TWI458301B - 用於多重次載波聯合調變正交分頻多工傳輸器的彈性結構 - Google Patents

用於多重次載波聯合調變正交分頻多工傳輸器的彈性結構 Download PDF

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Description

用於多重次載波聯合調變正交分頻多工傳輸器的彈性結構
本發明大致上涉及正交分頻多工(OFDM)通信系統，特別是涉及由此等系統實施的預編碼技術。
本申請案主張2008年3月11日申請之美國臨時申請案第61/035,395號之權利。
WiMedia標準定義了基於正交分頻多工(OFDM)傳輸的媒體存取控制(MAC)層與物理(PHY)層的規範。WiMedia標準使短距離多媒體檔能夠以至多達480Mbps的速率低功耗地傳輸。該標準作業在超寬頻(UWB)頻譜中的3.1GHz與10.6GHz之間的頻帶中。
圖1顯示一根據該WiMedia規範作業的多頻帶OFDM(MB-OFDM)傳輸器100的方塊圖。該傳輸器100包含一通道編碼器110、一位元交錯器120、一符號映射單元130和一OFDM調變器140。通常，該傳輸器100實施位元交錯編碼調變(BICM)技術以克服UWB通道的頻率選擇衰落。為此，該通道編碼器110編碼輸入資訊位元，其等隨後由該位元交錯器120以一位元位準交錯，且然後由該符號映射單元130映射至符號。通常，該位元交錯器120實施三個步驟：1)OFDM符號間交錯，其中連續位元被分佈至不同OFDM符號，該等OFDM符號可在不同次頻帶中傳輸；2)內部符號音頻交錯，其中跨越一OFDM符號的資料次載波改變位元之序列以利用頻率分集；以及3)內部符號循環移位元交錯，其中當只使用一個次頻帶時，在連續OFDM符號中之位元被循環移位以利用更多的頻率分集。
透過由該OFDM調變器140執行的反快速傅立葉變換(IFFT)運算，產生該等OFDM符號並經由一發射天線150發射。這些OFDM符號係經由跳頻在一個次頻帶(FFI模式)或多重次頻帶中傳輸，這由時頻碼(TFC)控制。TFC指定應傳輸該等OFDM符號的該或該等次頻帶。
目前基於WiMedia標準系統的缺點是WiMedia標準的最高資料速率不能滿足未來無線多媒體應用，如高清晰電視(HDTV)無線連接。人們正在努力將資料速率提高到1Gbps及以上。為此，已經設想在未來高資料速率無線系統中使用弱通道(或非通道)編碼以及更高階符號星座圖(constellation)技術。例如，如果一起使用卷積編碼與16正交振幅調變(QAM)，該WiMedia PHY傳輸速率可被提高到960Mbps。然而，需要預編碼該等被傳輸的OFDM符號以確保良好的性能。
由於OFDM傳輸的特性，需要預編碼技術以避免頻率分集增益的損失。一般而言，該等預編碼技術是基於聯合調變發送符號到多重次載波上。這允許接收器恢復發送符號，即使這些次載波的一些是處於深度衰落中。在由Z. Wang、X. Ma和G. B. Giannakis發表於2004年3月IEEE通信會刊第52卷第380-394頁的「OFDM或單載波塊傳輸？(OFDM or single-carrier block transmissions？)」中以及由Z. Wang和G. B. Giannakis 2001年3月20-23日在台灣桃園發表於Third IEEE Signal Processing Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications中的「抗無線通道衰落的經線性預編碼或編碼之OFDM(Linearly Precoded or Coded OFDM against Wireless Channel Fades)」中可找到預編碼技術的實例。
