Абонентская станция для шинной системы и способ совместимой с протоколом CAN широкополосной передачи данных
SUBSCRIBER STATION FOR BUS SYSTEM AND METHOD COMPATIBLE WITH BROADBAND DATA TRANSMISSION CAN PROTOCOL

Настоящее изобретение относится к абонентской станции для шинной системы и к способу совместимой с протоколом CAN широкополосной передачи данных, обеспечивающим возможность связи в шинной системе CAN при более высоких скоростях передачи, превосходящих соответствующие характеристики технологии CAN-FD (CAN с гибкой скоростью передачи данных).
Автомобильные шинные системы неуклонно развиваются в направлении увеличения ширины полосы пропускания, уменьшения времен задержки и ужесточения требований к работе в режиме реального времени. В технике обмена информацией между датчиками и блоками управления широкое распространение получила шинная система CAN. В шинной системе CAN передача сообщений осуществляется по протоколу CAN, описываемому, например, спецификацией CAN в стандарте ISO 11898. В последнее время в отношении передачи данных были предложены новые технологии, например, технология CAN-FD, согласно которой передача сообщений осуществляется в соответствии со спецификацией протокола CAN с гибкой скоростью передачи данных (CAN with Flexible Data Rate, спецификация в версии 1.0, источник - http://www.semiconductors.bosch.de), и т.д. Подобные технологии за счет применения более высокой тактовой частоты в области полей данных обеспечивают увеличение максимально возможной скорости передачи данных до значений, превышающих 1 Мбит/с.
Наряду с ранее предложенными функциональными дополнениями, такими как режим TTCAN (Time Triggered CAN = синхро-временной коммутационный режим CAN), недавно предложенная технология CAN-FD позволила расширить стандарт CAN, в частности в том, что касается возможной (более высокой) скорости передачи данных и полезного объема пакетов передаваемых данных, при сохранении изначально присущих протоколу CAN особенностей, в частности арбитража шины. Кроме того, было изменено представление сигналов в информационной части кадра, в основном за счет более высокой частоты смены состояний сигнала (между высоким и низкими уровнями).
В публикации DE 102009026961 А1 описывается способ передачи данных между абонентскими станциями шинной системы, предусматривающий расширение существующего сигнала CAN и соответствующего коммуникационного устройства в отношении использования высокочастотных сигналов, вводимых в линию передачи в любой форме (параллельно во времени потоку данных CAN или со встраиванием в него). При этом, в частности, было предложено согласовывать высокочастотный сигнал (синхронизация, запуск) с сигналом CAN.
В настоящее время рассматриваются возможности передачи данных в автомобильных шинных системах с еще более высокими скоростями, превосходящими характеристики CAN-FD и находящимися, в частности, в диапазоне от 5 до 100 Мбит/с. Однако при этом также нужно обеспечить возможность работы абонентских станций, настроенных на более высокие скорости передачи, в смешанных сетях совместно с абонентскими станциями или узлами, работающими по существующему протоколу CAN. При этом проблемой является то, что в этом случае во входящих в состав такой шинной системы абонентских станциях, работающих по протоколу CAN, может потребоваться адаптация прикладного программного обеспечения к сети с более высокими скоростями передачи, поскольку такая адаптация прикладного программного обеспечения в большинстве случаев сложна и поэтому затратна.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создания абонентской станции для шинной системы и разработки способа, которые позволили бы решить вышеназванные проблемы. В частности, необходимо разработать абонентскую станцию для шинной системы и соответствующий способ, которые обеспечили бы усовершенствование структур сигналов, передаваемых по протоколу CAN, и необходимых для этого коммуникационных устройств для более высоких скоростей передачи данных без адаптации программного обеспечения, в частности прикладных программ.
Эта задача решается в абонентской станции для шинной системы, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения. Предлагаемая в изобретении абонентская станция содержит формирующее импульсы устройство для формирования сообщения из импульсов таким образом, что сообщение содержит обучающую (настроечную) последовательность, в которой содержится информация для определения характеристики канала между данной абонентской станцией и другой входящей в состав шинной системы абонентской станцией, которой должно быть послано сообщение, и/или абонентская станция содержит корректирующее устройство для коррекции сигнала, принятого абонентской станцией, на основе обучающей последовательности, содержащейся в сообщении, сформированном формирующим импульсы устройством другой абонентской станции.
При этом формирующее импульсы устройство выполнено с возможностью формирования сообщения таким образом, что обучающая последовательность находится в сегменте данных, передаваемом со скоростью, более высокой, чем предусмотренная протоколом CAN скорость, и расположенном после заголовка и перед концевиком сообщения, заголовок сообщения формируется согласно протоколу CAN, арбитраж проводится в известной из протокола CAN форме, концевик сообщения также формируется согласно протоколу CAN, корректирующее устройство выполнено с возможностью оценки канала на основе обучающей последовательности и с возможностью использования оценки канала для компенсации искажений в принятом абонентской станцией сигнале или для коррекции этого сигнала.
Предлагаемая в изобретении абонентская станция позволяет использовать в среднем сегменте кадра CAN коммуникационные форматы нового типа. При этом обмен данными, в частности, не предполагает параллельного функционирования какой-либо дополнительной системы, но предлагается ряд подходов и предложений по совершенствованию присущей протоколу CAN структуры сообщений с целью достижения высоких скоростей передачи данных.
