TW201438409A - 無線接收系統及其信號處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供之無線接收系統包含一封包搜尋模組與一記憶模組。該封包搜尋模組用以執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數。該記憶模組儲存一封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數。該封包搜尋模組隨後於一預設時間點，根據該記憶模組所儲存之該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。

Description

無線接收系統及其信號處理方法
本發明與無線通訊系統相關，並且尤其與偵測封包的技術相關。
無線區域網路(wireless local area network,WLAN)系統於傳送、接收資料時係以封包為單位。為了降低封包與封包發生碰撞(collision)的機率，進而提升傳輸品質，先後發送的兩個封包間會有固定的時間間隔。舉例而言，802.11n通訊協定規範有長度為十六微秒的短訊框間隔(short inter frame space,SIFS)以及長度為兩微秒的縮減訊框間隔(reduced inter frame space,RIFS)。
圖一呈現兩個802.11n封包的時序關係及相對應的接收端動作範例。在這個範例中，封包P1在時間點t10完全傳遞至接收端，而接收端於時間點t11完成封包P1的解碼並開始搜尋下一個封包。位於各封包開頭的前文(preamble)，例如封包P2前端標示的斜線區域，是接收端辨識封包是否存在的依據。一般而言，接收端無從得知封包P1、P2之間的間隔為短訊框間隔(SIFS)或縮減訊框間隔(RIFS)。易言之，接收端無法掌握封包P2的送達時間。因此，接收端必須持續監看通訊頻道中是否出現代表封包前文的信號。更明確地說，WLAN接收端會持續接收通訊頻道中的無線信號，並且對輸入信號施以自動增益控制(automatic gain control,AGC)、類比-數位轉換、解調、解碼…等信號處理程序，再根據解碼結果 判斷目前的輸入信號是否為封包前文。
某些在解碼之前進行的信號處理程序是為了調整輸入信號，以期符合後續程序的需求，例如透過自動增益控制程序改變輸入信號的振幅，使調整後信號的振幅配合類比-數位轉換電路之輸入信號範圍。另一方面，某些程序的目的則是為了移除因頻道效應或電路不匹配造成的偏移，例如載波頻率偏移(carrier frequency offset)和取樣頻率偏移，以避免這些偏移量導致錯誤的解碼結果。實務上，上述兩類程序都必須根據輸入信號即時動態調整其運作參數，例如自動增益控制電路的增益值、移除載波頻率偏移或取樣頻率偏移的補償參數。
在現行技術中，接收端通常預先儲存有一組原始參數，並且在每次開始執行封包搜尋程序時(例如於時間點t11)，根據該組原始參數重置其硬體/軟體/韌體。舉例而言，該組原始參數可能包含一初始增益值，用以初始化自動增益控制電路。自動增益控制電路隨後會自該初始增益值開始，根據輸入信號的振幅動態調整施加於輸入信號的增益值。實際上，由於在封包搜尋程序開始後、下一個封包前文出現前(例如圖一中的時間區段t11~t12)，接收端的輸入信號是通訊頻道中的雜訊，該等可調參數很可能會劇烈變動，大幅偏離初始值。舉例而言，時間點t12的AGC增益值Gt12與時間點t11的AGC增益值Gt11之間可能存在巨大差異。
在圖一呈現的範例中，經過自動增益控制、類比-數位轉換、解調、解碼…等程序，接收端在時間點t13判定第二封包P2的前文符合其搜尋條件。可理解的是，若適於接收第二封包P2之前文的AGC增益值與增益值Gt12差異愈大，自動增益控制電路通常便需要愈多時間來調整其增益值，因而會推遲時間點t13的出現時間。同理，各種可調參數及其最終收斂值的大幅差異都會造成時間點t13的延後。若時間點t13的出現時間太晚，可能導致接收端遺漏第二封包P2所承載的部分資料，甚至會因錯失第二封包P2的前文而遺漏整個第二封包P2。
為解決上述問題，本發明提出一種無線接收系統及其信號處理方法。當兩個先後傳遞至接收端的封包可能具有相似的信號特性時，根據本發明之接收端在下一個封包可能出現的時間點根據適用於前一個封包的參數開始進行封包搜尋程序，藉此縮短封包搜尋程序中調整各參數的時間。此外，本發明亦提出多種用以判斷輸入信號是否對應於802.11n封包前文的機制。
