脉冲幅度调制收发器、现场设备和用于操作脉冲幅度调制收发器的方法

专利名称：脉冲幅度调制收发器、现场设备和用于操作脉冲幅度调制收发器的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202080079374.0

专利申请（专利权）人：恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司
权利人地址：瑞士,赖纳赫

专利发明（设计）人：扬尼斯·卡珀兹,亚历山大·施图茨,马库斯·武赫

专利摘要：本发明涉及一种PAM收发器(10)，其被配置为处理具有至少两种状态，特别是至少三种状态的电数据信号，PAM收发器(10)具有电子电路(11)，电子电路(11)包括：数据接口(12)，被配置为连接到通信信道(20)，特别是双工通信信道；被连接到数据接口的第一电路部分(11.1)，包括：‑用于补偿数据信号中的失真的均衡器(13)；‑解释器(14)，被布置在均衡器下游，用于识别符号；被连接到数据接口的第二电路部分(11.2)，包括：‑延迟单元(15)，用于对数据信号进行时移；用于识别数据信号的信号相位的MMA处理器(16)，具有第一输入(16.1)和第二输入(16.2)，其中，第一电路部分被路由到第一输入，并且其中，第二电路部分被路由到第二输入，其特征在于，第二电路部分具有有限脉冲响应滤波器(17)，其中，该滤波器被配置为使通信信道的脉冲响应单调化。

主权利要求：
1.一种具有电子电路(11)的PAM收发器(10)，所述PAM收发器(10)被配置为处理接收到的具有至少两种状态的电数据信号(D)，其中，所述数据信号包括状态序列，所述状态在每种情况下代表信息符号，其中，所述数据信号的脉冲(T)被分配给每个符号，所述电子电路(11)包括：数据接口(12)，所述数据接口被配置为连接到通信信道(30)，并且被配置为将所述数据信号数字化，其中，所述数据接口包括模拟/数字转换器(12.1)，所述模拟/数字转换器(12.1)被配置为将从所述数据接口接收的数据信号数字化并将其提供给第一电路部分(11.1)以及第二电路部分(11.2)，所述第一电路部分(11.1)，被连接到所述数据接口，包括：‑均衡器(13)，所述均衡器用于补偿由所述通信信道引起的数据信号中的失真；
‑解释器(14)，所述解释器被布置在所述均衡器的下游，用于识别由所述数据信号传输的符号(S)；
所述第二电路部分(11.2)，被连接到所述数据接口，包括：‑延迟单元(15)，所述延迟单元用于对所述数据信号进行时移；
MMA处理器(16)，所述MMA处理器用于识别所述数据信号的信号相位，具有第一输入(16.1)和第二输入(16.2)，其中，所述第一电路部分被连接到所述第一输入，并且其中，所述第二电路部分被连接到所述第二输入，其特征在于
所述第二电路部分具有能够调整的有限脉冲响应滤波器(17)，所述能够调整的有限脉冲响应滤波器(17)连接到所述延迟单元(15)的输出，其中，所述滤波器具有使所述通信信道的脉冲响应对称的特性。
2.根据权利要求1所述的PAM收发器，
其中，接收到的所述电数据信号(D)具有至少三种状态。
3.根据权利要求1所述的PAM收发器，
其中，所述通信信道(30)是双工通信信道。
4.根据权利要求1所述的PAM收发器，
其中，所述滤波器(17)能够通过三个系数进行调整，其中，所述系数能够调整。
5.根据权利要求4所述的PAM收发器，
其中，所述系数能够基于与脉冲相关联的符号、与紧接在前的脉冲相关联的先前状态(Z)和与紧随其后的脉冲相关联的后一状态(Z)调整。
6.根据权利要求4所述的PAM收发器，
其中，所述滤波器具有在匹配或理想相位的状态下关于脉冲响应使“早期状态‑符号‑后期状态”序列对称的特性。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的PAM收发器，其中，所述均衡器(13)被配置为将由所述解释器(14)解释并与相应脉冲相关联的状态同与对应脉冲相关联的未解释状态进行比较，并且在没有匹配的情况下，自适应地改变均衡参数，并且从而创建匹配。
