利用頻譜密度的適應性跳頻機制的裝置與方法

2023-12-01 23:27:21 2

專利名稱：利用頻譜密度的適應性跳頻機制的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種通訊系統，尤指一種具有適應性跳頻裝置的無線通訊系統。
背景技術：
基本上，藍牙(Bluetooth，BT)通訊系統是一個跳頻通訊系統，可利用適應性跳頻 (Adaptive Frequency-Hopping ；AFH)技術用以避免固定頻帶的幹擾。當兩臺藍牙(BT)裝置(device)建立連接成為子網絡(pico-net)時，其中一臺為主動式裝置(master)，另一臺為被動式裝置(slave)，而適應性跳頻(AFH)機制中的「信道地圖(channel map)」用來說明或通知對方裝置哪一個是好信道(good channel)或哪一個是壞信道(bad channel)，根據藍牙(BT)規格書中規範好信道和壞信道的總個數應為全部的79個信道，且信道地圖是由主動式裝置來決定，而主動式裝置(master)決定的方式主要有兩種，如下1.由主動式裝置(master)自行根據不同信道的收發狀況，判斷此信道是好信道還是壞信道。2.由主動式裝置(master)適時發信號詢問被動式裝置(slave)使用中的信道狀況，而被動式裝置(slave)也根據本身的收發狀況來響應主動式裝置(master)，讓主動式裝置(master)作為根據用以評估或更新適應性跳頻(AFH)機制中的信道地圖。因此，不論主動式裝置或被動式裝置(slave)，都要有能力自動檢測信道性能 (performance) 0一些傳統的跳頻機制，如美國專利號第7，027，418以及7，570，614號，披露了關於跳頻機制的內容。這二篇專利所披露的內容可作為先前技術的參考。然而，這些傳統的跳頻機制只能測量目前使用的信道其信道性能的好壞，無法明確地知道其餘(沒有跳進去的)信道的信道性能，因此會延伸出兩個問題1. 一旦信道地圖中有分為好信道和壞信道，適應性跳頻(AFH)機制就只會在好信道的集合中作跳頻(FH)的運行並同時作信道測量，如果有統計上的誤差，或因為暫時性的幹擾，有可能在原先的好信道中會判斷為壞信道，接著在下一次更新信道地圖後，就會發生好信道的個數越來越少的情形。例如一開始79個信道都是好信道，過一段時間後，根據自行測量結果有30個信道變為壞信道(可能是真正的壞信道、或統計上的誤差、或暫時性的幹擾)，因此只剩49個好信道，並由主動式裝置(master)更新於信道地圖(channel map) 中以讓被動式裝置(slave)知道，如此持續下去，好信道個數很容易少於藍牙(BT)規格書中規範的臨界值(AFH機制至少需要有20個好信道)。2.承1，如果好信道個數已經少於規格書規範的臨界值，或在其它的狀況下想要增加好信道的個數，則必須要將部分的壞信道改設為好信道並更新在下一次的信道地圖 (channel map)中。但如此一來，因為不知道新加入好信道集合中的原先被視為是壞信道的信道的真正狀況，藍牙的傳輸有可能會受影響。假設新加入的信道其性能確實是不佳的，則會嚴重影響藍牙跳頻的質量，且必須等到下一次信道地圖更新的時間才可以將誤加入的壞信道拿掉。
此外，越來越多的系統業者希望將無線區域網路(Wireless Local Area Network ；WLAN)與無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network ；WPAN)結合在一起，形成雙模模式(dual-mode)，前者可以覆蓋較遠的傳輸距離，提供較高的傳輸速率，進而與外部網絡做溝通，例如可以利用非對稱式數字用戶線路(Asymmetric Digital Subscriber Line ；ADSL)與外部的網際網路作連接，後者可以在數字家庭(Digital Home) 中作點對點(peer-to-peer)數據的傳輸，覆蓋距離較近但可以達到簡單、省電的目的，而WPAN中，可為目前代表的是滲透率最高、使用者人數最多、應用層級最廣的藍牙 (Bluetooth ；BT)。