根據本發明之一具體實施例為一種無線接收系統，其中包含一封包搜尋模組與一記憶模組。該封包搜尋模組用以執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數。該記憶模組儲存一封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數。該封包搜尋模組隨後於一預設時間點，根據該記憶模組所儲存之該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。
根據本發明之另一具體實施例為一種應用於無線接收系統的信號處理方法。該方法首先執行一搜尋步驟：執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數，直到搜尋到一封包。接著，該方法執行一儲存步驟：儲存該封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數。隨後，該方法再次執行一搜尋步驟：於一預設時間點，根據該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。
關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
P1~P5‧‧‧封包
t10~t13、t31~t36、t41~t45‧‧‧時間點
200‧‧‧無線接收系統
22‧‧‧封包搜尋模組
24‧‧‧記憶模組
26‧‧‧解碼模組
S51~S53‧‧‧流程步驟
圖一呈現兩個WLAN封包的時序關係及相對應的接收端動作範例。
圖二為根據本發明之一實施例中的無線接收系統之功能方塊圖。
圖三呈現三個間隔為RIFS的802.11n封包之時序關係，以及根據本發明之無線接收系統相對應的運作範例。
圖四呈現兩個間隔為SIFS的802.11n封包之時序關係，以及根據本發明之無線接收系統採取的相對應運作範例。
圖五為根據本發明之一實施例中的信號處理方法之流程圖。
根據本發明之一具體實施例為一種無線接收系統，其功能方塊圖如圖二所示。無線接收系統200包含封包搜尋模組22、記憶模組24及解碼模組26。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，無線接收系統200能進一步包含其他未繪示於圖二的功能區塊，例如天線、本地振盪器等等，但皆非必要元件。為求明確呈現本發明的精神，以下說明著重於介紹封包搜尋模組22、記憶模組24和解碼模組26的運作，並主要以無線接收系統200為符合802.11n通訊協定的無線通訊系統為例，但本發明的範疇不以此為限。
封包搜尋模組22負責執行一封包搜尋程序，以搜尋通訊頻道中是否存在符合802.11n通訊協定的封包。於實際應用中，該封包搜尋程序可包含但不限於對輸入信號施以自動增益控制、類比-數位轉換、解調、解碼…等程序。在封包搜尋模組22確認搜尋到一封包之後，解碼模組26即開始對該封包的內容進行解碼。在該封包搜尋程序中，封包搜尋模組22可根據輸入信號選擇性地調整一個或多個參數，例如自動增益控制增益(AGC gain)、載波頻率偏移(carrier frequency offset)補償量，或取樣頻率偏移補償量，以期將輸入信號調整為符合後續程序的需求，或是校正輸入信號中因頻道效應或電路不匹配造成的不理想因素。
記憶模組24係用以儲存封包搜尋模組22搜尋到一封包時所採用之至少一參數，做為一組參考參數。以圖一繪示的情況為例，在完成封 包P1的封包搜尋程序後，封包搜尋模組22便可將在該封包搜尋程序中最後決定出的適用於封包P1之自動增益控制增益、載波頻率偏移補償量、取樣頻率偏移補償量…等參數存入記憶模組24，做為參考參數。實務上，記憶模組24可為各種型態的暫存器、記憶體，或是能暫存電位的電路元件(例如電容)。於實際應用中，記憶模組24亦可被整合在封包搜尋模組22內。
如先前所述，802.11n通訊協定中規範了兩種封包間隔：長度為十六微秒(μs)的短訊框間隔(SIFS)和長度為兩微秒(μs)的縮減訊框間隔(RIFS)。由於無論封包P1、P2的間隔為SIFS或RIFS，在封包P1結束後的兩微秒內，通訊頻道內都不會出現代表封包前文的信號，此實施例中的封包搜尋模組22在封包P1結束等待兩微秒後才開始進行封包搜尋程序，以避免無謂的電力消耗。自封包P1的結束時間(時間點t10)起算再經過兩微秒後，封包搜尋模組22始根據記憶模組24所儲存之該組參考參數，再次開始執行封包搜尋程序。
