CCK Modulation

CCK 為 Complementary Code Keying （互補碼），CCK Modulation 即為Complementary Code Keying Modulation（互補碼調變），是M-ary 正交調變(M-ary Orthogonal Keying，MOK)的一種形式，被用於進行數據調製，在無線網路 IEEE 802.11 b  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 (Federal Communications Commission，FCC)開放902M至928MHz、2.4G至2.4835GHz、5.725G至5.850GHz三段通訊頻帶ISM (Industrial, Scientific and Medical)，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 1-1 ISM(Industrial, Scientific and Medical)頻帶

IEEE 802.11

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IEEE 802.11。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（Direct Sequence Spread Spectrum，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(Barker sequence)：{+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(Spread Code)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2 Mbps。

IEEE 802.11b

由於高速傳輸的需求IEEE 802.11 標準委員會修訂802.11標準，將傳輸速度提高，並訂為IEEE 802.11b。IEEE 802.11b工作在 ISM 2.4G 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、11M bps，其中系統操作切片率為11 M chips/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（Barker sequence）；在5.5 Mbps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(ComplementaryCode Keying，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IEEE 802.11b 資料傳輸速度達5.5 Mbps及11 Mbps，皆使用互補碼（Complementary Code Keying ，CCK) 編碼技術來調變訊號。如表（1-1）所示。

　

　表1-1 IEEE 802.11b資料率特性

傳輸速率 （Data Rate）	展頻碼長度 （Code Length）	調變方式 （Modulation）	符元率 （Symbol Rate）	符元內之位元數 （Bits/ Symbol）
1Mbps	11（Barker sequence）	直接序列展頻/差分二相位移鍵調變 （DSSS/DBPSF）	1Mbps	1
2 Mbps	11（Barker sequence）	直接序列展頻/差分四相位移鍵調變 （DSSS/DQPSF）	1Mbps	2
5.5 Mbps	8（CCK）	互補碼調變/差分四相位移鍵調變 （CCK/DQPSF）	1.375Mbps	4
11 Mbps	8（CCK）	互補碼調變/差分四相位移鍵調變 （CCK/DQPSF）	1.375Mbps	8

　

在IEEE 802.11b，明確制定了實體層（Physical Layer）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 1-2 IEEE802.11與802.11b 調變模式

　

二、互補碼調變 (Complementary Code Keying Modulation) 技術

CCK 是使用複合符號結構編碼的M-ary 正交調變（M-ary Orthogonal Keying，MOK）的一種變化。藉著802.11標準中1、2Mbps直接串列展頻(direct sequence spread spectrum , DSSS)通道架構，CCK就能在2.4 GHz ISM 頻道作多通道的運作。

展頻採用了相同的切割率(chipping rate)和頻譜形狀，就像802.11巴克碼(Barker code)的展頻功能，可允許在2.4 ~ 2.483 GHz ISM 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（Multislit Spectrometry）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。IEEE 802.11b 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（spreading code symbol）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(spread function)是從資料字(data word)組成之M組幾乎正交向量中所選出來的。

表 2-1 CCK產生公式中每個相位出現的位置

　

11 Mbps 及5.5 Mbps 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 2-2 CCK編碼方式

在11Mbps 裡，輸入資料以每8個位元送入{ d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 }，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{ d0 d1 }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{d2 d3}→φ2 , {d4 d5}→φ3 , {d6 d7}→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）11Mbps CCK 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（Cover code）即可達到負號的要求，如圖（2-4）11 Mbps CCK互補碼調變架構，其目的使直流偏移值（DC offset）能夠最小。

表 2-2 DQPSK編碼

表 2-3 QPSK編碼

表 2-4 CCK之複數訊號傳送表

表 2-3 QPSK編碼

圖 2-3 11Mbps CCK 字組碼

　

圖 2-4 11Mbps CCK 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{ d0 d1 d2 d3 }，將4位元分成兩段，前段2位元{ d0 d1 }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 2-5 5.5 Mbps CCK編碼表

之後再加上覆蓋碼(cover code)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） 5.5Mbps CCK 字組碼編碼方式及調變架構圖。

圖2-5 5.5Mbps CCK 字組碼編碼

圖 2-6 5.5 Mbps CCK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，「IEEE 802.11b 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