使用切片和扭曲在存在噪聲的情況下接收和解碼信號(hào)的方法、器件和系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用切片和扭曲在存在噪聲的情況下接收和解碼信號(hào)的方 法、器件和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年9月20日提交的發(fā)明名稱(chēng)為"使用切片和扭曲在存在噪聲的 情況下接收和解碼信號(hào)的方法、器件和系統(tǒng)（Methods,Devices and Systems for Receiving and Decoding a Signal in the Presence of Noise Using Slices and Wa巧ing)"的第61/880,786號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 可攝入傳感器可W包括低功率通信器，低功率通信器的發(fā)送通過(guò)可W穿戴在體外 的接收器來(lái)接收?？紤]到可用功耗和存儲(chǔ)器大小，傳統(tǒng)的"身體通信系統(tǒng)"應(yīng)當(dāng)能夠在預(yù)定 量的時(shí)間內(nèi)處理高速原始數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的接收器中，進(jìn)入信號(hào)穿過(guò)包括模擬濾波器和模擬 電子放大器的"模擬前端"電路。模擬濾波器通常具有寬的帶寬，W允許檢測(cè)由發(fā)送器載波 頻率的制造容差所確定的所有可能的傳輸頻率。在模擬前端中提供的濾波是適度的，且允 許大量的噪聲與期望信號(hào)一起通過(guò)。在模擬放大和濾波之后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)對(duì)信 號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。對(duì)接收到的信號(hào)的剩余處理可W在數(shù)字硬件(諸如嵌入式微處理器、狀態(tài) 機(jī)、邏輯口陣列等）中的進(jìn)行?，F(xiàn)已數(shù)字化的信號(hào)可W穿過(guò)一個(gè)或更多個(gè)窄帶數(shù)字濾波器W 在嘗試解碼之前去除盡可能多的噪聲。
[0004] 在接收器對(duì)載波頻率的估算具有大量不確定性的情況下，需要接收器從更寬帶寬 的數(shù)字濾波器開(kāi)始，從而容許更大量的噪聲。更大量的噪聲意味著可能完全錯(cuò)過(guò)微弱的信 號(hào)。然而，為了消除大量的噪聲，接收器可W應(yīng)用具有窄帶寬的數(shù)字濾波器。但是，如果窄濾 波器W不正確的載波頻率為中屯、，則可能完全錯(cuò)過(guò)進(jìn)入信號(hào)。因此，為了對(duì)進(jìn)入信號(hào)的有效 檢測(cè)和解碼，必須在用來(lái)去除盡可能多的噪聲的窄帶寬濾波器與用來(lái)在接收器對(duì)進(jìn)入載波 頻率的了解不精確時(shí)增大捕獲信號(hào)載波頻率的可能性而具有更大帶寬的濾波器之間取得 平衡。因此，接收器可W被配置成反復(fù)地調(diào)節(jié)窄濾波器的中屯、頻率，將其移動(dòng)至新的中屯、， W及其后再次嘗試檢測(cè)。運(yùn)種用窄帶寬濾波器來(lái)捜索載波的過(guò)程耗時(shí)又耗能。重要的是，為 了在新的中屯、頻率處重新過(guò)濾，接收器必須在存儲(chǔ)器中保留原始數(shù)據(jù)記錄的拷貝，或者如 果原始數(shù)據(jù)不可得，則捕獲嶄新的數(shù)據(jù)記錄。此過(guò)程不僅需要大量的存儲(chǔ)資源(尤其是使用 高精度AD別寸），還消耗大量的設(shè)備電池壽命僅用于識(shí)別進(jìn)入信號(hào)的載波頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明在其第一方面提供一種如權(quán)利要求1至權(quán)利要求16中所說(shuō)明的方法。
[0006] 本發(fā)明在其第二方面提供一種如權(quán)利要求17至權(quán)利要求34中所說(shuō)明的信號(hào)接收 器。
[0007] 本發(fā)明在其第=方面提供一種如權(quán)利要求35至權(quán)利要求39中所說(shuō)明的方法。
[0008] 本發(fā)明在其第四方面提供一種如權(quán)利要求40至權(quán)利要求44中所說(shuō)明的接收器。
[0009] 本發(fā)明在其第五方面提供一種如權(quán)利要求45至權(quán)利要求52中所說(shuō)明的方法。
