射频信号处理方法及无线通讯装置.pdf

一种射频信号处理方法，用于一无线通讯装置，该无线通讯装置包含一全向性天线及多个指向性天线，该射频信号处理方法包含有使用该全向性天线接收由一第一发送端传送的一请求信号，并回传一确认信号至该第一发送端，其中，该请求信号用来要求该无线通讯装置接收一数据信号；根据该请求信号及一帧处理程序的一执行结果，使用该多个指向性天线中的一第一指向性天线由该第一发送端接收该数据信号；以及于完成接收该数据信号后，通过该第一指向性天线传送一应答信号至该第一发送端，并使用该全向性天线接收后续信号。

1.  一种射频信号处理方法，用于一无线通讯装置，该无线通讯装置包含 一全向性天线及多个指向性天线，该射频信号处理方法包含有：
使用该全向性天线接收由一第一发送端传送的一请求信号，并回传一确 认信号至该第一发送端，其中，该请求信号用来要求该无线通讯装置接收一 数据信号；
根据该请求信号及一帧处理程序的一执行结果，使用该多个指向性天线 中的一第一指向性天线由该第一发送端接收该数据信号；以及
于完成接收该数据信号后，通过该第一指向性天线传送一应答信号至该 第一发送端，并使用该全向性天线接收后续信号。

2.  根据权利要求1所述的射频信号处理方法，其中该帧处理程序包含有：
该多个指向性天线中的每一指向性天线分别发送一第一信号至该第一发 送端，并分别由该第一发送端接收一第二信号；以及
根据该多个第二信号，决定该多个指向性天线中接收质量最佳的一指向 性天线作为该第一指向性天线。

3.  根据权利要求2所述的射频信号处理方法，其中该帧处理程序还包含 有根据该多个第二信号，分别计算该多个指向性天线的封包错误率及接收信 号强度指标，以比较该多个指向性天线的接收质量。

4.  根据权利要求1所述的射频信号处理方法，其中当该全向性天线接收 由该第一发送端传送的该请求信号后，该无线通讯装置传送一指示信号至至 少一第二发送端，用以指示该至少一第二发送端于一时段不发送信号至该无 线通讯装置。

5.  根据权利要求1所述的射频信号处理方法，其中该数据信号的传输量 分别大于该确认信号的传输量、该应答信号的传输量。

6.  一种无线通讯装置，包含有：
一全向性天线；
多个指向性天线；以及
一射频信号处理单元，用来执行一射频信号处理方法，该射频信号处理 方法包含以下步骤：
使用该全向性天线接收由一第一发送端传送的一请求信号，并回传一 确认信号至该第一发送端，其中，该请求信号用来要求该无线通讯装置接收 一数据信号；
根据该请求信号及一帧处理程序的一执行结果，使用该多个指向性天 线中的一第一指向性天线由该第一发送端接收该数据信号；以及
于完成接收该数据信号后，通过该第一指向性天线传送一应答信号至 该第一发送端后，并使用该全向性天线接收后续信号。

7.  根据权利要求6所述的无线通讯装置，其中该帧处理程序包含有：
该多个指向性天线中的每一指向性天线分别发送一第一信号至该第一发 送端，并分别由该第一发送端接收一第二信号；以及
根据该多个第二信号，决定该多个指向性天线中接收质量最佳的一指向 性天线，以作为该第一指向性天线。

8.  根据权利要求7所述的无线通讯装置，其中该帧处理程序还包含有根 据该多个第二信号，分别计算该多个指向性天线的封包错误率及接收信号强 度指标，以比较该多个指向性天线的接收质量。

9.  根据权利要求6所述的无线通讯装置，其中当该全向性天线接收由该 第一发送端传送的该请求信号后，该无线通讯装置传送一指示信号至至少一 第二发送端，用以指示该至少一第二发送端于一时段不发送信号至该无线通 讯装置。

