用于數據鏈路功率降低和吞吐量提高的多調制的制作方法

相關申請的交叉引用

本申請要求2016年2月4日提交的美國臨時申請no.62/112,084的權益。

本申請涉及信令，尤其涉及一種組合了脈寬調制和相位調制的多調制數字信令方案。

背景技術：

已經開發了多種數字信令協議，以支持在諸如移動設備之類的系統中的集成電路之間的通信。這些信令協議在本文中被視為是“數字(式)”的，其中，傳送方電路將其傳送引腳驅動為高至電源電壓電平，或是將其引腳接地，以傳送一比特。此類數字信令協議的示例包括：通用i/o(gpio)和通用異步接收機發射機(uart)。例如，uart發射機在傳送引腳上驅動數字信號，在uart接收機的接收引腳上接收該數字信號。uart接收機使用過采樣時鐘對接收到的信號進行采樣，以確定接收的信號是二進制高還是二進制低。

為了降低功耗，已經利用諸如行程長度編碼(rle)等各種無損數據壓縮技術。但由于壓縮的程度取決于數據的隨機性，行程長度編碼不能保證固定和可預測的吞吐量提高。如果數據傳輸是完全隨機的，則行程長度編碼沒有提供益處。其他更復雜的方案提供了改善的吞吐量，但與數字信令不兼容。例如，正交相移鍵控(qpsk)方案的使用使常規的數字信令的吞吐量倍增，但需要使用兩個獨立的正弦副載波。相反，數字信令協議則簡單得多，因為在碼元傳輸期間，發射機僅需驅動其傳送引腳至電源電壓和/或接地。類似地，數字信令接收機僅需確定在過采樣時鐘的每次采樣時正接收電壓高信號還是電壓低信號。

因此，在本領域中需要一種具有增加的吞吐量和降低的功耗的改善型數字信令協議。

概述

為了相對于傳統數字信令技術提高吞吐量，提供一種用于傳送經相位編碼的、經脈寬調制的碼元的發射機。例如，假設各碼元具有兩個可能的脈寬。在常規的脈寬調制方案中，這兩個脈寬將表示一比特。但另外，各碼元還具有至少兩個可能的相位。在兩相位的實施例中，各脈沖被對準，使得它們的下降沿與比特周期(碼元周期)的結束對準，或使它們的上升沿與比特周期的開始對準。該兩相位對準因此表示另一比特。給定脈寬調制和相位調制這兩者的組合，所產生的碼元在本文中被標示為“多調制”碼元或字。由于增加的吞吐量和減少的功耗，多調制碼元的傳輸相比于二進制相位或脈寬調制方案是相當有利的。此外，這些優勢的獲取無需脫離傳統數字信令技術。換言之，在所產生的多調制碼元的傳輸期間，發射機僅需驅動傳送引腳至電源電壓和接地。模擬正弦曲線(諸如qpsk中)所涉及的復雜性因此可以被避免。這些優勢可以從以下詳細描述更好地領會。

附圖簡述

圖1解說了四個示例多調制兩比特碼元。

圖2解說了圖1的一些多調制碼元和相應的二進制相位調制輸入比特和脈寬調制輸入比特的集合之間的關系。

圖3a是根據本公開的一實施例的發射機的框圖。

圖3b是解說由圖3a的發射機傳送的多調制碼元的星座的概念示圖。

圖3c是根據本公開的一實施例的接收機的框圖。

圖4解說了用于解調由圖3的發射機傳送的多調制碼元的過采樣時鐘樣本。

圖5是結合圖3a的發射機和圖3c的接收機的示例系統。

圖6是根據本公開的一實施例的傳送多調制碼元的方法的流程圖。

本公開的各實施例及其優勢通過參考以下詳細描述而被最好地理解。應當領會，相同參考標記被用來標識在一個或多個附圖中所解說的相同元件。

詳細描述

提供了一種數字信令協議，其相對于在例如uart協議中使用的傳統數字信令而言，使吞吐量倍增。就此而言，uart比特通常由跨比特周期處于電源電平或接地的電壓信號來表示。就簡易性而言這是相當有利的，因為可以使用常規的反相器作為輸出驅動器。本文公開的數字信令協議保留了此簡易性，其中，被傳送的多調制碼元包括經脈寬調制以具有至少第一脈寬和第二脈寬的二進制高部分。相應的發射機將其傳送引腳斷言至電源電壓，以傳送每個多調制碼元的二進制高部分。該發射機使其傳送引腳接地，以傳送每個多調制碼元的剩余二進制低部分。為了相對于傳統數字信令技術提高吞吐量，該發射機還對于每個多調制碼元的二進制高部分在兩種邊沿對準之間進行選擇。這兩種邊沿對準是關于每個多調制碼元的周期或碼元長度來定義的。在第一邊沿對準中，二進制高部分的上升沿與碼元周期的開始對準。在第二邊沿對準中，二進制高部分的下降沿與碼元周期的結束對準。

