TW201724771A - 無線電通訊技術 - Google Patents

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依銘德 歐森
史維瑞 維區朗德
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Abstract

一數位無線電接收器係經配置以接收及處理資料訊框，各個資料訊框包含(i)多個相同的同步序列；(ii)與該等同步序列相異的識別資料；及(iii)經卷積編碼的訊息資料。接收器之一初始同步碼段使用於一所接收的資料訊框中的該等多個同步序列以進行一頻率同步或符碼-時間同步操作。一訊框同步碼段藉將該所接收的識別資料中之至少部分對儲存於一記憶體中之參考識別資料相關聯而判定訊框同步資訊。一卷積解碼碼段使用該訊框同步資訊來解碼該訊息資料。

Description

無線電通訊技術
本發明係有關於數位無線電技術。
已知各種無線電通訊系統用於發射二進制訊息資料。實例包括藍牙TM 及藍牙低能源TM 。要緊地，數位無線電接收器快速且準確地從所接收的資料封包(又稱資料訊框)判定時間同步，以便能可靠地解碼訊息資料。已知接近各個訊框的起點包括發射器及接收器兩者已知的預定同步字組，在接收器解碼得自訊框的訊息資料之前，接收器可使用該同步字組來進行操作，諸如符碼時間回復、頻率偏移補償、自動增益控制(AGC)訓練、及訊框同步。
當所接收的無線電信號弱時，接收器更難以可靠地進行此等操作。本案申請人先前預期在一資料封包內包括由二或多個相同的同步序列組成的一同步字組來提供更準確的符碼時間回復及頻率偏移補償。此種辦法允許接收器使用相當短的相關器，其將輸入信號對儲存的同步序列的一個情況重複地相關聯。此點比對較長的非重複同步序列的相關聯更具有電源效率。除了相關器輸出幅值的基本匹配量表之外，同步電路可使用在連續相關器匹配(針對連續同步序列)間的時間距離以獲得符碼時間回復。
然而，重複同步序列(而非較長的非重複同步字組)的使用確實使得訊框同步化更困難，原因在於接收器可能無需在同步字組內部的相同同步序列間作區別。申請人已瞭解當接在訊框中的同步序列後方的資料受以卷積為基礎的前向錯誤校正(FEC)碼保護時，此點特別成問題。此點的原因在於針對卷積碼的解碼器典型地需要知曉代碼起點的位置以便正確地啟動。
本發明尋求提供改良的數位無線電接收器。
自一第一面向，本發明提出一種經配置以接收及處理資料訊框的數位無線電接收器，各個資料訊框包含(i)多個相同的同步序列；(ii)與該等同步序列相異的識別資料；及(iii)經卷積編碼的訊息資料，該接收器包含： 一初始同步碼段經配置以使用於一所接收的資料訊框中的該等多個相同的同步序列以進行一頻率同步或符碼-時間同步操作； 一訊框同步碼段經配置以藉將該所接收的識別資料中之至少一部分對儲存於該接收器的一記憶體中之參考識別資料相關聯而判定針對該所接收的資料訊框之訊框同步資訊；及 一卷積解碼碼段經配置以使用該訊框同步資訊來解碼該資料訊框的該訊息資料。
自一第二面向，本發明提出一種無線電通訊方法，包含接收及處理一資料訊框包含(i)多個相同的同步序列；(ii)與該等同步序列相異的識別資料；及(iii)經卷積編碼的訊息資料，該方法包含： 使用於該所接收的資料訊框中的該等多個相同的同步序列以進行一頻率同步或符碼-時間同步操作； 藉將該所接收的識別資料中之至少一部分對儲存的參考識別資料相關聯而判定針對該所接收的資料訊框之訊框同步資訊；及 使用該訊框同步資訊來解碼該資料訊框的該訊息資料。
