选择沃尔什码的自适应频率基带的方法、使用该方法的自适应频率选择性扩展器和使用该自适应频率选择性扩展器的发送和接收设备

摘要

提供了一种使用频率选择性基带的人体通信方法和系统，以便在通过使用人体作为通信信道与人体耦接的通信装置之间发送和接收数据。该人体通信方法和系统可用于最大化频率选择性扩展技术的效率以增加Walsh码技术的处理增益，并由此通过根据按照周围环境而变化的人体信道特性和噪声环境自适应地选择用于数据通信的Walsh码的频带，来降低用户人体之间的干扰，并且当存在由其它电子自装置引起的强干扰时也构建低功率且稳定的人体通信。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在使用人体作为媒介的通信系统中使用频率选择性基带的自适应频率选择性扩展器(spreader)、以及使用该扩展器的发送和接收设备，且更具体地，涉及一种根据信道特性和噪声环境从有限频带中选择Walsh(沃尔什)码的自适应频带的方法、使用该方法的自适应频率选择性扩展器以及使用该自适应频率选择性扩展器的发送和接收设备，其中所述Walsh码的自适应频带用于数据通信，并且所述有限频带排除了其中人体周围的噪声功率在其它频带中更集中的从DC到5MHz频带，但是包括其中通过用作波导的人体发送的信号具有比从人体发出的信号更高的强度的频带。

背景技术

人体通信是指一种在与具有传导性的人体耦接的装置之间、通过使用该人体作为通信信道来传输信号的技术。在这种情况下，例如个人数字助理(PDA)、便携式个人计算机、数码相机、MP3播放器和移动电话的各种便携式装置之间的通信，以及与例如打印机、电视机和条目(entry)控制系统的固定装置的通信，都可以通过与用户的简单接触来实现。

作为与人体通信方法相关的现有技术，已经提出了使用有限通带(pass band)的技术以及利用用户的唯一ID进行的使用例如扰频、信号编码、交织和扩展的方法。

然而，人体通信方法在低功耗方面存在缺陷，因为大多数通信系统需要诸如数模转换器、模数转换器等的模拟发送机和接收机终端来使用有限频带。

而且，人体通信方法的缺陷在于：由于人体信道特性和周围的噪声环境导致的在稳定发送和接收数据方面的效率低下。

发明内容

技术问题

已经做出本发明来解决现有技术的上述问题，并因此本发明的一方面是提供一种用于以频率选择性基带传输技术或频率选择性Walsh码技术、根据人体信道特性和周围噪声环境来选择合适的扩频波段的方法，使用该方法的自适应频率选择性扩展器，以及使用该自适应频率选择性扩展器的发送和接收设备。

而且，本发明的另一方面提供了一种自适应频率选择性扩展器、以及使用该自适应频率选择性扩展器的发送和接收设备，所述自适应频率选择性扩展器能够在采用有限频带的同时以低功耗驱动，该有限频带用于当存在由其它电子设备引起的强烈干扰时的稳定通信、以及用于在存在多个用户的通信环境下彼此不干扰。

技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种选择用于在人体通信系统中的数据通信的Walsh码的自适应频率基带的方法，所述方法包括：将偏移输入值设定为0；通过将用于扩频的总计2^N个Walsh码除以数量2^M，生成多个Walsh码组；接收(N-M)个频率选择性控制位以便选择多个Walsh码组中的一个；接收M个数据位和N个计数器位，以便与预定周期一样多地重复发送所选Walsh码组的2^M个Walsh码；和通过测量多个已发送Walsh码组中的相应2^M个Walsh码的性能，接收所选2^M个Walsh码的索引。

在这种情况下，已发送2^M个Walsh码的性能可以使用误码率(BER)或误帧率(FER)来测量。

而且，所选2^M个Walsh码的索引可以或者包括开始索引，或者包括一些或所有索引。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用频率选择性基带的自适应频率选择性扩展器，包括：N位计数器单元，用于输出N个计数器位；自适应频率基带选择器，用于接收M个数据位、(N-M)个频率选择性控制位和偏移输入位，以便选择期望频带；灰度索引单元，用于灰度索引(N-M)个频率选择性控制位和M个数据位；算术逻辑单元，用于对N个计数器位和所述灰度索引单元的输出位执行逻辑算术运算；和输出单元，用于接收所述算术逻辑单元的输出位以便选择输出位。

