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在人体通信中以可变数据率传送和接收信号的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于在人体通信中传送和接收可变数据率的信号的方法和设备，并且更具体地，涉及用于在其传播介质是人体的通信系统中在有限频带中传送和接收可变数据率的信号的方法和设备。
该工作得到MIC/IITA的IT R&D计划的部分支持[2006-S-072-02，Controller SoC for Human body Communications]。
背景技术
人体通信是使用人体导电的事实的技术。然而，必须向人体通信装置附加特定电极。例如，当两个人握手时，一个人的人体通信装置的电极通过这两个人的手腕运动来生成电场，以向另一人传送数据。这样的电场在人体中感应微电流，由此使能通过人体的数据传送。微电流的振幅是大约1毫微安培，这小于已流经人体的电流的振幅ff。理论上，1毫微安培的电流允许每秒传送400,000比特数据。
所以，必须在人体通信系统中提供这样一种信号传送和接收方案，通过根据信道状态来改变数据率，来避免其中聚集噪声功率的频带，并实现更高处理增益。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种用于通过人体传送和接收信号的方法和设备，以使得数据率能够在采用串并转换和频率选择性扩频码的人体通信系统中改变，并使得接收方的用于信号处理的电路复杂度能够在其中人体引导的信号强度大于在人体外部辐射的信号强度的频带(而不是其中相对更多地聚集噪声功率的频带)中改变。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种用于传送信号的设备，该设备包括：报头发生器，用于生成包括数据率的报头信息；数据发生器，用于通过根据数据率将要传送的每一数据比特重复0次到几次，而生成传送数据；扩频器，用于在期望频带中使用扩频码对传送数据进行扩频；和多路复用器，用于对该报头信息和该扩频数据进行多路复用。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于传送信号的方法，该方法包括：生成包括数据率的报头信息；通过根据数据率将要传送的每一数据比特重复0次到几次，而生成传送数据；在期望频带中使用扩频码对传送数据进行扩频；和对该报头信息和该扩频数据进行多路复用。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于接收信号的设备，该设备包括：解多路复用器，用于从接收数据中分离出报头和数据；报头处理器，用于从该报头中提取包括数据率的报头信息；和解扩器，用于根据数据率对多个输入数据进行不同的扩频，使得扩频结果与接收数据相关，发现最大相关性，并将与该最大相关性对应的输入数据确定为解扩数据。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于接收信号的方法，该方法包括：从接收数据中分离出报头和数据；从该报头中提取包括数据率的报头信息；根据数据率对多个输入数据进行可变的扩频；和使得扩频结果与接收数据相关，发现最大相关性，并将与该最大相关性对应的输入数据确定为解扩数据。
有利效果
根据本发明，采用串并转换和频率选择性扩频/解扩，来以可变数据率传送数据，并使用根据数据率的数据重复特性来获得高传送增益。结果，可降低人体之间的干扰和其他电装置引起的干扰。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范实施例，本发明的以上和其他特征和优点将变得更清楚，其中：
图1图示了根据本发明实施例的用于人体通信的发射机的框图；
图2图示了根据本发明实施例的帧配置；
图3图示了根据本发明实施例的扩频码的示例；
图4图示了根据本发明实施例的频率选择性扩频器的电路图；
图5图示了根据本发明实施例的用于人体通信的接收机的框图；
图6图示了根据本发明实施例的当数据率索引为0时的图5的接收机的频率选择性解扩器的示范结构；
图7图示了根据本发明实施例的当数据率索引为1时的图5的接收机的频率选择性解扩器的示范结构；
图8图示了根据本发明实施例的当数据率索引为2时的图5的接收机的频率选择性解扩器的示范结构；和
