测量差分曼彻斯特编码信号的接收质量

本申请要求2021年2月25日提交的美国临时专利申请63/153,826的权益，该申请的内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般涉及通信系统，尤其涉及用于测量使用差分曼彻斯特编码(DME)方案调制的信号的接收质量的方法和系统。

背景技术

各种应用需要短距离通信，例如汽车车内网络，物联网(I0T)和机器对机器(M2M)。已经为这种应用提出了数种类型的协议和通信介质。例如，双绞线铜线介质上的以太网通信在2020年2月5日公布的“IEEE 802.3cg-2019-IEEE Standard for Ethernet-Amendment5:Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10Mb/sOperation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair ofConductors”中被提出。在IEEE 802.3cg－2019标准下指定的用于短程的变型被称为10BASE－T1S，其在单对物理层之上提供10Mbit/s的带宽。

以上描述是作为本领域相关技术的总体概述而呈现的，并且不应被解释为承认其所包含的任何信息构成了本专利申请的现有技术。

发明内容

本文描述的实施例提供了一种接收器，包括接口和处理器。该接口被配置为接收包括在相应符号间隔中携带比特值的符号的信号，并且将所接收的信号转换为数字样本的串行序列，所接收的信号使用差分曼彻斯特编码(DME)方案来调制，该差分曼彻斯特编码(DME)方案(i)通过在对应的符号间隔中具有电平转换的第一符号类型来表示第一比特值，并且(ii)通过在对应的符号间隔中具有恒定电平的第二符号类型来表示第二比特值。所述处理器被配置为从所述数字样本导出误差信号，且基于所述导出的误差信号产生所述接收信号的质量测量。

在一些实施例中，处理器被配置为通过以下方式来导出误差信号：由与第一符号类型匹配的第一匹配滤波器对数字样本进行滤波，并且计算由第一匹配滤波器输出的样本的绝对值，以便产生第一绝对值滤波信号；由与第二符号类型匹配的第二匹配滤波器对数字样本进行滤波，并且计算由第二匹配滤波器输出的样本的绝对值，以便产生第二绝对值滤波信号；以及基于根据在第一绝对值滤波信号与第二绝对值滤波信号之间的差来计算的差信号来产生误差信号。在其他实施例中，处理器被配置为通过计算在给定符号间隔的差信号的值与差信号的最大或最小可实现值之间的差来计算给定符号间隔的误差信号。在其他实施例中，接口被配置为根据10BASE－T1S规范通过单对链路接收信号。

在一个实施例中，接口被配置为从汽车通信网络接收信号。在另一实施例中，所述处理器被配置为从所述误差信号计算绝对值误差信号，使用平滑滤波器对所述绝对值误差信号进行滤波以产生经滤波的绝对值误差信号，以及将所述经滤波的绝对值误差信号转换为所述质量测量。在又一实施例中，处理器被配置为使用查找表将滤波的绝对值误差信号转换为质量测量。

在一些实施例中，质量测量是平均质量测量，并且处理器被配置为使用低通滤波器(LPF)对绝对值误差信号进行滤波。在其他实施例中，质量测量是峰值质量测量，并且处理器被配置为通过选择绝对值误差信号的峰值并且在所选择的峰值之间进行平均来对绝对值误差信号进行滤波。

根据本文描述的实施例，还提供了一种用于通信的方法，包括：接收包括在相应符号间隔中携带比特值的符号的信号，以及将所接收的信号转换为数字样本的串行序列，所接收的信号使用差分曼彻斯特编码(DME)方案来调制，该差分曼彻斯特编码(DME)方案(i)通过在对应的符号间隔中具有电平转换的第一符号类型来表示第一比特值，以及(ii)通过在对应的符号间隔中具有恒定电平的第二符号类型来表示第二比特值。从数字样本导出误差信号。基于导出的误差信号产生接收信号的质量测量。

从以下结合附图对本发明实施例的详细描述中将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是示意性地示出根据本文描述的实施例的汽车通信系统的框图；

图2是根据本文描述的实施例示意性示出测量DME信号的接收质量的PHY设备的框图；

图3是根据本文描述的实施例示意性示出DME信号以及对应的匹配滤波器和输出的图；

图4是根据本文描述的实施例示意性示出用于导出DME误差信号的差信号的图；以及

图5是根据本文描述的实施例示意性示出用于测量接收的DME信号的质量的方法的流程图。

具体实施方式

这里描述的实施例提供了用于测量使用差分曼彻斯特编码(DME)方案调制的信号的接收质量的方法和系统。本文所述的实施例是在汽车应用(例如，从车辆内的传感器收集数据的系统)的上下文中描述的。然而，描述单个实施例的选择仅仅是为了清楚起见。所公开的技术同样适用于其它应用，例如工业和/或智能家居网络。

