CN100546265C - 无线局域网的帧格式解码器和训练序列发生器 - Google Patents

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Abstract

一种帧格式解码器(22)和训练序列发生器(24)，用于确定符合无线局域网的IEEE 802.11b标准的接收到的数据的帧格式，并且用于为自适应均衡器(16)提供训练序列。接收到的信号首先被解扩、解调和解扰，使得SYNC字段被重建，然后计数器32对具有相同极性或者逻辑值的连续比特的数目进行计数，直至N个这样的比特被计数为止(其中，N是大于1的整数)。这N个被计数比特的极性或者逻辑值使得解码器(22)可以确定帧格式是长还是短。一个训练序列，作为最终被SFD字段跟随的所传送的SYNC字段的副本，也被生成以供自适应均衡器(16)使用。

Description

无线局域网的帧格式解码器和训练序列发生器
技术领域
本发明通常涉及扩频码位置调制(spread spectrum code positionmodulation)通信，更具体地，涉及用于解码在分散的传输介质中传送的扩频码位置调制信号的方法和设备，以及相应的接收机。
背景技术
许多年来，例如被构造为局域网(LAN)的计算机系统中的无线通信的概念已经众所周知，但其收益是很有限的，直到发布了用于工业、科研和医疗(ISM)应用的2.4GHz无须授权带宽(unlicensed band)为止。
无线LAN产品最常采用直接序列扩频(direct sequence spreadspectrum，DSSS)或者跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，FHSS)技术，以在漫游移动台和网络接入点之间进行通信。扩频技术的显著特征是，经调制的输出信号占用了比所需的基带信息带宽大得多的传输带宽。通过使用具有比基带信息比特率高得多的频率的码字或符号，对基带信息中的每个数据比特进行编码来实现扩频。在一个更宽的频带上对信号进行扩频的结果导致相对较低的功率谱密度，从而使得其它通信系统尽可能少受来自传送扩频信号的设备的干扰。这也使得扩频信号更加难以检测且更加不易受干扰(即更加难以干扰)。
DSSS和FHSS技术都采用对于发射机和接收机是已知的伪随机(pseudo-random，PN)码字来扩频数据，并使得它更难以被缺乏该码字的接收机检测到。码字由具有-1和+1(极性)或者0和1(非极性)值的“码片”序列组成，这些码片与将要发送的信息比特相乘(或者XOR(异或))。因此，逻辑“0”信息比特可以被编码为第一预定码字，逻辑“1”信息比特可以被编码为第二预定码字序列。
许多无线网络符合IEEE 802.11标准，该标准采用公知的巴克码来编码和扩频数据。巴克码字由具有序列“00011101101”或者“+++---+--+-”的11个码片组成。一个完整的巴克码字序列或者符号，在由单独一个二进制信息比特占用的时间周期内被传送。因此，如果符号(或者巴克序列)率是1MHz，序列中的11个码片的隐含码片率是11MHz。通过使用11MHz码片率的信号对载波进行调制，传送的信号占用的频谱扩大了11倍。因此，经过解调和相关，在接收机中恢复的信号包括一系列代表如逻辑“1”信息比特的反向巴克序列和一系列代表如逻辑“0”信息比特的非反向巴克序列。
IEEE 802.11b标准使用64个补码键控(Complementary CodeKeying，CCK)码片序列以获得11Mbps。CCK使用一系列被称作互补序列(Complementary Sequence)的码，而不是使用巴克码。由于有64个唯一的码字可以用于编码信号，因此可以用任何一个特定的码字来代表最多6个比特(而不是用一个巴克符号代表1个比特)。
