專利名稱：數(shù)據(jù)通信的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彼此相對(duì)移動(dòng)的物體，例如移動(dòng)的發(fā)射機(jī)和固定接收機(jī)之間
的數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明特別但不唯一適用于在空氣中以超聲頻率(40千赫茲 (KHz)數(shù)量級(jí)的頻率)進(jìn)行的聲學(xué)數(shù)據(jù)通信。
背景技術(shù)：
WO 03/087871公開了一種基于超聲波通信的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確 定若干超聲波發(fā)射機(jī)標(biāo)簽中的每一個(gè)位于哪個(gè)房間中。各個(gè)標(biāo)簽發(fā)射特異的 標(biāo)識(shí)信號(hào)，該標(biāo)識(shí)信號(hào)由每個(gè)房間中所提供的接收機(jī)之一來拾取。
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，諸如此類的當(dāng)前超聲波定位系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)速率嚴(yán)格受限的 聲學(xué)數(shù)據(jù)鏈路。這限制了更新速率和/或可以跟蹤的物體/人的數(shù)目，并且特
別限制了對(duì)進(jìn)出房間的很多人/物體的快速移動(dòng)進(jìn)行精確跟隨的精確程度。
申請(qǐng)人所知道的聲學(xué)通信系統(tǒng)中最先進(jìn)的聲學(xué)通信系統(tǒng)是在水下聲學(xué) 中得到的系統(tǒng)。第一代數(shù)字調(diào)制解調(diào)器基于頻移鍵控(FSK),因?yàn)镕SK在 時(shí)間和信道的頻率展開上具有魯棒性。但是，F(xiàn)SK在其利用帶寬的方式上效 率低下，因此近年來，在開發(fā)以例如各種形式的相移鍵控(PSK)為基礎(chǔ)的、 通常結(jié)合自適應(yīng)均衡的更高效的相干系統(tǒng)方面，花費(fèi)了極大的精力，其中各 種形式的相移鍵控如在例如D B Kilfoyle和A. Baggeroer發(fā)表于IEEE Trans. Ocean. Eng.(電氣和電子工程師協(xié)會(huì)海洋工程電子期刊)，OE-25, 1-1111 (2000 )上的The state of the art in underwater acoustic telemetry (水下聲學(xué) 遙測(cè)的技術(shù)發(fā)展水平)中所述的。盡管如此，在實(shí)際應(yīng)用中，非相干FSK 和MFSK(多FSK)系統(tǒng)在提供可靠通信方面還是發(fā)揮了重大作用。這種系 統(tǒng)通常是非自適應(yīng)的，并設(shè)計(jì)有充足的帶寬以適應(yīng)所預(yù)期的最苛刻的環(huán)境。
這意味著，在普通的更為有利的條件下，針對(duì)帶寬和功率而言，該系統(tǒng)運(yùn)行 效率低下。這種低效率可以很明顯。導(dǎo)致這種低帶寬效率的設(shè)計(jì)約束之一是 由于多普勒效應(yīng)而存在的頻率偏移。
無論發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以朝向彼此或是遠(yuǎn)離彼此而移動(dòng)，由于各個(gè)波陣面 必定在兩者之間傳播不同的距離，因此接收機(jī)所感知的信號(hào)頻率與發(fā)射機(jī)所 發(fā)射的信號(hào)頻率不同。這既是已知的多普勒效應(yīng)。
聲音速度的相對(duì)較低值導(dǎo)致即使低速移動(dòng)也能產(chǎn)生相對(duì)較高的頻率偏
移。v的相對(duì)移動(dòng)，其中正的v表示從源向接收機(jī)的移動(dòng)，將頻率偏移到 /=/(l + Wc) (1)
其中/為初始頻率，c為聲速(例如，在空氣中大約為340米/秒(m/s), 在水中大約為1500m/s)。
作為示例，以25kHz的中心頻率運(yùn)行、并以10海里/小時(shí)的速度在AUV 上(自主式水下航行器)使用的水下聲學(xué)通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生86赫茲(Hz)或 中心頻率10%的典型相對(duì)帶寬(即2500Hz)的3.4%的多普勒頻移。以40kHz 從以6千米/小時(shí)(km/h)的速度(快速步行)移動(dòng)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)射的機(jī) 載超聲通信系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷196Hz或10%的典型相對(duì)帶寬(即4000Hz)的4.9% 的更大多普勒頻移。
多普勒頻移會(huì)基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生升頻或降頻。MFSK同時(shí)使用多個(gè)頻 率，并且可以被視為并行工作的多個(gè)FSK系統(tǒng)。這些頻率之間的唯一關(guān)系 是它們決不被允許有所重疊。在MFSK系統(tǒng)中，理論上可能并且期望如脈沖 長(zhǎng)度的倒數(shù)B二1/T一樣接近地間隔這些頻率。然而，多普勒頻移/o =/'-/可 以很容易就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)間隔，即|/ |>>5,這樣就實(shí)際上限制了寸以使用
