ES2261449T3 - Emulador de degradacion de transmisiones de comunicaciones. - Google Patents
Emulador de degradacion de transmisiones de comunicaciones.Info
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Abstract
Un emulador (31) para uso con equipos transmisor y receptor de comunicaciones en un sistema de comunicación para modelar una pluralidad de degradaciones de señal que se manifiestan en una señal de datos de comunicación entre la modulación en dicho equipo transmisor y la desmodulación en dicho equipo receptor; comprendiendo el emulador (31): una pluralidad de módulos transmisores programables (35) que emulan una pluralidad de degradaciones de señal que acontecen durante la modulación de medios de comunicación, teniendo cada módulo transmisor (35) una entrada de señal (I) para acoplamiento con un módem transmisor, una salida y un acoplamiento de bus de comunicación; una pluralidad de módulos receptores programables (37) que emulan una pluralidad de degradaciones de señal que acontecen durante la demodulación de medios de comunicación, teniendo cada módulo receptor citado (37) una entrada de señal, una salida (O) para acoplamiento con un módem receptor y un acoplamiento de bus de comunicación;un interfaz (65) de usuario que se comunica con un procesador (47) para definir una simulación de sistema comunicación acoplando mediante software un número requerido de dichos módulos transmisores (35) y receptores (37) según una disposición de simulación definida por un usuario que emplea dichas salidas de módulo transmisor y dichas entradas de módulo receptor; e instruyendo dicho procesador (47) a cada uno de dichos módulos requeridos (35, 37) a través de un bus de comunicación (53) para que use degradaciones de señal específicas de entre dicha pluralidad de degradaciones de señal respectivas para dicha disposición de simulación definida por el usuario.
Description
Emulador de degradación de transmisiones de
comunicaciones.
La presente invención se refiere en general a
sistemas de comunicación analógicos y digitales. Más
específicamente, la invención se refiere a un sistema y a un método
para emular degradaciones de señal que se manifiestan durante la
conversión y transmisión de señal.
En términos sencillos, un sistema de
comunicación transmite información desde un origen hasta un destino.
La señal de información se transmite desde el origen hasta el
destino por un medio adecuado que puede estar o no guiado, que
comprende cobre, fibra óptica o aire, y se denomina comúnmente canal
de comunicación. Para utilizar el canal para transporte, la señal de
información debe alterarse para igualar las características del
canal, lo cual se denomina modulación. La recuperación de la señal
portadora de información se denomina desmodulación. El paso de
desmodulación convierte la señal transportada empleando la inversa
lógica del procedimiento de modulación.
Se muestra en la figura 1 un sistema de
comunicación de la técnica anterior. El sistema de comunicación de
la figura 1 muestra un enlace de comunicación de una sola dirección
para una señal de datos desde una localización (usuario 1) hasta
otra (usuario 2). El sistema de la técnica anterior comprende un
módem transmisor, un conversor elevador o transmisor, un medio de
comunicación, un convertidor reductor o receptor y un módem
receptor. El módem transmisor acepta una entrada de datos y produce
una salida de banda base digital o analógica modulada según el
esquema de modulación elegido. Los datos modulados se introducen en
el transmisor en donde son convertidos y elevados sobre una
frecuencia portadora definida previamente y se envían al medio de
comunicación. El receptor y el módem receptor realizan una operación
inversa similar.
Los sistemas de comunicación desplegados
raramente son de acceso único. Protocolos tales como acceso múltiple
por división de tiempo (TDMA), acceso múltiple por detección de
portadora (CSMA), acceso múltiple por división de código (CDMA) y
protocolos basados en frecuencia tal como el acceso múltiple por
división de frecuencia (FDMA) y el multiplexado por división de
frecuencia ortogonal (OFDM) permiten el acceso al mismo canal de
comunicación a más de un usuario. Estas técnicas se pueden mezclar
conjuntamente creando variedades híbridas de múltiples esquemas de
acceso tal como dúplex por división de tiempo (TDD). El protocolo de
acceso especificado por un sistema de comunicación se ejecuta
típicamente después de que los datos han experimentado la
modulación.
Métodos de modulación de la técnica anterior que
están en uso son modulación en frecuencia (FM), manipulación por
desplazamiento de frecuencia (FSK), manipulación por desplazamiento
de fase (PSK), manipulación por desplazamiento de fase binario
(BPSK) y manipulación por desplazamiento de fase diferencial (DPSK).
Los métodos de alta velocidad más comúnmente usados para modulación
de datos son modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y
manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK). Estas
técnicas varían una amplitud y una fase de frecuencia portadora
predefinida según una señal de entrada para transmitir múltiples
bits por baudio, usando así más eficientemente el ancho de banda
disponible.
Con la finalidad de extender el rango posible de
valores de señal de datos, la modulación en cuadratura asigna un
símbolo para representar más de dos valores binarios. El concepto de
símbolo permite un mayor grado de información transmitida dado que
el contenido de bits de cada símbolo fija una forma de pulso único.
Símbolos que codifican x bits por símbolo pueden representar una
versión cuantizada de una muestra analógica o de unos datos
digitales. Dependiendo del número empleado de símbolos, existe un
número igual de formas singulares de pulso o de onda. El número de
bits de datos determina las combinaciones de amplitud y fase que
definen un patrón de constelación.
