TW201909575A - 車輛無線通訊系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種車輛無線通訊系統，包括位元產生器，用以產生要發送的資訊位元以及控制位元；數位波形編碼器，用以將位元產生器的輸出轉換成連續的波形數值；數位順序攪拌器，用以將數位波形編碼器的時間區段編號順序做特定的重新排列；數位解多工器，用以將數位順序攪拌器輸出的訊號用亂數或前置定義的順序傳送時間區段訊號到相對應的電壓控制振盪器；以及電壓控制振盪器，用以將數位解多工器的輸出轉換成連續的類比載波波形送到發射天線。

Description

車輛無線通訊系統及其方法

本發明係關於一種車輛無線通訊系統，特別是關於無線通訊通道探測技術以及避免車輛碰撞技術。

目前已知在蜂巢式5G/4G系統中，車輛與車輛之間必須透過基地台才能通訊；在IEEE 802.11p 系統中，也需要每台車都有配置才能提高避免碰撞的機率，然而在實際的生活環境中，基地台或訊息發射器的訊號並非到處都存在，此時上述系統因其通訊物理層並非特別針對車輛避免碰撞的用途而設計，因此對於避免碰撞的功能已然不足，而現行車輛要避免碰撞會使用高頻雷達感測器，其常見的通訊訊號調變方式有硬體效能要求不高的系統如：頻率調變連續波(frequency modulated continuous waveform; FMCW)，M 階頻移鍵控(M-ary frequency-shift keying; MFSK)，以及硬體效能要求較高的系統如：脈衝列(pulse train)，分碼多重進接(code division multiple access; CDMA)。Pulse train 與 CDMA 技術成本十分昂貴，因此較難普及大眾，而 FMCW 與 MFSK 技術在大量部署後會遇到訊號互相干擾的問題，此外，上述高頻雷達感測器系統在訊息主動分享或無線通訊的功能需要額外的通訊電路設計，因此會增加系統的複雜度與成本，是需要被改良的地方。

為克服上述先前技藝之限制或缺點所衍生的諸多問題，本發明提供一種用於車輛無線通訊之車輛無線通訊收發器，包括數位訊號處理器、電壓控制振盪器 (voltage-controlled oscillator；VCO)以及多重天線，數位訊號處理器產生基頻參考信號源以及解調接收訊號，電壓控制振盪器根據基頻參考信號源振盪出高頻參考信號源，而多重天線則發射或接收類比載波信號。

另一方面，本發明提供一種車輛無線通訊發射器，包括一個或一個以上的數位訊號處理器，用以產生要發送的基頻參考信號源，其中數位訊號處理器包括一個或一個以上的位元產生器，用以產生要發送的資訊位元以及控制位元；一個或一個以上的數位波形編碼器，用以將位元產生器的輸出轉換成連續的波形數值；一個或一個以上的數位順序攪拌器(interleaver)，用以將數位波形編碼器的時間區段(time slot)編號順序做特定的重新排列；一個或一個以上的數位解多工器(demultiplexer)，用以將數位順序攪拌器輸出的訊號用亂數或前置定義的順序傳送時間區段訊號到相對應的電壓控制振盪器；以及一個或一個以上的電壓控制振盪器，用以將數位解多工器的輸出轉換成連續的類比載波波形送到一個或一個以上的發射天線傳送訊號。

本發明也提供一種車輛無線通訊接收器，包括一個或一個以上的接收天線用以接收訊號；一個或一個以上的混波器用以和一個或一個以上的電壓控制振盪器產生解調變後的差頻信號，此差頻訊號會輸入到一個或一個以上的類比至數位轉換器(analog-to-digital converter; ADC) 產生取樣後的數位訊號。這些數位取樣值再經過一個或一個以上的數位訊號處理器重新排列順序之後變成有意義的基頻信號，再針對此有意義的基頻信號進行數位訊號處理即可得出通道探測訊息或資訊訊息。