8.根据权利要求7所述的PAM收发器，
其中，所述第一电路部分(11.1)包括从所述解释器的输出到所述均衡器的第一反馈回路(18.1)。
9.根据权利要求4所述的PAM收发器，
其中，能够通过测量或知道所述通信信道的脉冲响应来确定所述滤波器(17)的三个系数，或者
其中，能够通过所述均衡器的调整的均衡参数来确定所述滤波器(17)的三个系数。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的PAM收发器，其中，所述PAM收发器被配置为通过所述MMA处理器(16)确定所述数据信号(D)的时钟频率，并同步经由所述通信信道的通信。
11.根据权利要求10所述的PAM收发器，其中，所述MMA处理器(16)被配置为向所述数据接口(12)提供关于所述MMA处理器的采样点和所述数据信号之间的相位的信息，其中，第二反馈回路(18.2)被配置为将所述信息传输到所述数据接口或所述模拟/数字转换器。
12.根据权利要求11所述的PAM收发器，其中，所述MMA处理器(16)被配置为向所述模拟/数字转换器(12.1)提供关于所述MMA处理器的采样点和所述数据信号之间的相位的信息。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的PAM收发器，其中，所述PAM收发器被配置为处理编码数据信号并且具有信号编码器(20)以及信号解码器(21)。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的PAM收发器，其中，所述PAM收发器包括回波抑制器(19)，用于抑制所述数据信号中的信号回波，所述信号回波是由所述PAM收发器引起的。
15.一种测量/自动化技术的现场设备(1)，包括：换能器(2)，所述换能器用于捕获被测变量并输出与所述被测变量对应的测量信号；
电子测量/操作电路(3)，所述电子测量/操作电路用于操作所述换能器，评估所述测量信号，并输出所述被测变量的测量值；
壳体(4)，所述壳体用于容纳所述电子测量/操作电路，其特征在于
所述电子测量/操作电路(3)包括根据权利要求1至14中任一项所述的PAM收发器，所述现场设备被配置为借助于所述PAM收发器发送和/或接收数据信号。
16.一种用于使根据权利要求1至14中任一项所述的PAM收发器与传入数据信号同步的方法(100)，在第一方法步骤(101)中，将由所述解释器解释并与相应脉冲相关联的状态同与对应脉冲相关联的未解释状态进行比较，并且在没有匹配的情况下，自适应地改变均衡参数，从而创建匹配，在第二方法步骤(102)中，通过所述均衡器的调整的均衡参数来确定所述滤波器的三个系数，在第三方法步骤(103)中，通过所述MMA处理器将所述PAM收发器与所述传入数据信号同步。
17.根据权利要求16所述的方法，
其中，所述同步包括确定所述数据信号的相位。 说明书 : 脉冲幅度调制收发器、现场设备和用于操作脉冲幅度调制收
发器的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种脉冲幅度调制收发器、一种具有这种脉冲幅度调制收发器的现场设备以及一种用于操作这种脉冲幅度调制收发器的方法。背景技术[0002] 脉冲幅度调制，或简称为PAM，是一种用于传输信息的已知方法，其中，发射器通过PAM对例如电信号上的信息进行编码，所述信号由接收器接收和解码。[0003] PAM信号有不同信号电平形式的若干状态，也可以超过两种的状态。例如，在D.Walter和Y.Chen的、“MacmillanTechnicalPublishing(麦克米伦技术出版)”于1998年出版的“DSLSimulationTechniquesandStandardDevelopmentforDigitalSubscriberLine(DSL模拟技术和数字用户线路的标准开发)”中，描述了用于生成和处理PAM信号的PAM收发器。