在这种情况下，所述自适应频率基带选择器可以是用于偏移所选Walsh码的索引以便选择期望频带的减法器。

而且，所述灰度索引单元可以包括(N-1)个异或(exclusive OR)算术运算器(XOR)。

另外，所述算术逻辑单元可以包括用于输入N个计数器位、(N-M)个频率选择性控制位的最高有效位以及(N-1)个异或算术运算器(XOR)的输出位的N个AND算术运算器(AND)中的每一个。

另外，所述输出单元可以包括用于输入所述N个AND算术运算器(AND)的输出位的一个异或算术运算器(XOR)。

根据本发明的又一方面，提供了一种使用自适应频率选择性基带的用于人体通信物理层调制解调器的发送设备，包括：前导码和报头生成器，生成用于帧同步的前导码和包括关于待发送的数据的控制信息的报头；数据生成器，用于将待发送的数据作为串行数据输出；扰频器，用于对从所述数据生成器输出的串行数据进行扰频；串并转换器，用于将扰频后的串行数据转换为M个并行数据位，并且输出转换后的M个并行数据位；自适应频率选择性扩展器，用于选择通过将用于扩频的总计2^N个Walsh码除以数量2^M而生成的多个Walsh码组之一，并且输出所选Walsh码组的2^M个Walsh码；和复用器，用于将所生成的前导码、报头和所选2^M个Walsh码复用为数字信号，并且发送复用后的数字信号。

在这种情况下，在数据通信开始之前或之后，所述发送设备可以向接收设备周期地发送在发送和接收设备之间的预设Walsh码，以确定信道特性和周围噪声环境，从而自适应地选择用于扩频的Walsh码的频带。

而且，所述发送设备可以与预定周期一样多地重复发送预设Walsh码，以便确定信道特性。

另外，所述自适应频率选择性扩展器包括：N位计数器单元，用于输出N个计数器位；自适应频率基带选择器，用于接收M个数据位、(N-M)个频率选择性控制位和偏移输入位，以便选择期望频带；灰度索引单元，用于灰度索引(N-M)个频率选择性控制位和M个数据位；算术逻辑单元，用于对N个计数器位和所述灰度索引单元的输出位进行AND逻辑算术运算；和输出单元，用于接收所述算术逻辑单元的输出位以便选择输出位。

另外，所述前导码和报头生成器可以包括：前导码生成器，被设定为一初始值，用于生成具有预定长度的前导码，所述初始值被设定用来获取帧同步；报头生成器，用于构造具有预设报头格式的报头，该报头包括关于待发送的数据的控制信息；HCS生成器，用于使用具有所述报头格式的控制信息来生成报头检查序列(HCS)；和扩展器，用于对所生成的前导码和报头进行扩展。

根据本发明的又一方面，提供了一种使用自适应频率选择性基带的用于人体通信物理层调制解调器的接收设备，包括：帧同步器，用于从自发送块发送的发送数据中检测前导码，以便执行帧同步；信号分离器(demultiplexer)，用于根据所述帧同步从所述发送数据中分离报头和数据，并且输出分离后的报头和数据；报头处理器，用于在通过报头检查序列(HCS)测试恢复关于数据的控制信号之后解扩分离后的报头；自适应频率选择性扩展器，用于计算分离后的数据和一个Walsh码组中的Walsh码之间的相关值，并且确定具有最高相关值的Walsh码的索引值以便输出对应的M位并行数据，所述一个Walsh码组是从通过将用于扩频的总计2^N个Walsh码除以数量2^M而生成的多个Walsh码组中选择的，并且所述一个Walsh码组中的Walsh码用于发送块的扩展；并串转换器，用于将M位并行数据转换为串行数据，并且输出转换后的串行数据；解扰器，用于将所述串行数据解扰为正交码；和数据处理器，用于处理解扰后的数据。

