TWI308015B - Communication system modulating/demodulating data using antenna patterns and associated methods - Google Patents

Description

1308015 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於無線通訊系統之領域。特別' 明係有關於無線賴通㈣統之職及解鞭财。χ 【先前技術】 τ 在無線資料通訊系統中，重要位元係於傳輪以前進行

調變。傳統調變方法係包括：振幅調變（ΑΜ)、頻率調變 (FM)、及相移鍵控（PSK)調變。 在這些調變手段巾，資訊位元序列細㈣產生且有 獨特振幅、相位、及/或頻率之訊號。有鑑於此，接收哭

係可以實施解調變，進而將接收訊號轉換回到原始資訊^ 元序列。 、D 第1圖係表示—種範例傳輸器道編碼器12係提 供資訊位元14至序列至並列轉換器（响t〇卿 16。序列至並列轉換器16之輸出係提供五 道位兀18⑴至1δ⑸至峨2G。訊 20係映射五個通道位元18⑴至18⑸以產 .基於訊號映射器20所實施之調變，隨後，調變 號22係經由傳輸天線24以傳輸於空氣。 + 各種調科段係具有位元錯誤率（BER)，並且 錯誤率係經由兩個不_變通道符號間之最小歐幾里= (Eudidean)距離以漸近地（asympt〇ticaiiy)決定= 成發展無線標準之高資料率，高卩皆調變手段，諸如.二 分正交振幅調變（16_)及六十四分正__= 6 u〇8〇i5 C64QAM) ’係加以利用。 r、、：而這些局階調變手段係需要較高之訊號雜訊比 NR)藉以達祕定位摘鱗。需要高減雜訊比以 達成特定位摘誤率之調變手段係承受多重路徑衰減環境 之負面影響’進而造成不可靠之無線連結。 【發明内容】

^鑑於先前所述之發明背景，因此，本發明之-個目 的係提i、種灣/解調變手段，藉以利用降低之訊號雜 訊比而達成想要之位元錯誤率。 —根據本發明之上述及其他目的、特徵、及優點係經由 通n統提供，並且，這種無線通訊系統係包括： =輸器，該傳輸器係包括：—相至並_換器，藉以 Z序列資料位秘換成並顺4流；—訊號映射器，轉

库別1舰並哺換11 ;以及—天線辦11，雛至該 至、、’列轉換11。_號映射H係經由並列位元串流接 =一t元群組以做為輸入、並映射第—位元群組以產生 二選擇器係經由並列位元串流接收第二位 擇哭括·_—編物，_該天線選 =及—。_輸天線相係赵複 型’其中’某—鱗傳輸 、^ : 基於該天線選擇器之第n/ ^係加以選擇，進而 由於資W 7 傳輸通道符號。 由於貝軸疋係利用傳輪天線場型 -1308015 【實施方式】 、現在’本發明將會參考表示較佳實施例之所附圖式詳 、:說明如下。然而，本發明係可以具有不同形式之較佳實 知例’並且’本發明亦不應侷限於本發明說明書所呈現之 較佳實施例。減於此，本發明朗㈣呈現之較佳實施 _，供，藉以使本發明說明書所呈現之詳細說明能夠充 伤且兀整’以及’藉錢本發明說明書所呈現之詳細說明 能夠向熟習此項技術之人士完全傳遞本發明之範圍。 曰根據本發明之-種無線資料通訊系統係組合傳輸天線 :型调變及傳統調變技術。相較於僅利用傳統調變技術， =觀合係有效地湘較小訊鱗集，藉以達成相同資料 =移率。除此以外’這種組合僅需要較低傳輸功率，藉以 達成相同位元錯誤率。 丹衣不之得輸器50係具有一逋