以下示例實施例涉及僅使用兩個脈寬和兩個相位的系統，然而如本文所公開地應當領會可組合任何數目的脈寬和相位。圖1示出二進制高部分的兩個示例脈寬。在以下討論中，二進制高部分被標示為“脈沖”。第一脈沖100占碼元周期的25％，而第二脈沖105占碼元周期的75％。注意，脈沖100和105兩者的下降沿都與碼元周期的結束對準。脈沖100和105因此是如上文所討論的第二邊沿對準的示例，其中，脈沖下降沿與碼元周期的結束對準。在邏輯高系統中，脈沖100和105兩者由此起始于邏輯0(接地)并結束于邏輯高(電源電壓)。在邏輯低系統中，則指示脈沖100和105兩者起始于邏輯高值(接地)并結束于邏輯低值(電源電壓)也是等效的。不失一般性，以下討論針對一種邏輯高系統。由于脈沖100和105兩者被定相為同時結束于比特周期(碼元周期)邊界，因此脈沖100和105可被認為表示第一相位。互補的第二相位由一對脈沖110和115表示。脈沖110類似于脈沖100，其也具有等于碼元周期的25％的脈寬。但不同于脈沖100的是，脈沖110移相180度以使其與碼元周期的開始同時開始。脈沖110的上升沿因此與碼元周期的開始對準。同樣地，脈沖115相對于脈沖105移相180度，以使脈沖115的上升沿與碼元周期的開始或起始對準。與脈沖110形成對比，脈沖115具有碼元周期75％的寬度。脈沖110和115是如上文所討論的第一邊沿對準的示例，其中脈沖上升沿與碼元周期的開始對準。

因此存在相比于脈沖100和105由脈沖110和115表示的二進制相位調制。第一邊沿對準或第二邊沿對準定義該二進制相位調制。類似地，每對脈沖100/105和110/115表示二進制脈寬調制。脈沖100，105，110和115的組合因此表示二進制相位調制和二進制脈寬調制兩者，從而每個脈沖可被認為包含兩比特多調制碼元。脈沖100，105，110和115可因此也被分別標示為多調制碼元100，105，110，115。與替換性編碼技術(諸如qpsk)不同，對脈沖100，105，110和115的調制是完全二進制的：發射機僅需傳送二進制高信號達比特周期的某個歷時并且傳送二進制低信號達比特周期的剩余歷時。因每個脈沖代表一兩比特字，因此有四個可能的二進制兩比特字，它們可表示為：[00]，[01]，[10]，和[11]。將什么兩比特碼字指派給一給定脈沖可以是任意的。將有四個此類選擇——圖1表示一種選擇，其中脈沖100表示字[00]，脈沖105表示字[01]，脈沖110表示字[10]，以及脈沖115表示字[11]。將可以理解，可替換的脈寬(諸如70/30或80/20)可被用于二進制脈寬調制方案。此外，在替換實施例中，脈寬數和相位數可從僅兩個增加。

參照圖2可更好地領會到，所產生的將二進制相位調制與二進制脈寬調制組合的“多模式”調制帶來的吞吐量提高和功率降低。如圖2所示，有八個二進制比特d0到d7，它們使用脈寬調制來表示以產生常規經脈寬調制序列200。這些同樣的比特也可使用相位調制來表示以產生常規經相位調制序列205。用于相位調制的載波是方形脈沖(比特周期的50％的脈寬)，其下降沿與比特周期的結束對準以表示二進制0。此類對準將在本文中被稱為“不翻轉”，因為它對于方形脈沖表示0度相位調制。相反，其上升沿與比特周期的開始對準的方形脈沖表示二進制1的相位調制。此類調制在本文中被表示為“翻轉”，因為它表示180度相位調制。

對于常規的數字序列200和205而言，需要八個比特周期來傳送該八個比特d0到d7。相反，多調制序列210僅在四個比特周期內傳送該八個比特，其表示比單調制序列200和205大兩倍的吞吐量。為創建多調制序列210，比特d0到d7中的一半被指定為脈寬調制比特，另一半被指定為相位調制比特。例如，比特d0，d2，d4，和d6可被假定為表示相位調制比特。相反，比特d1，d3，d5，和d7可被假定為表示所述脈寬調制比特。在此示例中，二進制1由比特周期的75％的脈沖表示，而二進制0由比特周期的25％的脈沖表示。如序列200中所示，這些脈沖都具有與它們各自的比特周期的結束對準的下降沿。