預編碼通常由一耦合到一傳輸器的該OFDM調變器140的一輸入的預編碼器電路實施。設計良好的複雜預編碼器可有效利用由多路徑通道提供的頻率分集。然而，實施複雜預編碼器增加了傳輸器和接收器的複雜性，因為其需要更精密的解碼和符號映射技術。例如，使用雙載波調變(DCM)技術作為預編碼器需要用16QAM符號星座圖取代該QPSK符號星座圖。為了在高資料速率模式中保證全頻率分集(即，二階分集)，需要一更高的星座圖(例如，256QAM)。
一種更有效的預編碼技術是多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼。該MSJM預編碼允許將多重符號聯合調變到多重次載波上，而利用最小的星座圖大小。因此，實施此技術不需要設計複雜且高成本的預編碼器。
不管選擇的該預編碼技術為何，需要設計能夠支援該選擇技術的新穎OFDM傳輸器。為了滿足新穎傳輸器的短時間上市、低成本和向後相容的目標，新穎OFDM傳輸器的再設計可能是一個阻礙因素。
因此，提供一種支援先進預編碼技術的基於多頻帶OFDM的傳輸器彈性結構將是有利的。
本發明的特定實施例包含一經調適用於實施多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼的正交分頻多工(OFDM)多頻帶傳輸器。該傳輸器包括一位元交錯器，用於獨立地交錯位元塊並將每個經交錯位元塊的位元分組成位元組；一符號映射單元，用於根據MSJM方案將該等位元組的每個映射至符號；和一符號交錯器，用於將該等符號分配至複數個連續OFDM符號的資料次載波。
本發明的特定實施例包含一種在多頻帶正交分頻多工(OFDM)傳輸器中實施多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼的方法。該方法包括將經編碼之資訊位元配置成位元塊；獨立地交錯每個位元塊；將每個位元塊的該等經交錯之位元分組成位元組；將該等位元組的每個映射至符號，其中根據經聯合調變之符號的數目決定符號數；以及將該等符號分配至複數個連續OFDM符號的資料次載波。
本發明的特定實施例包含一電腦可讀媒體，該電腦可讀媒體具有儲存在其上用於在多頻帶正交分頻多工(OFDM)傳輸器中實施多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼的電腦可執行碼。該電腦可執行碼使電腦執行以下過程：將經編碼之資訊位元配置成位元塊；獨立地交錯每個位元塊；將每個位元塊的該等經交錯位元分組成位元組；將該等位元組的每個映射至符號，其中根據經聯合調變符號的數目決定符號數；以及將該等符號分配至複數個連續OFDM符號的資料次載波。
在本說明書結尾的申請專利範圍中特別指出並且清楚地主張了被視為本發明的標的。本發明的以上和其他特徵及優點從以下結合所附圖式的詳細描述將是顯而易見的。
重要的是注意，本發明所揭示之實施例只是本文中創新教示之許多有利用途的實例。一般而言，在本申請案之說明書中做出的陳述並不一定限制各種請求發明的任何一個。此外，一些陳述可能適用於一些發明特徵但不適用於其他特徵。一般而言，除非另有指示，為了不失廣義性，單數元件可以是複數，反之亦然。在圖式中，相同數字是指貫穿幾個圖的相同部分。
圖2顯示一根據本發明的特定實施例實施的多頻帶OFDM傳輸器200的非限制性和示例性方塊圖。該傳輸器200是基於標準多頻帶OFDM傳輸器並且經調適用於實施以上所述的該MSJM預編碼。該傳輸器200可支援1Gbps及以上的資料速率並且根據WiMedia 1.0、1.5和2.0、WiMax和IEEE 802.11n標準的規範作業。
該傳輸器200包含一通道編碼器210、一位元交錯器220、一符號映射單元230、一符號交錯器240和一OFDM調變器250。該通道編碼器210和該OFDM調變器250具有與在多頻帶OFDM傳輸器中所利用的標準通道編碼器(例如，編碼器110)和OFDM調變器(例如，調變器140)相同的功能。為了支援該MSJM預編碼，同時加強再使用標準多頻帶OFDM傳輸器的功能塊，該符號交錯器240被增加到該設計，並且重組態該位元交錯器220和符號映射單元230的特定參數。