图9图示了根据本发明实施例的当数据率索引为3时的图5的接收机的频率选择性解扩器的示范结构。
具体实施方式
现在将参考其中示出了本发明的示范实施例的附图来更全面地描述本发明。
在本发明中，采用频率选择性基带传送技术来在从5MHz到40MHz的有限频带中(排除低于5MHz和高于40MHz的频带)传送数据，与其他频带相比，人体噪声功率在该有限频带中相对更多地聚集。
频率选择性基带传送技术指示使用用于数据处理增益的扩频码之中的、具有期望频带中的最主要频率特性的扩频码，来传送数据。由此，有利的是，用于基带传送的模拟传送和接收部分简单，同时可获得期望频带和处理增益。
例如，当将64个沃尔什码用作扩频码时，从0到16MHz的频带被划分为64个子带，并且每一沃尔什码顺序对应于每一子带。因此，平均地分配最主要频率。
然后，可通过将64个沃尔什码划分为4个子组并选择与期望频带对应的子组，来执行期望频带中的频率选择性基带传送。
图1图示了根据本发明实施例的用于人体通信的发射机的框图。
用于人体通信的发射机包括作为人体通信媒体访问控制(MAC)硬件的MAC传送处理器1、人体通信物理层调制器2、和信号电极3。
人体通信物理层调制器2包括前导码发生器21、报头发生器22、数据发生器23、标题检测序列(HCS)发生器24、加扰器25、串并(P2S)转换器26、扩频器27、频率选择性扩频器28、和多路复用器29。
信号电极3与人体直接相连。
MAC传送处理器1处理要传送的数据和从上层接收的数据信息，并然后向人体通信物理层调制器2输出处理后的数据和数据信息。
前导码发生器21生成预定长度的设置为所有用户已知的初始值的前导码。
报头发生器22从MAC传送处理器1接收包括数据率索引、调制方法、用户ID和数据长度的数据信息，并生成预定义格式的报头。
图2图示了根据本发明实施例的帧配置。
参考图2，该帧包括前导码、报头、和数据部分。如上面解释的，报头包括数据率字段、调制方法字段、用户ID字段、数据长度字段和循环冗余校验(CRC)值字段。
这里，设置该数据率索引用于确定比特重复次数的可变数据传送。下面在表1中示出了数据率索引和与数据率索引对应的数据量。
[表1]

  数据率索引  数据率  数据(字节.帧)  比特重复  0  2Mbps  2000  0  1  1Mbps  1000  1  2  500Kbps  500  3  3  250Kbps  250  7
参考表1，当数据率索引为0时，最大数据率为2Mbps，每帧的数据为2000字节，并且没有比特重复地传送数据比特。当数据率索引为1时，最大数据率为1Mbps，每帧的数据为1000字节，并且具有一次比特重复地传送每一数据比特两次。当数据率索引为2时，最大数据率为0.5Mbps，每帧的数据为5000字节，并且具有3次比特重复地传送每一数据比特4次。当数据率索引为3时，最大数据率为0.25Mbps，每帧的数据为250字节，并且具有7次比特重复地传送每一数据比特8次。
可变数据率的支持是重复每一传送数据比特，而不是降低传送数据率，以便获得更高信噪比(SNR)。所以，用于更高处理增益的有效结构的频率选择性扩频器是必须的。
HCS发生器24根据从报头发生器22接收的报头格式来生成HSC。
扩频器27基于从前导码发生器21接收的前导码和从HCS发生器24接收的HCS，使用预定扩频码来扩频数据。
图3图示了根据本发明实施例的作为扩频码的64比特沃尔什码的子组。参考图3，使用64个沃尔什码作为扩频码。将这64个沃尔什码划分为四个子组，每一子组具有十六个沃尔什码：W₀到W₁₅的子组0、W₁₆到W₃₁的子组1、W₃₂到W₄₇的子组2、和W₄₈到W₆₃的子组3。将可用频带精确划分为64个子带，并将最主要频率f_d依次映射到这64个子带。
数据发生器23从MAC传送处理器1接收数据，并在期望的时间处输出该数据。当输出该数据时，数据发生器23根据可变数据率传送的数据率索引来重复每一数据比特。
加扰器25是用于数据安全的可选元件。使用传送和接收方两者已知的预定义初始值来对加扰器25进行初始化，并且加扰器25生成正交码。通过与加扰器25生成的正交码的异或(XOR)运算，来对从数据发生器23输出的数据进行加扰。对于可变数据率传送，在加扰和数据比特重复之后，根据传送数据率来降低从加扰器25输出的加扰后的代码的数据率。
