CN1381122A - 用于估计数据比特率的方法和接收机 - Google Patents

Abstract

用于检测具有至少两个可选比特率之一的数据信号的传输速度的比特率检测器,包括差分译码器(28),用于把接收的数字调制的信号差分译码为重复采样的复数信号,相加级(38,40,和42),用于形成接连的样本组的游动和,以及比特率检测器(58)。比特率检测器(58)具有用于确定游动和是否代表与干扰相反的信号的级(62,66(图5)),以及如果游动和代表信号,则确定该游动和的正负号,还具有用于根据该正负号是正的还是负的而分配两个二进制值之一的级(74(图5)),用于存储接连的二进制值的移位寄存器(82(图5)),用于比较该移位寄存器的内容和与该至少两个可选的比特率之一相关的门限值的比较器(88(图5)),以及如果门限值被超过,则得出结论,数据信号是以所述的一个比特率,但如果不是的话,则以与其它的或另一个比特率有关的门限值重复该方法。

Description

用于估计数据比特率的方法和接收机

发明领域

本发明涉及用于估计接收的数据信号的比特率的方法和接收机。这样的接收机典型地是被使用于诸如自动水表计量应用的遥测模块的接收机部分。

背景技术

遥测模块被安装在可以连续地使用许多年而不用维护的设备中。在电池供电的遥测模块的情形下，希望它们能够在电池更换之间运行多达10年。为了能够达到这样长的使用寿命，遥测模块按照有助于电流节省而给出适当的响应时间的协议运行。达到这些目的的协议在各个技术领域中是熟知的，诸如数字寻呼，其中CCIR无线电寻呼码第1号，替换地被称为POCSAG，已被使用了近20年。遵循的通常的方法是，无线电单元在长的时间间隔内“休眠”，但周期地醒来以检验在它的信道上是否有任何数据信号被发送。唤醒的时间间隔可以与是否存在信号无关地被预先设置。在这种类型的电池节省协议的改进方案中，当无线电单元已被唤醒时，在给整个接收机供电以前，它检验数据的存在，以及如果在一个短于预先设置间隔的时间间隔内没有检测到数据，它就会过早地断电。

在进一步改进的系统中，该协议可包括有不同比特率的、到不同接收单元的传输。所以，这些单元中的每个单元如果一旦检测到存在通过空中的信号，就通过例如检验该信号是否是它期待的比特率而也能够快速地确定这个特定的发送是否打算给它，则可以进一步节省电池功率。这可以通过提供比特率检测器而完成，比特率检测器将提供对消息比特率的快速和精确地估值，而避免必须唤醒最消耗功率的接收机的解码部件。实际上，一种替代的较慢的方法是唤醒整个接收机、解码该消息的地址部分以及比较它与该单元的已知地址。

美国专利技术说明5,790,946揭示了包括两部分接收机的通信设备，该两个部分的第一部分是唤醒接收机，以及该两个部分的第二部分是主接收机，它响应于唤醒接收机首先检测到正确的频率和其次检测到正确的数据速率而被激活。

WO99/25051揭示了对遥测系统具有特定的应用的系统，其中中央站将唤醒呼叫作为包括几个部分的序列发送，每个部分的前导是独特的同步码字，表示该部分在序列中的位置。如果接收机不能检测这些部分中的一个部分，则它在唤醒时间间隔的其余时间和下一个随后的休眠时间间隔内断电。

尽管有这些已知的方法，但仍旧希望加速估计正确的比特率，这样，可以增进电池节省。

发明的公开内容

本发明的一个目的是可靠地估计接收信号的比特率。

按照本发明的第一方面，提供了估计恢复的数据信号的比特率的方法，包括把该恢复的数据信号划分成多个窗，以及根据恢复的数据信号窗的短的积累使用对预期数据的已知统计来分析该数据。

