CN116016087A - 一种基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法，涉及通信技术与数字隔离技术，能够高效率的利用数字隔离器中的传输通道来提高信号传输效率。本发明的数字隔离器包括发射模块、传输通道、接收模块；所述方法分为三个步骤：1)数字隔离器的发射模块将多路输入信号分为两组，将每一组的数字特征映射为模拟电位，通过正交幅度调制将所有输入信号的特征调制在一路信号上；2)仅需一路隔离传输介质用于传输发射模块正交幅度调制后的信号；3)接收模块将从隔离传输介质传输过来的信号进行解调、译码，产生最终多路输出。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术与数字隔离技术，具体涉及一种基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法。
背景技术
正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation)，通过将调制信号与两路正交的载波相乘，使得载波信号的振幅中包含调制信号的信息的调制方式。这种调制方式非常适用于数字信号，类似与幅移键控的方式，将输入信号的数字码调制到载波的振幅上。但是，正交幅度调制的适用范围更加广泛，这种方式能够大幅度的提高输入信号的信号传输率。常用的调制方式有16进制正交幅度调制、64进制正交幅度调制。
数字隔离器在高压与低压并存的场景中具有非常重要的作用，常常在汽车电子，机械自动化，医疗设备中都存在着数字隔离器的身影。为了保证通信的安全性，需要将高电压域与低电压域之间隔离开，这其中包括功率隔离、信号隔离两大类，功率隔离的要求是指在隔离器两端的电子设备必须有各自单独的供电以及接地点，信号隔离是指隔离器两端的电子设备之间的通信不能直接通过低阻通道上进行，必须存在一个高阻隔离栅，保证不同电子设备之间的安全，但是这往往会影响到数字通信的效率，所以说需要一个能够大幅度提升信道利用率的方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提高数字隔离器中隔离通道的利用率，实现隔离通道高效利用的方法。本发明首先提出了一种数字隔离器，包括发射模块、接收模块以及隔离传输介质所构成的传输通道；发射模块存在多个输入端口和一个输出端口；接收模块存在一个输入端口和多个输出端口；传输通道数目为一路，传输通道的两端分别连接发射模块的输出端口和接收模块的输入端口；其中发射模块的输入端口与接收模块的输出端口数量相等；
所述发射模块包括信号预处理模块、数模转换模块和信号调制模块；所述信号预处理模块对输入的多路输入信号进行预处理，所述数模转换模块用于将输入信号的数字码转换为对应的模拟电平值；所述信号调制模块用于将模拟电平通过正交幅度调制的方式调制到载波信号上，获得最终调制信号；
所述传输通道用于传输具有多路输入信号特征的一路信号至接收模块；所述接收模块包括解调模块、电平判决模块和模数转换模块；所述解调模块用于产生载波信号并将载波信号与最终调制信号相乘，解调信号，得到所对应的模拟电平值；所述电平判决模块用于对解调后得到的模拟电平进行判决，减小信号的误码率；所述模数转换模块用于将从电平判决模块判决出来的电平转换为对应的数字码，并产生最终输出。
作为本发明的优选方案，所述信号预处理模块对多路输入信号进行预处理包括将高频噪声通过滤波器滤除；将出现在输入信号上的电路毛刺去除，防止输入信号的幅值出现不规则变化而引起的电路误判；对输入信号进行整形，使输入信号成为电路能够正确区分的高/低电平。
作为本发明的优选方案，所述传输通道包括但不限于电容、变压器、发光二极管及其组合。
本发明还提供了一种基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法，包括以下步骤：