Кроме того, использование предлагаемой в изобретении абонентской станции позволяет усовершенствовать шинную систему CAN для достижения более высоких скоростей передачи, превосходящих соответствующие характеристики CAN-FD, таким образом, что значимые особенности применения изобретения остаются в соответствии с существующими принципами CAN. Этим достигается возможность эксплуатации смешанных шинных систем, при которой абонентские станции, рассчитанные на более высокие скорости передачи, работают в смешанных сетях с абонентскими станциями или узлами, поддерживающими существующий протокол CAN.
В зависимости от необходимости описанная выше абонентская станция также применима в системах, которые могут обрабатывать данные, передаваемые со скоростями, превосходящими соответствующие характеристики CAN-FD.
Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой в изобретении абонентской станции охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
В сегменте данных сообщения могут вводиться в шинную систему в виде сигналов, передаваемых с высокой скоростью, посредством выходного каскада передатчика с постоянным полным сопротивлением.
Формирующее импульсы устройство может быть выполнено таким образом, что оно помещает обучающую последовательность в начало или в середину сегмента данных, расположенного между заголовком и концевиком сообщения, и/или формирующее импульсы устройство может быть выполнено таким образом, что оно формирует данные в сегменте данных с битовой скоростью в диапазоне от 5 до 100 Мбит/с. При этом формирующее импульсы устройство также может быть выполнено таким образом, что сегмент данных также содержит параметры, информационные биты и контрольную сумму, расположенные в последовательности их перечисления, причем информационные биты содержат информацию, передаваемую данной абонентской станцией, выступающей в качестве отправителя, другой абонентской станции, выступающей в качестве получателя
Далее, корректирующее устройство может быть выполнено с возможностью коррекции принятого абонентской станцией сигнала согласно алгоритму DFE (эквалайзинга/выравнивания с решающей обратной связью, или обратной связью по решению, от англ. Decision Feedback Equalization), или алгоритму BCJR (Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv), или алгоритму DDFSE (оценки последовательности с решающей обратной связью и задержкой от англ. Delayed Decision Feedback Sequence Estimation) для компенсации искажений сигнала.
Корректирующее устройство может содержать аналого-цифровой преобразователь, скомбинированный с обычным приемопередатчиком (трансивером) CAN, а формирующее импульсы устройство может содержать цифро-аналоговый преобразователь с подключенным за ним выключателем для ввода в линию шины рецессивных состояний. В дополнение к этому варианту или в качестве альтернативы ему формирующее импульсы устройство может содержать стягивающий, т.е. подтягивающий вниз (на "землю"), транзистор или приемопередатчик для ввода в линию шины доминантных состояний.
В предпочтительном исполнении абонентская станция также содержит приемопередающее устройство для непосредственного подключения к линии шины в шинной системе и управляющее связью устройство для обработки сигналов, принимаемых приемопередающим устройством, и для представления посылаемых им сообщений в форме сигналов, причем формирующее импульсы устройство и/или корректирующее устройство является(-ются) частью приемопередающего устройства или управляющего связью устройства.
Описанная выше абонентская станция может входить в состав шинной системы, содержащей линию шины и по меньшей мере две абонентские станции, соединенные друг с другом линией шины с возможностью обмена данными между собой. При этом по меньшей мере одна из по меньшей мере двух абонентских станций является описанной выше абонентской станцией.
Вышеназванная задача также решается в способе совместимой с протоколом CAN широкополосной передачи данных, охарактеризованном в пункте 14 формулы изобретения. Предлагаемый в изобретении способ включает
- формирование сообщения из импульсов, выполняемое посредством формирующего импульсы устройства таким образом, что сообщение содержит обучающую последовательность, в которой содержится информация для определения характеристики канала между абонентской станцией и другой входящей в состав шинной системы абонентской станцией, которой должно быть послано сообщение, причем обучающая последовательность находится в сегменте данных, передаваемом со скоростью, более высокой, чем предусмотренная протоколом CAN скорость, и расположенном после заголовка и перед концевиком сообщения, заголовок сообщения формируется согласно протоколу CAN, арбитраж проводится в известной из протокола CAN форме, и концевик сообщения также формируется согласно протоколу CAN,
- оценку канала корректирующим устройством на основе принятой обучающей последовательности,
- коррекцию принятого абонентской станцией сигнала, выполняемую посредством корректирующего устройства на основе принятой обучающей последовательности, содержащейся в сообщении, сформированном формирующим импульсы устройством, причем корректирующее устройство использует оценку канала для компенсации искажений в принятом абонентской станцией сигнале или для коррекции этого сигнала.
Предлагаемый в изобретении способ обеспечивает те же преимущества, что рассмотрены выше в отношении абонентской станции.
Другие возможные формы реализации изобретения также включают в себя не описанные в явном виде комбинации признаков или форм осуществления изобретения, описанных выше или описываемых ниже на примерах осуществления изобретения. При этом специалист также сможет включить отдельные аспекты в качестве улучшений или дополнений в соответствующую базовую форму осуществления изобретения.