每個相位調制比特d0，d2，d3，和d6對后續的脈寬調制比特(分別為，比特d1，d3，d5，和d7)進行相位調制。在此情形中，這些相位調制比特的二進制1被假定表示180度的相位逆轉，以使得脈沖調制是“翻轉”的。相反，這些相位調制比特的二進制0被假定表示沒有相位改變(“不翻轉”)。pwm比特d1是0，其在此示例中對應于25％的脈寬。由于相位調制比特d0具有二進制1值，因此pwm比特d1的脈沖翻轉，以形成相應的多調制字a(其對應于關于圖1所討論的多調制碼元110)。pwm比特d3是二進制1，其在此示例中對應于75％的脈寬。相反，相位比特d2具有二進制0值，從而來自pwm比特d3的脈沖不翻轉，以形成相應的多調制字b(其對應于圖1的多調制碼元105)。然而，相位調制比特d4具有二進制1值，從而pwm比特d5的脈沖翻轉，以形成相應的多調制字c(其對應于圖1的多調制碼元115)。最后，相位比特d6是二進制0，從而來自pwm比特d7的脈沖不翻轉，以形成相應的多調制字d(其再次對應于圖1的多調制碼元105)。可以立即看到，相比于輸入pmw和相位調制比特，所產生的多調制碼字有若干優勢。例如，如果假定多調制碼元周期在相位和pwm比特方面與比特周期相同，則其吞吐量將增加兩倍。此外，相比序列200或序列205使用八個脈沖，在序列210的多調制字中僅有四個脈沖的傳輸，因此功耗將被減半。最后，相比常規的序列200或205，由于上升沿和下降沿的數量減半，因此來自多調制字a到d的電磁干擾(emi)將減少。

現在將討論圖3a中示出的被配置用于多調制碼元的傳輸的示例發射機300。比特解復用器305接收輸入數據流，并將輸入比特流解復用為pwm輸入比特和相位輸入比特。例如，如果該輸入比特流包括16個比特(從比特d0到比特d15)，則解復用器305可解復用比特d0，d2，d4，d6，d8，d10，d12和d14，以形成相位比特。相反，比特d1，d3，d5，d7，d9，d11，d13和d15則形成pwm比特。在此實施例中，每個相位比特和相繼的pwm比特形成輸入比特對，該輸入比特對由調制器310調制為圖1的四個可能的多調制碼元100，105，110和105中的一個。例如，比特d0和d1形成一輸入比特對，比特d2和d3形成另一對，以此類推。調制器310可包括四比特查找表328，其存儲有四個可能的輸入組合[00]，[01]，[10]，[11]。當收到輸入比特對[00]時，該查找表選定多調制碼元100。類似地，當收到輸入比特對[01]時，該查找表選定多調制碼元105，以此類推。響應于根據來自過采樣時鐘源320的時鐘信號(諸如時鐘邊沿)的循環而產生的樣本，輸出驅動器325傳送由查找表328選擇的多調制碼元。輸出驅動器325可包括反相器326，該反相器326通過傳送引腳315將所得的樣本驅動輸出，以將所產生的傳送的多調制碼元提供至外部接收機(以下進一步討論)。如本文中所使用的，“引腳”是通用術語，涵蓋了集成電路用于耦合到電路板上導線或者其他物理互連(例如，封裝互連或者穿孔式通孔互連)的結構(諸如焊盤或實體引腳)。為了提供吞吐量的額外增加，輸入數據流可被無損地編碼，諸如在比特解復用前進行行程長度編碼。

圖3b解說了針對四個多調制碼元100到115的所產生相位星座。所有碼元位于x軸。由于多調制碼元100和105的后沿與比特邊界的結束對準，因此任意地它們被視為具有負相位，而多調制碼元100和105則被視為具有正相位。由于多調制碼元105和115的脈寬比多調制碼元100和110的脈寬長，因此多調制碼元105和115更遠離原點，以表示其更大的能量。