的頻率數(shù)量，并且因此還限制了比特率。
適應(yīng)多普勒頻移的標(biāo)準(zhǔn)方式是根據(jù)最大多普勒頻移加上一特定保護(hù)帶 人來間隔頻率
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)A/與B的比率可以很大。由于變頻器具有有限的帶寬，因此A/與B的比率
很大表示可以根據(jù)該方案達(dá)到的有效數(shù)據(jù)速率存在損失。

發(fā)明內(nèi)容
目前描述的調(diào)制方案是在無線電通信中運(yùn)轉(zhuǎn)良好的自適應(yīng)方法。然而， 本發(fā)明的目的在于提供一種更適合于聲學(xué)環(huán)境的方案。
當(dāng)從本發(fā)明的第一方面考慮時(shí)，提供一種包括發(fā)射工具的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。
當(dāng)從本發(fā)明的第二方面考慮時(shí)，提供一種數(shù)據(jù)傳輸方法，該數(shù)據(jù)傳輸方
法包括將數(shù)據(jù)編碼為包括頻率對(duì)的多個(gè)信號(hào)，發(fā)射所述頻率對(duì)，接收各對(duì) 頻率，確定所述頻率的比率，以及根據(jù)所述比率來解碼數(shù)據(jù)。
本發(fā)明還擴(kuò)展到適于將按照頻率對(duì)的比率來發(fā)射數(shù)據(jù)的發(fā)射機(jī)。本發(fā)明 還擴(kuò)展到適于4企測(cè)頻率對(duì)、確定 一 對(duì)頻率之間的比率的接收機(jī)。
因此可以看出，與諸如FSK的已知數(shù)據(jù)傳輸方法相比，根據(jù)本發(fā)明， 數(shù)據(jù)比特由 一對(duì)載波信號(hào)之間的頻率比率來表示，而不是將數(shù)據(jù)編碼在載波 信號(hào)的頻率值中。
發(fā)明人所認(rèn)知的將數(shù)據(jù)編碼在兩個(gè)頻率的比率中的主要優(yōu)勢(shì)在于，在由 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)移動(dòng)所引起的多普勒頻移的影響下，該比率不 變。在下文中就這一點(diǎn)進(jìn)行解釋
如上所示，作為多普勒效應(yīng)的結(jié)果，各發(fā)射頻率,、/2會(huì)經(jīng)歷以下等式
所給出的頻移
<formula>formula see original document page 7</formula>
然而，如果根據(jù)本發(fā)明，將數(shù)據(jù)編碼在信號(hào)對(duì)的頻率比率中，而不是編
碼在所發(fā)射的信號(hào)的絕對(duì)頻率中，則所接收的信號(hào)如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
因此，原始比率在多普勒頻移的影響下得到了精確的保護(hù)。這意味著， 不需要額外的帶寬來適應(yīng)至少由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的恒定移動(dòng)速度而 導(dǎo)致的多普勒頻移，這對(duì)于對(duì)移動(dòng)具有魯棒性的通信系統(tǒng)是有利的。因此可
用帶寬可以明顯更有效地用于數(shù)據(jù)傳輸。例如，不再需要傳統(tǒng)FSK系統(tǒng)中 所需要的大保護(hù)帶。
在過度簡(jiǎn)化的實(shí)施中，可以通過僅具有兩個(gè)可能的比率值，將數(shù)據(jù)編碼 在獨(dú)立的單個(gè)比特中。這會(huì)需要很低的帶寬，因?yàn)闃?gòu)成該比率的音調(diào)可以以 非常接近的方式被隔開。然而，優(yōu)選地提供至少三個(gè)可能的比率，從而對(duì)于 給定的帶寬，可以達(dá)到提高的數(shù)據(jù)速率。在優(yōu)選實(shí)施例中，例如可用比率的 數(shù)目為2的冪，使得一次可以發(fā)射多個(gè)比特。例如，如果有64個(gè)可能的比 率值，則在每個(gè)時(shí)隙可以發(fā)射六比特的數(shù)據(jù)。由于比率值不會(huì)受到以上所闡 述的標(biāo)準(zhǔn)多普勒頻移的影響，因此在給定帶寬中可以具有相當(dāng)大數(shù)目的比率 值。優(yōu)選地，可能比率的范圍被優(yōu)選地劃分為相等的增量，各增量對(duì)應(yīng)于一 可能的數(shù)據(jù)值。
可以通過改變一個(gè)或兩個(gè)載波的絕對(duì)值，來改變用于連續(xù)時(shí)隙的比率。 雖然本發(fā)明可以應(yīng)用于使用電磁波的數(shù)據(jù)通信中，但通常，以普通地面 速度行進(jìn)的發(fā)射機(jī)所受到的多普勒頻移較小，可與1/T相比。因此，本發(fā)明 的優(yōu)選應(yīng)用在于聲波通信，最優(yōu)選的是超聲波通信。通過聲波意p木著流體介 質(zhì)中的壓縮波；并不意在得出描述波的頻率或其它參數(shù)的任何推論。通過超 聲波通信意味著高于正常聽力范圍的頻率的波。按照慣例，這被認(rèn)為意思是 高于20kHz的頻率。