10.  根据权利要求6所述的无线通讯装置，其中该数据信号的传输量分 别大于该确认信号的传输量、该应答信号的传输量。

射频信号处理方法及无线通讯装置
技术领域
本发明是指一种射频信号处理方法及无线通讯装置，尤指一种通过切换 全向性天线与指向性天线而可提高接收信号质量的射频信号处理方法及无线 通讯装置。
背景技术
具有无线通讯功能的电子产品，如笔记本型计算机、个人数字助理 (Personal Digital Assistant)、无线基站、移动电话、智能电表(Smart Meter)、 USB无线网络卡(USB dongle)等，是通过天线来发射或接收无线电波，以传 递或交换无线电信号，进而存取无线网络。有鉴于此，无线通讯装置的传输 效能容易受到环境的影响，例如系统所处的环境有较严重的通道效应(channel  effect)，来自其它无线通讯系统或电子设备的干扰，或是受到建筑物的屏蔽等， 导致无线通讯系统的传送与接收受到影响。因此，如何提升无线通讯系统的 接收信号质量，就成为业界所努力的目标之一。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种可通过切换全向性天线与指向 性天线而能提高接收能力与信号质量的射频信号处理方法及其装置。
本发明揭露一种射频信号处理方法，用于一无线通讯装置，该无线通讯 装置包含一全向性天线及多个指向性天线，该射频信号处理方法包含有使用 该全向性天线接收由一第一发送端传送的一请求信号，并回传一确认信号至 该第一发送端，其中，该请求信号用来要求该无线通讯装置接收一数据信号； 根据该请求信号及一帧处理程序的一执行结果，使用该多个指向性天线中的 一第一指向性天线由该第一发送端接收该数据信号；以及于完成接收该数据 信号后，通过该第一指向性天线传送一应答信号至该第一发送端，并使用该 全向性天线接收后续信号。
本发明还揭露一种无线通讯装置，包含有一全向性天线、多个指向性天 线以及一射频信号处理单元，用来执行一射频信号处理方法。该射频信号处 理方法包含使用该全向性天线接收由一第一发送端传送的一请求信号，并回 传一确认信号至该第一发送端，其中，该请求信号用来要求该无线通讯装置 接收一数据信号；根据该请求信号及一帧处理程序的一执行结果，使用该多 个指向性天线中的一第一指向性天线由该第一发送端接收该数据信号；以及 于完成接收该数据信号后，通过该第一指向性天线传送一应答信号至该第一 发送端后，并使用该全向性天线接收后续信号。
附图说明
图1为本发明实施例一无线通讯装置的示意图。
图2A为本发明实施例一射频信号处理方法的流程示意图。
图2B为射频信号处理方法对应的执行序示意图。
图3A为本发明实施例一帧处理程序的流程示意图。
图3B为帧处理程序对应的执行序示意图。
图4A为本发明实施例一射频信号处理方法的流程示意图。
图4B为射频信号处理方法对应的执行序示意图。
[标号说明]
10  无线通讯装置  ANT_omni  全向性天线
  指向性天线
D_ANT_superior  合适指向性天线
110  射频信号处理单元    发送端
S_ask  请求信号    S_confirm 确认信号
S_data 数据信号    S_ACK     应答信号
20、40  射频信号处理方法  30           帧处理程序
  信号
PER_1～PER_n    封包错误率
RSSI_1～RSSI_n  接收信号强度指标
RST             执行结果  S_indicate   指示信号
具体实施方式
一般而言，常见的天线依其辐射场型分布方式可分为全向性及指向性。 顾名思义，全向性天线的场型无特定方向性，而指向性天线的场型则大致朝 一特定方向。本发明是于一无线通讯装置配置全向性天线及指向性天线，并 通过适时切换使用全向性天线或指向性天线，以确保接收信号质量、减低噪 声干扰并提高传输速率。
