TWI672010B

TWI672010B - 多重循環頻移正交分頻多工之展頻裝置

Info

Publication number: TWI672010B
Application number: TW107104248A
Authority: TW
Inventors: 江政憲
Original assignee: 大陸商貴州濎通芯物聯技術有限公司
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-09-11
Also published as: TW201840141A

Abstract

一種多重循環頻移正交分頻多工之展頻裝置，其通訊裝置依據一頻帶進行訊號傳輸，該頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，該Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，且該通訊裝置用以利用多個該循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。

Description

多重循環頻移正交分頻多工之展頻裝置

本發明係關於一種展頻裝置；特別關於一種多重循環頻移(Multi-section Cyclic-Frequency Shift，以下簡稱多重CFS)正交分頻多工之展頻(Orthogonal Frequency Division Multiplex Spread Spectrum，以下簡稱OFDM)以提升CFS-OFDM的傳輸效率之裝置。

展頻技術是一種特意用高於基本所需的訊息頻寬數倍的寬頻來傳送訊息的通訊技術，目的是為了達到更加穩定的傳輸以及抵抗干擾。

目前已知的展頻技術有直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum，以下簡稱DSSS)、跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum，以下簡稱FHSS)，以及線性調頻展頻(Chirp Spread Spectrum，以下簡稱CSS)。DSSS展頻技術，是將原始單一比特(bit)的訊息用一長串的偽隨機序列(Pseudo Noise Sequence)來調變傳輸，原始的單一比特的時間長等於偽隨機序列的時間長，也就是說偽隨機序列的碼片(chip)時間非常短，因此形成寬頻的傳輸。FHSS則是將可用的頻寬細分成許多的小頻帶，訊息傳送時偽隨機選擇小頻帶來重複傳送。CSS展頻技術的每一訊息比特都用唧聲訊號(chirp signal)來傳送，由於唧聲訊號本身就是一種寬頻訊號，因此而得到展頻的效果。

DSSS展頻技術的缺點，第一是因為每一個偽隨機的碼片時間極短，因此抵抗多重傳輸路徑的能力較差，第二是由於高速的傳輸也造成比較高的耗電量。FHSS展頻的缺點，第一是傳輸端與接收端的同步較為困難，第二是由於每次跳頻均需要做同步，因此降低了頻寬的使用率，導致最後的傳輸速率較DSSS展頻方法來的慢。CSS展頻的缺點，第一是對於多重路徑的抵抗能力較差，第二是每一個唧聲訊號只載送一個比特，傳輸速率較慢。

正交分頻多工(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)為多載波傳輸的一個特例，具備高速率資料傳輸的能力，加上能有效對抗頻率選擇性衰減，而逐漸獲得重視與採用。例如，美國專利第7839880號專利，提出一種OFDM通訊系統。

正交分頻多工是一種將整個系統頻寬有效地劃分成多個(N個)正交子帶的多載波調制技術。這些子帶也稱為音調、子載波、頻段(bin)和頻道。利用OFDM，每個子帶與各自的可調制資料的子載波相關聯。由於在訊號傳輸時，接收端收到的訊號是傳送訊號和通道響應作用過的結果，所以為瞭解出傳送訊號勢必要得到通道響應，所以要作通道估計。不好的通道估計會造成誤碼率上升。傳統上，是通過從發射端發送導頻並在接收端處測量該導頻來執行通道估計。由於導頻由接收端已知的調制符號(modulation symbols)組成，因而對於每個用於導頻發送的子帶，通道回應可被估計為接收的導頻符號與發送的導頻符號之比。

CFS-OFDM展頻技術，訊息是透過寬頻OFDM訊號的循環頻率位移值來傳送。其優點是在訊號雜訊比非常低的狀況下仍能傳輸，非常適合長距離的通訊應用。藉由循環前導，在多重路徑的通道比DSSS,FHSS,CSS等傳統展頻技術有更好的表現。透過適當選擇頻域訊號，在時域的訊號有極低的功率峰均比，因此傳送端的RF增益放大器的線性度要求很低，可以大幅降低放大器的成本。