這前後兩者可以視為單獨個體，分別整合進數字家庭中的個別的收發機，如桌上型計算機(Personal computer ；PC)、筆記本型計算機(Notebook ；NB)、智能型手機(Smart Phone)、數字機頂盒(Set-top Box)、電視機(Television ;TV)、遊戲機(Game Console)等，當然此舉對廠商而言會較為複雜、成本較高，而產品開發時間也會較長。然而， 由於藍牙(BT)與無線區域網路(WLAN)的使用頻帶都在免付費的2.4GHz(ISM-band)；其中藍牙系統的工作頻寬為1MHz，共有79個信道(channel)，從M02MHz —直到M80MHz ；而 WLAN在傳統的G-mode時的工作頻寬為20MHz，而新一代的llN-mode則是有機會到40MHz， 其最低頻的第一個信道中心頻率為M12MHz，規範中最高頻的第11個信道中心頻率為 M62MHz，甚至有其它國家定義第14個信道中心頻率為M84MHz ；由此可知，上述兩種的通訊協議所使用的頻道幾乎是交迭(overlap)在一起。當WLAN在使用時，如果BT也欲傳輸數據且工作頻帶與WLAN有交迭(overlap)時，則會影響WLAN的傳輸質量；相同地對BT而言，WLAN的使用也是一種嚴重的幹擾。因此，如何使這兩種普遍廣泛使用的短距離通訊技術能和平共存而不互相干擾一個相當重要的課題。如果可同時針對二種不同傳輸規範(例如是無線區域網路(WLAN)與藍牙 (Bluetooth, BT)提出一個多模模式(dual-mode)的共同解決方案，即可達到個人、甚至家庭的最佳的無線傳輸方式。

發明內容
本發明的目的之一在於提供一種無線通訊系統，可解決上述已知的問題。本發明的目的之一在於提供一種無線通訊系統，具有較實時、快速且正確的信道性能判斷的功能。優選地，無線通訊系統是一藍牙系統。本發明的目的之一在於提供一種無線通訊系統，可應用於至少兩種通訊技術且可共存而彼此不互相干擾。優選地，至少兩種通訊技術是一藍牙系統與無線區域網路(WLAN)。本發明的目的之一在於提供一種無線通訊系統，具有較實時、快速且正確的信道性能判斷的功能。優選地，至少兩種通訊技術所應用的頻帶有交迭。本發明的目的之一在於提供一種無線通訊系統，將無線區域網路與無線個人區域網路結合在一起，形成雙模模式(dual-mode)。優選地，無線區域網路可以覆蓋較遠的傳輸距離，提供較高的傳輸速率，進而與外部網絡做溝通；無線個人區域網路可以在數字家庭(Digital Home)中作點對點(peer-to-peer)數據的傳輸，覆蓋距離較近但可以達到簡單、省電的目的。本專利提出的目的之一在於，利用位於無線區域網路(WLAN)裝置內的一功率頻譜密度(PSD)電路，來估計出藍牙系統所有信道的性能，使藍牙系統的適應性跳頻機製作出好信道和壞信道的判斷能夠更加準確、可以縮短適應性跳頻機制中判斷的時間、以及可以避免因為好信道個數過少誤加入壞信道而使藍牙傳輸嚴重受損的情況。


圖1為依據本發明的功率頻譜密度所測量出的頻譜的示意圖。圖2A、2B為使用本發明的功率頻譜密度電路來實現藍牙系統的適應性跳頻機制的架構圖(單天線及雙天線)的示意圖。圖3是依據本發明的功率頻譜密度電路的一實施例的方塊圖。圖4是本發明的時域轉頻域電路的一實施例的電路圖。圖5為利用功率頻譜密度結果實現藍牙系統的適應性跳頻機制更新信道地圖的示意圖。圖6為使用位於無線區域網路(WLAN)裝置中的功率頻譜密度電路來實現(單天線及雙天線)藍牙系統的適應性跳頻機制的架構圖的電路示意圖。圖7為利用藍牙測量結果與功率頻譜密度測量結果實現更新信道地圖的流程圖。圖8是依據本發明的功率頻譜密度(PSD)與信號功率對幹擾功率比例(SIR)分布圖的對應關係的示意圖。圖9是依據本發明的利用信號功率對幹擾功率比例(SIR)分布圖決定信道地圖的流程圖。主要元件符號說明200 適應性跳頻裝置210A 多路復用器220 藍牙收發電路230 功率頻譜密度(PSD)電路240 控制電路