依照802.11n通訊協定，兩個先後送達無線接收系統200且間隔為SIFS的封包可能是由不同的傳送端(例如兩個不同的無線分享器)所發送，而兩個先後送達無線接收系統200且間隔為RIFS的封包絕對是由同一傳送端發送。假設封包P1、P2的間隔為RIFS。可預期的是，在封包P1的結尾於時間點t10送達無線接收系統200後，再經過大約兩微秒的時間，封包P2的前文將開始抵達無線接收系統200。易言之，時間點t10、t12的間隔為兩微秒。由於封包P1、P2是由同一個傳送端發送，代表封包P1、P2的無線信號通常會具有相當類似的特性，例如相似的信號強度、相似的傳遞路徑造成相似的頻道響應。理論上，適用於封包P1的自動增益控制增益、載波頻率偏移補償量、取樣頻率偏移補償量等參數很可能亦適用於封包P2。因此，當封包P1、P2的間隔為RIFS，根據儲存於記憶模組24之參考參數進行封包搜尋程序的封包搜尋模組22可大幅節省動態調 整各個參數的時間，進而加快確認封包P2之存在的速度。
須說明的是，該組對應於第一封包P1的參考參數可僅為封包搜尋模組22開始搜尋第二封包P2的參數起始值。換句話說，封包搜尋模組22仍可根據當時的輸入信號動態調整各個參數，不須在整個搜尋第二封包P2的過程中都固定採用該組參考參數。實務上，封包搜尋模組22有可能完全無須調整該組對應於封包P1的參考參數，便已搜尋出封包P2，亦可能需要微調該組參考參數。若適用於封包P1、P2的參數並非完全相同，在搜尋到封包P2後，封包搜尋模組22可利用適用於封包P2的參數更新記憶模組24的儲存內容。
圖三呈現三個間隔為RIFS的802.11n封包之時序關係及無線接收系統200相對應的運作範例。如圖三所示，第一封包P1在時間點t31完全送達無線接收系統200。在時間點t31、t32之間，封包搜尋模組22尚未開始進行封包搜尋程序。在與時間點t31相隔兩微秒的時間點t32，封包搜尋模組22根據先前儲存於記憶模組24中的參考參數(舉例而言，可為適用於第一封包P1的參數)開始進行封包搜尋程序，並且在時間點t33確認第二封包P2的存在。解碼模組26在時間點t33開始將第二封包P2的內容解碼。隨後，第二封包P2在時間點t34完全送達無線接收系統200。相似地，在與時間點t34相隔兩微秒的時間點t35，封包搜尋模組22根據先前儲存於記憶模組24中的參考參數(舉例而言，可為適用於第二封包P2的參數)開始進行封包搜尋程序，並於時間點t36確認第三封包P3的存在。
須說明的是，封包搜尋模組22開始針對第二封包P2執行封包搜尋程序的預設時間點不以圖三中標示的時間點t32為限。舉例而言，封包搜尋模組22亦可在略早於或略晚於自時間點t31起算兩微秒的時間點開始進行封包搜尋程序。搜尋起始時間的設定原則在於確保第二封包P2的內容不會被無線接收系統200遺漏。
若圖三中的第一封包P1和第二封包P2之間隔為SIFS而非RIFS，自時間點t31起算兩微秒後開始的封包搜尋程序自然無法在短時間內找出下一個封包的前文。圖四呈現兩個間隔為SIFS的802.11n封包之時序關係，以及根據本發明之無線接收系統200採取的相對應運作範例。於一實施例中，記憶模組24中另儲存有一組原始參數。如圖四所示，第四封包P4在時間點t41完全送達無線接收系統200。在相隔兩微秒的時間點t41、t42之間，封包搜尋模組22同樣不進行封包搜尋程序。封包搜尋模組22自一預設時間點(時間點t42)根據先前儲存於記憶模組24中的參考參數(亦即適用於第四封包P4的參數)開始進行封包搜尋程序。若封包搜尋模組22經過一段特定時間T後仍未找到後續封包，封包搜尋模組22便改為根據該組原始參數重新執行封包搜尋程序。第五封包P5的前文在時間點t44送達無線接收系統200，而封包搜尋模組22在時間點t45確認第五封包P5的存在。實務上，電路設計者可自行根據無線接收系統200的特性或經驗法則設定時間T的長短。
由以上說明可看出，根據本發明之無線接收系統採用的搜尋機制顯然不同於先前技術固定在每次開始執行封包搜尋程序時採用同一組原始參數的做法。本發明的主要精神之一在於，當兩個先後傳遞至接收端的封包可能具有相似的信號特性時，接收端在下一個封包可能出現的時間點套用適用於前一個封包的參數，開始進行下一個封包的搜尋程序，藉此縮短封包搜尋程序中調整各參數的時間。須說明的是，根據輸入信號適性調整各種參數的實施細節為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，於此不再贅述。
根據802.11n通訊協定，各個封包的前文是由十段長度各為零點八微秒的特定序列組成，各段特定序列的內容完全相同。在確認了適用於目前之輸入信號的自動增益控制電路增益值、載波頻率偏移補償量、取樣頻率偏移補償量等參數後，封包搜尋模組22可根據802.11n封包前文的特 性，判斷目前之輸入信號是否為封包前文的依據，詳述如下。
