使用切片和扭曲在存在噪声的情况下接收和解码信号的方法、器件和系统的制作方法
【专利说明】使用切片和扭曲在存在噪声的情况下接收和解码信号的方 法、器件和系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年9月20日提交的发明名称为"使用切片和扭曲在存在噪声的 情况下接收和解码信号的方法、器件和系统（Methods,Devices and Systems for Receiving and Decoding a Signal in the Presence of Noise Using Slices and Wa巧ing)"的第61/880,786号美国临时申请的权益，该申请的公开内容通过引用合并于此。
【背景技术】
[0003] 可摄入传感器可W包括低功率通信器，低功率通信器的发送通过可W穿戴在体外 的接收器来接收。考虑到可用功耗和存储器大小，传统的"身体通信系统"应当能够在预定 量的时间内处理高速原始数据。在传统的接收器中，进入信号穿过包括模拟滤波器和模拟 电子放大器的"模拟前端"电路。模拟滤波器通常具有宽的带宽，W允许检测由发送器载波 频率的制造容差所确定的所有可能的传输频率。在模拟前端中提供的滤波是适度的，且允 许大量的噪声与期望信号一起通过。在模拟放大和滤波之后，通过模数转换器(ADC)来对信 号进行数字化。对接收到的信号的剩余处理可W在数字硬件(诸如嵌入式微处理器、状态 机、逻辑口阵列等）中的进行。现已数字化的信号可W穿过一个或更多个窄带数字滤波器W 在尝试解码之前去除尽可能多的噪声。
[0004] 在接收器对载波频率的估算具有大量不确定性的情况下，需要接收器从更宽带宽 的数字滤波器开始，从而容许更大量的噪声。更大量的噪声意味着可能完全错过微弱的信 号。然而，为了消除大量的噪声，接收器可W应用具有窄带宽的数字滤波器。但是，如果窄滤 波器W不正确的载波频率为中屯、，则可能完全错过进入信号。因此，为了对进入信号的有效 检测和解码，必须在用来去除尽可能多的噪声的窄带宽滤波器与用来在接收器对进入载波 频率的了解不精确时增大捕获信号载波频率的可能性而具有更大带宽的滤波器之间取得 平衡。因此，接收器可W被配置成反复地调节窄滤波器的中屯、频率，将其移动至新的中屯、， W及其后再次尝试检测。运种用窄带宽滤波器来捜索载波的过程耗时又耗能。重要的是，为 了在新的中屯、频率处重新过滤，接收器必须在存储器中保留原始数据记录的拷贝，或者如 果原始数据不可得，则捕获崭新的数据记录。此过程不仅需要大量的存储资源(尤其是使用 高精度AD別寸），还消耗大量的设备电池寿命仅用于识别进入信号的载波频率。
【发明内容】
[000引本发明在其第一方面提供一种如权利要求1至权利要求16中所说明的方法。
[0006] 本发明在其第二方面提供一种如权利要求17至权利要求34中所说明的信号接收 器。
[0007] 本发明在其第=方面提供一种如权利要求35至权利要求39中所说明的方法。
[0008] 本发明在其第四方面提供一种如权利要求40至权利要求44中所说明的接收器。
[0009] 本发明在其第五方面提供一种如权利要求45至权利要求52中所说明的方法。
[0010] 本发明在其第六方面提供一种如权利要求53至权利要求61中所说明的方法。
[0011] 本发明在其第屯方面提供一种如权利要求62至权利要求65中所说明的方法。
[0012] 本发明在其第八方面提供一种如权利要求66至权利要求67中所说明的方法。
[0013] 本发明在其第九方面提供一种如权利要求68至权利要求72中所说明的方法。
[0014] 本发明在其第十方面提供一种如权利要求73至权利要求79中所说明的方法。
[0015] 本发明在又一个方面提供一种程序。运种程序可W通过自身提供，或者通过载体 媒介来承载。载体媒介可W为记录媒介或其他储存媒介。传输媒介可W为信号。
[0016] 根据一个实施例，一种方法可W包括:对信号进行接收和采样。信号可W对数据包 进行编码。对于信号的选中数量的样本中的每个样本，可W产生并储存包括成对值的切片。 然后可W检测数据包的存在，W及从储存的切片来对检测到的数据包进行解码。信号的样 本可W表示信号与接收器中的参考函数的相关性。可W在对接收到的信号进行采样时执行 产生和储存切片。当切片被产生且被储存时，可W舍弃信号的采样值。可W操纵信号的切片 表示W产生具有灵活的带宽和中屯、频率的滤波器。
[0017] 根据一个实施例，一种对到达接收器的信号进行检测和解码的方法可W从接收器 接收进入信号开始，在模拟前端可选地执行一些模拟预处理(例如，放大和滤波），其后可W 在ADC中对预处理过的数据进行采样。根据一个实施例，然后可W使用例如相关性算法来将 采样的原始数据与储存在存储器中的内部参考模板进行比较。一种示例性技术包括在一段 时间将采样的进入信号与预定参考模板进行相关。