这种PAM方法提供了更高信息密度的优势以及建立具有正电压和负电压的状态的可能性，从而可以最小化不同PAM收发器之间的能量传输。然而，以两个相邻状态之间较小的电压差为代价确保更高的信息密度。[0004] 因此，PAM信号容易受到通信信道引起的信号失真的影响。如果已知通信信道的脉冲响应，则可以对此进行补偿，但是该脉冲响应不是恒定的并且取决于例如环境温度和通信信道的设计方式。特别是当改变通信信道时，必须预期新通信信道的不同脉冲响应。发明内容[0005] 因此，本发明的目的是提出一种PAM收发器、具有PAM收发器的现场设备以及用于操作PAM收发器的方法，它们关于通信信道的可变脉冲响应或关于通信信道的改变不敏感和强壮。[0006] 通过根据本发明的PAM收发器、根据本发明的现场设备和根据本发明的方法来实现该目的。[0007] 根据本发明的PAM收发器被配置为利用电子电路处理具有至少两种状态，特别是至少三种状态的电数据信号，电子电路包括：[0008] 数据接口，被配置为连接到通信信道，特别是双工通信信道，并且被配置为将接收到的数据信号数字化；[0009] 被连接到数据接口的第一电路部分，包括：[0010] ‑用于补偿由通信信道引起的数据信号中的失真的均衡器；[0011] ‑解释器，设置在均衡器的下游，用于识别数据信号传输的符号；[0012] 被连接到数据接口的第二电路部分，包括：[0013] ‑用于时移数据信号的延迟单元；[0014] 用于识别数据信号的信号相位的MMA处理器，具有第一输入和第二输入，其中，第一电路部分被路由到第一输入，并且其中，第二电路部分被路由到第二输入，[0015] 其中，数据信号包括状态序列，这些状态在每种情况下代表信息符号，其中，数据信号的脉冲被分配给每个符号，[0016] 其中，[0017] 第二电路部分有可调的有限脉冲响应滤波器，[0018] 其中，可调滤波器具有使通信信道的脉冲响应对称的特性。[0019] MMA处理器被配置为执行根据IEEETransactionsonCommunications,vol.COM‑24,no.5,1976年5月的Mueller‑Müller算法。[0020] 这里，解释器识别的符号S和与数据信号相关的状态Z被提供给MMA处理器，其中，MMA处理器根据以下计算规则输出值：[0021] MM＝(Zn‑Sn‑1)‑(Sn‑Zn‑1)，其中，n或n‑1表示数据信号的第n或n‑1个脉冲。使用经过良好调整的PAM收发器，MM等于0；可使用不等于0的值调整PAM收发器的信号相位和/或时钟。然而，MMA处理器依赖于被传输到MMA处理器的状态输入的状态，该状态可由MMA处理器处理，这由根据本发明的滤波器来保证。[0022] MM值指示MMA处理器的采样点与数据信号之间的相位。[0023] 根据本发明，有限脉冲响应滤波器因此连接在第二电路部分的上游，且具有使通信信道的脉冲响应对称的特性，从而MMA处理器能够正确地工作。[0024] 通信信道的对称脉冲响应是MMA处理器能够正确执行Mueller‑Müller算法的先决条件。[0025] 另一个要求是脉冲响应在最大值附近的时间范围内单调运行，其中，脉冲响应在对应于最大值之前的两个脉冲(T)的时间范围内单调上升，其中，脉冲响应在对应于最大值后的两个脉冲(T)的时间范围内单调下降。但是，在大多数情况下，这已经是这种情况，或者可以通过设置低通滤波器来实现。本领域技术人员可以检查单调性，且如果适用，可以在其技术专长范围内设置低通滤波器。[0026] 在一个实施例中，可通过三个系数调整滤波器，[0027] 其中，该系数是能够基于例如与脉冲相关联的符号、与直接在前的脉冲相关联的先前状态以及与随后的脉冲相关联的后一状态调整，[0028] 其中，滤波器尤其具有在匹配或理想相位状态下使“早期状态‑符号‑后期状态”序列对称的特性。[0029] 当MMA处理器的输出为0或对应于相位角的值小于5度，特别是小于2度，优选小于1度时，存在匹配或理想相位。