Ниже изобретение подробнее описывается на примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - упрощенная блок-схема шинной системы согласно первому примеру осуществления изобретения;
на фиг. 2-4 - схематическое представление структуры сообщения, передаваемого в шинной системе согласно первому примеру осуществления изобретения;
на фиг. 5 - блок-схема, приведенная для пояснения функционирования формирующего импульсы устройства и корректирующего устройства в шинной системе согласно первому примеру осуществления изобретения;
на фиг. 6 - блок-схема, приведенная для пояснения функционирования формирующего импульсы устройства и корректирующего устройства в шинной системе согласно второму примеру осуществления изобретения; и
на фиг. 7 - блок-схема, приведенная для пояснения функционирования формирующего импульсы устройства и корректирующего устройства в шинной системе согласно третьему примеру осуществления изобретения.
Если не оговорено иного, одинаковые или функционально равнозначные элементы снабжены на чертежах одинаковыми ссылочными обозначениями.
На фиг. 1 показана шинная система 1, которая, например, может представлять собой шинную систему CAN, шинную систему с гибкой скоростью передачи данных CAN-FD (сокр. от англ. "Flexible Data Rate") и т.д. Шинная система 1 может применяться в транспортном средстве, в частности в автомобиле, летательном аппарате и т.д., или на таких объектах, как медицинское учреждение и т.д.
На фиг. 1 видно, что шинная система 1 содержит множество абонентских станций 10, 20, 30, каждая из которых подключена к линии 40 шины. По линии 40 шины между отдельными абонентскими станциями 10, 20, 30 могут передаваться в виде сигналов сообщения 3, 4, 5. Абонентскими станциями 10, 20, 30 могут быть, например, блоки управления или индикаторные устройства автомобиля.
Как показано на фиг. 1, абонентская станция 10 имеет управляющее связью устройство 11, опциональное (необязательное) формирующее импульсы устройство 12, опциональное корректирующее устройство 13, а также приемопередающее устройство 14.
Абонентская станция 20, в отличие от станции 10, имеет управляющее связью устройство 21, содержащее формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13, и приемопередающее устройство 14. Абонентская станция 30 имеет, как и абонентская станция 10, управляющее связью устройство 11, а также имеет приемопередающее устройство 34, содержащее формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13. Приемопередающие устройства 14, 34 каждой из абонентских станций 10, 20, 30 непосредственно подключены к линии 40 шины, хотя это на фиг.1 и не показано.
Как показано на фиг. 1, каждая из абонентских станций 20, 30 имеет формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13. У абонентской станции 10 наличие формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13 не является обязательным. В случае абонентской станции 20 формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13 являются частью управляющего связью устройства 21. В случае абонентской станции 30 формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13 являются частью приемопередающего устройства 34. В остальном управляющее связью устройство 21 абонентской станции 20 идентично управляющему связью устройству 11 абонентской станции 10. Кроме того, приемопередающее устройство 34 абонентской станции 30 в остальном идентично приемопередающему устройству 14 абонентской станции 10.
Управляющее связью устройство 11 служит для управления осуществляемым по линии 40 шины взаимодействием соответствующей абонентской станции 10, 20, 30 с другой из подключенных к линии 40 шины абонентских станций 10, 20, 30. Формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13 служат для передачи сообщений 3, 4, 5 с высокой скоростью передачи по линии 40 шины, имеющей топологию шины CAN, как это подробнее поясняется ниже. Управляющее связью устройство 11 может быть выполнено подобным обычному (коммуникационному) контроллеру CAN. Приемопередающее устройство 14 по своей функциональности передачи данных может быть выполнено подобно обычному приемопередатчику (трансиверу) CAN. Таким образом, посредством обеих абонентских станций 20, 30 можно реализовать формирование и передачу сообщений 3, 4 со скоростями передачи данных, более высокими, чем по технологии CAN-FD. В отличие от станций 20, 30, абонентская станция 10 как по функциональности приема, так и по функциональности передачи данных соответствует обычной абонентской станции CAN и, когда она не содержит формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13, она передает сообщения 5 по протоколу CAN.
На фиг. 2 в очень схематичной форме представлена структура сообщения 3, которое по своей структуре является идентичным сообщению 4. Соответственно, сообщение 3, также называемое кадром, имеет заголовок 31, сегмент 32 данных и концевик 33. Заголовок 31 находится в начале, сегмент 32 данных - в середине, а концевик 33 - в конце сообщения 3. Заголовок 31 кадра соответствует заголовку кадра протокола CAN, т.е. заголовку сообщения 5, за исключением того, что маркировочные биты адаптированы, в частности по значению. Концевик 33 кадра соответствует концевику кадра протокола CAN, т.е. концевику сообщения 5, за исключением того, что маркировочные биты адаптированы, в частности по значению.
Для расположенного посредине сегмента 32 данных предусмотрено не только повышение скорости передачи сигналов, обеспечиваемое формирующим импульсы устройством 12, но и переопределение всей структуры сигнала, что позволяет при еще более высоких скоростях передачи данных достичь высокой надежности. При этом не требуется ни дополнительный протокол, ни дополнительный канал передачи данных, а при создании сообщения 3, 4 формирующее импульсы устройство 12 лишь адаптирует формат сигнала. Этот формат сигнала рассчитан по форме таким образом, что даже при обычных помехах передаче сигналов, например, при облучении и т.п., и при допустимых отклонениях параметров аппаратных средств от номинальных значений, что сказывается на требованиях по синхронизации, он обеспечивает надежность передачи данных при одновременном выполнении условий спектральных масок в отношении создаваемого излучения, или электромагнитной совместимости (ЭМС).