根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)被編碼為兩個(gè)頻率處的一對(duì)信號(hào)之間的比率。根據(jù)某 些實(shí)施例，信號(hào)可以被同時(shí)發(fā)射。然而，兩個(gè)頻率并不一定要同時(shí)發(fā)射。例 如，在其它實(shí)施例中，兩個(gè)頻率可以相繼地發(fā)射。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)在 任何給定時(shí)間只需產(chǎn)生一個(gè)頻率時(shí)，可以采用單個(gè)振蕩器。雖然與同時(shí)傳輸 相比，這種方案因?yàn)楦鞅忍匦枰ㄙM(fèi)兩倍長(zhǎng)的時(shí)間來發(fā)射，因此不可避免地 會(huì)降低數(shù)據(jù)速率，但是仍然通過避免對(duì)大保護(hù)帶的需求而實(shí)現(xiàn)了對(duì)已知方案
的顯著改進(jìn)。
在不同時(shí)發(fā)射信號(hào)對(duì)的情況下，信號(hào)對(duì)可以被其它信號(hào)所分離，例如根 據(jù)交織方案而分離。然而，優(yōu)選相繼地即一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射信號(hào)對(duì)。在某些 優(yōu)選的此類實(shí)施例中，充分快速地相繼發(fā)射信號(hào)對(duì)使得信號(hào)對(duì)能夠像它們被 同時(shí)發(fā)射一樣被檢測(cè)到。在這些實(shí)施例中，接收機(jī)被優(yōu)選地配置為像同時(shí)檢 測(cè)到一樣地檢測(cè)這種相繼發(fā)射。例如，接收機(jī)可以在對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼時(shí)，采
用快速傅立葉變換(FFT) ， FFT幀的大小被設(shè)置為使得兩個(gè)信號(hào)落入同一 FFT幀中。在示例性實(shí)施例中，信號(hào)對(duì)中的第一個(gè)信號(hào)被發(fā)射的持續(xù)時(shí)間為 l毫秒，在小于l毫秒的間隙之后，繼之以第二個(gè)信號(hào)，第二個(gè)信號(hào)被發(fā)射 的持續(xù)時(shí)間也為1毫秒。
在某些實(shí)施例中，信號(hào)對(duì)的發(fā)射可以重復(fù)一次、兩次、三次或更多次。 這樣可以促使發(fā)射誤差的降低。
可以代替將數(shù)據(jù)編碼為僅僅兩個(gè)頻率之間的比率，而使用更多的頻率。
基頻以及多個(gè)較高和較低的頻率；數(shù)據(jù)被編碼在各頻率與基頻之間的比率 中。申請(qǐng)人已經(jīng)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，這種方案可以通過另外確定一些或所有較高 /較低的頻率之間的比率來允許對(duì)接收機(jī)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。
上述方案可能與多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)系統(tǒng)具有某些相似性，但是 關(guān)鍵性的差異在于數(shù)據(jù)被編碼在頻率的比率中，而不是頻率的絕對(duì)值中，因 此與傳統(tǒng)的MFSK理論所規(guī)定的相比，頻率可以以更接近的方式進(jìn)行間隔。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選應(yīng)用是用于將多個(gè)人或物體定位到具體房間的超聲 波系統(tǒng)。由于超聲波不能穿透墻壁，并且在門口被分散等，因此它具有將信 號(hào)有效局限于一個(gè)房間的特征，所以特別適合于這種應(yīng)用。與例如很容易淹 沒于日光的紅外線通信相比，超聲波還更加不易于受到環(huán)境干擾。
然而，還具有這樣的應(yīng)用，申請(qǐng)人設(shè)想本發(fā)明使用超聲波通信來改進(jìn)可 達(dá)到的數(shù)據(jù)速率的原理在該應(yīng)用中是有益的。第一個(gè)例子是利用諸如進(jìn)/出 AUV(自主式水下航行器)的移動(dòng)平臺(tái)來進(jìn)行的水下數(shù)據(jù)通信。雖然由于在
水中聲音的速度相對(duì)更快，使得多普勒頻移問題在水中被減弱，但是發(fā)射機(jī) 和接收機(jī)之間的相對(duì)速度趨向于更大。
另一個(gè)例子是用于遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，特別是在工業(yè)環(huán)境中。而且超聲波 具有不需要直線瞄準(zhǔn)線(這在例如紅外傳輸中是需要的)的優(yōu)勢(shì)，另一方面
不存在意外控制相鄰房間中的機(jī)器的危險(xiǎn)(在射頻通信中可能存在這種危 險(xiǎn))，而意外控制相鄰房間中的機(jī)器在涉及工業(yè)機(jī)器人的地方是個(gè)重大的冒 險(xiǎn)。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明可以達(dá)到比目前所能達(dá)到的更高的數(shù)據(jù)速率。
有益應(yīng)用的第三個(gè)例子也使用超聲波信號(hào)被局限在房間的特點(diǎn)，該例子 是在諸如無線計(jì)算機(jī)鍵盤之類的設(shè)備之間的無線通信中的應(yīng)用。這種情形 下，在有效防止竊收上非常有益。
