CN1615595A - 跳频扩展频谱通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跳频扩展频谱收发信机。该收发信机包括：微控制器(110)，发射机，其具有压控振荡器(122)、直接数字合成器(124)，以及功率放大器(144)；以及接收机，其具有放大器(146)、混合器、IF放大器(132)、解调器(134)、以及数据限幅器(138)。当发射时，发射机在预定数目的前同步信道上传送前同步，并且然后在预定的数据信道序列上传送每个都包括数据消息子集的数据字节组。当接收时，接收机探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步，每个预定数目的前同步信道都和在每个数据信道序列内预定数目的数据信道相关。根据数据信道序列内的信道数目以及数据消息每个字节要被发射的预定次数来确定包含各数据字节组的字节的数目。

Description

跳频扩展频谱通信系统

发明领域

本发明通常和通信领域相关。更具体的，本发明涉及一种跳频扩展频谱技术，通过此技术，可经有限数目的信道传送消息，从而优化分组定时和信号发射效率。

发明背景

固定无线通信可使用有线或无线技术操作。有线技术包括使用实用配电线路和/或电话线。无线技术使用902-928MHz范围，其通过使用在整个频带上扩展发射能量的跳频扩展频谱(FHSS)进行发射，可以没有FCC许可证就操作。根据FCC法规，对于运行在902-928MHz频带的跳频系统，全部输出如下：对于采用至少50个跳频信道的系统是1瓦特；以及对于采用少于50个跳频信道但至少25个跳频信道的系统是0.25瓦特。参见47 U.S.C.§15.247。

通过和远端通信装置以时间和频率都同步的方式进行通信，FHSS系统满足FCC规范。使用该方案，所有装置都知道何时跳跃到序列中的下一信道，以及下一序列信道是哪一个。已知的FHSS系统使用快于数据速率的跳跃速率，以在每个消息中发送多个随机选择的频率组，从而在通信频带上分布发射能量。该分布是在ISM频带内操作的FCC要求之一。

上述的缺点是，它需要所有装置都包括实时时钟，这样就增加了装置的成本。此外，当从装置移走电源的情况时，需要某种类型的电池存储系统来维持该实时时钟。更进一步的，在频率之间快速跳变的要求约束了此类装置的设计，并限制了成本的进一步降低。

常规FHSS系统的另一缺点是缺少增强数据可靠性的提供。例如，Eder的美国专利No.5,311,542公开了一种扩展频谱通信系统，其中将消息段分为20比特的段。每个段都在902到928MHz频率范围内的不同载波信号上发射。然而，如果没有接收到一个或多个段，或载波信号被阻塞，则Eder系统未能给出防止段丢失或增强数据可靠性的方法。

Sanderford Jr的美国专利No.5,311,541公开了另一种扩展频谱通信系统。Sanderford Jr教导了一种系统，借此系统，经伪随机选择的单个载波频率来传送前同步信息和消息数据。如果未接收到消息，则选择另一载波频率，并重新发射整个消息。虽然该发明提供了接收机接收到完整消息的较高概率，但Sanderford Jr系统必须首先扫描频谱，以确定哪些信道没有干扰。在频谱扫描之后，接收机更新位于和每个信道相关的存储器内的状态信息。每个接收机和发射机传送和存储该数据，以防止在阻塞或有干扰的信道上进行发射。这样不利地增加了接收机的成本和复杂性，并需要接收机/发射机周期性地传送该信道状态数据，从而维护较高可靠性水平。

因此，需要一种FHSS通信装置，该装置是成本有效的，符合FCC对于ISM频带内的能量分布要求，并包括对于数据完整性的提供。本发明指向本领域中这些和其他需求。

发明概述

本发明针对了以上需求，提供了一种使用跳频扩展频谱通信的新方法和设备。根据本发明的方法，经使用扩展频谱通信的收发信机传送数据消息，该数据消息的每个字节都由发射机在数据信道序列上传送预定次数。该方法包括：在预定数目的前同步信道上发射前同步；并在预定数据信道序列上发射每个都包括数据消息子集的数据字节组。

根据本发明，根据数据信道序列内的信道数目以及每个数据消息字节要被发射的预定次数来确定包括每个数据字节组的字节数目。

根据本发明的设备，提供了一种用在跳频扩展频谱通信系统中的收发信机，该收发信机包括：微控制器；发射机，其包含压控振荡器、直接数字合成器、以及功率放大器；以及接收机，其包含放大器、混合器、IF放大器、解调器、以及数据限幅器。