本发明的第一方面提供检测具有至少两个可选的比特率之一的数据信号的存在的方法，该方法包括把该数字调制的信号差分译码成重复采样(oversample)的复数信号，形成接连的样本组的游动和(running sum)，确定游动和是否代表与干扰相反的信号，如果游动和代表一个信号，则确定该游动和的正负号，根据正负号是正的还是负的而分配两个二进制数值中的一个数值，把接连的二进制数值存储在移位寄存器中，把该移位寄存器的内容和和与该至少两个可选的比特率之一相关的门限值进行比较，以及如果超过门限值，则作出结论：该数据信号具有所述的一个比特率，但如果没有超过的话，则用与其它的或另一个比特率有关的门限值重复该方法。

按照本发明的第二方面，提供了一种接收机，包括用于接收和恢复数据信号的装置，用于把恢复的数据信号划分成多个窗的装置，以及用于根据恢复的数据信号窗的短的积累使用对预期数据的已知统计来分析该数据的装置。

本发明的第二方面提供了一种接收机，包括用于接收数据信号的装置，用于把该数据信号形成为重复采样的差分译码复数信号的装置，用于形成接连的样本组的游动和的装置，用于确定该游动和是否代表与干扰相反的信号，以及响应于确定游动和代表一个信号而用于确定该游动和的正负号的装置，用于根据该正负号是正的还是负的来分配两个二进制数值中的一个数值的装置，用于存储接连的二进制数值的移位寄存器，以及用于把移位寄存器的内容和与该至少两个可选的比特率之一相关的门限值进行比较的比较装置，该比较装置具有一个输出用于代表已被检测的比特率的信号。

本发明是基于简单的算法，使用差分译码信号的统计法来检测数据是以哪个比特率被接收的。它能够从简单的未同步的数据中区分开其比特率互相是比如说2的倍数的信号，例如1200bits/s，2400bits/s和4800bits/s等。使用按照本发明的方法而进行的比特率估值可以实时地对实际数据完成。按照本发明的方法使得接收机能够更快速地确定接收信号是否因为它的数据速率不同而不可能预定给它，这比起译码一个地址和把它与该单元的已知的地址进行比较可以快到10倍。特别是，在包括以不同的比特率运行的接收单元的系统中，这个方法将提供电池寿命的很大的节省，这是由于保持关断译码单元以及由于检测比特率所需要的时间，该时间小于为了译码该消息和从中提取地址所需要的时间。

附图简述

现在参照附图，借助例子来描述本发明，其中：

图1是使用于2-FSK信号的、按照本发明制做的接收机的实施例的方框图，

图2显示2-FSK解调数据的星座图，

图3显示在信号和噪声一起存在时，带有被分配给每组或窗口的权重Wi的指示的计数器值统计分布；横坐标代表计数器值以及纵坐标代表出现的次数，

图4显示已被划分成多个窗的译码的数据，以及

图5是比特率估值器的实施例的方框图。

在图上，相同的参考数字被使用来表示相应的特性。

实现本发明的模式

图1所示的接收机可以是独立的接收机或是在遥测模块中实施的收发信机的接收机部分。为了方便起见，这两种装置都将被描述为接收机。

接收机按照电池节约协议运行，由此，它周期地从休眠模式被唤醒，其中只有对于在它的休眠状态中保持接收机功能是必要的那些接收机部件被供电。

天线10被耦合到信号分路器12，它把输入信号提供到混频器16，17的第一输入端14，15。本地振荡器18被耦合到混频器16的第二输入端20，以及通过正交相位移相器22被耦合到混频器17的第二输入端21。本地振荡器18的频率被选择为把在天线10处接收的信号下变频到零IF或低的IF。来自混频器16的输出被称为同相信号I(t)以及来自混频器17的输出被称为正交相位信号Q(t)。

