用于低功率接收器的无线通信协议的制作方法

用于低功率接收器的无线通信协议的制作方法
【专利摘要】本公开涉及用于低功率接收器的无线通信协议。本文示出了用于通信系统的无线协议，其可用于通过任何类型的通信信道进行发射器和接收器之间的通信。所述无线通信协议使接收器的激活或开启时间缩短，这继而降低了功耗。所述无线通信协议能够使复杂度和接收器尺寸减小。所述协议中采用的方法使用了与反复传输和周期性接收器搜索相结合的独特消息帧。
【专利说明】用于低功率接收器的无线通信协议
【背景技术】
[0001]1.抟术领域
[0002]本发明涉及电力眼科镜片，并且更具体地讲，涉及用于与电力眼科镜片或其它极小且能量有限的装置结合使用的无线通信协议。
[0003]2.相关领域的描述
[0004]随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴的或可嵌入式微电子装置。此类用途可包括监测身体化学性质的各方面、响应于测量或者响应于外部控制信号经由多种机构(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂、以及增强器官或组织的性能。此类装置的例子包括葡萄糖输注泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新的特定可用领域的应用在于眼科可佩戴镜片和角膜接触镜片。例如，可佩戴镜片可结合镜片组件，该镜片组件具有电子可调节焦点，以增强或提高眼的性能。又如，无论具有还是不具有可调式焦距，可佩戴的接触镜片都可包含电子传感器，以检测角膜前(泪)膜中特定化学物质的浓度。在镜片组件中使用嵌入式电子器件会引入如下潜在的需求:需要与电子器件通信，需要一种对所述电子器件供电和/或重新供能的方法，需要将电子器件互连，需要内部和外部传感和/或监视，以及需要控制电子器件和镜片的总体功能。
[0005]人的眼具有辨别百万种颜色的能力、易于调节以改变光条件的能力、以及以超过高速互联网连接的速度的速度将信号或信息传输给大脑。当前，诸如角膜接触镜片和眼内镜片的镜片用来矫正视力缺陷，例如近视、远视和散光。然而，结合附加部件的适当地设计的镜片可用来提高视力以及矫正视力缺陷。
[0006]常规的角膜接触镜片为聚合结构，其具有特定的形状，以便主要如上所述地矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，各种电路和部件必须集成到这些聚合结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中，以便不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子和/或电力角膜接触镜片可被设计成经由放大和缩小或者仅仅简单地改变镜片的折射能力而提供提高的视力。电子和/或电力角膜接触镜片可被设计成提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换为字幕、提供导航系统的视觉提示、提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。镜片上适当地设计的电子器件和/或电子器件的布置方式可允许例如在没有可变焦点光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，角膜接触镜片可结合有用于非入侵地监测佩戴者的生物标记和健康指示器的部件。例如，通过分析泪膜的组分，构建到镜片中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当地配置的镜片可结合有用于监测胆固醇、钠和钾水平以及其它生物标记物的传感器。这与无线数据发射器联接可允许医师能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼图案。[0007]装置的正确组合可产生可能无限制的功能性；然而，存在许多与将附加部件结合到光学等级聚合物部件上相关的困难。通常，由于多种原因，使得难以在镜片上直接制造此类部件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例制造。待放置在镜片上或镜片中的部件需要小型化且集成到仅仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件的增加的厚度，使得还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的角膜接触镜片。
[0008]与电力眼科装置通信提供了多个独特的挑战。无线通信协议提供了一种结构，所述结构用于以有组织的方式传输数据或信息，从而有利于发射器和接收器中的一者或两者高效运作。由所述协议确定的数据传输的各方面包括传输的方法(例如，调节载波信号、调节格式)、数据消息的结构、发送用于促使接收器与发射器同步的附加数据以及在接收器处的误差板正。
