CCK Modulation.docx
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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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