На фиг. 3 показано, что сегмент 32 данных содержит обучающую (настроечную) последовательность 321 и данные 322. В показанном на фиг. 3 варианте обучающая последовательность 321 расположена перед данными 322, т.е. в начале сегмента 32 данных. Однако в альтернативном варианте обучающая последовательность 321 может быть расположена в середине сегмента 32 данных. Обучающая последовательность 321 позволяет всем абонентским станциям 10, 20, 30 определять характеристику соответствующего канала линии 40 шины на основе только что принятого кадра данных. Наличие характеристики соответствующего канала связано с тем, что для топологий шин CAN существуют различные пути распространения сигналов на линии 40 шины. В зависимости от рассматриваемой абонентской станции 10, 20, 30, выступающей в качестве отправителя, и взаимодействующего с ней получателя эти соединения имеют различные импульсные характеристики (отклики), которые вносят вклад в искажение сигналов.
В существующей системе CAN эта проблема решалась за счет достижения как можно более линейной структуры линии с помощью заданных оконечных сопротивлений (резисторов-терминаторов). Кроме того, относительно небольшая скорость передачи данных в сетях CAN позволяет использовать заданные уровни сигнала на шине, которые через заданное время, меньшее длительности бита или символа (битового интервала), во всех точках приема находятся в установившемся состоянии. При более высокой битовой или символьной скорости эффекты распространения сигналов на линии 40 шины приводят к заметному перекрестному влиянию двух следующих друг за другом передаваемых символов, вследствие чего при высокоскоростной передаче корректирующим устройством 13 выполняется компенсация (коррекция) искажений сигнала. В параллельной шине, ввиду ее широковещательной характеристики, установление связи между двумя абонентскими станциями 10, 20, 30, как это используется, например, в продукции фирмы "Broadcom", обозначаемой зарегистрированным товарным знаком BroadR-Reach, при необходимости со скорректированным предыскажением, невозможно реализовать в виде соединения между двумя абонентскими станции 10, 20, 30.
Согласно фиг. 4 сегмент 32 данных дополнительно содержит в данных 322 параметры 3221, информационные биты 3222 и контрольную сумму CRC 3223. С помощью параметров 3221, используемых, например, в качестве дополнительных параметров, и контрольной суммы CRC, которая при необходимости может быть увеличена, можно дополнительно обеспечить целостность сообщения 3 как пакета данных. В информационных битах 3222 содержится информация, которая должна быть послана одной из абонентских станций 10, 20, 30, выступающей в качестве отправителя, соответствующему получателю в шинной системе 1.
В рассматриваемом примере осуществления изобретения в среднем сегменте 32 данных используется линейная модуляция на основе амплитудно-импульсной модуляции АИМ (англ. сокр. РАМ). В качестве альтернативы этой модуляции могут использоваться методы с применением нескольких несущих, например, метод мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM), и т.д., однако эти методы обладают особенностями, невыгодными в отношении производительности и экономичности реализации.
n
В рассматриваемом примере осуществления изобретения при преобразовании (mapping) амплитудно-импульсная модуляция отображает биты, опционально кодированные и перемеженные, в модуляционные символы. В случае 2-уровневой АИМ n-элементные наборы передаваемых битов отображаются в уровни сигнала. Например, для реальной четырехуровневой амплитудно-импульсной модуляции используются следующие уровни: +1 В (00), +0,33 В (01), -0,33 В (11), -1 В (10).
Импульсная форма посылаемого сообщения 3, 4 рассчитывается формирующим импульсы устройством 12 в соответствии со спектральными требованиями (масками). В качестве примера передаваемого импульса рассматривается импульс Найквиста, причем при формировании импульсов в качестве фильтра передачи особенно подходит фильтр с характеристикой "корень из приподнятого косинуса". В этом случае у получателя сообщения 3, 4 в соответствующем приемном фильтре возникает полный импульс в форме приподнятого косинуса. За счет избыточной двукратной дискретизации фильтр передачи может быть представлен цифровым. Для ограничения полосы частот (подавление помех спектрального наложения, или антиалайзинг) используется дополнительный аналоговый фильтр, что при цифровой предварительной фильтрации может быть реализовано заметно проще.
Пример: Частота дискретизации 40 МГц (избыточная двукратная дискретизация) и коэффициент скругления 0,5 дают ширину полосы 15 МГц при символьной скорости (частоте передачи символов) 20 МГц. Для четырехуровневой амплитудно-импульсной модуляции (4-АИМ) достигается номинальная битовая скорость 40 Мбит/с.
На другой стороне тракта передачи предусмотрено корректирующее устройство 13 для приема сообщения 3, 5. Корректирующее устройство 13 выполняет в случае приема сообщения 3, 5 следующие действия:
- согласование уровней напряжения посредством АРУ (автоматическое регулирование усиления);
- синхронизация (хронирование, такт дискретизации, начальная метка);
- оценка канала;
- расчет фильтров (прямого фильтра и фильтра обратной связи для DFE-эквалайзинга, т.е. эквалайзинга/выравнивания с решающей обратной связью), при необходимости - адаптация;
- компенсация искажений.