發射機300的傳送引腳315通過合適的傳輸信道(諸如印刷電路板上的引線)與圖3c所示的接收機360的接收引腳335相耦合。接收機360包括解調器345，解調器345用于解調在接收引腳335上接收到的碼元。例如，解調器345可包括輸入電路340，該輸入電路340包括反相器370，反相器370用于響應于過采樣時鐘330的時鐘信號的循環(諸如時鐘邊沿)產生接收到的碼元的樣本。接收到的碼元因此由解調器345中的一系列樣本來表示。解調器345可分析該系列中的起始樣本(或多個起始樣本)，以確定該起始樣本是否大于一閾值(例如，該閾值是發射機300所使用的電源電壓除以二)。如果該起始樣本大于閾值，則解調器345確定接收到的多調制碼元具有與碼元周期的開始的上升沿對準，并產生相應的相位調制比特(諸如相應的比特375)，該相位調制比特由比特復用器350接收。類似地，解調器345可對接收到的樣本系列中超過電壓閾值的樣本數量進行計數，以確定哪一個脈寬對應于接收到的多調制碼元。基于所確定的脈寬，解調器345產生相應的相位調制比特(諸如相應的比特375)，該相位調制比特也由比特復用器350接收。比特復用器350隨后復用所產生的比特系列，以產生接收到的數據比特流380。周期性地，發射機300可響應于其過采樣時鐘的循環而傳送樣本的訓練系列，從而接收機360可周期性地使其過采樣時鐘330與發射機300的過采樣時鐘320對準。

圖4示出了接收機360中關于過采樣時鐘信號400的樣本執行的多調制碼元100到115的解調。為保持過采樣時鐘330和320彼此同相，發射機330可周期性地傳送訓練序列，諸如具有50％占空比的脈沖系列。可隨后使用幀和報頭來傳送多調制碼元，諸如常規地在uart中所執行的。該幀和報頭的尺寸是接收機和發射機兩者已知的。因此，接收機可關于該已知結構確定幀的碼元邊界。如圖4所示，圖3中的接收機360可使用如根據每個多調制碼元100到115的過采樣時鐘信號400所采樣的初始樣本來確定其相位。如果該第一樣本是0，則接收機360知曉其將會解調多調制碼元100或105。為了區分這些多調制碼元，接收機360可通過將每個樣本與一閾值(諸如電源電壓的一半)相比較，來跨多調制碼元相比于二進制0的樣本的計數對二進制1(電源電壓)的樣本進行計數，以確定碼元的脈寬。相反，如果該初始樣本是二進制1，接收機360則必須區分多調制碼元100和115。該區分也可通過將采樣自接收到的多調制碼元的二進制1樣本的計數與來自此相同采樣的二進制0樣本的計數進行比較來執行。此類過采樣方案可被容易地擴展以解調更高階(大于二進制)的相位和脈寬調制。此外，多調制碼元也可采用多幅度，以允許更大的功耗降低和吞吐量增加。

圖5示出了示例系統500，其中片上系統(soc)505配置有發射機(諸如發射機300)(未示出)和接收機(諸如接收機360)(未示出)，以使用多調制碼元與多個外圍設備510通信。每個外圍設備510因此也包括相應的接收機和發射機。所產生的多調制碼元可通過系統總線515被傳送。系統500可包括蜂窩電話、智能電話、個人數字助理、平板計算機、膝上型計算機、數碼相機、手持式游戲設備、或其他合適設備。除了與外圍設備510通信，soc505還通過系統總線515與存儲器(諸如dram520)和顯示控制器525通信。顯示控制器525進而耦合至驅動顯示器535的視頻處理器530。

現在將關于圖6的流程圖來討論一種發射機300的示例操作方法。該方法包括接收至少一個脈寬調制比特和至少一個相位調制比特的動作600。在發射機300中比特解復用器305處接收數據比特流以及導致將相位調制比特和脈寬調制比特解復用到調制器310是動作600的示例。該方法還包括動作605，其基于至少一個脈寬調制比特，并包括在至少第一脈寬和第二脈寬之間選擇以提供所選的脈寬。類似地，該方法包括動作610，其基于至少一個相位調制比特，并包括在至少所選脈寬的上升沿與碼元周期的開始的對準和所選脈寬的下降沿與碼元周期的結束對準之間選擇，以提供所選的邊沿對準。通過查找表328進行的對合適碼元的選擇是動作605和610的示例。最后，該方法包括根據所選脈寬和所選邊沿對準在該碼元周期內傳送碼元的動作615，該碼元在所選脈寬期間等于電源電壓，并且在所選脈寬之外等于接地。輸出驅動器325進行的碼元傳送是動作615的示例。

如本領域普通技術人員至此將領會的并取決于手頭的具體應用，可以在本公開的設備的材料、裝置、配置和使用方法上做出許多修改、替換和變動而不會脫離本公開的范圍。有鑒于此，本公開的范圍不應當被限定于本文所解說和描述的特定實施例(因為其僅是作為本公開的一些示例)，而應當與所附權利要求及其功能等同方案完全相當。