二:：：52 ’藉以提供資訊位元54至-序列至並列轉換器 “列至並列轉換器56之輸出係分割為兩個群組。 基於比較目的，該序列至並列轉換器％係輸出相同數 =之位7"58⑴至58⑸，相較於第1圖所示之序列至 16。五織職_顧，並且，資訊位元 =數目端胁各種翻應用而產生變動，誠如熟習此 項技術之人士所能預見。 1第2圖^，該序列至並列轉換器56之五個資訊位元 — 58⑸齡#i為第—群崎織 貧訊位元。第-群組資贿元係具有三_道位元且 ⑧ Ϊ308015 組上丄及Γ⑸’其係輸入至一訊號映射器60。第二群 、'、貝訊位兀係輸入至一天線選擇器64。 :號映射請係調變三個通道位元呵外外⑷、 位-^產生—輕符號62。由於總共具有三個資訊 位兀，这種调變可以是八分相移鍵控 ^ =«_2。係三十二二工 )’_各_道符號係由高達五個資訊位元組 =如熟自此項技奴人均能輕㈣解，在第1圖中， ，訊號映射器20係產生在x_y平面具有三十二個可能 付就點之-訊號群集。相對於此，在第 :㈣僅產生在X_y平面具以個可 號群集。 、、仃派點< 讯

=輸n 5〇為在x_y伟產生同#三十二個通道符號 广：輸天線場型調變係利用。該天線選擇 J 天_件81'82、83、84之—者，藉以傳輪該^ 7 件8卜…83、84係不具關連，藉料 生四個不同之傳輸天線場型。由於八個不同通道符號畔分 別可以利用不同傳輸天線場型進行傳輸，因此，三十 可能通道符號係可以利用一接收器9〇偵測。 天線調變並不舰於本發明說明書所呈現之較佳實施 例。在另-種較佳實施例中，舉例來說，具有兩個元件之 -天線陣列亦可以應用不同權值於該天線陣列之各個元 件，進而產生不止兩個傳輸天線場型。有鑑於此，舉例來 】0 1308015 說，該天線陣列可以是一相位陣列天線，或者，該天線陣 列可以是一切換波束天線。 除此以外，該天線陣列之可應用傳輸天線場型可以是 =向性的，或者，該天線陣列之可應用傳輸天線場型可以 是王方性的。當總共具有不止一個全方性天線時，基於多 重路控哀減’各個全方性天線贿會被婦㈣視為不同。 利用該訊號映射器6〇(如第2圖所示）之優點在於： ，對於該訊號映射器2〇 (如第i圖所示），利用該訊號映射 =〇 (如第=圖所不）係具有一較小訊號群集。該訊號映 如第2圖所示）利用之八分相移鍵控調變之該訊 7用木賴著小於該訊號映射器20 (如第i圖所示）利 ^二门十Γί正交她職之該瓣雨22。有鑑於此， ，相同傳輸功率之情況中，八分相移鍵控群集 三) t兩個職關之最小麟係遠大於 離；:於：:=:群集之兩個不同域點間之最小距 一八4達成相同位it錯誤率，相對於利用三十 一为正父振幅調變調變之 、 情況將會需要較少傳輸功^兄’利用八分相移鍵控調變之 在這種特定範例中，哕 之訊號群集大小係四分之:喊映射器6G(如第2圖所示） 所示）之訊號群集大小。钬；°亥况旒映射斋20 (如第1圖 示）傳輸資料及該傳輪器該傳輸111G (如第1圖所 資料率卻仍然相同。在特'(如第2圖所示）傳輸資料之 5〇係需要較少傳輪功率、=條件下，根據本發明之傳輸器 错以達成相同服務品質（Q〇S)， 1308015 質（QoS)之較廣範圍。

或者，藉以覆蓋相同服務品質（Q〇s 一接收器90為量測各個天線81 。。該接收訊號係應用以做為一解調變器％及一通道預測 器96之輸入。該通道預測器％係由該接收訊號中抽取已 知參考位元。這些參考位元，舉例來說，其可以是導引位 元，係絲酬關連於各對傳輸天線及接收天線之該接收 訊號之射鋪徵。輯道测!！ 96係預晴頻特徵。 關連於各對傳輸天線及接收天線之該接收訊號之射頻 特被係可以包括：諸如振幅、相位、延遲伸展（如^町 spread)、及頻率響應之屬性。隨後，各對傳輸天線及接收 天線之預測射頻特徵係傳送至該解調變器94。 該解調變器94係計算該接收訊號及關連於各對傳輸天 線及接收天線之預測訊號間之歐幾里德距離（ED)。該解調 變器94係選擇關連於最小歐幾里德距離之位元以做為最後 現在，該解調變器94將會詳細說明如下，並且，該解 調變器94之詳細說明將會參照第4圖所示之疊加群集。假 12