EP-A-0851603描述了用于生成在无线局域网(LAN)的数据传输中使用的扩频码位置调制波形的系统和方法，其中，提供了一个发射机，其以与序列长度不同的时间间隔发送多个数据序列的每一个，从而使得数据率增加，而没有增大作为结果的扩频码位置调制波形的带宽。
在多径环境下的接收可以实质上被通过均衡来改进。无线LAN的典型环境是办公室或者家庭。在那里，多径延迟扩频的级别是100ns或者更少。通常，在直接路径中墙壁的存在使得系统工作在间接路径中，并且使得脉冲响应具有导致能量峰值的能量。这被称为前驱能量(precursor energy)，需要比处理来自于延迟回波的拖尾能量(trailingenergy)更复杂的处理。典型地，前驱处理涉及复杂的乘操作，而拖尾能量包括加和减操作。
大仓库和工厂通常具有大得多的延迟扩频，这需要更多的均衡处理。存在一系列已知的处理规则，可以在接收机处理模块中被采用，以满足这些环境中每一个的要求。
瑞克(RAKE)接收机规则对大约100ns延迟扩频的适中的多径是很合适的。经典的瑞克接收机包括具有延迟的多个相关器和在相关器之后的组合电路。对于CCK波形，这将导致复杂的设计，这是因为CCK方案对于瑞克技术的多个相关器中的每一个，都需要多个相关器。通过线性变换，瑞克组合器可以被移动到相关器存储库的输入端，在此处它更简单。在这种形式下，它被称为信道匹配滤波器，这是因为它补充了信道脉冲响应，并且因此对其进行校正。这和固定滤波器一样移除了信道效应，但是不对符号间或者码片间干扰(ISI/ICI)进行校正。仅用瑞克接收机而不使用均衡器，可以获得接近100ns的延迟扩频性能。
对于更大的延迟扩频，需要一个ISI/ICI均衡器，这在一些方面增加了复杂性。首先，均衡器需要许多在接收机中运行得很快的门电路；其次，它需要一个判决反馈均衡器(Decision Feedback Equalizer，DFE)，以正确地处理ISI和ICI。
第一阶段的均衡是ISI取消，涉及获得符号判决的输出，然后在解调之前，从当前符号中减去前一个符号中剩余的能量。
下一阶段的均衡是消除ICI干扰，这需要更加复杂的处理，因为ICI依赖于接收到64个向量的ICI的处理。
将要发送的数据在发射机中被封装或者“打包”成帧，并且在接收机中被从帧解封装或者“解包”。包的前同步码(preamble)提供了一种在打包和解包操作之间建立同步(SYNC)的机制。无线局域网的IEEE 802.11b标准描述了两种物理帧格式，也就是如图1所示的长帧格式和如图2所示的可选的短帧格式。
长帧格式中的SYNC字段由128比特组成。这128比特包括一个全1序列，用一个使用初始种子1101100(最左边的比特在第一个存储单元中，最右边的比特在最后一个存储单元中)的数据加扰器(在图3中示出)进行加扰。起始字段分界符(Start Field Delimiter，SFD)指不PHY(物理层)附属参数的开始，并且等于1111001110100000(十六进制F3A0)，其中，最右边的比特最先发送。SYNC字段和SFD一起构成了PLCP(Physical Layer Convergence Protocol，物理层会聚协议)前同步码。信号(SIGNAL)字段由8比特组成，并且为PHY指示PSDU(PLCP Service Data Unit，PLCP服务数据单元)的传输中将要使用的调制。
短帧格式中的SYNC字段由56比特组成，包括用数字加扰器(如图3所示)进行加扰的56个0比特。然而，在这种情况下，加扰器使用不同的初始种子：0011011。SFD还是16比特字段，但是与长帧格式中的SFD字段相比，这些比特在时间上是相反的(十六进制05CF)。
