示出了一种架构，其中用实现了包括去毛刺电路功能的功能的脉冲计时器和参考控制模块235代替图1的简单锁存器117。信号220传递到前置滤波器222中，并从前置滤波器输出227传递到比较器230。比较器230具有比较器参考232。比较器输出被馈送到脉冲发生器224，并然后从脉冲发生器224进入脉冲计时器和参考控制模块235中。脉冲计时器和参考控制模块235的输出作为系统输出传递到CD_OUT 236，并且还向比较器参考232提供反馈。脉冲计时器和参考控制模块235出现在常规锁存器117的位置(图1)。
在本说明中，弱点(由于数据转换处的不连续导数导致前置滤波器输出处的幅度电平的波动)可以通过小型数字电路和反馈架构来克服，以建立小型且无缝的载波检测器。
脉冲计时器和参考控制模块235具有错误检测的容限，错误检测通常会发生在频率从较低移位到较高并且输入幅度电平未达到可检测电平时。脉冲计时器和参考控制模块235用作边沿检测器、计时器和有限状态机。
在此转换处，由于滤波器的瞬态响应，滤波器输出处的幅度电平变得更高，并且最终这将仅在一个波特周期内触发比较器。然而，控制模块235的去毛刺功能忽略了该时钟边沿。
在确定“Mark”和“Space”频率时，可以使用至少两种方法。利用已知的时钟频率，可以根据诸如零交叉之类的已知事件之间的参考时钟对时钟周期的数量进行计数。可替代地，可以对时钟周期之间的事件(诸如零交叉)进行计数。后一种方法固有地准确性较低，因为它提供了更多的量化误差，尤其是随着时钟频率增加。
图2A示出了图2的载波检测器的时序图。
参考图2和图2A，在实施例中，脉冲计时器和参考控制模块235关于在比较器230的输出处检测切换的脉冲输出转换(表示对载波的检测)来将计时器设置为持续1.5个波特周期。当两个切换信号在1.5个波特周期内到达时，脉冲计时器和参考控制模块235输出逻辑高(H)。来自脉冲计时器和参考控制模块235的输出使比较器参考电平切换以关于接收两个切换信号而降低比较器参考阈值。例如，参考电平可以最初设置为120毫伏(mV)。关于在1.5个波特周期内检测到两个切换信号，将比较器参考232的阈值参考设置为较低阈值，诸如80毫伏。这有助于确保由载波检测器检测到“Mark”。脉冲计时器和参考控制模块235设置新的计时器，以在2个波特周期内未发生切换信号时使输出在该2个波特周期保持为高。在2个波特周期的计时器到期后，关于在该2个波特周期内未收到切换信号，比较器参考阈值从降低的阈值(诸如80mV)返回到较高的比较器电平电压(诸如120mV)。重复前述过程以关于用于本文中载波检测器的正确地检测信号电平来正确地建立载波检测。
由于脉冲计时器和参考控制模块，载波检测器可能会延迟输出或错过/失去信号的开始。但是，大多数通信协议允许在不丢失信号数据的情况下失去前导的前几位，因此在大多数情况下这不会造成问题。
本文描述的架构具有到比较器参考的反馈路径。在CD_OUT变为逻辑高之后，可以将比较器的参考设置为载波检测器所需的低电平，以使其不受滤波器的瞬态响应或到调制信号中的注入噪声的干扰。这样，载波检测器可以在解调过程期间将“高”保持为稳定信号。
图3示出了实施例中操作载波检测器的过程的实施例。在步骤300中，在220中的信号传递到前置滤波器222中。在步骤305中，前置滤波器输出227被输入到比较器230。在步骤310中，比较器30参考比较器参考32来确定输出。在步骤315中，比较器输出进入脉冲发生器224中，并且在步骤320中，脉冲发生器的输出传递到脉冲计时器和参考控制模块235。在步骤322中，脉冲计时器和参考控制模块235在两个切换信号在1.5个波特周期内到达时输出H(高)，并保持输出H直到2个波特周期外的时间为止，在此时间期间，在2个波特周期中未检测到来自比较器230的切换输出。在步骤325中，脉冲计时器和参考控制模块235的输出作为系统输出传递到CD_OUT 36，并且在步骤330中还向比较器参考232提供反馈，该反馈控制比较器230的参考电平。
本文描述的架构具有到比较器参考的反馈路径。在CD_OUT变高之后，在步骤135中，可以将比较器的参考设置为所需的低电平，以防止载波检测器受到滤波器的瞬态响应或到调制信号中的注入噪声的干扰。这样，载波检测器可以在解调过程中将“高”保持为稳定信号。
此描述基于幅度检测架构而不是标准能量检测。通过将后数字处理和反馈路径应用于比较器参考，可以解决准确度问题。通过将后数字去毛刺滤波器和从CD输出信号到模拟比较器的反馈路径添加到传统载波检测器中，载波检测器可以解决由基于FSK的信号生成的幅度波动问题。
与标准能量检测相比，示例实施例的实现区域较小，并且与常规幅度检测相比，示例实施例允许在没有大保护带的情况下进行更准确的检测。