另 一個(gè)潛在的重要應(yīng)用是在從諸如心臟監(jiān)視器之類的監(jiān)視設(shè)備到基站 的患者數(shù)據(jù)無線通信中的應(yīng)用。這在不需要患者保持在固定位置的情況下， 允許了從患者到基站的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。在以上提到的私密透視的這類應(yīng)用 中，以及超聲波在避免無線電發(fā)射機(jī)接近人體組織或諸如心房脈沖產(chǎn)生器的 設(shè)備方面被認(rèn)為具有優(yōu)勢(shì)，因此超聲波的使用是有益的。
申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，由于現(xiàn)在需要接收機(jī)針對(duì)各數(shù)據(jù)字來正確地纟全測(cè)兩 個(gè)音調(diào)，而不是一個(gè)音調(diào)，因此在給定范圍、發(fā)射功率、噪聲級(jí)等時(shí)的總計(jì) 檢測(cè)概率中存在容限的降低。換言之，對(duì)于給定的最小總計(jì)檢測(cè)概率(比方 說99%),必需提高用于各個(gè)獨(dú)立音調(diào)的檢測(cè)概率。實(shí)際上這意味著或者必 須接受略低的范圍或者使用略高的發(fā)射機(jī)功率。不過相信根據(jù)本發(fā)明的至少 某些實(shí)施例，數(shù)據(jù)速率得到非常顯著的提高，因此上述問題是相對(duì)次要的考 慮因素。


現(xiàn)在將參見對(duì)本發(fā)明的范圍沒有限制性的附圖，使用具體的例子及其實(shí) 施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明。在附圖中，
圖1是用于簡(jiǎn)化的MFSK方案的頻率-時(shí)間圖2是類似的根據(jù)本發(fā)明示例性方案的圖； 圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)方框圖；以及 圖4是體現(xiàn)本發(fā)明的定位系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出簡(jiǎn)單的多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以中頻fc
為中心的可用帶寬w。因此，可以使用的最小頻率為/_=_/;,^72,最大頻
率為./^=./:+『/2。
該帶寬被劃分為五個(gè)頻率對(duì)分別對(duì)應(yīng)于0和1的乂,。和./;,,。為了發(fā)射 如圖1所示的數(shù)字信號(hào)1001000,通過發(fā)射頻率為人,的音調(diào)來發(fā)射第一比特
i,頻率入,是這五個(gè)頻率對(duì)中最低的'r比特頻率。使用第二頻率對(duì)來發(fā)射
下一個(gè)比特'0，，這樣就是以頻率人。來發(fā)射該比特。使用第三頻率對(duì)即以 頻率人。來發(fā)射下一個(gè)'0，比特。以人,來發(fā)射第四比特'1，。使用最后一
對(duì)即人。來發(fā)射第五比特'o，。再次使用初始對(duì)即/;,。來發(fā)射第六比特，等等。
為了最大化重新使用頻率時(shí)頻率之間的時(shí)間間隔GI，從而避免由于反
射導(dǎo)致的早先信號(hào)和后期信號(hào)之間的串?dāng)_，因此采用類似于此的遍及頻率對(duì) 的循環(huán)。重新使用頻率之間的最小時(shí)間已知為保護(hù)間隔。保護(hù)間隔的需要無 疑對(duì)可以達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率給予了限制。
為了使說明清楚，描述了遍及頻率對(duì)的循環(huán)，但是MSFK方案也可以
同時(shí)發(fā)射多個(gè)音調(diào)。
可以看出在整個(gè)帶寬上頻率乂，。和乂,被隔開。需要相鄰頻率FS之間的間 隔來防止在這些頻率發(fā)生多普勒頻移時(shí)信號(hào)之間的串?dāng)_。這限制了在必須再 循環(huán)之前可以使用的頻率對(duì)的數(shù)目，并且因此還限制了最大數(shù)據(jù)速率。最小
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的編碼方案。
有三個(gè)帶寬參數(shù)起作用可用帶寬W;中心頻率X.;及用于同步多頻率
系統(tǒng)的絕對(duì)最小間隔，其為所使用的脈沖長(zhǎng)度t的倒數(shù)，5 = 1/7\在異步系 統(tǒng)中，必須使用更大的間隔作為處理幀之間的重疊量，并且脈沖長(zhǎng)度將決定
有效脈沖帶寬。例如，間隔可能會(huì)加倍，即為2B。
還有三個(gè)重要的時(shí)域參數(shù)t,脈沖長(zhǎng)度；々，反射時(shí)間或頻率可以被
重新使用之前的時(shí)間(等同于圖1的保護(hù)間隔GI);及最大預(yù)期加速度a,。 這里略述的編碼方法只應(yīng)用于將要發(fā)送短的消息(突發(fā))且兩個(gè)頻率之 間的比率中的每 一 個(gè)只使用 一 次的情況?？梢栽O(shè)計(jì)更加精細(xì)的方案來進(jìn)行持 續(xù)發(fā)射。在一給定的應(yīng)用中，處理器可以用來執(zhí)行搜索算法，以使用盡可能 少地重新使用頻率和頻率比率的準(zhǔn)則來找出將頻率隔開的最佳方式。