根据本发明的一个方面，当收发信机发射时，发射机在预定数目的前同步信道上传送前同步，并且此后在预定数据信道序列上传送每个都包括数据消息子集的数据字节组。

根据本发明的另一方面，当收发信机接收时，接收机探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步，预定数目的前同步信道的每一个都和在每一数据信道序列内的预定数目的数据信道相关。

在以下对本发明的详细说明中将会描述本发明的这些和其他方面。

附图简要说明

当结合附随附图阅读时会更好理解上述概述，以及下面的对优选实施例的详细说明。为了说明本发明，在附图中显示了优选实施例，其中在附图的若干视图中的相同参考标记表示相同部分，然而，应当理解，本发明不限于公开的特定方法和手段。在附图中：

图1显示根据本发明的跳频无线设备示范实施例的概观。

图2显示数据消息发射的数据字节分组，该发射具有在七个和五个数据信道上发射的数据冗余。

优选实施例详细说明

现在参考图1，其中显示了根据本发明的跳频无线设备100的示范实施例。本发明由微控制器110控制，并优选的使用Texas InstrumentTRF6900收发信机120实现，该收发信机是集成电路，其包括FSK收发信机，以建立频率捷变、半双工、双向RF链路。该芯片可用于北美洲915-MHz ISM频带内的线性(FM)或数字(FSK)调制应用。

收发信机120的发射机部分包括：集成压控振荡器(VCO)122，完全可编程直接数字合成器124，以及功率放大器126。接收机部分包括：低噪声放大器128，混合器130，IF放大器132，限幅器，具有外部LC储能电路136的FM/FSK解调器134，以及数据限幅器138。

解调器134可用于模拟(FM)和数字(FSK)频率解调。数据限幅器138优选的用作比较器。数据限幅器138提供从解调和低通滤波IF信号得出的二进制逻辑电平信号，这些电平信号能驱动微控制器110内的外部CMOS兼容输入。非反相输入直接连接到内部参考电压，且反相输入由低通滤波放大器/后检测放大器的输出来进行驱动。数据限幅器128的判定阈由内部参考电压确定。

直接数字合成器(DDS)124是基于在数字域产生正弦波信号的原理。DDS124用N比特加法器随频率寄存器的步进而从0到2N计数产生数字斜坡波形来构成模拟正弦波形。N比特输出寄存器内的每个数字都用于从正弦查询表中选择对应正弦波值。在数模转换后，优选的使用低通滤波器抑制不期望的假信号响应。模拟输出信号可用作锁相环140的参考输入信号。然后PLL电路140用预定因子乘以参考频率。

微控制器110使用三线单向串行总线(时钟，数据，选通脉冲)142编程收发信机120。内部寄存器包含所有用户可编程变量，包括DDS频率设定寄存器以及所有的控制寄存器。在时钟信号的每个上升沿，数据端子的逻辑值被写入24比特移位寄存器。将选通脉冲端子设定为高，装载编程信息到选定的锁存器。

微控制器110控制收发信机120，还控制数据的发射和接收。微控制器110还通过设定DDS124内的寄存器来控制无线设备100监听哪条信道，或在哪条信道上发射。反过来，DDS124寄存器控制锁相环140和VCO122，以设定发射和接收频率。本领域技术人员将认识到这是用于设定发射和接收频率的若干可能方法之一。

在发射模式中，收发信机120有0dBm发射输出功率。外部功率放大器(PA)144提供额外的24dB增益，从而总的输出功率是+24dBm。微控制器110驱动发射/接收开关146，该开关有得地允许对收发信机120的发射机和接收机部分使用一个天线。

在接收模式中，外部低噪声放大器(LNA)148和内部LNA128被用于放大接收的信号。接收的信号被混合器123“混合降频”，以用于处理并稍后进行放大。信号强度是输出，并由微控制器110监控。接收机然后用解调器134和数据限幅器138将频率调制信号转换为基带信号。微控制器110负责解码原始基带信号，和比特边缘同步。

如在下面将详细说明的，在接收模式中，微控制器110使用串行接口142设定接收频率，然后寻找来自远端发射装置的可用前同步。如果没有检测到可用前同步(preamble)，则微控制器110使用串行接口142改变频率到下一个前同步信道。如果没有检测到前同步，微控制器每1ms跳跃一次信道。可以使用其它跳跃定时。当检测到可用前同步时，接收装置可以和发射机同步，以便按照如下所述接收信息分组。同步包括和发射机同步跳跃到额外的前同步和数据信道。