同相和正交相位信号I(t)和Q(t)分别在低通滤波器24，25和模拟-数字变换器(ADC)26，27中被滤波和被数字化。

ADC 26，27对信号I(t)和Q(t)进行重复采样，以及样本被加到差分译码器28。例如，如果数据速率是150bits/s，以及采样频率是76.8kHz，则重复采样速率是每比特512个样本，如果数据速率是1200bits/s，则对于该采样频率，重复采样速率是每比特64个样本，以及对于数据速率4800bits/s是每比特16个样本。差分译码器28具有已知的设计，它包括复数信号组合器30，具有通过延时级31和复共轭级32被耦合到乘法器34的第一输入端的第一输出端和直接被耦合到乘法器34的第二输入端的第二输出端。乘法器34的输出被加到复数实部和虚部级36，它以重复采样的比特率同时提供实部输出Re和虚部输出Im。

现在暂参照图2，为了确定比特率，必须能够区分信号和噪声。在2-FSK调制传输的情形下，使用对于解调的数字信号预期的星座图上可提供的信息。如图2所示，译码的信号的星座整个地位于虚部分支Im上。所以，合并在实通道Re上登记的类似于纯噪声的数据就2-FSK而言是没有好处的。通过忽略来自实通道的贡献，检测过程的速度相对于已知的方法被增加。对于多级调制方案，必须包括来自实部(Re)和虚部(Im)输出的贡献。

回过来参照图1，重复采样的虚部输出Im被提供给游动和计数器38，它的输出被耦合到通常开路的开关40。计数器42计数32个样本，以及在第32个计数时，它产生一个输出，这个输出被首先提供给开关40的控制输入端44，使得它闭合，把游动和计数值传送到输出端41，其次传送到计数器38的复位输入端46，把计数值复位到零。

在简化的实施例中，在输出端41上的信号A被直接提供到比特率检测器电路58的输入端。比特率电路58的实施例在图5上显示，在后面描述。

在不太简化的实施例中，它力图确保被处理的信号是真正信号，而不是简单的局部噪声，该信号被加权。为了加权该信号，在开关的输出端41处被采样的游动和A被加到绝对值级48，它产生绝对值计数Xi。来自级48的绝对值计数Xi被供给比较器50。四个门限值tr1到tr4被提供给比较器50的各个输入端，比较器50对于该条件分别具有五个输出：

Xi＞tr1；tr2＜Xi＜tr1；tr3＜Xi＜tr2；tr4＜Xi＜tr3和Xi＜tr4。加权值选择级54具有被耦合到比较器50的五个输出端中每个输出端的输入端，以及响应于五个输出端的哪个输出端是活动的而选择加权值Wi，并且把它提供给乘法级52。信号A也被提供给级52。

乘积S＝A*Wi被提供给比特率电路58的另一个输入端60。

参照图3，图上显示在计数32个样本后来自计数器38的游动和计数的数值的直方图。计数值将在0和32之间变化。噪声计数值的分布，也就是，在空中只存在噪声时的计数，以短的虚线表示，以及实黑线表示信号计数值的分布。

通过提前获知，在一个信号的情形下计数器38的预期的数值将与在噪声的情形下的预期计数值非常不同(且通常是更高)。这个信息被使用来按照分配给它们的可信度而加权不同测量的结果是有利的。

图4显示通常的情形的例子，其中数据D被这样重复采样，以使得典型的数据周期将是n个样本长，以及这个数据周期被划分成m个接连的样本的组或窗WS，其中m＜n。在本示例中，比特率是150bits/s而重复采样频率是76.8kHz，n＝每比特512个样本而m＝32个样本。在图1所示的实施例中，每个m个样本的窗被认为是与以前的和以后的窗无关的，这允许短的历史贡献。对于每个m个样本的组的计数器数值将处在0和m之间。这个数目按照在图3所示的直方图中的数据分布被加权。在图3上，得出大于在32中15的相关数值将给出大的概率：这是由于信号而不是噪声。所以，这个信息可被比来自计数器值10的信息更高地加权。因此，图1上tr1到tr4的数值规定在计数值中的各个中断点，以及加权值W1到W5(图3)根据所选择的可信度被分配给各个带。