[0009]射频(RF)或红外(IR)通信的现有技术协议通常用于使用数字调节格式的数据通信，所述数字调节格式诸如相关领域中为人们所熟知的幅移键控(ASK)、开关键控(OOK)、相移键控(PSK)或频移键控(FSK)。这些协议可用于在固定发射器和接收器之间以及在移动或便携式发射器或接受器之间进行通信。
[0010]具体地讲，因为用于向传输和接收电路供电的电池的容量有限，所以便携式发射器和接收器对功耗施加了设计约束。为了降低功耗，现有技术协议通过仅在需要的时候从发射器发送数据而不是通过要求载波信号连续传输来允许间歇传输和接收。接收器可通过周期性地开启(唤醒或频闪)并搜索传输来节省电力。
[0011]现有技术协议分成两个类别；即，异步的和同步的。在异步协议中，接收器搜索传输，然后同步至传输的数据流，以对传输的消息进行解码。在同步协议中，接收器通常在成功进行异步接受之后保持与发射器时间基准同步的时间基准。因此，某些现有技术协议首先提供异步操作，接着是用于后来的接收间隔的同步操作。
[0012]在异步操作中，为了正确地接收数据，接收器必须明白数据传输开始启动的位置。在现有技术协议中，发射器首先发送通常包括简单的I和O数据模式的后跟同步字的长前同步码，然后发送数据。所述前同步码至少与接收器的唤醒或频闪间隔一样长，以确保接收器将总看到前同步码。邮政总局编码标准咨询组(POCSAG)协议为这类异步协议的例子。其用于将信息或数据传输至寻呼机。
[0013]通过这种间歇传输和接收的方法，现有技术协议因而降低了接收器和发射器这两者的功耗。这些协议在降低发射器功耗方面特别有效，这对于电池供电的手持式遥控装置和小型无线传感器收发器很重要。
[0014]然而，就极小和/或能量有限的接收器而言，现有技术的通信协议存在多个缺点。例如，当检测到前同步码时，接收器必须保持开启平均超过前同步码或频闪间隔长度的一半的时间，以等待传输同步字和数据。对于许多系统来说，数据传输的长度可明显短于频闪间隔，这意味着等待周期代表巨大的开销。另外，小型电池往往具有高串联电阻，而接收器电流可能高到足以引起电池处出现显著的压降。作为补偿，可添加额外的去耦电容来提供电荷库，以便减小压降，从而得到成本升高、复杂度增大且接收器的面积和体积更大的折衷方案。最终，功率极低的系统趋于实施非常简单的调节方法(例如ASK或00K)来降低接收器的复杂度和功耗。这些振幅调节检测器有可能因传输通道上的噪声错误地检测到1-ο前同步码模式，导致当实际上没有发生传输时，接收器的“开启”时间延长。
[0015]同步协议提供优于异步协议的一些优势，因为异步协议的长前同步码不需要通过接收器解码。一旦同步，接收器就可以在即将开始传输同步字之前开启或唤醒，从而缩短接收器开启的时间。然而，为了具有长的休眠或关闭周期，接收器和发射器必须保持准确的时基，该时基随着时间推移几乎没有漂移或完全没有漂移，并且在环境条件下几乎没有改变。这通常需要使用陶瓷谐振器或基于石英晶体的振荡器，这使接收器的尺寸变大、成本升高，并使其电流消耗增大。
[0016]因此，存在对这样的无线通信协议的需求，其通过使必需的接收器开启时间最小化而使采用功耗极低并且尺寸或体积极小的接收器成为可能。

【发明内容】

[0017]根据本发明的用于低功率接收器的无线通信协议克服了与如上简述的当前通信协议相关的局限性。
[0018]根据一个方面，本发明涉及用于无线数据通信的方法。所述方法包括以下步骤:组装消息帧，所述消息帧包括同步字、地址字和数据字；在最短传输持续时间里，从无线发射器重复传输消息帧；在接收器处，周期性地在传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与消息帧的长度加上一个同步字减去一个符号的长度一样长；在接收器处，确定传输的消息帧是否包括对应于预定的同步字的同步字；并且在接收器处，仅当发现预定的同步字时，对传输的消息帧进行解码。
[0019]根据另一个方面，本发明涉及用于无线数据通信的方法。所述方法包括以下步骤:组装消息帧，所述消息帧包括同步字和数据字；在最短传输持续时间里，从无线发射器重复传输消息帧；在接收器处，周期性地在传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与消息帧的长度加上一个同步字减去一个符号的长度一样长；在接收器处，确定传输的消息帧是否包括对应于预定的同步字的同步字；并且在接收器处，仅当发现预定的同步字时，对传输的消息帧进行解码。
[0020]根据另一个方面，本发明涉及无线通信系统。所述系统包括发射器、传输通道和接收器，所述发射器包括发射器电路和编码电路，所述编码电路被配置成组装具有至少同步字和数据字的消息帧，并且所述发射器被配置成在最短传输持续时间里重复传输消息帧;所述接收器包括接收器电路和解码电路，所述解码电路被配置用于周期性地在传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与消息帧的长度加上同步字减去一个符号的长度一样长，其中在传输的消息帧中搜索预定的同步字的周期短于最短传输持续时间。
[0021]根据另一个方面，本发明涉及无线发射器。所述无线发射器包括编码电路和发射器电路，所述编码电路被配置成组装具有至少同步字和数据字的消息帧，并且所述发射器被配置成在最短传输持续时间内通过传输通道重复传输消息帧。
