CN1883117A

CN1883117A - 用于执行双相位脉冲调制的方法

Info

Publication number: CN1883117A
Application number: CN 200480033599
Authority: CN
Inventors: D·S·科恩; D·J·迈耶; J·L·法甘
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-12-20

Abstract

一种称为双相位调制(DPPM)的调制方法将数字数据表示为一串其宽度表示M个数据位(00，01，10，11)的组的高和低脉冲(图2B)，高和低脉冲均表示连续的M位组。一组M个数据位的2^M个可能的数据值中的每一个值唯一地对应于2^M个不同的脉冲宽度(例如4、6、8和10ns)中的一个。此调制方法实际上是不定时的，通过检测相对于最后转换的各脉冲宽度，从信号解码出数据。通过用M个数据位表示各脉冲转换并使用高和低脉冲表示数据，可减少功耗。

Description

用于执行双相位脉冲调制的方法

技术领域

本发明涉及信号传输的数字数据调制和接收的信号的相应解调以恢复由其传送的数字数据，且尤其涉及用于编码数据的特定类型的调制，例如脉冲持续时间(宽度)调制(PDM或PWM)、开/关键控、不归零(NRZ)方案、微分相移键控(DPSK)、多频移键控(MFSK)和各种形式的多位/N进制编码。

背景技术

通常根据某些基本特征来划分不同类型的通信信号，例如信号载波是调幅的、调角的、脉冲调制的或这些调制类型的某个组合。在脉冲调制信号中，可以同样地调制脉冲的振幅、持续时间(宽度)、位置(相位)、重复率(间隔)或其任何组合调制。可以有单信道或多信道调制载波的模拟、量化或数字信息，且多路传输信息可以有各种形式。信息可表示音频声音、视频图象、测量、字母数字符和码元、其它种类的数据或它们的组合。

脉冲持续时间调制(PDM)(又称为脉冲宽度调制)是脉冲载波的调制，其中，调制载波的信息信号的值通过改变脉冲的前沿、后沿或两个沿，产生成比例的持续时间的脉冲。通常在PDM中，脉冲间距或间隔保持恒定。脉冲间距(或间隔)调制是一种频率调制形式，其中根据信息值调制脉冲之间的间距或间隔。通常，脉冲持续时间或宽度在这种调制中维持恒定。脉冲位置调制(PPM)是脉冲载波的相位调制，其中信息值改变脉冲与其不出现调制时间相对的时间位置。这与脉冲间隔调制的不同之处在于PPM通常需要参考时钟脉冲以准确地判断脉冲的相对相位或位置。

“键控”是任何形式的数字调制，其中信号通过调制载波在离散值之间的的任何特征来形成。On/off键控是有两个分离状态的二进制形式的振幅偏移键控，其中一个状态是在键控间隔中出现能量，另一个状态不出现能量。信息可以由状态之一(例如莫尔斯电码电信技术中的点与划)的持续时间来表示。然而，通常振幅状态本身或从一个状态到另一个状态的转换表示编码的信息。存在各种可能的编码方案(例如，单极性、极性、双极性、归零、归一、不归零)。例如，不归零(NRZ)是在信号中编码各数据元后不必将信号归零的调制模式，而归零和归一是在编码各数据元后信号归零(或归一)的调制模式。

频移键控(FSK)为一种频率调制形式，其中经调制的输出信号按照信息值在两个或两个以上分离的预定频率之间移动。在多频移键控(MFSK)中，通过2ⁿ个分离的频率编码n个数据位的组。相移键控(PSK)是一种相位调制形式，其中调制信息在预定的分离相位值之间移动调的信号的瞬时相位。微分相移键控(DPSK)是一种PSK形式，其中给定键控间隔的参考相位是前一键控间隔期间信号的相位。FSK和PSK调制通常涉及连续波载波而非脉冲。

多位或N进制(三进制、四进制、八进制等)编码方案具有调制的信号，其中各信号条件(振幅、频率、相位)表示一位以上的信息。MFSK是一个例子，但PSK或DPSK同样能具有两个以上的分离相位，例如表示二位二进制数的4个相位。

各种形式的调制相对于它的特定应用具有它自身的优缺点。在选择特定形式的调制时要考虑的因素包括：带宽、能耗要求和信号传送错误和原始信息恢复的可能性。对于数字数据，是否需要分离的时钟信号或调制的信号自同步可能很重要。调制和解调设备或电路的相对简单或复杂也是一个决定因素。电容性加载的传输线尤其追求低功耗。