来自收发信机120的锁定检测信号150表示无线设备100锁定在期望的接收频率上。在写入串行接口142(该串行接口142命令无线设备110改变接收机信道)之后，微控制器110等待断言锁定检测150，可对发信号至该接收信道进行监控，以用于稳定的接收信号。该调节时间，加上需要经串行接口142写入寄存器的时间，确定了每条信道的扫描时间(例如1ms)。

现在将说明用无线设备100实施的示范实施例。在此实施例中，使用一个频率(信道)用于前同步，而使用8个频率(信道)用于发送数据。为满足FCC使用25条信道的要求，该实施例使用三组一条前同步信道和八条数据信道来发送信息分组，总共有27条信道。

本实施例中的发射机相继在三组九个频率上输出消息。这些发射可在通信之间具有可变时间；然而，每个相继发射都是在一个新的九频率组上，从而全部能量在整个ISM频带上随时间扩展。

在本实施例中，远端接收机在任何时间点上不知道怎样寻找前同步/数据消息。因此，发射机必须在足够用于接收机探查三个可能前同步信道的时间段上发送前同步。用唯一停止字符来标记前同步的结束。该停止字符表示前同步结束了，并将前同步和随机数据区分开来。根据本发明，使用三组不同的前同步来指示三种不同类型的消息。在接收机定位前同步后，显示出比特定时，并确定了前同步之后的跳跃频率。注意到在数据消息内的每个后续跳跃都是预先确定的。

本发明提供了一种机制，通过此机制，可根据预定的冗余级别，可在不同数据信道上多次发射每个数据字节。如果由于干扰发射机(即无绳电话或其他)阻塞了一条信道时，这就有利提供了处理增益，能成功接收分组。图2显示了用于72字节的具有三级冗余的数据有效负载的此类机制。显示了用于在七条数据信道和五条数据信道上发射数据的示范系统，然而，还可使用其它数目的信道来获得需要的冗余级别(例如，3或其他冗余级别)。在图2中，对于每个数据信道，第一列表示在信道上发射的第一字节，第二列表示在该信道上发射的最后字节。和特定信道相关的第二行是用于字节从最后一条信道绕回第一条信道的情况。例如，对于具有5条数据信道的示范系统，数据字节45-72以及1-16在数据信道2上发射。还注意到某些数据字节被发送了四次，从而确保所有数据字节都优选的发送了三次。因此，根据本发明的这一方面，某些数据信道可能丢失和/或被破坏，但可在其他数据信道上接收到所有数据。

根据这一下一实施例，使用两条前同步信道和五条或七条数据信道。在该实施例中，在每个分组中，前同步和数据都是冗余的。因为每个分组有两个前同步、三组不同的两个前同步以及五条或七条数据信道，发射的前同步足够长以使所有接收机在前同步发射完成之前扫描所有可能前同步信道。如在先前的实施例中的，一旦在前同步信道上接收到前同步，接收机能执行定时锁定并跟随跳跃信道。发射机在三组九个频率上相继输出消息，从而在整个频带上均匀分布能量。

本实施例中的冗余前同步增加了要被发射分组的键壮性(robustness)，因为如果装置不能接收到前同步，它就不能接收随后的数据分组。使用根据本发明的冗余前同步信道增加了接收机监听到前同步的概率。如果接收装置在第一前同步信道上监听到前同步，它切换到和发射机同步的前同步信道2，并监听第二前同步。如果在前同步信道2上接收到前同步，接收机检测停止字符，并和发射机同步步进到第一数据信道。然而，如果没有监听到前同步2，接收机仍将和发射机时间同步，并能和发射机同步步进到每一个后继的数据信道。

类似的，如果接收机错过了前同步1，但监听到了前同步2，则接收机将得知第一数据信道就是序列中的下一个，并和发射机同步步进到该信道。预定的信道序列规定了该前同步之后是另一个前同步信道还是第一数据信道。

本发明的无线设备100的用途之一是设施表读取。电能、水流、以及煤气使用的读取在历史上都是由人工仪表读取员到现场并人工证明该读取来实现。随着时间推移，通过使用向和从某种交通工具进行无线通信的WALK-BY或DRIVE-BY读取系统，提高了这种人工方法。作为进一步的提高，使用允许数据从仪表流入主计算机而无需人工干预的固定无线系统。本发明通过提供在测量设备内使用的低成本、双向、高可靠性无线设备，改善了现有系统。

