UART编码的脉冲调制技术.pdf

基于UART的红外脉冲调制遥控装置的设置值被如此选择以使得其波特率保证与受控的电器的红外接收机有可靠的通信。

1.  无线通信系统，包括一种设备(20，25)，它具有以无线方式发送信号到至少一个接收机(20，25)的发射机(15，31)，该设备还包括用于对数据进行编码的UART(10，29)，和用于在载波上调制该已编码的数据和把调制的编码数据传送到发射机的调制器(15，31)，发送的波特率遵从以下条件：
1/波特率＞MIN_BUST.T1，
x/波特率＜MAX_ENV_ONTIME，
1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME
其中
MIN_BUST是接收机许可的最小突发长度；
T1是载波的频率周期；
MAX_ENV_ONTIME是接收机许可的最大包络工作时间；
MIN_ENV_OFFTIME是接收机许可的最小包络停止时间；
x是接连的高比特的最大数目，该高比特包括开始比特、如果有的话；终止比特，如果有的话；和奇偶校验比特，如果有的话。

2.  权利要求1的系统，其中该信号包括红外信号。

3.  权利要求1的系统，其中该设备包括遥控装置。

4.  权利要求3的系统，其中该设备具有检验和的功能，用于对信号中发送的每个数据消息提供检验和。

5.  权利要求1的系统，其中该设备对于发送的波特率是可编程的。

6.  权利要求1的系统，其中该设备对于发送的波特率的相应值是可编程的，这在有两个或多个接收机的情形下取决于一个相应的接收机。

7.  权利要求1的系统，其中该设备用来通过使用另一个载波发送另一个信号到另一个接收机，以及其中发送另一个信号的另一个波特率遵从以下条件：
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_BURST.T1’，
x/(另一个波特率)＜另一个MAX_ENV_ONTIME，
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_ENV_OFFTIME；
其中：
另一个MIN_BURST是另一个接收机许可的最小突发长度；
T1’是另一个载波的频率周期；
另一个MAX_ENV_ONTIME是另一个接收机许可的最大包络工作时间；
另一个MIN_ENV_OFFTIME是另一个接收机许可的最小包络停止时间；
x’是接连的高比特的最大数，该高比特包括开始比特，如果有的话；终止比特，如果有的话；和奇偶校验比特，如果有的话。

8.  一种使得能编程一个设备(20，25，602)的方法，该设备具有以无线方式发送信号到至少一个接收机(16，36；604，606)的发射机(15，31)、用于对数据进行编码的UART(10，29)、以及用于在载波上调制该已编码数据和把调制后的编码数据传送到发射机(15，31)的调制器(12，30)，该方法包括：
提供服务，以便确定遵从以下条件的发送波特率：
1/波特率＞MIN_BUST.T1，
x/波特率＜MAX_ENV_ONTIME，
1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME，
其中
MIN_BUST是接收机许可的最小突发长度；
T1是载波的频率周期；
MAX_ENV_ONTIME是接收机许可的最大包络工作时间；
MIN_ENV_OFFTIME是接收机许可的最小包络停止时间；
x是接连的高比特的最大数目，该高比特包括开始比特，如果有的话；终止比特，如果有的话；和奇偶校验比特，如果有的话。

9.  权利要求8的方法，用于编程该设备以便使用另一个载波发送另一个信号到另一个接收机，该方法包括提供服务，以便确定遵从以下条件的另一个发送波特率：
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_BURST.T1’，
x’/(另一个波特率)＜另一个MAX_ENV_ONTIME，
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_ENV_OFFTIME；
其中：
另一个MIN_BURST是另一个接收机许可的最小突发长度；
T1’是另一个载波的频率周期；
另一个MAX_ENV_ONTIME是另一个接收机许可的最大包络工作时间；
另一个MIN_ENV_OFFTIME是另一个接收机许可的最小包络停止时间；
x’是接连的高比特的最大数目，该高比特包括开始比特，如果有的话；终止比特，如果有的话；和奇偶校验比特，如果有的话。