La modulación en cuadratura se basa en dos
formas de onda portadora distintas que son ortogonales una con
respecto a la otra. Si se transmiten simultáneamente dos formas de
onda y no interfieren una con la otra, son ortogonales. La
modulación en cuadratura modula dos señales diferentes en el mismo
ancho de banda creando un espacio de señal bidimensional según se
muestra en la figura 2a. Dos formas de onda empleadas generalmente
para la modulación en cuadratura son las formas de onda senoidal y
cosenoidal a la misma frecuencia. Las formas de onda se
definen
como
como
(1)s_{1}(t) =
a_{1}cos(2\pi
f_{c}t)
y
(2)s_{2}(t) =a
_{2}sen(2\pi
f_{c}t)
\newpage
en donde f_{c} es la frecuencia
portadora de la señal modulada y a_{1} y a_{2} son las
amplitudes aplicadas a las señales cosenoidal y senoidal,
respectivamente. Por convención, la portadora cosenoidal se denomina
componente real en fase I de la señal y la portadora senoidal es la
componente imaginaria en cuadratura Q de la señal. Combinaciones
lineales de la forma a_{1}cos (\pif_{c}t) +
a_{2}sen(2\pif_{c}t) (en donde a_{1} y a_{2} son
números reales) generadas a partir de las dos formas de onda básicas
definen símbolos en el alfabeto de modulación. Los símbolos pueden
representarse como números complejos a_{1} + ja_{2}, en donde j
se define como j = \surd
-1.
Un símbolo QAM consta de al menos una muestra de
las señales tanto en fase I como en cuadraturas Q. La amplitud de
señal se indica por la distancia desde el origen; la fase por la
distancia angular alrededor del círculo de radio unidad. Después de
que los datos se ensamblan como símbolos, éstos se procesan
adicionalmente según el protocolo de acceso elegido para el sistema
de comunicación.
El procesamiento anterior se realiza típicamente
en un módem. A continuación, se modula una frecuencia portadora
predefinida con la salida de banda base del módem, se amplifica y se
transmite por el medio de comunicación. Se requiere conversión
elevadora cuando las frecuencias de canal son las anteriores
frecuencias de banda base. La transmisión a través de un medio se
logra convirtiendo la amplitud, frecuencia o fase de señal de
salida del módem en una región operativa de 10^{4} a 10^{8} Hz
usando amplificadores de frecuencia de radio, de 10^{8} a
10^{11} Hz usando amplificación de frecuencia de microondas y de
10^{11} a 10^{16} Hz usando amplificación de frecuencia óptica.
La recepción de la transmisión de comunicación se realiza por
conversión reductora.
Los esquemas de modulación basados en fase deben
superar el problema inevitable de la sincronización de fase. Para
una señalización adecuada, los canales I y Q deben tener la misma
ganancia al procesar ambos canales recibidos, manteniendo sin
correlacionar los canales I y Q. Las ganancias o magnitudes de señal
desiguales entre los canales I y Q sin correlacionar crean errores
al procesarlos. Las diferencias de fase distintas de 90 grados entre
las señales de forma de onda portadora provocan desbordamiento entre
canales individuales e igualmente dan como resultado un rendimiento
degradado. Sin embargo, durante la modulación de portadora
(conversión elevadora), la transmisión a través del canal de
comunicación y la desmodulación de portadora (conversión reductora)
aparecen degradaciones en la señal.
Las degradaciones de señal que se manifiestan
durante los procedimientos de conversión son variaciones de ganancia
y fase en los canales separados I y Q. Esto es debido en parte a la
pluralidad de mezcladores electrónicos, filtros, conversores A/D,
etc. empleados en el diseño de los conversores elevadores y
reductores. Cada componente contribuye con su propia variación de un
valor especificado debido a la temperatura, tolerancias de
fabricación y otros factores hasta que las variaciones tomadas en su
totalidad afectan significativamente a la integridad de la señal.
El desequilibrio de amplitud y fase entre los canales I y Q da como
resultado las distorsiones de constelación mostradas en las figuras
2b y 2c, disminuyendo la relación global señal a ruido (SNR).
De estas degradaciones, las degradaciones de
amplitud y fase son distorsiones lineales. Otras degradaciones
lineales significativas que se manifiestan en una señal de datos
durante la modulación y desmodulación de frecuencia portadora
comprenden: desplazamiento de frecuencia portadora, provocado por
una variación de frecuencia del oscilador local (receptor); ruido de
fase en portadora, impreso en la señal de datos por dispositivos
activos de la ruta de señal; aberraciones en el ancho de banda del
canal de comunicación, provocadas por filtrado no intencionado;
variación de retardo del grupo y desequilibrio de amplitud de
portadora.
Las degradaciones no lineales son otro
subproducto adverso. Las distorsiones no lineales se caracterizan
por cambios en la ganancia o fase de salida que varían dependiendo
de la magnitud de señal de entrada. Las dos degradaciones de señal
principales incluyen distorsión de amplitud respecto de amplitud
(AM-AM) provocada por no linealidades de la función
de transferencia de ganancia global del amplificador y distorsión de
amplitud respecto de fase (conversión AM-PM)
provocada por desplazamientos de fase dependientes de la
amplitud.
Además de las degradaciones provocadas por la
conversión elevadora y reductora, los medios de comunicación, ya
sean o no guiados, están bajo la influencia de obstáculos,
atenuación y reflexiones de onda. Estas perturbaciones afectan al
nivel de señal en muchos dB y continuamente cambian en un ambiente
de trabajo de comunicación móvil. Las características de propagación
varían ampliamente dependiendo de si un enlace de comunicación es
fijo o móvil, la condición de la ruta de propagación y la
composición del medio mismo.
Al diseñar y realizar prototipos de nuevos
sistemas de comunicación, los fabricantes prueban rutinaria y
concienzudamente las componentes de modulación/desmodulación de
banda base y las conversiones elevadoras y reductoras hacia y desde
las frecuencias de trabajo del canal de transmisión. Para validar un
diseño de hardware de módem, los métodos de prueba de la técnica
anterior comprenden generadores de señal, generadores o contadores
de E_{b}/ N_{o} (relación de energía de portadora o de bits
respecto a energía de ruido), emuladores de canal, etc. Sin embargo,
este método no incluye las componentes de conversión.
