MÉTODO DE RECEPCiÓN (DEMODULACIÓN) DE SEÑALES MULTIPORTADORA WAVELET-OFDM, CORRESPONDIENTES DISPOSITIVOS PARA RECIBIR
SECTOR DE LA TÉCNICA La invención se encuentra enmarcada en el sector de las telecomunicaciones. Ejemplos ilustrativos no limitativos de utilidad de la invención pueden ser: comunicaciones a través de la red eléctrica convencional con wavelet-OFOM (Power Une Communications) , comunicaciones de banda ancha (xDSL (Digital Subscriber Une) , Wi-Fi (Wireless Fidelity) , WiMax (Wireless Interoperability tor Microwave Access) ) y ultra-ancha (Ultra-Wide Band) , redes mesh, radiodifusión digital de audio (DAS) y de Video (OVa) radiodifusión de televisión digital terrestre-, comunicaciones móviles, sistemas SoftwareDefined Radio, sistemas Cognitive Radio, etc. En definitiva, todas aquellas técnicas que empleen modulación multiportadora basada en wavelet-OFDM con modulación coseno o seno en el transmisor.
ESTADO DE LA TÉCNICA Las técnica s de acceso al medio basadas en la modulación multiportadora (MCM) , entre las que se encuentran OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -múltiplex por división en frecuencia ortogonal) para sistemas inalámbricos, y DMT {Discrete Multitone Modulation -modulación multitono discreta) para tecnologías xDSL (Digital Subscriber Une -línea de abonado digital) , van a aumentar su implantación en las futuras generaciones de sistemas de comunicación de banda ancha.
MCM ha sido recomendada en numerosos estándares para transmisión de datos en sistemas de comunicación de banda ancha. A modo de ejemplo, es la modulación que se recomienda en el estándar IEEE1901 para transmisión de datos por la red eléctrica convencional [IEE10]. La figura 1 muestra la estructura del transmisor y del receptor que habitualmente se utiliza en modulación multiportadora. En su etapa transmisora, consta de un bloque que efectúa una transformada discreta de Fourier inversa (10FT) de M puntos donde M es el número de subcanales o subportadoras-, habitualmente implementada a través de algoritmos rápidos (Inverse Fast Fourier Transform -IFFT). Así mismo, también hay un convertidor paralelo serie para conformar una señal y, que puede ser transmitida o procesada a través de otros sistemas. La etapa de recepción, por su parte, está conformada por un convertidor serie/paralelo, y posteriormente un bloque que efectúa la transformada discreta de Fourier (DFT) , también implementada habitualmente a través de algoritmos rápidos (FFT) que conllevan un ahorro en el número de operaciones que hay que realizar para obtener la senal de salida resultante.
Es bien conocido que la DFT se puede interpretar desde la teoría de bancos de filtros: es un banco de filtros modulado exponencialmente, en el que el filtro prototipo es una ventana rectangular de longitud M [Vai93, Mit01]. Esta relación justifica facilmente algunas de las desventajas de este tipo de sistemas, por ejemplo: el comportamiento en entornos ruidosos, especialmente frente a las interferencias de banda estrecha, como las de radio frecuencia (RFI) que ocasionan las emisoras de radio o los radioaficionados; la escasa discriminación de los filtros también justifica la existencia de una elevada paradiafonía o diafonía de entorno cercano (NEXT) en DSL, entre otras degradaciones en el funcionamiento de los sistemas de comunicación [Gov99, Mar9a, 5an95]. En definitiva, el comportamiento en entornos ruidosos de los sistemas OFDM/DMT basados en la DFT, no es en absoluto robusto ni fiable. Para solventar estos últimos problemas, se han propuesto diversas técnicas alternativas, principalmente basadas en el uso de bancos de filtros distintos del DFT con una configuración de transmultiplexor (por ejemplo [Gov99, Mar9a, San95, Che02, Sio02, Far03, Mir03, Vio04, linO?, Cru10a, Cru10b, Cru11, Cru12]). La figura 2 muestra un ejemplo ilustrativo no limitativo de transmultiplexor basado en un banco de filtros de diezmado máximo con estructura en paralelo. La notación, y representación de los elementos que se emplean en estas figuras es idéntica a la que se utiliza en [Vai93], tanto para los elementos de retardo como para los bloques de diezmado y de interpolación. El orden de las operaciones, tal y como se muestra en la figura 2, seria el siguiente. En transmisión a) interpolar (upsampling) cada señal subportadora, b) filtrar a través de los filtros de transmisión o de síntesis r; (z) , 0 ~ i ~ ( M -1) , y c) conformar la senal l' como la suma de las salidas obtenidas de cada filtro: y =.1-'11 +.1'1 +... + Y.\/_I· En recepción: a) filtrar la senal de entrada con los filtros de recepción o de análisis H¡ (z).0 S; i.$ ( M -1) , y b) diezmar (downsampling) a continuación cada una de las salidas.