本發明之多重CFS-OFDM裝置的目的，是透過多個子頻帶同時運作CFS-OFDM，達到提升整體傳輸速率的效果。

本發明提供一種多重CFS-OFDM裝置，包含：至少一通訊裝置，依據一頻帶進行訊號傳輸，頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，且通訊裝置用以利用多個循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。

於一實施例中，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。

100‧‧‧多重CFS-OFDM裝置

110‧‧‧通訊裝置

200‧‧‧傳送裝置

210_1~210_Q‧‧‧格雷碼編碼單元

220_1~220_Q‧‧‧調變單元

230‧‧‧OFDM傳送單元

231‧‧‧封包組成單元

232‧‧‧窗單元

233‧‧‧循環前導單元

234‧‧‧N點反傅利葉轉換單元

240‧‧‧傳送電路Tx

300‧‧‧接收裝置

310_1~310_Q‧‧‧格雷解碼單元

320‧‧‧解調模組

321_1~321_Q‧‧‧峰值判斷單元

322_1~322_Q‧‧‧循環卷積單元

330‧‧‧OFDM接收單元

331‧‧‧封包偵側單元

332‧‧‧循環前導移除單元

333‧‧‧N點傅利葉轉換單元

335‧‧‧子載波調度單元

340‧‧‧接收電路Rx

圖1顯示不同循環頻率組合態樣對應一比特值之示意圖。

圖2顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的功能方塊圖。

圖3顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的傳送裝置的功能方塊圖。

圖4顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的子頻帶切割方式示意圖。

圖5顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的子頻帶切割方式示意圖。

圖6顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的接收裝置的功能方塊圖。

本發明一實施例，提出一種循環頻率偏移正交分頻多工(Cyclic-Frequency Shift Orthogonal Frequency Division Multiplex，CFS-OFDM)，它是一種新穎的展頻技術(Spread Spectrum)，訊息是透過寬頻OFDM訊號的循環頻率位移值(如後述)來傳送。其優點是在訊號雜訊比非常低的狀況下仍能傳輸，非常適合長距離的通訊應用。藉由循環前導，在多重路徑的通道比DSSS、FHSS及CSS等傳統展頻技術有更好的表現。透過適當選擇頻域訊號，在時域的訊號有極低的功率峰均比，因此傳送端的RF增益放大器的線性度要求很低，可以大幅降低放大器的成本。

於一實施例中，可以將依序排列的循環頻率排序視為第一組合態樣，並以循環方式使該些頻率往左或往右位移作為其他組合態樣，每一個組合態樣對應一個循環頻率位移值。更詳細說明如下。圖1顯示不同循環頻率組合態樣對應一比特值之示意圖。如圖1所示，在本實施例中，將依序排列的頻率排序S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄作為第一組合態樣，並指定循環頻率位移值m=0且為第一個子頻帶。以循環方式使該些頻率往左位移一單位後，形成頻率排序S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁，作為第二組合態樣，此時循環頻率位移值m=1且為第一個子頻帶，其他組合態樣，以此類推。在本實施例中，不同的循環頻率組合態樣對應不同的循環頻率位移值，而不同的循環頻率位移值對應不同的比特值，且比特值可以為二進位碼或格雷編碼。

舉例來說，當N=4時，可以透過循環頻率位移值傳送k=2個比特的訊息。如上表1所示(以第一個子頻帶為例)，m為循環頻率位移值傳送兩個比特的訊息，二進位值為b ₂ b ₁，格雷編碼為g ₂ g ₁，原始子載波內容為S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄，當循環頻率位移=1時，子載波順序變為S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁，當循環頻率位移=2時，子載波順序變為S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁ S ₁₂，以此類推。表1的例子是往左循環位移，但本發明之循環位移並不限於往左或往右循環位移。

請參照上述表2及數學式S(mod(k+m,N))，於一實施例中，CFS-OFDM的傳送訊號，可以滿足下式(1)：其中，N為所有頻域子載波的數量，S(k)為頻域符元，k代表第k個子載波，s(n)為時域符元，n為第n個時間點，m代表該循環頻率位移值，以子載波為單位，mod(.,N)為module N即對N取餘數，且N可為二的冪次方所實現。