请参考图1，图1为本发明实施例一无线通讯装置10的示意图。无线通 讯装置10包含有一全向性天线ANT_omni、指向性天线及一射频信号处理单元110。当一发送端NODE_S欲传输数据信号S_data时， 射频信号处理单元110根据一帧处理程序(training packet process)的执行结果， 决定使用全向性天线ANT_omni或指向性天线其中之 一来接收数据信号S_data，以确保接收信号质量。其中，相较于全向性天线 ANT_omni，指向性天线于相对应指向性辐射场型处较 具优势，如对来自特定方向的信号具有较高增益、较长传输距离、较佳接收 信号强度指标(received signal strength indication，RSSI)、较低封包错误率 (packet error rate，PER)、较低旁侧(side lobe)干扰、低噪声以及在相同等效全 向辐射功率(Equivalent isotropically radiated power，EIRP)要求下具有较低功耗 等。因此，通过利用合适的指向性天线接收数据信号S_data，可确保接收信 号质量、减低噪声干扰并提高传输速率。
详细而言，请参考图2A、图2B，图2A为本发明实施例一射频信号处理 方法20的流程示意图，而图2B为射频信号处理方法20对应的执行序示意图。 射频信号处理方法20可由射频信号处理单元110执行，其包含以下步骤：
步骤S200：开始。
步骤S202：使用全向性天线ANT_omni接收由发送端NODE_S传送的 一请求信号S_ask。
步骤S204：使用全向性天线ANT_omni回传一确认信号S_confirm至发 送端NODE_S。
步骤S206：根据请求信号S_ask及一帧处理程序的一执行结果，使用指 向性天线中的一合适指向性天线D_ANT_superior接收 发送端NODE_S输出的数据信号S_data。
步骤S208：于完成接收数据信号S_data后，通过合适指向性天线 D_ANT_superior传送一应答(acknowledge，ACK)信号S_ACK至发送端 NODE_S。
步骤S210：使用全向性天线ANT_omni接收后续信号。
步骤S212：结束。
换言之，当发送端NODE_S欲传输数据信号S_data至无线通讯装置10 时，发送端NODE_S先传送请求信号S_ask，以要求无线通讯装置10接收数 据信号S_data。由于无线通讯装置10亦可接受其它发送端所传送的信号，因 此射频信号处理单元110此时系使用全向性天线ANT_omni，以确保来自任 何方向的无线信号均能被接收。当全向性天线ANT_omni接收请求信号S_ask 后，射频信号处理单元110将使用全向性天线ANT_omni回传确认信号 S_confirm至发送端NODE_S，以指示发送端NODE_S可以开始传送数据信 号S_data。此外，根据请求信号S_ask及帧处理程序的执行结果，射频信号 处理单元110可确知指向性天线中何者相对于发送端 NODE_S较适合接收信号，并选作为合适指向性天线D_ANT_superior，进而 使用合适指向性天线D_ANT_superior接收发送端NODE_S输出的数据信号 S_data，以增强接收信号质量、减低噪声干扰并提高传输速率。并且，当成 功接收完数据信号S_data后，射频信号处理单元110使用合适指向性天线 D_ANT_superior传送应答信号S_ACK至发送端NODE_S，以告知接收数据 结束。最后，射频信号处理单元110将重新改用全向性天线ANT_omni接收 信号。
因此，通过射频信号处理方法20，射频信号处理单元110将使用适合的 指向性天线从发送端NODE_S接收数据信号S_data，以确保接收信号质量、 减低噪声干扰并提高传输速率。除此之外，在非进行接收数据信号S_data的 情况下，无线通讯装置10主要是使用全向性天线ANT_omni，以确保来自任 何方向的无线信号均能被接收。
值得注意的是，数据信号S_data可以是任何形态的信号，其对应的传输 量较佳地是分别大于请求信号S_ask的传输量、确认信号S_confirm的传输量 以及应答信号S_ACK的传输量。或者，数据信号S_data可对应于较为重要 或具较高优先程度的数据，而需较高信号质量及传输速率，但不限于此。此 外，如前所述，射频信号处理单元110根据帧处理程序的执行结果，决定合 适指向性天线D_ANT_superior。其中，帧处理程序是用以判断指向性天线 中何者相对于发送端NODE_S具最佳接收质量，以作 为合适指向性天线D_ANT_superior。并且，射频信号处理单元110可于发送 端NODE_S与无线通讯装置10建立连结时进行帧处理程序，但不限于此， 例如射频信号处理单元110亦可周期性地进行帧处理程序，或于无线通讯装 置10改变位置时进行帧处理程序等。此外，帧处理程序的实现方式不限于特 定步骤。