在这种情况下，在数据通信开始之前或之后，所述接收设备可以从发送块周期地接收在发送和接收设备之间的预设Walsh码，并且测量接收到的Walsh码的性能以便确定信道特性和周围噪声环境，从而自适应地选择用于扩频的Walsh码的频带。

而且，所述接收设备可以通过使用误码率(BER)或误帧率(FER)测量接收到的Walsh码的性能来选择最适合于信道特性和周围噪声环境的Walsh码。

另外，所述接收设备可以选择最适合于信道特性和周围噪声环境的Walsh码，并且将索引分配给所选Walsh码以便向发送块或者发送开始索引、或者发送一些或所有索引。

有利效果

根据本发明，当使用数据串并转换和频率选择性Walsh码的频率选择性基带发送方法被应用于传统的人体通信系统时，能够通过根据可按照时间和空间变化的人体信道特性和噪声环境自适应地选择Walsh码的频带，来有效地获得Walsh码技术的处理增益。

而且根据本发明，能够通过利用选择有限频带的频率扩展技术、同时避免可根据时间和空间而变化的用户人体之间的干扰以及由其它电子设备引起的强干扰，来实现低功率且稳定的人体通信。

附图说明

图1是图示根据本发明一个示例性实施例的用于人体通信的频率选择性基带与通过人体发送的信号功率、从人体发出的辐射功率和人体周围的噪声功率之间的关系的曲线图，上述所有功率根据频率而变化。

图2是图示根据本发明一个示例性实施例的64位Walsh码的示意图。

图3是图示根据本发明一个示例性实施例的在人体通信系统中的使用频率选择性基带的自适应频率选择性扩展器的框图。

图4是图示如图3所示的自适应频率选择性扩展器的详细框图。

图5是图示根据本发明一个示例性实施例的、用于根据信道特性和噪声环境选择适用于数据通信的Walsh码的频带的方法的流程图。

图6是图示本发明可被应用于的人体通信的发送器/接收器的框图。

具体实施方式

下文中，现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的示例性实施例可由本发明所属领域的普通技术人员容易地投入实践。然而，在详细描述示例性实施例的操作时，当认为对相关的公知功能或构造的详细描述可能不必要地使本发明的关键点模糊时，将省略其详细描述。

另外，在附图中，始终使用相同的附图标记来指代相同或相似的组件。

根据本发明的一个示例性实施例，一种用于根据信道特性和噪声环境自适应地选择Walsh码的频率基带的方法、使用该方法的自适应频率选择性扩展器、以及使用该自适应频率选择性扩展器的发送和接收设备可应用于数字通信系统，具体地，可应用于使用人体作为媒介的人体通信系统。因此，将结合人体通信系统来更详细地描述本发明。

首先，所述频率选择性基带发送方法是指如下的发送技术，该发送技术可以执行其配置简单的模拟发送/接收块的基带发送，并且通过允许用户仅使用Walsh码来同时获得期望的频带和处理增益，所述Walsh码在用于获得数据的处理增益的所有Walsh码中在期望的频带处具有最主要的频率特性。

因此，根据本发明一个示例性实施例的频率选择性基带发送方法是一种新颖的发送技术，其可以通过根据人体信道特征和噪声环境自适应地选择Walsh码的频带来有效地获得Walsh码技术中的处理增益，所述人体信道特性和噪声环境由用户之间的可根据时间和空间变化的干扰、以及从其它电子设备引起的强干扰所决定。

图1是图示根据本发明一个示例性实施例的用于人体通信的频率选择性基带与通过人体发送的信号功率、从人体发出的辐射功率和人体周围的噪声功率之间的关系的曲线图，上述所有功率根据频率而变化。

如图1所示，可以看出，当用于人体通信的频带的范围为从0到40MHz时，通过人体发送的信号功率A高于从人体发出的辐射功率B，但是当该频带超过40MHz时，辐射功率B增加而超过信号功率A。