在DME中，'1'比特值由本文表示为DME1的第一符号类型表示，而'0'比特值由本文表示为DME0的不同于第一信号类型的第二符号类型表示。在下面将要描述的实施例中，DME1符号在对应的符号间隔中具有电平转换，而DME0符号在相应的符号间隔中具有恒定电平。然而，在其它实施例中，DME0和DME1的角色可以被交换。为了向接收器发送数据比特序列，发射器发送对应的DME0和DME1符号的序列。

在接收器侧，DME信号被采样和数字化以产生数字DME信号。使用分别与DME0和DME1符号匹配的表示为MF0和MF1的匹配滤波器对数字DME信号进行滤波。基于两个匹配滤波器的输出，接收器恢复DME信号中携带的数据位。

在实际的通信系统中，接收的DME信号可以由各种源降级。例如，在发射器与接收器之间的信道通常是不完美的，并且可能使信号失真和/或使信号有噪声。DME信号还可能受到诸如电磁干扰(EMI)的干扰。在接收质量中的降低的另一个原因是接收器侧的不准确采样时刻。在接收质量中的降低可能导致通信错误，其中错误的概率通常随着降低的程度而增加。

可以通信DME信号的示例通信系统是车辆以太网网络，其通常需要在极端环境条件下以高速和低等待时间通信大量数据。另一方面，车内通信需要高度可靠，例如出于安全原因。

在一些应用中，接收器可以监测和报告接收质量。被称为信号质量指数(SQI)的质量测量例如由单对以太网(One-Pair Ether-Net OPEN)联盟公司的第14届技术委员会(TC14)规定。

考虑包括接口和处理器的接收器的实施例。接口被配置为接收使用DME方案调制的信号，以及将接收的信号转换为数字样本的串行序列。所述处理器被配置为从所述数字样本导出误差信号，并且基于所述导出的误差信号来产生所述接收信号的质量测量。

处理器可以以各种方式导出误差信号。在一个实施例中，处理器通过以下步骤导出误差信号：(i)由与第一符号类型匹配的第一匹配滤波器对数字样本进行滤波，并且计算由第一匹配滤波器输出的采样的绝对值，以便产生第一绝对值滤波信号；(ii)由与第二比特值符号类型匹配的第二匹配滤波器进一步对数字样本进行滤波，并且计算由第一匹配滤波器输出的样本的绝对值，以便产生第二绝对值滤波信号；以及(iii)基于根据在第一绝对值滤波信号与第二绝对值滤波信号之间的差计算的差信号来产生误差信号。

在一些实施例中，质量测量是相对于在最佳条件下将实现的最大质量。在这样的实施例中，处理器被配置为通过计算在给定符号间隔的差信号的值与差信号的最大或最小可实现值之间的差来计算针对给定符号间隔的差信号。

在一些实施例中，为了产生质量测量，处理器被配置为从误差信号计算绝对值误差信号，使用平滑滤波器对绝对值误差信号进行滤波以产生滤波的绝对值误差信号，以及例如使用查找表将滤波的绝对值误差信号转换为质量测量。

在一些实施例中，质量测量是平均质量测量，并且处理器使用低通滤波器(LPF)对绝对值误差信号进行滤波。在其它实施例中，质量测量是峰值质量测量，并且处理器选择绝对值误差信号的多个峰值，并且在所选择的峰值之间进行平均。

在所公开的技术中，针对DME信号产生误差信号并且该误差信号被用于监测DME信号的接收质量。相对于在最佳条件下可实现的最大质量来测量接收质量。在其它应用之中，所公开的质量测量可适用于10BASE－T1S规范中规定的DME信号。

图1是示意性地示出根据本文描述的实施例的汽车通信系统20的框图。通信系统20安装在车辆24中，并且包括多个传感器28，多个微控制器30和多个以太网物理层(PHY)设备32(也称为以太网收发器)。PHY设备32通过以多点拓扑配置的以太网互连。PHY设备使用链路36连接到以太网。

在各种实施例中，传感器28可以包括任何合适类型的传感器。传感器的数个非限制性示例包括摄像机、速度传感器、加速度计、音频传感器、红外传感器、雷达传感器、激光雷达传感器，超声传感器、测距仪或其它接近传感器等。