[0030] 例如，滤波器可以是有限脉冲响应滤波器，其中，提供给MMA处理器的数据信号与其自身混合。这三个滤波器系数涉及例如混合的数量、混合强度和混合的时移。[0031] 例如，这些系数可以在开启PAM收发器时由均衡器确定，并且可以被发送到滤波器。[0032] 在一个实施例中，均衡器被配置为将由解释器解释并与相应脉冲相关联的状态同与对应脉冲相关联的未解释状态进行比较，并且在没有匹配的情况下，自适应地改变均衡参数，且从而创建匹配。[0033] 通过这种方式，PAM收发器可以响应于通信信道的变化的脉冲响应并相应地调整其自身。[0034] 在一个实施例中，第一电路部分具有从解释器的输出到均衡器的反馈回路。[0035] 如果必须遵守IEEE802.3‑2018标准，则需要“状态‑符号”分配，这在少于10^‑9的情况下是不正确的。在滤波器系数被适配或调整之前通常不是这种情况，因为通信信道的脉冲响应是未知的。然而，如果所有接收状态的明显多于一半被正确转换为符号，则对应于各个符号的预期电压与实际施加的电压之间的差异可用于调整滤波器系数以便最小化差异，且从而改进“状态‑符号”分配。这也被称为技术术语“盲人训练”。[0036] 在一个实施例中，可以通过测量或知道通信信道的脉冲响应来确定滤波器的三个系数，[0037] 或者[0038] 其中，可以通过均衡器的自适应均衡参数来确定滤波器的三个系数。[0039] 在一个实施例中，PAM收发器被配置为通过MMA处理器确定数据信号的时钟频率或相位，并同步经由通信信道的通信。[0040] 在一个实施例中，数据接口具有模拟/数字转换器，其被配置为将从数据接口接收的数据信号数字化并将其提供给第一电路部分并且还提供给第二电路部分，[0041] 其中，MMA处理器被配置为向数据接口，特别是模拟/数字转换器提供关于MMA处理器的采样点和数据信号之间的相位的信息，[0042] 其中，第二反馈回路被配置为将信息传输到数据接口或模拟/数字转换器。[0043] 然后可以使用关于相位的信息来关于采样点对数据信号进行时移并最小化相位误差。[0044] 在一个实施例中，PAM收发器具有回波抑制器，用于抑制由PAM收发器引起的数据信号中的信号回波，其中，回波抑制器具有两个输入和一个输出，其中，输出被连接到第一电路部分和被连接到第二电路部分。因此，一个输入被连接到数据接口的输出侧，一个输入被连接到数据接口的输入侧，从而可以减少任何出现的回波。[0045] 在一个实施例中，PAM收发器被配置为处理编码的数据信号并且具有信号编码器以及信号解码器。[0046] 数据信号的编码优选地具有其相关的电压信号围绕零电压均匀分布的状态。伪随机性通过信号编码器被印在数据信号上，这导致状态的基本相等分布。接收PAM收发器通过解码器对这种伪随机性进行解码，并将数据信号转换为机器可读的二进制代码。伪随机性确保PAM收发器之间的能量传输为低，在双工传输的情况下发射信号和接收信号不相互关联，并且自适应滤波器不受信号规律性干扰。[0047] 根据本发明的测量/自动化技术现场设备包括：[0048] 测量换能器，用于捕获被测变量并输出对应于被测变量的测量信号；[0049] 电子测量/操作电路，用于操作测量换能器，评估测量信号，并输出被测变量的测量值；[0050] 用于容纳电子测量/操作电路的壳体，[0051] 其中，电子测量/操作电路包括根据本发明的PAM收发器，[0052] 借助其，现场设备被配置为发送和/或接收数据信号。[0053] PAM收发器例如可以作为模块附接到电子测量/操作电路的其余部分，或者例如也可以作为电子部件被布置在电子测量/操作电路的电路板上。[0054] 根据本发明的用于使根据本发明的PAM收发器与传入数据信号同步的方法包括以下方法步骤：[0055] 在第一方法步骤中，将由解释器解释并与相应脉冲相关联的状态同与对应脉冲相关联的未解释状态进行比较，并且在没有匹配的情况下，自适应地改变均衡参数，且从而创建匹配，[0056] 在第二方法步骤中，通过均衡器的调整的均衡参数来确定滤波器的三个系数，[0057] 在第三方法步骤中，通过MMA处理器将PAM收发器与传入数据信号同步。