El método de prueba de la técnica anterior
adolece de dos desventajas fundamentales. En primer lugar, el método
no es capaz de evaluar un diseño a las frecuencias de señalización
de banda base dado que la conversión elevadora y reductora y los
deteriores de canal de transmisión son difíciles de separar de
deficiencias algorítmicas o sistémicas. En segundo lugar, la técnica
anterior no proporciona un interfaz de evaluación del medio de
transmisión, ni de módem a conversión antes de la integración con el
hardware real.
En consecuencia, existe la necesidad de un
sistema y un método que permitan la evaluación de un sistema
completo de módem transmisor a módem receptor simulando en la banda
base degradaciones en la calidad de señal manifestadas durante la
conversión de la señal y dentro del medio de transmisión.
La presente invención consiste en un sistema y
un método que emulan una pluralidad de degradaciones de señal
creadas por componentes y medios de transmisión empleados
típicamente en sistemas de comunicación. Durante la conversión
elevadora de la señal de banda base, la transmisión a través de un
canal de comunicación y la conversión reductora se manifiestan
diversas distorsiones lineales y no lineales en la señal de
comunicación. La presente invención modela una pluralidad de
distorsiones conocidas lineales y no lineales para evaluar
dinámicamente el rendimiento de los módems transmisores y receptores
sin que se necesite una evaluación empírica usando una combinación
de hardware y software digital para pruebas precisas y repetibles.
Una variedad de características de distorsión lineal y no lineal es
impresa en una señal de datos de banda base modulada entre módems
transmisores y receptores para realizar pruebas y una optimización
exhaustivas del rendimiento del módem con independencia de la
técnica de modulación y del protocolo de acceso empleado y sin que
se necesiten componentes de frecuencia de transmisión reales y/o el
medio de canal de comunicación físico. El emulador de transmisión
de comunicación comprende módulos transmisores, módulos receptores y
módulos de medios de comunicación. El emulador de transmisión es
configurable para permitir una simulación de comunicación de un solo
canal; una simulación de comunicación dúplex completa; una
simulación de un receptor común de estación base con usuarios
múltiples transmitiendo y una simulación de un transmisor de
estación base con usuarios múltiples recibiendo, todas las
configuraciones con o sin módulos de degradación de medios. Los
módulos de medios de comunicación simulan distorsiones de señal de
rutas múltiples, desvanecimiento de señal y retardo en un medio
elegido. Dependiendo de la simulación, cada tipo y número de módulos
puede configurarse individualmente, añadiendo una pluralidad de
degradaciones lineales y no lineales a la banda base junto con
componentes de retardo para evaluar y optimizar un diseño de
módem.
En consecuencia, es un objeto de la invención
modelar digitalmente los componentes de transmisión y los medios de
comunicación de un sistema de comunicación.
Otro objeto de la invención es simular
degradaciones causadas por transmisores, receptores y medios de
comunicación no ideales en un sistema de comunicaciones.
Otros objetos y ventajas del sistema y método
resultarán evidentes para los versados en la técnica tras la lectura
de la descripción detallada de la realización preferida.
La figura 1 es un diagrama de bloques
simplificado de un sistema de comunicación ejemplar de la técnica
anterior.
La figura 2a es un patrón de constelación de
modulación en cuadratura con amplitud y fase iguales.
La figura 2b es un patrón de constelación de
modulación en cuadratura que muestra un desequilibrio en la
amplitud.
La figura 2c es un patrón de constelación de
modulación en cuadratura que muestra un desequilibrio en la
fase.
La figura 3 es un diagrama de bloques de la
presente invención.
La figura 4a es un diagrama de bloques de una
simulación de transmisión de un solo canal que emplea la presente
invención.
La figura 4b es un diagrama de bloques de una
transmisión de canal doble con degradaciones de medios que usa la
presente invención.
La figura 4c es un diagrama de bloques de una
transmisión de acceso múltiple y usuarios múltiples con simulación
de degradaciones de medios que usa la presente invención.
La figura 4d es un diagrama de bloques de una
transmisión de acceso múltiple y usuarios múltiples con una
simulación de degradaciones externas del canal de radiofrecuencia
que usa la presente invención.
Las figuras 5a-5c son un menú de
emulación de degradación lineal de un módulo transmisor y
receptor.
La figura 6 es un menú de emulación de
degradación no lineal de un módulo transmisor y receptor.
La figura 7 es un menú de emulación de
degradación de señal de control.
Las figuras 8a y 8b son un menú de emulación de
degradación de un módulo de medios.
La figura 9 es una gráfica ejemplar de vectores
de señal I y Q.
La figura 10 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de desequilibrio de amplitud.
La figura 11a es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de desplazamiento de fase portadora.
La figura 11b es una gráfica que muestra una
degradación de fase resultante.
La figura 12 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de desplazamiento de frecuencia y fase
portadora.
La figura 13 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de ruido de fase.
La figura 14 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de ruido transmisor/receptor.
La figura 15 es un diagrama de sistema para un
modelo de degradación de ruido de módem.
La figura 16 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de retardo de grupo que usa filtros
pasatodo.
La figura 17 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de limitación de ancho de banda que usa
filtros de paso bajo.
La figura 18 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de desplazamiento de portadora de cc.
La figura 19 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación TPC.
La figura 20 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación AGC.
La figura 21a es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de distorsión AM a AM.
