CN102447495A

CN102447495A - 利用频谱密度的适应性跳频机制的装置与方法

Info

Publication number: CN102447495A
Application number: CN2010105085718A
Authority: CN
Inventors: 张仲尧; 柳德政; 叶明郁; 颜光裕
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN102447495B

Abstract

本发明披露一种利用频谱密度的适应性跳频机制的装置与方法。无线通讯装置包括有：一跳频通讯电路，具有一信道地图，依据该信道地图在多个信道中依序选择出其中的一信道与另一个跳频通讯装置进行通讯；一功率频谱密度(PSD)电路，测量包含有该跳频通讯电路的所有信道的频带范围的频谱以得出一功率频谱密度；以及一控制电路，接收该功率频谱密度，依据该功率频谱密度来更新该信道地图。

Description

利用频谱密度的适应性跳频机制的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种通讯系统，尤指一种具有适应性跳频装置的无线通讯系统。

背景技术

基本上，蓝牙(Bluetooth，BT)通讯系统是一个跳频通讯系统，可利用适应性跳频(Adaptive Frequency-Hopping；AFH)技术用以避免固定频带的干扰。当两台蓝牙(BT)装置(device)建立连接成为子网络(pico-net)时，其中一台为主动式装置(master)，另一台为被动式装置(slave)，而适应性跳频(AFH)机制中的“信道地图(channel map)”用来说明或通知对方装置哪一个是好信道(good channel)或哪一个是坏信道(bad channel)，根据蓝牙(BT)规格书中规范好信道和坏信道的总个数应为全部的79个信道，且信道地图是由主动式装置来决定，而主动式装置(master)决定的方式主要有两种，如下：

1.由主动式装置(master)自行根据不同信道的收发状况，判断此信道是好信道还是坏信道。

2.由主动式装置(master)适时发信号询问被动式装置(slave)使用中的信道状况，而被动式装置(slave)也根据本身的收发状况来响应主动式装置(master)，让主动式装置(master)作为根据用以评估或更新适应性跳频(AFH)机制中的信道地图。

因此，不论主动式装置或被动式装置(slave)，都要有能力自动检测信道性能(performance)。

一些传统的跳频机制，如美国专利号第7,027,418以及7,570,614号，披露了关于跳频机制的内容。这二篇专利所披露的内容可作为先前技术的参考。

然而，这些传统的跳频机制只能测量目前使用的信道其信道性能的好坏，无法明确地知道其余(没有跳进去的)信道的信道性能，因此会延伸出两个问题：

1.一旦信道地图中有分为好信道和坏信道，适应性跳频(AFH)机制就只会在好信道的集合中作跳频(FH)的运行并同时作信道测量，如果有统计上的误差，或因为暂时性的干扰，有可能在原先的好信道中会判断为坏信道，接着在下一次更新信道地图后，就会发生好信道的个数越来越少的情形。例如：一开始79个信道都是好信道，过一段时间后，根据自行测量结果有30个信道变为坏信道(可能是真正的坏信道、或统计上的误差、或暂时性的干扰)，因此只剩49个好信道，并由主动式装置(master)更新于信道地图(channel map)中以让被动式装置(slave)知道，如此持续下去，好信道个数很容易少于蓝牙(BT)规格书中规范的临界值(AFH机制至少需要有20个好信道)。

2.承1，如果好信道个数已经少于规格书规范的临界值，或在其它的状况下想要增加好信道的个数，则必须要将部分的坏信道改设为好信道并更新在下一次的信道地图(channel map)中。但如此一来，因为不知道新加入好信道集合中的原先被视为是坏信道的信道的真正状况，蓝牙的传输有可能会受影响。假设新加入的信道其性能确实是不佳的，则会严重影响蓝牙跳频的质量，且必须等到下一次信道地图更新的时间才可以将误加入的坏信道拿掉。