发射模块首先对多路输入信号进行预处理、将预处理后的输入信号分为两组，分别将每组输入信号的数字码映射为模拟电位，将第一组所得到模拟电位与载波相乘，第二组所得到模拟电位与相移90°后的载波相乘，将两路相乘后的信号相加，实现正交幅度调制，得到具有多路输入信号特征的一路已调信号；
隔离传输介质所组成的传输通道将所述具有多路输入信号特征的一路已调信号传输到接收模块；
接收模块将所述具有多路输入信号特征的一路信号进行解调，滤波，信号特征提取，解码所有的输入信号，产生最终输出。
作为本发明的优选方案，所述输入信号的分组具体为：将N路输入信号分为两组，第一组中输入信号的路数为i，具有2i种数字码；对应的第二组中输入信号的路数为N-i，具有2N-i种数字码。
作为本发明的优选方案，所述数字码进行物理映射的过程，根据每组信号的数字码将输入信号映射为对应的模拟电位。
作为本发明的优选方案，隔离传输介质所组成的传输通道作为将发生模块和接收模块物理隔离开，并且存在物理信号的传输路径；传输通道中的隔离方式包括但不限于电磁隔离、电容隔离、光耦隔离。
作为本发明的优选方案，接收模块对通过传输通道传输到接收模块的已调信号进行解调，将载波信号与最终调制信号相乘，得到第一组解调信号；将相移90°后的载波信号与最终调制信号相乘，得到第二组解调信号。
作为本发明的优选方案，接收模块将解调信号进行低通滤波，得到存在于调制信号上的特征信号；将特征信号进行译码，对提取出的特征信号进行一一判决，产生最终输出。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
本发明的数字隔离器设计巧妙，采用一路隔离通道的方式实现了多路信号的传输。
本发明提出的基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法，能够提高数字隔离器中隔离介质的利用率，减小了芯片的面积，提高了数字传输速率，结构简单，可操作性强。
附图说明
图1是本方法的所述实例的整体结构图。
图2是本方法中所述实例涉及的2bit4电平变换器。
图3是本方法中所述实例中2bit4电平变换器输入输出的对应关系。
图4是本方法的所述实例中电平判决的逻辑框图。
图5是本方法的所述实例2bit模数转换模块的输入与输出的对应关系。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，一种数字隔离器，包括发射模块、接收模块以及隔离传输介质所构成的传输通道；发射模块存在四个输入端口和一个输出端口；接收模块存在一个输入端口和四个输出端口；传输通道数目为一路，传输通道的两端分别连接发射模块的输出端口和接收模块的输入端口；其中发射模块的输入端口与接收模块的输出端口数量相等；
在本实施例中，所述发射模块包括信号预处理模块、数模转换模块和信号调制模块；所述信号预处理模块对多路输入信号进行预处理，所述数模转换模块用于将输入信号的数字码转换为对应的模拟电平值；发射模块中预处理模块的功能和数模转换模块的功能通过2bit4电平变换模块实现；所述信号调制模块用于将模拟电平通过正交幅度调制的方式调制到载波信号上；信号调制模块由载波信号发生模块、乘法模块、加法模块这三个模块构成；
在本实施例中，所述传输通道用于传输具有多路输入信号特征的一路信号至接收模块；所述接收模块包括乘法模块、载波信号发生模块、滤波器、4电平判决模块和模数转换模块；所述乘法模块、载波信号发生模块和滤波器作为解调模块用于产生载波信号并将载波信号与最终调制信号相乘，解调信号，得到所对应的模拟电平值；所述电平判决模块为4电平判决模块，电平判决模块用于对解调出后得到的模拟电平进行判决，减小信号的误码率；所述模数转换模块采用2bitADC，模数转换模块用于将从电平判决模块判决出来的电平转换为对应的数字码，并产生最终输出。
在本实施例中，还提供了一种基于正交幅度调制提高数字隔离器中信号传输效率的方法；包括以下步骤：
步骤1：对四路输入信号进行预处理；
首先，四路输入信号IN1、IN2、IN3、IN4在传输过程中由于包括但不限于接合线(Bonding)，串扰(Crosstalk)、电磁干扰(EMI)等实际情况的存在，会对输入信号造成各种干扰，所以首先要对输入信号进行滤波，实际上的噪声频率相较于传输信号来说处于较高的频带，所以通过对信号的低通滤波，可以将存在于信号中的高频噪声滤除；