[0018] 实施例解决了在捕捉和储存大量高速样本(其耗尽计算容量和存储器大小）时固 有的问题。实施例通过捕捉"切片"来解决运两个问题。根据一个实施例，切片数据表示包含 足够信息，W高效且紧凑地表示进入信号W及实施几乎任何带宽的滤波器。根据一个实施 例，切片可W经历扭曲运算，切片集通过扭曲运算而按照有用的方式来转变W完成检测过 程。实际上，根据一个实施例，可W对切片进行组合W创建可选地具有宽或窄通带的滤波 器。根据实施例，扭曲运算可W被配置为将捕捉的一个频率处的切片转变成另一个附近频 率处的切片。运种扭曲运算可W通过被配置用来找到进入载波频率和在噪声环境中找到数 据包的证据的算法来执行。根据实施例，信号数据的切片表示结合扭曲函数表示利用合适 的硬件和存储资源执行复杂的检测算法的新型且高效的方法。
[0019] 通过下面的参照附图的对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得明 思O
【附图说明】
[0020] 图1示出根据一个实施例的各种波形和示例性切片。图1还示出根据一个实施例的 包括配置的发送器和接收器的系统。
[0021] 图2A图示两个采样波形的相关性。
[0022] 图2B图示根据一个实施例的计算一项(在此情况下为正弦项)的方式。
[0023] 图3图示根据一个实施例的计算组合切片项（在此情况下为余弦项）的方法的方 面。
[0024] 图4示出根据一个实施例的组合正弦切片项和余弦切片项来形成更长相关性的方 法的方面。
[0025]图5示出在极坐标系统中被描述为旋转矢量的信号的相位。
[0026 ]图6A示出极坐标系统中的参考频率处的旋转矢量。
[0027] 图6B示出极坐标系统中的参考频率处的旋转矢量和比参考频率大的频率处的信 号的旋转矢量。
[0028] 图6C示出极坐标系统中的参考频率处的旋转矢量和比参考频率小的频率处的信 号的旋转矢量。
[0029] 图7示出根据一个实施例的扭曲的方面。
[0030] 图8示出根据一个实施例的被扭曲、对齐且就绪W用于组合的切片。
[0031] 图9示出根据一个实施例的使用对切片的扭曲来捜索载波频率的方法的方面。
[0032] 图10示出根据一个实施例的频移键控(FSK)载波检测的方面。
[0033] 图11示出根据一个实施例的精细调谐FSK载波检测的方面。
[0034] 图12是根据一个实施例的检测信号的方法的逻辑流程。
[0035] 图13是根据一个实施例的方法的逻辑流程。
【具体实施方式】
[0036] 图1示出根据一个实施例的包括低功率振荡发送器102和接收器104的系统。如其 中所示，振荡发送器102可W通过通信通道103与接收器104分离。例如，振荡发送器102可W 设置在可摄入传感器之内，可摄入传感器的发送105通过包括可W穿戴在体外（诸如，在皮 肤106上）的接收器104的接收器贴片(patch)来接收。在运种情况下，通信通道103可W包括 身体的水环境。接收器104可W包括模拟前端，接收到的信号在输入至ADC 110之前可W在 模拟前端中被预处理，运可W产生原始数据样本时间序列。该样本可W被表示为例如大小 为从1位至24位的二进制数字。接收器104还可W包括可W禪接至存储器114的控制器112。 如下面所详细描述的，存储器114可W被配置成储存切片数据(slice data)、参考模板和控 制器112所需的其他暂时值。接收器还可W包括通信接口（未示出）来使编码在接收到的信 号中的数据包的解码负荷被传输至外部世界。
[0037] 根据一个实施例，计算机上实施的对达到接收器104的信号进行检测和解码的方 法可W从接收器104接收进入信号105开始，在模拟前端108处进行一些模拟预处理(例如， 放大和滤波），之后可W在ADC 110中对被预处理的数据进行采样。根据一个实施例，然后采 样的原始数据可W使用相关性算法而通过控制器112来与储存在存储器114中的内部参考 模板进行比较。一种技术包括使采样的进入信号与预定参考模板在一段时间上相关。