[0010] 本發(fā)明在其第六方面提供一種如權(quán)利要求53至權(quán)利要求61中所說(shuō)明的方法。
[0011] 本發(fā)明在其第屯方面提供一種如權(quán)利要求62至權(quán)利要求65中所說(shuō)明的方法。
[0012] 本發(fā)明在其第八方面提供一種如權(quán)利要求66至權(quán)利要求67中所說(shuō)明的方法。
[0013] 本發(fā)明在其第九方面提供一種如權(quán)利要求68至權(quán)利要求72中所說(shuō)明的方法。
[0014] 本發(fā)明在其第十方面提供一種如權(quán)利要求73至權(quán)利要求79中所說(shuō)明的方法。
[0015] 本發(fā)明在又一個(gè)方面提供一種程序。運(yùn)種程序可W通過(guò)自身提供，或者通過(guò)載體 媒介來(lái)承載。載體媒介可W為記錄媒介或其他儲(chǔ)存媒介。傳輸媒介可W為信號(hào)。
[0016] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種方法可W包括:對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收和采樣。信號(hào)可W對(duì)數(shù)據(jù)包 進(jìn)行編碼。對(duì)于信號(hào)的選中數(shù)量的樣本中的每個(gè)樣本，可W產(chǎn)生并儲(chǔ)存包括成對(duì)值的切片。 然后可W檢測(cè)數(shù)據(jù)包的存在，W及從儲(chǔ)存的切片來(lái)對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼。信號(hào)的樣 本可W表示信號(hào)與接收器中的參考函數(shù)的相關(guān)性。可W在對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)執(zhí)行 產(chǎn)生和儲(chǔ)存切片。當(dāng)切片被產(chǎn)生且被儲(chǔ)存時(shí)，可W舍棄信號(hào)的采樣值。可W操縱信號(hào)的切片 表示W(wǎng)產(chǎn)生具有靈活的帶寬和中屯、頻率的濾波器。
[0017] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種對(duì)到達(dá)接收器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解碼的方法可W從接收器 接收進(jìn)入信號(hào)開(kāi)始，在模擬前端可選地執(zhí)行一些模擬預(yù)處理(例如，放大和濾波），其后可W 在A(yíng)DC中對(duì)預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，然后可W使用例如相關(guān)性算法來(lái)將 采樣的原始數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的內(nèi)部參考模板進(jìn)行比較。一種示例性技術(shù)包括在一段 時(shí)間將采樣的進(jìn)入信號(hào)與預(yù)定參考模板進(jìn)行相關(guān)。
[0018] 實(shí)施例解決了在捕捉和儲(chǔ)存大量高速樣本(其耗盡計(jì)算容量和存儲(chǔ)器大?。r(shí)固 有的問(wèn)題。實(shí)施例通過(guò)捕捉"切片"來(lái)解決運(yùn)兩個(gè)問(wèn)題。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，切片數(shù)據(jù)表示包含 足夠信息，W高效且緊湊地表示進(jìn)入信號(hào)W及實(shí)施幾乎任何帶寬的濾波器。根據(jù)一個(gè)實(shí)施 例，切片可W經(jīng)歷扭曲運(yùn)算，切片集通過(guò)扭曲運(yùn)算而按照有用的方式來(lái)轉(zhuǎn)變W完成檢測(cè)過(guò) 程。實(shí)際上，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可W對(duì)切片進(jìn)行組合W創(chuàng)建可選地具有寬或窄通帶的濾波 器。根據(jù)實(shí)施例，扭曲運(yùn)算可W被配置為將捕捉的一個(gè)頻率處的切片轉(zhuǎn)變成另一個(gè)附近頻 率處的切片。運(yùn)種扭曲運(yùn)算可W通過(guò)被配置用來(lái)找到進(jìn)入載波頻率和在噪聲環(huán)境中找到數(shù) 據(jù)包的證據(jù)的算法來(lái)執(zhí)行。根據(jù)實(shí)施例，信號(hào)數(shù)據(jù)的切片表示結(jié)合扭曲函數(shù)表示利用合適 的硬件和存儲(chǔ)資源執(zhí)行復(fù)雜的檢測(cè)算法的新型且高效的方法。