此外，越来越多的系统业者希望将无线局域网络(WirelessLocal Area Network；WLAN)与无线个人局域网络(Wireless PersonalArea Network；WPAN)结合在一起，形成双模模式(dual-mode)，前者可以覆盖较远的传输距离，提供较高的传输速率，进而与外部网络做沟通，例如可以利用非对称式数字用户线路(AsymmetricDigital Subscriber Line；ADSL)与外部的因特网作连接，后者可以在数字家庭(Digital Home)中作点对点(peer-to-peer)数据的传输，覆盖距离较近但可以达到简单、省电的目的，而WPAN中，可为目前代表的是渗透率最高、使用者人数最多、应用层级最广的蓝牙(Bluetooth；BT)。这前后两者可以视为单独个体，分别整合进数字家庭中的个别的收发机，如：桌上型计算机(Personal computer；PC)、笔记本型计算机(Notebook；NB)、智能型手机(Smart Phone)、数字机顶盒(Set-top Box)、电视机(Television；TV)、游戏机(GameConsole)等，当然此举对厂商而言会较为复杂、成本较高，而产品开发时间也会较长。然而，由于蓝牙(BT)与无线局域网络(WLAN)的使用频带都在免付费的2.4GHz(ISM-band)；其中蓝牙系统的工作频宽为1MHz，共有79个信道(channel)，从2402MHz一直到2480MHz；而WLAN在传统的G-mode时的工作频宽为20MHz，而新一代的11N-mode则是有机会到40MHz，其最低频的第一个信道中心频率为2412MHz，规范中最高频的第11个信道中心频率为2462MHz，甚至有其它国家定义第14个信道中心频率为2484MHz；由此可知，上述两种的通讯协议所使用的频道几乎是交迭(overlap)在一起。当WLAN在使用时，如果BT也欲传输数据且工作频带与WLAN有交迭(overlap)时，则会影响WLAN的传输质量；相同地对BT而言，WLAN的使用也是一种严重的干扰。因此，如何使这两种普遍广泛使用的短距离通讯技术能和平共存而不互相干扰一个相当重要的课题。

如果可同时针对二种不同传输规范(例如是：无线局域网络(WLAN)与蓝牙(Bluetooth，BT)提出一个多模模式(dual-mode)的共同解决方案，即可达到个人、甚至家庭的最佳的无线传输方式。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无线通讯系统，可解决上述已知的问题。

本发明的目的之一在于提供一种无线通讯系统，具有较实时、快速且正确的信道性能判断的功能。

优选地，无线通讯系统是一蓝牙系统。

本发明的目的之一在于提供一种无线通讯系统，可应用于至少两种通讯技术且可共存而彼此不互相干扰。

优选地，至少两种通讯技术是一蓝牙系统与无线局域网络(WLAN)。

优选地，至少两种通讯技术所应用的频带有交迭。

本发明的目的之一在于提供一种无线通讯系统，将无线局域网络与无线个人局域网络结合在一起，形成双模模式(dual-mode)。

优选地，无线局域网络可以覆盖较远的传输距离，提供较高的传输速率，进而与外部网络做沟通；无线个人局域网络可以在数字家庭(Digital Home)中作点对点(peer-to-peer)数据的传输，覆盖距离较近但可以达到简单、省电的目的。

本专利提出的目的之一在于，利用位于无线局域网络(WLAN)装置内的一功率频谱密度(PSD)电路，来估计出蓝牙系统所有信道的性能，使蓝牙系统的适应性跳频机制作出好信道和坏信道的判断能够更加准确、可以缩短适应性跳频机制中判断的时间、以及可以避免因为好信道个数过少误加入坏信道而使蓝牙传输严重受损的情况。