10.  权利要求8的方法，其中服务是经由数据网(610)提供的。

UART编码的脉冲调制技术
本发明涉及一种包括用于发送红外(IR)或射频(RF)信号的发射机与用于接收该信号的接收机的无线通信系统，其中发射机和接收机两者都具有UART(通用异步接收机发射机)。发射机包括调制器，它用于调制数据以产生信号，以及接收机包括用于解调所接收的信号的解调器，和用于解译在经解调的信号中的数据的数据解译器。该系统具体地(但不排他地)涉及消费电子(CE)设备。
这样的无线通信系统是已知的。在这样的系统中，一个包括发射机的移动站(例如遥控装置)与一个包括含有接收机(例如机顶盒)的设备进行通信。在已知的系统中的数据以NRZ(非归零)格式被传送。无线RS-232数据链路可以通过把发射机和接收机直接连接到串行RS-232端口而建立。这样的系统的例子是Sejin WEB-TV系统。
所传送的数据信息通常具有NRZ信号的形式，其意思是数据流对于接连的零和一的数量没有限制。NRZ数据可被看作为是矩形脉冲序列。在已知的设备中，所有的数据是按照RS-232标准数据格式。在这个格式中，信号由8个数据比特、1个开始比特和1或2个终止比特组成。所以，每个字符总共包括10或11比特，每个比特是“零”(也称为空格)或“一”(也称为标记)。
美国专利5,557,751公开一种使用UART传输方案的系统。一个串行通信电路支持在不同的IR协议上用于红外通信的传输。该系统包括一组缓存器和串行控制电路，用于发送和接收出入于一个计算机系统的数据。控制电路包括计数器机制，用于确定在缓存器中的信息量和开始处理的时间。
在标准RS-232数据格式和用于通过无线传输信道信号调制以建立在发射机与接收机之间的直接链路的标准UART数据格式中，信号被调制(解调)以便传送所述数据。然而，当发送和接收这种调制的数据时，典型地会出现一个或多个以下的问题：对噪声和干扰的易感性；数据比特错误；由于IR接收机中的AGC(自动增益控制)调整造成的灵敏度降低；在IR发射机级中高的功耗。
本发明的目的是提供无线通信系统中改进的链路质量。
按照本发明的第一方面，以上的和其它的目的通过一种无线通信系统而得到满足，该无线通信系统包括一个具有用于以无线方式发送信号给接收机的发射机的设备。该设备还包括一个用于对数据进行编码的UART，以及一个用于在载波上对编码的数据进行脉冲调制和把调制后的编码数据传送到发射机的调制器。发送的波特率遵从以下条件：
1/波特率＞MIN_BURST.T1，
x/波特率＜MAX_ENV_ONTIME，
1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME
其中MIN_BURST是接收机许可的最小突发长度；T1是载波的频率周期；MAX_ENV_ONTIME是接收机许可的最大包络工作时间(on-time)；MIN_ENV_OFFTIME是接收机许可的最小包络停止时间(off-time)；以及x是最大的接连的高比特的数目，包括开始比特(如果有的话)；终止比特(如果有的话)；和奇偶校验比特(如果有的话)。
UART提供用于在一个已布线的双线连接上以固定的数据速率即波特率串行地发送和接收字节的装置。典型地，在UART中，每个字节用开始比特和终止比特来增强，并且也可以在发送端即一般地由发射机用奇偶校验比特来增强。在接收时，数据比特以波特率时钟被采样。开始比特、终止比特和奇偶校验比特被去除，数据字节被放置在缓存器中。调制优选地是脉冲调制，但也可以使用基于载波频率(诸如调幅或调频)的任何其它调制。
使用UART编码和解码方案的优点在于，不用复杂的软件编码和快速实时软件处理就可以得到较高的红外传输的数据速率。然而，在这个通信系统中，脉冲调制信号的突发长度可以取决于数据流的内容而变化。为了避免突发长度变化影响系统区分信号的能力以及影响在接收机处的噪声和干扰易感性，波特率设置值是按照接收机而选择的。因此，选择了一种波特率设置值的专门方案。所以，优选地，波特率和载波频率要这样来选择以使得用于单个比特的时间大于最小突发长度(MIN_BURST)乘以载波频率周期(T1)，因此优选地：