[0019] 通過(guò)下面的參照附圖的對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征將變得明 思O
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的各種波形和示例性切片。圖1還示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的 包括配置的發(fā)送器和接收器的系統(tǒng)。
[0021] 圖2A圖示兩個(gè)采樣波形的相關(guān)性。
[0022] 圖2B圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算一項(xiàng)(在此情況下為正弦項(xiàng))的方式。
[0023] 圖3圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算組合切片項(xiàng)（在此情況下為余弦項(xiàng)）的方法的方 面。
[0024] 圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組合正弦切片項(xiàng)和余弦切片項(xiàng)來(lái)形成更長(zhǎng)相關(guān)性的方 法的方面。
[0025]圖5示出在極坐標(biāo)系統(tǒng)中被描述為旋轉(zhuǎn)矢量的信號(hào)的相位。
[0026 ]圖6A示出極坐標(biāo)系統(tǒng)中的參考頻率處的旋轉(zhuǎn)矢量。
[0027] 圖6B示出極坐標(biāo)系統(tǒng)中的參考頻率處的旋轉(zhuǎn)矢量和比參考頻率大的頻率處的信 號(hào)的旋轉(zhuǎn)矢量。
[0028] 圖6C示出極坐標(biāo)系統(tǒng)中的參考頻率處的旋轉(zhuǎn)矢量和比參考頻率小的頻率處的信 號(hào)的旋轉(zhuǎn)矢量。
[0029] 圖7示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的扭曲的方面。
[0030] 圖8示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的被扭曲、對(duì)齊且就緒W用于組合的切片。
[0031] 圖9示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的使用對(duì)切片的扭曲來(lái)捜索載波頻率的方法的方面。
[0032] 圖10示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的頻移鍵控(FSK)載波檢測(cè)的方面。
[0033] 圖11示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的精細(xì)調(diào)諧FSK載波檢測(cè)的方面。
[0034] 圖12是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)信號(hào)的方法的邏輯流程。
[0035] 圖13是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方法的邏輯流程。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括低功率振蕩發(fā)送器102和接收器104的系統(tǒng)。如其 中所示，振蕩發(fā)送器102可W通過(guò)通信通道103與接收器104分離。例如，振蕩發(fā)送器102可W 設(shè)置在可攝入傳感器之內(nèi)，可攝入傳感器的發(fā)送105通過(guò)包括可W穿戴在體外（諸如，在皮 膚106上）的接收器104的接收器貼片(patch)來(lái)接收。在運(yùn)種情況下，通信通道103可W包括 身體的水環(huán)境。接收器104可W包括模擬前端，接收到的信號(hào)在輸入至ADC 110之前可W在 模擬前端中被預(yù)處理，運(yùn)可W產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)樣本時(shí)間序列。該樣本可W被表示為例如大小 為從1位至24位的二進(jìn)制數(shù)字。接收器104還可W包括可W禪接至存儲(chǔ)器114的控制器112。 如下面所詳細(xì)描述的，存儲(chǔ)器114可W被配置成儲(chǔ)存切片數(shù)據(jù)(slice data)、參考模板和控 制器112所需的其他暫時(shí)值。接收器還可W包括通信接口（未示出）來(lái)使編碼在接收到的信 號(hào)中的數(shù)據(jù)包的解碼負(fù)荷被傳輸至外部世界。