除刚描述的方法以外可使用加权的其它方法。作为通用规则，加权值Wi＝f(相关值)，其中该函数可以是在诸如只有噪声或不同的信号功率电平的预定条件下，按照计数器值的分布知识被适当地设计的、任何适当的线性或非线性函数。

参照图5，比特率电路58可以交替地接受在输入端56处的信号A和在输入端60处的加权信号S。

首先考虑较简单的方法，信号A包括6比特，以及在级62中，选择最高有效位(msb)，并把它加到比较器66的一个输入端64。一个门限值被加到第二输入端68。如果该msb大于该门限值，则它被视为信号，与噪声相反，以及输出被提供到级70，它作出判决：样本是可接受的。替换地，如果msb小于该门限值，则样本在输出端72处被放出。

在级74处，确定信号A是否为正。如果A是正的，则级74在线路76上产生一个输出，表示数值“1”应当通过缓冲级80被输入到移位寄存器82。如果信号A不是正的，也就是，它是负的，则级74在线路78上产生一个输出，表示数值“0”应当被输入到移位寄存器82。该移位寄存器82是I比特长，其中I典型地是16。

操作就对于以移位寄存器82的最大的n/m二进制数值产生的所有的窗重复进行。在处理过程结束时，级84计数零或一的数目，确定它们是否为可识别的组合。计数的结果被加到判决级88的一个输入端86，固定的门限值k被加到第二输入端90。k的数值对于被调查的比特率被设置。如果输入端86的计数值等于或大于当前的k_i数值，则在线路92上提供一个输出，表示检测的比特率。在计数值小于k_i的情形下，在线路94上提供一个输出。然后，新的搜索从被调整的即被减小的k_i开始以相应于下一个更高的比特率。

在加权的信号S被提供给比特率电路58的情形下，它被加到比较器66，在其中把它与加到输入端68的门限值进行比较。如果样本被接受，则在级74，作出有关S是否为正的判决。此后，比特率估值遵循已经描述的处理过程。

在实施比特率检测中，必须从最长的时间间隔(即，较慢的比特率)开始搜索，以及如果用于检测前一速率的准则不满足，则进行到下一较慢的速率。所以，搜索将总是至少与对于最慢的速率所必须的搜索一样长。

例如，在具有150bit/s，1200bit/s，和4800bit/s的系统中，这意味着检测4800bit/s，将无论如何总是需要以150bit/s的2个数据周期(1024样本)。所以，在1024个样本以前(相应于4800bit/s的64个数据周期)将不可能有响应，即，无论如何至少必须13.3ms。在速率上有很大差异的情形下，诸如在上例中，不同的策略可能是更有效的。

如果搜索过程的开始与数据比特的开始不同步，则二者将不一致，在最坏的情形下，它们互相间隔半个比特，

在这个最坏的情形下，在左侧的相邻的n/2样本(在150bits/s时是256)和在右侧的相邻的n/2样本被考虑，这是通过检验从-n/2到结尾+n/2的n个接连样本的所有可能组合，以及只把得到的数值的最大值传送到判决级88。

为了得到这些数据，必须把寄存器移位所需要的比特数目(它的长度的一半)，允许一个新的样本在每次移位时进入。

这将使得系统在估值开始延时半个比特的最坏情形下也能工作，但需要每个比特率以至少二的因子来区分。

当然，如果同步由任何其它装置或算法给出，则该系统可避免最后的计算，以及也能区分比特率的更小的差别。

虽然本发明的实施例是参照2-FSK调制描述的，但本发明的教导可被应用于其中必须使用实部输出Re和虚部输出Im的更高级别的调制。

在本说明书和权利要求中，在单元前面的词“一个”并不排除存在多个这样的单元。而且，词“包括”并不排除所列出的以外的其它单元或步骤的存在。

通过阅读本揭示内容，其它的修改对于本领域技术人员是显而易见的。这样的修改可能涉及在具有比特率检测器级的接收机及其部件的设计、制造和使用方面已知的其它的特性，以及它们可以代替或加于这里已描述的特性之上而被使用。

