BRPI1106896A2 - mÉtodos de modulaÇço ofdm de baixa complexidade para a comunicaÇço de dados em bandas base e passante - Google Patents

Abstract

MÉTODOS DE MODULAÇçO OFDM DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA A COMUNICAÇçO DE DADOS EM BANDAS BASE E PASSANTE. A presente invenção diz respeito aos método de modulação OFDM de baixa complexidade para a comunicação de dados em bandas base e passante em sistemas de comunicação com fio ou sem fio. Neste relatório, são descritos dois sistemas OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), denominados de HS-OFDM I e HS-OFDM II, de baixa complexidade computacional que reduz o custo do chipset dos modems em sistemas de comunicação digital de dados, baseada na modulação multiportadora, com fio ou sem fio. Além disso, a presente invenção contempla aplicação full duplex de baixo custo para os métodos de modulação OFDM. Devido a sua abrangência, os métodos propostos são aplicados em sistemas multiportadoras baseados noutros bancos de filtros em sistemas multiportadoras em mútiplas bandas (multiband multicarrier).

Description

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METODOS DE MODULAQAO OFDM DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA A COMUNICAgAO DE DADOS EWl BANDAS BASE E PASSANTE

CAMPO DA INVENQAO

A presente invengao diz respeito aos metodos de modulagao OFDM de

baixa complexidade para a comunicagao de dados em bandas base e passante em sistemas de comunicagao com fio ou sem fio. Esta invengao possibiSita a impSementagao de um sisiema OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) de baixa complexidade computacional e，portanto，tern a finar,dade de reduzir ο custo do chipset dos modems em sistemas de ]ο comunicagao digital de dados, baseada na modulagao multiportadora, com fio ou sem fio. Alem disso, os metodos de modulagao OFDM de baixa complexidade para a comunicagao de dados em bandas base e passante sao capazes de operar no modo full duplex com reduzida complexidade computacional. Apesar de reduzir ο custo computacional, a presente invengao 6 capaz de manter ο mesmo desempenho observado num sistema OFDM que

nao faz uso da presente invengao.

A'MTECEDEMTES DA IMVENQAO

A demands por elevadas taxas de transmissao de dados atraves em

canais de comunicagao seletivivos na frequencia requer ο uso de tecnicas de noduiagao multiportadoraspara maximizar a eficiencia espectral dos sistemas de comunicagao de dados. Dentre as diversas tecnicas multiportadoras diSponiveis( a Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) e a hermitian symmetric orthogonal frequency division multiplexing (HS-OFDM) sao as mais difundidas. A OFDM e a HS-OFDM sao tecnicas de modulagao digital baseada naWeia de multiplexagao por divisao em frequencia (FDM), na qual a banda de transmissao e dividida em varias subbandass, as quais sao usadas de forma independente para transmissao de dados de uma mesma fonte para um mesmo destinatario. Nesie caso, ο sistema e denominado SiSO OFDM/HS-

OFDM (single input single output OFDM/HS-OFDM). a diferenga entre as tecnicas OFDM e HS-OFDM e ο fato de que a

pnmeira apiica-se para a transmissao digital de dados na banda passante (comunicagao sem fio, ia! como WiFi1 WiMAX, LTE1 TV digital Europeia1 etc), enquanto a segunda e para a transmissao digital de dados na banda base, tal como em tecnologias digital subscriber line (DSL)1 tecnologia de TV a cabo e tecnologia para transmissao de dados atraves da rede eletrica - power line

communication (PLC). no caso das rnociuiagoes OFDM/HS-OFDM, as fungoes de base usada

para a transmissao multiportadoras de dados sao ortogonais. As operagoes de

demodulagao e modulagao OFDM/HS-OFDM sao tipicamente impiementadas

nos modems usando a transformada rapida de Fourier (fast Fourier transform -

FFT) e sua inversa (inverse fast Fourier transform - IFFT), respectivamente.

1 ο As modulagoes multiportadoras OFDM/HS-OFDM sao as mais populates，

posto que simplificam tremendamente ο process。de equalizagao de canais no

receptor, permitem a aiocagao eficiente de bits em suas subportadoras, ο que

nao apenas resulta em aumento da eficiencia espectral do sistema de

comunicagao de dados, mas tambem na flexibiliza e maximiza a taxa de

transmissao de dados, quando os canais de comunicagao sao seletivos na

freqUencia. Alem disso, a rnodulagao OFDM/HS-OFDM permite eiiminar ο

efeito da inierferencia !nter-simbofca (intersymbol interference - US),

proionqando ο periodo do simbolo com a acligao do prefixo ciclico.

