CN101378310B - 检测基于频域特性的信号的方法及相关接收器 - Google Patents
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Abstract
一种检测基于频域特性的信号的方法及相关接收器，其中特定通信规格包含特定频谱特性的规格，接收器包含：检测模块，检测输入信号的数据包；转换单元，耦接到检测模块，将数据包从时域转换到频域来获取输入信号的频谱特性；以及确定单元，耦接到转换单元，根据输入信号的频谱特性确定输入信号是否为目标信号。本发明的接收器能在恶劣的信道条件下降低数据包错过率和错误报警率，而且可达到快速与准确的信号质量检测的目的。
Description
技术领域
本发明有关于一种无线通信系统，尤其是有关于一种接收器接收符合特定无线通信规格的目标信号以及相关检测方法，其中该规格包含具体的频域特性。
背景技术
在无线局域网络(Wireless Local Area Network，WLAN)中，多个载波共享一个频带，且每一载波占据频带的一个子频带(如一个信道)来发送信号。一般说来，在信道规划中，载波与载波之间尽量远离来避免邻近信道间的干扰。然而，因为无线装置的发展，使得一个频带中的载波数目快速增加，载波在频带中彼此排列紧密已经不可避免(举例来说，相邻信道与目标信道只有±5MHz空隙)，这就导致信号在接收端相互重叠。
为了减少相邻信道干扰或相邻干扰源(例如在相邻频带中的装置间发送的探测要求(probe request))的影响，现有技术的接收器100被设计为具有如图1中所示的架构。当接收信号时，接收器100首先将接收的信号降频转换到基频带，然后利用数据包检测单元110提取数据包。在自动增益控制器(Automatic Gain Controller，AGC)120锁定所述数据包之后，信号质量检测单元130检测所述数据包，其中所述数据包通常是前置数据包或是接收的信号的训练序列(training sequences)数据包，用来检查接收的信号是否是需要的频带内信号(in-band signal)(即同一信道内信号，用来传送需要的数据)。当接收的信号被检测为频带内信号时，执行接收器100中后续的模块来获取接收的信号中承载的数据。若信号质量检测单元130确定接收的信号并非频带内信号，那么，接收器100丢弃接收的信号，重新开始检测下一个进入的信号。
可以看出，信号质量检测单元130的一个主要功能就是要快速而准确地从频带外信号中鉴别出需要的频带内信号，其中频带外信号覆盖接收器100的目标接收信道内的频带外信号。
若信号质量检测单元130错误地将频带外信号当成频带内信号，就会产生一个错误报警。在此情况下，被接收器100所译码的数据会不正确，并且，若此错误稍后才被检测到，会造成功率消耗及时间损失。信号质量检测单元130越快辨别出频带外信号，接收器就能越早重新开始为检测下一个进入的信号而准备，因此数据包错过率(packet miss rate)较低。
信号质量检测单元130用来检测频带内信号的一般技术是自相关(auto-correlation)及互相关(cross-correlation)，是估计在时域(time domain)中两个序列(series)的相关度(correlation degree)的标准方法。然而，当信道条件恶劣的情况下，应用自相关与互相关的信号质量检测单元130的效率并不理想。原因是频带内信号可能被恶劣的多路径信道(multi-path channels)的码间串扰(Inter-Symbol-Interference，ISI)所扭曲(distort)。更进一步地，信号质量检测单元130所获取的频带内信号的相关强度(correlation strength)会因干扰而变弱，因此，信号质量检测单元130便不能正确地从干扰噪声(interference noise)辨别出频带内信号。
发明内容
本发明提供一种方法及相关接收器，可以在有干扰噪声的信道内辨别出频带内的信号。
本发明提供一种用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其中所述特定规格包含特定频谱特性，所述方法包含：检测输入信号的数据包；将数据包从时域转换到频域以获取输入信号的频谱特性；判定所述输入信号的所述频谱特性是否满足预定条件以产生判定结果，其中所述预定条件是对应于所述特定频谱特性；以及当所述判定结果表示所述输入信号的所述频谱特性满足所述预定条件时，确定所述输入信号是目标信号。
本发明另提供一种用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其中所述特定通信规格包含特定频谱特性，所述接收器包含：检测模块，检测输入信号的数据包；转换单元，耦接到检测模块，将数据包从时域转换到频域来获取输入信号的频谱特性；以及确定单元，耦接到转换单元，确定所述输入信号的所述频谱特性是否满足对应于所述特定频谱特性的预定条件来产生判定结果，且当所述判定结果指示所述输入信号的所述频谱特性满足所述预定条件时确定所述输入信号是所述目标信号。