於一實施例中，封包搜尋模組22包含一取樣單元與一信號強度偵測器。該取樣單元係用以將輸入信號取樣，以產生一取樣結果。該信號強度偵測器則係用以計算該取樣結果於一時間區段之一累積強度，並根據該累積強度是否高於一強度門檻值判斷目前的輸入信號是否為封包前文。舉例而言，該取樣單元可每隔零點八微秒取樣一次，且該信號強度偵測器可計算連續十六個的取樣點的信號強度之累加值。該強度門檻值可被設計為：在輸入信號主要為雜訊的情況下，該累加值難以高於該強度門檻值。相對地，若輸入信號中開始出現代表封包前文的內容，該累加值便會超越該強度門檻值。
於一實施例中，封包搜尋模組22包含一相關性單元與一判斷單元。該相關性單元係用以計算一輸入信號中之複數個區段間之至少一相關程度。該判斷單元則係用以根據該至少一相關程度之總和是否高於一相關性門檻值判斷目前的輸入信號是否為封包前文。舉例而言，該複數個區段可為輸入信號中十段長度各為零點八微秒的連續區段。該相關性單元可計算各相鄰區段的相關程度，且該判斷單元可根據相關性單元所產生之九個相關程度之總和是否高於一相關性門檻值判斷目前的輸入信號是否為封包前文。
於一實施例中，封包搜尋模組22包含一匹配濾波器與一判斷單元。該匹配濾波器係用以計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度。舉例而言，該匹配濾波器可自輸入信號中擷取十段長度各為零點八微秒的連續區段，並令該參考信號為前述已知特定序列。隨後，該判斷單元根據該等匹配程度是否高於一匹配門檻值判斷目前的輸入信號是否對應於封包前文。若輸入信號中的該十個連續區段係對應於封包前文，該匹配濾波器的輸出信號中理論上會出現十個高於匹配門檻值的峰值。
於一實施例中，封包搜尋模組22同樣包含一匹配濾波器與一判斷單元。該匹配濾波器係用以計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度。相似地，該匹配濾波器可自輸入信號中擷取十段長度各為零點八微秒的連續區段，並令該參考信號為前述已知特定序列。隨後，該判斷單元根據該匹配程度之一週期是否落在一特定範圍內判斷該輸入信號是否對應於一封包前文。若輸入信號中的該十個連續區段係對應於封包前文，該匹配濾波器的輸出信號中理論上會出現十個高於匹配門檻值的峰值，且該十個峰值的平均週期將大致為零點八微秒。
須說明的是，根據本發明之封包搜尋模組22可選擇性地採用上述幾個實施例中的複數個判斷機制，以在輸入信號符合相對應的判斷準則時判定輸入信號為802.11n封包前文。
根據本發明之另一具體實施例為一種應用於無線接收系統的信號處理方法，其流程圖係繪示於圖五。該方法首先執行步驟S51：執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數，直到搜尋到一封包。接著，該方法執行步驟S52：儲存該封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數。隨後，該方法執行步驟S53：於一預設時間點，根據該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。先前在介紹無線接收系統200時描述的各種電路操作變化亦可應用至圖五所繪示的信號處理方法中，其細節不再贅述。
如上所述，本發明提出一種無線接收系統及其信號處理方法。當兩個先後傳遞至接收端的封包可能具有相似的信號特性時，根據本發明之接收端在下一個封包可能出現的時間點根據適用於前一個封包的參數開始進行封包搜尋程序，藉此縮短封包搜尋程序中調整各參數的時間。此外，本發明亦提出多種用以判斷輸入信號是否對應於802.11n封包前文的機制。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發 明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S51~S53‧‧‧流程步驟

Claims (16)

  1. 一種無線接收系統，包含：一封包搜尋模組，用以執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數；以及一記憶模組，儲存一封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數；其中該封包搜尋模組隨後於一預設時間點，根據該記憶模組所儲存之該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收系統，其中該記憶模組中亦儲存有一組原始參數，若該封包搜尋模組自該預設時間點經過一段特定期間仍未找到一後續封包，該封包搜尋模組根據該記憶模組所儲存之該組原始參數，再次執行該封包搜尋程序。