[0022]根据另一个方面，本发明涉及无线接收器。所述无线接收器包括解码电路和接收电路，所述解码电路被配置用于周期性地在传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与消息帧的长度加上同步字减去一个符号的长度一样长，其中在传输的消息帧中搜索预定的同步字的周期短于最短传输持续时间；所述接收电路用于接收来自传输通道的传输的消息。
[0023]数字通信系统包括多个元件，当实现时，所述多个元件可呈现任何数量的形式。该数字通信系统大体包括信息源、源编码器、通道编码器、数字调制器、通道、数字解调器、通道解码器以及源解码器。
[0024]信息源可包括产生另一个装置或系统所需的信息和/或数据的任何装置。该源可为模拟的或数字的。如果该源是模拟的，则其输出被转换成包括二进制串的数字信号。源编码器实现将来自源的信号高效地转换成二进制数字序列的过程。来自源编码器的信息接着进入通道编码器中，在通道编码器处，冗余被弓I入二进制信息序列中。在接收器处可利用该冗余来克服在通道上所遇到的噪声、干扰等的影响。该二进制序列接着进入数字调制器，数字调制器继而将该序列转换成模拟电子信号，以用于通过通道传输。基本上，数字调制器将二进制序列绘制成信号波形或符号。每一个符号都可代表一位或多位的值。数字调制器可对适于通过或经由通道传输的高频载波信号的相位、频率或振幅进行调节。该通道是波形行进所通过的介质，并且该通道可引起对波形的干扰或其它破坏。在无线通信系统的情况下，通道是大气。数字解调器接收被通道破坏的波形、对被通道破坏的波形进行处理并且将波形降低至尽可能接近地代表所传输的数据符号的数字序列。通道解码器通过对通道编码器所利用的代码以及所接收的数据中的冗余的知悉来重建原始信息序列。源解码器通过对编码算法的知悉来对序列解码，其中其输出代表源信息信号。
[0025]重要的是应注意，上述元件可在硬件、软件、或者硬件和软件的组合中实现。此外，通信信道可包括任何类型的通道，包括有线和无线通道。在无线中，通道可被配置成用于高频电磁信号、低频电磁信号、可见光信号和红外光信号。
[0026]根据本发明的用于通信系统的无线协议可用于在任何类型的通信信道内进行发射器和接收器之间的通信。无线通信协议使接收器的激活或开启时间缩短，这继而降低功耗、减小电池的电压降和/或减小元件尺寸和成本。无线通信协议还能够使接收器的复杂度和尺寸减小。所述协议中采用的方法利用了与反复传输和周期性接收器搜索相结合的独特消息帧。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]下文是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。
[0028]图1示出了根据本发明的示例性帧结构。
[0029]图2示出了根据本发明的示例性实施例的O和I的曼彻斯特(Manchester)符号。
[0030]图3示出了根据本发明的示例性实施例的曼彻斯特取样、标称取样率和取样点。
[0031]图4示出了接收器相对于发射器快15%的曼彻斯特取样最坏情况点。
[0032]图5示出了接收器相对于发射器慢15%的曼彻斯特取样最坏情况点。
[0033]图6是根据本发明的示例性通信系统的方框图表示。
【具体实施方式】
[0034]本发明涉及无线通信协议，其需要较小电力来实施，并从而允许相关接收器较之现有技术系统具有降低的能量要求或容量以及更小的面积和体积要求。这种通信协议对于极小的便携式装置特别有利，所述便携式装置诸如可在医疗器械(包括电力眼科镜片)中使用的那些。虽然本文所述的通信产品可与任何发射器以及接收系统一起使用，但所述通信产品对于具有能源限制的极小型系统可能特别有利。因此，对无线通信协议的说明将在需要的地方相对于电力眼科镜片进行描述，所述电力眼科镜片可如下文所述包括无线通信系统。
[0035]常规的角膜接触镜片为聚合结构，其具有特定的形状，以便主要如上所述地矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，各种电路和部件必须集成到这些聚合结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中，以便不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子和/或电力角膜接触镜片可被设计成经由放大和缩小或者仅仅简单地改变镜片的折射能力而提供提高的视力。电子和/或电力角膜接触镜片可被设计成提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换为字幕、提供导航系统的视觉提示、提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。镜片上适当地设计的电子器件和/或电子器件的布置方式可允许例如在没有可变焦点光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，角膜接触镜片可结合有用于非入侵地监测佩戴者的生物表征和健康指示器的部件。例如，通过分析泪膜的组分，构建到镜片中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当地构造的镜片可结合有用于监测胆固醇、钠和钾水平以及其它生物标记物的传感器。这与无线数据发射器联接可允许医师能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼图案。鉴于本文所述的功能，即便复杂性最低的电力镜片或眼科装置也将需要和包括通信系统。这种通信系统优选地为小型的并使用最小电力。