“Conceituaimente, na modulacao OFDM/HS-OFDM, uma seqQencia de

elevada taxa de dados e em serie e dividida em varias sequencias de taxas de

dados mais baixas e em paralelo. As sequencias de baixas taxa de dados sao

associadas as subportadoras ortogonais e transmitidas atraves dos

correspondentes subcanais. Quando ο subcanale estreito, ο mesmo passa a

ier uma resposta em frequencia plana. Como resultado，um canal seletivo em

frequencia se torna equivalente a um conjunto de subcanais pianos e a l!S e

facilmente eliminada. A Interferencia entre portadoras - inter-carrier interference

(Id) pode ser eiiminada garantindo-se a ortogonalidade entre as subportadoras

no receptor e，portanto, ha a necessidade do uso de tecnicas de recuperagao

da portadora no receptor para corrigir os erros entre os osciladores nos

dispositivos iransmissor e receptor. Finalmente, a equalizagao, visando a

detecgao coerente dos simbolos transmitidos, da-se pela multiplicagao da

informacao na subportadora recebida por um escalar complexo, ο qua! 3/16

correSponde ao inverse da atenuagao compiexa do canal de comunicagao na

frequencia definida pela subporiadora.

A iargura de banda usada para a transmissao de dados e igualmente dividida entre N ou N/2 subbandass ou subcanais em paralelos pela tecnica 0FDM e HS-OFDM1 respectivamente, quando Neo comprimento do simbolo OFDM/HS-OFDM. Os bits a serem transmitidos nas subportadoras sao atocados de acordo com as razoes sinal ruido (signal to noise ratios) observada nos subcanais. A alocagao de bits nas subportadoras e realizada atraves de aigoritmos de bitloading, os quais procuram maximizar ο uso dos recursos disponiveis a partir de um conjunto de informagoes e restrigoes do canal de

comunicagao.

Se por um Iado1 as moduiagdes OFDM e HS-OFDM apresentam grandes vantagens que potencializam a adogao das mesmas, os seguintes probiemas, normalmente, sao intrinsecos e acompanham tais tecnicas: i) quanta maior for ο niimera de subportadoras maior sera ο problema de peak-fo-average ratio (PAR) e, portanto, ha a necessidade de amplificadores de potencia de custo esevado e que garantam uma ampla faixa linear de operagao na saida; ii) quanta rnaior for a Iargura de banda, maior sera a infiuencia do ruido impuisivo no desempenho do sistema OFDM; Hi) quanio maior ο ηύιιπΘΓΟ de subportadoras, rnaior e ο atraso fim-a-fim do sistema; iv) quanto maior ο numero de subportadoras, maior e a complexidade do modem transmissor e receptor e, consequentemente, seu custo e, finalmente; v) estas modulag5es sao extremamente sensiveis a erros de sincronismo gerados peSos osciladores dos receptores e transmissores quando a transmissao de dados da-se na

banda passante.

Um esquema multiportadora sugerido para minimizar os probiemas

apontados nos itens (i) a (v) em comunicagao sem fio e chamada de sistema c/ustered-OFDM. O sistema c/ustered-OFDM e um iipo particular de sistema multiportadora, na qua! a Iargura de banda de transmissao B e dividida entre P bandas ou clusters, as quais sao usadas para a transmissao independente e paralela de dados por sistemas OFDM de ordem menores (N, ο nOmero de subportadoras, e menor). Noutras palavras, cada clusterlaz uso de um sistema OFDM independente e de menor dimensao para a transmissao de dados. Assumindo que a banda total de frequencia seja uniformemente dividida entre os clusters, tem-se que ο /c-esimo cluster ocupara a Iargura de banda WK=B/P, a qual ocupa a banda de transmissao em banda passante ou banda base compreendida entre as frequencia KWk ate (k+1)Wk com k=1,2„..,P. Deste m0d0; a modulagao clustered-OFDM traz inOmeras vantagens, tais como: i) A redugao do nOmero de portadoras reduz a complexidade da IFFT/FFT. que tem um dos maiores impactos na complexidade do sistema; ii) a reducao da largura de banda associada a redugao do numero de amostras do simbolo na frequencia diminuem os problemas de PAR; iii) este sistema prove um alto grau de flexibilidade em iaxas de transmissao de bits e garantia da quaiidade de servico ( quality of service - (QoS)1 pois um sistema clustered-OFDM pode alocar um determinado conjunto de subportadoras de um deierminado duster para um usuaho; iv) A capacidade de processamento do hardware do modem responsavel pelos algoritmos de processamento de sinais empregados na camada fisica (PHY) e consideravelmente menor quando comparado com as modulagoes OFDM e OFDMA (OFDM access), as quais nao utilizam ο concerto de cluster. Este fato reduz, consideravelmente, ο custo final do chipset do modem usado como CPE (customer premises equipment). N0 que tange a estagao base (radio, PLC ou ielefonsa), ο custo

computacional do sistema clustered-OFDM e compativel com aqueie observado num sistema OFDM ou OFDMA. De fato, a redugao de custo inerentes a um sistema de comunicagao de dados que faz uso da abordagem clustered-OFOM e potencia!izado nos dispositivos CPE. Apesar dos ganhos Iistados acima em favor dos sistemas clustered-

OFDM, tais sistemas apresentam os seguintes desafios: i) Como implementar a modulagao de cada cluster em banda passante com baixo custo computacional?; ii) Como garaniir que cada modem seja flexive! ao ponto de operar em qualquer um dos clusters?·, iii) Como reduzir ou eliminar os erros inerentes ao processo de sincronismo?; iv) Como projetar de forma eficienie uma banda de guarda entre os clusters para evitar interferencia entre eles?