发明内容

本发明(下文称为双相位调制(DPPM))是一种将数据编码成一连串高低脉冲的方法，其脉冲宽度表示M位码元。码元的2^M个可能的数据值(作为单个单元传送的一组M个数据位)中的每一个对应于2^M个不同脉冲宽度中的一个。一连串N位可以被划分成约P＝N/M个码元，其中M为以位计的码元大小。高信号脉冲和低信号脉冲分别表示连续的码元。因此，P码元能在P/2个脉冲周期中被发送(高脉冲和低脉冲)。如果归零方案是所希望的，则为了简化实施，码元P的数目最好为奇数。编码包括将数据转换成信号脉冲，而解码包括将一连串信号脉冲转换回有序的数据位序列。

DPPM本来是不定时的。通过相对于最后的转换检测脉冲的宽度来解码数据。这意味着时钟脉冲不需要和数据一起发送，时钟脉冲也不必被编码或从数据恢复。然而，M个码元的序列的开始可以启动得与时钟脉冲一致，需要时便于钟恢复。

DPPM在电容性加载传输线上以高速传送数据时，通过减少转换次数来降低功耗。因为正向转换(positive-going transition)时，消耗大部分电力为电容性负载充电(以及正向和负向转换时消耗一些额外的内部/交叉能量)，使用高和低脉冲来传送数据可节约电力。同样，DPPM通过每个高或低脉冲编码多个位，每次转换时可发送比传统脉冲宽度调制系统更多的数据。

DPPM还受益于不需要同步时钟或“冗长的”时钟恢复周期。其它相位调制方案要求发送同步时钟脉冲或从数据恢复同步时钟脉冲。在间歇地发送短数据脉冲的实施中，能显著地节省电力，因为不需要发送或恢复时钟脉冲。

附图说明

图1为按照本发明用于表示相应的一组二位二进制数数据码元的各种脉冲持续时间的一组DPPM脉冲的图(信号值与时间)。

图2A和2B为一组示例数据的按照本发明的DPPM脉冲序列的图，示出单个100ns系统时钟周期中一组9个高和低脉冲的传送。

图3和4为用于实施本发明的DPPM方法的各DPPM编码器和解码器电路的示意电路图。

具体实施方式

DPPM为一种将以二进制电路状态(1和0)的形式驻留在数字电路中的数据编码为一串交替高和低信号脉冲的方法，所述脉冲的各个持续时间或宽度表示每脉冲2位(或以上)数据。图1中所示的示例实施例用2位编码。用一组表示每个可能二位二进制数码元值的不同的脉冲宽度来编码位对，例如：

00＝4ns脉冲

01＝6ns脉冲

10＝8ns脉冲

11＝10ns脉冲

如果在DPPM信号传输接收端的解码电路能正确地将不同的脉冲宽度区分开来，则4，6，8和10ns脉冲宽度的选择是任意的且也可以是4，5，6和7ns或一些其它脉冲宽度。解码电路(以及过程变化、噪声和信号衰减以及传播环境中温度/电压变化)也对每脉冲能被编码的位数建立了实际极限，每脉冲3位需要正确解析8(＝2³)个可能的脉冲宽度，每脉冲4位需要正确解析16(＝2⁴)个可能的脉冲宽度。数据率可以认作每秒的编码位数(或者是每秒的码元数)，它取决于每个系统时钟周期的脉冲数和系统时钟频率。

“双相位”指将信息作为变高脉冲和变低脉冲发送的事实。多数脉冲宽度调制方案简单地改变变高脉冲的宽度，从而真正地调制占空比。DPPM独立地调制变高和变低脉冲的宽度，在各“周期”的高和低部分中编码不同位的组。因此，时钟周期和占空比对所产生的脉冲序列不是有效的概念。DPPM本身是“不定时的”，意思是可以通过简单地检测脉冲相对于各转换的宽度来解码数据。这意味着时钟脉冲不必和数据一起发送，也不必编码时钟脉冲并从数据恢复时钟脉冲。这在不同芯片之间传输时间临界脉冲时是主要优点，因为它不必操作会带来定时变化和错误的时钟。仅有的时钟考虑是将在各系统时钟周期内发送几个脉冲“周期”的事实。例如，图2a和2b示出在一个100ns的系统时钟周期内传送18位(这里编成9个二位二进制数)数据的交替高和低脉冲(5个高脉冲和4个低脉冲)的DPPM脉冲序列的例子。这18位能形成例如一个16位数据字与两个附加于该字的纠错代码位。因此，每个系统时钟周期可以传送一个数据字。