[0037] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，計(jì)算機(jī)上實(shí)施的對(duì)達(dá)到接收器104的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解碼的方 法可W從接收器104接收進(jìn)入信號(hào)105開(kāi)始，在模擬前端108處進(jìn)行一些模擬預(yù)處理(例如， 放大和濾波），之后可W在A(yíng)DC 110中對(duì)被預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，然后采 樣的原始數(shù)據(jù)可W使用相關(guān)性算法而通過(guò)控制器112來(lái)與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器114中的內(nèi)部參考 模板進(jìn)行比較。一種技術(shù)包括使采樣的進(jìn)入信號(hào)與預(yù)定參考模板在一段時(shí)間上相關(guān)。
[0038] 實(shí)施例解決在捕獲和儲(chǔ)存大量高速樣本(運(yùn)對(duì)計(jì)算能力和存儲(chǔ)器大小二者都要求 過(guò)高)方面固有的問(wèn)題。實(shí)施例通過(guò)捕獲"切片"而解決運(yùn)兩個(gè)問(wèn)題。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，切片 數(shù)據(jù)表示包括用于有效地且簡(jiǎn)明地表示進(jìn)入信號(hào)W及用于實(shí)施具有幾乎任意帶寬的濾波 器的充足信息。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，切片可W進(jìn)行扭曲運(yùn)算(warping operation)，通過(guò)扭曲 運(yùn)算，切片集W有用方式轉(zhuǎn)變W完成檢測(cè)操作。實(shí)際上，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可W組合切片來(lái) 創(chuàng)建具有可選的寬或窄通帶的濾波器。根據(jù)實(shí)施例，扭曲操作可W被配置成將在一個(gè)頻率 處捕獲的切片轉(zhuǎn)變成在另一附近頻率處的切片。運(yùn)種扭曲操作可W通過(guò)被配置用來(lái)找到進(jìn) 入載波頻率W及用來(lái)在增雜環(huán)境下找到數(shù)據(jù)包的跡象的算法來(lái)進(jìn)行。根據(jù)實(shí)施例，與扭曲 函數(shù)結(jié)合的信號(hào)數(shù)據(jù)的切片表示代表一種新穎且高效的用適度的硬件和存儲(chǔ)器資源來(lái)執(zhí) 行復(fù)雜的檢測(cè)算法的方法。例如，可W使用一個(gè)或更多個(gè)微控制器、一個(gè)或更多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編 程口陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)來(lái)進(jìn)行運(yùn)里所公開(kāi)的處理。也可W使用數(shù)字信號(hào)處 理器(DSP) W達(dá)到良好的優(yōu)點(diǎn)。
[0039] 切片:根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，引入了切片概念。運(yùn)里，通過(guò)關(guān)聯(lián)進(jìn)入信號(hào)的較短部分(例 如，大約4~8個(gè)周期）而實(shí)現(xiàn)的短相關(guān)性被表示為切片。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，切片間隔可W被 定義為預(yù)定時(shí)間段。圖1示出了20000化信號(hào)的各種片段。如所示，標(biāo)記102示出運(yùn)20000化信 號(hào)的單個(gè)周期，其周期T為1/20000HZ或50iis。標(biāo)記104示出被定義為等于20000Hz信號(hào)的4個(gè) 周期的時(shí)間（或20化S)的單個(gè)切片間隔。運(yùn)里，切片間隔被任意地定義為進(jìn)入信號(hào)的4個(gè)周 期。然而，切片間隔可W包括不同的時(shí)間量或不同數(shù)量的周期。例如，切片間隔可W包括等 于8個(gè)周期的時(shí)間。下面，除非特別說(shuō)明，否則切片間隔被定義為包括進(jìn)入信號(hào)的4個(gè)周期， 理解的是，可W容易地實(shí)施其他切片間隔。