Algunos de estos bancos de filtros se pueden realizar de forma más eficiente, de manera que se vea reducida considerablemente la carga computacional. En la figura 3 se muestra un ejemplo de banco de recepción o análisis, implementado mediante algoritmos rápidos [MaI92]. En dicha figura, los bloques Di describen una implementación en mariposa (para más detalle, ver [MaI92J) , y e es un bloque que lleva a cabo una transformada discreta del coseno tipo IV par.
En la figura 4 se muestra otro ejemplo de transmisor [VioD4]. En dicha figura, los sistemas G, (-Z 2) , O:::;; R:::;; (2 M -1) , son los filtros polifase cuyos coeficientes se obtienen a partir
de un filtro protipo, y e es un bloque que lleva a cabo una transformada discreta del
coseno tipo IV. Además, en determinadas ocasiones, los pares G¡ (z) y G¡; M (z) se pueden implementar con una estructura en celosía conjunta. similar a cualquiera de las tres que se muestran en la figura 5 (Vai86]. Los coeficientes de dichas celosías se 10 obtienen de los coeficientes de los filtros polifase correspondientes.
Se pueden encontrar un numero considerable de bancos de filtros modulados que pueden ser implementados mediante algoritmos rápidos en [MaI92, Koi92, Vai93, Vio04, Cru04]. Uno de estos bancos de filtros son los conocidos como Extended Lapped
Transform (ELT) , que se obtienen aplicando una modu lación de tipo coseno a una función prototipo (filtro prototipo) , que puede ser la misma función para análisis y para síntesis, o diferente (dos filtros prototipo). Estos filtros prototipo se pueden diseñar de distintas formas [MaI92, Mir03, CruD8, Cru09, IEE10]. El esquema de modulación es el siguiente:
¡ [n] = k, p, [n]COS ( (2i+ 1) 2: ( n + M2+ 1) )
h, [n]= k, ' 1', [n]cos ( (2i+1) 2: (N -1-n+ M2+ 1) J
donde O$" i ~ (M -1). M es el numero de canales (subportadoras) del
transmultiplexador,.t;[n] son los filtros que conforman el banco de síntesis o de transmisión (r-; (z) ) , h¡[ nJ son los filtros que conforman el banco de análisis o de recepción (H¡ (z) ) , PI[nJ y P1[ nJ son los filtros prototipo, N es la longitud del filtro prototipo, y finalmente ky kson constantes, habitualmente de valor J2/ M.
l 1
En la figura 6 se muestra un diagrama de bloques general para un receptor o banco de filtros de análisis obtenido mediante modulación de un prototipo e implementado mediante algoritmos rápidos. Dicho diagrama de blOClues es genérico, y sirve para describir un gran número de receptores basados en transmultiplexores con bancos de filtros modulados. En esta figura, el orden de las operaciones suele ser: a) Convertidor serie/paralelo, equivalente a elementos de retardo y bloques de diezmado; b) filtrado polifase con formas directas, transpuestas o estructuras en celosía, o estructuras en mariposa; e) Operaciones matriciales y de transformación. Las etapas "b" y "c" presentes en recepción pueden alterar el orden, y la "b" también puede encontrarse embebida en la "e".
lOEn todo este documento se emplean indistintamente los términos banco de análisis, receptor, demodulador o etapa de demoduladón.