步骤2：图2给出2bit4电平变换器的一个电路图，实现输入信号的电平变换，图3给出2bit4电平变换器输入输出的对应关系。具体变换过程为：
IN1与LSB相连接，IN2与MSB相连接，经过逻辑电路所组成的2-4译码器，产生中间信号(S1,_S1)，(S2,_S2)，(S3,_S3)，(S4,_S4)，实现输出电平选择功能；
将5个阻值为R的电阻串联，一端接VDD，另一端接-VDD，所组成电路的4个中间节点产生所需电平(3VDD/5，VDD/5，-VDD/5，-3VDD/5)，每个节点再与一个传输门相连接，每个传输门的使能信号从上往下为：(S1,_S1)，(S2,_S2)，(S4,_S4)，(S3,_S3)，最终实现电平输出功能；
进一步地，IN3与LSB相连接，IN4与MSB相连接，经过逻辑电路所组成的2-4译码器，产生中间信号(S5,_S5)，(S6,_S6)，(S7,_S7)，(S8,_S8)，实现输出电平选择功能；
将5个阻值为R的电阻串联，一端接VDD，另一端接-VDD，所组成电路的4个中间节点产生所需电平(3VDD/5，VDD/5，-VDD/5，-3VDD/5)，每个节点再与一个传输门相连接，每个传输门的使能信号从上往下为：(S5,_S5)，(S6,_S6)，(S7,_S7)，(S8,_S8)，最终实现电平输出功能；
结合电平选择功能，电平输出功能最后实现2bit4电平变换，其中A_I存在四种电平幅值(3VDD/5，VDD/5，-VDD/5，-3VDD/5)，A_Q存在四种电平幅值(3VDD/5，VDD/5，-VDD/5，-3VDD/5)。
步骤3：实现正交幅度调制功能，具体过程如下：
IN1、IN2所在支路：I_TX＝A_I*sin (wct)；
IN3、IN4所在支路：Q_TX＝A_Q*cos (wct)；
最终调制信号：M＝I_TX+Q_TX＝A_I*sin(wct)+A_Q*cos(wct)。
步骤4：信号相干解调，具体过程如下：
OUT1、OUT2所在支路：I_RX＝M*sin (wct)；
OUT3、OUT4所在支路：Q_RX＝M*cos (wct)；
步骤5：对I_RX，Q_RX进行低通滤波，得到直流分量AI，AQ。其中AI与A_I的对应关系为当AI的值小于-2VDD/5时，A_I的值为-3VDD/5；当AI的值大于-2VDD/5且小于0时，A_I的值为-VDD/5；当AI的值大于0且小于2VDD/5时，A_I的值为VDD/5；当AI的值大于2VDD/5时，A_I的值为3VDD/5
AQ与A_Q对应关系为当AQ的值小于-2VDD/5时，A_Q的值为-3VDD/5；当AQ的值大于-2VDD/5且小于0时，A_Q的值为-VDD/5；当AQ的值大于0且小于2VDD/5时，A_Q的值为VDD/5；当AQ的值大于2VDD/5时，A_Q的值为3VDD/5。
步骤6：对AI，AQ进行电平判决，图4给出了电平判决的逻辑框图，当输入信号的值小于-2VDD/5时，输出信号的值为-3VDD/5；当输入信号的值大于-2VDD/5且小于0时，输出信号的值为-VDD/5；当输入信号的值大于0且小于2VDD/5时，输出信号的值为VDD/5；当输入信号的值大于2VDD/5时，输出信号的值为3VDD/5。这一步考虑到了在信号实际传输过程中，会使得在步骤2所产生的电平出现偏移，为了减小误码率，提高信号输出准确度，需要进行电平判决并产生对应的电平。