附图说明

图1为依据本发明的功率频谱密度所测量出的频谱的示意图。

图2A、2B为使用本发明的功率频谱密度电路来实现蓝牙系统的适应性跳频机制的架构图(单天线及双天线)的示意图。

图3是依据本发明的功率频谱密度电路的一实施例的方块图。

图4是本发明的时域转频域电路的一实施例的电路图。

图5为利用功率频谱密度结果实现蓝牙系统的适应性跳频机制更新信道地图的示意图。

图6为使用位于无线局域网络(WLAN)装置中的功率频谱密度电路来实现(单天线及双天线)蓝牙系统的适应性跳频机制的架构图的电路示意图。

图7为利用蓝牙测量结果与功率频谱密度测量结果实现更新信道地图的流程图。

图8是依据本发明的功率频谱密度(PSD)与信号功率对干扰功率比例(SIR)分布图的对应关系的示意图。

图9是依据本发明的利用信号功率对干扰功率比例(SIR)分布图决定信道地图的流程图。

【主要元件符号说明】

200 适应性跳频装置

210A 多路复用器

220 蓝牙收发电路

230 功率频谱密度(PSD)电路

240 控制电路

具体实施方式

请参照本发明的附图来阅读以下的详细说明，其中本发明的附图以举例说明的方式，来介绍本发明各种不同的实施例，并供了解如何实现本发明。本发明实施例提供了充足的内容，以供本技术领域且有通常知识者来实施本本发明所披露的实施例，或实施依本发明所披露的内容所衍生的实施例。须注意的是，这些实施例彼此间并不互斥，且部分实施例可与其它一个或多个实施例作适当结合，以形成新的实施例，亦即本发明的实施并不局限于以下所披露的实施例。

蓝牙是一个跳频系统，加上有适应性跳频(AFH)机制，用意就是要避掉固定频点上的干扰。本发明的实施例利用一功率频谱密度(Power Spectrum Density；PSD)以频域角度看每一个频点能量大小的一种指标，一般而言，当PSD数值较高时，表示这一个频点有数据在传输或是有干扰源(Interference)。以图1为例，一旦可以求出蓝牙所占频宽的PSD分布图，可以设定一个临界值，当PSD超过此临界值时可以当作此频点有固定式干扰源，且无论这些干扰源的内容是如何，可能是WLAN信号、窄频或宽带干扰，对蓝牙的适应性跳频机制而言，都可以视为坏信道，而当蓝牙在利用跳频机制传输数据时，应避掉坏信道让整体传输质量保持稳定。本发明的实施例利用频域角度看每一个频点能量大小的一种指标，可实时得知蓝牙所有信道的干扰情形。

图2A、2B是本发明提出的收发机架构的二种实施方式，其中图2A是一单天线架构，在图2A中该装置包括有一天线、多路复用器210A、蓝牙收发电路220、功率频谱密度(PSD)电路230、以及一控制电路240。图2B是多天线架构，在图2B中该装置包括有多根天线、切换开关210B、蓝牙收发电路220、功率频谱密度(PSD)电路230、以及一控制电路240。其中，蓝牙收发电路220具有一信道地图，依据该信道地图在多个信道中依序选择出其中的一信道以与另一个跳频通讯装置进行通讯。该功率频谱密度(PSD)电路230测量包含有该跳频通讯电路的所有信道的频带范围的频谱，以得出一功率频谱密度。该控制电路240接收该功率频谱密度，依据该功率频谱密度来更新该信道地图。除了PSD电路230以及控制电路240以外，其余电路(例如天线、蓝牙收发电路220)是一已知架构，且本发明的重点不是天线、蓝牙收发电路本身，故省略蓝牙收发电路的详细说明，而将着重于功率频谱密度(PSD)电路以及PSD电路与蓝牙收发电路之间的运行(即是控制电路240的运行)。故其详细的蓝牙收发电路，此处不再详述，可参考一些市售蓝牙产品的规格书以及相关蓝牙规范。如图3，是PSD电路230的一实施例，在此实施例中，包含相对应的射频(Radio Frequency；RF)电路310、模拟前端(Analog Front-End；AFE)电路320及基频(Baseband；BB)数字信号处理(Digital Signal Process；DSP)电路330。利用PSD电路230测量并计量得出的PSD信号后，输出至控制电路240。控制电路240对PSD信号进行统计分布(该PSD统计分布可利用处理器以及相关软件(Software；SW)、硬件(例如是：ASIC)、或是微处理器以及固件来达到其目的)。其中射频电路310其频带被控制可落在BT信号执行跳频的范围之内，才可以测量出适用于BT的PSD，而模拟前端电路320处理来自该射频电路310的输出信号，以产生一时域(time-domain)数字数据。基频数字信号处理电路330包括有一时域转频域电路400以将经过该模拟前端电路320的时域数字数据转至频域(frequency-domain)数字数据，以直接得到PSD的分布图(而省略控制电路240，从而无须进行PSD统计分析)。一实施例，控制电路240可利用一预定分析方式进行，例如：多次执行相同频带的PSD，进而求得PSD的平均分布图，此举是利用统计的方式增加PSD的准确性。若上述的统计方式可以利用软件的方式进行，则可保持变更该预定分析方式的灵活性。如图2A及图2B，当PSD电路及相对应控制电路240求得频谱分布后，需有沟通渠道将PSD数据告知BT的AFH机制，最后再由AFH机制决定出下一个更新时间点的信道地图，其中沟通渠道可以是双方都可以存取的寄存器(register)或是利用一数据传输的信道。由于信道地图的更新变得较正确，故可解决传统AFH机制所常遇到的两个问题。

