CN100372245C - 具有低取样率的频率分集编码信号的处理系统及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有低取样率的频率分集(frequency-diversity)编码信号的处理系统及其处理方法，该处理系统利用以小于奈奎斯特率(NyquistRate)的取样率来处理频率分集编码信号。频率分集编码系统主要包含频率分集编码器、第一转换装置、总和装置、取样装置、以及频率分集解码器。频率分集编码器编是用以将多个信息区块编码并输出矩阵元。第一转换装置是用以转换矩阵元成多个正交频分复用符元。总和装置用以迭加多个频率波段以产生传送信号。取样装置是用以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号作取样。另外，频率分集解码器分析该接收信号并且对该接收信号进行解码，以识别信息区块。

Description

具有低取样率的频率分集编码信号的处理系统及处理方法
技术领域
本发明是有关于一种处理频率分集(frequency-diversity)编码信号的系统及其处理方法，且特别是有关于一种具有小于奈奎斯特率的取样率的超宽带(UWB)接收器来处理频率分集正交频分复用(OFDM)的系统及其处理方法。
背景技术
高速、短距的个人局域网络(Personal Area Network，PAN)的超宽带(UWB)系统中，频率分集正交频分复用(OFDM)一直被提供作为实体层。然而，对超宽带(UWB)系统中传送的信号而言，最大功率频谱密度却会受到限制。因此，必须利用扩频机制将传送中的频谱信号的频宽进行扩频处理，以尽可能地降低该频谱信号的功率密度。
在现有的数字信号处理(DSP)中，频率分集编码处理机制的问题是接收器必须通过高取样率的模拟-数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)对接收的基频信号做取样。然而，前述高取样率模拟-数字转换器(ADC)及数字信号处理器(DSP)不仅昂贵，并且因高工作频率缘故造成高功率的消耗。此外，在经过模拟-数字转换器(ADC)之后，数字信号处理(DSP)会以极高的工作频率运作，尤其是对于超宽带(UWB)系统而言，扩频之后的信号频率分布超过几十亿赫兹(GHz)。
超宽带(UWB)系统近来虽已被使用在高速、短距离的个人局域网络上，但是产业界仍然持续在改善应用于实体层的超宽带(UWB)系统。根据美国联邦通讯传播委员会(Federal Communications Commission，FCC)规定，超宽带(UWB)系统的传输功率光谱密度应小于-41.3dBm/Mhz。为了减少功率频谱密度的强度，必须使用扩频机制将传送中的频谱信号的频宽展开。在现有的数字信号处理(DSP)中，数种调制方式已被提供为超宽带(UWB)系统所使用，包含脉冲无线电信号、直接序列扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)以及正交频分复用(OFDM)。
结合跳频机制(frequency hopping)的正交频分复用(OFDM)是一种应用于超宽带(UWB)系统传统的扩频机制。在现有技术中，每一数据封包传送时，对应每一正交频分复用(OFDM)符元(symbol)，现有的跳频机制处理均采取跳跃至不同的频率波段，这样的机制即所谓多频带正交频分复用(Multi-BandOFDM，MB-OFDM)。然而，多频带的正交频分复用方法(MB-OFDM)需要精确并且快速的频率合成处理以恢复至基频信号。此外，瞬间功率频谱密度会因为跳频处理而变动，并因而超出美国联邦通讯传播委员会所规范的频谱规范(Spectrum Mask)。此瞬间功率频谱密度的变动已引起有关于多频带正交频分复用(MB-OFDM)是否符合美国联邦通讯传播委员会规定的广大争论。
因此需要发展实施频率分集编码正交频分复用(OFDM)的系统及其处理方法。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种频率分集编码的处理系统及其处理方法，用以解决在超频宽系统中最大功率频谱密度的问题。
另一目的在于提供一种频率分集编码处理系统及其处理方法，用以减低位于频率分集编码系统中接收器的模拟-数字转换器(ADC)以及数字信号处理器(DSP)的取样率。
根据前述目的，本发明提供一种频率分集编码的处理系统，其超宽带(UWB)接收器的取样率小于奈奎斯特率。本发明的频率分集编码系统包含：
一频率分集编码器以编辑多个信息区块，输入数据串流被组合为信息区块，每一信息区决包含多个信息位，以使频率分集编码器能输出矩阵元；
连接至频率分集编码器的第一转换装置，用以转换矩阵元成多个正交频分复用(OFDM)符元；
分别地连接至第一转换装置及调制装置的总和装置，用以迭加多个频率波段以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是由所述多个正交频分复用符元展开所构成的子载波；
信号滤波器位于接收器内，用以滤除接收信号中的噪声；