С межсимвольной интерференцией (МСИ), возникающей в принятом сигнале вследствие прохождения по искажающему каналу связи, справляются путем применения в станции-получателе компенсации искажений. Необходимую информацию о состоянии канала, например, в виде импульсной характеристики, для оценки канала, получают на основе обучающей последовательности 321. В случае сильных различий в тактовой частоте между одной из абонентских станций 20, 30, выступающей в качестве отправителя, и другой из абонентских станций 20, 30, выступающей в качестве получателя, помимо отслеживания тактовой синхронизации также нужно выполнять адаптивное отслеживание оценки канала и получаемых отсюда коэффициентов фильтра. В случае опционального применения трансформатора (для гальванической развязки) получают подавленную постоянную составляющую, которую можно отдельно отслеживать в детекторе.
На фиг. 5 показана структура формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13, входящих в состав приемопередающего устройства 34. Корректирующее устройство 13 используется вместо компаратора обычного приемопередатчика (трансивера), работающего по протоколу CAN. При этом корректирующее устройство 13 образует, например, структуру эквалайзинга с решающей обратной связью (также называемой обратной связью по решению), ниже сокращенно называемую DFE-структурой, как показано на фиг. 5. Необходимая для коррекции импульсная характеристика 120 канала, которая может быть представлена сигналом b(k), содержится в обучающей последовательности 321 (фиг. 3).
0
0
0
На фиг. 5 приведена принципиальная схема DFE-структуры с предвключенной моделью канала. Помеху в канале или линии 40 шины представляет сигнал n(k) и фильтр 341 с передаточной функцией G(z), соответствующей результату z-преобразования дискретной во времени последовательности g(k). Принятый абонентскими станциями 10, 20, 30 сигнал является результатом прохождения переданного сигнала а(k) по каналу, смоделированному фильтром 342 с передаточной функцией H(z). В точке 343 получаемые сигналы суммируются и затем подаются в фильтр 344. Таким образом, на вход фильтра 344 поступает сигнал, принятый абонентской станцией 30. Фильтр 344 является возможным дополнительным предусмотренным в приемопередающем устройстве 34 фильтром с передаточной функцией F(z). Фильтр 344 может использоваться для концентрирования энергии сигналов, но для упрощенного рассмотрения также может быть принято допущение, что он имеет постоянную передаточную функцию, например F(z)=1. Затем из выданного фильтром 344 сигнала в точке 345 вычитается смоделированная помеха. Нормированную импульсную характеристику 120 канала составляют как результирующий общий канал из модулированного фильтром 342 канала и выхода фильтра 344. На фиг. 5 компенсированный по времени прохождения общий канал представлен функцией B(z) - результатом z-преобразования функции b(k). Значение при k=0 представляет рассматриваемый для принятия решения центральный (главный) отвод, а последующие значения при k>0 соответствуют отводам предшествующих символов или битов. Для коэффициентов b(k) импульсной характеристики 120 канала действительно равенство: b(k)=0, в результате чего центральный отвод фильтра 347 исключается, что отражено членом -1 фильтра 347, определенного как B(z)-1. Центральный отвод имеет, например, значение 1. Затем сигнал , полученный в результате компенсации корректирующим сигналом после суммирующего звена 345, подается в узел 346 выбора решения, который соответствует компаратору обычного приемопередающего устройства, или приемопередатчика (трансивера) CAN. Затем принятый сигнал, скорректированный корректирующим устройством 13, оказывается в распоряжении управляющего связью устройства 11 или 21 для дальнейшей обработки. На фиг. 5 член k представляет связанную с принятием решения задержку, где k - задержка отфильтрованного сигнала после фильтра 344, которую можно оптимизировать с помощью фильтра 344 с передаточной функцией F(z) и которая здесь при упрощенном рассмотрении полагается равной нулю: k=0.
Например, справедливы следующие выражения:
- пример импульсной характеристики канала h(k)=δ(k)+0,5 δ (k-1)+0,2 δ (k-2);
- импульсная характеристика канала перед фильтром f(k)=δ(k)=>F(z) = постоянна;
0
- связанная с принятием решения задержка k=0.
Для данного случая рациональным решением является b(k)=h(k), a B(z)-1 соответствует импульсной характеристике канала b(k)-δ(k)=h(k)-δ(k)=0,5 δ(k-1)+0,2 δ(k-2). Здесь легко увидеть, что для обратной связи используются только символы, по которым принято решение и которые известны, поскольку текущий момент принятия решения соответствует k, а в данной импульсной характеристике учитываются только члены, относящиеся к принятым значениям (k-1, k-2), находящимся в прошлом.
Согласно приведенному выше описанию фиг. 5 формирующее импульсы устройство 12 посредством импульсной характеристики 120 канала конфигурирует (настраивает) фильтр 347. Также можно, что для повышения качества коррекции корректирующим устройством 13 еще выгоднее, конфигурировать фильтр 344 при помощи соответствующей импульсной характеристика канала, которая при определенных условиях отличается от импульсной характеристики 120 канала. Конфигурирование фильтра 344 при помощи соответствующей импульсной характеристики канала осуществляется в той же форме, что и описанное выше конфигурирование фильтра 347.
