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CCKModulation
CCKModulation
CCK為ComplementaryCodeKeying(互補碼),CCKModulation即為ComplementaryCodeKeyingModulation(互補碼調變),是M-ary正交調變(M-aryOrthogonalKeying,MOK)的一種形式,被用於進行數據調製,在無線網路IEEE802.11b 5.5Mbps及11Mbps的傳輸速率時,使用該技術調變。
一、無線區域網路與調變
1985年美國聯邦通訊委員會(FederalCommunicationsCommission,FCC)開放902M至928MHz、2.4G至2.4835GHz、5.725G至5.850GHz三段通訊頻帶ISM(Industrial,ScientificandMedical),如圖(1-1)所示,允許無線設備在特定要求下,無須政府使用執照,即可直接使用此頻帶。
圖1-1ISM(Industrial,ScientificandMedical)頻帶
IEEE802.11
1990年美國電子電機工程師學會(IEEE)有鑑於無線網路應用的需求,制訂了傳輸速度為2Mbps的無線區域傳輸技術規格,稱為IEEE802.11。
依照IEEE組織制定的標準,802.11採用抗干擾很強的直接序列展頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)作為調變的方式,在DSSS中使用長度為11個切片(chip)的巴克序列(Barkersequence):
{+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1}來展頻。
在傳送資料時,根據要傳送的位元來決定展頻碼的極性。
而解調變,根據收到信號和展頻碼(SpreadCode)的關聯結果將資料解調還原信號,其資料傳輸速度最大只能達到2Mbps。
IEEE802.11b
由於高速傳輸的需求IEEE802.11標準委員會修訂802.11標準,將傳輸速度提高,並訂為IEEE802.11b。
IEEE802.11b工作在ISM2.4G到2.4835GHz的頻段內,共訂定了四種資料傳輸速率,分別為:
1M、2M、5.5M、11Mbps,其中系統操作切片率為11Mchips/sec。
在傳輸速率為1Mbps及2Mbps時,分別使用直接序列展頻(DSSS)技巧及差分二相位移鍵(DBPSK)、差分四相位移鍵(DQPSK)調變,使用展頻碼為長度為11個切片(chip)之巴克序列(Barkersequence);在5.5Mbps及11Mbps,其調變方式排除巴克序列方法,使用有正交關係之個別獨立之字組互補編碼技術(ComplementaryCodeKeying,CCK),展頻碼為長度為8個切片(chip)之互補碼來編輯信號,這些字組碼自己有獨特的數據特性,既使在出現重要的噪音和多路干擾的情況下,接收方依然能夠正確區別訊號。
爰IEEE802.11b資料傳輸速度達5.5Mbps及11Mbps,皆使用互補碼(ComplementaryCodeKeying,CCK)編碼技術來調變訊號。
如表(1-1)所示。
表1-1IEEE802.11b資料率特性
傳輸速率
(DataRate)
展頻碼長度
(CodeLength)
調變方式
(Modulation)
符元率
(SymbolRate)
符元內之位元數
(Bits/Symbol)
1Mbps
11(Barkersequence)
直接序列展頻/差分二相位移鍵調變
(DSSS/DBPSF)
1Mbps
1
2Mbps
11(Barkersequence)
直接序列展頻/差分四相位移鍵調變
(DSSS/DQPSF)
1Mbps
2
5.5Mbps
8(CCK)
互補碼調變/差分四相位移鍵調變
(CCK/DQPSF)
1.375Mbps
4
11Mbps
8(CCK)
互補碼調變/差分四相位移鍵調變
(CCK/DQPSF)
1.375Mbps
8
在IEEE802.11b,明確制定了實體層(PhysicalLayer)的規格,讓802.11b與802.11標準中1、2Mbps模式相容,
如圖(1-2)所示。
圖1-2IEEE802.11與802.11b調變模式
二、互補碼調變(ComplementaryCodeKeyingModulation)技術
CCK是使用複合符號結構編碼的M-ary正交調變(M-aryOrthogonalKeying,MOK)的一種變化。
藉著802.11標準中1、2Mbps直接串列展頻(directsequencespreadspectrum,DSSS)通道架構,CCK就能在2.4GHzISM頻道作多通道的運作。
展頻採用了相同的切割率(chippingrate)和頻譜形狀,就像802.11巴克碼(Barkercode)的展頻功能,可允許在2.4~2.483GHzISM頻道有三個不相互衝突的通道。
藉由對所有傳輸效率使用相同的引導程序和標頭,這項結構就可相互溝通,如圖(2-1)所示。
圖2-1包含引導程序和標頭之典型訊框
互補碼最早源於M.J.E.Golay應用在紅外線多切口光譜計(MultislitSpectrometry)的構想上,然而其特性對雷達及通訊的應用而言,卻成為一種極佳的編碼方式。
