CN111314020A - 一种通信数据的编码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信数据的编码方法及系统，涉及光通信信息传输领域。该方法的步骤包括：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据。本发明能够在显著降低通信码段中电平变换次数的同时，大幅度提高通信码段所表达的信息量进而不仅能够延长电平变换器件的使用寿命，而且能够达到用户的期望，非常适于实用和推广。

Description

一种通信数据的编码方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信信息传输领域，具体涉及一种通信数据的编码方法及系统。

背景技术

通信是以光或者电为信息载体(物理层)的通信技术。通信设备的接收端和发送端之间通过底层信息编码进行数据交互；最简单的，通过NRZ(Non-Return to Zero，不归零码)，RZ(Return to Zero，归零码)进行数据编码，在高速数据通信中，采用Duo-Binary(双二进制编码)、PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制)、PAM-4(4电平脉冲振幅调制)等进行编码。

但是，上述所有编码方式，都是通过一段尽量快的电平变换通信码段，表达尽量多的信息，例如01010101(0代表低电平，1代表高电平)，鉴于此，一次电平变换只能表达1-2个bit信息，无法任意扩展。不过对于某些场景而言，该场景对于电平变换速度并无极致要求，但是对于电平变换却有严格约束；比如某些电平变换器件(光器件开关)的使用寿命是有限制的，因此需要控制电平变换次数来保证电平变换器件的使用寿命。对于上述场景而言，若电平变换次数较多，则会缩短电平变换器件的使用寿命，不符合场景要求；若电平变换次数较少，则通信码段表达的信息量较少，难以达到用户的期望。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在显著降低通信码段中电平变换次数的同时，大幅度提高通信码段所表达的信息量。

为达到以上目的，本发明提供的通信数据的编码方法，包括以下步骤：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据。

在上述技术方案的基础上，所述通信码段长度的确定流程包括：在时钟同步的前提下，发送端和接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定。

在上述技术方案的基础上，时钟同步的方法为：

发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围；

或者：

接收端时钟跟踪锁定发送端时钟。

在上述技术方案的基础上，所述通信码段时长N、电平变化的次数X和需要表达的通信数据数量D之间的关系为：

其中r代表数据冗余度，0％＜r≤100％，r越小代表通信码段中可继续编码的空间越大；所述根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据的流程包括：将每次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联。

在上述技术方案的基础上，该方法还包括编码码型唯一的引导码段和终结码段，引导码段在发送端向接收端发送通信码段之前发送；终结码段在发送端将所有通信码段发送之后发送。

本发明提供的通信数据的编码系统，包括设置于发送端的数据编码模块、以及设置于接收端的数据解码模块；

数据编码模块用于：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据；

数据解码模块用于：收到通信码段后，按照与数据编码模块的编码方式对应的解码方式，对通信码段进行解码。

在上述技术方案的基础上，所述数据编码模块确定通信码段长度的流程包括：在时钟同步的前提下，发送端和接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定。

在上述技术方案的基础上，所述时钟同步的方法为：

发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围；

或者：

接收端时钟跟踪锁定发送端时钟。

在上述技术方案的基础上，所述通信码段时长N、电平变化的次数X和需要表达的通信数据数量D之间的关系为：

其中r代表数据冗余度，0％＜r≤100％，r越小代表通信码段中可继续编码的空间越大；所述根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据的流程包括：将每次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联。

在上述技术方案的基础上，所述数据解码模块还用于：编码码型唯一的引导码段和终结码段，引导码段在发送端向接收端发送通信码段之前发送；终结码段在发送端将所有通信码段发送之后发送。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明能够通过码段中电平变化次数、以及高电平和低电平所在的位置，来决定不同码型的通信码段。假定一段通信码段中存在N个原子检测周期，该场景下通过在不同原子检测周期时刻发生的仅一次电平变化，就可以表达N个不同、且超过一个字节的通信数据；而现有技术需要通过N次电平变化才能表达N个不同的通信数据。因此，本发明能够在显著降低通信码段中电平变换次数的同时，大幅度提高通信码段所表达的信息量；进而不仅能够延长电平变换器件的使用寿命，而且能够达到用户的期望，非常适于实用和推广。