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收系統，其中該至少一參數係對應於一自動增益控制增益(AGC gain)、一載波頻率偏移(carrier frequency offset)補償量以及一取樣頻率偏移補償量至少之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收系統，其中該封包符合802.11n通訊協定，且該預設時間點為自該封包完全送達該無線接收系統後起算兩微秒。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之無線接收系統，其中該封包搜尋模組包含：一取樣單元，用以取樣一輸入信號，以產生一取樣結果；以及一信號強度偵測器，用以計算該取樣結果於一時間區段之一累積強度，並根據該累積強度是否高於一強度門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之無線接收系統，其中該封包搜尋模組包含：一相關性單元，用以計算一輸入信號中之複數個區段間之至少一相關程度；以及 一判斷單元，用以根據該至少一相關程度之總和是否高於一相關性門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之無線接收系統，其中該封包搜尋模組包含：一匹配濾波器，用以計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度；以及一判斷單元，用以根據該匹配程度是否高於一匹配門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之無線接收系統，其中該封包搜尋模組包含：一匹配濾波器，用以計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度；以及一判斷單元，用以根據該匹配程度之一週期是否落在一特定範圍內判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  9. 一種應用於無線接收系統之信號處理方法，包含：(a)執行一封包搜尋程序，包含採用至少一參數，直到搜尋到一封包；(b)儲存該封包所對應之該至少一參數，做為一組參考參數；以及(c)於一預設時間點，根據該組參考參數，再次執行該封包搜尋程序。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之信號處理方法，於步驟(c)後進一步包含：若自該預設時間點經過一段特定期間仍未找到一後續封包，根據一組原始參數，再次執行該封包搜尋程序。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之信號處理方法，其中該至少一參數係對應於一自動增益控制增益(AGC gain)、一載波頻率偏移(carrier frequency offset)補償量以及一取樣頻率偏移補償量至少之一。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之信號處理方法，其中該封包符合802.11n通訊協定，且該預設時間點為自該封包完全送達該無線接收系統後起算兩微秒。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之信號處理方法，其中該封包搜尋程序包 含：取樣一輸入信號，以產生一取樣結果；以及計算該取樣結果於一時間區段之一累積強度，並根據該累積強度是否高於一強度門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之信號處理方法，其中該封包搜尋程序包含：計算一輸入信號中之複數個區段間之至少一相關程度；以及根據該至少一相關程度之總和是否高於一相關性門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之信號處理方法，其中該封包搜尋程序包含：計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度；以及根據該匹配程度是否高於一匹配門檻值判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之信號處理方法，其中該封包搜尋程序包含：計算一輸入信號與一參考信號間之一匹配程度；以及根據該匹配程度之一週期是否落在一特定範圍內判斷該輸入信號是否對應於一封包前文(preamble)。
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