號。隨後，該接收 例來况，天線U。當該接收器接收一 120指示，並且，内環 四分相移鍵控群集之兩個子集合之疊 列用參考符號120 指示J光Θ ，rio T甚 不四個可能接收喊，若該通道符號係 、牛例木說，天線0)。外環120係表示 若該通道符號係傳輪於另一個天線（舉 一訊號124時，該解調 =與辆算該魏喊及八_魏(假狀線;) 1用’四個候選職點係位於_ 122，以及，假設天線 左糸利用’四麵選訊號點係位於树叫間之個別距離。

Ik後雜機為94係選擇最接近該接收訊號124之訊號 ，在這餘例中，職點m係對應於選擇通道位元⑻。 每-人*選擇訊#b點以後，隨後，該接收器係可以得知通道 位7L為〇〇且天線選擇位元為i，因為選擇訊號點係位於外 環 120。 歐幾里德距离隹之計算係可以取決於射徵。以下係 提供一種範例，藉以證明如何計算歐幾里德距離，以及， 藉以證明這種計算如何提供較佳效能。 在這種範例中，一種窄頻帶系統係考量，其中，各對 傳輸天線及接收天線間之射頻特徵係表示為一複數通道增 益。這種範例亦假設一種不具關連之瑞利通道模型 (Rayleigh channel model)，其係表示：各個通道增益係每 一維具有變異數〇.5之複數高斯（Gaussian )隨機變數。兩 13 1308015 對不同傳輸天線及接收天線之通道增益係不具關連。除此 以外，在這種範例中，複數接收天線係考量。 第5A圖及第5B圖係分別表示將對應資訊位元至八分 相移鍵控通道符號及四分相移鍵控通道符號之映射。假設 各個貝sfl位元具有單位能量，則八分相移鍵控訊號群集之 歐幾里德距離平方係可以表示為： ^8 = 3(2 - V2) » 1.76 除此以外，四分相移鍵控訊號群集之歐幾里德距離平 方係可以表示為：

四为相移鍵控訊號群集之訊號分離為6，相對於此，八 分树鍵控訊號群集之訊號分離大約為176。誠如以下發 ^兒=將會進-步詳細朗，不個不同通道符制之訊號 /刀離愈大’位置想要訊號點以進行解鞭之難度亦會愈低。 #現在，具有Μ個接收天線之一系統將會考量，其“中， 第η個傳輸天線及第m健收天、_之 =-傳輸器中，我們假設:天線。係利二收 :糸计异该接收訊號及各個可能通道符號間之歐幾里德距 ==最大可能（ML)接收器。可能之各對傳輸天線及接 ，天線間係利用-已知參考訊號以計算可能通道符號。接 者’一決定係基於計算之歐幾里德距離以形成。這種最大 可能接收器之效能係取決於該接收器9G所接收之兩個不同 .1308015 通道符號間之最小歐幾里德距離平方。 若位元序列so得到通道符號χ〇及天線選擇命令p，並 且，位元序列S1得到通道符號χ1及天線選擇命令q，則兩 個接收通道賴間之歐幾里德轉平方係可以計算為： Μ-Λ Έ〇αρη'χ〇 ~

對於傳統方法而言’兩個不同通道符號間之最小歐幾 里德距離平方係可以表示為： 等式（1) =^82ΣΚ™Γ Α相對於此，對於調整之傳輸器50而言，兩個不同通道 符號間之最小歐幾里德距離平方係可以表示為. Λ/-1 ：min 7jkn/2\

等式（2) 外括號之第-機縣於兩個通道符號物 線傳輸之情況。下標η可以是0或1。外括號4同天 應於兩個通道符號係、㈣關天線傳輪之第—項係對 我們係可以直 覺得推導得到 當接收天線元件之數目Μ變得較大時， 3 ί Μ~\^〇η 3·ΣΗ \ m»〇 \mc 7jknl2\ ΣΙ