Хотя формирующее импульсы устройство 12 и корректирующее устройство 13 могут быть очень просто реализованы в приемопередающем устройстве 34, их реализация также возможна в управляющем связью устройстве 11, как это показано в отношении управляющего связью устройства 21 абонентской станции 20.
В соответствии с рассматриваемым примером осуществления изобретения предлагаемый в изобретении способ следит за сигналом на шине CAN во время передачи и корректирует этот сигнал при помощи представленной выше DFE-структуры. При этом выгоду дает знание импульсной характеристики канала, зависящей от сочетания отправителя и получателя, как описано выше. Импульсная характеристика оценивается на основе обучающей последовательности 321 в получателе сообщения 3, 4. Задержка сигнала сообщения 3, 4 в принципе не задается, но может использоваться для других оптимизационных мероприятий, в частности оптимизации фильтра.
Таким образом, рассмотрена новая концепция для физического уровня и предложены абонентская станция и способ, обеспечивающие дальнейшее развитие шинной системы CAN в направлении более высоких скоростей передачи данных, превосходящих характеристики протокола CAN-FD и находящихся, в частности, в диапазоне от 5 до 100 Мбит/с. Для достижения совместимости с абонентскими станциями 10, работающими по существующему протоколу CAN, по расширенной спецификации сосуществования, а также пути миграции для системы CAN, структуры сигнала шины CAN сохранены, особенно в заголовке и концевике кадра протокола CAN, такого как сообщение 5, и дополнены более сложной формой передачи в среднем сегменте кадра протокола CAN, обеспечивающей достижение высокой эффективной скорости передачи данных. В частности, использование (опциональное) более высокого числа элементов полезных данных в сегменте 32 данных позволяет достичь очень высокой максимальной скорости передачи данных. Одну возможную технику представляет собой описанное применение многоступенчатой модуляции в сегменте данных CAN. Эта модуляция может быть построена на основе известных методов, например, амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) и модуляции с использованием нескольких несущих (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов, англ. сокр. OFDM) - также в комбинации различных методов и, помимо основной полосы частот, также может использовать более высокие частотные диапазоны. Благодаря соответствующей структуре передней части сообщения, т.е. заголовка 31 кадра, арбитраж проводится в прежней, известной из протокола CAN форме, причем планирование и назначение идентификаторов CAN также проводится в прежней форме. Для высокоскоростной части кадра в его среднем сегменте, т.е. сегменте 32 данных, сообщения 3, 4 вводятся в шинную систему 1 в виде сигналов посредством выходного каскада передатчика с постоянным полным сопротивлением. Ввиду возможных отражений на линии 40 шипы в станции-получателе предусмотрены методы компенсации искажений сигнала, выполняемые корректирующим устройством 13 и учитываемые в структуре формата кадра.
На фиг. 6 показан второй пример осуществления изобретения в отношении аппаратной реализации формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13. В соответствии с этим примером для аппаратной реализации формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13 возможны комбинации, состоящие из приемопередатчика 14, поддерживающего уже существующий протокол CAN и подключенного к линии 40 шины, и дополнительных аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей 131, 121. На фиг. 6 в качестве примера воспроизведена несимметричная схема внутреннего включения резисторов с использованием подтягивающего резистора 124.
Согласно фиг. 6 приемная часть, т.е. корректирующее устройство 13, выполнена посредством аналого-цифрового преобразователя 131 с соответствующей схемой 132 дополнительной обработки. Передающая часть, т.е. формирующее импульсы устройство 12 (фиг. 1), реализована посредством цифро-аналогового преобразователя 121 с подключенным за ним усилителем 122, причем цифро-аналоговый преобразователь 121 можно включать в высокоомное состояние (выключать) посредством выключателя 123. За счет этого через резистор 124 может осуществляться ввод рецессивных состояний.
На фиг. 7 показан третий пример осуществления изобретения в отношении аппаратной реализации формирующего импульсы устройства 12 (фиг. 1) и корректирующего устройства 13 (фиг. 1). При этом дополнительно к показанным на фиг. 6 элементам в формирующем импульсы устройстве 12 для представления доминантных состояний в сообщениях 3, 4 применяется стягивающий, т.е. подтягивающий вниз, транзистор или обычный приемопередатчик. Следовательно, на фиг. 7 нижняя часть схемы представлена буфером 125, стягивающим транзистором 126 и резистором 127, посредством которых осуществляется представление доминантных состояний в сообщениях 3, 4.
Согласно четвертому примеру осуществления изобретения формирующее импульсы устройство 12 вместо элементов 121, 122, 123, 124 содержит только нижнюю часть схемы, показанной на фиг. 7, для представления доминантных состояний в сообщениях 3, 4. Таким образом, в этом примере осуществления изобретения ввод рецессивных состояний в линию 40 шины не осуществляется.
Все описанные выше варианты выполнения шинной системы 1, абонентских станций 10, 20, 30 и варианты осуществления способа могут применяться по отдельности или в любых возможных комбинациях. Дополнительно возможны их модификации, в частности, рассматриваемые ниже.