短帧格式可以被用于最小化开销，并因此最大化网络数据吞吐量。然而，使用短帧格式的发射机仅可以与另一个也能够接收短帧格式的接收机进行相互操作。为了与不能够接收短帧格式的接收机进行相互操作，发射机必须使用长帧格式。
因此，在接收机能够同时接收长帧格式和短帧格式的情况下，在接收SYNC字段的期间，接收机必须确定发射机使用的是短帧格式还是长帧格式，从而使得均衡器、解调器和解码器可以被接收机控制器适当地配置。此外，为了训练自适应均衡器，有必要生成(码片)对齐训练序列，并且这样的训练序列的长度和内容取决于正在使用的帧格式。
发明内容
我们现在已经提出一种处理上述问题的方案。
根据本发明，提供了用于确定由接收机接收到的数据的帧格式的设备，所述帧格式包括一个将所述帧格式定义为第一或者第二类型的同步字段，该设备包括计数器，用于对接收到的帧中同步字段的连续比特的数目进行计数，并且当具有相同极性或者逻辑值的N个连续比特被计数时，根据所述N个连续比特的极性或者逻辑值，确定所述帧格式是否是所述第一或者第二类型，其中，N是大于1的整数。
在本发明的优选实施例中，第一帧格式包括具有一个同步字段的短帧格式，该同步字段具有第一预定数目的比特，并且第二帧格式包括具有一个同步字段的长帧格式，该同步字段具有第二预定数目的比特，第二预定数目大于第一预定数目。优选地，短帧格式具有一个同步字段，该同步字段包括第一预定数目的具有第一极性或者逻辑值的连续比特，并且第二帧格式具有一个同步字段，该同步字段包括第二预定数目的具有第二极性或者逻辑值的连续比特，第二极性或者逻辑值与第一极性或者逻辑值相反。事实上，在本发明的更优选实施例中，第一和第二帧格式符合无线局域网的IEEE 802.11b标准。
有益地，在传输同步字段之前对其进行加扰，该设备包括相应的解扰装置，接收到的数据帧被应用于该解扰装置，该解扰装置的输出被应用于计数装置。
可以通过直接序列扩频或者跳频扩频技术在传输数据帧之前对其进行扩频，该设备可以包括相应的解扩器，其中在数据被传到计数装置之前，接收到的数据帧被应用于该解扩器。在数据被提供给计数装置之前，可以提供解调装置以用于对来自解扩器的输出数据进行解调。有益地，解调装置包括差分二进制相移键控(differential binaryphase shift keying)解调器。
优选地，以用于均衡器的训练序列的形式来输出表示帧格式类型的数据。事实上，优选地，表示帧格式类型的数据和训练序列实质上被同时输出。从上述解扰装置输出的数据在被输出为训练序列之前，可以被应用于加扰装置、调制装置和数据扩频装置中。
本发明扩展到在接收机中使用的解码器，该解码器包括如上文所定义的设备。
本发明还扩展到接收机，该接收机包括如上文所定义的解码器。无线接收机优选地包括均衡器，该均衡器更优选地是自适应均衡器。这样，在本发明的优选实施例中，上述训练序列被提供给自适应均衡器。
本发明还扩展到无线局域网，该无线局域网包括至少一个用于发送数据帧的发射机和至少一个如上文所定义的用于接收数据帧的接收机。
根据本发明，还提供了一种确定由接收机接收到的数据的帧格式的方法，该帧格式包括一个将帧格式定义为第一或者第二类型的同步字段，该方法包括以下步骤：对接收到的帧中同步字段的连续比特的数目进行计数，并且当具有相同极性或者逻辑值的N个连续比特被计数时，根据该N个连续比特的极性或者逻辑值，确定该帧格式是否是第一或者第二类型，其中，N是大于1的整数。
优选地，该方法包括以下步骤：以均衡器的训练序列的形式输出表示帧格式类型的数据，其中，优选地，表示帧格式类型的数据和训练序列实质上被同时输出。
根据本发明，所使用的发射机和接收机也可以是无线发射机和无线接收机。
参考下文中对本发明的示例实施例的描述，本发明的这些和其它方面将显然易见且被阐明。
附图简述
现在，仅通过实例并参考附图，来描述本发明的实施例，其中：