除在此描述的之外，本领域技术人员在浏览上述说明之后显然理解可有不同的对本发明的修改。这些修改都落入附随的权利要求范围之内。例如，可使用不同数目的冗余前同步/数据信道，从而在整个频带上分布能量。同样，可使用本发明的冗余前同步/数据信道发送不同数量的有效负载数据。

Claims (20)

1.一种经使用扩展频谱通信的收发信机传送数据消息的方法，该数据消息的每个字节都由发射机在数据信道序列上传送预定次数，该方法包括：

在预定数目的前同步信道上发射前同步；以及

通过在预定数据信道序列上传送每个都包括该数据消息子集的数据字节组来发射该数据消息，

其中包括每个数据字节组的字节的数目是根据数据信道序列内的信道数目以及每个数据消息字节要被发射的预定次数来确定。

2.权利要求1的方法，其中在预定数目的前同步信道上发射前同步一段时间，该时间持续长度足够用于接收机接收该前同步。

3.权利要求2的方法，其中用唯一停止字符来结束前同步，以及其中该前同步用于产生比特定时和频率跳跃。

4.权利要求2的方法，进一步包括在接收机端探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步，每个预定数目的前同步信道都和每一数据信道序列内预定数目的数据信道相关。

5.权利要求1的方法，其中包括每个数据字节组的字节的数目是使得当至少一条数据信道被干扰所阻塞时接收机能接收到整个数据消息。

6.权利要求1的方法，其中在前同步信道上发射前同步进一步包括在第二前同步信道上发射冗余前同步。

7.权利要求6的方法，进一步包括：

在接收机端探查前同步信道；以及

当接收到第一前同步时，探查第二前同步信道，以接收该冗余前同步。

8.权利要求7的方法，其中如果接收机没有接收到第二前同步，该方法进一步包括：根据第一前同步来确定在预定数据信道序列上接收数据消息的跳频。

9.权利要求6的方法，其中当接收机接收到和第二前同步相关的唯一停止字符时，该方法进一步包括：确定在预定数据信道序列上接收数据消息的跳频。

10.权利要求6的方法，其中前同步和第二前同步在预定数目的前同步信道上传送一段时间，该时间长度足以使接收机接收该前同步和该第二前同步。

11.权利要求10的方法，进一步包括，在接收机端探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步和第二前同步，每个预定数目的前同步信道都和在每个数据信道序列内的预定数目的数据信道相关。

12.权利要求1的方法，其中数据消息包括设施测量信息，以及其中该收发信机驻留在设施测量设备内。

13.一种用于在跳频扩展频谱通信系统内使用的收发信机，包括：

微控制器；

发射机，其包括压控频率产生器以及功率放大器；

接收机，其包括放大器、混合器、IF放大器、解调器、以及数据限幅器，

其中当收发信机发射时，发射机在预定数目前同步信道上传送前同步，此后在预定数据信道序列上传送每个都包括数据消息子集的数据字节组，

其中当收发信机接收时，接收机探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步，每个预定数目的前同步信道都和每个数据信道序列内预定数目的数据信道相关，以及

其中包括每个数据字节组的字节的数目是根据数据信道序列内的信道数目和数据消息每个字节要被发射的预定次数来确定。

14.权利要求13的设备，其中包括每个数据字节组的字节的数目是使得当至少一条数据信道被干扰所阻塞时接收机能接收到整个数据消息。

15.权利要求13的设备，其中在前同步信道上发射前同步进一步包括在第二前同步信道上发射冗余前同步。

16.权利要求15的设备，其中接收机探查前同步信道，以及当接收到第一前同步时，接收机探查第二前同步信道，以接收该冗余前同步。

17.权利要求15的设备，其中如果接收机没有接收到第二前同步，则接收机根据第一前同步来确定在预定数据信道序列上接收数据消息的跳频。

18.权利要求15的设备，其中前同步和第二前同步在预定数目的前同步信道上传送一段时间，该时间长度足以使接收机接收该前同步和该第二前同步。

19.权利要求15的设备，其中接收机探查预定数目的前同步信道，以搜索前同步和第二前同步，每个预定数目的前同步信道都和在每个数据信道序列内的预定数目的数据信道相关。

20.权利要求13的设备，其中数据消息包括设施测量信息，以及其中该收发信机驻留在设施测量设备内。

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