通过噪声信道进行异步数据传输的收发器的制作方法

本发明涉及通过数据信道进行通信，特别是通过DC和/或AC电源线进行通信，并且更具体地，涉及通过噪声信道进行异步数据传输的方法和收发器。

背景技术：

众所周知，电子设备和系统必须经由数据总线与其他电子设备或系统进行通信。例如，在许多情况下使用通用异步收发器(UART)来使设备(例如集成电路或微处理器)能够从其他电子设备接收数据并向其发送数据。

为了确保接收器和发射器能够识别有效载荷数据，可以实施起始位/停止位同步系统。所述同步系统在数据项的头部插入起始位并在数据项的尾部插入停止位，从而允许接收设备识别传输的数据项的头部和尾部而不传输任何同步信号。以起始位开始并以停止位结束的数据项可以被称为“帧”或“数据帧”。没有数据通过通信信道传输的状态被称为“空闲”状态(逻辑值“1”)。响应于检测到通常是逻辑值“0”的起始位，处于空闲状态的接收设备检测到帧的开始，并开始对数据项进行采样。接收设备继续对预定数据长度进行采样，并响应于检测到通常是逻辑值“1”的停止位而返回到空闲状态。因此，接收器或接收设备可以用类似的方式接收后续帧。此外，可以想象，传输设备和接收设备可以预先共享诸如位速率、数据长度、停止位长度和错误检测(奇偶校验位和CRC、信道质量等)的信息。

如果要通过噪声信道，例如电源线等传送数据帧，则可能发生接收器将不能正确检测作为起始位的数据帧的开始，这导致发射器和接收器之间的同步问题。此外，为了改善噪声性能，可以保护数据免受错误影响。保护消息或数据帧的通常方法是实施例如前向纠错码等。

EP 1292060 B1公开了在噪声信道上互连的多个设备之间的信令方法。为了避免冗余纠错码，EP 1292060 B1的方法提出使用相变或相移的组合来确保通过电源线正确传输有效载荷数据，以下通过数据信道的这种数据传输将被命名为信令。

已知的防错码对于保护短数据(例如只有一个字节的数据)是低效的，特别是在例如电源线(例如DC和/或AC电源线)的噪声信道上。由于电源线信道(例如DC和/或AC电源线信道)上的噪声，可能会出现数据降级，这导致该特定数据信道上的传输低效。

本发明的目的

因此，本发明的目的是提供一种独立于其数据长度的稳健的数据传输方法，该方法可以特别适用于噪声传输信道。此外，本发明的另一目的是提供一种能够与短消息进行通信并能够克服现有设备的问题的收发器。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种通过噪声信道进行异步传输的方法。该方法至少包含以下步骤：提供数据帧，所述数据帧包括至少一个起始位、有效载荷数据和至少一个停止位，所述数据帧具有预定位数；通过至少使用所述数据帧的所述起始位和停止位周期来形成具有预定长度的信令前导码；通过将所述信令前导码附加到所述有效载荷数据来构建处理的数据帧，所述处理的数据帧具有相同的预定位数；以及通过使用信令调制方案来调制所述处理的数据，并且通过所述噪声信道传输所述调制处理的数据。

在一个实施方案中，根据本发明的方法接收串行数据流，其包含可以对应于UART标准的数据帧。数据帧用于异步数据传输，其中不需要公共时钟。数据帧具有对应于原始数据帧的原始数据长度的预定位数N。根据本发明，可以形成信令前导码，前导码至少利用原始数据帧中包括的起始位和停止位周期的位周期。因此，整个数据长度将保持不变，这又意味着本发明将与例如已经实施的解决方案兼容。

根据本发明，通过使数据长度如在原始数据中那样保持不变，通过将信令前导码附加到有效载荷数据来构建处理的数据帧。此后，处理的数据将在噪声信道上传输之前被调制，由此信令前导码将用作接收器的指纹以相应地识别接收或传输有效数据。因此，信令前导码用作有效数据的识别信号，其中根据一个实施方案可以使用本申请人的EP 1292060 B1中的信令方法，该申请以引用的方式并入本文。

