CN101207457A - 通信装置和输入数据的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种通信装置和输入数据的处理方法，包括：检测单元接收输入数据以执行帧检测程序；自动增益控制器，当检测到至少一个数据帧，产生调整数据和增益控制参数；信号处理器，检测需要的信号、噪声和干扰中至少一种；解调器，将处理的数据执行解调以产生解调的处理数据；前置检测模块，在数据帧接收完毕前，利用前置检测方法来判定输入数据是否有错误，以及如果解调的输入数据发生错误，执行一个选择以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件；以及基频模块，如果解调的输入数据没有发生错误，在完整接收数据帧后执行以帧为单位的错误码检查。由于在接收完整数据帧前可判定输入数据的正确性，故可以减低功率消耗和帧损失。
Description
技术领域
本发明有关于无线通信，特别有关用于以帧为单位的通信系统的通信装置和输入数据的处理方法。
背景技术
在无线接收站接收数据帧时，接收站可以通过帧检查顺序(Frame CheckSequence，FCS)，例如同位检查(parity check)码或信号检查码，在接收数据帧后检测帧错误。如果计算后的帧检查顺序符合传送的帧检查顺序，接收站即可接收此数据帧，否则接收站会丢弃此数据帧。以此种方式，接收站可以判定接收数据的正确性。
因为许多因素，例如干扰或爆发型噪声(burst noise)，虽然有卷积码(convolutional code)来更正错误，数据帧有时还是会产生损毁。一般，在接收完成整个帧之前帧检查顺序检查不会开始，而只会在对接收的帧执行信号处理解调制后才开始。然而，这种通信系统流程会浪费许多电力以及有损失帧的可能性。
帧损失可能会发生在隐藏节点(hidden node)的状态下。例如，接收站STAA可以接收来自接收站STA B和接入点(Access Point)AP的信号，而接入点AP只可以接收接收站STA A的信号(隐藏节点问题)。如果接收站STA B发送数据帧给接收站STA A，接收站STA A可能持续接收接收站STA B的帧而忽略接入点AP的信号，导致接入点AP的数据帧损失，同时接收到接收站STA B的损毁的数据帧。
在错误解码数据帧的帧长度信息的情况下，帧数据也会遗失。例如以无线局域网络(Wireless local Area Network，WLAN)为例，信号栏(SIGNAL field)的帧长度信息可能被错误解码。如果错误解码的帧长度比正确的帧长度长则帧遗失就可能会发生。例如，如果正确的帧长度是1024字节而错误解码的帧长度是65535字节，接收器在帧长度到达65535字节前会停止接收帧。因为正确的帧长度是1024字节，其它的传送站或接入点可能在接收1024字节后继续传送帧。在这个例子中，因为错误解码的帧长度造成数据帧的遗失。另一个问题是功率消耗。例如，使用便携式电力储存单元(例如电池)的无线装置只有有限的电力储存能力，通常需要有效的电源管理方式。图1a、图1b和图1c是符合IEEE802.11n的帧格式的示意图，分别代表非高吞吐量(non highthroughput，non-HT)模式、高吞吐量混合模式和高吞吐量非混合(Greenfield)模式。其中各字段信息是IEEE802.11n定义的训练场(TF)和信号场(SIG)，训练场用来做接收同步，信号场用来传达帧参数。非高吞吐量模式是一种低吞吐量数据格式。高吞吐量混合模式和高吞吐量Greenfield模式是用于多输入多输出正交多频分工(Multiple Input，Multiple Output Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)的高吞吐量数据格式。为了确保高吞吐量装置的动作，IEEE802.11n标准规定和以前的标准兼容，包括IEEE802.11a/g装置，称为高吞吐量混合模式。高吞吐量混合模式的信号栏使用一种称为瞒骗(spoofing)的方法来预定最大帧长度，使得以前标准的装置可以预定最大帧长度给高吞吐量装置。不使用停止机制，以前标准的装置会在没到达预定时间前执行信号处理和解调制。但是，因为这个帧是给高吞吐量装置的，以前标准的装置没有办法正确解码所述的数据帧。在这个例子中，就会浪费功率消耗给预期解法错误的帧。
发明内容