PHY设备32通常至少部分地根据IEEE802.3以太网标准(例如，10BASE－T1S标准)中的一个或多个标准来操作。尽管本文描述的技术主要涉及物理层，但是在一个实施例中，PHY设备32也可以执行介质访问控制(MAC)功能。

根据适用的以太网标准，链路36可以包括任何适当的物理介质。在本文描述的实施例中，虽然不是必须的，但是每个链路36包括单对导线，例如可选地屏蔽的单对双绞线链路。在备选实施例中，链路36可以包括单端有线链路，而不必是以太网兼容的。

在本示例中，每个传感器28被连接到相应的微控制器30，微控制器30又连接到相应的PHY设备32。每个传感器的PHY设备32通过链路36连接到耦合到以太网网络的对等PHY设备32。在给定链路的传感器侧，微控制器30用作介质访问控制(MAC)控制器。因此，微控制器30在这里也被称为MAC设备、主机或片上系统(SoC)。在一些实施例中，PHY电路和执行MAC功能的电路(例如，微控制器)集成在同一设备中。在本示例中，中央处理器40(在图的右手侧)经由以太网连接，但不直接连接到任何传感器。备选地或附加地，在一个实施例中，中央处理器40可以直接连接到一个或多个传感器(或连接到传感器的微控制器30)。

PHY设备32和链路36形成车辆24内的以太网。使用该车辆以太网网络，中央处理器40向传感器28发送控制消息，并且接收由传感器捕获的信息。图1中所示的以太网的多点拓扑是作为示例给出的，并且也可以使用其它合适的拓扑，例如包括一个或多个交换机和/或多于单个中央处理器40的拓扑。

在一个实施例中，图1底部的插图示出了PHY设备32的内部结构。为了清楚起见，插图仅描述了PHY设备的接收器部分，而省略了发射器部分。PHY设备32包括数字处理器44和模拟前端(FE)46。在一个实施例中，数字处理器44包括MAC接口(IF)48，其被配置为与例如传感器28或中央处理器40的MAC设备通信。模拟FE 46包括PHY介质相关接口(MDI)50，其被配置为在包括物理链路36(例如，双绞线链路)的MDI信道上发射和接收模拟以太网信号。

模拟FE 46经由MDI50接收携带数据的模拟以太网信号。模拟以太网信号由模拟FE46处理，随后由数字处理器44处理，数字处理器44恢复数据。数字处理器经由MAC接口48将恢复的数据传递到对等MAC设备。为简洁起见，数字处理器44也简称为“处理器”。

在本示例中，PHY MDI 50从以太网接收使用DME方案调制的模拟信号。模数转换器(ADC)54对所接收的模拟信号进行采样，并且将其转换成包括数字样本序列的数字DME信号。在一个实施例中，ADC的采样率比DME符号的速率高例如5倍或甚至10倍。

处理器44使用(i)匹配滤波器MF0(58)和(ii)匹配滤波器MF1(60)对DME信号的采样进行滤波，其中匹配滤波器MF0与'0'值比特的DME0符号相匹配，匹配滤波器MF1与'1'值比特的DME1符号相匹配。处理器使用绝对值模块62计算由MF0和MF1输出的样本的绝对值，以便产生分别表示为AMF0和AMF1的绝对值滤波信号。减法器66通过从AMF1信号的对应样本中减去AMF0信号的样本来产生表示为DME_DIFF的差信号。下面将参考图3描述示例DME信号和相应的匹配滤波器。

在符号采样时刻中，对应于MF0的AMF0信号通常具有针对DME0符号的高值和针对DME1符号的低值。类似地，在符号采样时刻中，对应于MF1的AMF1信号具有针对DME1符号的高值和针对DME0符号的低值。在一个实施例中，限幅器70在符号采样时刻处检查差信号DME_DIFF，以决定对应的比特值。限幅器将恢复的数据比特提供给MAC接口48。

在一个实施例中，DME_DIFF信号还用于监测接收的DME信号的质量。为此，误差处理器74从DME_DIFF信号导出表示为DME_ERR的误差信号。在一些实施例中，DME_ERR信号指示DME信号相对于理想接收条件的接收质量。在理想条件下，在发射器处产生的DME信号在接收器处无失真地到达，并且在符号时刻处被采样。