如此將瞭解於資料訊框內部的識別資料被使用來，與其它頻率及/或符碼-時間同步操作分開地，獲得訊框同步化用於將訊息資料解卷積。此種儲存的參考識別資料較佳地係與在資料訊框中發射的識別資料相同(實際上，當然，雜訊可表示接收的信號並非與發射的信號確切相同)，或包含所發射的識別資料之至少一部分。識別資料可以是接收器事前已知的任何資料，諸如發射器或接收器的位址。於若干較佳實施例中，識別資料為無線電接收器與無線電發射器間之特定鏈路層連結的特異性資料。舉例言之，識別資料可以是藍牙TM 低能源存取位址，或更通稱鏈路層連結識別符。使用已經為了其它目的而存在於資料封包內的識別資料進行訊框同步化係特別有效，原因在於其避免了單獨為了進行訊框同步化而涵括額外資料來延長資料封包。
於若干實施例中，識別資料可較佳地使用與訊息資料的相同卷積編碼經卷積編碼。識別資料較佳地出現在前向錯誤校正碼塊的起點；藉此方式，其寫碼值針對給定通訊鏈路為固定，並不取決於可變訊息位元。參考識別資料也可經卷積編碼，使得在訊框同步碼段中的相關性係使用寫碼資料進行。在經FEC寫碼資料上相關聯的優點為FEC編碼可輔助確保兩個不同鏈路層連結的個別識別資料間之最短距離-例如，有兩個藍牙TM 低能源存取位址-藉此輔助避免其中識別資料係透過雜訊通道接收的假相關性匹配。
識別資料較佳地係位在資料封包中的訊息資料前方。其可彼此相鄰。同步序列較佳地係位在資料封包中的識別資料前方。再度，其可彼此相鄰。在同步字組中的同步序列可有2、3、5、10、20或以上個案例。
於若干實施例中，識別資料可以是在資料訊框中經直接序列展頻-(DSSS-)編碼。若識別資料係經卷積編碼，則DSSS-編碼可環繞經卷積編碼的識別資料施加。因此，接收器可包含解展頻器碼段經配置以將所接收的資料訊框之經DSSS-編碼的識別資料解展頻。然後，訊框同步碼段較佳地經配置以，在識別資料已經解展頻之後，將識別資料的至少部分對參考識別資料相關聯。發明人已實現在解展頻之後對識別資料相關聯提供了可接受的訊框同步，比較在解展頻之前進行相關聯，對相關器具有遠更低的電源需求。相關長度遠更短。再者，解展頻器碼段較佳地接收複合(I及Q)格式中的資料，但以實際格式輸出資料。如此表示相關器只需作用在實際資料，而非作用在複合的經DSSS-編碼的資料。
訊框同步碼段可具有可組配的錯誤臨界值用於判定是否發現相關匹配。若要求完美匹配，則因遺失訊框同步故，於寫碼串流中的位元錯誤率(BER)可能將獲得無法接受的封包損耗比。
經卷積編碼的訊息資料也可經DSSS-編碼(在卷積編碼外部)。解展頻器碼段可經配置以，除了將識別資料解展頻之外，也將訊息資料解展頻。
訊息資料可包含或由一或多個協定欄位諸如比率指標組成，或其可完全由資料酬載組成，該資料酬載只在實體層及資料鏈路層上方的較高協定層有意義。資料訊框可包括額外訊息資料，其非經FEC編碼，或其在與第一訊息資料不同的碼塊中係經卷積編碼或碼塊編碼。舉例言之，資料訊框可包含(i)同步字組，接著為(ii)包括存取位址接著為比率指標的第一經DSSS編碼的經卷積編碼之碼塊，接著為(iii)包括「任意」資料酬載的第二經DSSS編碼的經FEC編碼之碼塊。經FEC編碼的資料酬載可使用卷積碼或碼塊碼編碼。若資料酬載係經碼塊編碼，則經卷積編碼的訊息資料可被視為包含比率指標(及選擇性地，若只有存取位址的第一半部用作為識別資料，則在識別資料後方的第一碼塊中的任何其它資料，諸如存取位址的第二半部)。