有鉴于此，需要一种通信装置和方法用于处理数据帧，用以减低功率消耗和帧损失。
本发明提出一种处理方法，在接收器中处理具有至少一个数据帧的输入数据，包括接收输入数据以执行帧检测程序，一旦检测到至少一个数据帧，即产生调整数据和增益控制参数，根据噪声降低、干扰降低和信号补偿的至少一种处理，执行信号处理和解调制用以转换调整数据至解调的数据，其中执行信号处理和解调制包括模数转换处理、射频处理和基频处理的至少一种，其中执行信号处理和解调制还包括检测想要的信号、噪声和干扰中的至少一种，在数据帧接收完毕之前，利用前置检测方法来判定输入数据是否有可能的错误，如果解调的输入数据发生可能的错误，执行选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件，以及如果解调的输入数据没有发生可能的错误，在完整接收数据帧后对数据帧执行以帧为单位的错误码检查。
本发明另提出一种通信装置，处理具有至少一个数据帧的输入数据，包括检测单元接收输入数据用以执行帧检测程序。自动增益控制器，耦接检测单元，一旦检测到至少一个数据帧，即产生调整数据和增益控制参数。信号处理器，耦接自动增益控制器，执行信号处理，信号处理包括至少一种模数转换处理、射频处理和基频处理，以及检测需要的信号、噪声和干扰中的至少一种。解调器，耦接信号处理器，根据噪声减低、干扰降低和信号补偿中的至少一种处理将处理的数据执行解调制产生解调的处理数据。前置检测模块，耦接解调器，在数据帧接收完毕之前，利用前置检测方法来判定输入数据是否有可能的错误，以及如果解调的输入数据发生可能的错误，执行选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件。基频模块，耦接前置检测模块，如果解调的输入数据没有发生可能的错误，在完整接收数据帧后对数据帧执行以帧为单位的错误码检查。
本发明在接收完整数据帧前可以判定输入数据的正确性，因此可以用以减低功率消耗和帧损失。
附图说明
图1a、图1b和图1c分别显示符合IEEE802.11n的帧格式的示意图。
图2显示本发明实施例的以帧为单位的通信系统的方块图。
图3显示图2中的通信装置的方块图。
图4显示本发明实施例中的数据处理方法的流程图。
图5显示图4中前置检测方法的流程图。
图6显示图4中前置检测方法的另一流程图。
图7显示图4中前置检测方法的另一流程图。
图8显示图4中前置检测方法的另一流程图。
图9显示维特比解码中具有16个状态的格状图。
具体实施方式
本发明描述处理数据帧(packet)的内容。此处的“帧”代表信息的单位，其可以以电子传送的方式从一个装置传到另一个。相对的，此处的“帧”可以包括数据帧(frame)或消息(message)，其可以用于描述一种传送单位。
图2显示本发明实施例的以帧为单位的通信系统的方块图，包括外部网络20、WLAN分配系统22、接入点24、移动台(mobile station)26和28。
接入点24提供涵盖移动台26和移动台28的基本服务区域240，用于无线通信，并且通过WLAN分配系统22、外部网络20存取内部或外部网络。
图3显示图2中的通信装置的方块图，其可以节省功率，包括射频模块300、检测单元302、自动增益控制器(Automatic Gain Controller，AGC)304、信号处理器306、解调器308、基频模块310和前置检测模块312。射频模块300耦接检测单元302、自动增益控制器304、信号处理器306、解调器308、并随后耦接基频模块310和前置检测模块312。基频模块310和前置检测模块312两者互相耦接。
在接收模式的下，射频模块300使用天线通过一种无线规范来接收射频输入信号，无线规范包括AMPS、CDMA、GSM、TDMA、或类似的射频或卫星通信规范(protocol)。检测单元302依次接收射频输入信号，利用检测能量增加或是对前导信号(preamble)执行相关(correlation)处理来执行帧检测。一旦检测到帧，自动增益控制器304即产生调整的数据和增益控制参数。信号处理器306获得调整过的数据来执行数据信号处理，以及检测需要的信号、噪声和干扰中的至少一种，数据信号处理包括模数转换处理、射频处理和滤波中的至少其中的一种。解调器308根据噪声降低、干扰降低、以及信号补偿中的至少一种处理，解调制处理过后的数据以产生解调的处理数据。前置检测模块312利用前置检测方法在完成获取帧数据之前执行以帧为单位的帧检查顺序(Frame Check Sequence，FCS)，决定是否解调的输入信号中有可能错误发生，并且当解调的输入信号中有可能错误发生时执行一种选择，用以决定是否需要停止组件，以及哪些组件需要被停止。如果上述解调的输入数据没有发生上述可能的错误，基频模块310会在完整接收上述数据帧后执行以帧为单位的错误码检查。