具體實施例方式請參照本發明的附圖來閱讀以下的詳細說明，其中本發明的附圖以舉例說明的方式，來介紹本發明各種不同的實施例，並供了解如何實現本發明。本發明實施例提供了充足的內容，以供本技術領域且有通常知識者來實施本本發明所披露的實施例，或實施依本發明所披露的內容所衍生的實施例。須注意的是，這些實施例彼此間並不互斥，且部分實施例可與其它一個或多個實施例作適當結合，以形成新的實施例，亦即本發明的實施並不局限於以下所披露的實施例。藍牙是一個跳頻系統，加上有適應性跳頻(AFH)機制，用意就是要避掉固定頻點上的幹擾。本發明的實施例利用一功率頻譜密度(Power Spectrum Density ；PSD)以頻域角度看每一個頻點能量大小的一種指標，一般而言，當PSD數值較高時，表示這一個頻點有數據在傳輸或是有幹擾源(Interference)。以圖1為例，一旦可以求出藍牙所佔頻寬的PSD分布圖，可以設定一個臨界值，當PSD超過此臨界值時可以當作此頻點有固定式幹擾源，且無論這些幹擾源的內容是如何，可能是WLAN信號、窄頻或寬帶幹擾，對藍牙的適應性跳頻機制而言，都可以視為壞信道，而當藍牙在利用跳頻機制傳輸數據時，應避掉壞信道讓整體傳輸質量保持穩定。本發明的實施例利用頻域角度看每一個頻點能量大小的一種指標，可實時得知藍牙所有信道的幹擾情形。圖2A、2B是本發明提出的收發機架構的二種實施方式，其中圖2A是一單天線架構，在圖2A中該裝置包括有一天線、多路復用器210A、藍牙收發電路220、功率頻譜密度 (PSD)電路230、以及一控制電路M0。圖2B是多天線架構，在圖2B中該裝置包括有多根天線、切換開關210B、藍牙收發電路220、功率頻譜密度(PSD)電路230、以及一控制電路M0。 其中，藍牙收發電路220具有一信道地圖，依據該信道地圖在多個信道中依序選擇出其中的一信道以與另一個跳頻通訊裝置進行通訊。該功率頻譜密度(PSD)電路230測量包含有該跳頻通訊電路的所有信道的頻帶範圍的頻譜，以得出一功率頻譜密度。該控制電路240 接收該功率頻譜密度，依據該功率頻譜密度來更新該信道地圖。除了 PSD電路230以及控制電路MO以外，其餘電路(例如天線、藍牙收發電路220)是一已知架構，且本發明的重點不是天線、藍牙收發電路本身，故省略藍牙收發電路的詳細說明，而將著重於功率頻譜密度 (PSD)電路以及PSD電路與藍牙收發電路之間的運行(即是控制電路240的運行)。故其詳細的藍牙收發電路，此處不再詳述，可參考一些市售藍牙產品的規格書以及相關藍牙規範。 如圖3，是PSD電路230的一實施例，在此實施例中，包含相對應的射頻(Radio Frequency ； RF)電路 310、模擬前端(Analog Front-End ；AFE)電路 320 及基頻(Baseband ；BB)數位訊號處理(Digital Signal Process ；DSP)電路330。利用PSD電路230測量並計量得出的 PSD信號後，輸出至控制電路M0。控制電路240對PSD信號進行統計分布(該PSD統計分布可利用處理器以及相關軟體(Software ；Sff)、硬體(例如是ASIC)、或是微處理器以及固件來達到其目的)。其中射頻電路310其頻帶被控制可落在BT信號執行跳頻的範圍之內， 才可以測量出適用於BT的PSD，而模擬前端電路320處理來自該射頻電路310的輸出信號， 以產生一時域(time-domain)數字數據。基頻數位訊號處理電路330包括有一時域轉頻域電路400以將經過該模擬前端電路320的時域數字數據轉至頻域(frequency-domain)數字數據，以直接得到PSD的分布圖(而省略控制電路M0，從而無須進行PSD統計分析)。