此外，本發明提供一種車輛無線通訊的方法，包括發送與取得傳輸訊息的步驟。此方法也包括提供一個或一個以上的數位訊號處理器產生基頻參考信號源用以發射及解調通道探測波形(channel sounding waveform)或資訊訊號波形(information message waveform)，並使用多重天線發射或接收類比載波訊號。

上文對本發明之一般性描述以及下文於實施方式中的詳細描述皆為範例性及說明性質，旨在對本發明的構造特徵及其功能有進一步的暸解。

以下將參照圖示對本發明的實施例予以說明。

[圖1]為車輛無線通訊收發器網路100運作示意圖，如圖所示，車輛無線通訊收發器網路100包含有第一通訊終端102、第二通訊終端104、第三通訊終端106；圖示中有關於通訊終端的數量僅為示意，並非用來限定，在不脫離本案技術揭露的範疇內，也可以改變通訊終端的數量。第一通訊終端102與第二通訊終端104有相對距離和相對速度，同時第一通訊終端102、第二通訊終端104、第三通訊終端106皆互相傳遞訊息。以下[表1]提供一個車輛無線通訊收發器網路100運作各終端使用的基頻參考信號源範例。首先，第一通訊終端102的發射器使用前置定義或未公開的基頻參考信號源A發射通道探測波形，並由第一通訊終端102的接收器使用相同的基頻參考信號源A，解調此通道探測波形，用以取得通道探測訊息，通道探測訊息包含第一通訊終端102與第二通訊終端104的相對距離和相對速度，然後第一通訊終端102的接收器使用前置定義或公開的基頻參考信號源D，由數位訊號處理器分析接收訊號，找出第二通訊終端104、第三通訊終端106的資訊訊號波形，用以取得第二通訊終端104、第三通訊終端106發送的資訊訊息。接著，第一通訊終端102的發射器使用前置定義或公開的基頻參考信號源D1發射資訊訊號波形，將資訊訊息傳送給第二通訊終端104以及第三通訊終端106的接收器。 【表1】

[圖2]為車輛無線通訊發射器200之功能方塊圖，如圖所示，車輛無線通訊發射器200包含有數位訊號處理器201、電壓控制振盪器210-1、210-2、天線212-1、212-2，其中數位訊號處理器201包含有位元產生器202、數位波形編碼器204、數位順序攪拌器206、數位解多工器208、電壓控制振盪器210-1、210-2、天線212-1、212-2。圖示中有關於元件的數量僅為示意，並非用來限定，在不脫離本案技術揭露的範疇內，也可以改變元件的數量。

車輛無線通訊發射器200以每2.048ms為一個發射週期時間T，根據使用者的通訊需求，在每個發射週期時間T內，數位訊號處理器201產生的基頻參考信號源可以是通道探測波形或是資訊訊號波形，譬如需要發射通道探測波形，則令位元產生器202產生3個位元，這3個位元是用來選擇使用那一種通道探測波形；如果需要傳輸資訊訊號，則令位元產生器202產生512個位元，這512個位元是表示欲傳送的資訊位元。

位元產生器202的輸出送入到數位波形編碼器204，若數位波形編碼器204的輸入只有3個位元，則依據如下[表2]輸出其相對應的通道探測波形，總共有8種通道探測波形，其中保留2種波形(編號7與編號8)由使用者自行定義，另6種波形則如 [圖3-1] 至[圖3-6]所示。 【表2】

[圖3-1]的波形為斜率等於一個常數數值C；[圖3-2]的波形其斜率等於一個常數數值-C且為[圖3-1]波形的鏡像；[圖3-3]的波形為斜率等於零但是在不同的時間區段振幅數值不相同；[圖3-4]的波形為[圖3-3]波形的鏡像；[圖3-5]的波形其斜率等於零，但是在不同的時間區段振幅數值皆相同；[圖3-6]的波形為頻寬20kHz的語音。