[0036]因此，本发明的通信协议可与角膜接触镜片结合使用，所述角膜接触镜片包括驱动可变焦光学件的电子系统。所述电子系统包括一个或多个电池或其它电源、动力管理电路、一个或多个传感器、时钟发生电路、控制算法和电路、镜片驱动器电路和通信电路。所述通信电路可包括用于数据/信息的传输和接收的电路，并因此对无线通信协议有需求。
[0037]数字通信系统包括多个基本元件，当实际实现时，所述多个基本元件可呈现任何数量的形式。信息源可包括产生另一个装置或系统所需的信息和/或数据的任何装置。该源可为模拟的或数字的。如果该源是模拟的，则其输出被转换成包括二进制串的数字信号。在任何数字通信系统中，期望的是尽可能少使用二进制数字来表示原始信号。源编码是有效地将信号转换成一系列二进制数字的方法。因此，源编码器被用于执行这种功能。来自源编码器的信息进入通道编码器中，在通道编码器处，冗余被引入二进制信息序列中。接收器可利用该冗余来克服在通道上所遇到的噪声、干扰等的影响。该二进制序列接着进入数字调制器，数字调制器继而将该序列转换成电子信号，以用于通过通道传输。换句话讲，数字调制器将二进制序列绘制成信号波形或符号。每一个符号都可代表一位或多位的值。数字调制器可对适于通过通道传输的高频载波信号的相位、频率或振幅进行调节。该通道是波形行进所通过的介质，并且该通道可能引起对波形的干扰或其它破坏。在无线系统的情况下，通道是大气。数字解调器接收被通道破坏的波形、对被通道破坏的波形进行处理并且将波形降低至尽可能接近地代表所传输的数据符号的数字序列。通道解码器通过对通道编码器所利用的代码以及所接收的数据中的冗余的知悉来重建原始信息序列。源解码器通过对编码算法的知悉来对序列解码，其中其输出代表源信息信号。随后给出每个功能的详细说明。重要的是应注意，上述元件可在硬件、软件和/或硬件和软件这两者中实现。此外，通信信道可包括高频电磁传播通道、低频电磁耦合、可见光电磁传播通道和红外线电磁传播通道。
[0038]帧同步是这样的过程，其间输入的帧对齐信号(例如独特的符号或位序列)被识别出并与数据区分，从而允许帧数据流中的数据被提取出来，以用于解码和/或重传。参见图1，示出了根据本发明的帧结构。所述帧结构提供了包括传输同步字(sync)和数据字的消息帧。在一些示例性实施例中，所述数据字可包括预定接收器的设备地址(addr)和命令字(cmd)，以便向接收器提供指令或信息。在一些示例性实施例中，所述数据字可包括所关注的寄存器的寄存器地址，以便在接收器中进行修改并生成新的寄存器数据值。和其间接收器必须等待传输的数据的长前同步码不同，sync、addr和cmd字会针对全帧间隔重复发送。然后，接收器可仅在要求检测同步字并对地址和命令进行解码时开启。由于synC、addr和cmd字通常比接收器的频闪间隔TM_stMbe短的多，所以相对于现有技术的异步通信协议，接收器的开启时间和平均功率大大减少。如所示出的，将传输时间Ttx设定为长于接收器的频闪间隔Trx—stMbe。
[0039]因为接收器可以在任何给定时刻开始对传输的数据进行解码，因此同步字(sync)必须被惟一地检测到。现有技术通信协议采用了具有码字的分组码，即，对分组中的数据进行编码的误差校正码，所述码字如用于sync、addr和cmd或其它消息数据的容许字，且所述码字在移位和/或向左或向右旋转时不是唯一的。使用这类编码将导致同步字在帧内偏移时被误检。
[0040]根据本发明的示例性实施例，可将同步字选择为正交循环码例如金氏码或金氏码序列，所述正交循环码相对于具有相同长度的其它金氏码序列，不论是移位或是解码的起点，均是唯一的。在该示例性实施方案中，还可选择或限制地址和命令字，使得消息帧在任何移位的情况下均不匹配同步字。在替代示例性实施例中，可选择地址和命令字的容许列表或代码本，以将地址和命令字与同步字的相关性降至最低，其特征在于由如相关领域已知的互相关或汉明间距。在另一个替代示例性实施例中，可仅从一组金氏码或金氏序列中选择地址和命令字组，从而将与同步字的互相关降至最低。
[0041]金氏码或序列的生成是相关领域已知的。金氏码或序列由两个具有优选多项式的伪随机序列发生器生成。优选的多项式是导致最大长度序列(m-序列，长度=2m-l)并具有{I, t，-t}的互相关值(其中t = 2(m+1)/2+l或2(m+2)/2+l，m为奇数或偶数)的那些。金氏码仅有某些长度可供使用，这在一定程度上限制了它们在短码字中的使用。重要的是应注意，虽然金氏码可具有最佳的互相关性质，但是可以使用与金氏码具有适当的高距离的其它码字。因此，在另一个示例性实施例中，这些具有良好(低)互相关的其它码字可用于设备地址和命令，而金氏码可用作同步字。