举例来说，请参考图3A、图3B，图3A为本发明实施例一帧处理程序 30的流程示意图，而图3B为帧处理程序30对应的执行序示意图。射频信号 处理单元110可执行帧处理程序30，以决定相对于发送端NODE_S的合适指 向性天线D_ANT_superior。帧处理程序30包含以下步骤：
步骤S300：开始。
步骤S302：通过指向性天线分别发送信号 至发送端NODE_S，并分别由发送端NODE_S接收信 号
步骤S304：根据信号分别计算指向性天线 的封包错误率(packet error rate，PER)PER_1～PER_n 及接收信号强度指标(received signal strength indicator，RSSI)RSSI_1～ RSSI_n，以比较指向性天线的接收质量。
步骤S306：根据封包错误率PER_1～PER_n及接收信号强度指标 RSSI_1～RSSI_n，产生一执行结果RST，以决定指向性天线中相对于发送端NODE_S具最佳接收质量的天线为合适指向性天 线D_ANT_superior。
步骤S308：结束。
由上述可知，当需判断指向性天线中相对于发送 端NODE_S的合适指向性天线D_ANT_superior时(例如发送端NODE_S与无 线通讯装置10建立连结时，或当无线通讯装置10改变位置时，或每隔一预 定时间时等)，射频信号处理单元110通过指向性天线分别发送信号至发送端NODE_S，并分别从发送端 NODE_S接收信号接着，射频信号处理单元110 根据信号分别计算指向性天线的封包错误率及接收信号强度指标，以比较指向性天线的接收质量。换言之，指向性天线D_ANT_1发送信号S_detect_1 至发送端NODE_S并从发送端NODE_S接收信号S_quality_1，且射频信号 处理单元110计算指向性天线D_ANT_1的封包错误率及接收信号强度指标； 接着，指向性天线D_ANT_2发送信号S_detect_2至发送端NODE_S并从发 送端NODE_S接收信号S_quality_2，且射频信号处理单元110计算指向性天 线D_ANT_2的封包错误率及接收信号强度指标；以此类推，直到天线 D_ANT_n从发送端NODE_S接收信号S_quality_n且射频信号处理单元110 计算指向性天线D_ANT_n的封包错误率及接收信号强度指标。据此，射频 信号处理单元110可决定指向性天线中相对于发送端 NODE_S具最佳接收质量的天线为合适指向性天线D_ANT_superior，因此射 频信号处理单元110可使用合适指向性天线D_ANT_superior接收发送端 NODE_S输出的数据信号S_data，以确保接收信号质量、减低噪声干扰并提 高传输速率。
因此，通过帧处理程序30，射频信号处理单元110可判断指向性天线 中相对于发送端NODE_S具最佳接收质量的天线为合 适指向性天线D_ANT_superior，进而适时使用指向性天线D_ANT_superior 接收发送端NODE_S输出的数据信号S_data。需注意的是，判断接收质量的 依据不限于封包错误率及接收信号强度指标，亦可根据系统的不同，采用其 它判断依据，而不限于此。
此外，图1的无线通讯装置10、图2的射频信号处理方法20或图3的 帧处理程序30为本发明的实施例，本领域技术人员当可据以做不同的修饰， 而不限于此。举例来说，射频信号处理单元110可包含开关或多工器，以使 用或不使用全向性天线ANT_omni或指向性天线另 一方面，当指向性天线的接收质量均不佳时，或当帧 处理程序30未能及时决定指向性天线中接收质量最佳 的天线时，射频信号处理单元110亦可使用全向性天线ANT_omni从发送端 NODE_S接收数据信号S_data，此皆属本发明的范畴。