若數位波形編碼器204的輸入有512個位元，則輸出其相對應的資訊訊號波形。資訊訊號波形使用M階正交振幅調變（M-ary QAM)，並且根據使用者通訊速率的需求而選擇適當的M階數值，其中正交載波為週期4us的正弦波(sine wave)以及餘弦波(cosine wave)，資訊訊號波形由三部份組成，包括波形開頭是公開的導引符號(pilot symbol)、波形中間是未公開的待傳送内容符號(content symbol)、以及波形結尾是公開的結束符號(ending symbol)，以利接收機分析接收訊號。

數位順序攪拌器206首先將輸入的波形在一個發射週期時間T內平均分割成512個時間區段，亦即每個時間區段的時間長度皆為4us，並依照波形開始到結束的時間順序將時間區段由編號1依序連續編號至512，接著用矩陣表示的方式，把時間區段編號順序做特定的重新排列，將相鄰的時間區段編號分開一定的距離以上，以此用來減少每個時間區段訊號之間的相關性。舉例來說，將連續時間區段編號依序填入一個大小為A*P矩陣的每一行，其中P=(S/A)，S等於時間區段的最後一個編號，A、P、S都是整數，按照行進列出(column in-row out)的輸入輸出規則，將每一列的元素輸出至數位解多工器208。若A≦(1+S)/3，則矩陣列的選取順序可用亂數或前置定義的順序選取，且此時數位順序攪拌器206輸出的每一個相鄰元素，其編號的差距最小等於A，若P＝2，則矩陣列的選取順序必須按第1列、第2列，…，第A列的順序選取，此時數位順序攪拌器206輸出的每一個相鄰元素，其編號的差距最小等於A-1。數位順序攪拌器206輸出經過重新排列順序後的時間區段訊號至數位解多工器208，而數位解多工器208則用亂數或前置定義的順序傳送時間區段訊號到相對應的電壓控制振盪器210-1或210-2，若數位解多工器208使用平均分配的方法，則發射週期時間可由T縮短成只需要T/2時間即可將512個時間區段訊號發射完成。

電壓控制振盪器210-1、210-2，是用以將數位解多工器208的輸出轉換成連續的類比載波波形送到天線212-1、212-2，車輛無線通訊發射器200控制天線212-1、212-2用來發射類比載波波形。

[圖4]為車輛無線通訊接收器400之功能方塊圖，如圖所示，車輛無線通訊接收器400包含有天線402-1、402-2、混波器404-1、404-2、電壓控制振盪器406-1、406-2、類比至數位轉換器408-1、408-2、數位訊號處理器410。圖示中有關於元件的數量僅為示意，並非用來限定，在不脫離本案技術揭露的範疇內，也可以改變元件的數量。

車輛無線通訊接收器400透過天線402-1、402-2接收來自車輛無線通訊發射器200所傳輸的射頻信號，並分別輸入混波器404-1、404-2與電壓控制振盪器406-1、406-2的高頻參考信號源產生差頻信號。車輛無線通訊接收器400的接收天線數量N必須大於等於車輛無線通訊發射器200發射天線數量M，接收器400使用同步解調的方式進行，因此電壓控制振盪器406-1、406-2會首先分別與發射器200的電壓控制振盪器210-1、210-2完成時間同步，要分別解調發射天線212-1、212-2的輸出訊號則電壓控制振盪器406-1、406-2輸出的高頻參考信號源必須分別相等於電壓控制振盪器210-1、210-2輸出的高頻參考信號源，解調後的差頻訊號會分別輸入到類比至數位轉換器408-1、408-2。

在類比至數位轉換器408-1、408-2功能裡面會執行訊號積分與取樣的動作，當需要取樣通道探測波形時，則每間隔2us之後開始積分，積分時間為2us，之後將此積分值轉換為數位數值輸出，因此ADC的取樣率為250k samples/sec，亦即，每一個時間區段4us之後，會得到一個數位取樣值，在每一個發射週期時間T內會取得512個數位取樣值；當需要取樣資訊訊號波形時，ADC每次積分時間皆為62.5ns，之後將此積分值轉換為數位數值輸出，因此ADC的取樣率為16M samples/sec，亦即，每一個時間區段4us之後，會得到64個數位取樣值，在每一個發射週期時間T內將會取得32768個數位取樣值。