[0042]在又一个替代示例性实施例中，同步、地址和命令字可如下述方法中所示出进行选择。在示例性方法的第一步中，选择地址长度(LA)，用于为特定应用提供超过所需数量的不同地址。例如，特定应用可能需要一千五百万(15，000，000)个地址。因此，对于一千五百万(15，000，000)个地址，必需的地址长度为二十四(24)位，因为二十四位产生超过一千六百万(16，000, 000)个唯一地址(224 = 16，777，216)，并且二十三(23)位仅产生超过八(8)百万个地址。在示例性方法的第二步中，选择命令长度(LC)，用于提供所需数量的不同命令。例如，特定应用可需要八(8)个命令。因此，对于八(8)个命令，必需的命令长度为三(3)位，因为三位产生八(8)个命令(23 = 8)。在示例性方法的第三步中，从具有接近组合的地址和命令字长度的长度的一组金氏码中选择同步字。对于金氏码，字长为2m-l ；因此，在m = I的情况下，字长为一(I)位；在m = 2的情况下，字长为三(3)位；在m = 3的情况下，字长为七(7)位；在m = 4的情况下，字长为十五(15)位；并且在m = 5的情况下，字长为三十一(31)位。同步字越长，同步+地址+命令组合的数越低，所述组合将包含在一些偏移处与同步字的匹配。因此，将来自容许地址的列表的导致在一些偏移处匹配的任何地址移除；然而，这种选择是在消息总长度与对应的接收器开启时间相对剩余地址的总数量之间的折衷方案。在该例子中，十五(15)位的同步字长度足够好以保留大多数可能的地址，如随后将详细解释。另外，对于同步字而言，在一个同步字使用了不归零(NRZ)符号格式的情况下，如果所述符号的平均值是一半的值，则所述情况通常是有利的。这可以帮助确定在接收器的信号处理部分中阈值应在比较器上所处的位置。在使用曼彻斯特编码的实施例中，所述曼彻斯特编码为每个符号提供0.5的平均值，这不那么受关注。因此，在该例子中，将十五(15)位同步字选择为100110010101101，其包括八个I和七个0，平均值为
0.533。在示例性方法的第四步即最后一步中，通过如下方法确定一组可用地址:构造同步字、地址字和命令字的所有可能的序列；确定长度LS的可能的样本序列，所述长度LS通过取得同步+地址+命令+同步序列减去始于每个可能偏移处的一个符号的子集而形成；以及在一些偏移处移除与同步字具有强相关例如完美匹配或小汉明间距的那些地址。在使用二十四(24)位地址长度、三(3)位命令长度和十五位(15)位金氏码100110010101101的例子中，执行示例性方法的第四步的搜索导致从16，777，216个可能的地址中搜出69，632个地址，它们在一些偏移处生成与同步字匹配的序列。因此，在可能的地址中仅有相对较小的子集必须从可能的地址的组中移除。
[0043]重要的是应注意，相关领域的普通技术人员将认识到，可以用任何适合的方式(包括利用随机数值生成器和选择的地址和命令字)来选择同步字，以避免强相关。还重要的是应注意，同步字、地址字和命令字的长度可被选择成适合特定系统的需要。例如，可在仅需要少量接收器的系统中使用非常短的字长度，以使接收器的开启时间最小化。相似地，可选择长得多的同步地址和命令字，以便支持数量多得多的用户或命令。
[0044]调节是将消息信号添加至一些形式的载波信号的技术。换句话讲，调节涉及随着对包含待传输的数据或信息的信号进行调节而改变高频、周期性波形、载波信号中的一种或多种性能。存在模拟调节方法，其包括振幅调节、频率调节和相位调节，并且存在数字调节方法，其包括相移键控、频移键控、幅移键控和正交振幅调节。由于本发明是基于数字的系统，所以可使用如本文所示的数字调节技术。本发明的一些示例性实施例可使用开关键控来调节载波信号的振幅。载波信号可以是射频电磁信号或者可见光或红外线信号，例如从发光二极管发出的那些。调节信号在通信信道的另一端(即，接收器)处被传输、检测并进行解调。基本上，调节技术涉及数据信号合并到载波信号上的方式，但不涉及数据信号由待传输的数据或信息生成的方式。编码是这样一种技术，借由其将待通信的数据或信息构造为消息或数据信号。编码技术包括NRZ编码、双相编码和曼彻斯特编码。编码可被认为是数字调制器的附加功能。
[0045]曼彻斯特编码是一种通用的数据编码技术。曼彻斯特编码涉及将数据速率时钟添加至即将在通信信道的接收端上被利用的数据或信息。曼彻斯特编码是一种将正确的过渡添加至与即将通过通信信道进行传输的数据或信息相关的消息信号的方法。