Neste contexto, ο metodo de modulagao OFDM de baixa complexidade para a comunicagao de dados em banda passante, objeto do presente pedido, e uma tecnica de modulagao banda passante de baixo custo computacional para Ser empregada em modems de comunicagao com fio ou sem fio， baseados na abordagem multiporiadora que apresenta as seguintes

vantagens:

i) reduz a complexidade computacional demandada peias camadas fisica do transmissor e receptor baseado nao apenas na modulagao OFDM, mas tambem em que quaSquer outra modulagao multiportadora e ate mesmo UWB (ultra wide band), que fagam ο uso da abordagem clustered-OFDM. 1 ο ；丨、eiimina a necessidade de recuperagao da portadora, posto que nao faz ο uso de osciladores para gera?ao das portadoras de modulagao e democlulagao nos diSpositivos transmissor e receptor, respeciivamente, quando a tranfmissao da-

se na banda passante.

HO permite que um usuario faga uso de um unico cluster para downstream e ι, 5 upstream ou de clusters distintos para upstream e downstream facilmente.

SUMARSO

A presente invengao diz respeito aos metodos de modulagao OFDM de baixa complexidade para a comunicagao de dados em bandas base^e passante para ser empregada em modems de comunicagao com fio ou sem fio. a invengao preve um metodo capaz de reduzir a complexidade dos

sistemas de comunicagao multiportadora em bandas base e passante em ap!iCag5es com e sem fio que utilizem esquemas de modulagao dustered-

OFDM e tambem em qualquer aplicagao do tipo UWB’ WiMax1 etc.

A invengao preve a implementagao de um sistema da comunicagao multiportadora em banda passante sem ο uso de osciladores para a modulagao

banda passante do sinal transmitido.

A presente invengao faz uso das tecnicas de downsampling e upsampiig

associados a filtros passa-baixa e passa-faixa, devidamente projetados, para reaiizar a modulagao do sinal no cluster 6e interesse. a presente invengao define um metodo que torna facii e flexive! a

modulagao dos sinais na banda de interesse ( escolha do cluste^ ou seja, da subbandas de transmissao (banda base ou banda passanie), a partir das t^cnicas de upsampling, downsampling e filtragem digital seletiva. Assim sendo elimina a necessidade do uso de geradores de sinais moduiantes (senoida! e cossenoidal) analogico ou digital para a transmissao banda passante de sinais de comunicagao. Consequentementei ha uma redugao consideravel da complexidade computacional demandada pela camada fisica {physical - PHY ).

A aplicabilidade industrial e a inovagao do invento ficam caracterizadas peia aplicagao de tecnicas de processamento de sinais que permite a redugao do custo final do chipset dos modems que utilizam a modulagao OFDM, baseada na FFT ou em qualquer outra tecnica multiportadora. Alem disso, a inovagao pode ser facilmente aplicada em sistema UWB1 principalmente naquele baseado na tecnica MB-OFDM (multiband OFDM) ou rnultiband

multicarrier. ι

BREVE DESCRSQAO DOS DESEMHOS

Com a intengao de descrever e detalhar ο presente invento de forma que este possa ser reproduzida, a meihor forma de reaiizagao deste esta presente

nos desenhos em anexo, que sao:

Figura 1; Diagrama de blocos simplificado da camada PHY de um transmissor e receptor para sistemas de comunicagao baseados na,· modulagao multiportadora;

Figura 2: Diagrama de blocos basico da camada PHY de um transmissor e receptor OFDM. Este sistema opera em banda base e sera comparado com

aquele apresentado na Figura 3.

Figura 3: Diagrama de blocos basico da camada PHY dos transmissor e receptor clustered-OFOM. Esie sistema opera em banda passante e sera comparado com ο sistema descrito pelo diagrama de biocos ilustrado na figura 4.

Figura 4: Diagrama de blocos basico da camada PHY de um transmissor e receptor clustered-OFDM destacando onde a presente invengao e inovadora e inediia. Os blocos 24a，para ο transmissor, e 25，para ο receptor, estao em destaque, posio que contemplam a inovagao no presente trabaiho. O detalhamenio de ambos os blocos sao apresentados nas figuras 5, 6 e 7.