质量监测器78从DME_ERR信号产生指示接收的DME信号的质量的质量测量信号。质量测量信号可以包括例如信号质量指数(SQI)。提供SQI是例如由单对以太网(OPEN)联盟公司的第14届技术委员会(TC14)规定的要求。

图2是示意性示出根据本文所述实施例的用于DME信号的质量监测器100的框图。质量监测器100可以用于实现图1的质量监测器78。

在图2的示例中，质量监测器100处理接收的误差信号102以产生表示为信号质量指数(SQI)104和峰值SQI106的质量测量输出。在本示例中，假设输入误差信号102包括由图1的误差处理器74产生的DME_ERR信号。备选地，也可以使用其它合适类型的误差信号。

绝对值模块110根据误差信号(DME_ERR)计算绝对值误差信号114，该绝对值误差信号114包括误差信号的对应样本的绝对值。产生质量测量是基于平滑绝对值误差信号并且将平滑的绝对值误差信号转换为质量测量。

在上处理分支中，误差滤波器116(例如，诸如低通滤波器(LPF)的平滑滤波器)对绝对值误差信号114进行滤波以产生经平滑的绝对值误差信号120。SQI转换器124将经平滑的绝对值误差信号120转换成SQI信号104。在一个实施例中，使用预定义的查找表来实现SQI转换器。SQI 104可以被认为是平均质量测量，这是因为它不限于绝对值误差信号的采样的任何选定属性。

在下处理分支中，峰值采样器130选择具有峰值的绝对值误差信号114的样本。在示例实施例中，峰值采样器在绝对值误差信号114的多个采样之中选择具有最大值的峰值样本。备选地，也可以使用峰值样本的其它合适的选择方法。平均滤波器134对所选择的峰值样本进行滤波，以产生平滑的误差峰值信号138。在一个实施例中，滤波器134在多个峰值样本之中进行平均。

峰值SQI转换器140将经平滑的峰值误差信号138转换成峰值SQI信号106。在一个实施例中，使用预定的查找表来实现峰值SQI转换器。峰值SQI测量可以被认为是峰值质量测量。

如图1和图2所示，通信系统20及其组件的配置，例如PHY设备32的内部结构，是仅为了清楚起见而描述的示例配置。在备选实施例中，可以使用任何其它合适的配置。例如，所公开的技术可用于任何其它合适的网络或链路拓扑，例如包括一个或多个交换机的拓扑。作为另一示例，所公开的技术可以用于在两个PHY设备或交换机之间的点对点以太网链路。为了清楚起见，图中省略了对于理解所公开的技术不是强制性的元件。

在图1所示的示例PHY配置中，模拟FE 46和数字处理器44被实现为分离的集成电路(IC)。然而，在备选实施例中，模拟FE和数字处理器可以集成在单个多芯片封装(MCP)或片上系统(SoC)中的单独半导体裸片上，并且可以通过内部总线互连。

通信系统20的不同元件及其各种组件可以使用专用硬件或固件来实现，诸如使用例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中的硬连线或可编程逻辑。另外地或备选地，一些功能，例如数字处理器44的功能，诸如MF0 58、MF1 60、减法器66、限幅器70、MAC IF 48、误差处理器74和质量监测器78(和100)可以用软件和/或使用硬件和软件元件的组合来实现。

在一些实施例中，数字处理器44包括可编程处理器，例如数字信号处理器(DSP)或其它合适的处理器，其以软件编程以执行本文所述的功能。例如，可以通过网络以电子形式将软件下载到任何处理器，或者可选地或附加地，可以将软件提供和/或存储在诸如磁、光或电子存储器的非瞬态有形介质上。

图3是根据本文描述的实施例示意性地示出DME信号以及对应的匹配滤波器和输出的图。

表示为DME1(170)和DME0(172)的DME符号分别对应于具有“1”和“0”值的数据位。DME1和DME0符号可以用于在发射器侧产生包括理想DME符号的理想DME信号。实际上，所发射的理想符号在接收器处被失真地接收，这降级了接收器性能。

在本示例中，DME1符号在对应的符号间隔中具有电平转换，而DME0符号在对应的符号间隔中具有恒定电平。表示为MF1(176)的匹配滤波器与DME1符号匹配，表示为MF0(178)的匹配滤波器与DME0符号匹配。MF1 176和MF0 178可以被用于实现图2的相应匹配滤波器MF1 60和MF0 58。