    t_bit＝1/波特率＞MIN_BURST·T1，                  (1)
另外，波特率、奇偶校验比特、开始比特和终止比特设置值应当这样选择以使得最大数目的接连的“高”比特的时间不超过最大包络工作时间。假设具有激活的高信号极性，没有奇偶校验比特、高开始比特、8个高数据比特和低终止比特，则接连的“高”比特的最大数目将是9。这给出表达式：
    x·t_bit＝x/波特率＜MAX_ENV_ONTIME，              (2)
其中x在本例中是等于9。当没有超过最大包络工作时间时，在这个波特率设置方案中对于包络工作比没有限制。波特率优选地还要这样来选择以使得用于单个比特的时间大于在两个接连的突发之间的最小分隔时间(最小包络停止时间)：
   t_bit＝1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME，                 (3)
当这些条件(1)到(3)满足时，红外脉冲调制(PM)接收机具有提高的灵敏度和增强的对周围红外干扰的抗干扰性。
在本发明的实施例中，该设备包括遥控装置，它用于例如经由红外线来遥控电器。该电器含有接收机或在功能上耦合到接收机。优选地，该设备具有“检验和”功能，用于向在该信号中发送的每个数据消息提供检验和。优选地，该设备对于发射的波特率值是可编程的。在有两个或多个接收机以便控制两个或多个电器的情形下，该设备对于发射的一个相应的波特率值进行编程，这依赖于存在多个接收机时的一个相应的接收机。
按照本发明的第二方面，提供了一种方法，该方法使一个具有用于以无线方式发送信号到至少一个接收机的发射机的设备能进行编程。该设备具有用于对数据进行编码的UART并具有用于在载波上调制已编码的数据和把调制过的编码数据传送到发射机的调制器。该方法包括提供一种服务以选择遵从以下条件的发送的波特率：
1/波特率＞MIN_BURST.T1，
x/波特率＜MAX_ENV_ONTIME，
1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME；
相关的量已在上面定义。
在一个实施例中，设备要通过使用另一个载波发送另一个信号到另外的第二接收机，该另一个载波可以(但不一定必须)与上述的载波不同。该方法包括提供该服务以选择遵从以下条件的另一个发送波特率：
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_BURST.T1’，
x’/(另一个波特率)＜另一个MAX_ENV_ONTIME，
1/(另一个波特率)＞另一个MIN_ENV_OFFTIME；
其中另一个MIN_BURST是另一个接收机许可的最小突发长度；T1’是另一个载波的频率周期；另一个MAX_ENV_ONTIME是另一个接收机许可的最大包络工作时间；另一个MIN_ENV_OFFTIME是另一个接收机许可的最小包络停止时间；以及x’是最大的接连的高比特的数目，其中包括开始比特(如果有的话)；终止比特(如果有的话)；和奇偶校验比特(如果有的话)。优选地，该服务经由数据网被提供。由于接收机的类型规定了相关参数的数值，该服务可请求用户指定那些要与含有发射机的设备合作的电器，以便能够提供用来对设备进行编程的适当的设置值。
在服务的含义方面，例如参阅以下文件：
Erik Ekkel等人在2000年3月6日提交的、题目为“Personalizing CEEquipment Configuration at Server via Web-enabled Device”(在经由网络启用的设备的服务器上的CE设备配置的个性化)的美国专利序列号No.09/519,546(代理人文档US 000014)，它被作为WO 0154406公布并在此引用以供参考。该专利文献涉及由客户藉助于授权在互联网上对应用服务器进行配置从而促进对消费电子(CE)设备进行配置。消费者通过诸如PC、机顶盒或数字蜂窝电话那样的英特网启用的装置的适当的用户接口，在特定的互动网页上输入他/她的喜爱项。应用服务器根据所输入的喜爱项生成控制数据，并把控制数据下载到CE设备本身，或下载到该英特网启用的装置。