工业实用性

在数据通信设备等中的比特率估值。

Claims (13)

1.一种估计恢复的数据信号的比特率的方法，包括把该恢复的数据信号划分成多个窗，以及根据该恢复的数据信号窗的短的积累使用对预期数据的已知统计来分析该数据。

2.一种检测具有至少两个可选的比特率之一的数据信号的存在的方法，该方法包括把该数字调制的信号差分译码成重复采样的复数信号，形成接连的样本组的游动和，确定该游动和是否代表与干扰相反的信号，如果游动和代表一个信号，则确定该游动和的正负号，根据该正负号是正的还是负的而分配两个二进制数值中的一个数值，把接连的二进制数值存储在移位寄存器中，把该移位寄存器的内容和与该至少两个可选的比特率之一相关的门限值进行比较，以及如果超过门限值，则作出结论：该数据信号具有所述的一个比特率，但如果没有超过的话，则用与其它的或另一个比特率有关的门限值重复该方法。

3.如权利要求2中要求的方法，其特征在于，通过把最高有效位与另一个门限值进行比较来确定游动和的性质，以及如果该门限值被超过则把该游动和视为代表一个信号。

4.如权利要求2中要求的方法，其特征在于，以对信号存在有利的方式加权游动和。

5.如权利要求4中要求的方法，其特征在于，游动和是通过得到接连的游动和的绝对值，把该绝对值与多个不同幅度的门限值进行比较而被加权的，在接连幅度的门限值之间的差值组成具有被分配给它的加权值的窗，以及该游动和被乘上所确定的加权值。

6.如权利要求2到5的任一项中要求的方法，其中数据信号包括2-FSK信号，其特征在于，包含差分译码的虚部值的星座被使用来形成游动和。

7.一种接收机，包括用于接收和恢复数据信号的装置，把该恢复的数据信号划分成多个窗的装置，以及用于根据该恢复的数据信号窗的短的积累使用对预期数据的已知统计来分析该数据的装置。

8.一种接收机，包括用于接收数据信号的装置，用于把该数据信号形成为重复采样的差分译码复数信号的装置，用于形成接连的样本组的游动和的装置，用于确定该游动和是否代表与干扰相反的信号以及响应确定该游动和代表一个信号而用于确定该游动和的正负号的装置，用于根据该正负号是正的还是负的来分配两个二进制数值中的一个数值的装置，用于存储接连的二进制数值的移位寄存器，以及用于把该移位寄存器的内容和与该至少两个可选的比特率之一相关的门限值进行比较的比较装置，该比较装置具有一个输出用于代表已被检测的比特率的信号。

9.如权利要求8中要求的接收机，其特征在于，用于确定游动和的性质的装置包括比较器，该比较器具有用于该游动和的最高有效位的第一输入端，用于另一个门限值的第二输入端，以及用于有关游动和代表可接受信号的判决的输出端。

10.如权利要求8中要求的接收机，其特征在于，用于按照预期结果的已知统计进一步加权该和值的装置。

11.如权利要求8中要求的接收机，其特征在于，用于以对信号存在有利的方式加权该游动和的装置。

12.如权利要求11中要求的接收机，其特征在于，用于加权游动和的装置包括用于得到接连的游动和的绝对值的装置，用于得到多个不同幅度的门限值的装置，用于把该绝对值与多个不同幅度的门限值进行比较的比较器，在接连幅度的门限值之间的差值组成具有被分配给它的加权值的窗，以及用于把该游动和乘上所确定的加权值的乘法装置。

13.如权利要求8到12的任一项中要求的接收机，其特征在于，当数据信号包括2-FSK信号时，提供一个装置，用于把包含差分译码的虚部值的星座提供到用于形成游动和的装置。

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