附图说明

图1为本发明实施例中一维数据矩阵编码的实现原理示意图；

图2为本发明实施例中二维数据矩阵编码的实现原理示意图；

图3为本发明实施例中的通信数据的编码方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中通信码段的状态示意图；

图5为本发明实施例中各字符的数据码段的状态示意图；

图6为本发明实施例中的通信数据的编码系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中的通信数据的编码方法，包括以下步骤：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据。

优选的，通信码段长度的确定流程包括：在时钟同步的前提下，发送端和接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定。

电平变换器件(例如激光器)的响应时长包括的开启响应时长(即发出激光器开启命令后，至激光器开启的时长)、关闭响应时长(即发出激光器关闭命令后，至激光器关闭的时长)、从开启至关闭的最小间隔时长、从关闭至开启的最小间隔时长，以及接收端检测状态变迁的时长(即从在检测有光状态变为无光状态的时长、或检测无光状态变为有光状态的时长)，均不能影响高电平和低电平所在的原子检测周期数的变化。

此外，为了降低发送端和接收端的负荷，通信码段的长度不宜过长，因此，可以通过增加电平变化的次数的方式来表达更多的数据，进而减小原子检测周期的时长，随之也减小了通信码段的长度。

但是，增加电平变化的次数又会影响电平转换器件的使用寿命，所以在实际使用时，根据具体情况来“折中”决定原子检测周期。

优选的，时钟同步的方法为：

发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围，例如将发送端和接收端的时钟频偏差值控制在100ppm(1/10000)以内；

或者：

接收端时钟跟踪锁定发送端时钟。

由此可知，本发明能够通过码段中电平变化次数、以及高电平和低电平所在位置，来决定不同码型的通信码段。假定一段通信码段中存在N个原子检测周期，该场景下通过在不同原子检测周期时刻仅发生的一次电平变化，就可以表达N个不同、且超过一个字节的通信数据；而现有技术需要通过N次电平变化才能表达N个不同的通信数据。因此，本发明能够在显著降低通信码段中电平变换次数的同时，大幅度提高通信码段所表达的信息量；进而不仅能够延长电平变换器件的使用寿命，而且能够达到用户的期望，非常适于实用和推广。

可以得出，本发明并不限制一个通信码段中传输数据量，只要通信码段的原子检测周期数和电平变换次数足够多，原理上就可以表达任意数据。

优选的，通信码段的编码流程包括：

所述通信码段时长N、电平变化的次数X和需要表达的通信数据数量D之间的关系为：

其中r代表数据冗余度，0％＜r≤100％，r越小代表通信码段中可继续编码的空间越大；若D＞N，则一次电平变化无法传输D个不同的通信数据，此时需要两次以上的电平变换次数；若D≤N，则可用一次或一次以上的电平变化次数。将X次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联，以此实现电平变化的次数与通信数据对应。

本实施例通过多维时域数据矩阵的方式来实现上述方案，具体为：

定义原子检测周期为△t，则通信码段的长度P＝△t*N，N与上文示意相同(原子检测周期的数量)；第一次电平变化所在的原子检测周期时刻为i₁，第二次电平变化所在的原子检测周期时刻为i₂，以此类推，第n次电平变化所在的原子检测周期时刻为i_n。

那么多维时域数据矩阵M_x实际所表达的所有通信数据D为：D＝M_x(i₁,i₂,……，i_n)。

参见图1所示，通信码段长度为256(t0～t255)，左侧的S代表码段的开始(Start)，右侧的E代表码段的结束(End)，检测窗口能够显示每个原子检测周期的时刻。

电平变化为1次，即需要一维时域数据矩阵记为M1，那么以i₁为坐标的矩阵M1所表达的所有通信数据D为：D＝M1(i₁)；如图1所示，i₁所在的原子检测周期时刻为t4，则以i₁为4查找实际对应的通信数据。

由于一维矩阵M1仅约定为坐标和数据的一一映射，因此本实施例的i₁本身的值可直接作为所表达的实际通信数据(即4)。

此时可知，通信码段时长N＝256，电平变化的次数X＝1，数据冗余度r＝100％，通过上述公式计算通信数据数量D可知：

参见图2所示，通信码段长度为32(t0～t31)，电平变化为2次时，即需要二维时域数据矩阵记为M2，那么以i₁和i₂为坐标的矩阵M1所表达的所有通信数据D为：D＝M1(i₁,i₂)；如图2所示，i₁所在的原子检测周期时刻为t4，i₂所在的原子检测周期时刻为t29，则与i₁和i₂对应的通信数据为3。