Erik Ekkel等人在2000年9月1日提交的、题目为“STB ConnectsRemote to Web Site for Customized Code Downloads”(STB把遥控设备连接到网端以供专用代码下载)的美国专利序列号No.09/653,784(代理人文档US 000220)，作为WO 0154292公布并在此引用以供参考。该专利文献涉及把机顶盒(STB)连同可编程遥控器一起推向市场。遥控器具有专用按钮以便把STB连接到互联网的特定的服务器。消费者可以把他/她的其它的消费者设备告知服务器，该设备是他/她想要通过一个与STB一起来到的遥控器而可进行控制的。服务器把表示相关的控制代码的数据下载到STB。STB配备有用这些代码去对遥控器编程的装置。在返回时服务器得到详细的和精确的有关这个消费者设备的信息。因此可以构建可靠的客户基础使协助台操作成为流水线化。
Tom Dubil等人在2000年10月10日提交的题目为“Control Codes forProgrammable Remote Supplied in XML Format”(以XML格式提供的供可编程遥控器用的控制代码)的美国专利序列号No.09/686,572(代理人文档US 000183)，作为WO 0231978公布并在此引用以供参考。该专利文献涉及一种因特网的服务，它使得在可编程通用遥控器上使用的控制代码成为可供使用的。遥控器通过IR或RF命令控制CE设备。服务器以在接收机的机顶盒或PC或遥控器本身上可处理的XML数据的形式提供控制代码，以便正确地安装在遥控器上。
所发送的数据可以是一个包括多个字节或字符的数据流，每个字节或字符包括多个比特。数据流也可以被称为消息。
在一个实施例中，所发送的信号是红外信号，但也可以使用任何能够在客人与主人之间传输的其它类型的信号，诸如RF或超声信号。
在优选实施例中，该系统还包括例如以系统的软件形式实施的一种消息有效负荷“检验和”机制。该机制被配置成在发送端把“检验和”添加到消息上，优选地加到每个消息上，并在接收端验证该检验和，以便验证消息的完整性。
发射机因此包括“检验和”功能，用于提供发射的每个数据消息的检验和，而接收机可包括相应的“检验和”功能，用于验证从发射机接收的每个数据消息的检验和。消息有效负荷“检验和”机制验证消息的完整性，如果检验和不同于预期的检验和，则该消息被拒绝。
在本发明的一个实施例中，解调器是嵌入接收机中的。
优选地，发射机还生成一个载波频率信号，用于在调制器中对消息采样，这样，通过向采样器提供载波频率信号和编码信号，从而使编码信号被脉冲调制。
设想该系统和方法还可被使用于双向通信。为此，该设备还可包括另一个接收机、用于给信号解调的另一个解调器、和一个UART以用于对该解调的接收信号译码。含有先前提到的接收机的电器还可包括用于发送信号的另一个发射机、用于对数据编码的另一个UART、和另一个调制器以用于调制该编码数据和把该调制的编码数据传送到另一个发射机。因此系统允许双向通信。对于双向通信，双向协议可包括如上所述的用于波特率设置值的专门的方案。
这里描述的脉冲调制技术可被使用于多种无线设备，诸如用于PC、CE和STB的无线红外装置，其中包括手持PDA、遥控装置、无线输入和控制装置、无线显示设备等等。
下面参照附图作为例子更详细地说明本发明，其中：
图1显示红外脉冲调制信号，
图2显示UART编码，
图3示意地显示具有UART编码脉冲调制的通信系统，
图4显示图3的系统的脉冲调制方案，
图5显示具有UART编码脉冲调制的通信系统的例子；以及
图6是本发明中的系统的图。
在图1上，显示了红外脉冲调制信号1，而IR脉冲调制信号包络则显示在这个信号下面。脉冲调制信号由以下参数所表征：
载波频率：       1/T1             [Hz]
载波工作比：     (t1/T1)×100     [％]
突发长度：       N1               [载波周期]
包络工作时间：   t2               [秒]
包络停止时间：   t3               [秒]