利用本发明依据输入信号的频谱特性区别出目标信号，提高了抗噪能力。
附图说明
图1是现有技术的接收器的方框图。
图2是根据本发明的实施方式的接收器的信号质量检测单元的方框图。
图3a显示一个在IEEE802.11b Barker/CCK规格中定义的传输频谱掩模标准的示意图。
图3b显示一个在IEEE802.11a OFDM规格中定义的传输频谱掩模标准的示意图。
图4a是一个没有频移的OFDM/CCK信号的输出音调的示意图。
图4b是一个有频移的OFDM/CCK信号的输出音调的示意图。
图5a是在目标接收信道内的目标信号的频谱的示意图。
图5b是目标接收信道内邻近干扰信号的频谱的示意图，其中邻近信道信号是位于距离目标接收信道±5MHz与±10MHz的信道。
图6是根据本发明实施方式的确定单元的示意图。
图7是根据本发明实施方式的图2中信号质量检测单元的检测步骤的流程图。
图8是根据本发明实施方式的信号质量检测单元的示意图。
图9a与图9b分别显示了本发明在仿真中的数据包错过率及错误报警率上的改进。
图10显示当Ec/N0固定在10dB时本发明在仿真中数据包错过率及错误报警率上的改进。
具体实施方式
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来称呼特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接到第二装置。
本发明提供了一种能快速恰当地检测出目标信号(如频带内信号)的接收器。与图1的现有技术的接收器100相比，本发明的接收器中的信号质量检测单元更进一步利用输入信号的频谱信息来帮助确定输入信号是否为目标信号。在实施方式中，分析输入信号的频谱来检查输入信号与目标信号的传输频谱掩模(mask)的相关度(correlation degree)，其中传输频谱掩模在通信规格中定义。因此，本发明适用于检测任何符合特定频谱特性的频带内信号，且可被应用于大多数无线宽带系统，如无线局域网络，全球互通微波存取(World interoperability for Microwave Access，WiMAX)，及超宽带技术(Ultra WideBand，UWB)。
图2是根据本发明的实施方式的信号质量检测单元200的方框图。如图2所示，信号质量检测单元200包含移频器210，转换单元220及确定单元230。需要注意的是，移频器210是信号质量检测单元200的可选组件，原因稍后将会介绍。当接收器的数据包检测单元(未显示)检测到输入信号的数据包时，该数据包被送到信号质量检测单元200。以补码键控(Complementary Code Keying，CCK)规格与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)规格为例。它们的传输频谱掩模标准分别显示在图3a与图3b中，对于符合特定通信规格如OFDM与CCK规格的输入信号，每一个输入信号的数据包都具有对应到传输频谱掩模的频谱特性。因此，转换单元220将数据包检测单元检测到的数据包从时域转换到频域来获取输入信号的频谱特性，而确定单元230根据输入信号的频谱特性确定输入信号是否是目标信号。
只要输入信号的频谱特性可被获取，转换单元220所执行的转换并不只限定在本发明所举的例子。转换可以是傅立叶变换(Fourier Transform)，快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)或离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)，等等。但是，因为FFT是最常用的时域转频域的技术，下面将以FFT为例进一步解释转换单元220的操作与功能。
此处详细介绍移频器210是可选的原因。请参考图4a，图4a是转换单元220对目标信号(如OFDM信号或CCK信号)的数据包执行4点-FFT转换后输出的4个输出音调(output tone)。要注意4点FFT的特性使得4个输出音调的1个落到目标信号的直流电平(0Hz)。但是，从图4a中可看出，OFDM或CCK信号(CCK信号在此之前已经被高通滤波器过滤掉了DC偏移量(DC offset))的直流电平一般很小以致处于直流电平的输出音调不能给确定单元230提供有效参考，其中有效参考是目标信号的频谱特性。更进一步地，这4个输出音调为非平衡的(unbalanced)，因此无法从干扰信号中区别出来。另外，在此情况下，数据包先会送到移频器210来被频移(frequency-shifted)，再通过转换单元220转换到频域。