頻率同步化或符碼-時間-同步化操作可包括下列中之一或多者：符碼時間回復及頻率偏移補償。接收器也可使用同步序列(一起界定同步字組)用於自動增益控制(AGC)訓練。
初始同步碼段較佳地包含一相關器，經配置以將所接收的同步序列對單一同步序列的全部或部分重複地相關聯。
卷積解碼碼段較佳地包含維特比(Viterbi)解碼器。
訊框同步碼段可將整個所接收的識別資料對參考識別資料相關聯，或其可只在所接收的識別資料的部分上相關聯-例如，首四分之一或首半。此點的原因在於可能無需完整識別資料來獲得可靠的訊框同步化，及其因只在部分資料上相關聯故節省電力。於此後述情況下，儲存的參考識別資料將典型地只包括相關器要求的相同部分。
於若干實施例中，卷積解碼碼段可以識別資料的至少一部分預先啟動-例如，在訊框同步碼段已結束其相關操作之前或之後不久。此點為可能的原因在於接收器通常將已經知曉其經調諧來接收的資料訊框的識別資料。藉此方式，一旦訊框同步碼段已達成同步，卷積解碼碼段可開始解碼資料訊框，而無需緩衝識別資料(其係由訊框同步碼段消耗)。若藉訊框同步碼段找到相關性，參考識別資料的全部或部分已經有效地由接收器解碼，故可確認使用具有無雜訊儲存的參考識別資料之卷積解碼碼段的預先啟動為有效。訊框同步化可能只要求一部分(例如，第一半部)識別資料，於該種情況下，唯有該部分已由訊框同步碼段使用，卷積解碼碼段才須被預先啟動。
於若干實施例中，前文描述的解展頻器碼段之相位輸出可使用來補償載波頻率漂移。
接收器可包含CORDIC用於補償載波頻率偏移及/或漂移。接收器可包含聯合時間及頻率估計器。
每當適合時，本文描述的任何面向或實施例之特徵可施加到本文描述的任何其它面向或實施例。當參照不同實施例或實施例之集合時，須瞭解並非必要分開反而可重疊。
圖1顯示與行動電話7通訊的無線心率監視器1。行動電話7具體實施本發明。
無線心率監視器1具有心率感測器2，其係連結到微處理器3(諸如ARMTM 皮質(Cortex)M系列)。微處理器3係連結到無線電發射器4。無線電發射器4包括編碼器5(等其它組件)。也存在有其它習知組件，諸如記憶體、電池等，但為求簡明而從本圖中刪除。微處理器3及無線電發射器4可整合至單一矽晶片上。監視器1具有無線電天線6，其可整合至此一晶片上或可在其外部。
行動電話7具有適合用於自連結到無線電接收器9的無線個人區域網路裝置接收短程無線電通訊的天線8等其它習知組件(未顯示於圖中)。無線電接收器9包括同步及解碼邏輯10等其它組件。無線電接收器9係連結到微處理器11(諸如ARMTM 皮質M系列)，其可能透過其它組件，諸如跑作業系統及適當軟體應用程式的又一微處理器(未顯示於圖中)而輸出資料用於顯示在螢幕12上。
於使用中，無線心率監視器1自心率感測器2接收針對一使用人的定期心率讀數。微處理器3將該等讀數處理成傳輸用的適當形式，及發送訊息資料給無線電發射器4。於若干實施例中，訊息資料可已經差異編碼，以便改良在無線電接收器9上的解碼操作效率。無線電發射器4判定該訊息資料是否能匹配入單一資料封包內，或其是否須跨二或多個資料封包分割。無線電發射器4中之編碼器5使用以卷積為基礎的前向錯誤校正碼來編碼訊息資料。其於該經編碼訊息資料前方前綴鏈路層存取位址(cAA)及比率指標(RI)而產生酬載。其然後使用固定碼片序列而DSSS編碼此一整合酬載。舉例言之，各個「1」位元可由4-位元序列[1 1 0 0]表示，及各個「0」位元可由序列[0 0 1 1]表示。當然，可使用其它碼片序列長度，其可以是或可以不是2的次冪。然後，發射器4將同步字組前綴在酬載前方，包含預定序列的10次重複，S1=[0 0 1 1 1 1 0 0](舉例)。