图4是该时域转频域电路400的一实施例的示意图。该时域转频域电路400的一实施例为一快速傅立叶转换(Fast FourierTransform；FFT)电路。下列数学式为FFT的标准表示法：

X (f) = Σ_{n = 0}^{N - 1} x (n) \cdot e^{- j \frac{2 πfn}{N}}

在此，X表示转至频谱的输出信号，f表示在频谱上所指定的频率，而x为时间轴上的输入信号，n为时间轴上的时间点，N为此FFT的总点数。而该时域转频域电路，如图4，可利用计数(时)器、累加器等元件所组成，其耦接关系如图4所示。该时域转频域电路400配合一预定分析方式的运算(例如：平均方式)，求得频谱上的PSD。

本发明的技术可同时应用在单天线及双天线架构中。如果是单天线架构(如图2A)，则利用时分多路复用(Time-DivisionMultiplexing；TDM)方式来切换天线的使用权，亦即当BT没有传输数据时，可以将天线切换至PSD电路，由PSD电路接收空气中的时域信号，此外如果是利用双天线架构(如图2B)，则PSD电路可无时无刻运行，或由BT AFH通过沟通渠道给予相关指令让PSD电路启动及关闭，达到对BT的所有信道或是所有信道的多个部分信道进行快速且准确的判断。

图5是单纯用PSD分析的结果来决定新的“信道地图”的流程示意图。换言之，在图5中，在原有的蓝牙的AFH机制会更多地依据PSD的结果，决定出新的信道地图。例如：一实施方式，原有的BT AFH机制会直接删除“被PSD的结果认定为坏信道”的信道。

在另一实施例中，如图6，应用于一双模模式下，亦即在一装备中同时有BT及WLAN的功能，利用本专利提出的概念，将PSD电路放在WLAN模块内，加上WLAN本身就有相对应的WLAN软件，因此在原先的WLAN软件中再加入本发明所提出的PSD的统计分布，亦为容易，且无须增加硬件成本。在此模式下，不仅可以达到远近距离的数据传输，同时利用WLAN中PSD电路，让蓝牙的适应性跳频机制可以作出适当的判断，让BT与WLAN的共存(Coexistence)不会互相产生干扰。而在双模模式下，仍可用上述提出的单天线及双天线架构，但须注意的是，PSD电路必须要在WLAN没有收发包时，才可以来做PSD的分析。在图6中，是示出蓝牙与无线局域网络的方块图的一实施例，该方块图请见图6。由于WLAN收发电路是一已知架构，且本发明的重点不是WLAN收发电路本身，故省略WLAN收发电路的详细说明。其详细的WLAN收发电路，可参考一些市售WLAN产品的规格书以及相关WLAN规范。在该实施例中，由于WLAN收发电路目前所使用的频带范围以及PSD的分析结果皆可以通过双方都可以存取的寄存器(register)或是利用一数据传输的信道，来让BT的AFH机制得知哪些信道有数据在传输或是有干扰源(Interference)，而使信道地图可以有较正确且及时的更新。换言之，一实施例，可直接利用使用现有的WLAN芯片以及蓝牙芯片配合本发明的技术特征来实现，例如：如图1，如果可以将传统WLAN与BT分别为独自芯片(Integrated Chip；IC)的解决方案，先经由IC层级的系统整合为单芯片系统(System on Chip；SOC)，再利用本专利提出的概念，对厂商而言只需将此单芯片放进应用的收发机中，即可达到个人、甚至家庭的无线传输目的。