图1示出在IEEE 802.11b标准中使用的长帧格式；
图2示出在IEEE 802.11b标准中使用的短帧格式；
图3是数字加扰器的示意方框图；
图4是根据本发明的典型实施例的帧格式解码器和训练序列发生器的示意方框图；
图5是根据本发明的典型实施例的接收机的示意高层方框图；以及
图6是与图5的接收机一起使用的接收机控制器的示意方框图。
具体实施方式
参考图5，根据本发明的典型实施例的接收机子系统包括AGC微调(Fine AGC)模块10、码片时钟恢复模块12、载波恢复模块14、均衡器16、解调器18和接收机(Rx)控制器20。
AGC微调模块10执行四个功能：
1、附加地调节接收到的信号功率以得到最佳的接收机性能；
2、把来自RF接口的8个比特映射成接收机块所需的6个有效比特；
3、避免增益校正后的数据削波失真(clipping)；以及
4、早在功率测量和校正处理中，提供初步的增益调节，从而防止在捕获相位期间信号功率出现大的变化。
码片时钟恢复模块12测量采样相位并跟踪它。该模块的输出包括在22MHz过采样的I/Q信号。该模块确保无论任何采样时钟不准确，采样相位将保持不变。因此，T/2间隔均衡器16获得最佳采样相位。
载波恢复循环14对可能存在的任何载频误差进行校正。在前同步码(PREAMBLE)部分期间，载波恢复模块14使用巴克解扩器和初始频率估计器来初始化该循环。初始化后，该循环对巴克解扩器(DSSS模式)或者均衡器16(CCK模式)的输出使用限幅器(slicer)，以连续跟踪和校正相位误差。用峰值检波器对在前同步码部分期间的巴克解扩器的输出进行分析，以实现符号同步。
均衡器16是具有前馈部分和判决反馈部分的T/2间隔均衡器。均衡器在PLCP前同步码上被训练，并且使用判决定向自适应，以在数据(DATA)部分期间更新它的系数。均衡器16的输出包括回波已经被移除的I/Q信号。在前同步码部分期间，该设备差分地解码(非相干)和解扰在载波恢复模块14中的巴克解扩器的输出，以生成一个参考训练序列。然后，它将告知接收机控制器20这是短帧格式前同步码还是长帧格式前同步码。使用该参考训练序列，均衡器16被训练。
解调器18将均衡器16的输出与巴克序列进行相关，并且使用峰值抽取器以确定相关器输出的峰值。该巴克解扩器的输出仅在这些峰值上(即每11个码片一次)是有效的。在前同步码部分期间，解调器18不工作。在数据部分期间，解调器18的工作取决于传输速率。在1Mbps或者2Mbps传输速率的情况下，解调器18将(相干地)差分地解码巴克解扩器的输出。在5.5Mbps或者11Mbps传输速率的情况下，使用CCK解码器来将均衡器16的输出转换成数据比特。在两种情况下，都需要解扰器来从数据中移除伪随机序列。
除了别的功能以外，接收机控制器20包括状态机，用于切换接收机模块的模式和控制接收机的数据路径。参考图6，当HW MAC激活CCA模式或者接收机模式时，接收机控制器20将开始监控信道以确定是否可以检测到帧。如果能量出现在介质中，接收机控制器启动码片时钟恢复12和巴克解扩器(在载波恢复模块14中)，以进一步研究该信号。如果也可以找到一个巴克序列，接收机的其余部分被激活，并且控制器20试图解调和解码该帧(PLCP帧头解码器22)。接收机控制器20监控前同步码数据，以确定前同步码的结束以及帧的数据部分的开始。天线分集算法也存在于接收机控制器20中。
参考图4，说明了根据本发明的典型实施例的帧格式解码器22和训练序列24。接收到的信号被通过巴克解扩器26进行解扩(PLCP前同步码和PLCP帧头都被用11码片的巴克序列进行扩频)。峰值抽取器(图4中未示出)识别符号(比特)边界，并且生成将在解码器22中使用的比特时钟。解扩后的符号被通过非相干差分二进制相移键控(DBPSK)解调器28进行解调(在发射机中使用DBPSK调制器的情况下)。使用非相干DBPSK解调器，这是因为在该帧的开始处，频率/相位循环还没有完全固定。等待直至该循环固定可能花费额外的时间，这并不是所期望的，因为需要尽可能快地训练均衡器。