XQm - <XU 等式（3) 15 1308015 ^ 荨气（3)及基於複數通道衰減以平均等式（1 ) 夕我們係可以得到傳統雜器及調整傳輸器50 之平均最小歐幾里德距料方，其可喊示如下：

aVg ^ dgM =： 6M

相車乂於傳統方法’該輕傳輸器％係無疑地提供兩個 不同通道符朗之-較大訊號分離。當接收天線元件之數 目M#'較大時’這種改良係可以對應於大約遞之增益。 第6圖係提供根據習知傳統方法之模擬結果及根據本 發明膽方法之模紐果間之比較示意圖，其巾，接收天 線凡件之數目M係分騎胁2、3、及4。當接收天線元 件之數目&加時’根據習知傳統方法之效能及根據本發明 調整方法之效能均可以改善。 日直線130係對應於傳統傳輸器之M=2且沒有傳輸天 線昜5U周、欠，並且，直線132係對應於本發明調整傳輸器 之M=2且具有傳輸天線場型調變。為達成相同之訊號雜 訊f，具有傳輸天線場型調變之本發_整傳輸器之位元 錯决率係她。為達成烟位元錯誤率，具有傳輸天線場 31»周艾之本發明5膽傳輸器係需要較低訊號雜訊比，相較 於不具傳輸天線場型靖之習知傳祕齡。舉例來說， 為達成0.1%之位元錯誤率，不具輸天線場型調變之習知傳 統手段係需要14dB之訊號雜訊比，相對於此，具有輸天線 %型5周變之本發明手段係僅需要12dB之訊號雜訊比。在這 ⑧

1308015 種情況中，本發明調整手段係具有之優勢。 =似地，直線134係對胁傳統傳輪器之Μ—且沒 有傳輸天線場型調變，並且，古令 敕禮Λ“ 線6係對應於本發明調 正、祕 —3且具有傳輸天線場型調變。除此以外， ’、員似地’直線137係對應於傳統傳輸器之Μ=4且沒 輸天線場型調變，並且，吉妗^ Α 直線139係對應於本發明調整傳 輸态之Μ=4且具有傳輸天線場型調變。 如第6圖所示，相較於習知傳統方法，本發明調整方 法係效能改㈣錢。除此以外，#接收天線元件之數目

Μ增加時’本發_整方法及習知傳統方法間之差 亦會增加。 F /在充份瞭解本發明之上述詳細說明及其_圖式以 後，熟習此項技術之人士係可以預見本發明之各種變動及 其他較佳實補。有餘此，舰_的是，本發明之保 護範圍不應該僅侷限於本發明說明書所呈現之較佳實施 例，並且，在不違背本發明精神及範圍之前提下，本發明 之保護範圍亦應該包括本發明之各種變動及其他較佳實施 例。有鑑於此，本發明之保護範圍當以下列申請專利範圍 為據。 17 1308015 【圖式簡單說明】 第1圖係表示根據習知技術之-種傳輪器之方塊圖； 第2圖係表示根據本發明之一種傳輸器之方塊圖； ，3圖係表示根據本發明之一種接收器之方塊圖； 第4圖係表示根據本發明之疊加四分相移鍵 訊5虎群集之映射； 第5A圖係表示根據本發明之八分相移鍵控（8psK)訊 5虎群集之位元映射； 第5B圖係表示根據本發明之四分相移鍵控訊號群集之 位元映射；以及 第6圖絲示根卿知技術之無線通赠、統及根據本發 明之無線通訊系統間之效能比較。 【主要元件符號說明】 10、50傳輸器 14 ^ 18 > 54 ' 58 位元 120 外環 124 訊號 126 訊號點 22、62 通道符號 24、81〜84 天線 8PSK 八分相移鍵控 90 接收器 92 接收天線陣列 Μ 接收天線數目 QPSK 四分相移鍵控 SNR 訊號雜訊比 WANTMOD具有傳輸天線場型調變 W/OANTMOD沒有傳輸天線場型調變 (§) 18

Claims (1)