根据本发明的方法可以有利地实施用于通过DC和/或AC电源线的数据传输，例如在车辆或汽车中。尽管数据信道上出现噪声，但是该方法以稳健的方式传输数据，并且不需要进一步的纠错码。可以想象，本发明可以基于AC电源线或甚至在无线RF系统内实施，其中特别要传送短的数据长度。

本发明的实施例

根据本发明的一个实施方案，前导码对应于数据帧的信令同步序列，其中同步序列包含至少使用的起始位和停止位的数量的预定位长度。由此，可以使用起始位和停止位的位周期来生成有效载荷的信令同步序列，从而产生不需要纠错码的稳健数据传输方法。因此，在一个实施方案中，信令同步序列可以是两位长，其进而被调制在要通过噪声信道传送的载波上。该信令指纹进而将与接收器处的有效指纹进行比较，以识别有效数据。

根据一个实施方案，可以基于数据帧内的有效载荷数据形成信令前导码。因此，可以使用两个以上位周期来生成前导码，从而在通过噪声信道传输数据时产生更好的稳健性。基于接收器存储的前导码序列，可以确定有效载荷数据的原始数据位具有哪个值。该步骤是必需的，因为有效载荷数据的至少一个位周期被用于生成信令前导码或模式。然而，由于前导码序列较长，就噪声信道上的数据错误而言，稳健性可以显著增加。

在一个实施方案中，信令调制方案是相移键控(PSK)调制方案。特别是在EP 1292060 B1中公开的调制技术在通过噪声信道，特别是在DC和/或AC电源线上传输短数据长度期间显示出令人满意的结果。

形成步骤包含将所述停止位移位至与所述数据帧的起始位相邻。因此，处理的数据帧将具有相同的数据长度，从而产生例如可用于现有传输系统的兼容数据格式。因此，根据本发明的方法是向上和/或向下兼容的。

根据本发明的实施方案，提供对接收到的信令数据帧进行解调，其中将执行接收数据的采样，并且此后将采样数据可以输入移位寄存器中。因此，可以执行对接收器站点的接收数据的快速处理和存储。如果需要，稍后进而可以容易地处理寄存器中存储的数据。

根据一个实施方案，提供采样数据与存储在接收器侧的寄存器中的参考信令数据模式的比较，并进一步检测是否接收到有效的信令前导码。通过这种操作，可以确保有效发送数据的正确编码和重建。通过使用多于一个信令数据模式进行比较，可以增加本发明的传输方法的稳健性。

在有效信令前导码的正检测的情况下，可以构建所述原始数据帧。因此，随后可以对接收的有效数据进行进一步处理。

数据帧是通用异步接收器/发射器接口(UART)数据类型、RS232、RS485、LIN、CAN、SPI、MIL-Std-1553数据类型等。因此，可以在各种传输系统中以灵活的方式实施根据本发明的方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过噪声信道异步发送和/或接收数据的收发器。收发器包含：寄存器，其用于存储具有预定数据长度的数据帧；处理器，其用于通过形成信令前导码序列来处理所述数据帧。处理器进一步包含用于基于数据帧的数据位生成信令前导码序列的模块，其中处理的数据帧具有上述预定长度。收发器还包含调制器，其用于调制处理的数据帧以产生调制的信令数据；以及发送器，其用于通过噪声信道发送调制的信令数据。

该收发器架构适合于执行本发明的方法的操作顺序。收发器架构可以在例如FPGA、DSP等的标准集成电路中实施。

根据一个实施方案，收发器进一步包含接收器，其用于接收调制的信令数据；解调器，其用于解调接收的调制的信令数据；比较器，其用于将前导码序列与存储在有效序列寄存器中的至少一个有效前导码信令序列进行比较；以及用于重建所述原始数据帧的模块。因此，收发器能够以通用的方式用作接收器和/或发射器。

调制器可以是相移键控调制器。该技术允许对发送的数据进行稳健的传输和编码，特别是在噪声信道上。

在本发明的实施方案中，调制器单元还可以适合于使用例如AM、FM、QPSK、FSK、MSK、ASK或类似技术或这些技术的组合来编码串行位流，例如处理的数据帧。

包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并构成其一部分。附图图示了本发明的实施方案并且与说明书一起用于解释本发明的原理。通过参考以下详细描述，本发明的其他实施方案和本发明的许多预期优点将易于理解。附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记指示相应的类似部件。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于实施本发明的实际减少量。