[0058] 在一个实施例中，同步包括确定数据信号的相位或时钟频率。附图说明[0059] 现在参考示例性实施例描述本发明。[0060] 图1图示了根据本发明的PAM收发器的示例性实施例。[0061] 图2图示了示例性PAM‑5信号。[0062] 图3图示了根据本发明的方法的示例性实施例。[0063] 图4图示了根据本发明的两个示例性现场设备，它们通过通信信道被连接。具体实施方式[0064] 图1示出了根据本发明的示例性PAM收发器10(PAM＝脉冲幅度调制)的电路11的示意性电路图，其被配置为能够通过通信信道30进行通信。通过通信信道传输的数据信号具有脉冲幅度调制，其中，在电压零点周围分布至少两种状态，特别是至少三种状态；参见图2。在每种情况下，状态均由电压电平给出。数据信号优选地具有伪随机编码，使得经由通信信道传输的功率被限制在没有问题的极限值。电路11具有到通信信道30的数据接口12，其中，模拟/数字转换器12.1将接收到的模拟数据信号数字化。数字/模拟转换器12.2将要发送的数字信息转换成模拟PAM信号。电路11具有信号接收部分，并且在双工通信版本的情况下，如这里所示，可以具有信号发送部分。所提及的部分通过方向箭头指示。信号接收部分具有第一电路部分11.1、第二电路部分11.2和MMA处理器16(Mueller‑Müller算法的简称)，其中，第一电路部分被连接到MMA处理器的第一输入16.1，其中，第二电路部分被连接到MMA处理器的第二输入16.2。[0065] 在由第一电路部分中的模拟/数字转换器12.1进行数字化之后，通过数据接口获取的数据信号D通过均衡器13至少部分地消除失真或至少部分地被均衡，所述失真是由通信信道引起的。下游解释器14解释数字化数据信号并且在每种情况下将符号分配给与数据信号的脉冲相关联的状态。符号的分配基于传入状态的电压或基于代表模拟数据信号电压的数字电压值。均衡器可以优选地包括自适应滤波器，该滤波器设置滤波器系数或均衡参数，使得解释器输出的符号匹配传输到解释器的状态。在学习阶段期间，逐渐调整滤波器系数，使得电压值越来越好地匹配所分配的符号。为此目的，可以设置第一反馈回路18.1，如图1中的示例所示。具有自适应滤波器的均衡器已经是现有技术，并且本领域技术人员可以为此目的寻找合理的实现方式。滤波器系数的设置需要补偿数据信道的脉冲响应。[0066] 通过数据接口获取的数据信号D由与第一电路部分并行运行的第二电路部分中的延迟单元15延迟，并且由有限脉冲响应滤波器17至少在MMA处理器评估的脉冲响应范围内至少部分地消除由通信信道引起的失真。[0067] 可调滤波器17具有使通信信道的脉冲响应对称的特性。[0068] 例如，滤波器可以是“有限脉冲响应”滤波器，其中，提供给MMA处理器的数据信号与其自身混合。滤波器17具有三个滤波器系数，这三个滤波器系数涉及例如混合的数量、混合强度和混合的时移。[0069] 根据本发明，基于均衡器13的滤波器系数或者通过测量或知道通信信道30的脉冲响应来设置这些滤波器系数。如此处所示，均衡器13可以具有到滤波器17的电数据连接，以用于将滤波器系数传送到滤波器17。或者，滤波器17也可以具有用于输入与脉冲响应有关的数据或输入滤波器系数的输入。[0070] 在设置有限脉冲响应滤波器17的滤波器系数之后，从整个通信信道和第二电路部分到对应于增量分布的电压脉冲或在脉冲响应的最大幅度范围内的矩形信号的脉冲响应具有单调或特别是对称的过程，这对于MMA处理器或根据IEEETransactionsonCommunications,vol.COM‑24,no.5,1976年5月的基础Mueller‑Müller算法的正确运行是必需的。[0071] MMA处理器被配置为执行Mueller‑Müller算法。这里，解释器识别的符号S和与数据信号相关的状态Z被提供给MMA处理器，其中，MMA处理器根据以下计算规则输出值：MM＝(Zn‑Sn‑1)‑(Sn‑Zn‑1)，其中，n或n‑1表示数据信号的第n或第n‑1个脉冲。