而且，它揭示了：在频带0到5MHz内，噪声功率C高于信号功率，所述噪声功率C是通过将从各个测试空间引起的干扰信号的测量值相加并且将总和除以5MHz而计算得出的。

因此，除了最高噪声功率出现的0到5MHz以及大于40MHz的频带以外，在本发明中，频率选择性基带被用来在有限频带5到40MHz内发送数据。

图2是图示根据本发明一个示例性实施例的64位Walsh码的示意图。

如图2所示，本发明的特征在于64个Walsh码被用作Walsh码，并且跨度从W₀到W₆₃的64个Walsh码用来将所使用的频带精确地划分为64个频率并且将每个Walsh码中的最主要频率(fd)顺序地映射到所划分的频率。

例如，假设全部Walsh码的扩展频带是16MHz，每个Walsh码中的最主要频率(fd)具有250KHz(＝16MHz/64)的带隙。

因此，W₀、W₁、W₄₈和W₆₃的fd分别具有0Hz、250KHz、12MHz和15.75MHz的带隙。

图示如图2中所示的Walsh码作为本发明的一个示例性实施例，并且频率选择性Walsh码不限于包括64位的Walsh码，而是它能够使用具有2^K(K是正整数)位的Walsh码。

图3是图示根据本发明一个示例性实施例的、用于根据信道特征和噪声环境自适应地选择Walsh码的频率选择性基带的自适应频率选择性扩展器的框图。

首先，根据本发明一个示例性实施例的自适应频率选择性扩展器接收M位数据输入位，并且使用(N-M)个频率选择性控制位和偏移输入位来自适应地选择多个Walsh码组中的一个，所述多个Walsh码组是通过将总计2^N(N是正整数)个Walsh码除以数量2^M(M＜N，M是正整数)而生成的。此处，所选择的Walsh码组用于扩频。并且，假设N为6，M为4，并且使用64个Walsh码，详细地描述本发明的该示例性实施例。

参考图3，根据本发明一个示例性实施例的自适应频率选择性扩展器217包括六位计数器单元2171、自适应频率基带选择器2172、灰度索引单元2173、算术逻辑单元2179和输出一位FS_DOUT的输出单元2186，所述自适应频率基带选择器2172接收偏移输入值、2位频率选择性控制位(fs1，fs0)和较低4位数据输入位(b3，b2，b1，b0)以便自适应地选择将用于数据通信的Walsh码的频带。参考图4来更详细地描述所述单元。

此处，根据所选择的频带，将2位频率选择性控制位(fs1，fs0)设定为不同的值。例如，当频率选择性控制位(fs1，fs0)为(0，0)时，选择跨度为从W0到W15的16个Walsh码；当频率选择性控制位(fs1，fs0)为(0，1)时，选择跨度为从W16到W31的16个Walsh码；当频率选择性控制位(fs1，fs0)为(1，0)时，选择跨度为从W32到W47的16个Walsh码；以及当频率选择性控制位(fs1，fs0)为(1，1)时，选择跨度为从W48到W63的16个Walsh码。

而且，自适应频率基带选择器2172可以偏移Walsh码的索引的选择。因此，可能通过改变2位频率选择性控制位(fs1，fs0)和偏移输入值来选择Walsh码的频带。

图4是图示如图3中所示的自适应频率选择性扩展器的详细框图。

参考图4，根据本发明一个示例性实施例的自适应频率基带选择器2172可以使用减法器来偏移Walsh码的索引的选择。减法器的输出值通过归因于偏移输入值的等式：fs1fs0b3b2b1b0₍₂₎-偏移输入值＝fs1’fs0’b3’b2’b1’b0’₍₂₎来表示。

而且，灰度索引单元2173需要5个XOR(异或)逻辑电路2174、2175、2176、2177和2178用以灰度索引，并且算术逻辑单元2179由6个AND(与)逻辑电路2180、2181、2182、2183、2184和2185来组成，向所述6个AND逻辑电路分别输入了六位计数器单元2171的输出值C₅～C₀，并且也向其分别输入了频率选择性控制位的最高有效位(fs1)和5个XOR逻辑电路的5个输出位。而且，输出单元2186由一个XOR逻辑电路组成以便对6个AND逻辑电路的输出值进行XOR运算。