[0038] 实施例解决在捕获和储存大量高速样本(运对计算能力和存储器大小二者都要求 过高)方面固有的问题。实施例通过捕获"切片"而解决运两个问题。根据一个实施例，切片 数据表示包括用于有效地且简明地表示进入信号W及用于实施具有几乎任意带宽的滤波 器的充足信息。根据一个实施例，切片可W进行扭曲运算(warping operation)，通过扭曲 运算，切片集W有用方式转变W完成检测操作。实际上，根据一个实施例，可W组合切片来 创建具有可选的宽或窄通带的滤波器。根据实施例，扭曲操作可W被配置成将在一个频率 处捕获的切片转变成在另一附近频率处的切片。运种扭曲操作可W通过被配置用来找到进 入载波频率W及用来在增杂环境下找到数据包的迹象的算法来进行。根据实施例，与扭曲 函数结合的信号数据的切片表示代表一种新颖且高效的用适度的硬件和存储器资源来执 行复杂的检测算法的方法。例如，可W使用一个或更多个微控制器、一个或更多个现场可编 程口阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来进行运里所公开的处理。也可W使用数字信号处 理器(DSP) W达到良好的优点。
[0039] 切片:根据一个实施例，引入了切片概念。运里，通过关联进入信号的较短部分(例 如，大约4~8个周期）而实现的短相关性被表示为切片。根据一个实施例，切片间隔可W被 定义为预定时间段。图1示出了20000化信号的各种片段。如所示，标记102示出运20000化信 号的单个周期，其周期T为1/20000HZ或50iis。标记104示出被定义为等于20000Hz信号的4个 周期的时间（或20化S)的单个切片间隔。运里，切片间隔被任意地定义为进入信号的4个周 期。然而，切片间隔可W包括不同的时间量或不同数量的周期。例如，切片间隔可W包括等 于8个周期的时间。下面，除非特别说明，否则切片间隔被定义为包括进入信号的4个周期， 理解的是，可W容易地实施其他切片间隔。例如，切片定义可W用周期来表达，但不需要为 任何信号或模板的全周期的多倍。切片可W为任意定义的时间量。在接收器中可W根据需 要来改变切片时间。例如，接收器可W实施两种切片路径来同时捕获两个切片流，例如，一 个在20kHz，而另一个在12.5kHz。运两种切片计算可W使用适用于每个通道的不同切片时 间。如图1中的106处所示，4个切片间隔可W包括16个周期，W及具有SOOiiS的时段。最后，参 考频率的64个周期可W划分成108处所示的16个切片间隔。一个切片中包括的进入信号的 样本数量由对切片间隔的定义和ADC的采样速度来控制。
[0040] 每切片的样本=ADC采样速度?切片间隔
[0041] ADC采样速度可W至少与奈奎斯特(Nyquist)理论所要求的那样频繁，即，至少为 感兴趣频率的两倍。根据一个实施例，ADC采样速度可W被选择为更高，诸如为进入信号的 感兴趣频率的五倍或更多倍。可W利用其他采样速度。在一个实施例中，接收器(例如，粘附 至病人的腹部）中的ADC可W被配置成每秒进行40次或更多次采样。可W根据例如一些固定 间隔来将连贯的切片的开始时间方便地选择为周期性的。然而，即使当未进行采样而存在 简要的时间段时，也可W获得可接受的结果。
[0042] 为了判断进入信号的数字化样本与参考模板之间的相似性，可W进行点积(对应 样本的乘积的和)或相关性运算。图2A示出数字化进入信号与余弦模板之间的运种相关性 运算。运里，A可W表示数字化进入信号，而B可W表示第一参考函数的模板，例如，诸如参考 频率(例如，20000化)处的余弦模板。换言之，根据一个实施例，余弦模板B是接收器104期望 接收到的信号的余弦分量看起来像什么的表示，相关性运算判断信号A与信号B之间的相似 度。如所示，信号A的样本乘W余弦模板B的对应样本，W及基于样本数量N对运些附加项的 结果求和。更正式地说，C是A与B的内积，且可W表达成：
[0043] C=Ai X B1+A2 X B2+A3 X Bs+. . . +An X Bn
[004引类似地，图2B示出与正弦模板的相关性。运里，A可W表示数字化进入信号，而D可 W表示与第一参考函数正交的第二参考函数的模板。例如，第二参考函数的模板可W为例 如在参考频率(例如，20000化)处的正弦模板。如所示，信号A的样本乘W正弦模板D的对应 样本，W及基于样本数量N来对运些附加项的结果求和。更正式地说，S是A与B的内积，且可 W表达为：
[0046] S=AiXDi+A2XD2+. . .+AnXDn
[0048] 正交的余弦模板和正弦模板处于正交相位关系。运两个相关性结果C和S放在一起 表示切片。在复极矢量记法中，c+j ? S是具有指示进入信号与接收器的参考模板之间的相 位的角度的矢量。在实践中，可W将切片当做1/(切片间隔)滤波器。
[0049] 根据一个实施例，标量C和S可W通过比例因子来缩放。例如，可W缩放C和S，使得 它们可W采用例如0与1之间的一系列值。可W提供其他的比例因子和范围。
[0050] 如本文中所示和所讨论的，参考模板是正弦模板和余弦模板。然而，可W使用其他 周期性形状(例如，诸如银齿信号、=角信号或正方信号)作为参考模板。选择非正弦型波形 作为参考模板可能导致一些信息被舍弃，但仍旧可W从