当发生可能错误时，前置检测模块312控制基频模块310来产生错误指示信号。
图4显示本发明实施例中的数据处理方法的流程图，使用图3中的通信装置。
在步骤S400中，检测单元302对接收的射频信号执行帧检测，以及自动增益控制器304调整射频模块300的增益，使得不论输入数据的信号强度怎样变动，调整过后的数据都会大约维持在一个常数。
下一步在步骤S402中，信号处理器306和解调器308执行信号处理和解调制，用以根据噪声降低、干扰降低、以及信号补偿中的至少一种处理，转换上述调整后的数据以产生解调的数据。信号处理和解调制用来重新构建来自传送端的传送比特流，包括接收滤波、时序和频率估计和补偿、快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform)、频域等化、追踪方式、模数转换、卷积(convolutional)或维特比(Viterbi)解码、解交错(interleaving)和解数据混编(scrambling)。信号处理和解调制也包括检测需要的信号、噪声、以及干扰的至少其中一种。
在步骤S404中，前置检测模块312在完成帧接收前先执行前置检测方法，判定解调的输入数据是否发生可能的错误。当可能的错误发生时，前置检测模块312控制基频模块310以产生错误指示信号。前置检测方法可以由射频输入信号的能量、解调的数据中的前导信号、解调的数据中的噪声号干扰、或维特比解码的路径值特性而判定。
接着在步骤S406中，如果解调的输入数据发生可能的错误，前置检测模块312执行选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件。如果发生可能的错误，图4的数据处理方法继续步骤S408，如果没有则继续步骤S402。
前置检测模块312使通信装置内的合适的组件失能一个预定周期(S408)，并且产生错误指示信号(S414)。前置检测模块312可以使射频模块300、信号处理器306和基频模块310失能直到到达目前数据帧的结尾，用以减低功率消耗。前置检测模块312也可以重新初始检测单元302的另一次帧接收，并且使基频模块310失能直到检测到另一个数据帧，用以减低输入数据的帧遗失。
在步骤S410中，通信装置从射频信号中获得一个完整的数据帧，用以产生解调的输入数据，使得基频模块310可以对解调的输入数据执行以帧为单位的错误码检查，用以判定数据正确性(步骤S412)。以帧为单位的错误码检查可以是帧检查顺序(Frame Check Sequence，FCS)的错误码检查。如果解调的输入数据不正确，基频模块310会在步骤S414中产生错误指示信号。
现有技术的数据处理方法中，通信装置在接收完整数据帧前不能判定输入数据的正确性，在整个数据帧处理中射频处理、信号处理、解调制和基频处理持续进行，所以功率消耗高于图4揭露的方法。在接收完整数据帧前，方法40决定要继续或停止通信装置内的一个或多个组件，减低功率消耗也同时降低帧损失。
前置检测方法可以由许多种检测方法中选择，例如能量检测、前导信号检测、导引符号检测(pilot tones detection)、数据符号检测和路径值检测(pathmetrics detection)。图5-图8分别显示本发明实施例中前置检测方法50-80的流程图，使用IEEE802.11a/b/g/n标准。
图5显示图4中前置检测方法的流程图，使用图3的通信装置。方法50使用射频输入信号的能量或强度来执行可能产生错误的预先判定，以此减低通信装置的功率消耗或帧遗失。如果所测量的能量或强度突然在预定期间内增加或减少到一个不合理的程度，数据帧就不能被正确解码，因此可能产生错误。方法50在时域中执行。
在步骤S500中，前置检测方法开始，差异值和时间计数值被重设为0，检测单元302判定射频输入信号中对应两个不同时间区间的两个能量值(S502)。
下一步前置检测模块312接收两个能量值来计算这两个能量值之间的差值(S504)，并且将差值和储存在缓存器内的预定能量临界值相比(S506)，如果差值超过能量临界值就继续步骤S508，如果不是则绕回步骤S504。