连接至信号滤波器的取样装置，用于以小于奈奎斯特率的取样率对接收信号作取样；
以及连接至第二转换装置的频率分集解码器，用以分析所述接收信号并且对该接收信号进行解码，以识别信息区块。
为实现上述目的，本发明另提供一种频率分集编码处理系统，其超宽带(UWB)接收器的取样率小于奈奎斯特率，所述系统包括：
一频率分集编码器，用以对多个信息区块作编码，其中所述多个信息区块是由至少一输入数据串流汇集而成，且每一信息区块至少包含多个信息位，以使所示频率分集编码器输出多个矩阵元；
至少一第一转换装置，连接至所述频率分集编码器，用以将所述多个矩阵元转换成多个正交频分复用符元；
一总和装置，分别连接至所述第一转换装置，用以迭加多个频率波段，以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是将所述多个正交频分复用符元展开所构成子载波；
一取样装置，以小于奈奎斯特率的取样率对来一接收信号作取样，所述接收信号为接收所述总和装置送出的传送信号所形成；
一解码器，连接至所述取样装置，以分析所述接收信号并且对所述接收信号进行解码，以识别所述信息区块。
为了实现上述目的，本发明还提供一种频率分集编码的处理方法，其超宽带(UWB)接收器的取样率小于奈奎斯特率。本发明的频率分集编码的处理方法包含：
以频率分集编码器对多个信息区块进行编码，其中信息区块由输入数据串流汇集而成，每一信息区块包含多个信息位，以使频率分集编码器能输出多个矩阵元；
以第一转换装置，将矩阵元转换成多个正交频分复用(OFDM)符元；
以总和装置，来迭加多个频率波段以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是由所述多个正交频分复用符元展开所构成的子载波；
以位于接收器内的信号滤波器，滤除接收信号中的噪声；
由取样装置以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号作取样；以及
由频率分集解码器分析该接收信号并且对该接收信号进行解码，以识别信息区块。
其中奈奎斯特率一般被定义为至少为信号频率的两倍的取样率。
对所述多个信息区块进行编码的步骤中至少包含：将所述多个信息区块编码成多个码字组(codewords)；映射所述多个码字组；以及利用区块交错器来重新排列所述多个码字组，以变换所述多个码字组的顺序。
以小于奈奎斯特率的取样率对所述接收信号作取样的步骤中，所述取样率等于所述多个正交频分复用符元的一子载波的频宽。
还包含调制并将所述多个正交频分复用符元展开成所述多个频率波段。
还包含将所述传送信号的所述频率波段由低频信号转换至高频信号。
还包含将所述接收信号的所述频率波段由高频信号转换至低频信号。
本发明提供频率分集解码处理的优点是位于接收器的基频模拟-数字转换器(ADC)与数字信号处理器(DSP)的取样率能小于奈奎斯特率。会因减小的取样率而发生交迭(alias)现象，但对接收器而言被视为传送分集。
在本发明中，为超宽带(UWB)系统提供一种新式的频率分集编码正交频分复用(OFDM)以及一种较低的取样率的接收器。该提供频率分集编码正交频分复用(OFDM)的优点是其允许接收器以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号进行取样及处理。因此，由于减小取样率的接收器，接收器的花费与功率消耗能够有效地减少。虽然取样率减小，但通过分集编码的设计接收器仍能得到有效的分集/编码增益。
附图说明
图1为绘示根据本发明的一种频率分集系统的图；
图2为绘示图1中所示，根据本发明的频率分集编码器的图；
图3为绘示根据本发明的实施频率分集系统的流程图；以及
图4为绘示以信道模块CM1比较频率分集编码、未编码正交频分复用(OFDM)系统的封包错误率的比较图。
主要附图标号说明：
102频率分集编码器            104第一转换装置
106总和装置                  108信号滤波器
110取样装置                  112频率分集解码器
114调制装置                  116升频转换装置
118信道                      120降频转换装置
122第二转换装置              202区块码编码器
204信号映射装置              206区块交错器
400H84编码正交频分复用       402G3编码正交频分复用
404未编码二相相移键控
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，现配合所附图式，作详细说明如下：
本发明提供一种新式的频率波段展开机制，用于设有正交频分复用(OFDM)调制的超宽带(UWB)系统中。该频率波段展开机制仅单纯以频率分集编码处理便可达成。频率分集编码正交频分复用(OFDM)将频率波段展开至大于原传送频宽的Mt倍，其中Mt为大于1的正整数。本发明的频率分集编码处理的重要特征为其允许接收器以小于奈奎斯特率(Nyquist Rate)的取样率来对基频接收信号进行取样及处理。会因减小的取样率而发生交迭(alias)现象，但对接收器而言被视为传送分集。