步骤7：通过2bit模数转换器，将步骤6所产生的电平转化为数字信号，完成最终输出。转化的方式如图5所示，当A_I(A_Q)的值为-3VDD/5，OUT1(OUT3)、OUT2(OUT4)为“0”、“1”；当A_I(A_Q)的值为-VDD/5，OUT1(OUT3)、OUT2(OUT4)为“1”、“1”；当A_I(A_Q)的值为VDD/5，OUT1(OUT3)、OUT2(OUT4)为“1”、“0”；当A_I(A_Q)的值为3VDD/5，OUT1(OUT3)、OUT2(OUT4)为“0”、“0”。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种数字隔离器，其特征在于，包括发射模块、接收模块以及隔离传输介质所构成的传输通道；发射模块存在多个输入端口和一个输出端口；接收模块存在一个输入端口和多个输出端口；传输通道数目为一路，传输通道的两端分别连接发射模块的输出端口和接收模块的输入端口；其中发射模块的输入端口与接收模块的输出端口数量相等；
所述发射模块包括信号预处理模块、数模转换模块和信号调制模块；所述信号预处理模块对输入的多路输入信号进行预处理，所述数模转换模块用于将输入信号的数字码转换为对应的模拟电平；所述信号调制模块用于将模拟电平通过正交幅度调制的方式调制到载波信号上，并获得最终调制信号；
所述传输通道用于传输具有多路输入信号特征的一路信号至接收模块；所述接收模块包括解调模块、电平判决模块和模数转换模块；所述解调模块用于产生载波信号并将载波信号与最终调制信号相乘，解调信号，得到所对应的模拟电平值；所述电平判决模块用于对解调后得到的模拟电平进行判决，减小信号的误码率；所述模数转换模块用于将从电平判决模块判决出来的电平转换为对应的数字码，并产生最终输出。
2.根据权利要求1所述的一种数字隔离器，其特征在于，所述信号预处理模块对多路输入信号进行预处理包括将高频噪声通过滤波器滤除；将出现在输入信号上的电路毛刺去除，防止输入信号的幅值出现不规则变化而引起的电路误判；对输入信号进行整形，使输入信号成为电路能够正确区分的高/低电平。
3.根据权利要求1所述的一种数字隔离器，其特征在于，所述传输通道包括但不限于电容、变压器、发光二极管及其组合。
4.一种基于正交幅度调制提高如权利要求1所述数字隔离器中信号传输效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射模块首先对多路输入信号进行预处理，将预处理后的输入信号分为两组，分别将每组输入信号的数字码映射为模拟电位，将第一组所得到模拟电位与载波相乘，第二组所得到模拟电位与相移90°后的载波相乘，将两路相乘后的信号相加，实现正交幅度调制，得到具有多路输入信号特征的一路已调信号；
隔离传输介质所组成的传输通道将所述具有多路输入信号特征的一路已调信号传输到接收模块；
接收模块将所述具有多路输入信号特征的一路信号进行解调、滤波、信号特征提取、解码所有的输入信号，产生最终输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述输入信号的分组具体为：将N路输入信号分为两组；第一组中输入信号的路数为i，具有2i种数字码；对应的第二组中输入信号的路数为N-i，具有2N-i种数字码。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述数字码进行物理映射的过程，根据每组信号的数字码将输入信号映射为对应的模拟电位。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，隔离传输介质所组成的传输通道作为将发生模块和接收模块物理隔离开，并且存在物理信号的传输路径；传输通道中的隔离方式包括但不限于电磁隔离、电容隔离、光耦隔离。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，接收模块对通过传输通道传输到接收模块的已调信号进行解调，将载波信号与最终调制信号相乘，得到第一组解调信号；将相移90°后的载波信号与最终调制信号相乘，得到第二组解调信号。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，接收模块将解调信号进行低通滤波，得到存在于调制信号上的特征信号；将特征信号进行译码，对提取出的特征信号进行一一判决，产生最终输出。
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