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Diagrama de bloques de las etapas de (a) transmisión y de (b) recepción para la modulación mulliportadora. Figura 2. Diagrama de bloques de un transmultiplexador basado en un banco de filtros de diezmado máximo. Figura 3. Diagrama de bloques de un receptor o banco de síntesis empleando algoritmos 20 rápidos con etapas en mariposa. Figura 4. Diagrama de bloques de un transmisor empleando algoritmos rápidos mediante operaciones matriciales y de transformación. Figura 5. Tres formas diferentes de implementar las componentes polifase con estructuras en celosia. 25 Figura 6. Diagrama de bloques general de un transmisor con bancos de filtros empleando algoritmos rápidos. Figura 7. Diagrama de bloques general del receptor propuesto en la invención.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
Esta invención proporciona dispositivos de desmodulación, y más generalmente de recepción de señales. La invención concierne igualmente al procedimiento de demodulación de señales segun se describe a continuadón. Por supuesto, la invención también concierne a los dispositivos de recepción de señales llevando a cabo dicho procedimiento.
El procedimiento de la invención es un receptor o banco de análisis que proviene de un esquema de modulación similar al banco de filtros (en configuración transmulliplexador) denominado EL T (Extended Lapped Transform) , detallado en [MaI92].
El receptor propuesto en la invención (figura 7) comprende un sistema de retardo de la sef'\al de entrada y decimado (downsampling) de las señales retardadas (bloque ~). Tras este bloque, diversas ramas pueden ser sumadas unas con otras, mediante un procedimiento de solapamiento y suma. Asi mismo, comprende un procesamiento de las señales resultantes a través de un algoritmo rápido mediante operaciones matriciales (bloques 11., 16, 11. 20, 1..2) , de transformación del tipo transformada discreta del seno y/o coseno (bloques U , 18) , Y filtrado polifase (bloque 11) , cuyos filtros se pueden implementar con estructuras directas, o transpuestas, o en celosías.
En la invención, dicho esquema de modulación puede incluir los ángulos de fase (phase angla [rad.]-bloque.1.§.) , como los detallados en la tab la 14.10-carrier frequencies que está incluida y se puede consultar en el estándar [lEE t OJo Además, otra novedad de la invención es que el receptor incluye una etapa adicional obtenida mediante modulación en seno del filtro prototipo, con el objetivo de facilitar el proceso de igualaciOn del canal en el dominio de la frecuencia.
El procedimiento propuesto en la invención aprovecha las caracteristicas que proporcionan los transmultiplexadores basados en bancos de filtros modulados ELT como, por ejemplo, una mayor separación espectral entre las subportadoras, lo que conlleva más inmunidad frente al ruido, incluidas las interferencias de banda estrecha de carácter impulsivo.
El banco de filtros de análisis o de recepciOn se obtiene mediante el esquema de modulación siguiente:
donde (J, son factores de fase, que normalmente son nulos, pero que en el caso de la modulación ELT propuesta en [IEE10) para la capa física wavelet-OFDM toma valores de O y Tr (ver la tabla 14.10 incluida en el estándar [IEE10]). El resto de parámetros y funciones de la anterior expresión han sido definidos previamente.
Además, el receptor de la invención contiene también un sistema paralelo (misma señal de entrada, y sumando las salidas) , consistente en un banco de filtros con modulación seno, obtenido como
5 donde h:[nJ son los filtros que conforman el banco adicional de análisis o de recepción
(H; (z) ) , y el resto de funciones y parámetros son similares a los definidos
anteriormente. La invención muestra un algoritmo rápido de implementación de todo el
receptor en su conjunto.
1 O El receptor de la invención también comprende dos etapas de igualación de canal en el
dominio de la frecuencia FEQ-1 y FEQ-2 (bloques 11 y 1J!). En las mismas se procesan
las señales subportadoras obtenidas con las transformadas discretas del seno y/o coseno
(bloques 18 y ~) empleando un coeficiente constante o una función sistema que filtra
cada señal.