此外，AFH机制中判断新的“信道地图”的方式，除了图5所示，即单纯用PSD分析的结果来决定新的“信道地图”。以外，如图7，本专利尚提出一种复合式判断机制，同使使用BT的已知测量方式所产生的测量结果及本发明所建议的PSD的测量结果，共同决定出新的“信道地图”。当然，这种决定机制有很多种排列变化，例如。先采用BT的已知测量方式所产生的测量结果决定出信道地图后，再依据PSD的测量结果进行更新；或是，先采用PSD的测量结果决定出信道地图后，再依据BT的测量结果进行更新；又例如：同时采用二者后，再选择BT的测量方式与PSD的测量结果进行更新。又或是同时采用二者以及二者分别的权重进行判断。故在此仅举一例说明：首先，先假设BT全部79个信道都是好信道(good channel)，经过一段时间BT跳频机制的传输，利用BT本身在每一个信道上的接收情况，例如循环冗余校验码(CycleRedundancy Check，CRC)、信头差错控制(Header ErrorControl/Check，HEC)或包失败比率(packet miss ratio)或是其它常用的参考依据...等，可以初步分辨出哪些是好信道及哪些是坏信道，接着利用PSD来持续观察在信道地图中坏信道的部分，从频谱的角度来看，当坏信道中的干扰源已经不见，PSD数值会相对变低，当PSD数值小于某一个特定值即可以归入好信道，如果没有小于某一特定值则仍维持坏信道，如此一来即可以在下一次AFH更新信道地图时将这些状态改变的信道加入好信道，而原先好信道的部分则由BT的角度来持续判断是否仍为好信道或已经转变为坏信道。利用图五的流程图，不会误将实际上有干扰的坏信道加入好信道，同时好信道中也可以随时淘汰突然因为干扰或其它通讯协议在传输包而变成坏信道，达到实时地新增或删除信道且不误判的目的，如此便可避免传统AFH机制所常遇到的两个问题。

此外，尚有依据本发明的精神所变化出的其它实施仿式。如：另一种变化的实施方式，利用PSD分布图来决定信道地图的方式，也可以先从挑好信道开始，在每一次更新信道地图的时间内，经由统计将每一个信道的PSD排序出来，因为是相对数值，可以从PSD最低的信道开始挑起，PSD较低表示受干扰的影响程度较小，进而将最佳的20个信道挑出来当成是好信道，同时也再依序挑出5～10个信道当作缓冲区，每次在信道地图更新时都可以选出25～30个信道作为好信道，且每次选出来的好信道彼此之间并没有相关性，全依照每次经由PSD排序后的结果来选择。

此外，PSD分布图中的特定临界值(Threshold；TH)，可以再区分为相对法则(relative method)及绝对法则(absolute method)：

如利用相对法则，可以根据选择出来好信道及信道的个数做适应性(adaptive)地调整。例如，当坏信道个数过多进而使得相对的好信道个数少于20个时，可以通过适应性算法将特定临界值调高。相反地，如果坏信道个数过少，甚至为0个时，表示预定的特定临界值非常不正确，无法判断出好或坏的信道，可以通过适应性算法将临界值TH适当调低。

如利用绝对法则，在原先PSD图中的曲线则可当作干扰的功率(PI)曲线图，如果可以再求出蓝牙包的接收功率(Ps)，即可以如图8所示，将原先的PSD分布图转变为信号功率对干扰功率比例(Signal-to-Interference Ratio；SIR)分布图，其定义如下：

SIR = \frac{P_{S}}{P_{I}}

或

SIR (dB) = 10 * \log 10 (\frac{P_{S}}{P_{I}})

而蓝牙包的信号强度，则可以利用原先的蓝牙装置检测出来，其检测方式有以下两种：

1.利用蓝牙在传输包时，在每一个跳频的信道中得到每个信道的信号强度，并作平均来求得，但此举比较容易受到不同信道的信道响应(channel response)或干扰来影响。例如当信道响应较大或有干扰存在时，一般而言，得出的蓝牙信号强度会较大，因此，统计上会较有误差。