因為循環頻率位移量m的可能值為0~N-1，所以一個CFS-OFDM的符元(symbol)最多可以傳送K=log₂(N)個比特訊息。

理論上來說，S(k)只要是非週期性訊號，均可作為CFS-OFDM訊號，但適當的選擇S(k)可以得到更好的傳輸品質。所謂適當的選擇，包含選擇具備最佳的自相關(auto-correlation)特性，以及在時域上最低的功率峰均比(Peak to average power ratio，以下簡稱PAPR)。舉例來說，當選擇的S(k)為如下述式(4)所示時，即具備前述二種優點：

在本實施例中，其在時域上的實部或虛部的PAPR約為 3dB，而自相關(auto-correlation)只有在k=0時遠大於0，在k≠0的情況下均為0，所以是作為CFS-OFDM非常好的選擇。本實施例能夠降低傳送端的RF增益放大器的線性度要求，可以大幅降低放大器的成本。

本發明一實施例之多重CFS-OFDM是以CFS-OFDM為基礎的通訊技術，將頻帶分為多個子頻帶，藉由多路的CFS-OFDM同時運作，將CFS-OFDM的傳輸速率提升數倍。

圖2顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的功能方塊圖。如圖2所示，依據本發明一實施例，多重CFS-OFDM裝置100中包含至少一通訊裝置110，且通訊裝置110依據一頻帶進行訊號傳輸；請注意，頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，Q個子頻帶分別對應Q個頻域符元，且通訊裝置110利用多個循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。

假設整個頻帶共有M個子載波，可將整個頻帶切割成Q個子頻帶，每一子頻帶均為一獨立的CFS-OFDM，同時運作下，整體的傳輸速率將提升數倍之多。舉例而言，假設M=1024，單獨的CFS-OFDM每一符元可以傳送log₂(1024)=10 比特。如果頻帶切割成8個子頻帶，每一子頻帶有128個子載波，則每個子頻帶的CFS-OFDM可傳送log₂(128)=7比特，八個子頻帶同時運作下，每個符元即可傳送8×7=56比特，亦即傳輸速率可達原本的5.6倍之多。由於數個子頻帶同時用CFS-OFDM傳輸，故此方法稱為多重CFS-OFDM。

於一實施例中，至少一通訊裝置110包含一傳送裝置200，於一實施例中，可以更包含一接收裝置300。傳送裝置200用以將一串比特轉換成多個頻域符元，並且將該些頻域符元轉換成傳輸用訊號St。接收裝置300用以接收傳輸用訊號St，並將傳輸用訊號St轉換成多個頻域符元，再將該些頻域符元轉換成一串比特。

圖3顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的傳送裝置的功能方塊圖。如圖3所示，多重CFS-OFDM裝置100的傳送裝置200包含：Q個調變單元220_1~220_Q，同時將Q個子頻帶中的M個子載波轉換成該Q個頻域符元，Q個頻域符元為多個循環頻率位移值之函數。

再請參照圖3，多重CFS-OFDM裝置100的傳送裝置200可以更包含：一數據調度(data dispatch)單元209，用以將該串比特之數據區分成Q個子數據並分配給該Q個子頻帶；Q個格雷碼編碼單元210_1~210_Q、一OFDM傳送單元230及一傳送電路Tx 240。格雷碼編碼單元210_1~210_Q依據該Q個子數據用以同時將該串比特的格式從Q個二進位碼轉換成Q個格雷碼，來最小化符元解調錯誤時的一比特錯誤率。OFDM傳送單元230將該Q個頻域符元轉換成一時域符元，並以該時域符元形成一時域封包。傳送電路Tx 240將該時域封包轉換成傳輸用訊號St後，通過網路線或無線訊號進行傳送。

在一實施例中，OFDM傳送單元230包含一N點反傅利葉轉換單元234、一循環前導(CP)單元233、一窗單元232及一封包組成單元231。N點反傅利葉轉換(N-point Inverse Fast Fourier Transform，N-IFFT)單元234分別耦接Q個調變單元220_1~220_Q，N點反傅利葉轉換單元234依據N點頻域符元轉換成N點時域符元。循環前導單元233，把N點時域符元封包末端中的部分符元複製至N點時域符元之前端。窗單元232耦接至循環前導單元233用以降低時域封包於相鄰頻帶之干擾。封包組成單元231將組合前導碼(preamble)、檔頭(header)、載荷(payload)並且利用N點時域符元產生時域封包。透過格雷碼可以將比特錯誤率降到最低，經過格雷碼轉換後的十進位數字值即為循環頻率位移的值，根據循環頻率位移值再依據公式(1)將訊號透過反傅利葉轉換到時域。接下來，加入循環前導(Cyclic prefix，CP)以提升對於多重路徑的免疫力。最後加上窗範圍以降低對於相鄰頻帶的干擾。