Figura 5: Diagrama de blocos Dasico da camada PHY dos transmissor e ^^^紛.______________^S^^^^S^&iSr. receptor HS-OFDM. Este representa ο detalhamento de 24a e 25 para este tipo de transceptor.

Figure 6: Diagrama de blocos basico da camada PHY dos transmissor e receptor HS-OFDM I. Este representa ο detalhamento de 24a e 25 para este

tipo de transceptor.

Figura 7: Diagrama de blocos basico da camada PHY dos transmissor e

receptor HS-OFDM II. Este represenia ο detalhamento de 24a e 25 para este

tipo de transceptor.

Hgura 8: Diagrama de bioco que apresenta a utilizagao, em paralelo, dos

1 ο algoritmos da FFT e IFFT em cada um dos transceptores, quando a aplicagao e full duplex.

Figura 9: Diagrama cle bloco que apresenta a utilizagao, err! sequencia, dos algoritmos da FFT e IFFTj em cada um dos transceptores, quando a ,

apiicagao e full duplex. DESCRigAO DETALHADA DA INVENQAO

A presente invengao diz respeito a um metodo de modulagao OFDM de baixa complexidade para a comunicagao de dados em bandas base e passanie K

para ser empregada em modems de comunicagao com fio ou Sfm fio. Ests m6todo de modulagao multiportadora, baseado na tecnica OFDM, e, entao, denominado HS-OFDM (hermitian symmetric orthogonal frequency division multiplexing) e os sistemas ineditos presente neste pedido de patente sao

denominados HS-OFDM I e HS-OFDM II.

Com a finaiidade de apresentar a aplicabilidade industrial do invent。’ a inovagao presente e ο melhor modo para impiemeniar a invengao, ο funcionamento do modem banda larga, em banda base e banda passante’ para aplicagoes com ou sem fio e descrito. De forma a garantir suficiencia descr丨tiva, as modalidades da presente invengao serao exp丨icadas em deiaihes com referencia as figuras, nas quais referencias numericas iguais identsficam partes correspondentes. Identificaremos quais algoritmos e blocos sao inovadores e,

portanto, reivindicaveis no presente pedido de patente.

Na figura 1 tem-se que 3 representa a informagao ou dados a serem transmitidos em forma de bits, 4 ο sinal moduiado a ser enviado pelo canal, 5 ο sinal recebido pelo receptor e6ea informagao ou dado no modem receptor. A invengao contempla os blocos 1 e 2 preserves na figura 1.

O transmissor e receptor para sistemas OFDM que operam em banda base (transceptor HS-OFDM) estao esquematizado na figura 2. No transmissor, uma sequencia digital de bits de informagao 3 e entregue a um bloco de processamento de bits 7 que representa todos os processamentos realizados de forma digital nos bits de entrada. A Seguiri os bits sao entregues ao bloco responsave! pela moduiagao do sinal, bloco 8’ que executa as operates convencionais de um sistema OFDM, tais como mapeamento, !FFT1 insercao do prefixo ciclico, dentre outras. Uma vez disponivel ο simbolo OFDM para transmissao na saida de 8, as amostras deste simbolo sao convertidas por um conversor digital para anaiogico 9 apropriado. O sina! analogico na saida de 9 e ampllficado por um ampiificador de sinal 10, e, a seguir, ο sina! 4，e injeiado no canai p0r 11, que esquematiza a forma peia qua丨 ο sina! e injeiado no cana!, Independente se e um canal com fio (acopladores) ou sem fio (antena). Uma 。vez enviado pelo canal, ο sina! 5，recebido pelo modem receptor 2，e convertido em um sinal de tensao analogica por 12, sndependente se proveniente de um canal Com ou sem fio. Posteriormente1 ο sinai passa por um controie de ganho automatico 13 e, a seguir, pela conversao 14 deste em amostras digitals. Deste rnodo, 15 realiza as operagoes relatives a recepgao do simbolo OFDM (recuperagao de portadora，sincronizagao, remogao do prefixo ciclico, FFT, equalizagao, demapeamento, deiecgao de simbolos, dentre outras) e 16faza inVersa dos processamentos de bit realizados por 7 reiornando a informagao

recebida 6.

Se por um lado, os sistemas esquematizados na figura 2 apresentam

grandes vantagens que potencializa a sua adogao, os seguintes problemas normalmente sao intrinsecos e acompanham a moduiagao OFDM: i) quanta maior for ο niimero de subportadoras maior sera ο problema de peak4o~ avemge ratio (PAR) e, portanto, ha a necessidade de amplificadores de potencia 10 de custo elevado e que garantam uma ampia faixa linear na saida; H) quanta maior for a Iargura de banda, maior sera a influencia do ruido impulsive) no desempenho do sistema OFDM; iii) quanta maior for ο numero de 9/16

subportadoras, maior e ο atraso fim-a-fim do sistema; iv) quanto maior for ο numero de subportadoras, maior e a complexidade do modem transmissor 1 e reCeptor 2 e, consequentemente, seu custo; e, finalmente, v) a sincronizagao e um problema bastante dificil de ser resolvido quando a transmissao de dados d^se na banda passante, poiss neste caso, ο receptor deve ser capaz de recuperar a portadora de modulagao usada pelo transmissor.