數位訊號處理器410提供控制訊號到電壓控制振盪器406-1、406-2以及類比至數位轉換器408-1、408-2，並接收類比至數位轉換器408-1、408-2來的數位取樣值，這些數位取樣值經過重新排列順序之後變成有意義的基頻信號，再針對此有意義的基頻信號進行數位訊號處理即可得出通道探測訊息或資訊訊息。

此外，發射器200與接收器400可以結合成一個車輛無線通訊收發器，譬如，接收天線的電壓控制振盪器406-1、406-2可以與發射天線的電壓控制振盪器210-1、210-2共用，其他部份的功能可分開執行。

本說明書以及其中揭露的說明實施例僅為較佳範例，並非用於限定本發明。本行人士應可清楚在不脫離本發明的精神下，可達成種種不同的修改或變化，本發明的專利保護範圍由本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

１００‧‧‧車輛無線通訊收發器網路

１０２‧‧‧第一通訊終端

１０４‧‧‧第二通訊終端

１０６‧‧‧第三通訊終端

２００‧‧‧車輛無線通訊發射器

２０１‧‧‧數位訊號處理器

２０２‧‧‧位元產生器

２０４‧‧‧數位波形編碼器

２０６‧‧‧數位順序攪拌器

２０８‧‧‧數位解多工器

２１０－１、２１０－２‧‧‧電壓控制振盪器

２１２－１、２１２－２‧‧‧天線

４００‧‧‧車輛無線通訊接收器

４０２－１、４０２－２‧‧‧天線

４０４－１、４０４－２‧‧‧混波器

４０６－１、４０６－２‧‧‧電壓控制振盪器

４０８－１、４０８－２‧‧‧類比至數位轉換器

４１０‧‧‧數位訊號處理器

［圖1］係本發明之車輛無線通訊收發器網路運作示意圖； ［圖2］係本發明之車輛無線通訊發射器功能方塊圖； ［圖3］-1至3-6係顯示本發明之通道探測波形圖；及 ［圖4］係本發明之車輛無線通訊接收器功能方塊圖；

Claims (20)