DBPSK解调器28的输出被传到解扰器30。解扰器30是自同步的，从而不需要初始化解扰器30。
在无误差接收的情况下，解扰器30的输出将由在SYNC字段中的多个0(短帧格式)或者多个1(长帧格式)组成。通过计数器32，对连续的0或者1的数目进行计数。当N个连续的0或者1被计数时，解码器22分别假定帧格式是短帧类型或者长帧类型。N是一个整数，并且是一个设计参数。对于小的N值，错误判决的概率相对较大，而如果N值很大，错误判决的概率相对较小，但花费更多的时间进行判决。
在该典型实施例中，N是7，这是因为利用7个具有相同极性的连续比特，几乎能够确定解扰器的移位寄存器内容(也是7个比特)是无误差的。取小于7，增大了错误帧格式检测的概率，而且，不确定移位寄存器内容是否是无误差的。取大于7，减小了错误帧格式检测的概率，但是由于延迟检测，在训练均衡器上花费的时间会更少，使得帧误差可能由于不充足的训练而出现。因此，在该典型实施例中，对于N，7是一个合适的数目，并且大于等于是一个合适的范围。
提供了加扰器34，并且解扰器30和加扰器34都包括7比特移位比特寄存器。因此，对于SYNC字段中的128(长帧格式，除了第一个和最后一个比特)或者56(短帧格式)比特中的每个比特，这些移位寄存器的内容是唯一的。当作出判决(长帧格式或者短帧格式)时，解扰器30的移位寄存器的内容被假定是无误差的，并因此被复制到加扰器34的移位寄存器中。这样，用于产生训练序列的加扰器34被正确地初始化，并且通过将具有正确极性的比特(在短帧格式情况下是多个0，在长帧格式情况下是多个1)输送到加扰器34，加扰器34的输出将产生正确的加扰序列。
加扰器34的输出被提供给另一个DBPSK调制器36。由于在调制器36的输出上有一个B弧度的模糊，因此通过在非相干解调器28中加入一个特定比特的极性来校正输出序列的极性。最后，该序列被用11码片巴克扩频器38进行扩频，从而获得可以被自适应均衡器使用的基于码片的训练序列。
为了将训练序列与接收到的序列对齐，有必要对解码器22中的延迟时间和均衡器16的数据路径中的延迟时间进行补偿。由于加扰器34的移位寄存器内容或多或少是唯一的，因此可以推断在时间上前或后的一步或多步中解扰器30的移位寄存器内容。
移位寄存器内容的唯一性的另一个特征可以被用于检测SFD字段的开始。这样，可以通过将16比特的SFD字段也应用到加扰器34来扩展训练序列。
因此，本发明提供了一种方法和设备，通过该方法和设备，可以自动确定帧格式，并且可以实质上同时生成用于自适应均衡器的训练序列。此外，无需明确的SYNC字段比特位置检测，因此，解码器不局限于在SYNC字段中寻找特定序列；并且如上所述，可以容易地加入用于检测SFD字段开始的装置。
上面已经仅通过示例描述了本发明，对本领域的技术人员显而易见的是，可以对所述的实施例做出修改和变更，而不背离由所附权利要求所定义的本发明的范围。也应该明白，在此使用的术语“包括”不排除附加的成分，“一个”不排除多个，并且单个处理器或者其它单元可以被用于实现在权利要求中所述的多个装置的功能。

Claims (20)

1、用于确定由接收机接收到的数据的帧格式的设备，所述帧格式包括一个将所述帧格式定义为第一或者第二类型的同步字段，所述设备包括：
解扰器(30)，所述接收到的数据帧被应用于该解扰器(30)，所述解扰器(30)的输出被应用于计数器(32a)；