一實施例，控制電路240可利用一預定分析方式進行，例如多次執行相同頻帶的PSD，進而求得PSD的平均分布圖，此舉是利用統計的方式增加PSD的準確性。若上述的統計方式可以利用軟體的方式進行，則可保持變更該預定分析方式的靈活性。如圖2A及圖2B，當PSD電路及相對應控制電路240求得頻譜分布後，需有溝通渠道將PSD數據告知BT的AFH機制， 最後再由AHl機制決定出下一個更新時間點的信道地圖，其中溝通渠道可以是雙方都可以存取的寄存器(register)或是利用一數據傳輸的信道。由於信道地圖的更新變得較正確， 故可解決傳統AFH機制所常遇到的兩個問題。圖4是該時域轉頻域電路400的一實施例的示意圖。該時域轉頻域電路400的一實施例為一快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform ；FFT)電路。下列數學式為FFT的標準表示法
權利要求
1.一種無線通訊裝置，包括有一跳頻通訊電路，具有一信道地圖，依據所述信道地圖在多個信道中依序選擇出其中的一信道來與另一個跳頻通訊裝置進行通訊；一功率頻譜密度電路，測量包含有所述跳頻通訊電路的所有信道的頻帶範圍的頻譜以得出一功率頻譜密度；以及一控制電路，接收所述功率頻譜密度，依據所述功率頻譜密度來更新所述信道地圖。
2.根據權利要求1所述的無線通訊裝置，其中，所述跳頻通訊電路包括有一藍牙通訊電路。
3.根據權利要求1或2所述的無線通訊裝置，其中，所述功率頻譜密度電路位於一無線區域網路電路中。
4.根據權利要求1或2所述的無線通訊裝置，其中，所述控制電路對所述功率頻譜密度進行統計分析。
5.根據權利要求1或2所述的無線通訊裝置，其中，所述控制電路依據所述功率頻譜密度以及一特定臨界值來更新所述信道地圖。
6.根據權利要求5所述的無線通訊裝置，其中，所述特定臨界值是可調的。
7.根據權利要求1所述的無線通訊裝置，其中，將所述功率頻譜密度當作幹擾的功率曲線圖，以及所述跳頻通訊電路得到單一信道的包接收功率以決定出好信道及所述好信道的個數作適應性地調整。
8.一種無線通訊方法，包括有一跳頻通訊電路依據一信道地圖在多個信道中依序選擇出其中的一信道以與另一個跳頻通訊裝置進行通訊；測量出包含有所述跳頻通訊電路的所有信道的頻帶範圍的頻譜以得出一功率頻譜密度；以及依據所述功率頻譜密度來更新所述信道地圖。
9.根據權利要求8所述的無線通訊方法，其中，所述跳頻通訊電路包括有一藍牙通訊電路。
10.根據權利要求8或9所述的無線通訊方法，其中，所述功率頻譜密度電路位於一無線區域網路電路中。
11.根據權利要求8或9所述的無線通訊方法，其中，所述控制電路對所述功率頻譜密度進行統計分析。
12.根據權利要求8或9所述的無線通訊方法，其中，所述控制電路依據所述功率頻譜密度以及一特定臨界值來更新所述信道地圖。
13.根據權利要求12所述的無線通訊方法，其中，所述特定臨界值是可調的。
14.根據權利要求8所述的無線通訊方法，其中，將所述功率頻譜密度當作幹擾的功率曲線圖，以及所述跳頻通訊電路得到單一信道的包接收功率以決定出好信道及所述好信道的個數作適應性地調整。
全文摘要
本發明披露一種利用頻譜密度的適應性跳頻機制的裝置與方法。無線通訊裝置包括有一跳頻通訊電路，具有一信道地圖，依據該信道地圖在多個信道中依序選擇出其中的一信道與另一個跳頻通訊裝置進行通訊；一功率頻譜密度(PSD)電路，測量包含有該跳頻通訊電路的所有信道的頻帶範圍的頻譜以得出一功率頻譜密度；以及一控制電路，接收該功率頻譜密度，依據該功率頻譜密度來更新該信道地圖。
文檔編號H04B5/00GK102447495SQ20101050857
公開日2012年5月9日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者葉明鬱, 張仲堯, 柳德政, 顏光裕 申請人:瑞昱半導體股份有限公司