具體而言，根據本發明的原理，輸入資訊位元係由該通道編碼器210編碼。此後，該等經編碼位元被分成位元塊，其中每個位元塊包含'I'個位元。該等位元塊係由該位元交錯器220經由上述三個步驟獨立地交錯。然而，為了支援高資料速率，位元交錯器參數(如TDS因數、碼位元/OFDM符號(NCBPS )、音頻交錯器塊大小(NTine )、循環交錯器移位(Ncyc ))被設定為不同值。圖3中提供了一顯示支援640Mbps、800Mbps和960Mbps資料速率的此等參數的示例性值的表。
當完成該交錯作業時，一位元塊的該'I'個經交錯位元被分成'p'個位元組，其中每個位元組包含'k'個位元。為此可使用不同分組方案。以下是該等分組方案的一些非限制性實例。在這些實例中，位元組數'p'等於200且每組中的位元數'k'是12，第i個位元組被表示為G(i)且b(j)是一位元塊中的第j個位元。一種可能分組方案是：
G (i )=[b (i *12),b (i *12+1),b (i *12+2),...,b (i *12+11)],i =0,1,...,199
另一種可能分組方案是：
G (i )=[b (i *4),b (i *4+1),b (i *4+2),b (i *4+3),b (400+i *4),b (400+i *4+1),b (400+i *4+2),b (400+i *4+3),b (800+i *4+0),b (800+i *4+1),b (800+i *4+2),b (800+i *4+3)],i =0,1,...,99
和
G (i )=[b (i *4+800),b (i *4+801),b (i *4+802),b (i *4+803),b (1200+i *4),b (1201+i *4),b (1202+i *4),b (1203+i *4),b (1600+i *4),b (1601+i *4),b (1602+i *4),b (1603+i *4)],i =100,101,...,199
第三種分組方案包含：
G (i )=[b (i *4),b (i *4+1),b (i *4+2),b (i *4+3),b (800+i *4),b (800+i *4+1),b (800+i *4+2),b (800+i *4+3),b (1600+i *4),b (1600+i *4+1),b (1600+i *4+2),b (1600+i *4+3)],i =0,1,...,199
應注意，不同分組方案可達成不同性能。舉例而言，該第一實例的分組作業是簡單的，但是其相比於以上所示的方案可能具有更差性能。在本發明的一較佳實施例中，該位元交錯器220實施該第三分組方案以達成良好性能。
該符號映射單元230使用該MSJM預編碼方案將每個位元組G(i)映射至m個符號。在一較佳實施例中，使用一查找表實施該映射。當利用該查找表時，該等位元組的該等值被用作表索引以檢索該等符號的值。因此，位元組到符號的該映射包含一單一查找作業。應注意，該傳輸器200和一接收器二者係用該查找表預組態用於實施映射和解映射作業。該符號映射單元230的輸出包含m*p個符號(或p個m符號元組[x(i,0),...,x(i,m-1)])。
該符號交錯器240將該m*p個符號分配至's'個連續OFDM符號的'n'個資料次載波。該數字's'是等於m*p/s的整數。該符號交錯器240將在同一m符號元組中的該'm'個符號分配至不同OFDM符號的不同次載波。這在圖4中進一步說明,其中三個OFDM符號410、420和430攜帶元組[x(1),x(2),x(3)]中的符號。作為一個實例，該符號x(1)係由該OFDM符號410中的次載波33攜帶，符號x(2)係由該OFDM符號420中的次載波66攜帶以及該符號x(3)係由該OFDM符號430中的次載波99攜帶。在TFI模式中，該等OFDM符號可在不同次頻帶上傳輸，從而提高可實現的分集增益。