包络工作比：     (t2/T2)×100     [％]
突发长度是指载波的脉冲数目。一个数字字可包含几个突发和在突发之间的间隙。两个接连的字由“暂停时间”分隔开。包络工作时间是指其中出现突发的时间段。包络停止时间是指在出现下一个突发之前不存在突发(间隙)的时间段。对于具有足够的灵敏度和增强的抗周围红外干扰性的系统，本发明使用特定的脉冲调制方案。在一方面是数据与另一方面是干扰之间的区分因素或标记是载波频率、突发长度和包络工作比。
图2显示UART编码方案。UART提供用于在已布线的双线连接上以固定的数据速率即波特率串行地发送和接收字节的装置。显示了数据流5，它包括多个字节6，以及UART编码的数据流7被显示在下面。在发送端，每个数据字节6以开始比特8，终止比特9而被增长，并且也可以配置一个奇偶校验比特。每个比特以波特率时钟的步速串行地被发送。在接收端，在开始比特8与终止比特9之间的过渡使波特率时钟同步，数据比特在接收后以波特率时钟被采样。开始比特8、终止比特9和奇偶校验比特被去除，而数据字节6则放置在缓存器中。数据字节的这种处理由嵌入的UART端口硬件执行，因而为此不需要编码/译码软件子程序。
为了提高用于红外传输的数据速率，传统的用于红外的脉冲调制方案使用固定的脉冲编码模式。与此相反，应当使用如上所述的本发明的UART编码。这是参照图3显示的。为了能够得到更高的用于传输的数据速率，每个字节在发送端(客方20)应该用UART 10来编码。编码后的数据流11然后通过由采样器12以红外PM接收机的载波频率13来采样，而已被脉冲调制的编码后的数据流14然后由发射机15通过红外线被发送。这样的采样器12可以是一种简单的布尔“与”或“或”功能，对载波频率和UART编码的数据流11进行“与”或“或”运算。在接收机端(主方21)，红外PM接收机16将用嵌入的解调器(未示出)把信号解调，然后解调的已编码的数据流17由UART 18译码成原始的数据流7。
由于UART硬件编码器/译码器和硬件采样器被使用于调制，所以不需要软件编码、调制和译码，从而不需要快速实时软件处理。
图4显示UART编码的脉冲调制方案、用于数据流7(字节)的脉冲方案、UART编码的数据流11(字节)、载波频率13、和已脉冲调制后的信号14。
当使用这个通信系统时，脉冲调制信号的突发长度会根据数据流的内容而变化。为了得到红外PM接收机的高灵敏度和抗干扰性，提供了按照公式1-3的专门的波特率设置值。
在满足上面提出条件的波特率设置值的情况下，红外PM接收机将具有高灵敏度和增强的对周围红外的抗干扰性。因此，通过使用这种脉冲调制技术，可以得到与传统的脉冲调制方案的系统相似的链路质量和工作范围。
具有UART编码脉冲调制方案的通信系统不是像典型地具有固定的脉冲模式的情形那样去检验脉冲模式，而在译码时在每个进入的比特的(理论上的)中心处对编码的UART数据流采样。
这可以消除由IR接收机的解调器造成的任何脉冲拉伸(stretching)效果。然而，这仅仅在范围是有限的和载波频率/波特率比值足够高时才是正确的。为了避免由于干扰造成的在扩展范围处的错误和从而需要对错误信号重新传输或字节编码和由此得到较低的吞吐量速率，优选地，要使用以上的波特率设置值。
为了检验消息的完整性，可以提供消息有效负荷“检验和”机制以使得把消息“检验和”添加到每个消息上。然后在接收端验证这个校验和以检查消息的完整性。不同于预期值的检验和结果将使得消息被拒绝。
图5显示遥控装置或客方25，和服务器或主方26，诸如机顶盒。遥控装置具有一个与服务器26的455kHz无线红外链路。遥控装置包括：输入按键27，用于接收来自用户的输入；显示器32，用于显示图像给用户观看；处理器28，用于处理所有的设备功能；嵌入的UART 29，用于把数据流编码；具有与门形式的采样器30，用于把UARE编码数据流33进行脉冲调制；和IR发射机31，用于通过红外线发送已脉冲调制的信号34。
除了基本设备功能以外，遥控器中的软件生成455kHz的载波35，并且把“检验和”提供给要通过红外线发送的每个消息。