数字处理器44通过在接收的DME信号的样本与匹配滤波器MF1和MF0中的每个匹配滤波器之间应用卷积操作182来过滤DME信号。在图3中，MF1_OUT对应于使用MF1对理想DME1符号进行滤波，并且MF0_OUT对应于使用MF0对理想DME0符号进行滤波。在这两种情况下，在相关采样时刻处的匹配滤波器的输出相当高。应注意的是，使用MF0对DME1进行滤波和使用MF1对DME0进行滤波将在相关采样时刻处产生零输出电平(或接近零电平)。因此，基于在从滤波信号导出的绝对值信号之间计算的差信号，限幅器70可以区分在接收的DME符号与MF1或MF0匹配的情况。

在图3中，以某些极性描绘了DME0和DME1符号。在包括多个DME符号序列的DME信号中，例如为了实现直流(DC)平衡，可以反转某些符号的极性。例如，两个连续的DME0符号被分配相反的相应极性。

匹配滤波器MF0和MF1在图3中以某些极性示出。然而，在备选实施例中，也可以使用MF0、MF1或两者的相反极性。

注意，图3中的DME1和DME0符号由理想信号表示，例如在该示例中的理想方波信号。实际上，符号经历改变其形状的各种失真和干扰，这转化为在符号采样时刻处降低相关匹配滤波器的输出处的值。

图4是根据本文描述的实施例示意性示出用于导出DME误差信号的差信号的图。

图4描绘了例如由图1的减法器66产生的示例差信号DME_DIFF200。值204对应于符号采样时刻处的差信号的值。

图4示出了三条水平线，标号为208、212和216。水平线208区分与DME0符号相关联的高级样本和与DME1符号相关联的低级样本。线212表示理想DME0符号可达到的最大值。类似地，线216表示在理想条件下理想DME1可达到的最小值。

实际上，由于诸如不完美的信道、干扰、不准确的采样时间等的各种损害，DME_DIFF信号的值对于DME0符号通常低于线212，而对于DME1符号通常高于线216。当DME_DIFF信号的样本到达线212和216时，理论上可实现最佳接收性能。此外，随着差信号(线208上方)的值204与线212之间的差(220)增加，DME信号的接收质量降低。类似地，当值204(低于线208)与线216之间的差(224)增加时，DME信号的接收质量降低。

在一些实施例中，误差处理器74通过分别计算在采样时刻的DME0和DME1符号的接收信号的样本与线212和216的最大和最小可实现值之间的差来产生DME_ERR信号。

图5是根据本文描述的实施例示意性示出用于测量接收的DME信号的质量的方法的流程图。该方法将被描述为由图1的PHY设备32的数字处理器44执行。

该方法开始于数字处理器44在接收操作250接收DME信号的数字样本。在一个实施例中，DME信号由模拟FE 46采样和数字化，如图1所示。在一些实施例中，所接收的DME信号符合上述10BASE－T1S标准(IEEE802.3cg－2019)。

在误差信号导出操作254，数字处理器从接收的DME信号的数字样本导出误差信号。在示例实施例中，数字处理器通过计算在匹配滤波器MF0与MF1的输出的绝对值信号之间的差来导出误差信号，以产生如图1所述的DME_DIFF信号。如图4所述，数字处理器计算误差信号(例如，DME_ERR信号)。或者，也可以使用用于导出误差信号的任何其它合适的方法。

在质量监测操作258，数字处理器基于导出的误差信号产生接收的DME信号的质量测量。在非限制性示例实施例中，数字处理器44使用质量监测器78或100从DME_DIFF信号产生质量测量。在操作258之后，该方法结束。

以上实施例是以举例的方式给出的，并且也可以使用其他合适的实施例。例如，尽管上述实施例考虑在基于10BASE－T1S标准的通信系统中监测DME信号的接收质量，但是这些实施例也可应用于通信DME信号的其它合适的通信系统。

尽管本文描述的实施例主要针对OPEN联盟公司的TC14的、根据10BASE－TIS标准的用于测量DME信号的接收质量所需的SQI测量特征，但是这里描述的方法和系统也可以用于其它应用，例如采用IEEE802.3cg，802.3da或基于DME编码的其它协议的通信系统。

应当注意，上述实施例是以示例的方式引用的，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的并且未在现有技术中公开的其变化和修改。通过引用并入本专利申请的文献被认为是本申请的整体部分，除了在这些并入的文献中以与本说明书中明确或隐含的定义冲突的方式定义任何术语的程度上，仅应考虑本说明书中的定义。