一个通常用来作频移(frequency shift)的方法是在时域内将数据包乘exp{-j*2*π*n/M}，相当于在频域内移动了1/M带宽。一个输出音调移动1/8带宽的例子如图4b所示。在此实施方式中，输出音调401，402，403与404分别对应于目标信号的-4/8带宽，-2/8带宽，+2/8带宽，+4/8带宽，这些输出音调足够大且被平衡为有效参考。因此，当转换单元220是4点FFT单元时，需要与移频器210合作来给确定单元230提供足够信息。然而，在另一个实施方式中，当转换单元220采用大于4点的FFT转换时，举例来说，8点FFT转换，就不需要移频器210，因为除去在直流电平的输出音调，另外7个输出音调已足以使确定单元230做出决定了。
图5a显示目标接收信道内一个信号的频谱示意图，图5b显示目标接收信道内邻近干扰信号的频谱示意图，其中邻近信道信号位于距离目标接收信道±5MHz与±10MHz的信道内。可以发现目标信号与邻近干扰信号的频谱非常不同。目标接收信道内的目标信号的频谱更加平衡。若大致把频谱划分为频带内区域与频带外区域，频带外区域的目标信号的输出音调OT1或输出音调OT4的幅度比频带内区域的目标信号的输出音调OT2或输出音调OT3小，而输出音调OT1与输出音调OT4的幅度大约相同。因为邻近干扰信号的输出音调不具有这些频率特性，确定单元230可采用所述频谱特性来从其余干扰信号中区别出目标信号。确定单元230首先判断输入信号的频谱特性是否符合预定条件来产生判断结果，预定条件对应于频谱掩模，然后，当判断结果表示输入信号的频谱特性满足预定条件时确定输入信号为目标信号。
在本实施方式中，确定单元230根据输出音调的幅度判断输入信号是否是目标信号。更具体地，在实施方式中，如图6所示，确定单元230包含第一比较器610，第二比较器620以及第三比较器630，其中第一比较器610选择对应于频带内频率区域的第一输出音调(例如，频带内频率区域的最大输出音调)，第二比较器620选择对应于频带外区域的第二输出音调(例如，频带外区域的最大输出音调)，第三比较器630对第一输出音调与第二输出音调的幅度进行比较来确定第一输出音调的幅度是否大于第二输出音调的幅度。当第三比较器630的比较结果表示第一输出音调的幅度比第二输出音调的幅度大时，确定单元230判定输入信号为目标信号。
上面的检测过程可以用图7中的流程图来表示。检测过程700包含以下步骤：
步骤710：检测输入信号的数据包。
步骤720：若需要，对数据包执行频移。
步骤730：将数据包从时域转换到频域来获取输入信号的频谱特性。
步骤740：确定频谱特性是否满足预定条件。
步骤750：当判定结果表示频谱特性满足预定条件时，判定输入信号是目标信号。
然而，若能获得大致相同的结果，并不需要完全按照检测过程700的步骤连续执行，中间可以加入另外的步骤。
另外，为了防止热噪声(thermal noise)或突发噪声(burst noise)影响确定单元230的判断，输入信号的输出音调在用于判断之前可先被累加。请一并参考图8与图5a。图8显示本发明的信号质量检测单元的一个实施方式。在此实施方式中，转换单元220对输入信号执行了多于一次的4点FFT操作来产生多于4个的输出音调。然后这些输出音调经过串行转并行(serial to parallel)电路S/P 810来分成多个组，举例来说，组1包含输出音调OT1，组2包含输出音调OT2，组3包含输出音调OT3，组4包含输出音调OT4，其中，输出音调OT1，OT2，OT3，OT4的定义如图5a所示。幅度累加器820将每组中输出音调的幅度进行累加来产生一个累加结果，比较单元830判断此累加结果是否满足预定条件来产生一个判定结果，其中此预定条件对应到频谱掩模。当判定结果表示此累加结果满足预定条件时，确定单元230判定输入信号是目标信号。与图6的实施方式相似，当对应于频带内频率区域的第一输出音调的累加幅度大于对应于频带外频率区域的第二输出音调的累加幅度时，判定此预定条件满足。如此，输出音调的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)就变大了，从而减少了噪声影响以及提升了判定输入信号是否为目标信号的准确度。
信号质量检测单元利用了如下特性：当目标信号符合包含特定传输频谱掩模的特定通信规格时，在目标接收信道量测的距离目标接收信道5MHz或比5MHz更远的信号的输出音调与对应于特定传输频谱掩模的频谱特性不同。
要注意的是，图6或图8中的确定单元230仅为表示而已，并非本发明的限制。确定单元230中采用的预定条件不会被所述实施方式所限制。