[0046]对于以下讨论，利用了多个惯用定义。“符号”是通过通信信道发送的一个信息单位。在本发明中，符号的值通过在不同时间处通信信道上的电压来确定。“符号时间”简单地指符号的持续时间。“符号率”是符号时间的倒数，用符号/秒来表达。每个符号可代表二进制数据流或多位值中的一位。对于曼彻斯特编码符号，存在两种可能的电压电平(高或低)，并且每个符号包括针对符号时间的前半部分的一种电压电平，以及针对符号时间的后半部分的另一种电压电平。根据本发明，使用的惯例是在前半部分符号时间内的电压电平限定符号的值。这在随后有详细解释。曼彻斯特数据总是具有中间符号过渡，即便符号值在长时间内恒定或者即便它们不断改变亦是如此。此外，在信号电平中，可能不存在从一个符号的末端到下一个符号的起点的过渡，例如，O到I符号将在O的末端处和I符号的起点处具有高电压电平，但总是存在中间符号过渡。“样本”是从时间中的一瞬或从时间中的小窗口捕集或记录的值。根据本发明，对输入信号周期性地取样，并且由每个样本的值确定当前符号的值。周期性取样的速率为“取样率”。对于曼彻斯特解码，对输入信号进行“过取样”，意指使用了为符号率至少2X倍大的取样率。在本发明中，使用8x过取样。因为符号值由前半部分符号时间内的电压电平确定，所以技术人员只需要在符号时间的前半部分内进行取样。因此，取样可被停止，并且在有限的一些时间内节省了电力。
[0047]根据本发明的示例性实施例，使用了曼彻斯特编码。在曼彻斯特编码中，传输符号被分成两部分，一部分具有O值，另一部分具有I值。例如，如果符号的前半部分为O而后半部分为1，那么其为O符号，然而如果符号的前半部分为I而符号的后半部分为0，那么其为I信号。因此，每个传输符号具有符号中心过渡或边缘，并且不管传输的是数据位还是符号的序列，这些过渡皆可以用每个符号检测到。图2示出了与本发明结合使用的O和I的曼彻斯特符号。
[0048]如相关领域已知的，接收器可以对传输的数据符号进行八⑶或十六(16)倍的过取样，并检测符号过渡的中心。通过对连续符号之间的取样间隔的数目进行计数，接收器可以调整其取样点，从而与传输的数据流同步。曼彻斯特编码的另一个优势是每个符号具有一半的平均值，从而使得在保持传输的数据的一半的平均值的同时任何码字能够被利用至IJ。这简化了在接收器中的比较器处对数据检测的阈值的调整或跟踪。曼彻斯特编码要求每个符号中至少有四个样本被使用到，并且给定带宽的数据速率为使用NRZ编码时的一半，这可能是一个缺点。
[0049]可使用以下方法，在接收器处实施曼彻斯特数据解码。以下示例性方法代表用一串曼彻斯特编码的符号来取样和保持对齐的方法。在示例性方法中，假定接收器采用8x过取样，从而提供八⑶个样本/符号或四⑷个样本/半个符号。在示例性方法的第一步中，对信号进行取样，直到发现数据过渡或边缘为止。在示例性方法的第二步中，必须确定输入信号是可以与用于确定获取样本的时间的时钟对准还是可以与该时钟同相。首先，检查连续的样本值，以发现或寻找从I到O或从O到I的过渡。如果发现了过渡，则假定其可以是中间符号过渡。如果其实际上是中间符号过渡，那么在特定时期内不采集额外的样本。基本上，可以从中间符号过渡向前跳转到应当位于下一个“前半部分符号时间”的中间的样本时间。这是以8x过取样时的随后的3/4符号，或随后的六(6)个样本。在示例性方法的第三步中，重复前两步直到已过了足够长的时间，以确保接收器经过了容许的连续I的最长运行。此时，保证数据过渡与O位对齐，其中
[0050]a.00- >..这些是符号之间的“伪”边缘；
[0051]b.01- >..这些是中间符号过渡边缘；
[0052]c.10- >..这些是中间符号过渡边缘；以及
[0053]d.11- >..这些是符号之间的“伪”边缘。
[0054]在示例性方法的第四步中，对信号进行取样，直到发现数据过渡或边缘为止。在示例性方法的第五步中，重复第二步的方法，以再次确定输入信号是可以与用于确定获取样本的时间的时钟对准还是可以与该时钟同相。在示例性方法的第六步即最后一步中，重复第四步和第五步，直到采集完所需数量的样本为止。
[0055]下面示出的示例性方法代表了检测并解码由许多串在一起的符号构成的整条消息的方法。上文示出的示例性方法的曼彻斯特符号解码发生在下述的示例性方法的每一步中。该示例性方法在接收器处实施。在示例性方法的第一步中，接收器开始处于空闲(IDLE)状态，并等待直到被激活。当被激活时，接收器转到初始(INITIAL)状态。在示例性方法的第二步中，接收器进入初始状态。在初始状态中，接收器取得或捕获足够的样本，以确保取样与曼彻斯特数据流对齐(上述示例性方法的前三个步骤)。对于模拟电路或比较阈值，这可能需要额外的稳定时间。然后，接收器转到下一状态；即，同步搜索(SYNCHRONIZATIONSEARCH)状态。在下一步中，接收器进入同步搜索状态。如果在LS+LA+LC+1符号之后未发现同步，那么接收器退出至结束(END)状态。然而，如果发现同步，那么接收器转到地址搜索(ADDRESS SEARCH)状态。在示例性方法的第四步中，接收器进入地址搜索状态。如果未发现有效地址，那么接收器退出至结束状态。然而，如果发现有效地址，那么接收器转到命令搜索(COMMAND SEARCH)状态。在示例性方法的第五步中，接收器进入命令搜索状态。如果发现有效命令，则设置标志以警示系统发现了何种命令，同时接收器转到结束状态。在示例性方法的第六步即最后一步中，接收器进入结束状态。一旦接收器被关闭，接收器的状态机便进入空闲状态，等待被重新激活并随后重复该方法。图3示出了期望的数据取样点以及上升或中间符号边缘。