S2P转换器26将加扰后的数据转换为4比特并行数据集。由于该串并转换，可将该传送频带降低到1/4。即，可在同一频带中传送更多数据，或可在同一频带中获得更大扩频码增益，由此允许高质量数据传送。
频率选择性扩频器28输出用于从S2P转换器26输出的4比特并行数据集的频率选择性扩频码。多路复用器29根据预定帧格式输出前导码、报头、和数据。将多路复用器29的输出通过信号电极3传送到人体。
频率选择性扩频器28使能期望频带中的基带传送和其输出比特为1比特的数字直接传送。所以，多路复用器29的输出可与信号电极3直接相连，而不使用例如数模转换器和中频转换器的附加模拟处理单元。
图4图示了根据本发明实施例的频率选择性扩频器28的示范电路图。
参考图4，频率选择性扩频器28包括异或运算单元281、与(AND)运算单元282、计数器283、和异或运算器284。
假设可将64个沃尔什码用作扩频码，并且从这64个沃尔什码中选择子组3的16个沃尔什码(W₄₈到W₆₃)。在该情况下，计数器283可以是6比特计数器。频率选择性扩频器28还包括用于从64个沃尔什码的子组中选择子组3的两个频率选择比特fs1和fs0、用于数据输入比特的低四比特b3、b2、b1和b0、以及1比特输出FS_DOUT。
一般来说，当将2^N个沃尔什码用作扩频码并从2^N个沃尔什码中选择2^M(M＜N)个沃尔什码时，频率选择性扩频器28使用总共N个输入比特中的最上(N-M)比特作为频率选择比特，并设置频率选择比特值以选择期望频带。
在该情况下，频率选择性扩频器28具有N比特计数器283、以及(N-M)个频率选择比特和M个输入数据比特。频率选择性扩频器28还包括(N-1)个用于灰度索引的异或运算器、用于对具有最高频率选择比特fs1的计数器283的输出和异或运算单元281的输出进行与运算的与运算单元282、和用于对与运算单元282的输出进行异或运算的异或运算器284。
如果使用图3中示出的子组3的16个沃尔什码(W₄₈到W₆₃)，则频率选择性扩频器28将两个频率选择比特fs1和fs0设置为“11”。
图5图示了根据本发明实施例的用于人体通信的接收机的框图。
参考图5，该接收机包括人体通信接口4、人体通信物理层解调器5、和作为MAC硬件的MAC接收处理器7。
人体通信接口4包括预处理器41以及时钟恢复和数据重定时单元42。
预处理器41通过信号电极3来接收信号(当信号通过人体时向该信号添加噪声)，滤出噪声，并将信号放大到期望电平。
时钟恢复和数据重定时单元42对放大的信号和接收端的时钟进行同步，并补偿频率偏移。
人体通信物理层解调器5包括帧同步器200、解多路复用器52、解扩器53、频率选择性解扩器54、并串(P2S)转换器55、HCS检查单元56、解扰器57、报头处理器58、和数据处理器59。
帧同步器200使用前导码从接收信号中获取帧同步。解多路复用器52使用帧同步从该信号中分别提取报头部分和数据部分。
解扩器53对报头部分进行解扩，而HCS检查单元56检查所解扩的报头部分的HCS，以确定是否发生了误差。如果发生了误差，则报头处理器58停止当前帧的接收处理。
否则，报头处理器58从报头部分提取报头信息，并将提取的报头信息输出到MAC接收处理器7。
频率选择性解扩器54使得该解多路复用器52所提取的数据部分和发射机的频率选择性扩频器28使用的16个扩频码相关，以便作为4比特数据输出具有最大相关性的扩频码。P2S转换器55将4比特数据转换为串行数据。
解扰器57使用从预定义初始值获得的正交码，基于报头信息中包括的数据率索引，来对从P2S转换器55输出的数据执行解扰。数据处理器59对解扰后的数据进行处理，以获取期望数据。
MAC接收处理器7组合该报头处理器58所提取的报头信息和该数据处理器59所获取的数据，以向上层输出组合结果。
图6图示了根据本发明实施例的当数据率索引为0时的频率选择性解扩器54的示范结构。频率选择性解扩器54执行与图4的频率选择性扩频器28执行的操作相反的操作。从由报头处理器58从报头所提取的报头信息中获取数据率索引。
频率选择性解扩器54包括频率选择性扩频单元540-1、异或运算单元541-1、累加单元542-1、和比较选择器543-1。