Para Iidar com as questoes descritas acima ο presente invento utiliza a modulagao clustered-OFOM, conforme a figura 3 que apresenta a camada PHY de um transceptor clustered-OFDM. Este esquema de modulagao e um tipo particular de sistema multiportadora baseada na modulagao OFDM, no qual a largura de banda de transmissao B e dividida entre P subbandas ou clusters, cujas iarguras podem ou nao serem iguais. As subbandas sao usadas para a transmissao independente e paraiela de dados, ou seja, perrnite a transmissao de ρ simboios OFDM, no mesmo intervalo de simbolo, por meio de P sistemas OFDM operando em paraleio. Os bits 3 sao agora multiplexados por 18 para formar P sequencias a serem transmitidas 4a, 4b, ·..，4P. Estas sequencias serao transmitidos por P transmissores OFDM 17a，17bs .■” 17P. Os transmissores OFDM 17 convertem as sequencias de bits bits em suas entradas em simboios OFDM de N portadoras. Estes simboios OFDM sao modulados em banda passante por 19a, 19b, ·. J9P atraves da multipiicagao peios sinais 190a, 191b,…，190P’191P, respectivamente. Os sinais modu!anies sao definidos como senoides e cossenoides. Em cada um dos P clusters os simboios serao amplificados peios dispositivos 10a，10b’ …，10P para a transmissao para ο seu respeciivo e independente front-end Ua1 11b，.■” 11P， respectivamente, nao importando se ο sistema e para transmissao com fio ou sem fio. De fato, ο que determine isso e a configuragao do front end 11 do

modem.

O receptor de um dos clusters do sistema clustered-OFOM e representado peio diagrama de blocos 21 na figura 3. De forma similar ao receptor 2 descrito na figura 2，ο sinal 5 na entrada do receptor e demodulado, quando na banda passante, de acordo com 21 · A implementa^ao do transmissor 17 e receptor 21 para um sistemas ciustered-OFDM apresenta os seguintes desafios: i) como ..... 10/16

implementar a modulagao de cada cluster em banda passante com baixo custo computacional; ii) como garantir que cada modem seja flexivel ao ponto de operar em qualquer um dos clusters： iii) como reduzir ou eliminar os erros inerentes ao processo de recuperagao da portadora de modulagao gerada pelo dispositivo transmissor; iv) como projetar de forma eficiente uma banda de guarda entre os clusters para evitar interferencia entre eles.

No intuito de Iidar com os desafios apontados acima e 丨evando-se em consideragao as seguintes premissas: i) existencia de dispositivos ADC (conversor analogico digital) e DAC (conversor digital analogico) de pelo menos 8 bits e cuja freqQencia de amostragem e superior a 2，5已 amosiras por segundo (B e a frequencia maxima da banda); ii) banda de transmissao do sinal compreendia na faixa entre 0 e B Hz; iii) todo ο processo de modulagao nas bandas base e passantes sao realizados digitalmente.

A partir das consideragoes supraciiadas, ο presente invent。traz uma grande inovagao na implernentagao da camada PHY de sistemas clustered baseados na modulagao multiportadora, qualquer que seja ο tipo de banco de firtro utilizado (por exemplo, Fourier, wavelet, etc) ou qualquer que seja a modulagao multiportadora em multiplas bandas, tai como MB-OFDM (multiband OFDM)，para comunicagao de dados em bandas base e passante. Esta grande

inovagao e apresentada na figura 4,

Essencialmente’ a inovagao esta na alteragao das estruturas de modulagao e demodulagao, uiiiizadas por cada um dos sistemas OFDM que opera dentro do esquema clustered-OFOM. Esta alteragao resulta em consideravel redugao da complexidade computacional de um transc印tor OFDM. A inovagao θ observada comparando-se a estrutura 17a da figura 3 com a estrutura 22a da figura 4，para ο transmissor, e a estrutura 21 da figura 3 com a estrutura 23 da figura 4, para ο receptor. Destaca-se que na estrutura 22a nao esta presente ο dispositivo 19a responsavel pe!a modulagao banda passante, anteriormente utilizado em 17a, e na estrutura 23 nao esta presente ο dispositivo 20 responsavel pela demodulagao banda passante, anteriormente utilizado na estrutura 21. O diagrams de blocos de diferenies configuragoes para os transmissor 24a e receptor 25，em destaque na figura 4, sao detalhados nas figuras 5, 6 e 7, as quais apresentam os sistemas HS-OFDM1 HS-OFDM i e HS-OFDM II, respectivamente. Destaca-se que algumas das reivindicagoes do presente pedido de patente sao os sistemas HS-OFDM I e

HS-OFDM II.