以下為一種針對(duì)數(shù)據(jù)突發(fā)的編碼算法的建議。重復(fù)一遍，最大可用頻率 為/則=義-《72,最小可用頻率為/_=/; +『/2。根據(jù)給出的參數(shù)，針對(duì)單個(gè) 脈沖由加速度所引起的最大頻移可以確定為
雖然不是必須的，但是在這個(gè)例子中，在設(shè)置發(fā)射頻率之間的最小間隔 時(shí)，將該針對(duì)單個(gè)脈沖由加速度所引起的最大頻移考慮在內(nèi)。在將由加速度
所引起的多普勒頻移考慮在內(nèi)的情況下，最小的頻率距離為 △/>2S + /。
如果將其與上面的等式2進(jìn)行比較，并設(shè)置/。=0,即在恒定速度之下，.
則不需要考慮多普勒頻移，因此這里可以以更接近的方式對(duì)頻率進(jìn)行間隔。 由于信息被編碼為兩個(gè)頻率之間的比率，因此上式可以轉(zhuǎn)化為 △r = A///min， Ar是兩個(gè)頻率比率之間的最小可能的差值。所需的頻率間隔 將最小比率設(shè)置為
in in — , 。 V inin
對(duì)應(yīng)的最大比率；x可以與/,循 一樣大，即使用所有的可用帶寬。
然而，這樣在放置兩個(gè)頻率./;和/2時(shí)，就沒有給出自由度。為了在,和/2的
實(shí)際值中既允許較大頻率比率又允許某些自由度，優(yōu)選地對(duì)最大比率進(jìn)行限 制。在該例子中，將最大比率限制為使用2/3的可用帶寬，但是可以使用其
它限制。
<formula>formula see original document page 13</formula>
實(shí)際的編碼是通過將比率rmin到rraax的范圍劃分為均等的線性增量，并將 數(shù)據(jù)字或符號(hào)分配給各線性增量來執(zhí)行?？捎玫姆?hào)的數(shù)目由以下等式給 出
<formula>formula see original document page 13</formula>
在圖2所示的例子中，有64個(gè)符號(hào)。
由此得出結(jié)論是，Llog^，」個(gè)比特可以被編碼在一個(gè)符號(hào)中，即在先前 的例子中有6個(gè)比特可以被編碼在一個(gè)符號(hào)中。由于符號(hào)速率為1/丁，因此 比特率可以由以下等式給出
<formula>formula see original document page 13</formula>
前述計(jì)算假設(shè)用在符號(hào)中的未使用頻率總是可用的，這對(duì)于短的消息而 言是合理的假設(shè)。對(duì)于較長(zhǎng)的發(fā)射而言，可能需要這樣的機(jī)制在反射時(shí)間 f,.過后釋放頻率用于重新使用。
以上分析的例子現(xiàn)在將用于發(fā)射機(jī)由步行的人攜帶的情況下的應(yīng)用。采 用 35kHz的中心頻率/;和W=5kHz的帶寬給出從/min = 32.5kHz到
厶収-37.5kHz的頻率范圍。假設(shè)最大多普勒頻移由快速步行的速度，即 6km/h或6/3.6=1.67m/s給出。假設(shè)a， = 0.5m/s2的最大加速度，且系統(tǒng)被設(shè) 計(jì)為在各音調(diào)上的反射可能持續(xù)高達(dá)0.2s的房間中工作。
脈沖長(zhǎng)度必須遠(yuǎn)大于最大反射時(shí)間，以便在發(fā)送下一個(gè)脈沖之前，大部 分能量已經(jīng)消逝。因此，采用T=0.05秒(sec)的脈沖長(zhǎng)度會(huì)給出B=l/T=20Hz
的脈沖帶寬。
為了比較，計(jì)算采用MFSK的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。在這種系統(tǒng) 中最大多普勒頻移可能為+/-v/c*fe =+/-(1.67/340)*35000 = +/-172Hz。將脈 沖長(zhǎng)度帶寬2SB:40Hz以及由加速度引起的頻率拖尾加到該最大多普勒頻率 上。加速度給出的頻率拖尾或頻移為
<formula>formula see original document page 14</formula>當(dāng)這些都加到 一 起時(shí)，給出的單個(gè)音調(diào)的偏差范圍為 Af = +/ - (172 + 40 +10) = + /- 222Hz 。
這暗示人們可以在可用帶寬中使用總共為5kHz/(2*222)Hz=11.3個(gè)可能 的頻率。實(shí)際上這是5個(gè)頻率對(duì)或10個(gè)不同的頻率。由于反射，人們不能 在單個(gè)頻率上發(fā)射超過每秒鐘l/0.2s=5次，因此，單個(gè)頻率對(duì)的數(shù)據(jù)速率為 5*5=25比特/秒。
現(xiàn)在返回根據(jù)本發(fā)明的示例編碼方案，兩個(gè)頻率之間的最小比率由這兩 個(gè)頻率在不至于難以區(qū)分的情況下的接近程度來確定。由于脈沖的寬度和加 速度，使得該接近程度為Af = 2*20 + 10Hz = 50Hz。這給出的最小頻率比率為
<formula>formula see original document page 14</formula>
且最大頻率比率為
<formula>formula see original document page 14</formula>這給出了每個(gè)頻率對(duì)總共^^二64-2S個(gè)可能的不同消息，或者每
個(gè)發(fā)射的頻率對(duì)有6比特消息的編碼，而不是如MFSK中的每對(duì)1比特。因 此，在該例子中達(dá)到的數(shù)據(jù)速率為150比特/秒(b/s),或者與傳統(tǒng)的方案 相比具有6倍的提高。