图4示出了通信单元400内的无线通信收发器的总体架构，包括本文所述的载波检测器，该通信单元400在连接至存储器Mem的微处理器μP的控制下(该存储器Mem除了其他之外还存储用于微处理器μP的指令)。PA表示功率放大器，并且LNA表示低噪声放大器。通过天线(其可以代表电源线)到达的信号被低噪声放大器LNA滤波。接下来，信号被下变频并通过前端滤波器发送。在信号前进到载波检测器之后，载波检测器感测是否有有效信号到达解调器。解调器进行操作以传送接收信号(RX)。因此，载波检测器(如本文所述)防止垃圾数据传送到核心中并意外地解调噪声电平信号。传输数据(TX)遵循通过调制器并然后通过前端滤波器的路径。接下来，信号被上变频并发送到功率放大器PA以通过天线进行传输。
实施例的系统或其部分可以是“处理机”的形式，诸如通用计算机。如本文所使用的，术语“处理机”包括使用至少一个存储器的至少一个处理器。至少一个存储器存储指令集。指令可以永久地或临时地存储在处理机的一个或多个存储器中。处理器执行指令(其存储在一个或多个存储器中)以处理数据。指令集可以包括执行一个或多个特定任务的各种指令，诸如上述那些任务。用于执行特定任务的此种指令集可以被表征为程序、软件程序或简单地表征为软件。
如上所述，处理机执行指令(其存储在一个或多个存储器中)以处理数据。数据的这种处理可以响应于处理机的一个或多个用户的命令，或者响应于先前的处理，诸如响应于另一处理机的请求和/或任何其他输入。
如上所述，实现一些实施例的处理机可以是通用计算机。但是，上述处理机也可以使用多种其他技术中的任何技术，诸如专用计算机、计算机系统(例如，微型计算机、小型计算机或大型机)、编程的微处理器、微控制器、外围集成电路元件、CSIC(客户专用集成电路)、ASIC(特定用途集成电路)或其他集成电路、逻辑电路、数字信号处理器或可编程逻辑装置(“PLD”)诸如现场可编程门阵列(“FPGA”)、可编程逻辑阵列(“PLA”)或可编程阵列逻辑(“PAL”)或能够实现所描述过程的步骤的任何其他装置或装置布置。
实现前述内容的处理机可以使用合适的操作系统。因此，本文中的实施例可以包括运行以下操作系统的处理机：iOS操作系统、OS X操作系统、Android操作系统、MicrosoftWindowsTM10操作系统、Microsoft WindowsTM8操作系统、Microsoft WindowsTM7操作系统、Microsoft WindowsTMVistaTM操作系统、Microsoft WindowsTMXPTM操作系统、MicrosoftWindowsTMNTTM操作系统、WindowsTM2000操作系统、Unix操作系统、Linux操作系统、Xenix操作系统、IBM AIXTM操作系统、惠普UXTM操作系统、Novell NetwareTM操作系统、太阳微系统SolarisTM操作系统、OS/2TM操作系统、BeOSTM操作系统、各种苹果iphone和MacOS操作系统、Apache操作系统、OpenStepTM操作系统或另外的操作系统或平台。
此外，可以使用各种技术来提供各种处理器和/或存储器之间的通信，并允许处理器和/或存储器与任何其他实体进行通信，诸如以获得进一步的指令或访问和使用远程存储器存储。提供此类通信的此类技术可包括网络、互联网、内部网、外部网、LAN、以太网、无线通信(诸如经由蜂窝塔或卫星)或提供通信的任何客户端服务器系统。此类通信技术可以使用任何合适的协议，诸如TCP/IP、UDP或OSI。
如上所述，可以在前述内容中的处理中使用指令集。指令集可以是程序或软件的形式。软件例如可以是系统软件或应用软件的形式。例如，软件也可以是单独程序的集合、较大程序内的程序模块或程序模块的一部分的形式。所使用的软件还可包括面向对象编程形式的模块化编程。软件告诉处理机如何处置正在被处理的数据。
此外，在前述内容的实现和操作中使用的指令或指令集可以是用于处理机读取指令的适当形式。例如，形成程序的指令可以是适当的编程语言的形式，其被转变为机器语言或目标代码以允许一个或多个处理器读取指令。因此，使用编译器、汇编器或解释器将特定编程语言中的编程代码或源代码的写入行转变为机器语言。机器语言是特定于特别类型的处理机器(诸如特别类型的计算机)的二进制编码机器指令集。计算机理解机器语言。
根据前述内容的各种实施例，可以使用任何合适的编程语言。例如，编程语言可以包括汇编语言、Ada、APL、Basic、C、C++、COBOL、dBase、Forth、Fortran、Java、Modula-2、Pascal、Prolog、REXX、Visual Basic和/或JavaScript。此外，不必要结合本说明书的系统和方法的操作使用单一类型的指令或单一编程语言。相反，可以根据需要和/或期望使用任何数量的不同编程语言。
此外，实施例中的指令和/或数据可以根据需要使用任何压缩或加密技术或算法。加密模块可用于加密数据。此外，例如，可以使用适当的解密模块来解密文件或其他数据。
如上所述，一些实施方式可以以包括至少一个存储器的处理机的形式来体现，诸如计算机或计算机系统。使计算机操作系统能够执行上述操作的指令集(诸如软件)可以根据需要被包含在多种介质中的任何介质上。此外，由指令集处理的数据也可以被包含在多种介质中的任何介质上。因此，存储在实施例中使用的指令集和/或数据的特定介质(诸如处理机中的存储器)可以具有各种物理形式或传输中的任何一种。例如，介质可以是纸、纸透明胶片、紧凑盘、DVD、集成电路、硬盘、软盘、光盘、磁带、RAM、ROM、PROM、EPROM、电线、电缆、光纤、通信信道、卫星传输、存储卡、SIM卡或其他远程传输，或者处理器可以读取的任何其他介质或数据源。