在步骤S508中，前置检测模块312计算超出能量临界值的时间。如果能量的差值持续超过能量临界值，时间计数器即会随其增加。
接着步骤S510中前置检测模块312判定时间计数器计算的时间是否超过预定期间。如果是，方法50进行步骤S512，如果不是则进行步骤S504。预定期间可以存在另一个缓存器内。
在步骤S512中，因为射频输入信号的能量在时间临界值的时限内超过能量临界值，前置检测模块312产生可能的错误旗标。噪声或干扰可能存在数据帧当中而导致持续的能量改变，因此产生可能的错误旗标用以失能通信装置内一个或多个组件，降低功率消耗和帧损失。
图6显示图4中前置检测方法的另一流程图，使用图3的通信装置。方法60使用解调数据的前导信号来执行可能产生错误的预先判定。在以帧为基础的通信系统中，一种训练序列，称为前导信号，连接在数据帧的开始处。前导信号用于执行帧检测、AGC调整、时序和频率估计和信道估计。因为通信装置的接收器知道要接收的前导信号的值，所以可以运用知道的前导信号的值来决定联机质量并且产生数据帧的可能的错误。
在步骤S600中，前置检测方法开始，前置检测模块312被提供了已知的前导信号(S602)，并且从解调的数据中获得解调的前导信号(S604)。
前置检测模块312接着在步骤S606中比较已知的前导信号和解调的前导信号，如果已知的前导信号和解调的前导信号不符则产生数据帧的错误指示信号(S608)，如果已知的前导信号符合解调的前导信号则继续下一个比较。
图7显示图4中前置检测方法的另一流程图，使用图3的通信装置。方法70使用解调数据来执行可能产生错误的预先判定。信号传输的联机质量和数据帧的正确性可以由星座(constellation)表示图判定。特别地，可以由维特比解码后的导引符号或数据符号来判定。
在步骤S700中，前置检测方法开始，前置检测模块312获得接收的星座数据(constellaion data)和预期的星座数据，接着在步骤S702中错误计数器将错误计数值error_count重置为0，并且在步骤S704中前置检测模块312计算接收的星座数据和预期的星座数据之间的距离值(distance)。接收的星座数据可以是维特比解码后的导引符号或数据符号。相对应地，预期的星座数据可以是已知的导引符号或数据符号。例如，绝对距离 可以由计算导引符号
和已知导引符号pi获得，代表接收的星座数据和预期的星座数据之间的误差值。
在步骤S706中，前置检测模块312判定距离值di是否超过储存于缓存器内的距离临界值。如果如此，则前置检测模块312继续步骤S708，如果否则绕回步骤S704来计算下一个误差距离值。
在步骤S708中，因为误差距离值di超过距离临界值所以要增加错误计数值error_count，接收的星座数据可能因为传输中的噪声或干扰而被破坏。
前置检测模块312接着检查错误计数值error_count是否超过错误临界值，如果如此，便在步骤S712中产生错误指示信号，如果不是则回到步骤S704做更多的错误距离计算。错误临界值可以储存在缓存器内。
距离临界值和错误临界值都可以在初始化时由控制缓存器设定。
图8显示图4中前置检测方法的另一流程图，使用图3的通信装置。方法80使用维特比解码的路径值(path metric)来执行可能产生错误的预先判定。当维特比算法用于解码接收的信号时，所产生的路径值可以用于决定联机的质量。更精确的说，使用路径值的最后阶段来决定联机的质量。在本发明实施例中，最小的路径值产生数据帧最佳路径值。大致上，当联机的状态为佳时，路径值的最后阶段的每个状态会显示很大的差异。例如，在维特比解码具有4个状态的最后阶段，一个具有最终路径值{15，165，185，300}而另一个具有最终路径值{100，125，115，93}。前者具有较佳的联机质量，因为其最可能(路径值＝15)和最不可能(路径值＝射频模块300)的状态的差异大于另一个例子。
在步骤S800中，前置检测方法开始，接着在步骤S802中基频模块310对解调的输入数据执行维特比解码来获得路径值的最后阶段。