Описанная выше шинная система 1, используемая в примерах осуществления изобретения, рассмотрена на примере шинной системы, основанной на протоколе CAN. Вместе с тем, шинная система 1, используемая в примерах осуществления изобретения, также может представлять собой сеть передачи данных иного рода. Целесообразно, но не обязательно, чтобы в шинной системе 1, по меньшей мере для определенных периодов времени, была гарантирована возможность исключительного бесколлизионного (т.е. исключающего коллизии) доступа абонентской станции 10, 20, 30 к общему каналу.
Шинная система 1, используемая в примерах осуществления изобретения, представляет собой, в частности, сеть CAN, или сеть TTCAN, или сеть CAN FD.
Число и расположение абонентских станций 10, 20, 30 в шинной системе 1, используемой в примерах осуществления изобретения, являются произвольными. В частности, в состав шинной системы 1 также могут входить только абонентские станции 10, или абонентские станции 20, или абонентские станции 30. Абонентские станции 10, 20, 30 не обязательно должны иметь как формирующее импульсы устройство 12, так и корректирующее устройство 13. Абонентские станции 10, 20, 30 также могут иметь только формирующее импульсы устройство 12 или корректирующее устройство 13.
Вместо структуры эквалайзинга, или выравнивания, с решающей обратной связью (DFE-структура), описанной при рассмотрении первого примера осуществления изобретения, для функционирования оценивающего устройства 12 и корректирующего устройства 13 могут использоваться любые методы компенсации искажений на основе решеток, например алгоритм BCJR (BCJR - сокращение, состоящее из инициалов разработчиков: "В" от L. Bahl, "С" от J. Cocke, "J" от F. Jelinek, "R" от J. Raviv) и/или алгоритм DDFSE (DDFSE, англ. сокр. от Delayed Decision-Feedback Sequence Estimation, оценка последовательности с решающей обратной связью и задержкой).
Существуют различные области применения абонентской станции 10, 20, 30 и выполняемого ею способа. В частности, помимо применения в системах, работающих по протоколам CAN и CAN-FD, возможно также применение в системе, работающей по протоколу FlexRay. Такие системы до сих пор не использовали методов компенсации искажений в получателе, т.е. принимающей абонентской станции.
Предлагаемый в изобретении способ может быть оптимизирован отдельно для каждого конкретного применения, например, сети CAN-FD, FlexRay и т.д. В случае нескольких областей применения конкретное применение также может автоматически распознаваться с соответствующей адаптацией. Например, в сети CAN-FD предлагаемый в изобретении способ должен выполняться быстрее, чем в сети CAN, чтобы не возникало задержек, превышающих допускаемые соответствующим протоколом.
Для передачи по каналу линии 40 шины имеется несколько располагаемых форматов передачи. Вообще передача может осуществляться в основной полосе частот, чтобы отсчеты, или значения выборки, сигнала вводились непосредственно цифро-аналоговым преобразователем 121 через усилитель 122 в линию 40 шины.
Помимо цифрового формирования импульсов в отправителе, т.е. в формирующем импульсы устройстве 12, и фильтрации сигналов в получателе, т.е. в корректирующем устройстве 13, также могут использоваться аналоговые ступени фильтрации.
В качестве альтернативы передаче в основной полосе частот также может использоваться передача с модуляцией несущей частоты модуляционными символами квадратурной амплитудной модуляции (КАМ). Модуляция несущей частоты возможна при использовании избыточной дискретизации и в цифровой области. Передача в основной полосе частот является предпочтительной реализацией, поскольку в низком диапазоне частот канал передачи обладает лучшими качествами, например, наибольшей пропускной способностью. Для модуляции в основной полосе частот используются вещественные модуляционные символы (например двух-, четырех-, восьми-, шестнадцатиуровневая АИМ).
В случае канала с малыми искажениями, обусловленными характеристиками линии, вместо когерентной передачи, требующей частотной и фазовой синхронизации, а также оценки канала, может использоваться некогерентная передача, которая, однако, обладает заметно худшей эффективностью.
Наряду с вышеупомянутой амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), в качестве возможной реализации может использоваться мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Для этого передаваемые данные отображают в символы нескольких несущих и ставят в соответствие отдельным частотам OFDM-символа. Для генерирования передаваемого сигнала символы, входящие в OFDM-символ, преобразуют во временную область посредством обратного преобразования Фурье (ОБПФ), и полученную последовательность снабжают циклическим расширением. Дополнительный интервал наблюдения (защитный интервал) должен рассчитываться по длительности так, чтобы получаемая последовательность содержала длительность межсимвольной интерференции (МСИ) канала передачи. Как правило, эта длительность составляет от 0,2 до 0,8 мкс. В случае OFDM для оценки канала используется обучающая последовательность 321. Кроме того, в OFDM-сигнале модулируются не все поднесущие, что позволяет исключить границы диапазонов во избежание эффектов наложения. Дополнительно для обеспечения возможности синхронизации в OFDM-сигнале отдельные поднесущие снабжаются обучающими символами.
В качестве основы для согласования уровней напряжения и синхронизации сообщений 3, 4 используется часть обучающей последовательности 321.