O esquema de modulagao HS-OFDM aplicado a transmissao em banda passante e um esquema de modulagao single sideband (SSB). O diagrama de blocos para a modulagao HS-OFDM para ο i-esimos transmissor 500 e receptor 510 de um sistema ciustered-OFDM e ilustrado na figura 5, os quais correspondem ao transmissor 24a e ao receptor 25. O vetor 553 de amostras )reais presenie na saida do bloco 502 da IDFT no transmissor poder ser

expresso por

x, = XM / ； 」

em que que Wf ” denota a inversa da DFT normaiizada,

X ( —i2、1 552，^ - 1 551 e —丄《人.“

define um vetor, cujos elementos sao expressos por

ί χ [;i J 二 L …,N — 1

j h 3 = 0 :

I X1 i^A" - I] j := iV. + L …jy — 1

Note que 551, X» e (彻,e um vetor complexo e 501，Μ(·)，e uma fungao

de mapeamento,观)e 次)sao as componentes reais θ imaginarias de um

numero complexo, respectivamente. ,0 Apos a insergao do 503，prefixo ciclico (PC), no sinal a ser transmitido, ο

554，simbolo OFDM, e seriaiizado e sua versao na banda passante，558’ modu!ado por 506 com uma portadora 520，，pode ser expressa por

二 U r, .,, - ·* "/‘"I."],

na qua丨辟 e a frequencia angular para a modulagao banda passante, ο subeScrito e em A，MP] denota a componente sobre-amostrada em fase por um fator U, hLPjln] e um filtro passa baixas, KbjM e um filtro passa

faixas e aeo operador de convolugao. Para uma sequencia 4n] ’ iemos que a sobre-amostragem em fase por um fator U e dada por

Γ z[n/U], W = 0，±1,±A±1." “ j ο， caso contrario V.

Ap6s a remogao do PC 514，a sequencia 564 na entrada do bloco da DFT 515 no receptor, que impiementa a DFT normalizada, e expressa por

[]：=.\D>1 ] ) —I"。! + 1 J f I, ■] Mii[ P,]

Note que ^ - U έ ο fator de sub-amostragem e 浏 二 Dn、O vetor ^ e. consfrtuidos por 2N amostras da sequencia » ^ ί''"1 Uos sinais 521 e 522 sao οοφχη] e sin[岣w] respeciivamente, uiilizados por 511 para reaiizar a

demodulagao banda passante. Sabendo que、e a DFT normalizada de 力. Enta0, apos 516，equalizagao, iemos 566, ο qua! e expresso por

em que h^ e uma matriz diagonal，cujos elementos na diagonal principal sao as jnversas dos autovalores da resposta ao impuiso do canal de comunicagao linear e invariante no tempo; V, e a DFT normalizada do ruido adiiivo. Como resuItado, ο simbolo estimado 567 e expresso por

Analisando as equagoes acima e as estruturas 500 e 510，fica evidenciado a e丨evada complex·丨dade computacional demandada para a implementagao deste esquema de moduiagao em banda passante, ο qual e denominado de HS-OFDM. De faio, consiata-se a necessidade de geragao da portadora de moduiagao 506 para a moduiagao banda passante e do fiitro 507 para cada um dos i-esimos transmissores OFDM. 13/16

Deste modo，a seguir um metodo de modulagao digital de sinais de menor complexidade para sistemas de comunicagao de dados multiportadoras, baseado na modulagao HS-OFDMi para bandas base e passante e empregado em modems de comunicagao com fio ou sem fio e apresentado. Este metodo possibilita a implementagao de um sistema clustered-OFDM em banda passante de menor complexidade do que aquele ilustrado na figura 5. Este novo metodo, denominado de HS-OFDM !, θ apresentado na figura 6. A principal diferenga entre os metodos HS-OFDM e HS-OFDM I1 e a tecnica de

^ ϊγΛ s \vi\

processamento de sinais aplicada para se obter 558，'丨 1, e 656, il ’ em banda passante a partir de 554, Xis e 654, Xi. Para ο transmissor 600, HS- OFDM I, temos

sM = xIJ;e[n]ahPBJ[nl

em que 〜,'["]e ο filtro passa banda que seleciona ο i-esimo cluster ou

subbanda para a transmissao de dados. A possibilidade de selegao da

subbanda de transmissao, a partir da escolha de um filtro adequado, fornece

ao sistema a fiexibiSldade para modular sinais para quaiquer cluster, sem a

necessidade de gerar as poriadoras para a banda passante. Apos a remogao

do PC 614, a seqiiencia 665, presente na entrada do bloco 615, DFT

normaiizada, no receptor e expressa por

μ,‘:η , = ι. P',<] - -t Du] s * h} — ι ι ‘ D ‘ 、m 、 Jh' , ^ 'ι ； ίΊ

em que D = U ^0 fator de downsamplirig e m = Dn , eos sinais 621 θ 622

Sao cos[ft>.w] e sin[<».w], respectivamente, utilizacios por 611 para realizar

a demodulagao das componentes em fase e em quadratura do sinal na banda passante.. Entao, do mesmo modo que para ο HS-OFDM1 ο simbolo estimado 668 e expresso por