图9a与图9b分别是根据本发明的数据包错过率及错误报警率的仿真改进示意图。仿真的条件是信道具有250ns的均方根(root mean square)延迟，干扰是距离目标信号+5MHz的邻近信号。从仿真结果可以看出，当Ec/N0是15dB时，数据包错过率(packet miss rate)降低到10-2，其中N0表示噪声功率，Ec表示信号功率，且在最差信道条件下的最大错误报警率为5％，相对于现有技术有5％的提升。另外，图10显示当Ec/N0固定在10dB时根据本发明的数据包错过率与错误报警率(false alarm rate)的提高的仿真示意图。本发明提出的接收器的设计在数据包错过率与错误报警率上都得到很大改良。本发明的接收器设计的多路径信道的可容忍延迟扩展(tolerant delay spread)为400ns，与现有技术相比有150ns的改进。
要注意的是，所述所有本发明的实施方式都集中在对输入信号的频率信息的应用上。可是，接收器也可采用现有技术的相关检测(correlation detecting)方法，利用输入信号的时域信息来更进一步增加对目标信号检测的准确度。与现有技术的接收器不同，增益控制器(gaincontroller)或是自动增益控制器(automatic gain controller)可耦接到转换单元或确定单元。如此，控制输入信号的增益设置的时间安排便不受限制。增益控制可控制在数据包从时域转换到频域之前，或在输入信号被判定为目标信号之后。这些可选的设计都在本发明的范围之内。
本发明采用低复杂度的以FFT为基础的频谱分析来将邻近信道干扰减到最小，在恶劣多路径信道中提升检测能力并克服信号扭曲。本发明的一个优点是检测机制在检测到一个输入信号的数据包后立即开始，且信号质量检测单元仅需100ns这样短的时间检测频带内OFDM信号或45ns检测频带内CCK信号。换句话说，频带内信号的检测可在OFDM/CCK信号的前置区域就完成。举例来说，若转换单元220应用4点FFT，输入信号的一个符号(symbol)足以完成数据包区别，因此达到快速频带内信号检测的目的。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。
Claims (23)
1.一种用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其中所述特定规格包含特定频谱特性，所述方法包含：
检测输入信号的数据包；
将所述数据包从时域转换到频域来获取所述输入信号的频谱特性；
判定所述输入信号的所述频谱特性是否满足预定条件以产生判定结果，其中所述预定条件是对应于所述特定频谱特性；以及
当所述判定结果表示所述输入信号的所述频谱特性满足所述预定条件时，确定所述输入信号是目标信号。
2.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述特定频谱特性对应于传输频谱掩模。
3.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述数据包是所述输入信号的前置数据包。
4.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述频域内的所述输入信号的频谱包含多个输出音调。
5.如权利要求4所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述输入信号的所述多个输出音调被分成多个组，以及所述判定所述输入信号是否为所述目标信号的步骤包含：
累加每一组中对应的输出音调的幅度来产生累加结果；
判定所述累加结果是否满足预定条件来产生判定结果，其中所述预定条件对应于所述特定频谱特性；以及
当所述判定结果表示所述累加结果满足所述预定条件时，确定所述输入信号是所述目标信号。
6.如权利要求5所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述输入信号的所述频谱包含频带内区域以及频带外区域，且当对应于所述频带内区域的至少一第一输出音调的累加幅度大于对应于所述频带外区域的至少一第二输出音调的累加幅度时满足所述预定条件。
7.如权利要求6所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述至少一第一输出音调对应于所述频带内区域的多个输出音调的最大值，所述至少一第二输出音调对应于所述频带外区域的多个输出音调的最大值。
8.如权利要求4所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述判定所述输入信号是否为所述目标信号的步骤包含：
根据所述多个输出音调的幅度判定所述输入信号是否是所述目标信号。
9.如权利要求8所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述输入信号的频谱包含频带内区域以及频带外区域，以及所述根据所述多个输出音调的幅度判定所述输入信号是否是所述目标信号的步骤包含：
确定对应于所述频带内区域的第一输出音调的幅度是否大于对应于所述频带外区域的第二输出音调的幅度；以及