输入到频率选择性解扩器54的信号INPUT是当通过人体时被添加了噪声的16个沃尔什码W₄₈到W₆₃之一。所以，向包括16个频率选择性扩频器的频率选择性扩频单元540-1输入0000、0001、……、1111，以产生16个沃尔什码。将这16个沃尔什码和信号INPUT输入到异或运算单元541-1的16个异或运算器。在一个沃尔什码长度(64比特，即一个码元周期)期间，异或运算单元541-1的16个异或运算器的输出由累加单元542-1的16个累加器来累加。将从累加单元542-1输出的16个值输入到比较选择器543-1，并且比较选择器543-1选择与输入信号INPUT具有最大相关性的值。即，比较选择器543-1选择从累加单元542-1输出的16个值中的最小值。然后，比较选择器543-1输出4比特值，该4比特值被输入到频率选择性扩频单元540-1，并使得累加单元542-1输出最小值。
例如，当信号在发射机中通过人体时没有向信号添加噪声、并且向频率选择性扩频器28输入“0010”时，频率选择性扩频器28输出W₅₀＝(0101101001011010101001011010010110100101101001010101101001011010)。当向频率选择性解扩器54输入W₅₀时，频率选择性解扩器54的累加单元542-1输出32、32、0、32、……、32。比较选择器543-1输出导致“0”作为解扩值的“0010”。
图7图示了根据本发明实施例的当数据率索引为1时的频率选择性解扩器54的示范结构。从报头处理器58获取数据率索引1。在该情况下，每一数据比特重复一次。即，该数据被传送为两个连续比特值相同。所以，频率选择性扩频单元540-2接收4个值：0000、0011、1100和1111，并输出64比特沃尔什码。异或运算单元541-2包括四个异或运算器，并对接收的信号INPUT进行异或，并输出到频率选择性扩频单元540-2。累加单元542-2对异或运算单元541-2的输出累加64比特。比较选择器543-2比较从累加单元542-2输出的四个累加值以发现最小值，并选择与该最小值对应的输入到频率选择性扩频单元540-2的值。比较选择器543-2输出所选择的值作为解扩值。
当数据率索引为1时，频率选择性解扩器54选择0000、0011、1100和1111之一，而不是16个值之一(因为比特重复特性)。所以，与数据率索引0的情况相比，可实现更高传送增益。
图8图示了根据本发明实施例的当数据率索引为2时的频率选择性解扩器54的示范结构。当数据率索引为2时，四个连续数据比特值由于3次重复而相同。
在该情况下，将0000和1111输入到频率选择性扩频单元540-3。异或运算单元541-3包括两个异或运算器，并对接收的信号INPUT和频率选择性扩频单元540-3的输出进行异或运算。累加单元542-3对两个异或运算器的输出累加64比特。比较选择器543-3比较从累加单元542-3输出的两个累加值以发现较小值，并选择与该较小值对应的输入到频率选择性扩频单元540-3的一个值。比较选择器543-3输出所选择的值作为解扩值。当数据率索引为2时，输出4连续比特值0000和1111之一。所以，与数据率索引0或1的情况相比，可获得更高传送增益。
图9图示了根据本发明实施例的当数据率索引为3时的频率选择性解扩器54的示范结构。
当数据率索引为3时，每一数据比特重复7次。即，八个连续比特具有相同值，并且两个连续码元相同。
将比特值0000和1111输入到频率选择性扩频单元540-4。异或运算单元541-4包括两个异或运算器，并对接收的信号INPUT和频率选择性扩频单元540-4的输出进行异或运算。累加单元542-4对两个异或运算器的输出累加128比特。比较选择器543-4比较从累加单元542-4输出的两个累加值以发现较小值，并选择与该较小值对应的输入到频率选择性扩频单元540-4的一个值。比较选择器543-4输出所选择的值作为解扩值。当数据率索引为3时，两个连续码元具有相同值。所以，可通过累加两个码元的值来选择解扩值，并由此与数据率索引0、1或2的情况相比，可获得更高传送增益。
为了描述的目的而根据数据率索引单独图示了图6到9中示出的频率选择性解扩器54的示范结构。然而，频率选择性解扩器54可实际上被实现为使得其功耗和电路尺寸最小化的集成形式，而与数据率索引无关。
尽管已参考其示范实施例而具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可在这里进行形式和细节的各种改变，而不脱离以下权利要求限定的本发明的精神和范围。