下一步，前置检测模块312计算路径值的最后阶段的最大值对最小值的路径值比值(S804)，以及将路径值比值和储存于缓存器内的预定比值临界值相比(S806)，如果路径值比值小于比值临界值就执行步骤S808，否则，回到步骤S802，用以执行下一次的维特比解码。图9显示维特比解码中具有16个状态radix-4的格状图(trellis diagram)，显示编码数据在时间序列中所有可能的状态。在每个数据时间上，数据可以是状态00到33之一。维特比解码程序计算所有输入数据在每个状态的可能性，用以产生路径值，由图9中点00到33来表示。路径值代表对于每个可能的先前状态的每个候选状态的可能性。如果路径值中最大值和最小值的可能性非常相近，代表传输质量很差，以及解码数据可能有错误，因此产生可能错误指示信号。编码的方式可以为Barkercode、DBPSK、DQPSK和CCK。路径值比值可以由以下公式计算：
Metric ratio＝max(Metric[i])/min(Metric[i]) (1)
其中Metric[i]是路径值的最终状态，
max(Metric[i])是路径值的最终状态的最大值，以及
min(Metric[i])是路径值的最终状态的最小值，
在步骤S808中，因为路径值比值小于距离临界值所以要增加错误计数值error_count，因为最大值和最小值太接近使得数据辨识困难，所以接收的星座数据可能被破坏。
前置检测模块3 12接着检查是否错误计数值error_count超过错误临界值(S810)，如果如此，便在步骤S812中产生错误指示信号，如果不是则回到步骤S802做更多的维特比解码。错误临界值可以储存于缓存器内。
路径值临界值和错误临界值都可以在初始化时由控制缓存器设定。
Claims (21)
1.一种输入数据的处理方法，在接收器中处理具有至少一个数据帧的输入数据，所述的输入数据的处理方法包括：
接收上述输入数据用以执行帧检测程序；
一旦检测到上述至少一个数据帧，即产生调整数据和增益控制参数；
根据噪声降低、干扰降低和信号补偿的至少一种处理，执行信号处理和解调制用以将上述调整数据转换至解调的输入数据，其中上述信号处理和解调制执行包括模数转换处理、射频处理和基频处理的至少一种，其中上述信号处理和解调制还包括执行检测需要的信号、噪声和干扰中的至少一种；
在上述数据帧接收完毕之前，利用前置检测方法来判定是否上述解调的输入数据有可能的错误；
如果上述解调的输入数据发生上述可能的错误，执行一个选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件；以及
如果上述解调的输入数据没有发生上述可能的错误，在完整接收上述数据帧后对上述数据帧执行以帧为单位的错误码检查。
2.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述前置检测方法包括：
估计上述输入数据在至少一个预定时间长度内的能量；
计算两时间长度之间的能量差值；以及
根据上述能量差值产生错误指示信号。
3.根据权利要求2所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述产生错误指示信号步骤包括：
如果上述能量差值超过能量临界值，计算错误时间；以及
如果上述错误时间超过时间临界值，产生上述错误指示信号。
4.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述前置检测方法包括：
提供已知前导信号；
判定上述解调的输入数据内的接收的前导信号；以及
如果上述接收的前导信号不是上述已知前导信号，产生错误指示信号。
5.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述前置检测方法包括：
接收上述解调的输入数据内的数据符号；
根据上述数据符号提供预期数据符号；
计算上述预期数据符号和上述数据符号之间的错误距离；以及
根据上述错误距离产生错误指示信号。
6.根据权利要求5所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述产生错误指示信号步骤包括：
如果上述错误距离超过距离临界值，增加错误计数值；以及
如果上述错误计数超过计数临界值，产生上述错误指示信号。
7.根据权利要求5所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述预期数据符号是预期导引符号。
8.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述前置检测方法包括：
对上述解调的输入信号执行维特比解码来获得最佳路径值；