1308015 __ 9ί年匕月^日修正本 — _ 十、申請專利範圍： L 一種無線通訊系統，其包括： 一傳輸器，其包括： 序列至並列轉換器（serial to parallel converter)， 用以將序職料位元轉換成—並顺元串流； 一訊號映射器，用以從該並列位元串流接收一第一 位元群組以做為輸入、並將該第一位元群組映射至 一通道訊號；以及 天線選擇器，用以從該並列位元串流接收一第二 位元群組以做為輸入； —傳輸天’減魏天線選擇1及該訊號映 射器’該傳輸天線陣列係絲產生複數傳輸天線場 型，其中，選擇該等傳輸天線場型其中之一，進而 基於該天_擇H之該第二位元雜轉輸該通道 符號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中， 該等傳輪天線場型包括複數方向性天線場型。 3. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中， 該等傳輸天線場型係包括複數全向性天線場型。 4. 如申請專利範圍第i項所述之無線通訊系統，其中， 該傳輸器周期性地傳輸來自各傳輸天線場型之參考訊 號。 .如申叫專利範圍第4項所述之無線通訊系統，更包括： 一接收天線陣列；以及 19 1308015 -接收器’減至該魏天線_，並且，該接收器 包括：一通道預測器，用以接收所周期性地傳輸之來 自β各傳輸天線場型之參考職、並__傳輸天線 %型及該接收天線間之射頻（即）特徵。 6. 如申請專利範圍第5項所述之無線通訊系統，更包括： -解調變器，減至該通道預測器，用以接收所傳輸 之通道符號、並決定哪個通道符號被傳輸及哪個傳輸 天線場型被用來傳輸該通道符號。 7. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊系統，其中， 該解调I器係比較該通道符號及從各傳輸天線場型所 傳輸之預測通道符號，以決定哪個通道符號被傳輸及 哪個傳輸天線場型被用來傳輸該通道符號。 8·如申請專利範圍第1項所叙無線通訊系統，更包括： 一通道編碼器，用以提供該等序列資料位元至該序列 至並序轉換器。 9·如中請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中， 該傳輸天線陣列包括：複數主動天線元件，用以形成 一相位陣列。 1〇·如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中， 該傳輸天線陣列包括：至少一主動天線元件及複數被 動天線元件，用以形成一切換波束天線。 11.如申請專利範圍第4項所述之無線通訊系統，其中， 該接收天線陣列包括單一或複數天線元件，藉以產生 單一或複數接收天線場型。 20 Ϊ308015 12. —種用以在一無線通訊系統之一傳輸器及一接收器間 進行通訊的方法，該方法包括下列步驟： 在該傳輸器中將序列資料位元轉換成一並列位元串 流； 在該傳輸器中將該並列位元串流分割為一第一群組位 元及一第二群組位元； k供該第一群組位元至一訊號映射器，用以在該傳輸 器中將該第一位元群組映射至一通道訊號； 提供該第二群組位元至一傳輸天線選擇器，該傳輸天 線選擇器搞接至一傳輸天線陣列，用以產生複數傳輸 天線場型；以及 選擇該等傳輸天線場型其中之-，以基於來自該天線 選擇器之該第二位元群組，而傳輸通道符號。 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該 天線場型包括複數方向性天線場型。 ， Η如申料利範圍第12項所述之方法，其中，該等傳輸 天線場型包括複數全向性天線場型。 15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，更包括下列步驟： 周期性地傳輸各傳輸天線場型之參考訊號。 16. =申明專利乾圍第15項所述之方法，更包括下列步驟： 之—触天、轉财，從各傳輸天 ，型触所周期性地傳輸之參考訊號；以及 陵:收厂，糊_傳輸天線場型及該接收天線 陣列間之射頻特徵。 & 21 1308015 17. 18. 19. 20. 21. 22. 如申請專利範圍第16項所述之方法，更包括下列步驟： 决定傳輸哪個通道概及哪個雜天線場型被用來傳 輸該通道符號。 如申清專利範圍第Π項所述之方法，其巾，決定傳輸 哪個通道符號及哪轉輸天線場型·來傳輪該通道 符號包括下列步驟： 比較該通道符號及各個傳輸天線場型傳輸之預測通道 符號。 如申請專利範圍第12項所述之方法，更包括下列步驟： 編碼該等序列資料位元。 如申請專利範圍第12項所述之方法’其中，該傳輸天 線陣列包括：複數主動天線元件，用以形成一相位陣 列。 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該傳輸天 線陣列包括：至少一主動天線元件及複數被動天線元 件，用以形成一切換波束天線。 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該接收天 線陣列係包括單一或複數天線元件，用以產生單一或 複數接收天線場型。 22