由于i₂一定小于i₁的条件约束，因此二维矩阵M2最大能表达的通信数据数量为：32+31+30+…+1＝32*(32-1)/2＝496。

此外，本实施例中二维矩阵M2中的有效通信数据值离散分布，这样可以提升数据安全性。与此同时，由于矩阵实际表达数据量大于所需要的1字节，所以除了有效通信数据重用矩阵中一些节点之外，其他“空洞”节点(图2中的“x”)可以用于其他用途。比如，通过某种矩阵布局使得“i₂比i₁大2以上”的条件成立，以对应电平转换器件转换电平的相应时长；再比如，某个“空洞”定义为用于时钟同步的开销等。

此时可知，通信码段时长N＝32，电平变化的次数X＝2，需要表达的通信数据数量D＝256，通过上述公式计算数据冗余度r可知：

r＝51.6％。

因此，在上述场景下，还有继续编码的空间。

可以得出，对于多维时域矩阵编码中的所有节点，都可以通过特殊的数据编排而得到有效利用。与此同时，通过上述对于一维、二维时域矩阵的描述，不难理解对于一个n维矩阵，也可以采用类似原理实现。

优选的，该方法还包括编码码型唯一的引导码段，引导码段在发送端向接收端发送通信码段之前发送，这样会使得接收端接收通信码段的触发条件为收到引导码段，进而不仅可以保证接收端从开头开始接收完整的通信码段，而且能够避免接收端直接接收通信码段带来的数据振荡。

优选的，该方法还包括编码码型唯一的终结码段，终结码段在发送端将所有通信码段发送之后发送。终结码段能够让接收端知晓通信码段已发送完毕，便于接收端确认接收的通信数据；终结码段与引导码段配合，能够实现接收端完整的接收通信码段的开头和结尾，进一步提高了数据的完整性和准确性。

与通信码段相同，引导码段和终结码段的码型也可以通过矩阵的方式来确定。

优选的，当接收端收到未与发送端约定的无效码段时，判决本次数据接收无效，重新开始接收通信码段(即丢弃之前收到的所有通信码段后重头开始接收通信码段)；若存在引导码段，则在监听到引导码段后再接收通信码段。这样做的原因在于：若接收端再收到无效码段之后继续接收通信码段，则会导致最终接收的数据存在错误或者误差，因此接收端收到无效码段后重新开始接收通信码段，能够保证数据的准确性。引导码段、终结码段和无效码段的配合，能够实现接收端在完整的接收通信码段的基础上，规避接收的数据中含有无效数据的情况，更进一步的提高了数据的完整性和准确性。

在此基础上，参见图3所示，本发明实施例中的通信数据的编码方法，具体包括以下步骤：

S1：发送端周期性的发送通信码段，通信码段的发送顺序为先发送引导码段，再发送所有通信码段，最后发送终结码段；接收端监听发送端发送的通信码段，监听到通信码段中的引导码段后，转到S2；监听到其他类型码段则产生其他约定动作。

S2：接收端开始监听通信码段：监听到通信码段中的通信码段后，转到S3；监听到通信码段中的终结码段后，说明所有通信数据已发送完毕，结束；监听到无效码段后，说明需要重新开始接收通信码段，转到S1。

S3：接收端接收通信码段、并根据通信码段的码型进行数据还原(直接在矩阵中查找与码型中电平变化所在的原子检测周期时刻对应的值即可)，转到S2。

下面通过一个具体实施例说明本发明的方法。

参见图4所示，通信双方(即发送端和接收端)为光层直连设备，通信双方协商的原子检测周期P为10毫秒，32个原子检测周期(最左侧的t0时刻至最右侧的t1时刻之间有31个原子检测周期，最左侧的t0时刻之前和最右侧的t1时刻之后还会总共有1个原子检测周期的时长)组成一个通信码段，每个通信码段可传输1个字节的数据。