所述计数器(32a)，用于对解扰的接收帧中的所述同步字段的连续比特的数目进行计数，并且当具有相同极性或者逻辑值的N个连续比特被计数时，根据所述N个连续比特的极性或者逻辑值，确定所述帧格式是否是所述第一或者第二类型，其中，N是大于1的整数；以及
加扰器(34)，用于在确定了帧格式的类型时，将解扰器的移位寄存器的内容复制到加扰器的移位寄存器中，从而初始化该加扰器，以便在将具有正确极性的比特输入该加扰器(34)时，该加扰器(34)产生加扰序列。
2、如权利要求1所述的设备，其中，所述第一类型帧格式包括具有一个同步字段的短帧格式，该同步字段具有第一预定数目的比特，并且所述第二类型帧格式包括具有一个同步字段的长帧格式，该同步字段具有第二预定数目的比特，所述第二预定数目大于所述第一预定数目。
3、如权利要求2所述的设备，其中，所述短帧格式具有一个同步字段，该同步字段包括第一预定数目的具有第一极性或者逻辑值的连续比特，并且所述第二类型帧格式具有一个同步字段，该同步字段包括第二预定数目的具有第二极性或者逻辑值的连续比特，所述第二极性或者逻辑值与所述第一极性或者逻辑值相反。
4、如权利要求3所述的设备，其中，在传输所述同步字段之前对其进行加扰。
5、如权利要求1所述的设备，其中，通过直接序列扩频或者跳频扩频技术在传输所述数据帧之前对其进行扩频，并且所述设备包括相应的解扩器(26)，在所述数据帧传到所述计数器(32a)之前，所述接收到的数据帧被应用于所述解扩器(26)。
6、如权利要求5所述的设备，包括解调器(28)，用于在所述数据帧被提供给所述计数器(32a)之前，对从所述解扩器(26)输出的数据进行解调。
7、如权利要求6所述的设备，其中，所述解调器(28)是差分二进制相移键控解调器。
8、如权利要求1所述的设备，其中，以训练序列的形式输出表示所述帧格式类型的数据。
9、如权利要求8所述的设备，其中，所述设备还包括调制器(36)和数字扩频器(36)，从所述加扰器(34)输出的数据被应用于调制器(36)和数字扩频器(38)，以产生所述训练序列。
10、如权利要求1-8中的任一个所述的设备，其中，所述接收机是无线接收机。
11、一种接收机，包括：
解码器(22)，该解码器包括如权利要求8-9中任一个所述的设备。
12、如权利要求11所述的接收机，还包括均衡器(16)。
13、如权利要求12所述的接收机，其中，所述均衡器(16)是自适应均衡器。
14、如权利要求13所述的接收机，其中，所述训练序列被提供给所述自适应均衡器(16)。
15、如权利要求11、12、13或者14所述的接收机，其中，所述接收机是无线接收机。
16、一种无线局域网，包括至少一个用于以帧格式来发送数据帧的发射机和至少一个如权利要求11至15的任一个所述的接收机，所述接收机用于接收所述数据帧，所述帧格式包括将所述帧格式定义为第一或第二类型的同步字段。
17、如权利要求16所述的无线局域网，其中，所述发射机是无线发射机，所述接收机是无线接收机。
18、一种确定由接收机接收到的数据的帧格式的方法，所述帧格式包括一个将所述帧格式定义为第一或者第二类型的同步字段，所述方法包括以下步骤：
对接收机接收到的数据进行解扰；
对接收到的数据帧中的所述同步字段的连续比特的数目进行计数，并且当具有相同极性或者逻辑值的N个连续比特被计数时，根据所述N个连续比特的极性或者逻辑值，确定所述帧格式是否是所述第一或者第二类型，其中，N是大于1的整数；以及
当确定所述帧格式的类型时，将解扰器的移位寄存器的内容复制到加扰器的移位寄存器中，并使用所述加扰器来产生加扰序列。
19、如权利要求18所述的方法，包括以下步骤：以训练序列的形式输出表示所述帧格式类型的数据。
20、如权利要求18或者19所述的方法，其中，所述接收机是无线接收机。
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