此外，一个或多个存储器(在实现示例实施例的处理机中)可以具有多种形式中的任何形式，以允许存储器根据需要存储指令、数据或其他信息。因此，存储器可以是用于存储数据的数据库的形式。数据库可以使用任何所期望的文件布置，诸如平面文件布置或关系数据库布置。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中可以进行修改，并且其他实施例也是可以的。

Claims (15)

1.一种用于载波检测的方法，其包括：
根据频移键控即FSK的方法将调制数据提供给滤波器的输入；
将比较器的参考电平设置为第一参考电平；
使用所述比较器将所述调制数据的幅度电平与所述第一参考电平进行比较；
关于所述调制数据的所述幅度电平等于或大于所述第一参考电平，生成脉冲响应；所述脉冲响应反映了数据载波的存在；
关于检测到预定数量的脉冲响应，在第一预定时期内设置第一计时器；
关于在所述第一预定时期内检测到所述预定数量的脉冲响应，将所述比较器的参考电平降低到第二参考电平；
使用所述比较器将所述调制数据与所述第二参考电平进行比较；以及
在第二预定时期内没有检测到载波信号的情况下，将所述比较器的所述参考电平返回到所述第一参考电平。
2.根据权利要求1所述的用于载波检测的方法，其中所述第一预定时期是1.5个波特周期。
3.根据权利要求1所述的用于载波检测的方法，其中所述第二预定时期是2个波特周期。
4.根据权利要求1所述的用于载波检测的方法，其中所述预定数量的脉冲响应是两个。
5.根据权利要求1所述的用于载波检测的方法，其中所述调制数据包括以1200Hz和2200Hz传输的数字频率信息。
6.一种载波检测器，其包括：
滤波器，所述滤波器具有信号输入和滤波器输出；
具有第一输入和第二输入的比较器，所述比较器的所述第一输入连接到所述滤波器的所述输出；
具有输入和输出的脉冲计时器和参考控制模块，所述脉冲计时器和参考控制模块输入耦合到所述比较器的所述输出，所述脉冲计时器和参考控制模块包括边沿检测器、计时器和有限状态机；所述脉冲计时器和参考控制模块输出连接到所述比较器的所述第二输入。
7.根据权利要求6所述的载波检测器，其中所述比较器输出通过脉冲发生器耦合到所述脉冲计时器和参考控制模块。
8.一种与载波检测器结合使用的计算机可读非暂时性可编程产品，所述计算机可读非暂时性可编程产品包括使处理器执行以下操作的代码：
根据频移键控即FSK的方法将调制数据提供给滤波器的输入；
将比较器的参考电平设置为第一参考电平；
使用所述比较器将所述调制数据的幅度电平与所述第一参考电平进行比较；
关于所述调制数据的所述幅度电平等于或大于所述第一参考电平，生成脉冲响应；所述脉冲响应反映了数据载波的存在；
关于检测到预定数量的脉冲响应，在第一预定时期内设置第一计时器；
关于在所述第一预定时期内检测到所述预定数量的脉冲响应，将所述比较器的参考电平降低到第二参考电平；以及
使用所述比较器将所述调制数据与所述第二参考电平进行比较。
9.根据权利要求8所述的计算机可读非暂时性可编程产品，进一步包括：
代码，其用于在第二预定时期内没有检测到载波信号的情况下使所述处理器将所述比较器的所述参考电平返回到所述第一参考电平。
10.根据权利要求8所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述第一预定时期是1.5个波特周期。
11.根据权利要求9所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述第二预定时期是2个波特周期。
12.根据权利要求8所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述调制数据包括以1200Hz和2200Hz传输的数字频率信息。
13.根据权利要求8所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述预定数量的脉冲响应是两个。
14.根据权利要求9所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述第一预定时期是1.5个波特周期，其中所述第二预定时期是2个波特周期，并且其中所述预定数量的脉冲响应是两个。
15.根据权利要求9所述的计算机可读非暂时性可编程产品，其中所述第一预定时期是1.5个波特周期，其中所述第二预定时期是2个波特周期，其中所述调制数据包括以1200Hz和2200Hz传输的数字频率信息，并且其中所述预定数量的脉冲响应是两个。
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