发送端需具备以下特性：

(1)能够打开和关闭激光器。

(2)激光器能够传送与发送端协商好的码型的码段。

接收端需具备以下特性：

(1)能够检测收光的变迁状态(即有光状态和无光状态)。

(2)能够运行状态机。

发送端和接收端对于原子检测周期的协商如下：

1个原子检测周期内只能有0或者1次状态变迁，否则整个码段判决为无效；

发送端和接收端对于通信码段的协商如下：

(1)每个码段内可以最多接受31次状态变迁，状态变迁的次数和持续时间均由器件能力决定。

(2)通信码段包括四种类型：引导码段、数据码段、终结码段和无效码段。

(3)对于引导码段：引导码段用于表示后续为数据码段，引导码段应当能够与普通接口状态抖动进行明显区分；参见图2所示，引导码段左侧的S代表开始(Start)，右侧的E代表结束(End)本实施例中引导码段有5次状态变迁，对应2个状态脉冲，具体为：

t0时刻，无光，持续4个周期；

t4时刻，有光，持续4个周期；

t8时刻，无光，持续9个周期；

t17时刻，有光，持续7个周期；

t24时刻，无光，持续8个周期。

(4)对于数据码段：数据码段的状态变迁为2次，对应1个脉冲，该脉冲的起始时间和脉冲长度蕴含了数据信息，脉冲长度最小为4个原子周期；

参见图4所示，本实施例中以首次光状态为有光状态的时刻作为分类，共分了12种类型，记为DTn，n为0到11；

对于DT0，首个周期状态为有光状态的时刻t0，下一个周期状态为无光状态的时刻t4即为DT0表达的数据，从图2中可以看出，DT0通过改变有光状态的持续周期，能够传输的数据总数为m(即传输不同、且唯一的数据数量)，m＝31(码段中的原子检测周期数量)-4(脉冲最小长度，即有光状态的持续周期)＝27；

同理DT1能够传输的数据总数为26，DT2能够传输的数据总数为25，以此类推，DT0到DT11总共所能传输的数据总数为258。

在此基础上，本实施例中接收端进行数据还原可通过以下公式进行：

D＝DTn+(p-4-n-1)；

其中D代表还原后的数据，由于D为二进制计算机编码中的1个字节，因此D的实际取值为前256个，其他n、p组合非法；

n为首次有光状态的时刻，p为首次有光状态后变为无光状态的时刻(图2中的检测窗口tn能够显示时刻)；通过上文描述的DT0至DT11的数据总数可知，DTn与n取值的映射关系为：

n＝0时：DTn＝0；

n＝1时：DTn＝27；

n＝2时：DTn＝53；

n＝3时：DTn＝78；

n＝4时：DTn＝102；

n＝5时：DTn＝125；

n＝6时：DTn＝147；

n＝7时：DTn＝168；

n＝8时：DTn＝188；

n＝9时：DTn＝207；

n＝10时：DTn＝225；

n＝11时：DTn＝242。

(5)对于终结码段：终结码段表示这个传送周期结束，本实施例中31个原子检测周期内全为无光状态代表终结码段。

(6)对于无效码段：所有不在上文定义的编码组合均为无效码段。

参见图5所示，按照上述方式的协商，发送端将一个完整的字符串“ASCII”传输至接收端的过程为：

将“A”、“S”“C”“I”“I”进行10进制编码，每个字符10进制编码、以及对应的n和p取值参见表1所示。

表1、“ASCII”的传输参数表。

发送端周期性的传输引导码段、代表“A”“S”“C”“I”“I”的数据码段和终结码段，接收端收到引导码段后，开始接收数据码段，接收到终结码段后，代表所有数据码段传输完成。

参见图6所示，本发明实施例中的通信数据的编码系统，包括设置于发送端的数据编码模块、码型生成模块和时钟模块；还包括设置于接收端的监听控制模块、数据解码模块和时钟模块。

数据编码模块用于：

(1)根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据。

(2)编码码型唯一的引导码段和终结码段。

数据编码模块确定通信码段长度的流程包括：在时钟同步的前提下与接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定，具体流程为：根据通信码段中原子检测周期的数量、以及需要表达的不同的通信数据数量，来确定电平变化次数X；将X次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联；实际方式为通过一个矩阵查找表来输入与通信数据对应的通信码段坐标(电平变化所在的每个原子检测周期时刻)。