对于调整好的PAM收发器或PAM收发器的调整好的采样相位，MM等于0；可使用不等于0的值调整PAM收发器的信号相位或采样相位和/或时钟。然而，MMA处理器依赖于状态输入中的总脉冲响应，其在总脉冲响应的最大值区域中基本上是单调的。[0072] PAM收发器还具有信号解码器21，并且在双工通信版本的情况下，还具有信号编码器20。信号解码器被配置为将伪随机编码转换成计算机可读的二进制数据信号。信号编码器因此被配置为从计算机可读二进制数据信号创建PAM数据信号，以用于通过通信信道30进行传输。[0073] 如这里所示，PAM收发器在双工通信版本的情况下可以具有回波抑制器19，其被配置为抑制内部出现的信号回波，因为所述信号回波不能被数据接口完全阻止。[0074] 图2图示了示例性调幅数据信号，具有5个状态Z1到Z5的PAM‑5信号。每个状态具有对应于数据信号D的脉冲T的持续时间。通过设置多于两个状态，增加了数据信号的信息密度。然而，由于干扰，数据信号遭受状态衰减，这在初始阶段如通过信号边缘的圈加以指示。在高级阶段，状态衰减导致相邻状态合并和混合。通过了解信道的信道脉冲响应，可以至少部分补偿衰减，或者可以很大程度上调整数据信号。然而，PAM信号不限于5个状态，且通常可以具有两个或多个状态或信号电平。[0075] 图3图示了根据本发明的用于使接收PAM收发器与发送PAM收发器同步的示例性方法100，其中，将在第一方法步骤101中由解释器输出的符号与与相同脉冲相关联的输入状态进行比较。在这种情况下，可以在第二方法步骤102中使用对应于各个符号的期望电压值和实际施加的电压值之间的差值来调整滤波器系数，以便最小化期望电压值和实际施加的电压值之间的差值，且从而改善“状态‑符号”分配。重复一系列方法步骤101和102，随后对数据信号进行时钟控制，直到滤波器系数充分收敛。本领域技术人员将根据其需要为这种收敛选择极限值。[0076] 当达到或低于最大值时，可以在第三方法步骤103中执行相互通信的PAM收发器之间的同步。[0077] 图4图示了测量/自动化技术的两个示例性现场设备1，它们通过通信信道30连接。现场设备1每个具有用于捕获被测变量的测量换能器2，其中，测量换能器被配置为每个输出对应于被测变量的测量信号并将其传输到相应现场设备的电子测量/操作电路3。电子测量/操作电路被配置为操作相应的测量换能器并且提供并且在必要时输出被测变量的测量值。现场设备在每种情况下具有根据本发明的PAM收发器10。与这里所示的不同，通信链路30也可以间接地通过例如边缘设备或者在更远距离的情况下通过信号调节器来运行。[0078] 附图标记列表[0079] 1测量/自动化技术的现场设备[0080] 2测量换能器[0081] 3电子测量/操作电路[0082] 4壳体[0083] 10PAM收发器[0084] 11电子电路[0085] 11.1第一电路部分[0086] 11.2第二电路部分[0087] 12数据接口[0088] 12.1模拟/数字转换器[0089] 12.2数字/模拟转换器[0090] 13均衡器[0091] 14解释器[0092] 15延迟单元[0093] 16MMA处理器[0094] 16.1第一输入[0095] 16.2第二输入[0096] 17有限脉冲响应滤波器[0097] 18.1第一反馈回路[0098] 18.2第二反馈回路[0099] 19回波抑制器[0100] 20信号编码器[0101] 21信号解码器[0102] 30通信信道[0103] 100方法[0104] 101第一方法步骤[0105] 102第二方法步骤[0106] 103第三方法步骤[0107] D数据信号[0108] S符号[0109] T脉冲[0110] Z状态

专利地区：瑞士

专利申请日期：2020-11-09

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114731318B