請注意，多重CFS-OFDM裝置100的子頻帶切割方式並無任何限制，只要子頻帶為整體頻帶的子集合即可。不過一般而言會切割成相同大小的子頻帶比較容易實現，亦即每個子頻帶具有相同數目的子載波N=M/Q。

比較實用的切割方式有兩種，第一種稱為區域型的子頻帶，如圖4所示，有三個子頻帶，每個子頻帶各有四個子載波，以不同圖樣表示，由圖4可見每個子頻帶的子載波是連續的；其中，子載波S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄為指定循環頻率位移值m=0且為第一個子頻帶，子載波S ₂₁ S ₂₂ S ₂₃ S ₂₄為指定循環頻率位移值m=0且為第二個子頻帶，子載波S ₃₁ S ₃₂ S ₃₃ S ₃₄為指定循環頻率位移值m=0且為第三個子頻帶，本圖4雖僅繪出三個子頻帶，但本發明不應以此限。

第二種稱為分散式的子頻帶，每個子頻帶的子載波平均交錯排列，如圖5所示。分散式的子頻帶優點是可以有比較好的頻道分散性，缺點是子頻帶間比較容易彼此干擾。

換言之，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。

多重CFS-OFDM的傳送端在資料透過數據調度單元209分配給Q個格雷碼編碼單元210_1~210_Q，之後Q個調變單元220_1~220_Q根據資訊在各自的子頻帶上做循環頻率位移(circular frequency shift)，最後將整體的頻域訊號整合透過N點反傅利葉轉換單元234轉換成時域符元，加上循環前導，經過窗後經由傳送電路240傳送出去。

圖6顯示本發明一實施例之多重CFS-OFDM裝置的接收裝置的功能方塊圖。如圖6所示，多重CFS-OFDM裝置100的接收裝置300可以包含：一接收電路Rx 340、一OFDM接收單元330、一子載波調度(subcarrier dispatch)單元335、Q個解調模組320_1~320_Q及Q個格雷解碼單元310_1~310_Q。接收電路Rx通過網路線或無線訊號接收一傳輸用訊號St後，將該傳輸用訊號St轉換成時域封包。接收電路Rx 340可以包含有類比前端電路(Analog front end)AFE，類比前端電路AFE可以包含有例如一模擬濾波器(Analog filter)、一訊號增益器、以及一類比數位轉換電路等用以處理該傳輸用訊號St。

OFDM接收單元330接收時域封包，並將時域封包轉成該些頻域符元。在一實施例中，OFDM接收單元330包含：封包偵側(Packet detection)單元331、循環前導移除單元332及一N點傅利葉轉換(N-point Fast Fourier Transform，N-FFT)單元333。封包偵側(Packet detection)單元331用以監測時域訊號，根據幀前導來估測是否有時域封包存在，調整增益大小。循環前導移除單元332移除時域封包中的循環前導，以還原成多個N點時域符元。N點傅利葉轉換單元333將多個N點時域符元轉換成多個頻域符元。

子載波調度單元335將該Q個頻域符元分配至該Q個子頻帶中的該M個子載波，再透過Q個解調模組320_1~320_Q，用以同時解調該M個子載波所對應的該Q個頻域符元，依據對應的該循環頻率位移值轉換成所對應不同的比特值。

Q個解調模組320_1~320_Q用以將該Q個頻域符元同時解調成對應的一串比特。請注意，Q個格雷碼解碼單元310_1~310_Q用以在該串比特的格式為格雷碼時，將該串比特的格式為從Q個格雷碼轉換成Q個二進位碼。