例如，切片定義可W用周期來(lái)表達(dá)，但不需要為 任何信號(hào)或模板的全周期的多倍。切片可W為任意定義的時(shí)間量。在接收器中可W根據(jù)需 要來(lái)改變切片時(shí)間。例如，接收器可W實(shí)施兩種切片路徑來(lái)同時(shí)捕獲兩個(gè)切片流，例如，一 個(gè)在20kHz，而另一個(gè)在12.5kHz。運(yùn)兩種切片計(jì)算可W使用適用于每個(gè)通道的不同切片時(shí) 間。如圖1中的106處所示，4個(gè)切片間隔可W包括16個(gè)周期，W及具有SOOiiS的時(shí)段。最后，參 考頻率的64個(gè)周期可W劃分成108處所示的16個(gè)切片間隔。一個(gè)切片中包括的進(jìn)入信號(hào)的 樣本數(shù)量由對(duì)切片間隔的定義和ADC的采樣速度來(lái)控制。
[0040] 每切片的樣本=ADC采樣速度?切片間隔
[0041] ADC采樣速度可W至少與奈奎斯特(Nyquist)理論所要求的那樣頻繁，即，至少為 感興趣頻率的兩倍。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，ADC采樣速度可W被選擇為更高，諸如為進(jìn)入信號(hào)的 感興趣頻率的五倍或更多倍?？蒞利用其他采樣速度。在一個(gè)實(shí)施例中，接收器(例如，粘附 至病人的腹部）中的ADC可W被配置成每秒進(jìn)行40次或更多次采樣?？蒞根據(jù)例如一些固定 間隔來(lái)將連貫的切片的開(kāi)始時(shí)間方便地選擇為周期性的。然而，即使當(dāng)未進(jìn)行采樣而存在 簡(jiǎn)要的時(shí)間段時(shí)，也可W獲得可接受的結(jié)果。
[0042] 為了判斷進(jìn)入信號(hào)的數(shù)字化樣本與參考模板之間的相似性，可W進(jìn)行點(diǎn)積(對(duì)應(yīng) 樣本的乘積的和)或相關(guān)性運(yùn)算。圖2A示出數(shù)字化進(jìn)入信號(hào)與余弦模板之間的運(yùn)種相關(guān)性 運(yùn)算。運(yùn)里，A可W表示數(shù)字化進(jìn)入信號(hào)，而B(niǎo)可W表示第一參考函數(shù)的模板，例如，諸如參考 頻率(例如，20000化)處的余弦模板。換言之，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，余弦模板B是接收器104期望 接收到的信號(hào)的余弦分量看起來(lái)像什么的表示，相關(guān)性運(yùn)算判斷信號(hào)A與信號(hào)B之間的相似 度。如所示，信號(hào)A的樣本乘W余弦模板B的對(duì)應(yīng)樣本，W及基于樣本數(shù)量N對(duì)運(yùn)些附加項(xiàng)的 結(jié)果求和。更正式地說(shuō)，C是A與B的內(nèi)積，且可W表達(dá)成：
[0043] C=Ai X B1+A2 X B2+A3 X Bs+. . . +An X Bn
[004引類(lèi)似地，圖2B示出與正弦模板的相關(guān)性。運(yùn)里，A可W表示數(shù)字化進(jìn)入信號(hào)，而D可 W表示與第一參考函數(shù)正交的第二參考函數(shù)的模板。例如，第二參考函數(shù)的模板可W為例 如在參考頻率(例如，20000化)處的正弦模板。如所示，信號(hào)A的樣本乘W正弦模板D的對(duì)應(yīng) 樣本，W及基于樣本數(shù)量N來(lái)對(duì)運(yùn)些附加項(xiàng)的結(jié)果求和。更正式地說(shuō)，S是A與B的內(nèi)積，且可 W表達(dá)為：
[0046] S=AiXDi+A2XD2+. . .+AnXDn
[0048] 正交的余弦模板和正弦模板處于正交相位關(guān)系。運(yùn)兩個(gè)相關(guān)性結(jié)果C和S放在一起 表示切片。在復(fù)極矢量記法中，c+j ? S是具有指示進(jìn)入信號(hào)與接收器的參考模板之間的相 位的角度的矢量。在實(shí)踐中，可W將切片當(dāng)做1/(切片間隔)濾波器。
[0049] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，標(biāo)量C和S可W通過(guò)比例因子來(lái)縮放。例如，可W縮放C和S，使得 它們可W采用例如0與1之間的一系列值?？蒞提供其他的比例因子和范圍。
[0050] 如本文中所示和所討論的，參考模板是正弦模板和余弦模板。然而，可W使用其他 周期性形狀(例如，諸如銀齒信號(hào)、=角信號(hào)或正方信號(hào))作為參考模板。選擇非正弦型波形 作為參考模板可能導(dǎo)致一些信息被舍棄，但仍舊可W從