La figura 21b es una gráfica que muestra
componentes de distorsión AM a AM.
La figura 21c es una gráfica que muestra una
compresión de salida de amplificador.
La figura 22a es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de distorsión AM a PM.
La figura 22b es una gráfica que muestra
componentes de distorsión de AM a PM.
Las figuras 23a y 23b son un diagrama de bloques
de sistema detallado de un módulo transmisor de la presente
invención.
Las figuras 24a y 24b son un diagrama de bloques
de sistema detallado de un módulo receptor de la presente
invención.
La figura 25 es un diagrama de sistema de un
modelo de degradación de desvanecimiento programable.
Las figuras 26a y 26b son un diagrama de bloques
de sistema detallado de un módulo de medios de comunicación de la
presente invención.
Las realizaciones se describirán con referencia
a las figuras de los dibujos en las que números iguales representan
elementos iguales en todas ellas.
En la figura 3 se muestra el emulador de
transmisión de comunicación de la presente invención 31. El emulador
31 comprende un bastidor 33 y tres grupos de módulos configurables
direccionables: 1) módulos de canal transmisor 35_{1},
35_{2},... 35_{n}, 2) módulos de canal receptor 37_{1},
37_{2},... 37_{n}, y 3) módulos de medios de canal de
comunicación 39_{1}, 39_{2}, 39_{3},... 39_{n}. Cada módulo
de canal transmisor 35_{1}, 35_{2},... 35_{n} y receptor
37_{1}, 37_{2},... 37_{n} tiene una entrada externa I_{I},
I_{Q} y una salida externa O_{I}, Q_{Q}, respectivamente, para
recibir una señal de los sistemas de modulación o desmodulación - o
para enviarla a los mismos - de los módems en prueba. Los módulos
transmisores 35_{1}, 35_{2},... 35_{n} tienen una entrada
externa para recibir una señal TPC de control de potencia
transmisora desde la porción de modulación de un módem, y los
módulos receptores tienen una entrada externa para recibir una señal
AGC de control de ganancia automático desde la porción de
desmodulación de un módem. Las entradas y salidas de datos y señales
de control son seleccionables para compatibilidad analógica o
digital. El formato digital elegido para el emulador 31 permite
flujos de datos de múltiples bits I y Q multiplexados o separados
con cualquier esquema de modulación que pueda modelarse en un
espacio de señal bidimensional. Para fuentes y salidas de señal
analógicas, las señales serán procesadas mediante conversores
internos A/D y D/A, respectivamente. Los módulos pueden ensamblarse
a partir de componentes discretos, formaciones de puertas
programables en campo (FPGAs), circuitos integrados específicos de
aplicación (ASICs) y similares.
Cada módulo de canal transmisor 35_{1},
35_{2},... 35_{n} y receptor 37_{1}, 37_{2},... 37_{n}
recibe un conversor programable elevador de frecuencia 41_{1},
41_{2},... 41_{n} o reductor de frecuencia 43_{1},
43_{2},... 43_{n}, respectivamente, para acoplarse a un medio de
comunicación de canal rf externo. El funcionamiento del medio de
comunicación externo está más allá del alcance de esta
descripción.
Para acomodar una pluralidad de simulaciones de
pruebas de módem, un divisor/combinador virtual 45 acopla cada
módulo residente transmisor 35_{1}, 35_{2},... 35_{n},
receptor 37_{1}, 37_{2},... 37_{n} y de medios 39_{1},
39_{2}, 39_{3},... 39_{n} según simulaciones definidas por el
usuario. Dado que la realización preferida de la presente invención
31 es de construcción modular, puede variar el número de módulos,
tipos de módulos y conversores elevadores/reductores de rf.
Realizaciones alternativas de la invención 31 pueden tener un número
fijo de módulos y variaciones en el empaquetamiento del módulo. El
emulador 31 está alimentado por una red principal de corriente
alterna con la corriente de línea reducida por una fuente de
alimentación interna ajustable según el país de uso (no se
muestra).
Un microprocesador 47 con una RAM 49 y una ROM
51 colaterales se comunica con cada módulo de canal transmisor
35_{1}, 35_{2},... 35_{n}, receptor 37_{1}, 37_{2},...
37_{n} y de medios de canal de comunicación 39_{1}, 39_{2},
39_{3},... 39_{n} por un bus de comunicación dedicado 53. El
microprocesador 47 reconoce a cada módulo residente con una
dirección única y acusa recibo del mismo. La configuración del
sistema a bordo se realiza por un usuario navegando a través de una
pluralidad de menús, usando un dispositivo señalizador 55, un
pulsador giratorio 57 y opciones de conmutador con menús de
degradación mostrados en una pantalla 59 de alta resolución. Una
memoria intermedia 61 está acoplada al bus de comunicación 53, al
microprocesador 47, a unos conectores externos 63, a, b, c, que
están dimensionados de manera coincidente con un interfaz punto a
punto en serie RS-232, y a unos buses de
comunicación IEEE-488 y USB. Pueden usarse otras
arquitecturas de bus conocidas por los versados en esta técnica. Los
buses de comunicación 63 a, b, c proporcionan una autopista de datos
entre el emulador 31 y un ordenador 65 del usuario, o una LAN o WAN
(no se muestran) para una configuración remota del sistema.
