本申请涉及用于MTS约束的MFSK通信的高效编码/解码算法。本申请公开一种编码数据信号的方法。该方法包括，选择M个超声频率的集合，其中M个超声频率中的每个与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M为正整数。该方法还包括，形成网格矩阵并且用该网格矩阵编码数据信号以形成M个超声频率中的Q个的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在该集合的Q个频率中的任何一对之间的最小频率间距大于第一频率间隔。
【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.119(e)要求2015年10月2日提交的美国临时申请No.62/236,549(TI-76451PS)和2015年10月2日提交的美国临时申请No.62/236,579(TI-76452PS)的优先权，这两项申请均以引用方式全部并入本文。
本专利技术的实施例涉及解码用于通过多径衰减信道的超声波通信的数据信号。
技术介绍
超声技术已经开发用于实际应用，诸如测量管道中流体速度，测量管道的特性以及管道中流体的特性，通过各种介质诸如金属管道的超声波通信，水下声学测量，医学应用和许多其他应用。参考图1，例如，Hosman等人2011年12月在电气与电子工程师协会测试设备与测量汇刊第60卷第12期3767-3774页的《用于通过金属结构的超声波通信的MFSK型发射器/接收器的设计和特征》(“DesignandCharacterizationofanMFSK-BasedTransmitter/ReceiverforUltrasonicCommunicaionThroughMetallicStructures”，IEEETrans.OnInstrumentationandMeasurement，Vol.60，No.12，pp.3767-3774(Dec.2011))公开了用于通过船运集装箱的钢角柱进行通信的超声波通信系统，该文献以引用方式全部并入本文。该通信系统经由附接的超声换能器通过钢角柱将多音调频移键控(multitonefrequency-shiftkeyed，MFSK)数据传输至船运集装箱外部的接收器。钢角柱特征在于金属多径衰减信道。Hosman等人采用在图2所示的MFSK编码系统。数据字施加至符号编码器以选择性地将频率f0到fN-1施加至求和电路。然后，所选择的频率施加至超声换能器用于通过钢角柱的传输。Hosman等人的MFSK系统使用来自N个可用音调的Q个求和音调的不同组合以产生符号，其中定义为N！/(Q！(N-Q)！)。与如在图3所示的常规频移键控(FSK)编码相比，MFSK编码有利地产生基本上更多编码的符号。这里，例如N＝32可用音调将在每个FSK符号中编码5比特(log2(32))。通过比较，MFSK将编码29比特或Q＝16下的整数部分。这引起针对具有相同数量可用音调的MFSK编码的显著更高的数据速率。本专利技术人已经意识到改进通过多径衰减信道的通信技术的需要以便进一步改进数据吞吐量和减少误码率(SER)。因此，下述优选实施例涉及对现有技术的改进。
技术实现思路
在本专利技术的第一实施例中，公开了一种编码数据信号的方法。该方法包括，选择M个超声频率的集合，其中M个超声频率中的每个与邻近超声频率相差至少第一频率间隔。该方法还包括，形成网格矩阵并且用该网格矩阵编码数据信号以形成M个超声频率中的Q个的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在该集合的Q个频率中的任何一对之间的最小频率间距大于第一频率间隔。在本专利技术的第二实施例中，公开了一种解码Q个超声频率的集合的方法。该方法包括，选择M个超声频率的集合，其中M个超声频率中的每个与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M为正整数。该方法还包括，形成网格矩阵并且接收M个超声频率中的Q个的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在该集合的Q个频率中的任何一对之间的最小频率间距大于第一频率间隔。该Q个频率的集合用网格矩阵解码以形成数据信号。在本专利技术的第三实施例中，公开了一种编码电路。该电路包括多个正弦波发生器，该多个正弦波发生器布置成产生M个超声频率中的相应多个频率，其中M个频率中的每个与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M为正整数。编码器被布置成编码数据信号以形成选择正弦波发生器中的Q个的Q个信号的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在集合的Q个所选择的正弦波发生器频率中的任何一对之间的最小频率间距大于所述第一频率间隔。附图说明图1是现有技术的超声波通信系统的简化图；图2是现有技术的多音调频移键控(MFSK)编码系统；图3是将频移键控(FSK)比特/符号与作为N个可用音调中的Q个的函数的多音调频移键控(MFSK)比特/符号比较的图；图4是本专利技术的一种超声波通信系统的图；图5A是将32kHz传输的波形与通过10米铜管道接收的对应波形比较的图；图5B是将40.25kHz传输的波形的频域与通过10米铜管道接收的波形的对应频域比较的图；图6A为示出作为最小音调间距(MTS)函数的误码率(SER)和吞吐量的表；图6B是示出用于14米换能器间距的如图6A中作为最小音调间距(MTS)函数的误码率(SER)的图；图6C是示出用于14米换能器间距的如图6A中作为最小音调间距(MTS)函数的数据速率下降百分比的图；图7是流程图，该流程图示出根据本专利技术的一种传输带有最小音调间距(MTS)的多音调频移键控(MFSK)编码数据的方法；图8A是流程图，该流程图示出根据本专利技术的一种带有最小音调间距(MTS)的数据的多音调频移键控(MFSK)编码；图8B为对应于图8A的流程图的频率图；图9A是示出矩阵V和N的构造的流程图；图9B和9C是矩阵V和N的相应的图；图10A是示出用矩阵V和N编码消息的流程图；图10B是示出根据图10A的流程图编码消息的流程图；图11A是示出用矩阵V和N解码消息的流程图；图11B是示出根据图11A的流程图解码消息的流程图。