当对应于所述频带内区域的所述第一输出音调的幅度大于对应于所述频带外区域的所述第二输出音调的幅度时，确定所述输入信号是所述目标信号。
10.如权利要求9所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述第一输出音调对应于所述频带内区域的多个输出音调的最大值以及所述第二输出音调对应于所述频带外区域的多个输出音调的最大值。
11.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，还包含：
在所述数据包被从所述时域转换到所述频域之前对所述数据包执行频移操作。
12.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，还包含：
在所述数据包被从所述时域转换到所述频域之前或在所述输入信号被确定为所述目标信号之后，控制应用于所述输入信号的增益设置。
13.如权利要求1所述的用于检测符合特定通信规格的目标信号的方法，其特征在于，所述特定通信规格是OFDM规格或补码键控CCK规格。
14.一种用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其中所述特定通信规格包含特定频谱特性，所述接收器包含：
检测模块，检测输入信号的数据包；
转换单元，耦接到所述检测模块，将所述数据包从时域转换到频域以获取所述输入信号的频谱特性；以及
确定单元，耦接到所述转换单元，确定所述输入信号的所述频谱特性是否满足对应于所述特定频谱特性的预定条件来产生判定结果，且当所述判定结果指示所述输入信号的所述频谱特性满足所述预定条件时确定所述输入信号是所述目标信号。
15.如权利要求14所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述特定频谱特性对应于传输频谱掩模。
16.如权利要求14所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述输入信号的所述频域的频谱包含多个输出音调。
17.如权利要求16所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述输入信号的所述多个输出音调被分成多个组，以及所述确定单元包含：
幅度累加器，耦接到所述转换单元，累加每一组对应于多个输出音调的幅度来产生累加结果；以及
比较单元，耦接到所述幅度累加器，确定所述累加结果是否满足对应于所述特定频谱特性的预定条件来产生判定结果，当所述判定结果指示所述累加结果满足所述预定条件时确定所述输入信号是所述目标信号。
18.如权利要求17所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述输入信号的频谱包含频带内区域以及频带外区域，当对应于所述频带内区域的至少一第一输出音调的累加幅度大于对应于所述频带外区域的至少一第二输出音调的累加幅度时所述预定条件被满足。
19.如权利要求18所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述至少一第一输出音调对应于所述频带内区域的所述多个输出音调的最大值，且所述至少一第二输出音调对应于所述频带外区域的所述多个输出音调的最大值。
20.如权利要求16所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述确定单元根据所述多个输出音调的幅度确定所述输入信号是否是所述目标信号。
21.如权利要求20所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其特征在于，所述多个输入信号的频谱包含频带内区域以及频带外区域，且所述确定单元包含：
第一比较器，选择对应于所述频带内区域的所述多个输出音调中具有最大幅度的第一输出音调；
第二比较器，选择对应于所述频带外区域的所述多个输出音调中具有最大幅度的第二输出音调；以及
第三比较器，耦接到所述第一比较器与所述第二比较器，比较所述第一输出音调的幅度与所述第二输出音调的幅度来产生所述判定结果；
当所述第一输出音调的幅度大于所述第二输出音调的幅度时，所述确定单元确定所述输入信号是所述目标信号。
22.如权利要求14所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，还包含：
移频器，耦接到所述转换单元，用于在所述数据包被从所述时域转换到所述频域前对所述数据包进行频移操作。
23.如权利要求14所述的用于接收符合特定通信规格的目标信号的接收器，其中所述接收器应用于OFDM系统或补码键控CCK系统。
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