El ordenador personal 45, que funciona en
sistema operativo Mac OS^{(R)}, Linux^{(R)}, Windows^{(R)} o
similar, ejecuta un programa de aplicación instalado 67 necesario
para una configuración de simulación remota, una configuración de
módulo de emulación y una vigilancia del rendimiento. El ordenador
65 saluda e interroga al emulador 31 a través del bus de
comunicación 63c. Cuando se ha iniciado, el programa 67 presenta un
interfaz gráfico de usuario o GUI 69 que permite acceso a un usuario
para ensamblar una simulación eligiendo el tipo y número de módulos,
configurar cada módulo y proporcionar interconexión de software
entre componentes del emulador 31. La configuración de módulo
comprende elegir modelos de degradación específicos para un tipo
de módulo dado e introducir valores de degradación abriendo una
serie de ventanas de diálogo que tienen áreas de entrada de datos y
botones de radio, pidiendo el GUI 69 al usuario información que éste
rellena según sea necesario. Los valores de degradación se cargan en
localizaciones de memoria respectivas residentes en los módulos en
uso. El usuario también puede configurar el emulador 31 usando el
conjunto de comandos disponible en la pantalla 59. Para controlar y
proporcionar pruebas repetibles, pueden archivarse diversos
parámetros de simulaciones de prueba y configuraciones de módulo
para una recuperación posterior.
El programa de aplicación 67 muestra un menú
desde el cual el usuario selecciona el tipo y el número de módulos
para una simulación. Con el dispositivo de señalización 55, al hacer
click sobre un icono de módulo (tipo) se abrirá una ventana de
diálogo que muestra opciones de configuración permisibles y una
lista de parámetros controlados por el usuario. El GUI 69
proporciona adicionalmente un método intuitivo para interconexión y
configuración de software para cada tipo de módulo y, tras la
configuración, actúa como panel de control para el emulador 31 que
replica visualmente el hardware de comunicación real. La simulación
de pruebas se acompaña con una medición y un registro tendencial de
rendimiento empíricos en tiempo real.
En primer lugar, un usuario determina un diseño
de simulación. Se muestran en las figuras 4a, b, c y d simulaciones
ejemplares. La figura 4a muestra el emulador 31 acoplado a un primer
modulador de módem y a un segundo demodulador de módem que simulan
una transmisión de acceso único de un solo canal con degradaciones
seleccionables por el usuario en el transmisor y en el receptor. La
figura 4b muestra al emulador 31 acoplado a un primer módem y a un
segundo módem que simulan una transmisión dúplex completa de acceso
único con degradaciones de transmisor, receptor y medios
seleccionables. La figura 4c muestra una simulación de recepción de
enlace ascendente de usuarios múltiples y acceso múltiple entre
tres módems remotos que se comunican con un módem de estación base
con degradaciones de transmisor, receptor y medios. La figura 4d
muestra una simulación de recepción de enlace ascendente de usuarios
múltiples y acceso múltiple entre tres módems remotos que se
comunican con un módem de estación base usando los conversores
elevadores/reductores de rf 41_{1}, 41_{2}, 41_{3}, 43_{1}
con un emulador de interfaz aéreo externo para protocolos de accesos
múltiples relacionados en frecuencia. Son posibles otras
configuraciones de simulación.
El usuario ensambla el emulador 31 con los
diversos tipo de módulos que se requieren para una simulación
deseada y acopla los módems en prueba a las entradas y salidas
apropiadas de los módulos de canal transmisor 35_{1}, 35_{2},...
35_{n} y receptor 37_{1}, 37_{2},... 37_{n}. Usando el
ordenador 65 o la pantalla 59, el usuario establece conexiones de
software con el divisor/combinador virtual 45 entre módulos elegidos
que completan la configuración de simulación.
Usando el dispositivo señalizador, el usuario
abre una ventana de diálogo para cada tipo de módulo. Los módulos
transmisores 35_{1}, 35_{2},... 35_{n} y receptores 37_{1},
37_{2},... 37_{n} emulan distorsiones lineales y no lineales de
mezcladores, amplificadores, filtros, etc. Usando el dispositivo
señalizador, el usuario elige las degradaciones de radio que se han
de incluir en la simulación e introduce los valores de parámetro
para cada modelo de degradación deseado. La apertura de una ventana
de diálogo de filtro usada en un tipo de degradación permite al
usuario especificar características y parámetros tales como tipo,
pendiente, puntos 3dB, desplazamiento de fase, retardo de grupo,
etc. Los parámetros generales de rendimiento tales como
sensibilidad, amplitud I y Q, niveles de señal, frecuencia de
muestreo, ancho de banda rf, anchos de banda de filtros, respuesta
de filtro y escalamiento de señal de salida, etc., son seleccionados
de manera similar para cada módulo usado en la simulación. Los
módulos de canal de medios 39_{1}, 39_{2}, 39_{3}... 39_{n}
se configuran, en primer lugar, según el tipo de interfaz de
transmisión; esto es, sin guiar o guiados, y a continuación se
introducen los parámetros de configuración para los modelos de
degradación deseados. El mismo método se usa para introducir los
parámetros de configuración para cada módulo de medios según se
describió anteriormente. De esta manera, el usuario ensambla una
emulación digital de transmisores, medios de comunicación y
receptores, abarcando una ruta de comunicación completa desde las
frecuencias de banda base del módem transmisor hasta las frecuencias
de banda base del módem receptor.
El programa 67 de aplicación crea una base de
datos que permite al usuario almacenar parámetros de ajuste y datos
de emulación para uso posterior, y ayuda en el análisis de cada
simulación registrando tendencias de parámetros elegidos. El
programa también permite al usuario alterar dinámicamente una
simulación en curso ajustando las degradaciones o eliminándolas de
la ruta de señal.
En las figuras 5a, b y c, 6 y 7 se muestran
menús de señales lineales, no lineales y de control de los modelos
de degradación digital realizados en los módulos de canal transmisor
35 y receptor 37. Las figuras 8a y 8b muestran un menú de los
modelos de degradación digital realizados en los módulos de medios
de comunicación 39.