然後，無線電發射器4自天線6發射已編碼的資料封包，該封包已使用二層級GFSK以0.5的調變指數在射頻載波(例如，於約2.4 GHz)上調變。若屬適宜，資料封包可含有額外元件，諸如前置碼。
圖2顯示資料封包結構之實例，其包括同步字組及經FEC編碼的資料酬載。資料酬載在第一FEC碼塊中含有編碼存取位址(cAA)及比率指標。該比率指標含有有關含額外訊息位元的第二FEC碼塊之編碼資料。
於使用中，行動電話7於天線8接收無線電資料封包。無線電接收器9運用同步及解碼邏輯10處理GFSK信號。接收器9首先將所接收的信號與8-位元同步序列[0 0 1 1 1 1 0 0]相關聯，以便決定符碼時間回復及頻率偏移校正。
重複同步序列具有下述優點，除了基本匹配量表(相關器輸出幅值)之外，同步邏輯10可定性測定相關器匹配間的時間距離。
此點可經探索來對定性化匹配降低相關器臨界值，同時對假檢測維持穩健。如此轉而表示8-位元相關器可被使用來於低接收器複雜度達成高度敏感度。此種脈波列同步化的另一項優點為，如同於若干實施例中的可能情況，若使用比重複序列更長的相關器訊框，則接收器相關器係數也將是重複的序列。如此簡化了更長的相關器之實施，同時維持其基本雜訊均化性質。
然後，無線電接收器9解展頻該資料酬載，使用擷取的時間同步來達成此項目的。此種操作容後詳述。解展頻的實數值輸出被發送到維特比解碼器用以將該輸出解卷積。然而，維特比解碼器須被正確地啟動以便能正確地去除FEC編碼。此點也係藉相對於編碼存取位址(cAA)的儲存表示型態而與解展頻輸出相關聯達成。因針對一給定連結的存取位址為固定，且因其係出現在第一FEC碼塊的開頭，故其FEC編碼值cAA可被預先決定及儲存於無線電接收器9中以供於本相關性操作中使用。此種相關性操作容後詳述。相關性提供了訊框同步資訊，然後，該資訊被使用來啟動維特比解碼器。
然後，無線電接收器9發送該解碼訊息資料給微處理器11用於處理。微處理器11可以任何適當方式處理之。於若干實施例中，心率資訊可以圖解方式顯示在顯示器螢幕12上讓使用者觀看。
無線心率監視器1及行動電話7可經組配使得心率訊息資料實質上根據藍牙低能源(BTLE)TM 核心規格版本4.0，自無線心率監視器1移轉給行動電話7，但實體層例外。無線心率監視器1及行動電話7可裝配有雙向無線電通訊，使用對應組件來於相反方向進行無線電發射，但此點並非必要。
圖3顯示具體實施本發明之無線電接收器的數位基頻處理階段的細節。此接收器可以是如前文描述的相同無線電接收器9，或可以是不同的無線電接收器。
為了精簡理由故，圖中未顯示諸如濾波及殘留頻率偏移追蹤等步驟。無線電接收器的設計目標係為了優化敏感度，同時容許實際通道狀況(載波頻率偏移、載波漂移、衰減等)。
複合值基頻樣本顯示自圖3左側進入。此等發送到CORDIC單元18，及從該處發送到解展頻器單元19。解展頻器單元19進行輸入資料與一或多個儲存碼片序列間的交互相關。解展頻器單元19的輸出被發送到位元層級編碼-存取-位址相關器單元20，及然後發送到維特比解碼器單元21。輸入樣本也發送到同步單元22，其進行時間同步及初始載波頻率偏移估計。
圖3含有下列縮寫： n=碼片索引； m=符碼索引； z(n)=複合基頻樣本； z’(n)=載波頻率偏移(CFO)補償z(n)； h(n)=得自解展頻資料的硬決策位元； cAA=期望編碼存取位址的複本； p(k)= 表示FSK調變之後在相位柱上的資料碼片序列的複合值。