1. 一種車輛無線通訊收發器，包括：一個或多個數位訊號處理器，產生基頻參考信號源以及解調接收訊號；一個或多個電壓控制振盪器，根據基頻參考信號源振盪出高頻參考信號源；以及一個或多個天線，發射或接收類比載波訊號。
2. 根據申請專利範圍第1項之車輛無線通訊收發器，其進一步包括：接收天線的電壓控制振盪器可以與發射天線的電壓控制振盪器共用。
3. 一種車輛無線通訊發射器，包括：一個或一個以上的數位訊號處理器，用以產生要發送的基頻參考信號源；其中該基頻參考信號源可以是一通道探測波形，用以取得通訊終端之間的相對距離和相對速度；或是一資訊訊號波形，用以傳送資訊訊息給通訊終端。
4. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位訊號處理器包括：一個或一個以上的位元產生器，用以產生要發送的資訊位元以及控制位元；其中該位元產生器使用3個控制位元用來選擇通道探測波形，或是使用512個資訊位元用來表示傳輸資訊的內容。
5. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位訊號處理器包括： 一個或一個以上的數位波形編碼器，用以將位元產生器的輸出轉換成連續的波形數值。
6. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位波形編碼器包括： 一個通道探測波形編號對應表，用以決定通道探測波形數值；其中該表提供的波形有：編號1波形為斜率等於一個常數數值C；編號2波形為編號1波形的鏡像，斜率等於一個常數數值-C；編號3波形為斜率等於零但是在不同的時間區段振幅數值不相同；編號4波形為編號3波形的鏡像；編號5波形的斜率等於零，但是在不同的時間區段振幅數值皆相同；編號6波形為頻寬20kHz的語音；以及編號7波形與編號8波形保留由使用者自行定義。
7. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位波形編碼器包括： 產生的資訊訊號波形是根據使用者通訊速率的需求而使用M階正交振幅調變，其中正交載波為週期4us的正弦波以及餘弦波。
8. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位波形編碼器產生的資訊訊號波形由三部份組成：波形開頭是公開的導引符號；波形中間是未公開的待傳送内容符號；以及波形結尾是公開的結束符號。
9. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位訊號處理器包括： 一個或一個以上的數位順序攪拌器，用以將數位波形編碼器的時間區段編號順序重新排列，將相鄰的時間區段編號分開一定的距離以上。
10. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位順序攪拌器重新排列時間區段編號順序的方法包含有下列步驟：將連續時間區段編號依序填入一個大小為A*P矩陣的每一行，其中P=(S/A)，S等於時間區段的最後一個編號，A、P、S都是整數；按照行進列出的輸入輸出規則，將每一列的元素輸出；若A≦(1+S)/3，則矩陣列的選取順序可用亂數或前置定義的順序選取；若P＝2，則矩陣列的選取順序必須按第1列、第2列，…，第A列的順序選取。
11. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中數位訊號處理器包括：一個或一個以上的數位解多工器，用以將數位順序攪拌器輸出的訊號用亂數或前置定義的順序傳送時間區段訊號到相對應的電壓控制振盪器。
12. 根據申請專利範圍第3項之車輛無線通訊發射器，其中包括： 一個或一個以上的電壓控制振盪器，用以將數位解多工器的輸出轉換成連續的類比載波波形送到一個或一個以上的發射天線發射類比載波訊號。
13. 一種車輛無線通訊接收器，包括：一個或一個以上的接收天線用以接收類比載波訊號；其中該些接收天線數量必須大於等於發射端發射天線數量。
14. 根據申請專利範圍第13項之車輛無線通訊接收器，其中包括：一個或一個以上的混波器用以和一個或一個以上的電壓控制振盪器產生解調變後的差頻信號；其中該些差頻訊號會輸入到一個或一個以上的類比至數位轉換器產生取樣後的數位訊號。
15. 根據申請專利範圍第13項之車輛無線通訊接收器，其中類比至數位轉換器使用的轉換方法係包含有下列步驟：當需要取樣通道探測波形時，每間隔2us之後開始積分，且積分時間為2us，之後將此積分值轉換為數位數值輸出，因此ADC的取樣率為250k samples/sec；當需要取樣資訊訊號波形時，ADC每次積分時間皆為62.5ns，之後將此積分值轉換為數位數值輸出，因此ADC的取樣率為16M samples/sec。
16. 根據申請專利範圍第13項之車輛無線通訊接收器，其中包括：一個或一個以上的數位訊號處理器，用以將該些數位取樣值重新排列順序之後變成有意義的基頻信號。
17. 根據申請專利範圍第13項之車輛無線通訊接收器，其中數位訊號處理器使用的處理方法更包含有下列步驟：對該些有意義的基頻信號進行數位訊號處理，得出通道探測訊息或資訊訊息。
18. 一種車輛無線通訊的方法，包括有下列步驟：發射器使用一個或一個以上的數位訊號處理器產生前置定義或未公開的基頻參考信號源，用以發射通道探測波形；接收器使用該些相同的基頻參考信號源，用以解調此通道探測波形；
19. 根據申請專利範圍第18項之車輛無線通訊的方法，更包括有下列步驟：接收器使用一個或一個以上的數位訊號處理器產生前置定義或公開的基頻參考信號源，同時接收器的數位訊號處理器分析接收訊號，找出其他通訊終端發射的資訊訊號波形，從該資訊訊號波形中取出資訊訊息；
20. 根據申請專利範圍第18項之車輛無線通訊的方法，更包括有下列步驟：發射器使用前置定義或公開的基頻參考信號源發射資訊訊號波形，將資訊訊息傳送給其他通訊終端的接收器。