Con referencia a las figuras 5a, b y c, 6 y 7,
el emulador permite simulaciones de degradación estáticas o
dinámicas. Los valores de degradación introducidos en las variables
del modelo de degradación permanecen constantes a no ser que se
cambien. Si se desea una prueba dinámica para una degradación
particular, la variable de degradación misma se varía según formas
de onda predefinidas elegidas por el usuario.
Las pruebas dinámicas permiten realizar pruebas
de respuesta de bucle de control de ganancia y recuperación de
portadora/datos dado que los bucles de control de realimentación van
incrustados en diseños típicos de módem DSP. Los bucles de control
incluyen bucles de recuperación de fase portadora para desrotación I
y Q en diseños de desmodulación coherentes, recuperación de
sincronización de símbolo, bucles de seguimiento de código pn en
sistemas de espectro extendido de secuencia directa y bucles de
control automático de ganancia (AGC) y de control de potencia de
transmisión (TPC). Las pruebas dinámicas también simulan
degradaciones encontradas comúnmente en sistemas de variación por
saltos de frecuencia y otros protocolos de modulación de acceso
múltiple discontinuo, tales como TDMA, Bluetooth^{(R)}, etc. Por
ejemplo, siempre que ocurre un salto de frecuencia en un sistema de
variación por saltos de frecuencia, la portadora estará en una nueva
frecuencia y fase, con un nuevo desplazamiento de frecuencia
portadora después de un breve intervalo transitorio de frecuencia y
fase portadora. Estos cambios ocurren periódicamente en un sistema
de variación por saltos de frecuencia y pueden simularse con formas
de onda periódicas que modulan las degradaciones (por ejemplo,
modulando la variable de degradación por desplazamiento de
frecuencia portadora).
Una vez que se ha simulado un sistema de
comunicación y éste ha pasado las pruebas dinámicas antes
mencionadas, se puede observar la respuesta. Por ejemplo, puede
observarse un valor o métrica de parámetros situado en un procesador
de señal digital usado en un módem de prueba, o puede tenerse
registrada su historia y archivarse ésta para una recuperación y
examen posteriores. La observación también se puede realizar
mediante un equipo de prueba externo tal como osciloscopios de
almacenamiento y analizadores lógicos, acoplados a las entradas y
salidas del emulador cuando se realiza una simulación que puede
usarse junto con el emulador 31. Parámetros tales como error o
varianza de fase instantáneos, dentro del bucle de seguimiento del
sistema, pueden medirse para evaluar el comportamiento de un bucle
de seguimiento de código pn o de un bucle de control de desrotación
de portadora en respuesta al estímulo elegido.
Para verificar dinámicamente el rendimiento de
los diversos bucles de control y para comprobar la respuesta global
del módem, el emulador aplica estímulos en forma de variables de
degradación moduladas como formas de onda senoidales, formas de onda
senoidales barridas, formas de onda cuadradas para pruebas de
respuesta escalonada, formas de onda de dientes de sierra para
pruebas de respuesta en rampa, respuestas de impulsos y otras formas
de onda compuestas conocidas por los versados en la técnica. La
pluralidad de formas de onda es generada por un procesador
incorporado en cada módulo transmisor y receptor programado mediante
software y son ellas mismas totalmente configurables. Las
degradaciones dinámicas pueden seleccionarse para los tipos de
degradación aplicables desde los menús mostrados en las figuras 5a,
b y c, 6 y 7a y 7b. Las mediciones de simulación dinámica se
analizan para verificar que los bucles de control de módem
individuales alcanzan su rendimiento diseñado y para proporcionar
una optimización adicional del bucle de control.
Para simular con precisión el desequilibrio de
amplitud sin introducir otros efectos adversos en las señales, la
potencia total de señal se altera desde un valor constante. Se
muestra en la figura 9 una gráfica de la relación espacial ideal
entre vectores de señal I y Q en un espacio de señal bidimensional y
su vector de potencia resultante S. La suma de los vectores I y Q da
como resultado el vector S. Siendo |S| igual al radio de un
círculo de radio unidad (1), entonces
I = S \ cos \
\theta \hskip0,5cm
y
Q = S \ sen \
\theta.
\hskip0,4cm
Por tanto,
S = \surd
(I^{2} + Q^{2}) \hskip0,5cm
o
(3)S^{2} =
I^{2} +
Q^{2}
lo cual da como
resultado
(4)P_{ave} =
\frac{1}{T} \int\limits^{T}_{0} S^{2}
dt
El desequilibrio de amplitud se modela generando
una disparidad entre las ganancias de señal I y Q respectivas. El
emulador modela el desequilibrio de amplitud según se muestra en la
figura 10. Dado que la potencia instantánea es
P_{t} =
\left\bracevert I \right\bracevert^{2} + \left\bracevert Q
\right\bracevert^{2}
y con el fin de mantener constante
la potencia total después de aplicar un desequilibrio, los
desequilibrios I y Q se definen
como
(5)I
(desequilibrio) = (\surd 2) sen(arctan (10^{(x/10)}))
\hskip0,5cm
y
(6)Q
(desequilibrio) = (\surd 2) cos(arctan
(10^{(x/10)}))
en donde \pm x controla el
desequilibrio. Para x = 0, el desequilibrio de amplitud entre las
señales I y Q es cero (x se introduce como
dB).
El desequilibrio de fase portadora se modela
insertando una diferencia de fase distinta de 90º entre las
componentes de señal I y Q. El emulador implementa un desequilibrio
de fase según se muestra en la figura 11a. Supóngase
I = I_{a} \
sen (\omega t) \hskip0,5cm
y
Q = Q_{a} \ cos (\omega t),
\hskip0,5cm en \
donde
\left\bracevert I\right\bracevert
y \left\bracevert Q\right\bracevert =
1.