K

1

j

A,

■W

；K

A principal diferenga entre os sistemas HS-OFDM e HS-OFDM I5 apresentados nas figuras 5 e 6, e que ο HS-OFDM I nao faz uso de osciladores para gerar a 14/16

portadora de modulagao no transmissor OFDM, empregado no dispositivo 1, Tx. Assim sendo, ha uma redugao consideravel na complexidade computacionai do dispositivo 1’ Tx. quando ο HS-OFDM I e usado em detriment。do HS-OFDM1 post。que ο sinal modulado e gerado por processos de super-amostragem em fase e filtragem seletiva.

Uma outra forma de se reduzir ainda mais a complexidade do HS-OFDM e reduzindo a complexidade computacionai demandada pelo bloco de demodulagao ，bloco 611 no dispositivo 2， Rx. Isto e possivel a partir da substituigao do bloco 611 no dispositivo 2, Rx, do sistema HS-OFDM S, por outros blocos que implementam a filtragem e a sub-amostragem em fase do sinal. Tal aiteragao no sistema HS-OFDM I resulta num novo sistema muftiportadora baseado na modulagao OFDM, ο qual e denominado de HS- OFDM I! θ e apresentado na figura 7, De acordo com a figura 7, consiata-se que nern no transmissor 700 nem no receptor 710 (transceptor HS-OFDM I!) sao necessaries as geragoes das portadoras de moduiagao e demoduiagao para a transmissao na banda passante de dados. A principal diferenga έ ο uso

de tecnica de processamento de sinais para a obtengao de 764, h, a partir de

761 ’ . Neste caso, desconsiderando ο PC, a seqQencia 764, presente na entrada do bloco 714, DFT normalizada do receptor, e expressa por

[of] =.

Em que 饥 二 Dn e e ο filtro passa banda que permite apenas ο sinal

na banda de frequencia do i-esimo cluster aparecer em sua saida. Entao, do mesmo modo que para ο HS-OFDM，ο simbolo estimado 767 e expresso por

Os metodos apresentado aqui e descritos em detalhes podem ser

implementados de varias maneiras，tais como em hardware, em software, ou uma combinagao dos mesmos. As unidades de processamento que podem realizar as operagoes necessarias para as implemeritagoes dos metodos HS- OFDM I e HS-OFDM Il podem ser dos mais diversos tipos，tais como application specific integrated circuits (ASIC), field-programmable gate array (FPGA)，digital signal processor (DSP)1 programmable logic device (PLD)， microprocessadores. microcontroladores, entro outras ou suas combinagoes. Tambem contempla futuras tecnologias, capazes de implementar os metodos HS-OFDM I e HS-OFDM Il aqui descritos, que, por ventura, possam surgir ao

Iongo do tempo.

No intuito de reduzir ainda mais a complexidade de implementagao das

camadas PHY, baseada no HS-OFDM II, dos dispositivos 1 e 2, quando a

transmissao de dados e full duplex, ou seja, as estruturas 700 e 710 operam

simultaneamente, uma modificagao na implementagao da FFT e IFFT na HS-

OFDM U e considerada. Neste context。’ a figura 8 apresenta a operagao full

duplex do 800’ transceptor 1，e 801，iransceptor 2, os quais implementam

sistemas HS-OFDM 1 ou HS-OFDM I, de acordo com ο interesse.

Em 800 e 801, os blocos 702 e 714 implementam a FFT e a『FT，

respectivamente. Repara-se nesta apiicagao a presenga da implementagao de

dois aigoritmos identicos para ο calculo da FFT e IFFT no mesmo period。de

simbolo. Ja a figura 9 apresenta uma estrutura que compartilha um unlco

algoritmo para ο calculo da FFT e IFFT no mesmo period。de simbolo, vide

estruturas 902 e 903. Basicamente, na figura 9 θ calculada uma FFT/IFFF para

obtengao de dois simbolos OFDM, num Cinico period。de simbolo.

Neste contexto, a estrutura 900 armazena dois vetores reais (versao

temporal de dois simbolos OFDM) de comprimento finito θ iguai N, quando ο

algoritmo esta no modo calculo da FFT. A seguir, a estrutura 900 entrega um

vetor compiexo, cujas componentes real e imaginaria sao os vetores reais

armazenacios, para a estrutura 901 calcular a FFT. A estrutura 901 retorna a

FFT dos dois vetores reais, os quais foram fornecidos pela estrutura 900.