IEEE802.11b所採用之互補碼(CCK)為Harris和Lucent發展出來的調變方法,若具有K個碼的集合能滿足下列函數,即可被認為具互補特性的。
CCK調變使用選自64個複合向量(QPSK)的其中一個,因此,在每8個展開碼符號(spreadingcodesymbol)以6位元調變(64分之1)。
另外2個位元是藉由QPSK調變到整個碼符號(code_symbol)時所送出,如此每個符號(symbol)便受到8位元的調變。
CCK碼字公式:
=
CCK碼字由於每個相位的值有四種可能(分別是:
0、π/2、π、3π/2),所以總共可以產生
=256個CCK碼,但互補碼字碼所存在的空間集合卻高達
=65536。
表(2-1)為每個相位在產生公式中出現的位置,由表中明顯發現,φ1出現在每一個chip上,φ2出現在所有奇數chip上,φ3出現在奇數組chip上,而φ4則出現在以4個chip為一組的奇數組上,實際上就是一個Walsh/Hadamard函數組合,互補碼調變,換句話說,就是一個使用複數Walsh/Hadamard之形式的調變方式,M組不同的信號碼字中有一組被選為傳輸用,用於CCK的展開函數(spreadfunction)是從資料字(dataword)組成之M組幾乎正交向量中所選出來的。
表2-1CCK產生公式中每個相位出現的位置
11Mbps及5.5Mbps調變技術
在資料串5.5Mbps、11Mbps資料傳輸中,各以每4、8個位元為一組形成一個符元(Symbol),再送入多工器。
根據CCK編碼方程式,其CCK調變架構如圖(2-2)所示。
圖2-2CCK編碼方式
在11Mbps裡,輸入資料以每8個位元送入{d0d1d2d3d4d5d6d7},將這8個位元分成四組(d0與d1一組、d2與d3一組、d4與d5一組、d6與d7一組),再分成兩段,前段2位元{d0d1}使用DQPSK調變被編碼成脈波角度φ1,作DQPSK的相位偏移,CCK中的φ1會因符號的奇數或偶數而有不同的相位偏移,奇數與偶數的相位偏移存在180度的差異(表(2-2)DQPSK之編碼)。
後段6位元之編碼方式,使兩兩一組分成三對,形成{d2d3}→φ2,{d4d5}→φ3,{d6d7}→φ4三個頻率的脈波角度,由表(2-2)QPSK之編碼表得到,所代表的相位φ2、φ3與φ4,根據尤拉公式
=cosθ+jsinθ,若
為1,則輸出I與Q為0;若
為j,則輸出I為0,Q為1:
若
為-1,則輸出I為1,Q為0:
若
為-j,則輸出I與Q皆為1,如表(2-4)所示。
最後藉由前段DQPSK調變技術調變到整個符號碼內送出,因此每個符元調變後就成為8個展頻的字組碼,如圖(2-3)11MbpsCCK字組碼編碼方式。
而CCK碼字公式第4及第7個切片冠上負號(1與-1作交換,j與–j作交換),將I作反向的動作(Covercode)即可達到負號的要求,如圖(2-4)11MbpsCCK互補碼調變架構,其目的使直流偏移值(DCoffset)能夠最小。
表2-2DQPSK編碼
表2-3QPSK編碼
表2-4CCK之複數訊號傳送表
表2-3QPSK編碼
圖2-311MbpsCCK字組碼
圖2-411MbpsCCK互補碼調變架構
當通道環境較惡劣時,11Mbps所傳輸的封包錯誤率可能會超過IEEE802.11b標準所規定的允許範圍,即符號錯誤率不能超過8%,所以IEEE802.11b規範定有另一個傳輸速率5.5Mbps。
5.5Mbps每個符號僅攜帶4個位元{d0d1d2d3},將4位元分成兩段,前段2位元{d0d1}使用DQPSK調變被編碼成脈波角度φ1(參考表(2-2)DQPSK編碼表),脈波角度φ1的改變會參考前一傳送脈波角度的值,依據符號碼的奇數與偶數來選擇不同脈波角度;另後段2位元{d2,d3}則被編碼形成φ2,φ3,φ4四個角度(參考表(2-5)),其產生4組CCK碼的方式是將公式的φ2、φ3與φ4做
的改變。
表2-55.5MbpsCCK編碼表
之後再加上覆蓋碼(covercode)後送出,由於這4個碼字完全正交因此有較好的效能。
如圖(2-5、2-6)5.5MbpsCCK字組碼編碼方式及調變架構圖。
圖2-55.5MbpsCCK字組碼編碼
圖2-65.5MbpsCCK互補碼調變架構
CCK字組碼範例
以11Mbps來當範例,如輸入欲傳送一組字串為8位元資料01001101進入CCK字組碼編碼器,首先將前段兩位元01進行編碼,參考前面脈波位移,如前一脈波位移為0,目前符元(Symbol)為偶函數(參考DQPSK編碼表),可以判斷φ1脈波位移π/2,否則脈波位移3π/2,後段6位元分成00、11、01三對,每對可得脈波角度為[00]→φ2(0),[11]→φ3(3π/2),[01]→φ4(π/2)(參考QPSK編碼表),代入字組碼公式,
根據字碼公式可得
根據尤拉(Euler)公式得知:
所以可得一組字組碼
三、參考文獻
【1】郝敏忠、楊鎮華、蔡忠政,「IEEE802.11b鄰近通道干擾之分析與研究」,國立高雄第一科技大學電腦與通訊工程系碩士論文,2004.6
【2】余兆棠、唐經洲、朱朝成「無線區域網路之CCK調變/解調器與等化器設計與實現」,南台科技大學電子工程系碩士論文,2004.8
【3】楊正任、陳逸樺「以基頻預先補償實現2.4GHzCCK編碼調變之高線性發射機」,元智大學電機工程研究所碩士論文,2001.6
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