假设在根据本发明一个示例性实施例的自适应频率选择性扩展器217中选择并使用如图2中所示的64个Walsh码的16个Walsh码(W₄₈到W₆₃)，6位输入位中的2位频率选择性控制位(fs1、fs0)被设定为位值11，并且可以偏移Walsh码的索引的减法器的偏移输入值被设定为位值0。

因此，最后生成的自适应频率选择性扩展器217的输出等式表示如下。

输出等式＝(fs1’and C₀)xor[(fs1’xor fs0’)and C₁]xor[(fs0’xor b3’)and C₂]xor[(b3’xor b2’)and C₃]xor[(b2’xor b1’)and C₄]xor[(b1’xor b0’)and C₅]

而且，根据本发明一个示例性实施例的自适应频率选择性扩展器217可以通过偏移Walsh码的索引来选择Walsh码的索引。例如，当偏移值为1时，所选择的Walsh码的索引的跨度为从62到47，也就是说，在选择fs0＝1和fs1＝1时，如图4中所示的减法器的值为-1。

而且，当用于自适应地选择Walsh码的频带的Walsh码是Walsh码或者Walsh码的位偏移码、通过对Walsh码之间的AND、OR和XOR进行位计算而生成的Walsh码、或者诸如PN序列的其代码可以利用根据频率分量的序列划分的Walsh码时，在本发明中可以使用该用于自适应地选择Walsh码的频带的Walsh码。

图5是图示用于根据信道特性和噪声环境选择最适合数据通信的Walsh码的频带的方法的流程图，所述方法可应用于根据本发明的一个示例性实施例的频率选择性基带发送系统。

参考图5，当在本发明中64个Walsh码被用作Walsh码且M个数据位用于数据传输时，发送器21中的自适应频率选择性扩展器217的偏移输入值被首先设定为位值0(S501)，并且将fs0fs1b3b2b1b0₍₂₎的值除以跨度为从000000₍₂₎到111111₍₂₎(二进制表示)的数2^M，以便发送Walsh码(S502)。

而且，2^M个Walsh码的每一个的索引用十进制数表示，例如，0～2^M-1、1～2^M、2～2^M+1...63-2^M～62、64-2^M～63。而且，Walsh码的索引可以不必是连续的。

以接收器22能够确定对应Walsh码的信道特性的足够充分的周期重复地发送作为数目2^M的64/2^M(丢弃了剩余数)个Walsh码。假设接收器22感测到发送器21发送了训练信号。

接收器22测量作为从发送器21发送的数目2^M的64/2^M个Walsh码的性能(S503)，并且选择具有最佳性能的2^M个Walsh码(S504)。

例如，通过使用误码率(BER)或误帧率(FER)作为测量标准来测量Walsh码的性能，并且选择具有最低BER或FER值的Walsh码。

然后，接收器22将所选择的Walsh码的索引(开始索引或者某些或全部索引)发送到发送器21(S506)。

发送器21接收从接收器22发送的Walsh码的索引，并且确定偏移输入值和频率选择性控制位(fs1、fs2)用于利用对应的索引确定2^M个Walsh码(S506)。

当完成该过程时，使用被认为是最适合于信道特性和噪声环境的2^M个所选的Walsh码来启动发送器与接收器之间的数据通信(S507)。而且，该过程可以在通信启动之前/之后周期地执行。

图6示出了当位值2^M为16时根据本发明一个示例性实施例的人体通信发送器/接收器。

如图6所示，人体通信系统包括人体通信MAC H/W 1、人体通信物理层调制解调器(FS-CDMA)2、人体通信IF 3、信号电极4和地电极5。

更具体地，人体通信MAC H/W 1中的MAC发送处理器11处理要发送的数据和关于从上层接收到的数据的信息，并且将处理后的数据和关于数据的信息发送到人体通信物理层调制解调器2中的发送器21，并且MAC接收处理器12用于接收数据和关于由人体通信物理层调制解调器2的接收器22接收的数据的信息，对接收到的数据和关于接收到的数据的信息进行处理，并且将处理后的数据和关于处理后的数据的信息发送到上层。