同步係環繞一種特定相關器建立。相關器為資料輔助聯合時間與頻率估計器，其探索所接收的符碼中之資料知識，用以抵消調變對習知延遲與相關類型之載波頻率偏移估計器的估值的影響。同步化背後的原理係由本案申請人描述於WO 2014/167318，全案內容爰引於此並融入本說明書之揭示。
因接收重複同步字組故，對連續振幅響應間之時域距離上的額外檢查可用來濾出假檢測。如此表示具有較低檢測臨界值的較短的相關器可使用來達成給定的敏感程度而降低接收器的複雜度。
圖3中之「聯合時間及頻率偏移同步」同步單元22針對每個輸入的基頻樣本zn =I(n)+jQ(n)進行如下交互相關：， 其中L為表示升頻「同步字組」的樣本數目，其定義為如上序列S1之重複數；其中D為設計時決定的滯後；及其中T為樣本週期。
係數係給定為，其中p為組成經升頻且經調變的同步字組位元的樣本。相關器須在正確的時間點取樣以讓頻率偏移估值為有效，及此時瞬係當由下式給定的Mn 值中觀察得「峰值」時：，於該處及。
Mn 中之有效峰值係相對於可規劃臨界值測定。成功的同步事件係定義為觀察到數個有效峰彼此時間上間隔量對應「同步字組」長度，加或減一值Δ來考慮雜訊。此種同步事件進一步定義選通時間將用於隨後資料符碼的檢測。
係數係在設計時間計算。
複合基頻樣本z’(n)的經CFO補償的序列係藉數位-基頻-相關器解展頻器單元19處理。此點計算及輸出實數值給位元層級編碼-存取-位址相關器單元20及給維特比解碼器單元21。
寫碼-存取-位址相關器單元20使用寫碼-存取-位址的儲存版本進行相關操作，以便針對輸入資料訊框判定訊框同步。
然後，藉維特比解碼器單元21以習知方式操作而測定訊息資料位元。
圖4顯示有限狀態機(FSM)，如於圖3中例示，其可精心策劃無線電接收器中的同步處理及外部DSSS解碼。
此種FSM的狀態係由變數syncstate給定。於時間t=0，FSM始於syncstate=0。此種狀態中，FSM係在圖4中之虛線右側，及於由同步單元22計算的Mn 值中尋找「峰值」。針對各個「峰值」，值係紀錄於向量元件cfoVec[MnCnt]中，及「峰值」計數器MnCnt遞增1。當已觀察到各個峰間有某個距離dist的充分最少數min此種峰時，達成初始時間及載波頻率偏移同步及syncstate遞增1。
藉計數器(以每個符碼的樣本數目為模而計數)測量得「峰」的平均時間界定接續的符碼邊界(選通時間)。此外，初始載波頻率偏移估值係計算為向量cfoVec中之元件的平均。然後此值發送到CORDIC單元18。
現在，syncstate＞0，FSM進入圖4中之虛線左側用以接收訊息。此種狀態下，如前文描述，訊息資料位元係在解碼器單元21中確定。此外，殘留載波頻率偏移(CFO)經追蹤及ωCFO 經計算。此值轉而用來更新(藉被加至)CORDIC單元18中的值。
1…無線心率監視器 2…心率感測器 3、11…微處理器 4…無線電發射器 5…編碼器 6…無線電天線 7…行動電話 8…天線 9…無線電接收器 10…同步及解碼邏輯 12…螢幕 18…CORDIC單元 19…解展頻器單元 20…位元層級編碼-存取-位址相關器單元 21…維特比解碼器單元 22…同步單元
現在將參考附圖，僅藉例示描述某些本發明之較佳實施例，附圖中： 圖1為具體實施本發明的包括接收器之無線電通訊系統的示意圖； 圖2為可由無線電通訊系統發射與接收的資料封包的略圖； 圖3為具體實施本發明的無線電接收器之部分的示意圖；及 圖4為針對此種無線電接收器的狀態圖。
18‧‧‧CORDIC單元
19‧‧‧解展頻器單元
20‧‧‧位元層級編碼-存取-位址相關器單元