数据解码模块用于：收到通信码段后，按照与数据编码模块的编码方式对应的解码方式，对通信码段进行解码。

码型生成模块用于：根据数据编码模块输入的通信码段坐标，生成对应的通信码段，并通过线路发送周期性的至接收端；发送顺序为：先发送引导码段，再发送通信码段，最后发送终结码段。

监听控制模块用于：

(1)监听通信码段：若通信码段为引导码段，在将后续监听的通信码段发送至数据解码模块；若通信码段为终结码段，则说明所有通信数据发送完毕，结束工作。

(2)收到数据解码模块发送的重新监听信号时，重新开始监听通信码段。

数据解码模块用于：收到通信码段后，按照与数据编码模块的编码方式对应的解码方式，对通信码段进行解码，即根据通信码段每次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，在矩阵中确定具体数据：

若矩阵中存在与通信码段坐标对应的通信数据，则确定通信码段为通信码段，接收通信码段；

若矩阵中没有与通信码段坐标对应的数据，则说明该通信码段为无效码段，丢弃之前收到的所有通信码段，向监听控制模块发送重新监听信号；

若矩阵中存在与通信码段坐标(非通信码段)对应的非通信数据，则确定通信码段为其他码段，此时产生其他约定动作。

发送端和接收端的时钟模块均用于：保持发送端和接收端的时钟同步(发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围；或者接收端时钟跟踪锁定发送端时钟)，进而对系统内部定帧，实现通信码段坐标到通信码段位置的精确定位。由于目前通信类产品的晶振精度已经比较高(100ppm以内)，因此时钟同步过程可以按需裁剪。

需要说明的是：本发明实施例提供的系统在进行模块间通信时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

进一步，本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种通信数据的编码方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的数量，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据。

2.如权利要求1所述的通信数据的编码方法，其特征在于，所述通信码段长度的确定流程包括：在时钟同步的前提下，发送端和接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定。

3.如权利要求2所述的通信数据的编码方法，其特征在于：时钟同步的方法为：

发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围；

或者：

接收端时钟跟踪锁定发送端时钟。

4.如权利要求2所述的通信数据的编码方法，其特征在于：所述通信码段时长N、电平变化的次数X和需要表达的通信数据数量D之间的关系为：

其中r代表数据冗余度，0％＜r≤100％，r越小代表通信码段中可继续编码的空间越大；所述根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据的流程包括：将每次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联。

5.如权利要求1至4任一项所述的通信数据的编码方法，其特征在于：该方法还包括编码码型唯一的引导码段和终结码段，引导码段在发送端向接收端发送通信码段之前发送；终结码段在发送端将所有通信码段发送之后发送。

6.一种通信数据的编码系统，其特征在于：该系统包括设置于发送端的数据编码模块、以及设置于接收端的数据解码模块；

数据编码模块用于：根据需要的电平变化次数、以及需要表达的通信数据的个数，来确定通信码段长度；根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据；

数据解码模块用于：收到通信码段后，按照与数据编码模块的编码方式对应的解码方式，对通信码段进行解码。

7.如权利要求6所述的通信数据的编码系统，其特征在于，所述数据编码模块确定通信码段长度的流程包括：在时钟同步的前提下，发送端和接收端约定原子检测周期、以及以原子检测周期为时长单位的通信码段；原子检测周期的时长根据时钟同步精度、以及电平变换器件的响应时长决定。

8.如权利要求7所述的通信数据的编码系统，其特征在于：所述时钟同步的方法为：

发送端和接收端均自由震荡、且规定时钟频偏范围；

或者：

接收端时钟跟踪锁定发送端时钟。

9.如权利要求7所述的通信数据的编码系统，其特征在于，所述通信码段时长N、电平变化的次数X和需要表达的通信数据数量D之间的关系为：

其中r代表数据冗余度，0％＜r≤100％，r越小代表通信码段中可继续编码的空间越大；所述根据电平变化的位置和次数，来确定需要表达的通信数据的流程包括：将每次电平变化所在的每个原子检测周期时刻，共同与一个需要表达的通信数据关联。

10.如权利要求6至9任一项所述的通信数据的编码系统，其特征在于，所述数据解码模块还用于：编码码型唯一的引导码段和终结码段，引导码段在发送端向接收端发送通信码段之前发送；终结码段在发送端将所有通信码段发送之后发送。

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