圖2中示出根據(jù)以上例子運(yùn)行的系統(tǒng)的頻率-時(shí)間圖。
在該方案中，由同時(shí)發(fā)射的兩個(gè)音調(diào)之間的比率來表示6比特?cái)?shù)據(jù)字， 而不是單個(gè)音調(diào)表示單個(gè)比特。考慮到圖2的圖中的第 一時(shí)隙，分別以fmin和
fmm +Af來發(fā)射兩個(gè)音調(diào)。fmin為將保護(hù)帶考慮在內(nèi)以保證帶寬不會(huì)被超過的
帶寬最小頻率。差A(yù)f表示基于脈沖長(zhǎng)度帶寬和加速度多普勒頻移的最小頻 率增量。該間隔明顯小于圖1的MFSK系統(tǒng)的頻率間隔，因?yàn)榧词褂捎谙鄬?duì) (恒定速度)移動(dòng)而引起多普勒頻移，兩個(gè)音調(diào)之間的比率也保持恒定。
在第一時(shí)隙中，發(fā)射最小音調(diào)比率r,，，因此其對(duì)應(yīng)于零數(shù)據(jù)字000000。 在第二時(shí)隙中，發(fā)射最大音調(diào)r^。較低音調(diào)是f^-(2/3)W。該比例的較高 的音調(diào)是f,^,即將保護(hù)帶考慮在內(nèi)時(shí)帶寬中的最高頻率。因此，第二時(shí)隙 發(fā)射最大數(shù)據(jù)字111111或十進(jìn)制的63。在第三時(shí)隙中，發(fā)射中間音調(diào)比率， 更切確地說是最大比率的36/64的比率。因此，該比率對(duì)應(yīng)于100100 (與圖 1的整個(gè)序列中所發(fā)射的碼相同)。
因此可以看出，對(duì)于相同的帶寬，根據(jù)本發(fā)明的該例子可以達(dá)到比使用 FSK高六倍的數(shù)據(jù)速率。
在該例子中，仍然使用保護(hù)間隔，其中在與保護(hù)間隔相等的時(shí)段內(nèi)，沒 有音調(diào)或音調(diào)比率被重新使用。對(duì)于短的消息而言，這是個(gè)很好的假設(shè)。然 而，對(duì)于較長(zhǎng)的消息而言，必需對(duì)音調(diào)或比率的重新使用進(jìn)行管理，所描述 的方案也可能是有利的。這是從rmax僅覆蓋了帶寬三分之二的事實(shí)中得出的 結(jié)論，因此可以使用在帶寬內(nèi)選擇頻率組合來達(dá)到所需的音調(diào)比率。由于對(duì) 于使用帶寬的哪個(gè)部分來說具有靈活性，特別是對(duì)于較小的比率，因此該選 擇可以由發(fā)射機(jī)以自適應(yīng)方式進(jìn)行管理，從而對(duì)重新使用進(jìn)行最小化。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的通信方案的一種可能應(yīng)用。
圖3示出體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。圖的左手側(cè)是發(fā)射機(jī)模塊 100。最左邊的塊表示待發(fā)射的原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)2。該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可能是根據(jù)具 體應(yīng)用從模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來。然后該數(shù)據(jù)被處理器4進(jìn)行處理，該處理器4 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的結(jié)構(gòu)，例如添加頭、校驗(yàn)比特等并且在需要時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)
進(jìn)行加密。然后將準(zhǔn)備好發(fā)射的數(shù)據(jù)傳遞到編碼器6。編碼器6將該數(shù)據(jù)劃 分為字，例如在先前描述的例子中是被劃分為6比特的字，然后計(jì)算各個(gè)字 的頻率比率。然后該編碼器基于例如在最后幾個(gè)時(shí)隙中使用的頻率，精確地 確定使用哪個(gè)頻率來給出計(jì)算得到的比率。然后該編碼器控制合適的信號(hào)發(fā)
生器8產(chǎn)生與所需音調(diào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)由放大器10放大并由超聲 波變頻器12發(fā)射。
在接收機(jī)模塊200處，合適的超聲波傳感器變頻器將壓力波轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)，該電信號(hào)在模塊16處被放大并被濾波，然后由解碼器18通過確定所接 收的兩個(gè)頻率之間的比率來對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼以恢復(fù)數(shù)據(jù)20。即使發(fā)射機(jī) 變頻器12和接收機(jī)變頻器14彼此相對(duì)移動(dòng)使得發(fā)射信號(hào)經(jīng)受多普勒頻移， 它們的比率也保持恒定，因此可以準(zhǔn)確地恢復(fù)數(shù)據(jù)。