人体通信物理层调制解调器2包括发送器21和接收器22，这两者使用频率选择性基带。

发送器21包括前导码生成器211、报头生成器212、数据生成器215、HCS生成器213、扩展器214、扰频器216、串并转换器(S2P)217、自适应频率选择性扩展器218和复用器219。

前导码生成器211被设定为所有用户知道的初始值。在这种情况下，前导码生成器211生成具有预定长度的前导码，并且将所生成的前导码输入到扩展器214。然后，扩展器214将所输入的前导码扩展为指定的Walsh码。

报头生成器212接收从人体通信MAC H/W 1发送的数据信息(传输率、调制方法、用户ID、数据长度)，将接收到的数据信息构造成指定的报头格式，并且将该报头格式输入到HCS生成器213以生成HCS。然后，所生成的HCS被输入到扩展器214且被扩展为指定的Walsh码。

数据生成器215接收从MAC发送处理器11发送的数据，并且在期望的时间点输出接收到的数据。

由用户ID重置的扰频器216输出正交码。在这种情况下，通过利用数据生成器215的输出位值对正交码执行XOR运算来完成数据扰频。

当假设串并转换器217接收扰频后的数据以构造64个Walsh码时，执行4位串并转换。

由于串并转换的结果，所使用的频带减少了1/4。这具备的优点是，可以通过在相同频带内发送更多数据或者通过在相同频带内使用更大的Walsh码增益来发送高质量数据。

自适应频率选择性扩展器218以并行方式接收串并转换器217的输出4位，并且输出自适应频率选择性Walsh码。

复用器219输出前导码、报头和数据以对应于帧构造。自适应频率选择性扩展器的使用使得能够允许使用期望频带的基带传输，并且也允许使用作为1位的输出位的直接数字传输。

因此，不在诸如数字模拟转换器和中频转换器之类的附加模拟传输块中处理输出位，输出位经由发送器/接收器开关31被输入到信号电极4，并且随后被发送到人体。地电极5具有与人体通信发送器/接收器的地相同的基线电势。

人体通信物理层调制解调器2中的接收器22的操作执行如下。通过信号电极4输入的接收信号通过噪声去除滤波器32以便去除当经由发送器/接收器开关31将接收信号发送通过人体时生成的噪声，并且随后被放大器33放大到具有期望幅度的信号。

放大后的接收信号被输入到时钟恢复和数据重定时单元(下文中称作“CDR”)34，以便校正接收信号与接收端时钟和频率偏移的定时同步。CDR34的输出位被输入到人体通信物理层调制解调器2的接收器22。

首先，在帧同步之前已被输入到接收器22的接收信号被输入到帧同步器229，以便使用前导码执行帧同步。

当帧同步器229实现帧同步时，接收器22中的信号分离器221从接收信号中分离报头和数据，并且输出所分离的报头和数据。

报头处理器224从经由解扩器222和HCS测试器223传递的报头中提取关于接收信号数据的控制信息，并且将所提取的控制信息发送到MAC接收处理器12。

信号分离器221的输出位的数据输出被输入到自适应频率选择性扩展器225，并且在相关器(未示出)中使用64个Walsh码之中以频率选择性方式在发送器21中使用的16个Walsh码来计算校正值，并且随后输出4位的最大数据位值。

所输出的4位被输入到串并转换器(P2S)226，并且被转换为4个并行位。随后，转换后的4个并行位被输入到解扰器227，并且被解扰为从利用从报头中提取的用户ID重置的正交码生成器输出的正交码。解扰后的接收数据被输入到数据处理器228，被处理且被发送到MAC接收处理器12。

因此，本发明可有益地具有使用频率选择性Walsh码来获得处理增益的效果，且可用来简化通带传输所需的模拟发送器和模拟接收器的终端，并且由此通过允许用户选择性地使用具有期望频带的Walsh码来减少电力的消耗。而且，本发明可有益地通过根据人体信道特性和噪声环境自适应地改变扩频波段来提高扩频技术的效率。

尽管已经结合示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范畴的情况下可以进行修改和变化。