计算上述最佳路径值的最大值和最小值的路径值比值；以及
如果上述路径值比值超过路径值临界值，产生错误指示信号。
9.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述执行上述选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件的步骤中的要停止的组件包括射频组件、模数转换组件和基频处理组件，停止的上述时间是用以等待上述数据帧被完整接收的时间。
10.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述执行上述选择用以决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件的步骤中的要停止的组件包括基频处理组件，其中上述帧检测程序持续施加于指示为可能的错误的上述帧。
11.根据权利要求1所述的输入数据的处理方法，其特征在于，上述以帧为单位的错误码检查是帧检查顺序。
12.一种通信装置，处理具有至少一个数据帧的输入数据，其特征在于，所述的通信装置包括：
检测单元，接收上述输入数据用以执行帧检测程序；
自动增益控制器，耦接上述检测单元，一旦检测到上述至少一个数据帧，即产生调整数据和增益控制参数；
信号处理器，耦接上述自动增益控制器，执行信号处理，上述信号处理包括模数转换处理、射频处理和基频处理的至少一种以及检测需要的信号、噪声和干扰中的至少一种；
解调器，耦接上述信号处理器，根据噪声减低、干扰降低和信号补偿中的至少一种处理将上述处理的数据执行解调制产生解调的输入数据；
前置检测模块，耦接上述解调器，在上述数据帧接收完毕之前，利用前置检测方法来判定是否上述输入数据有可能的错误，以及如果上述解调的输入数据发生上述可能的错误，执行一个选择用以决定是否需要停止组件以及要停止哪些组件；以及
基频模块，耦接上述解调器，如果上述解调的输入数据没有发生上述可能的错误，在完整接收上述数据帧后对上述数据帧执行以帧为单位的错误码检查。
13.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块估计上述输入数据在至少一个预定时间长度内的能量，计算两时间长度之间的能量差值，以及根据上述能量差值产生错误指示信号。
14.根据权利要求13所述的通信装置，其特征在于，如果上述能量差值超过能量临界值，上述前置检测模块计算错误时间，以及如果上述错误时间超过时间临界值，产生上述错误指示信号。
15.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块提供已知前导信号，判定上述解调的输入数据内的接收的前导信号，以及如果上述接收的前导信号不是上述已知前导信号，产生错误指示信号。
16.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块接收上述解调的输入数据内的数据符号，根据上述数据符号提供预期数据符号，计算上述预期数据符号和上述数据符号之间的错误距离，以及根据上述错误距离产生错误指示信号。
17.根据权利要求16所述的通信装置，其特征在于，如果上述错误距离超过距离临界值，上述前置检测模块增加错误计数值，以及如果上述错误计数超过计数临界值，上述前置检测模块产生上述错误指示信号。
18.根据权利要求16所述的通信装置，其特征在于，上述预期数据符号是预期导引符号。
19.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块对上述解调的输入数据执行维特比解码来获得最佳路径值，计算上述最佳路径值的最大值和最小值的路径值比值，以及如果上述路径值比值超过路径值临界值，产生错误指示信号。
20.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件的步骤中的要停止的组件包括射频组件、模数转换组件和基频处理组件，停止的上述时间是用以等待上述数据帧被完整接收的时间。
21.根据权利要求12所述的通信装置，其特征在于，上述前置检测模块决定是否需要停止组件，以及要停止哪些组件的步骤中的要停止的组件包括基频处理组件，其中上述帧检测程序持续施加于指示为可能的错误的上述帧。
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