在一較佳實施例中，使用n模運算('n'是一OFDM符號中的資料次載波數)實施該符號交錯，並且根據該TFC碼決定發送該等符號的序列。以下是描述一較佳符號交錯方案的一個非限制性實例。在該實例中，在一元組中的符號數'm'是3以及資料次載波數'n'是100，位元組數'p'是200，因此連續OFDM符號數's'是6，即3*200/100。在第v個OFDM符號的第q個次載波上傳輸的符號被表示為dv (q)，其中v=0,1,2,3,4,5且q=0,1,...99
其中運算符⊕表示模100加法運算，且k1 和k2 是兩個正整數，其中0<k1 ,k2 <100且k1 ≠k2 。例如，可使用k1 =33和k2 =66。應明白，以上該交錯方法將一3符號元組中的符號x(i,0)、x(i,1)、x(i,2)分配至不同OFDM符號的不同次載波(分離成33個次載波)。這可保證良好的分集增益。應注意，k1 和k2 的不同值可達成不同性能。此外，dv (q)的傳輸序列是基於由該傳輸器200使用的TFC碼。在圖5中提供了一顯示對於不同TFC碼的dv (q)的傳輸序列的表。
應注意，本文中所描述的傳輸器200的結構被設計成支援該MSJM。然而，一般技術者可調適本發明以藉由該傳輸器200支援其他預編碼技術。
圖6顯示描述根據本發明之一實施例實現的在多頻帶OFDM傳輸器中實施MSJM預編碼的方法的非限制性流程圖600。在S610，經編碼之資訊位元被配置成位元塊，其每個包含'I'個位元。在一較佳實施例中，該參數'I'等於2400個位元。在S620，每個位元塊被獨立地交錯以輸出'I'個經交錯之位元。在S630，該等交錯位元被分組成'p'個位元組，其每個包含'k'個位元。在一較佳實施例中，'p'等於200個組且'k'的值是12個位元。在S640，每個位元組被映射至'm'個符號。使用一查找表實施該映射，其中一位元組的該等位元值被用作表索引以檢索該等符號值。在一較佳實施例中，符號數'm'是3，因此該映射過程產生3*200=600個符號。在S650，這些符號係根據一預定義TFC碼分配至's'個連續OFDM符號的'n'個資料次載波。根據以上詳細描述的符號交錯方案實施該分配。在一較佳實施例中，'n'的值是100且's'等於6。當使用TFC模式時，該等OFDM符號係在不同次頻帶中傳輸。在FFI模式中，該等符號係在單個次頻帶中傳輸。
以上詳細描述已經闡述了本發明可採用的許多形式的一些。這意味著以上詳細描述應理解為說明本發明可採用的選定形式而不是限於本發明的定義。只有該等請求項(包含所有等效物)旨在界定本發明的範圍。
最佳而言，本發明的原理係作為硬體、韌體和軟體之一組合實施。此外，該軟體較佳地係實施為具體體現在程式儲存單元或電腦可讀媒體上的應用程式。該應用程式可被上傳到一包括任何合適結構的機器並且由其執行。較佳而言，在具有硬體(如一或多個中央處理單元(“CPU”)、一記憶體以及輸入/輸出介面)的電腦平台上實施該機器。該電腦平台還可包含一作業系統和微指令碼。本文所描述的各種處理和功能可以是該微指令碼的一部分或該應用程式的一部分或其任何組合，其可由一CPU執行，不論此電腦或處理器是否被明確顯示。此外，各種其他週邊單元可被連接到該電腦平台，如一額外的資料儲存單元和一列印單元。
100．．．多頻帶正交分頻多工傳輸器
110．．．通道編碼器
120．．．位元交錯器
130．．．符號映射單元
140．．．正交分頻多工調變器
150．．．發射天線
200．．．多頻帶正交分頻多工傳輸器
210．．．通道編碼器
220．．．位元交錯器
230．．．符號映射單元
240．．．符號交錯器
250．．．正交分頻多工調變器
310．．．參數值表
410．．．正交分頻多工符號
420．．．正交分頻多工符號
430．．．正交分頻多工符號
600．．．流程圖
圖1是一多頻帶OFDM傳輸器的方塊圖；