附图说明

通过实例并参照附图进一步详细地解释了本发明，其中：

图1示出了UART编码方案；

图2示出了根据本发明的方法(操作图)的操作顺序；

图3描绘了根据本发明的基于UART编码方案的信令原理；

图4示意性地示出了根据本发明的传输路径；

图5示意性地示出了本发明的相应的接收路径；以及

图6公开了根据本发明的收发器的一个实施方案。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，这些附图形成本发明的一部分，并通过图示的方式示出可以实施本发明的具体实施方案。在这方面，参考所描述的附图的方向来使用诸如“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”等的方向术语。因为本发明的实施方案的组件可以用多个不同的方向来定位，所以方向术语用于说明的目的而决不具有限制性。应理解，可以利用其他实施方案，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下改变结构或逻辑。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

图1示出了通常的UART编码方案。UART提供了通过传输信道(例如导线或AC和/或DC电源线)以特定数据速率(即波特率)串行发送和接收字节的方法。示出了包含多个字节11的数据流10，并且下面示出了UART编码的数据流16。在发送端，每个数据字节16用起始位18、停止位19来增强，并且也可以配置有例如下面未示出的奇偶校验位或校验和位。每一位以波特率时钟的速度串行传输。在接收站点，起始位18和停止位19之间的转换使波特率时钟同步，并且在接收时用波特率时钟对接收的数据位进行采样。处理器移除起始位18、停止位19和任何奇偶校验位(未示出)，并且可以将数据字节16放置在动态寄存器或缓冲器中。

数据字节的这种处理通常嵌入收发器等中的UART端口硬件中。UART接口允许简单传输有效载荷数据，其中不需要编码或解码。通过噪声信道(例如AC和/或DC电源线)，数据帧的起始位和停止位可能无法被正确地检测，从而导致例如接收器出现同步问题。因此，为了检测数据错误，可以提供消息有效载荷校验和机制，使得将消息校验和添加到每个消息。然后在接收端验证该校验和以检查消息的完整性。校验和结果与预期不同会导致消息被拒绝。然而，同步问题无法通过错误检测和/或校正码来检测。

图2示出了根据本发明的方法的操作顺序。在第一步骤S200中，操作顺序可以通过提供包括至少一个起始位18、有效载荷数据和至少一个停止位19的数据帧开始，所述数据帧16具有预定位数N。参照图1示出这种数据帧结构，其中使用一个起始位和一个停止位。在提供数据帧16之后，数据帧16例如可以是UART数据帧，而且设想能够用于异步数据传输的其他数据格式可以根据本发明的方法进行处理，在步骤S210中可以形成信令前导码。形成步骤S210通过使用起始位和停止位的位周期来形成信令前导码，因此保持整个数据长度N不变。在步骤S210中形成信令前导码之后，将执行构建处理的数据帧S220，其中处理的数据帧的数据长度将再次与以上在步骤S200中提供的数据帧的原始长度相同。因此，该方法可以用于已经实施的数据传输系统，其中所使用的数据长度已经被固定。

在提供处理的数据帧之后，随后根据调制步骤S230对所述处理的数据进行调制。所使用的调制方案可以对应于本申请人的EP 1292060 B1中公开的技术，该申请通过引用并入本文。此后，调制的信号通过信道(即，例如在汽车中的噪声DC和/或AC电源线导线)传输(S240)到接收器Rx，接收器Rx又例如连接到电源线系统。如果将提供下一个原始数据帧，则可以重新启动本发明的发射器站点Tx上的方法。

图2在右侧示出了根据本发明的可能实施方案的接收器站点上的操作顺序。在接收步骤S250期间，可以进一步处理根据本发明在发射器Tx站点上生成的处理的数据流。接收的数据流属于必须在接收器站点上进行编码的串行数据流。接着，可以在步骤S260中执行接收数据的解调。其中调制的射频信号被解调，由此提取基带信号。