此外，为进一步确保接收信号质量，无线通讯装置10可于接收数据信号 S_data时，告知其它发送装置勿发送信号，以避免信号碰撞。请参考第4A、 4B图，图4A为本发明实施例一射频信号处理方法40的流程示意图，而图 4B为射频信号处理方法40对应的执行序示意图。射频信号处理方法40可由 射频信号处理单元110执行，其包含以下步骤：
步骤S400：开始。
步骤S400：使用全向性天线ANT_omni接收由发送端NODE_S传送的 一请求信号S_ask。
步骤S402：使用全向性天线ANT_omni回传一确认信号S_confirm至发 送端NODE_S。
步骤S404：使用全向性天线ANT_omni分别传送一指示信号S_indicate 至发送端用以指示发送端于一时 段不发送信号至无线通讯装置10。
步骤S406：根据请求信号S_ask及一帧处理程序的一执行结果，使用指 向性天线中的一合适指向性天线D_ANT_superior接收 发送端NODE_S输出的数据信号S_data。
步骤S408：于完成接收数据信号S_data后，通过合适指向性天线 D_ANT_superior传送一应答信号S_ACK至发送端NODE_S。
步骤S410：使用全向性天线ANT_omni接收后续信号。
步骤S412：结束。
比较射频信号处理方法40与射频信号处理方法20可知，射频信号处理 方法40与射频信号处理方法20不同之处在于，射频信号处理单元110使用 全向性天线ANT_omni接收从发送端NODE_S传送的请求信号S_ask后，除 了回传确认信号S_confirm以指示发送端NODE_S开始传送数据信号S_data 外，更进一步分别传送指示信号S_indicate至其它发送端以避免接收数据信号S_data时，发送端亦发 送信号至无线通讯装置10，而引发信号碰撞。
另一方面，由于无线信道可能是直线(目视)传播(Line of Sight，LOS)，因 此合适指向性天线D_ANT_superior可能是最接近发送端NODE_S的天线。 然而，无线通道也可能会被许多不同的因素所干扰，例如信号经过建筑物、 山丘、或者树叶反射所产生的多重路径效应(Multipath Effect)，而多重路径效 应可会造成信号放大或衰减，所以合适指向性天线D_ANT_superior可能在非 理想的因素之下，未必同时具有最佳的接收信号强度指标及封包错误率。因 此，在帧处理程序30中，射频信号处理单元110亦可根据接收信号强度指标 及封包错误率的一权重W，判断指向性天线中哪一指 向性天线相对于发送端NODE_S具最佳接收质量，以作为合适指向性天线 D_ANT_superior。
此外，若发送端NODE_S和无线通讯装置10间具相对移动，将使通道 的特性随时间而改变，增加了信号质量的不确定性。因此，本发明亦可利用 无线通讯装置10的移动而作为触发帧处理程序30的机制。换言之，一旦无 线通讯装置10改变位置，则射频信号处理单元110可重新判断指向性天线 中哪一指向性天线相对于发送端NODE_S具最佳接收 质量，以作为合适指向性天线D_ANT_superior。或者，在接收数据信号S_data 的过程中，进一步使射频信号处理单元110改用新的合适指向性天线 D_ANT_superior，而能确保接收信号质量。
由于传播路径的多样性与时变性，当下连接使用的指向性天线可能并非 真正接收质量最佳的指向性天线，因此可周期性(如每隔一预定时间)地触发帧 处理程序30，以使射频信号处理单元110判断指向性天线中哪一指向性天线相对于发送端NODE_S具最佳接收质量，而作 为合适指向性天线D_ANT_superior。或者，在接收数据信号S_data的过程中， 进一步使射频信号处理单元110改用新的合适指向性天线D_ANT_superior， 而能确保接收信号质量。
综上所述，本发明是使用全向性天线接收来自任何方向的无线信号，并 可适时切换使用合适的指向性天线从发送端接收数据信号，以确保接收信号 质量、减低噪声干扰并提高传输速率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。