参考图1，揭示一种频率分集编码处理系统100。其频率分集编码处理系统100包含频率分集编码器102、一个或以上的第一转换装置104、总和装置106、信号滤波器108、取样装置110、以及频率分集解码器112。
频率分集编码器102编码多个信息区块，其中信息区块是由输入数据串流群集而成，每一信息区块包含多个信息位，如此频率分集编码器102能输出矩阵元。连接至频率分集编码器102的第一转换装置104，用以转换矩阵元成为多个正交频分复用(OFDM)符元。连接至第一转换装置104的总和装置106，用以迭加多个频率波段以形成具有多个子载波的传送信号。信号滤波器108能滤除接收信号中的噪声，该接收信号为接收所述传送信号所形成。位于接收器内的信号滤波器108包含低通滤波器以移除接收信号中的噪声。取样装置110例如：模拟-数字转换器(ADC)，连接至信号滤波器，以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号作取样。
特别地，为能从样本集合中获取足够信息以重组原信号，奈奎斯特率一般被定义为至少为信号频率的两倍的取样率。
在取样装置110所使用的取样率等于正交频分复用(OFDM)符元的一子载波的频宽。同时，频率分集解码器112分析该接收信号并且对该接收信号进行解码，以识别信息区块。在本发明的一实施例中，频率分集编码处理系统100还包含调制装置114、升频转换装置116、信道118、降频转换装置120、以及第二转换装置122。连接至第一转换装置104的调制装置114，用以接收正交频分复用(OFDM)符元以调制该符元并展开成频率波段。连接至总和装置106的升频转换装置116，用以使传送信号的频率波段由基频转换至较高的频率。连接至升频转换装置116的信道118，用以传输传送信号。连接至信道118的降频转换装置120，用以使传送信号的频率波段由较高的频率转换至基频。第二转换装置122例如：执行快速傅立叶转换算法的装置，连接至取样装置110，用以取得该接收信号并且对该接收信号进行解调。
其输入数据串流应被组合成区块为佳，每一区块包含K信息位，然后每一K-位区块以频率分集编码器进行编码。频率分集编码102输出一Mt×N矩阵，Mt表示在频率波段展开中所使用的波段数并可称其为传送分集的次序。矩阵的Mt列向量通过反向傅立叶转换被用以产生Mt正交频分复用(OFDM)符元，再经由在第一转换装置104中的数字-模拟转换器(DACs)。于是Mt正交频分复用(OFDM)符元被调制为不同的频率波段。
所有的传送信号均被视为带有N×Mt子载波的正交频分复用(OFDM)符元。在基频信号被升频转换装置116升频至载波频率fc再进由信道118传送后，传送信号的频宽被扩充至Mt×fd，fd是一副频带的频宽。升频转换装置116连接至总和装置106使该传送信号的该频率波段由基频转换至较高的频率。信道118连接至升频转换装置116以传输传送信号。在接收器的低通滤波器以(Mt×fd)/2的频宽用以滤除传送频带外的噪声。
参考图2，说明一频率分集编码器200，该频率分集编码器200包含多个区块码编码器202、信号映射装置204、以及区块交错器206。区块码编码器202将信息块编辑成多个码字组。连接至区块码编码器202的信号映射装置204能够将码字组映射。连接至信号映射装置204的区块交错器206是用以变换码字组。特别地，藉由两(n，k)线性区块码编码器，首先两k-位信息块被编码成两n-位码字组。两n-位码字组依各码字组分别调制的各维度被映射成正交移相键控(QPSK)。
参考图3，揭示根据本发明的执行频率分集编码处理系统的流程图。首先在步骤300，对多个信息区块进行编码，其中信息区块由输入数据串流汇集而成，并且每一信息区块包含多个信息位，以使频率分集编码器能输出多个矩阵元。在步骤302，转换矩阵元成为多个的正交频分复用(OFDM)符元。之后在步骤304，以总和装置，通过迭加多个频率波段，以形成具有多个子载波的传送信号。在步骤306，以信号滤波器滤除接收信号中的噪声。在步骤308，以取样装置，有效地以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号作取样。最后在步骤310，分析所述接收信号并且对该接收信号进行解码，以识别信息区块。
频率分集编码正交频分复用(OFDM)系统的设计允许接收器以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号进行取样。当接收器的取样率为fs＝fd，来自于kth载波的接收信号是来自不同频率波段的所有kth载波总和。本发明可透过适当地设计频率分集编码方式，使来自不同频率波段信号总和提供分集增益。