21‧‧‧維特比解碼器單元
22‧‧‧同步單元

Claims (17)

  1. 一種經配置以接收及處理資料訊框的數位無線電接收器，各個資料訊框包含(i)多個相同的同步序列；(ii)與該等同步序列相異的識別資料；及(iii)經卷積編碼的訊息資料，該接收器包含： 一初始同步碼段經配置以使用於一所接收的資料訊框中的該等多個相同的同步序列以進行一頻率同步或符碼-時間同步操作； 一訊框同步碼段經配置以藉將該所接收的識別資料中之至少一部分對儲存於該接收器的一記憶體中之參考識別資料相關聯而判定針對該所接收的資料訊框之訊框同步資訊；及 一卷積解碼碼段經配置以使用該訊框同步資訊來解碼該資料訊框的該訊息資料。
  2. 如請求項1之數位無線電接收器，其中該儲存的參考識別資料係與在該接收的資料訊框中被發射的該識別資料相同。
  3. 如請求項1或2之數位無線電接收器，其中該參考識別資料係經卷積編碼，及其中該訊框同步碼段係經配置以將經卷積編碼的所接收的識別資料對該經卷積編碼的參考識別資料相關聯。
  4. 如先前請求項中任一項之數位無線電接收器，其中該數位無線電接收器包含經配置以解展頻在該接收的資料訊框中之直接序列展頻-(DSSS-)編碼識別資料。
  5. 如請求項4之數位無線電接收器，其中該解展頻器碼段係經配置以接收呈複合格式的資料，但用以真正格式輸出資料。
  6. 如請求項4或5之數位無線電接收器，其中該訊框同步碼段係經配置以在該識別資料已被解展頻之後將該別資料中之至少一部分對該參考識別資料相關聯。
  7. 如請求項4至6中任一項之數位無線電接收器，經配置以使用該解展頻器碼段的一相位輸出來補償載波頻率漂移。
  8. 如先前請求項中任一項之數位無線電接收器，其中該初始同步碼段包含一相關器經配置以將該所接收的同步序列對一單一同步序列中之全部或部分相關聯。
  9. 如先前請求項中任一項之數位無線電接收器，其中卷積解碼碼段包含一維特比(Viterbi)解碼器。
  10. 如先前請求項中任一項之數位無線電接收器，經配置以使用該識別資料的至少一部分來預先啟動該卷積解碼碼段。
  11. 一種無線電通訊方法，包含接收及處理一資料訊框包含(i)多個相同的同步序列；(ii)與該等同步序列相異的識別資料；及(iii)經卷積編碼的訊息資料，該方法包含： 使用於該所接收的資料訊框中的該等多個相同的同步序列以進行一頻率同步或符碼-時間同步操作； 藉將該所接收的識別資料中之至少一部分對儲存的參考識別資料相關聯而判定針對該所接收的資料訊框之訊框同步資訊；及 使用該訊框同步資訊來解碼該資料訊框的該訊息資料。
  12. 如請求項11之方法，其中在該接收的資料訊框中之該識別資料為用於線電接收器與一無線電發射器間之一特定鏈路層連結的一識別符。
  13. 如請求項11或12之方法，其中在該接收的資料訊框中之該識別資料為藍牙(Bluetooth)TM 低能源存取位址中之部分或全部。
  14. 如請求項11至13中任一項之方法，其中在該所接收的資料訊框中之該識別資料係經卷積編碼且係位在一前向錯誤校正碼塊的該開頭。
  15. 如請求項11至14中任一項之方法，其中在該所接收的資料訊框中該同步序列係位在該識別資料的前方，及其中該識別資料係位在該訊息資料的前方。
  16. 一種實質上如於本文中參考附圖描述的數位無線電接收器。
  17. 一種實質上如於本文中參考附圖描述的方法。
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