I y Q representan ejemplos de señales que se
aplican a la entrada del modelo de desequilibrio de fase, siendo A
igual al término de error de fase,
- \quad
- I' = I cos (A) + Q sen (A)
- \quad
- \hskip0.3cm = I_{a} sen (\omegat) cos (A) + Q_{a} cos (\omegat) sen (A)
- \hskip0.3cm = sen (\omegat + A); \hskip0,5cm y
- (7)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- Q' = Q cos (A) + I sen (A)
- \quad
- \hskip0.4cm = Q_{a} cos (\omegat) cos (A) + I_{a} cos (\omegat) sen (A)
- \hskip0.4cm = cos (\omegat – A).
- (8)
\newpage
La figura 11b muestra el efecto del término de
error de desequilibrio de fase A sobre los vectores I y Q.
El desplazamiento de frecuencia se modela
alterando la frecuencia de la señal portadora rotando constantemente
las señales I y Q con una señal X de desplazamiento de frecuencia.
El emulador implementa el desplazamiento de frecuencia según se
muestra en la figura 12.
I = I_{a} sen
(\omega t)
\hskip0.5cmy
Q = Q_{a} cos
(\omega t),
\hskip0.5cm
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- I' = I cos (A) + Q sen (A)
- \quad
- \hskip0.3cm = I_{a} sen (\omegat) cos (A) + Q_{a} cos (\omegat) sen (A)
- \quad
- \hskip0.3cm = sen (\omegat + A)
- \hskip0.3cm= sen ((\omegat + X)t) y
- (9)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- Q' = Q cos (A) + I sen (A)
- \quad
- \hskip0.4cm = Q_{a} cos (\omegat) cos (A) - I_{a} sen (\omegat) sen (A)
- \quad
- \hskip0.4cm = cos (\omegat – A)
- \hskip0.3cm = cos ((\omegat + X)t)
- (10)
La componente de desplazamiento de fase es A y
la componente de desplazamiento de frecuencia es X y |I|
y
|Q| = 1.
|Q| = 1.
El ruido de fase portadora se modela
introduciendo una componente de ruido aleatorio en cada señal. El
emulador implementa ruido de fase según se muestra en la figura 13.
Un generador de pseudoruido (pn) que tiene una distribución
gaussiana añade ruido similar al generado en semiconductores
señal \ pn \ =
A = x(t) \hskip0,4cm con \hskip0,4cm \left\bracevert
I\right\bracevert y \left\bracevert Q\right\bracevert =
1
en donde x(t) es una
variable aleatoria con una distribución gaussiana
e
I = I_{a} sen
(\omega t)
\hskip0.5cmy
Q = Q_{a} cos
(\omega t),
\hskip0.5cm
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- I' = I cos (A) + Q sen (A)
- \quad
- \hskip0.3cm = I_{a} sen (\omegat) cos (A) + Q_{a} cos (\omegat) sen (A)
- \hskip0.3cm = sen (\omegat + A) y
- (11)
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- Q' = Q cos (A) - I sen (A)
- \quad
- \hskip0.4cm = Q_{a} cos (\omegat) cos (A) - I_{a} sen (\omegat) sen (A)
- \hskip0.4cm = cos (\omegat + A)
- (12)
Las señales I y Q se modularán constantemente en
fase por la señal pn A.
El ruido de transmisión (o de recepción) se
modela introduciendo una componente de ruido aleatorio al suelo de
ruido de cada señal I y Q. El emulador implementa ruido de
transmisión/recepción según se muestra en la figura 14. Una fuente
de ruido gaussiano blanco aditivo añade una componente de ruido
misceláneo.
El ruido de módem se modela introduciendo una
componente de ruido aleatorio a cada señal I y Q. El emulador
implementa ruido de transmisión/recepción según se muestra en la
figura 15. Una fuente de ruido gaussiano blanco aditivo añade una
componente de ruido misceláneo.
La variación de retardo de grupo de ancho de
banda se modela con filtros de paso de banda que tienen una
respuesta plana, pero con una fase variable. El emulador implementa
el retardo de grupo según se muestra en la figura 16.
Las limitaciones de ancho de banda se modulan
usando un filtro de respuesta de impulso finita (FIR), un filtro de
respuesta de impulso infinita (IIR) o un filtro combinado para crear
frecuencias de corte variables y manipular la respuesta de
frecuencia. El emulador implementa limitaciones de ancho de banda
según se muestra en la figura 17.
La pérdida de portadora se modela añadiendo una
componente de desplazamiento Vcc a las señales I y Q. El emulador
implementa el desequilibrio de portadora según se muestra en la
figura 18.
Las degradaciones de señal de control de modelan
convirtiendo, en primer lugar, una señal de control de ganancia
logarítmica en una señal de ganancia lineal y, en segundo lugar,
procesándola mediante una función no lineal mostrada en las figuras
19 y 20.
La distorsión de AM a AM se modela usando un
coeficiente programable de no linealidad. El emulador implementa la
distorsión de AM a AM según se muestra en la figura 21a. La
constelación resultante de señales se muestra en la figura 21b. El
perímetro exterior de la ventana representa un vector no comprimido
I/Q que se mueve a través de diferentes ángulos de fase con una
amplitud constante. Cuando la variable de degradación k se cambia a
un valor que comprime la señal, se acorta la longitud del vector.