根据本发明，执行比较步骤S270，其中将接收的信令数据帧与例如存储在接收器处的寄存器中的参考信令数据模式进行比较。如果检测到有效信号，则接收器中的CPU例如可以重建(S280)发送的原始数据，并且可以进一步处理接收的数据。在决策步骤S290期间，如果存在有效数据，则可以识别它，并且在正识别的情况下，接收方法可能会停止。如果接收到错误数据，则可以进一步以递归方式执行接收方法，由此可以处理新的调制数据帧直到有效数据被编码。

图3示意性地示出了本发明的原理。举例来说，使用UART数据帧，其包含一个起始位、一个停止位和八位有效载荷数据，即数据长度为十位。根据本发明，通过保持数据帧长度不变(即根据本实施方案的十位)来生成信令数据前导码。应理解，在本发明的范围内可以实施不同的数据帧长度。

为了能够同步单个字节的数据，在字节的开始处需要同步序列，在此是前导码序列。所述前导码区分存在于电源线上的普通噪声和字节的开始。较长的前导码序列确保更好地检测传输信道(即DC和/或AC电源线)中出现的噪声内的唯一前导码序列。字节的总长度不能改变，因为消息中的字节数可能是无限的。因此，同步前导码长度确定字节对噪声和干扰的稳健性。

根据本发明的方法建议使用异步字节的起始位和停止位周期作为前导码周期，接着使用调制的数据位，保持整个字节持续时间不变，这参照图3示意性地示出。例如，在DC线路上，处理的数据帧33示为包含信令前导码35，其具有对应于UART帧中的最小数量的起始位和停止位的两位长度。参照31，示出了调制的前导码序列35，其中实施了具有相变的PSK调制技术。

为了通过噪声信道稳健地传输数据，可以实施PSK调制方案。在图3的底部示意性地示出了调制的前导码。应注意，处理的数据帧的剩余位也将在通过噪声信道传输之前被调制。为了简单起见，仅示出调制的前导码。

此外，如果前导码可能需要多于这两位的周期，则可以想到生成两个不同的前导码序列。接收器将尝试检测噪声信道内的两个序列。如果检测到第一序列，则将第一数据位将视为“1”。如果检测到第二序列，则将第一数据位视为“0”。此外，如果可能需要较长的前导码周期，则可以使用四个不同的前导码序列用于数据的前两位等。因此，根据本发明的方法可以基于信道传输质量进行调整。即，信道传输越好，需要信令前导码的位数越少。

根据另一实施方案，UART数据帧的整个字节周期可以分成两个子周期，其中第一子周期用作前导码，而第二子周期用来传送整个数据位。这些子周期的必要长度的确定是一种平衡，该平衡取决于预期噪声信道中的解调接收器性能和所需的位速率。

该方法适用于许多现有的数据类型，诸如RS232、RS485、LIN、CAN、SPI、MIL-Std-1553等。

参照图4，示意性地示出了根据本发明的发射器。传输方接收UART数据字节。在检测到起始位18时，数字处理单元或CPU 630开始传输前导码序列35。在此期间，数据位被输入到数字处理单元630中，并且根据输入的位(“0”或“1”)生成有效载荷数据的信令模式。信令模式通过数字模拟转换器被转换成模拟信号形式。根据一个实施方案，转换的数据又将通过DC电源线604进行传输。应注意，通信信道604也可以是AC电源线连接等。

图5示意性地示出了根据本发明的接收器，其检测两个可能的预期序列(“0”或“1”)的序列。相同的解决方案可以仅用于一个前导码序列或更多序列。此外，类似的电路也可以用于检测数据模式位。接收的调制信号51通过带通滤波器510并由模拟数字转换器50以高速采样。采样数据输入到移位寄存器620中，其中将每个采样数据与存储在存储器62a中的预期序列(一个或多个)进行比较。如果整个比较的移位寄存器值的结果由数字处理单元630收集。如果计算值足够接近预期序列(一个或多个)的值，则数字处理单元630开始检测剩余的预期数据字节，并以传输方输入的原始UART字节格式输出解码数据。

图6示出了根据本发明的收发器600的可能实施方案。参看图6，图示了根据本发明的实施方案的用于通过电源线604传输数据的发射器601和用于接收通过电源线604传输的数据的接收器606。根据一个示例性实施方案，发射器601和接收器606被实施为作为收发器600的一个设备或装置，但也可以设想用于传输和接收的两个功能块或分离的装置。