具体实施方式通过以下具体详细说明将明显的是，与现有技术的方法相比，本专利技术的优选实施例提供经由各种传导介质的超声传输在误码率(SER)和所得数据吞吐量上的显著优势。参考图4，存在本专利技术的一种超声波通信系统的简化图。系统包括通过超声波通信信道402通信的发射器400和接收器404。超声波通信信道可为固体、流体或气体介质并且可适用于其中难于进行有线或无线通信的环境中。例如，超声波通信信道402可为先前安装在商业或居民综合设施中的金属管道、用于流体或气体传输的埋设式管道或导管、金属框架或支撑结构或其他传导介质。此外，介质可为塑性材料诸如聚氟乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)或其他传导介质。本专利技术人已经确定多种多样的传导介质可定性为用于传导超声信号的多径衰减信道。发射器400包括多音调频移键控(MFSK)映射器和编码器，如将具体解释的。发射器接收消息m，其优选为N比特数据字的序列，其中N为正整数。通信系统采用M个可用音调的所选择集合，其中M为正整数。M个音调或频率可以以线性方式由最小频率间隔Δf隔开。受制于最小音调间距(MTS)从M个音调的集合中选择音调中的Q个的集合以编码每个N比特数据字，其中N小于或等于的整数部分。随后，代表N比特数据字的所选择的Q个音调在具有占空比θ的符号时间Ts期间通过附接到传导介质的第一超声换能器(未示出)传输。因此，系统的数据吞吐量为1/Ts符号/秒或比特/秒。接收器404通过附接到传导介质的第二超声换能器(未示出)接收Q个音调。接收器404包括非相干的MFSK检测器和映射器/解码器电路。接收器使用调谐到M个频率中的每个的快速傅里叶变换(FFT)型峰值检测器。M个频率中的Q个在接收的信号中被检测。它们被映射及解码以产生N比特数据字的序列和重新构建解码的消息现在转到图5A，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种编码数据信号的方法，包括：选择M个超声频率的集合，其中所述M个超声频率中的每个频率与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M为正整数；形成网格矩阵；和用所述网格矩阵编码所述数据信号以形成M个超声频率中的Q个的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在所述集合的所述Q个频率中的任何一对之间的最小频率间距大于所述第一频率间隔。
【技术特征摘要】
2015.10.02 US 62/236,549;2015.10.02 US 62/236,579;1.一种编码数据信号的方法，包括：选择M个超声频率的集合，其中所述M个超声频率中的每个频率与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M为正整数；形成网格矩阵；和用所述网格矩阵编码所述数据信号以形成M个超声频率中的Q个的集合，其中Q为小于M的正整数，并且其中在所述集合的所述Q个频率中的任何一对之间的最小频率间距大于所述第一频率间隔。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述网格矩阵包括可容许码字的集合，每个码字包括所述M个超声频率中的Q个的相应集合。3.根据权利要求1的方法，包括顺序地选择Q个频率的所述集合中的每个频率以形成码字。4.根据权利要求1所述的方法，包括通过所述网格矩阵经由向前传播顺序地选择Q个频率的所述集合中的每个频率。5.根据权利要求1所述的方法，其中每个数据信号为N比特数据字，其中N为正整数，并且其中N小于的整数部分。6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述Q个频率中的任何一对之间的所述最小间距为所述M个频率的nmin。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述Q个频率中的每个频率选自所述M个频率中的L个的相应集合，其中L＝M-nmin(Q-1)。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述Q个频率中的每个频率选自所述M个频率中的L个的相应集合，其中L为正整数，并且其中所述网格包括可容许码字的第一L×Q矩阵。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述网格包括第二L×Q矩阵，所述第二L×Q矩阵中的每个元素指示以相应字母开始的若干码字。10.一种解码Q个频率的集合方法，包括：选择M个超声频率的集合，其中所述M个超声频率中的每个与邻近频率相差至少第一频率间隔，并且其中M...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·顿麦兹，A·G·达贝克，I·H·金，T·M·施密德，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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