2.可以先利用PSD的分布图，挑出受干扰影响最低的信道，并将此信道告知蓝牙装置，由BT装置固定在此信道作蓝牙信号强度的检测。如此一来，因为没有干扰信号，蓝牙包可以正确无误地被接收，并算出准确的信号强度，且只需统计单一信道的蓝牙信号强度，不需要蓝牙的软件作大量统计而增加复杂度，此外，因为蓝牙跳频的速度为每秒可跳1600个信道，以全部79个信道而言，平均每一个信道在一秒当中可以有20个包的接收机会，对于一段时间(如5秒～10秒)的平均数值上，也有相当的准确性。而由PSD电路告知BT装置的信道信息，可以在每一次更新PSD后重新取得，以保持统计蓝牙包信号强度的最佳状态。

当求得SIR分布图后，即可以根据解一个正确的蓝牙包所需要的信号噪声比(Signal-to-Noise Ratio；SNR)来选出好信道，在此，SIR中的干扰可以等效为SNR中的噪声(noise)。一般而言，收1Mbps及2Mbps的包所需SNR为15dB，收3Mbps的包所需SNR为20dB，亦即当SIR大于20dB时，可以选为好信道，而与SIR作比较来选择出好信道的临界值(TH)，为一个可调式TH。上述步骤的整个流程图可参考图9所示。

一实施例中，上述内容所提及的PSD电路可为一数字电路(是一种逻辑组合电路)，由于数字电路的实现常用硬件描述语言(例如VERLOG、VHDL)来定义电路的上述内容所提及的运行后，再利用EDA工具即可实现出该PSD电路。另一实施例中，上述内容所提及的PSD电路可为一处理器(CPU)或是数字信号处理电路(DSP)以及相关软(固)件所完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种无线通讯装置，包括有：

一跳频通讯电路，具有一信道地图，依据所述信道地图在多个信道中依序选择出其中的一信道来与另一个跳频通讯装置进行通讯；

一功率频谱密度电路，测量包含有所述跳频通讯电路的所有信道的频带范围的频谱以得出一功率频谱密度；以及一控制电路，接收所述功率频谱密度，依据所述功率频谱密度来更新所述信道地图。

2.根据权利要求1所述的无线通讯装置，其中，所述跳频通讯电路包括有一蓝牙通讯电路。

3.根据权利要求1或2所述的无线通讯装置，其中，所述功率频谱密度电路位于一无线局域网络电路中。

4.根据权利要求1或2所述的无线通讯装置，其中，所述控制电路对所述功率频谱密度进行统计分析。

5.根据权利要求1或2所述的无线通讯装置，其中，所述控制电路依据所述功率频谱密度以及一特定临界值来更新所述信道地图。

6.根据权利要求5所述的无线通讯装置，其中，所述特定临界值是可调的。

7.根据权利要求1所述的无线通讯装置，其中，将所述功率频谱密度当作干扰的功率曲线图，以及所述跳频通讯电路得到单一信道的包接收功率以决定出好信道及所述好信道的个数作适应性地调整。

8.一种无线通讯方法，包括有：

一跳频通讯电路依据一信道地图在多个信道中依序选择出其中的一信道以与另一个跳频通讯装置进行通讯；

测量出包含有所述跳频通讯电路的所有信道的频带范围的频谱以得出一功率频谱密度；以及

依据所述功率频谱密度来更新所述信道地图。

9.根据权利要求8所述的无线通讯方法，其中，所述跳频通讯电路包括有一蓝牙通讯电路。

10.根据权利要求8或9所述的无线通讯方法，其中，所述功率频谱密度电路位于一无线局域网络电路中。

11.根据权利要求8或9所述的无线通讯方法，其中，所述控制电路对所述功率频谱密度进行统计分析。

12.根据权利要求8或9所述的无线通讯方法，其中，所述控制电路依据所述功率频谱密度以及一特定临界值来更新所述信道地图。

13.根据权利要求12所述的无线通讯方法，其中，所述特定临界值是可调的。

14.根据权利要求8所述的无线通讯方法，其中，将所述功率频谱密度当作干扰的功率曲线图，以及所述跳频通讯电路得到单一信道的包接收功率以决定出好信道及所述好信道的个数作适应性地调整。