Para calcular a IFFT de dois vetores na frequencia, os quais estao

associados a dois vetores reais no tempo, com apenas uma !FFTj a esiruiura

900 armazena os dois simbolos OFDM na frequencia, os quais tern comprimento finito e igual N. A seguir, a estrutura 900 entrega um vetor

compiexo, constituido dos dois simbolos OFDM na frequencia, para a estrutura

901 calcular a IFFT. A estrutura 901 retorna a IFFT dos dois simbolos OFDM na frequencia, os quais foram fornecidos pela estrutura 900. Fica claro aqui que os metodos descritos (HS-OFDM I e HS-OFDM) e sua adaptagao para a operagao full duplex se aplicam tanto para os transceptores presentes em terminals e estacao base de comunicagao de dados voliados para aplicagoes com e sem fio.

A descrigao acima da presente invengao foi apresentada com ο proposito de ilustragao e descrigao. Alem disso, a descrigao tenciona Iimitar a invengao a forma aqui revelada. Em consequencia, variagoes e modificagoes compativeis com as descrigoes acima, e a habilidade ou conhecimento da metodologia relevante, estao dentro do escopo da presente invengao.

Assim send。os metodos, acima descritos, tencionam melhor explicar os modos conhecidos para a pratica da invengao e para permitir que os tecnicos η a area utilizem a invengao em aplicagoes de comunicagao de dados em sistemas de telecomunicacoes, com ou sem as modificagoes necessarias para adaptagao aos usos da presente invengao. E a intencao que a presente invengao inclua todas as modificagoes e variagoes da mesma, dentro do escopo descrito no relatorio e nas reivindicagoes anexadas.

Claims (15)

1. -MetOdOS de moduiagao OFDM de baixa complexidade para a comunicagao de dados em banda passante para ser empregada em modems de comunicagao com fio ou sem fio caracterizado pelos esquemas preserves nas fjguras 6 e 7, ou seja, que contemplem os sistemas HS-OFDM I e ii conforme descrito.

2. 一 Metodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado por utilizar tecnicas de processamento de sinais para realizar a moduiagao e a demodulagao banda passante de sistemas

3. _ Metodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1，caracterizado pela reivindicagao 2 que suprima ο uso de osciladores para a geragao de portadora de moduiagao na transmlssao banda passante de sistemas de comunicagao de dados multiportadoras.

4._ Metodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado pela reivindicagao 2 que utilize tecnica de sobreamostragem e filtragem digital do sinal para modular ο sinal na banda passante.

5. _ Metodo de acordo com a reivindicagao 4 caracterizado peios diagramas 600 e 610, sendo este modulo da invengao denominado HS-OFDM I.

6. _ Metodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1，caracterizado por utilizar tecnicas de processamento de sinais para implemeniar a demodulagao banda passante em sistemas de comunicagao de dados multiportadoras.

7. . Meiodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1，caracterizado pela reivindicagao 6 que suprima ο uso de osciladores e geradores de portadoras no receptor para a demodulagao dos sinais banda passante, os quais foram gerados por sistemas de comunicagao de dados multiportadoras.

8. _ Metodo de moduiagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado pela reivindicagao 6 que utilize tecnica de subamostragem e filtragem digital do sinai no receptor para dernodulagao dos sinais banda passante, os quais foram gerados por sistemas de comunicagao de dados multiportadoras.

9. Metodo de modulagao OFDM de baixa complexidade, de acordo com a reivindicagao 6，caracterizado pelos diagramas 700 e 710, sendo este modulo da invengao denominado HS-OFDM II.

10. - Metodo de modulagao OFDM de baixa compiexidade, de acordo com a reivindicagao 6， caracterizado pela reivindicagao 9， para moduIacao e dernodulagao de simbolos gerados por um sistema MB-OFDM (multiband OFDM).

11. - Metodo de modulagao OFDM de baixa compiexidade, de acordo com a reivindicagao 6, caracterizado pela reivindicagao 9， para modulagao e dernodulagao de simbolos gerados por um sistema multiportadora em mii!iip!as bandas {multiband multicarrier);

12. — Tecnicas de calculo da FFT/IFFT voltado para aplicagao do full duplex do transcepior multiportadora baseado na modulagao OFDM, caracterizado pelos diagramas 902 e 903.

13. - Tecnicas de calculo da FFT/IFFT1 de acordo com a reivindicagao 12, aplicados aos sistemas multiportadoras HS-OFDM I

14. - Tecnicas de calcuio da FFT/iFFT, de acordo com a reivindicagao 12， aplicados aos sistemas multiportadoras HS-OFDM II.

15. - Metodo de modulagao OFDM de baixa compiexidade, de acordo com a reivindicagao 14，aplicados iransceptores que implementam sistemas clustered-OFDM.