Для оценки канала может использоваться обучающая последовательность 321 определенной длины, например, длиной в 63 символа. Для этого обучающая последовательность 321 может выбираться из кодов Голда, имеющих особенно хорошие автокорреляционные свойства.
Основой для предлагаемого в изобретении способа является определение импульсной характеристики 120 канала, используемой для компенсации искажений. Для этого импульсную характеристику 120 канала передачи линии 40 шины можно оценивать на основе обучающей последовательности 321. В качестве альтернативы этому подходу импульсную характеристику 120 канала можно определять и оптимизировать непосредственно в форме сигнала b(k). Оценку импульсных характеристик 120 канала можно выполнять при помощи любых подходящих методов. В дополнение к оценке канала, выполненной на основе обучающей последовательности 321, также могут использоваться адаптивные методы, например, алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки (англ. сокр. LMS) и/или алгоритм на основе рекурсивного метода наименьших квадратов (фильтр на основе рекурсивного метода наименьших квадратов, англ. сокр. RLS).
Для стабилизации оценки и повышения точности импульсной характеристики 120 канала параметры и коэффициенты ранее принятых сообщений 3, 4, 5 или пакетов сообщений 3, 4, 5, могут ставиться в соответствие идентификаторам сообщений или передающим абонентским станциям и использоваться для принимаемых впоследствии сообщений 3, 4, 5 или пакетов сообщений 3, 4, 5.
В абонентских станциях 10, 20, 30, действующих в качестве получателя, длительность такта либо может отслеживаться путем тактовой синхронизации, либо может корректироваться путем избыточной дискретизации и интерполяции. Если дрейф часов не компенсируется, оценку канала, включая настраиваемые на ее основе фильтры, необходимо отслеживать.
Поскольку из-за сильного искажения свойства канала могут быть очень неблагоприятными, предпочтение отдается применению алгоритма DFE (с решающей обратной связью) с соответствующей предварительной фильтрацией. В качестве альтернативы для компенсации искажений могут использоваться линейные методы, такие как фильтр минимальной среднеквадратической ошибки (англ. сокр. MMSE) или фильтр, основанный на методе принудительного обнуления (англ. сокр. ZF от Zero Forcing). Вместо алгоритма DFE могут использоваться другие более сложные методы компенсации искажений (с задержкой, связанной с принятием решения), к которым относятся, в частности, алгоритм BCJR и оценка последовательности с решающей обратной связью и задержкой (DDFSE).
0
В дополнение к этому варианту или в качестве альтернативы ему для оценки канала или его импульсной характеристики 120 можно оптимизировать фильтры 341, 342, 344 в приемопередатчике 14, 34. В этой связи рассматриваются фильтры 344 (передаточная функция F(z)) и 347 (передаточная функция B(z)-1), а также задержка k, связанная с принятием решения. Для оптимизации могут использоваться различные критерии, например, достижение максимального отношения сигнал-шум на входе узла 346 выбора решения.
В качестве альтернативы требуемые коэффициенты фильтров 344, 347 устанавливаются оценивающим устройством без явной оценки импульсной характеристики 120 канала и определяются непосредственно по принятому абонентской станцией 10, 20, 30 сигналу.
Применение избыточной двукратной дискретизации с DFE-фильтром имманентно ведет к изменению частоты выборки, выполняемому в соответствии с растром дискретизации прямым DFE-фильтром, комбинирующим отфильтрованные полифазные компоненты. Поскольку от начала сегмента 32 данных до конца сегмента 32 данных такт может сдвинуться на определенную фазу, при отсутствующей тактовой синхронизации его предпочтительно отслеживать.
Режим высокоскоростной передачи может быть реализован как дополни тельный вариант режима в таком виде, чтобы соответствующее коммуникационное устройство поддерживало любые прежние режимы CAN, в том числе такие, как CAN-FD, режим частичной сети (Partial Networking) и т.д.
Кроме того, режим высокоскоростной передачи может быть реализован таким образом, чтобы в эксплуатации он мог сосуществовать с прежними режимами CAN, в том числе такими, как CAN-FD, режим частичной сети и т.д.
Разделение описанной выше функциональности формирующего импульсы устройства 12 и корректирующего устройства 13 в коммуникационном устройстве также можно реализовать, распределив описанную выше функциональность по нескольким модулям. Это позволит добиться максимально возможное подобия исполнения таких коммуникационных устройств контроллерам и приемопередатчикам, работающим в соответствии с прежними протоколами CAN. Для соединения нескольких модулей могут использоваться как аналоговые, так и цифровые интерфейсы.
Абонентские станции 20, 30 создают для сетей CAN, особенно сетей CAN-FD и систем с более высокими скоростями передачи данных, возможность, повышения качества приема в CAN-FD и таких системах в области обычных передач по протоколу CAN при использовании заметно более высокой скорости передачи данных.
Что касается функциональности в отношении принятого сигнала, предлагаемый в изобретении способ может быть реализован, например, в приемопередатчике, или приемопередающем устройстве 14, 34, в управляющем связью устройстве 21 и т.д. В качестве дополнения или альтернативы предлагаемый в изобретении способ может быть интегрирован в существующую продукцию, как это показано выше на примере абонентской станции 10.