服务器26包括带嵌入的解调器40的455kHz红外PM接收机36、用于处理所有的设备功能的处理器37、用于把UART编码数据流39译码的嵌入UART端口38、和与操作设备有关的几个其它IO功能和外设。服务器26中的软件还包括检验通过红外线发送的每个进入的消息的“检验和”与拒绝任何无效的消息的功能。在无效的消息的情形下，用户必须重发该消息。
这里设想的是：虽然这里描述的系统包括在遥控装置处的发射机与在服务器一侧的接收机之间的单向红外链路，但调制技术同样可应用于按照脉冲调制技术双向传输的双向红外链路。
波特率设置值取决于红外PM接收机的品牌和类型。该红外接收机是具有以下参数的455kHz红外PM接收机，Vishay TSOP700：
载波频率CARR_FREQ＝455kHz，最小突发长度MIN_BURST＝10个周期，最大包络工作时间MAX_ENV_ONTIME＝500μs，最小包络工作比MIN_ENV_DC＝25％，在两个接连的突发之间的最小包络停止时间MIN_ENV_OFFTIME＝26μs，以及载波频率工作比在MIN_CARR_DC＝
10％与MAX_CARR_DC＝50％之间。
图4所示的用于系统的设置值可以使用上述的波特率来规定，其中表达式变为：
(1’)     t_bit＝1/波特率＞MIN_BURST·T1＝10·1/(455·10³)
          t_bit＝1/波特率＞22μs波特率＜45.5.kbps
在没有奇偶校验比特一个开始比特和一个终止比特的情形下，表达式2变为：
(2’)     9·t_bit＝9/波特率＜MAX_ENV_ONTIME＝500μs
          t_bit＝1/波特率＜500μs/9＝56μs波特率＞18kbps
而且，表达式3变为：
(3’)     t_bit＝1/波特率＞MIN_ENV_OFFTIME＝26μs波特率
          ＜38.4kbps.
表达式2和3形成限制因素。所以，可以得出结论，在设置为8个数据比特、1个终止比特、和没有奇偶校验比特的情况下，波特率必须处在18与38.46kbps之间。当考虑到所有的系统公差时，诸如在红外PM接收机的输出的抖动、载波信号和波特率时钟的公差等等，优选地，要使得波特率设置值接近于最小波特率以达到最佳的链路质量。把波特率设置成接近于最大波特率将由于消息的拒收而给出较差的链路质量，因此高波特率的提升可能被抵销。因此，优选的是选择接近于最小波特率的波特率设置值。
图6显示本发明的服务方面。图6是系统600的框图，该系统包括一个设备602，它具有类似于图5的装置25的遥控装置。遥控装置602在最终用户的家庭网络环境608下对控制电器604和606是可编程的。装置602例如是具有用户接口的触摸屏的通用可编程遥控装置。装置602和电器604-606中的每个具有一个UART，可以通过使用如上讨论的脉冲调制技术来以无线方式通信。假设，用户想要使遥控装置602按照本发明进行编程以便对电器604-606进行操作。用户经由互联网610连接到服务器612。该连接被显示为从遥控装置602与互联网610的直接连接。如果装置602不是英特网启用的，则可以用诸如PC或数字电话那样的另一个设备(未示出)与服务器612连接。服务器612具有对数据库614的访问，该数据库列出可以使用如以上在背景技术中描述的UART设备以无线方式控制的电器的类型和版本，以及它们的相关的操作参数。每个电器604-606的类型和版本确定了相应的电器的无线接收机的能力。这样，如果用户向服务器612规定电器604和电器606的类型和版本(例如，品牌、功能类型、型号等等)，则服务器612查询数据库614，以找出上述多个量中一个量的适当数值：MIN_BURST；T1；MAX_ENV_ONTIME；MIN_ENV_OFFTIME；和x(接连的高比特的最大数目)。一旦找到，波特率设置值就被确定，并作为数据经由互联网转发到用户。数据或者直接下载到装置602(如果后者是网络启用的话)，或者被存储在其它设备(未示出)中供以后编程装置602使用。替换地，装置602具有一个配置模式，其中用户可以直接按电器来选择波特率设置值。在这种情形下，服务器612以用户可读的格式返还适当的数字值，使得用户自己可以设置相关的波特率为适当的数值。