发射器601和接收器606在功能上连接，例如，发射器和接收器是彼此互补并且可以一起工作的装置。例如，发射器和接收器可以组合成用于数据通信的调制解调器。

发射器601包含用于接收串行位流的信号接口或端口602。例如，串行位流可以对应于如参照图2所解释的处理的数据帧，其中公开了根据本发明的实施方案的方法。基于本发明的方法操作的收发器可以例如为车辆中的不同组件之间的数据交换提供稳健的硬件和软件解决方案。

发射器601也包含用于通过电源线604，特别是DC电源线或导线发送信号的电源线接口或端口603。信号接口602可以实施为接收根据本发明的经处理数据帧形式的串行位流。电源线连接接口603可以适合于通过车辆的电源线604传输信号。

发射器601进一步包含用于基于处理的数据生成调制信号的调制器605。调制器605适合于将处理的串行位流(例如，经由本地信号端口602接收并根据参照图2描述的本发明的方法处理的串行位流)编码成原始信号。调制技术可以是本申请人的EP 1292060 B1中公开的相移键控调制。

调制器605可以实施不同的调制技术，诸如：幅度调制(AM)、频率调制(FM)或相位调制(PM)等。然而，调制器605也可以实施诸如幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、最小频移键控(MSK)的数字调制技术，或诸如正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM)等的更复杂技术。

根据一个实施方案，调制器605实施为根据本申请人的EP 1292060 B1中公开的调制技术来运行，根据一个实施方案，这导致使得短数据通过噪声信道，特别是通过DC电源线604稳健地传输。

收发器600内的接收器606可以包含两个接口608和607，其以与图6中所示的发射器601类似的方式互连。

此外，收发器600包含适合于控制所包括的模块的操作的中央处理单元630或CPU。CPU 630与寄存器设备620连接，寄存器设备620例如可以实施为静态或动态寄存器，但是可以设想其他存储技术。

在寄存器620中寄，可以实施有效数据存器620a(未示出)，其包含例如用于对经由通信信道604接收的有效数据进行编码的有效信令前导码的列表。

根据本发明的收发器600包含基于所述数据帧的数据位的信令前导码序列的生成模块640，其中处理的数据帧包含不变的位数N。生成模块640可以实施为在CPU 630上运行的软件代码，但是还可以设想其他实施技术。

为了接收和编码数据，可以实施比较器模块或单元660，其将接收的信令前导码与收发器600内的寄存器620a(未示出)内的预定的有效信令前导码进行比较。如果比较步骤识别匹配，则接收可以进一步处理的有效数据。

参考图6的调制解调器设备650可以实施为调制和/或解调必须通过电源线604发送和接收的数据。调制解调器650的功能在这里没有详细解释，并且对于数据通信领域的技术人员来说应该是清楚的。

为了简单起见，并未描绘收发器600内的所有连接，但应该清楚的是，例如所有单元都可以通过CPU 630互连。根据另一实施方案，收发器可以在FPGA上实施，例如，其中合适的固件代码实施为根据本发明的方法进行操作。

应该注意的是，权利要求中使用的术语“包含”不应被解释为限于其后列出的构件；其并不排除其他元件或步骤。因此应解释为指定所提及的所述特征、整数、步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征的存在或添加。

因此，表述“包含构件A和B的设备”的范围不应局限于仅由组件A和B组成的设备或模块。这意味着就本发明而言，设备的唯一相关组件是A和B。

在整个说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”可以但是不一定都指同一实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，正如本领域的普通技术人员根据本公开中将清楚的是，可以用任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。

类似地，应理解，在本发明的示例性实施方案的描述中，为了简化公开内容并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，有时将本发明的各种特征组合在单个实施方案、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性的方面在于少于单个前述公开的实施方案的所有特征。因此，在详细描述之后的权利要求在此明确地并入本详细描述中，其中每个权利要求本身作为本发明的单独实施方案。

尽管这里已经说明和描述了具体实施方案，但是本领域的普通技术人员将会了解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等效实施可以代替所说明和描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文中讨论的具体实施方案的任何修改或变化。因此，本发明旨在仅受权利要求和其等效物限制。