查看圖4，可以看出根據(jù)本發(fā)明的定位系統(tǒng)的示意圖。在該圖的右手側(cè) 為多個(gè)房間22。各房間包含超聲波接收機(jī)模塊200。接收機(jī)模塊200均連接 到包括中央服務(wù)器36和一個(gè)以上客戶端38的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
在該系統(tǒng)中，有大量超聲發(fā)射機(jī)標(biāo)簽100。在標(biāo)簽僅用來將人或裝置定 位到房間22之一的最簡(jiǎn)單實(shí)施例中，各發(fā)射機(jī)100可以被預(yù)編程為發(fā)射特 異的識(shí)別碼。在更復(fù)雜的實(shí)施例中，發(fā)射機(jī)可以發(fā)射額外的信息。這些發(fā)射 機(jī)可以被設(shè)置為以固定的間隔或響應(yīng)于有事件發(fā)生而進(jìn)行發(fā)射，例如基于檢 測(cè)到標(biāo)簽在移動(dòng)或基于接收到輪詢信號(hào)。
當(dāng)標(biāo)簽100發(fā)射其數(shù)據(jù)時(shí)，超聲信號(hào)被限制在它所處的房間22中。該 信號(hào)將由該房間中的接收機(jī)20(H企測(cè)并進(jìn)行解碼。通過將發(fā)射機(jī)100和接收 機(jī)200兩者的標(biāo)識(shí)信息均傳遞到網(wǎng)絡(luò)34,中央服務(wù)器36可以確定各發(fā)射機(jī) 位于哪個(gè)房間中。根據(jù)本發(fā)明可達(dá)到的改進(jìn)的數(shù)據(jù)速率意味著該系統(tǒng)可以包 括大量發(fā)射機(jī)標(biāo)簽IOO,這些發(fā)射機(jī)標(biāo)簽100可以到處移動(dòng)，但是仍然能夠 將它們都準(zhǔn)確地定位到相應(yīng)的房間22。當(dāng)然，定位信息可以被任意客戶終 端39看到并進(jìn)行處理。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)知到，以上所陳述的例子和應(yīng)用決不可能是窮盡的，而是可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出多種變動(dòng)和修改。例如，并不一定同時(shí) 發(fā)射兩個(gè)音調(diào)；兩個(gè)音調(diào)可以被順序發(fā)射，或甚至是以相互延遲來發(fā)射，雖 然通常期望最小化該延遲以降低發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)速度在音調(diào)之間略 有改變的風(fēng)險(xiǎn)。
也不必僅在兩個(gè)音調(diào)之間計(jì)算比率，而是可以使用三個(gè)以上音調(diào)來計(jì)算比率。
示出的實(shí)施例采用單向通信，但是，當(dāng)然該原理可以等同地使用在使用 雙向通信的情況下。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)據(jù)通信裝置，包括發(fā)射工具，該發(fā)射工具適于按照頻率對(duì)的比率來發(fā)射數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述比率具有至少三個(gè)可能值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述比率的可能值的數(shù)目為2的整數(shù)次冪。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，包括用于對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的編碼工 具，所述編碼工具被布置為將待發(fā)射的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述可能值之一 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的裝置，其中所述可能值表示最小比率與 最大比率之間的等分。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，該裝置被布置為發(fā)射聲波信號(hào)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述信號(hào)具有大于20千赫茲的頻率。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，該裝置被布置為同時(shí)發(fā)射該頻 率對(duì)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置，該裝置被布置為相繼地發(fā)射該頻率對(duì)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括接收工具，且 其中所述發(fā)射工具被布置為相繼地發(fā)射該頻率對(duì)，該相繼發(fā)射快至使得該接收 工具同時(shí)4全測(cè)到該頻率對(duì)的兩個(gè)頻率。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的裝置，其中所述接收工具被布置為執(zhí)行快速傅 立葉變換，所述發(fā)射工具被布置為在該接收機(jī)的單個(gè)快速傅立葉變換幀期間發(fā) 射該頻率對(duì)。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括多個(gè)發(fā)射工具，該多個(gè) 發(fā)射工具各自被布置為發(fā)射特異的識(shí)別碼。