因为信息在脉冲序列的正和负相位上发送，DPPM本身是不归零(或不归一)的调制方案。然而，通常希望系统时钟周期中所包含的脉冲序列在各个所述序列的尾部归零(或归一)。如图2a和2b的例子那样，当字中要表示成脉冲的多位码元的数量为奇数时，这一希望很易于实施，因为行列中的最后一个码元要求归零(或归一)作为最后脉冲的报尾转换。然而，如果编码器插入额外脉冲而被解码器省略以强制返回，则不必遵循此规则。

因此，DPPM方法将诸如二位二进制数(M＝2)的成组M个数据位表示成指定宽度的信号脉冲。2^M个可能数据值中的每一个与2^M个不同的脉冲宽度中的一个相对应，且M个数据位的连续组由交替高和低的信号脉冲表示。信号编码和解码电路执行数据位和信息内容的信号脉冲表示之间的转换。

为了将数据位编码成信号脉冲，接收到的数据字首先被划分成有序的M个数据位的组的序列，然后序列中的各组被转换成其相应的信号脉冲表示，从而产生一连串表示所述数据的高和低信号脉冲。将数据字转换成信号脉冲的一种方法是指定信号脉冲转换时间，每一时间对应于增加了与M个数据位的当前组相对应的指定脉冲宽度的前一转换时间，随后，在那些指定的转换时间产生信号脉冲转换。以下参照图3所述的示例编码器硬件以此方法执行转换。

为了将DPPM信号解码回数据，要确定高和低信号脉冲中每一个的脉冲宽度，然后被转换回有序的M个数据位的组的序列，并重组成数据字。执行这一转变的一个方法由下面参照图4所述的示例解码器硬件执行。

实现DPPM方法的示例编码器和解码器硬件如下：

参照图3，示例DPPM编码器电路在并行数据输入总线11(这里分成两部分11A和11B)上接收数据字(分成9个二位二进制数的18位)。加载信号(未示出)指示数据何时可用。如果没有数据可用，则DPPM编码器保持空闲。Sys_Clock 12也是在DPPM编码器外部产生的系统时钟。

该电路在奇数和偶数总线11A和11B上与系统时钟同步地取得接收到的数据将其加载至并行输入、串行输出的移位寄存器13A和13B。奇数位(即1，3，5，7，9，11，13，15和17位)从总线11A加载至另一移位寄存器13A(奇数移位寄存器)。偶数位(即0，2，4，6，8，10，12，14和16位)从总线11B加载至一移位寄存器13B(偶数移位寄存器)。

寄存器的内容随后在对15A和15B中顺次移出。从多路复用器输出29馈送的移位时钟脉冲确保从寄存器13A和13B顺次移出的数据与各DPPM信号脉冲的结尾同步。这样，数据字被划分成有序的各M(这里M＝2)个数据位的组的序列。如果将数据划分成各三位或四位的组，则输入总线11通常会被划分成加载到三个或四个移位寄存器的三个或四个部分，每个移位寄存器在其串行输出上提供每一组位中的一位。

寄存器输出15A和15B被连接至状态机19的输入17，状态机的N位输出21是其当前值和要编码的2位对的函数。特别是状态机19反复将其状态增加与在状态机输入17处接收到的连续2位对的脉冲宽度相对应的量。N位输出21只有一个有效位并被用作控制多路复用器25的输入23，用于从电流控制的延迟链27选择连续的分支。多路复用器29用于同步触发器31，从而将其输出33上的数据编码成一连串高和低脉冲，脉冲的宽度表示2位对的值。

边沿检测器电路14(可以是任何已知边沿检测器)在系统时钟(Sys_Clock)的各上升沿发出2-3ns宽度的起动脉冲。起动脉冲将状态机19复位至第一分支选择状态(tap_select[44:1]＝0且tap_select[0]＝1)。起动脉冲还将反转触发器31设置到它的‘设置’状态(输出高)。1个与系统时钟同步的1ns脉冲呈现在对92单元延迟链27的起始处的输入12上。分开显示的第一延迟单元26考虑加载移位寄存器13A和13B所花的时间并向状态机19呈现第一对数据位。