其提供编码处理的成效通过估算封包错误率模拟在图4中。X坐标代表信号噪声比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)而坐标Y定义为封包错误率(PacketError Rate)。在本发明的一实施例中，编码器产生一3×128编码矩阵。此编码矩阵是经结合16个大小均为3×8并且由后述编码处理所形成。每一8-位信息区块是以表示为H84的两个(8，4)汉明码(Hamming Code)编码器，或是以正交移相键控映射表示为G3的传统时空(space-time)编码编码成3×8矩阵。该16个3×8矩阵被连接形成一3×128的矩阵。接着d阶的区块交错器被用以变换该编码矩阵的行，而产生最后的编码矩阵。
基本上，以在数种信道量测中观察到的群聚现象来考虑超宽带(UWB)信道模块。最重要的参数是平方根(Root Mean Square，RMS)延迟展延。接下来，也考虑藉二相相移键控调制的未编码正交频分复用(OFDM)系统以估算由于使用频率分集编码而有的分集/编码增益。请注意未编码二相相移键控(BinaryPhase Shift Keying，BPSK)系统显示与编码系统完全相同的传输率。
假设该封包大小为1000字节且接收器有理想的信道状态信息。图4提出就信道模块CM1而言，H84编码的正交频分复用(OFDM)(400)、G3编码的正交频分复用(OFDM)((402)、以及未编码的正交频分复用(OFDM)(404)的封包错误率。在封包错误率为10-1时，相对于未编码的二相相移键控(404)系统，H84编码(400)有超过17dB的分集/编码增益。另外，H84编码(400)超过G3编码(402)约2dB。在本发明的一较佳实施例中，较长的编码应能视为有较好的分集增益。并且能足以证明频率分集编码正交频分复用(OFDM)系统的有效性。
总之，在本发明中，为超宽带(UWB)系统提供一种新式的频率分集编码正交频分复用(OFDM)以及一种较低的取样率的接收器。该提供频率分集编码正交频分复用(OFDM)的优点是其允许接收器以小于奈奎斯特率的取样率来对接收信号进行取样及处理。因此，由于减小取样率的接收器，接收器的花费与功率消耗能够有效地减少。虽然取样率减小，但通过分集编码的设计接收器仍能得到有效的分集/编码增益。
虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书请求保护的范围为准。

Claims (25)

1.一种频率分集编码处理系统，其特征在于包含：
一频率分集编码器，用以对多个信息区块作编码，其中所述多个信息区块是由至少一输入数据串流汇集而成，且每一信息区块至少包含多个信息位，以使所述频率分集编码器输出多个矩阵元；
至少一第一转换装置，连接至所述频率分集编码器，用以将所述多个矩阵元转换成多个正交频分复用符元；
一总和装置，连接至所述第一转换装置，用以迭加多个频率波段，以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是由所述多个正交频分复用符元展开所构成的子载波；
一信号滤波器，用以滤除一接收信号中的噪声，所述接收信号为接收所述总和装置送出的传送信号所形成；
一取样装置，连接至所述信号滤波器，以小于奈奎斯特率的取样率对来自所述信号滤波器的所述接收信号作取样；以及
一频率分集解码器，连接至所述取样装置，以分析所述接收信号并且对所述接收信号进行解码，以识别所述多个信息区块。
2.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述频率分集编码器至少包含：
多个区块码编码器，以将所述多个信息区块编译成多个码字组；
一信号映射装置，连接至所述区块码编码器，用以映射所述多个码字组；以及
一区块交错器，连接至所述信号映射装置，用以重新排列所述多个码字组，以变换所述多个码字组的顺序。
3.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于：所述第一转换装置包含选取自一装置群组中的装置，其中所述装置群组由多个反向傅立叶转换装置及数字-模拟转换器所组成。
4.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述该信号滤波器为低通滤波器，用以消除所述接收信号中的噪声。
5.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述取样装置为模拟-数字转换器。
6.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述取样装置的取样率等于所述多个正交频分复用符元的一子载波的频宽。
7.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于还包含：连接至所述第一转换装置的调制装置，用以接收所述多个正交频分复用符元，并调制所述多个正交频分复用符元以展开成所述多个频率波段。
8.根据权利要求7所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，还包含一升频转换装置连接至所述总和装置，以使所述传送信号的的频率波段由低频信号转换至高频信号。