[0056]在采用曼彻斯特编码的情况下，因为接收器的取样时间基准在每个中间符号过渡处被有效更新，那么还可以在不进行频率采集的情况下实施接收器，只要发射器和接收器之间的频率差小于约+/_百分之十五(15)即可。这使得接收器的时基(例如RC振荡器)能够简化，从而提供较之陶瓷谐振器或基于石英晶体的振荡器低得多或降低的复杂度以及小得多或减小的体积和电流损耗。在这些情况下所得的最坏情况取样点在图4和5中示出。在本发明的替代示例性实施例中，接收器时钟或时基的频率可被调整为与传输符号率对齐。
[0057]频率对齐和曼彻斯特解码可以采用以下的示例性方法来实施。在示例性方法的第一步中，对信号进行取样，直到发现数据过渡或边缘为止。在示例性方法的第二步中，必须确定输入信号是可以与用于确定获取样本的时间的时钟对准还是可以与该时钟同相。首先，检查连续的样本值，以发现或寻找从I到O或从O到I的过渡。如果发现了过渡，则假定其可以是中间符号过渡。如果其实际上是中间符号过渡，那么在特定时期内不采集额外的样本。换句话讲，可以从中间符号过渡向前跳转到应当位于下一个“前半部分符号时间”的中间的样本时间。这是以8x过取样时的随后的3/4符号，或随后的六(6)个样本。在示例性方法的第三步中，将前两个步骤重复两次，以确保数据符号被检测到。在示例性方法的第四步中，将取样计数设置为零，并执行取样，直到发现数据转换或边缘为止。如果取样计数低于目标过渡取样计数，那么接收器的取样时钟频率将升高。如果取样计数高于目标过渡取样计数，那么接收器的取样时钟频率将降低。在示例性方法的第五步中，重复第二步的方法。在示例性方法的第六步中，重复第四和第五步，直到已过了足够长的时间，以确保接收器经过了容许的连续I的最长运行。在示例性方法的第七步中，将取样计数设置为零，并对信号进行取样，直到发现数据过渡或边缘为止。任选地，如果取样计数低于目标过渡取样计数，那么接收器的样本时钟频率可升高，而如果取样计数高于目标过渡取样计数，那么接收器的样本时钟频率可降低。在示例性方法的第八步中，重复第二步的方法。在示例性方法的第九步即最后一步中，重复第七步和第八步，直到采集完所需数量的样本为止。
[0058]重要的是应注意，正如所有协议一样，使用较长的同步字和地址长度将升高成功检测的阈值，并从而降低出错率。
[0059]如上文所述，根据本发明的通信协议可与任何类型的通信系统一起使用，但是，所述通信协议在关注电力和尺寸的情况下尤其有利。一种此类系统是包括通信系统的电力角膜接触镜片。现在参见图6，其示出了示例性发射器和包括接收器的示例性光学镜片组件。如图所不，整个系统600包括控制发射器602和光学镜片组件604。控制发射器602可以包括天线606、发射器电路608、电池610和用户界面612。用户界面612可包括任何合适的界面，并且其可以是系统的任选组件。天线606还可包括任何合适的装置。电池610还可包括任何合适的装置，包括可充电电池、不可充电电池、一个或多个电容器和利用AC适配器工作的电源。用户界面612联接到发射器电路608，并且可以提供按钮或类似装置，以用于使用者控制和/或观察发射器电路608的状态。换句话讲，用户界面612可以包括任何合适的装置，例如按钮、触摸屏显示器或任何其它已知的装置，使用者或操作者可以通过该装置向发射器电路608发送命令以及与发射器电路608通信。发射器电路608生成电传输信号，并且向天线606提供该电传输信号，以传递传输电磁信号601。传输电磁信号601可以基于由使用者/操作者提供的控制信息，和/或可以基于发射器602的内部状态。光学镜片组件604还可以包括天线614、电子电路616和镜片结构618，其中天线614和电子电路616与该镜片结构618结合。尽管未不出，但是发射器和接收器均包括合适的电源。
[0060]本发明涉及用于通信系统的无线协议，所述通信系统可用于进行发射器和接收器之间的通信，其中所述接收器被结合到眼科镜片内。无线协议可与任何类型的通信信道结合使用，其包括无线射频和红外技术。接收器的类型取决于所选择的具体通信信道，但其可以以相关领域已知的任何合适的方式结合到眼科镜片中。发射器的类型还取决于通信信道，并且可以结合到任何合适的装置中，所述装置例如为手持表链、智能电话、手表、戒指或基站例如用于眼科镜片的消毒盒。
[0061]尽管所示出并描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显然，对所述和所示的具体设计和方法的变更对本领域中的技术人员来说不言自明，并且可使用这些变更形式而不脱离本发明的实质和范围。本发明并非局限于所述和所示的具体构造，而是应该理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。
【权利要求】
1.一种用于无线数据通信的方法，所述方法包括以下步骤:组装消息帧，所述消息帧包括同步字、地址字和数据字；在最短传输持续时间内，从无线发射器重复传输所述消息帧；在接收器处，周期性地在所传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与所述消息帧的长度加上一个同步字减去一个符号的长度一样长；在所述接收器处，确定传输的消息帧是否包括对应于所述预定的同步字的同步字；以及在所述接收器处，仅当发现所述预定的同步字时，对所述传输的消息帧进行解码。