於本實施例中，解調模組320_1~320_Q分別對應包含循環卷積單元322_1~332_Q及峰值判斷單元321_1~332_Q。循環卷積單元322_1~322_Q用分別將Q個頻域符元進行循環卷積；峰值判斷單元321_1~321_Q分別耦接至循環卷積單元322_1~322_Q並判斷循環卷積結果之多個峰值作為所對應的該Q個頻域符元的該些循環頻率位移值，並將該些循環頻率位移值轉換成該串比特。

多重CFS-OFDM的OFDM接收單元330係封包偵側單元331偵測到訊號後，進行移除循環前導，透過N點傅利葉轉換單元333轉換至頻域，由子載波調度單元335依序分配至各子頻帶分別進行CFS-OFDM的解調，包括循環卷積，峰值判斷，格雷解碼，以解出原始資料。

本發明之裝置與方法具有以下特點：多重CFS-OFDM是以CFS-OFDM為基礎的通訊技術，將頻帶分為多個子頻帶，藉由多路的CFS-OFDM同時運作，將CFS-OFDM的傳輸速率提升數倍。

以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者進行之各種變形或變更均落入本發明之申請專利範圍。

Claims

一種多重循環頻移正交分頻多工之展頻裝置，包含：至少一通訊裝置，依據一頻帶進行訊號傳輸，該頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，該Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，且該通訊裝置用以利用多個該循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。
根據請求項1所述的展頻裝置，其中該至少一通訊裝置包含一傳送裝置，而且該傳送裝置包含：Q個調變單元，同時將該Q個子頻帶中的該M個子載波轉換成該Q個頻域符元，該Q個頻域符元為多個該循環頻率位移值之函數；以及一OFDM傳送單元，將該Q個頻域符元轉換成一時域符元，並以該時域符元形成一時域封包。
根據請求項2所述的展頻裝置，其中，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。
根據請求項2所述的展頻裝置，其中，該時域符元滿足下式：其中，N為OFDM傳送單元每一個頻域子載波的數量，S(k)為該頻域符元，k代表第k個子載波，s(n)為時域訊號，n為第n個時間點，m代表該循環頻率位移值，以子載波為單位，mod(.,N)為對N取餘數，N可為二的冪次方；以及該Q個頻域符元S(k)，均滿足下式：
根據請求項4所述的展頻裝置，其中，該OFDM傳送單元包含：一N點反傅利葉轉換單元，用以將該Q個頻域符元轉換成該時域符元；一循環前導(CP)單元，用以把該時域符元末端中的部分符元複製至該時域符元之前端，以產生該時域符元；一窗單元，耦接至該循環前導單元用以降低該時域符元於相鄰頻帶之干擾；以及一封包組成單元，利用該時域符元產生該時域封包。
根據請求項2所述的展頻裝置，其中，該傳送裝置更包含：一數據調度(data dispatch)單元，用以將該串比特之數據區分成Q個子數據並分配給該Q個子頻帶；以及Q個格雷碼編碼單元，依據該Q個子數據用以將該串比特的格式從Q個二進位碼轉換成Q個格雷碼。
根據請求項1所述的展頻裝置，其中，該至少一通訊裝置包含一接收裝置，而且該接收裝置包含：一OFDM接收單元，用以將該時域封包轉換成該頻域符元；一子載波調度(subcarrier dispatch)單元，將該Q個頻域符元分配至該Q個子頻帶中的該M個子載波；以及Q個解調模組，用以同時解調該M個子載波所對應的該Q個頻域符元，依據對應的該循環頻率位移值轉換成所對應不同的比特值。
根據請求項7所述的展頻裝置，其中，該Q個解調模組分別包含：一循環卷積單元，用分別將Q個頻域符元進行循環卷積；以及一峰值判斷單元，耦接至該循環卷積單元，並判斷循環卷積結果之多個峰值作為所對應的該Q個頻域符元的該些循環頻率位移值，並將該些循環頻率位移值轉換成該串比特。
根據請求項7所述的展頻裝置，其中，該OFDM接收單元包含：一封包偵側單元，估測該時域封包是否存在；一循環前導移除單元，移除該時域封包中之循環前導，以還原成多個時域符元；以及一N點傅利葉轉換單元，將該些時域符元還原成該Q個頻域符元，並且，該接收裝置更包含：Q個格雷碼解碼單元，用以將該串比特的格式，從Q個格雷碼轉換成Q個二進位碼。