9.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，还包含一降频转换装置，用以转换经由信道的接收信号，以使所述接收信号的所述频率波段由高频信号转换至低频信号。
10.根据权利要求1所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，还包含耦接于所述取样装置的第二转换装置，用以取得所述接收信号并且对所述接收信号进行解调。
11.根据权利要求10所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述第二转换装置包含一快速傅立叶转换装置。
12.一种频率分集编码处理系统，其特征在于包含：
一频率分集编码器，用以对多个信息区块作编码，其中所述多个信息区块是由至少一输入数据串流汇集而成，且每一信息区块至少包含多个信息位，以使所示频率分集编码器输出多个矩阵元；
至少一第一转换装置，连接至所述频率分集编码器，用以将所述多个矩阵元转换成多个正交频分复用符元；
一总和装置，分别连接至所述第一转换装置，用以迭加多个频率波段，以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是将所述多个正交频分复用符元展开所构成子载波；
一取样装置，以小于奈奎斯特率的取样率对来一接收信号作取样，所述接收信号为接收所述总和装置送出的传送信号所形成；
一解码器，连接至所述取样装置，以分析所述接收信号并且对所述接收信号进行解码，以识别所述信息区块。
13.根据权利要求12所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述第一转换装置包含选取自一装置群组中的装置，其中所示装置群组由多个反向傅立叶转换装置以及数字-模拟转换器所组成。
14.根据权利要求12所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，解码器为频率分集解码器。
15.根据权利要求12所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述取样装置包含模拟数字转换器。
16.根据权利要求12所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，所述取样率为正交频分复用符元的一子载波的频宽。
17.根据权利要求12所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，还包含一调制装置连接至所述第一转换装置，用以接收所述正交频分复用符元，以调制并将所述多个正交频分复用符元展开成所述多个频率波段。
18.根据权利要求17所述的频率分集编码处理系统，其特征在于，还包含一升频转换装置连接至所述总和装置，以使所述传送信号的所述频率波段由低频信号转换至高频信号。
19.根据权利要求18所述的频率分集编码处理系统，其中还包含一降频转换装置，用以转换经由信道的接收信号，以使所述接收信号的所述频率波段由高频信号转换至低频信号。
20.一种频率分集编码处理方法，其特征在于包含下列步骤：
对多个信息区块进行编码，其中所述多个信息区块是由至少一输入数据串流汇集而成，且每一信息区块至少包含多个信息位，以使所述频率分集编码器输出多个矩阵元；
将所述多个矩阵元转换成多个正交频分复用符元；
迭加多个频率波段，以形成具有多个子载波的传送信号，其中所述多个子载波是由所述多个正交频分复用符元展开所构成的子载波；
滤除一接收信号中的噪声，所述接收信号为接收所述传送信号所形成；
以小于奈奎斯特率的取样率对来自所述信号滤波器的所述接收信号作取样；以及
分析所述接收信号并且对所述接收信号进行解码，以识别所述多个信息区块。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，对所述多个信息区块进行编码的步骤中至少包含：
将所述多个信息区块编码成多个码字组；
映射所述多个码字组；以及
利用区块交错器来重新排列所述多个码字组，以变换所述多个码字组的顺序。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，以小于奈奎斯特率的取样率对所述接收信号作取样的步骤中，所述取样率等于所述多个正交频分复用符元的一子载波的频宽。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包含调制并将所述多个正交频分复用符元展开成所述多个频率波段。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包含将所述传送信号的所述频率波段由低频信号转换至高频信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，还包含将所述接收信号的所述频率波段由高频信号转换至低频信号。
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