延迟链27中的每一个单元被校成具有1ns的延迟。因此，该脉冲需要92ns来通过延迟链。假设第一DPPM信号转换以2ns的时间延迟出现(对应于tap_select[0])，当使用参照图1所述的脉冲宽度组时，延迟链的大小对应于将整个18位字表示成一连串DPPM信号脉冲所需的最大总时间，即需要90ns的持续时间来将9个“11”位对作为10ns脉冲宽度的9个高和低信号脉冲传送。如果选择其它字大小和脉冲宽度，则延迟单元的数目甚至于每个元件的时间延迟量都可能相应地改变。当所有脉冲都具有最大脉冲宽度时，系统时钟的周期必须超过信号脉冲序列的总持续时间。如果用延迟锁定回路(DLL)将延迟链校准至系统时钟，则脉冲宽度将被自动匹配不同的系统时钟。

两个移位寄存器13A和13B中最低有效位表示要编码的当前位对并被从线路17输入分支选择器状态机19。状态机19为92个单元的延迟链27选择分支点。脉冲宽度可以是用于四个可能位对的4，6，8或10ns，在该情况下，有效分支点只在偶数延迟单元上，从而在此实施例中有46个有效分支点。(然而，脉冲宽度的选择是任意的，并且可以选择另一组脉冲宽度。脉冲宽度的选择基于提供使解码器能准确地区分它们所需的足够的间隔。“足够”是由包括过程变化、切换速度和建立/保持要求在内的诸如所希望的噪声/误差边际、系统中的噪声量和用于实现系统的技术的特征之类的因素来确定的。)

基于当前分支点(STATE(i))和要编码的下一个2位数据(DATA[1:0])，使分支点选择21增数。分支点选择最好构成单步状态机19(实际上是能每周期多次移位的移位寄存器)，其中根据从数据线17输入的2位数据值，在每个时钟将单个有效状态增加2，3，4或5个位置。虽然每一状态都要求寄存器是面积无效的，但此实施法允许状态极快速切换，从而允许快速控制多路复用器25。分支选择21(从状态机19输出)和通过多路复用器25选择的延迟链分支T2-T92之间存在一一对应的关系。定时使得该分支点在上升沿通过延迟链传到下一分支点之前必须增至下一值。

分支点选择21是用于多路复用器25的选择器控制23。多路复用器25的输出29是在每一选择的分支点出现一次的1ns脉冲。此多路复用器输出29对反转触发器31计时，并且还形成使移位寄存器13A和13B中的数据移位并对状态机19从一个状态到下一状态计时的移位时钟脉冲。反转触发器31的输出33是图3中整个编码器电路的DPPM输出。

参照图4，示例DPRM解码器电路处理在输入43上接收到的串行DPPM信号，以从输出寄存器78获取并行数据输出。Sys_Clock是在DPPM解码器外部产生的系统时钟。去偏斜块(Deskew block)45和46允许对DPPM信号作独立的延迟微调，而DPPM信号用于对D触发器51A-51D和52A-52D计时并提供由那些相同的触发器采样的数据。可以控制去偏斜量，例如通过调谐块45和46每一个中的Venier电路的寄存器。高和低脉冲被分别解码。通过去偏斜块45和46耦合至DPPM信号输入43的反相器48将DPPM信号脉冲反相，使得可以将基本相同的子电路用于解码高和低脉冲，如下所述。

通常，通过检测相对于各脉冲前沿的脉冲宽度来确定数据的值。表示该数据的调制信号通过短的延迟链传送，输出用于对非延迟的信号定时和采样。结果，解码不需要独立或未恢复的时钟。更具体来说，串行-并行DPPM数据解码器包括两个延迟链49和50，每一个具有表示延迟链不同级的k-1个输出，其中k为表示编码数据的不同延迟值的数量。对于2位编码，k＝4(对于3位编码，k＝8，等等)。