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MODO DE REALIZACiÓN
Las expresiones incluídas en la descripción de la invención permiten implementar el
sistema mediante un algoritmo rápido y eficiente, como el de la figura 7. Este
20 procedimiento comprende varias etapas, que incluyen elementos de retardo, sistemas de
diezmado (downsampling) (bloque.21) , filtrado polifase (bloque 11) , operaciones
matriciales y de transformación (bloques 11, ~, 15, 16, 11. 18, 20) , Y dos etapas de
igualación de canal en el dominio de la frecuencia FEQ-1 y FEQ-2 (bloques 14 y 1~) ' La
longitud del filtro prototipo condiciona las etapas de operaciones matriciales y de
25 transformación. El algoritmo rápido que se considera aqu í es para el caso de una longitud
del filtro prototipo igual a N=2KM, siendo K un número entero.
El bloque.11 de filtrado polifase de la figura 7 consiste en una serie de filtros en paralelo,
y sus coeficientes se obtienen a partir del filtro prototipo. A modo de ejemplo ilustrativo no
30 limitativo, si ~ (z) es la función del sistema del filtro prototipo, la descomposición en M
filtros polifase tipo 1 0 , (:;.\1) sería
.\1 _1
P' (z) = ~/ G, (z").
..,
Además, estos filtros poMase G r (_Z2) pueden ser implementados mediante sus formas directas, transpuestas, o estructuras en celosía (aisladas o en parejas de dos filtros).
En la figura 7, los bloques de operaciones matriciales y de transformación del receptor viene dado por dos etapas. La primera se puede expresar matemáticamente como La notación es similar a [Koi92, Vai93, Cru04J) , y significa C: transformada discreta del coseno, tipo IV par, realizada mediante algoritmos eficientes (bloque 13.). A..!1 matriz diagonal MxM que implica multiplicar cada rama por un valor
•
constante (bloque 1.§J. Dicho valor se puede obtener de diversas maneras. A modo de ejemplo ilustrativo no limitativo, como las siguientes:
[A
J =f2.cos (!: (k +~ll
{''' I. k 2 2
o como [A, , , L =Ecos ( ~ (k+~) lcOS (9, )
donde 8¡ son los ángulos de fase (phase angfe [rad.]) , que pueden ser los detallados en la tabla 14.10-carrier frequencies del estándar [IEE10], u otros de valores similares,
a: parámetro constante que puede tomar el valor 1 6 -1 (bloques.16, 16, 11 Y 20).
1: matriz identidad MxM (bloques.16, 16, 11 y 20).
J : matriz antidiagonal MxM (bloques 11., 16, 17 Y 20) , definida como La etapa en paralelo del bloque de operaciones matriciales y de transformación proviene
o O 1
J = O O
O O
de la implementación de 11, ' [ n]. Esta parte se puede expresar matemáticamente como donde s: transformada discreta del seno, tipo IV par, realizada mediante algoritmos eficientes (bloque 18).
f3 : parámetro constante Que puede lomar el valor 1 Ó O (bloques 1I y 20). El resto de valores es el mismo descrito anteriormente.
Los bloques FEQ1 y FEQ 2 de la figura 7 incluyen:
el : coeficientes o función sistema para corregir los efectos del canal en el bloque FEQ1 (frequency-domain equalizer). Hay un coeficiente (multiplicación) o función (filtrado) por cada subportadora, 0:5 i :5 ( M -1)
(bloque 14). coeficientes o función sistema para corregir los efectos del canal en el bloque FEQ2 (frequency-domain equalizer). Hay un coeficiente (multiplicación) o función (filtrado) por cada subportadora, O:S;¡ :S; (M -l)
(bloque !Jl). En la figura 7, como la matriz diagonal A, ~ (bloque~) es común en las dos etapas en paralelo, se puede implementar después de los bloques.H y ~, FE01 y FEO 2. De este modo, las señales de salida Xi' O:s; ¡ :s; ( M -1) , se obtienen como la suma de las salidas del FEQ1 Y el FEQ2, y una posterior multiplicación por una constante en cada subportadora, determinada esta última por el correspondiente valor de la matriz diagonal
A.
'"
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