2.根据权利要求1所述的用于无线数据通信的方法，其中组装消息帧的步骤包括移除与所述同步字结合的地址字，所述地址字和所述数据字与同步字具有既定的最小相关性。
3.根据权利要求2所述的用于无线数据通信的方法，其中组装消息帧的步骤还包括利用金氏码序列生成所述同步字。
4.根据权利要求2所述的用于无线数据通信的方法，其中针对所述消息帧中的每一位，利用曼彻斯特编码对所述消息帧进行编码。
5.根据权利要求1所述的用于无线数据通信的方法，其中周期性地在所述传输的消息帧中搜索预定的同步字的步骤具有短于所述最短传输持续时间的周期。
6.根据权利要求1所述的用于无线数据通信的方法，其中所述地址字对应于设备地址。
7.根据权利要求1所述的用于无线数据通信的方法，其中所述地址字对应于寄存器地址。
8.根据权利要求1所述的用于无线数据通信的方法，还包括在消息帧的末端处添加奇偶校验位的步骤。
9.一种用于无线数据通信的方法，所述方法包括以下步骤:组装消息帧，所述消息帧包括同步字和数据字；在最短传输持续时间内，从无线发射器重复传输所述消息帧；在接收器处，周期性地在所述传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与所述消息帧的长度加上一个同步字减去一个符号的长度一样长；在所述接收器处，确定传输的消息帧是否包括对应于所述预定的同步字的同步字；以及在所述接收器处，仅当发现所述预定的同步字时，对所述传输的消息帧进行解码。
10.一种无线通信系统，包括:发射器，所述发射器包括发射器电路和编码电路，所述编码电路被配置成组装具有至少同步字和数据字的消息帧，并且所述发射器被配置成在最短传输持续时间里重复地传输所述消息帧；传输通道；和接收器，所述接收器包括接收器电路和解码电路，所述解码电路被配置用于周期性地在所述传输的消息帧中搜索预定的同步字，每次同步搜索的持续时间至少与所述消息帧的长度加上所述同步字减去一个符号的长度一样长，其中在所述传输的消息帧中搜索预定的同步字的周期短于所述最短传输持续时间。
11.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述发射器电路被配置成通过所述传 输通道专门传输消息。
12.根据权利要求11所述的无线通信系统，其中所述接收器电路被配置成通过所述传 输通道专门接收消息。
13.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述发射器能够并入手持式装置中。
14.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述接收器能够并入手持式装置中。
15.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述接收器能够并入医疗装置中。
16.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述接收器能够并入植入式医疗装置中。
17.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述接收器能够并入眼科镜片中。
18.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述传输通道包括高频电磁传播通道。
19.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述传输通道包括低频电磁耦合。
20.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述传输通道包括可见光电磁传播通道。
21.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述传输通道包括红外线电磁传播通道。
22.根据权利要求10所述的无线通信系统，其中所述发射器被配置成调节载波信号并 通过所述传输通道传输所述载波信号。
23.根据权利要求22所述的无线通信系统，其中所述发射器调节所述载波信号的相 位、频率或振幅中的至少一者。
24.一种无线发射器，包括：编码电路，所述编码电路被配置成组装具有至少同步字和数据字的消息帧；和 发射器电路，所述发射器被配置成在最短传输持续时间内通过传输通道重复传输所述 消息帧。
25.一种无线接收器，包括：解码电路，所述解码电路被配置用于周期性地在传输的消息帧中搜索预定的同步字， 每次同步搜索的持续时间至少与所述消息帧的长度加上所述同步字减去一个符号的长度 一样长，其中在所述传输的消息帧中搜索预定的同步字的周期短于所述最短传输持续时 间；和接收电路，所述接收电路用于接收来自传输通道的传输的消息。
【文档编号】H04L1/00GK103516482SQ201310254760
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月25日 优先权日:2012年6月25日
【发明者】A.托纳, S.R.汉弗莱斯, R.B.皮尤, D.B.奥特斯, W.C.尼莱 申请人:庄臣及庄臣视力保护公司