返回图1，对于使用2位编码的实施，可以将数据表示成例如4，6，8和10ns脉冲宽度。通过对不同编码脉冲宽度值在各种可能后沿时间之间的时间T5、T7和T9采样脉冲，脉冲的宽度可以被确定，然后解码回其数据位的组成对。因此，在时间T5(即脉冲前沿之后5ns)，编码二位二进制数据值00的4ns脉冲将已经结束，而编码其它二位二进制数据值的脉冲将仍未在它们的后沿转变成相反的信号状态。同样，在时间T7，编码数据值01的6ns脉冲也将已经结束，随后在时间T9，编码数据值10的8ns脉冲将已经结束，但编码数据值11的10ns脉冲仍将持续另一毫微秒。

如图4所示，数据脉冲的上升沿通过第一延迟链49发送并在T5，T7和T9出现，用于定时一组触发器51B-51D，从而采样在线55上呈现的数据脉冲。对于变低脉冲，输入的DPPM信号首先被反相，然后通过与另一组触发器52B-52D一起使用的第二延迟链发送，以采样在线56上呈现的反相的数据脉冲。从而独立解码高和低脉冲。同样，通过使用两个延迟链和采样前反相的低脉冲，可以只用通过延迟链传送的上升沿解码DPPM信号。这产生了避免上升/下降数据脉冲在延迟链中扩散的附加优点。

逻辑与门63-66将从线57B-57D和58B-58D上的触发器51B-51D和52B-52D输出的采样脉冲值转换成它们相应的数据值。

可见DPPM方法允许相对于脉冲的前沿解码脉冲宽度，因此不需要时钟。这意味着接收器上不需要额外的时钟线、时钟编码或时钟恢复电路。其实，因为实际上用数据脉冲的延迟形式来定时(或采样)输入的非延迟数据脉冲，因此这一解码技术具有在操纵或恢复时钟时消除引入错误的可能性的附加优点。

Claims

1.一种双相位调制(DPPM)方法，包括：

将以电路状态形式驻留在数字电路中的M个数据位的组表示成传输的指定宽度的高和低信号脉冲，M个数据位可能的2^M个数据值中的每一个值对应于2^M个不同脉冲宽度中的一个，连续的M个数据位的组由交替高和低的信号脉冲表示；且

通过使用信号编码器或解码器电路在数据位和信号脉冲表示之间转换。

2.如权利要求1所述的DPPM方法，其特征在于，所述在数据位和信号脉冲表示之间转换包括：

通过使用信号编码器电路将数据位的组转换成一串表示所述数据位的组的相应信号脉冲，将数据编码成DPPM信号。

3.如权利要求2所述的DPPM方法，其特征在于，所述编码包括：

(a)将数据字接收到信号编码器电路中；

(b)将所接收到的数据字划分成有序的M个数据位的组的序列；

(c)将各M个数据位的组转换成一串具有指定宽度的信号脉冲，各宽度对应于M个数据位组中的一组；并

(d)从信号编码器电路输出所述一串信号脉冲。

4.如权利要求3所述的DPPM方法，其特征在于，所述转换步骤(c)包括指定信号脉冲转换时间，信号脉冲转换时间对应于以相应于M个数据位的当前组的指定脉冲宽度递增的前一转换时间，然后在所述指定信号脉冲转换时间产生信号脉冲转换，并对各连续的M个数据位的组重复转换时间递增和转换产生。

5.如权利要求1所述的DPPM方法，其特征在于，所述数据位和信号脉冲表示之间的转换包括：

通过使用信号解码器电路将一串信号脉冲转换成它们相应的数据位的组，将DPPM信号解码成数字数据。

6.如权利要求5所述的DPPM方法，其特征在于，所述解码包括：

(a)将一串高和低交替的信号脉冲接收到信号解码器电路中；

(b)确定各信号脉冲的脉冲宽度；

(c)将所述信号脉冲串转换成其数据值对应于信号脉冲的指定脉冲宽度的M个数据位的组的有序序列；以及

(d)将连续的M个数据位的组组合成数据字。

7.如权利要求6所述的DPPM方法，其特征在于，所述解码还包括：

(a)在接收一串后，将该串导向同相和反相的路径，使得从同相路径解码高信号脉冲，从反相路径解码低信号脉冲，以及

(b)所述信号脉冲串的转换包括独立地将来自同相路径的高信号脉冲和来自反相路径的低信号脉冲转换成数据位的组的两组有序序列，分别表示解码的高脉冲和解码的低脉冲。

8.如权利要求1所述的DPPM方法，其特征在于，所述M个数据位的组是由4个不同脉冲宽度的信号脉冲表示的二位二进制数(M＝2)。