13、 一種數(shù)據(jù)傳輸方法，包括將數(shù)據(jù)編碼為包括頻率對(duì)的多個(gè)信號(hào)，發(fā)射 所述頻率對(duì)，接收各對(duì)頻率，確定所述頻率的比率，以及根據(jù)所述比率來解碼數(shù)據(jù)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述比率具有至少三個(gè)可能值。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述比率的可能值的數(shù)目為2的整數(shù)次冪。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，包括將待發(fā)射的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述 可能值之一。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14、 15或16所述的方法，包括將所述可能值定義為最 小比率與最大比率之間的多個(gè)等分。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項(xiàng)所述的方法，包括發(fā)射聲波信號(hào)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，包括以大于20千赫茲的頻率發(fā)射信號(hào)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)所述的方法，包括同時(shí)發(fā)射該頻率對(duì)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)所述的方法，包括相繼地發(fā)射該頻率對(duì)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)所述的方法，包括相繼發(fā)射該頻率對(duì)， 該相繼發(fā)射快至使得該頻率對(duì)的兩個(gè)頻率同時(shí)被接收。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，包括對(duì)所接收的信號(hào)執(zhí)行快速傅立葉變 換，該頻率對(duì)在單個(gè)快速傅立葉變換幀中被發(fā)射。
24、 根據(jù)權(quán)利要求13至23中任一項(xiàng)所述的方法，包括多個(gè)發(fā)射工具各自發(fā)射特異的識(shí)別碼。
25、 一種發(fā)射機(jī)，適于按照頻率對(duì)的比率來發(fā)射數(shù)據(jù)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)射機(jī)，其中所述比率具有至少三個(gè)可能值。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的發(fā)射機(jī)，其中所述比率的可能值的數(shù)目為2的整數(shù)次冪。
28、 根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的發(fā)射機(jī)，包括用于對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的 編碼工具，所述編碼工具被布置為將待發(fā)射的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述可能值之一。
29、 根據(jù)權(quán)利要求26、 27或28所述的發(fā)射機(jī)，其中所述可能值表示最小 比率與最大比率之間的等分。
30、 根據(jù)權(quán)利要求25至29中任一項(xiàng)所述的發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)被布置為發(fā) 射聲波信號(hào)。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)射機(jī)，其中所述信號(hào)具有大于20千赫茲的頻率。
32、 根據(jù)權(quán)利要求25至31中任一項(xiàng)所述的裝置，被布置為同時(shí)發(fā)射該頻率對(duì)。
33、 根據(jù)權(quán)利要求25至31所述的裝置，被布置為相繼地發(fā)射該頻率對(duì)。
34、 一種接收機(jī)，適于檢測(cè)頻率對(duì)、確定一對(duì)頻率之間的比率、并#^居所 述比率來解碼數(shù)據(jù)。
35、 根據(jù)權(quán)利要求34所述的接收機(jī)，該接收機(jī)適于對(duì)所接收的信號(hào)執(zhí)行快 速j專立葉變換。
全文摘要
一種數(shù)據(jù)通信裝置，包括發(fā)射工具，該發(fā)射工具適于在彼此相對(duì)移動(dòng)的物體之間按照頻率對(duì)的比率來發(fā)射數(shù)據(jù)。該裝置特別適用于在空氣中以超聲頻率進(jìn)行的聲學(xué)數(shù)據(jù)通信。
文檔編號(hào)H04B13/00GK101356751SQ200680046428
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者斯韋勒·霍爾姆, 魯內(nèi)·霍爾姆 申請(qǐng)人:索尼特技術(shù)公司