圖2是一根據本發明的特定實施例實施的多頻帶OFDM傳輸器的方塊圖；
圖3是顯示位元交錯器參數的示例性值的表；
圖4是說明符號之交錯的圖；
圖5是顯示不同TFC碼的示例性符號序列的表；以及
圖6是描述根據本發明之一實施例實現的一種在多頻帶OFDM傳輸器中實施MSJM預編碼的示例性方法的流程圖。
200．．．多頻帶正交分頻多工傳輸器
210．．．通道編碼器
220．．．位元交錯器
230．．．符號映射單元
240．．．符號交錯器
250．．．正交分頻多工調變器

Claims (15)

  1. 一種經調適用於實施多重次載波聯合調變(multiple-subcarrier-joint-modulation，MSJM)預編碼之正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)多頻帶傳輸器，其包括：一位元交錯器(bit interleaver)，其用於獨立地交錯位元塊(bit blocks)並將每個經交錯之位元塊之位元分組成位元組(bit groups)；一符號(symbol)映射單元，其用於根據一MSJM方案將該等位元組之每個映射至符號；以及一符號交錯器，其用於將該等符號分配至複數個連續OFDM符號之資料次載波。
  2. 如請求項1之傳輸器，其進一步包括一用於編碼輸入資訊位元之通道編碼器和一用於將該複數個連續OFDM符號調變成一時域信號之OFDM調變器。
  3. 如請求項2之傳輸器，其中使用一查找表(look-up table)將該等位元組映射至符號。
  4. 如請求項3之傳輸器，其中該查找表之索引是該等位元組之值。
  5. 如請求項1之傳輸器，其中使用n模(n-modulo)運算將該等符號分配至該等資料次載波，其中n是一OFDM符號中之資料次載波數。
  6. 如請求項5之傳輸器，其中根據一時頻碼(time frequency code，TFC)決定該複數個OFDM符號之一傳輸序列。
  7. 如請求項6之傳輸器，其中該等OFDM符號係在不同次頻帶中傳輸。
  8. 一種在一多頻帶正交分頻多工(OFDM)傳輸器中實施一多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼之方法，其包括：將經編碼之資訊位元配置成位元塊；獨立地交錯每個位元塊；將每個位元塊之該等交錯位元分組成位元組；將該等位元組之每個映射至符號，其中根據聯合調變符號之一數目決定該等符號之一數目；以及將該等符號分配至複數個連續OFDM符號之資料次載波。
  9. 如請求項8之方法，其中使用一查找表實施將該位元組映射至符號。
  10. 如請求項9之方法，其中該查找表之索引是該位元組之值。
  11. 如請求項8之方法，其中將該等符號分配至該等資料次載波係使用n模運算實施，其中n是一OFDM符號中之資料次載波數。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括根據一時頻碼(TFC)決定該複數個OFDM符號之一傳輸序列。
  13. 如請求項12之方法，其中該複數個OFDM符號係在不同次頻帶中傳輸。
  14. 一種非過渡性(non-transitory)電腦可讀媒體，其具有儲存在其上用於在一多頻帶正交分頻多工(OFDM)傳輸器 中實施一多重次載波聯合調變(MSJM)預編碼之電腦可執行碼，其包括：將經編碼之資訊位元配置成位元塊；獨立地交錯每個位元塊；將每個位元塊之該等交錯位元分組成位元組；將該等位元組之每個映射至符號，其中根據聯合調變符號之一數目決定該等符號之一數目；以及將該等符號分配至複數個連續OFDM符號之資料次載波。
  15. 如請求項14之非過渡性電腦可讀媒體，其中根據一時頻碼(TFC)實施將該等符號分配至資料次載波。
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