Esta acción crea en su interior la ventana con forma de una
"pantalla de televisión" más pequeña. A medida que cambia la
magnitud del vector, la fase permanece constante. La degradación se
implementa usando la Ecuación 15 según se muestra en la figura 20a
o, en una realización alternativa, como una tabla de consulta (LUT).
La LUT implementa la Ecuación o contiene un conjunto predeterminado
de valores para permitir el modelado de cualquier distorsión
arbitraria AM-AM.
(13)I' = I (1
- k (I^{2} + Q^{2})) \hskip0,5cm
y
(14)Q' = Q (1
- k (I^{2} +
Q^{2}))
en
donde
I = A sen
(\omega
t)
Q = A sen
(\omega t), \hskip0,3cm en \ donde \ A \ es \ una \
constante.
Dado que I^{2} es aproximadamente igual a
Q^{2}, las Ecuaciones 13 y 14 quedan reducidas de la siguiente
forma:
(15)I' = I -
2kI^{3}
\newpage
En la figura 21c se muestra una gráfica de esta
ecuación para k = 1/12, I = 0 – 1,5. Esta es una curva típica de
compresión de amplificador.
La distorsión AM a PM se modela usando un
coeficiente programable de no linealidad. El emulador modela la
distorsión AM a PM según se muestra en la figura 22a, en donde k es
el coeficiente programable de no linealidad. La constelación
mostrada en la figura 22b representa un vector de señal sin
degradación que gira a través de fases diferentes. A medida que
aumenta el nivel de señal de entrada, el vector aumenta de magnitud
y comienza a girar en el sentido contrario al de las agujas del
reloj, indicando un incremento de fase. Si la degradación
AM-AM no está activada, no habrá cambio de longitud.
Esta degradación se implementa usando las Ecuaciones 17 y 18 según
se muestra en la figura 22a o, en una realización alternativa, como
una LUT. La LUT implementa las Ecuaciones o contiene un conjunto
predeterminado de valores para permitir el modelado de cualquier
distorsión arbitraria
AM-PM.
AM-PM.
(16)A = (I^{2}
+
Q^{2})/k
I = 1 \ sen \
(\omega t)
y
Q = 1 \ cos \
(\omega
t)
entonces
- \quad
- I' = I cos(A) + Q sen(A)
- \quad
- \hskip0.3cm = sen (\omegat) cos (A) + cos (\omegat) sen (A)
- \hskip0.3cm = sen (\omegat + A) y
- (17)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- Q' = Q cos(A) - Q sen(A)
- \quad
- \hskip0.4cm = cos (\omegat) cos (A) - sen (\omegat) sen (A)
- \hskip0.4cm = cos (\omegat + A)
- (18)
La variable de degradación C de la figura 22a
controla el grado de variación de fase de inserción que afecta a la
señal. La fase de desplaza en una cantidad proporcional al nivel de
señal TPC.
Se muestra en las figuras 23a y 23b, y 24a y
24b, la ejecución de los modelos de degradación anteriores por los
módulos de canal transmisor 35 y de canal receptor 37 de la presente
invención 31, respectivamente. Haciendo referencia a las figuras 23a
y 23b, las salidas de señal de datos y una salida de control de
potencia total (TPC) desde un módem transmisor (no mostrado)
ensambladas en una simulación se acoplan a las entradas de señal
I_{I}, I_{Q} y TPC de un módulo transmisor 35. Las entradas
I_{I}, I_{Q} se acoplan a un acondicionador de señal 101 para
un ajuste de nivel o digitalización si la señal de entrada I_{I},
I_{Q} está en tiempo continuo. Se da salida a la señal 103 hacia
un filtro 105 que realiza una acción de filtro de paso alto
bloqueando componentes de señal de baja frecuencia. La señal
filtrada 107 se acopla a un procesador de adición 109 en el que se
realizan las degradaciones de adición de ruido gaussiano (como ruido
de módem) y de pérdida de portadora. El ruido gaussiano se genera
mediante un generador incorporado 111 que tiene una salida 113
acoplada al procesador de adición 109 y a un generador de ruido de
fase 115. Después de realizar la degradación de adición, la salida
117 se acopla a un filtro 109 que realiza la degradación de
limitación de ancho de banda.
La salida 121 del filtro 119 se acopla a un
procesador de rotación 123 que realiza una rotación de I y Q sobre
componentes simbólicas. El procesador de rotación 123 aplica una
rotación angular fija entre las componentes I y Q para efectuar un
desequilibrio de fase; una rotación continua para efectuar un
desplazamiento de frecuencia; una rotación estática para efectuar un
desplazamiento de fase; y un cambio \pm aleatorio en fase angular
para efectuar ruido de fase. La salida 125 del procesador 123 de
rotación está acoplada a un variador 127 de fase que aplica las
degradaciones de AM a PM no lineal y de variación de fase de
inserción y su salida 129 se acopla a un procesador de ganancia
final 131 que realiza el desequilibrio de ganancia, la degradación
AM a AM y el acondicionamiento de señal de salida. Un procesador de
medición de potencia 151 calcula la potencia de señal instantánea
(I^{2} + Q^{2}) 153 para uso por el procesador de ganancia 131
con el fin de realizar las degradaciones AM-AM y
AM-PM. El procesador de medición de potencia 151
también calcula la potencia media a largo plazo (de I^{2} +
Q^{2}) para la pantalla
59, 69.
59, 69.
\newpage
Un generador 133 de estímulo para producir la
pluralidad de formas de onda 135 para evaluación dinámica está
acoplado al procesador de adición 109, al procesador de rotación 123
y al procesador de ganancia 131. Adicionalmente, un generador 137 de
formas de onda genera unas señales 139 con fines de calibración y
autodiagnóstico y demostración de módulo. Dependiendo de la
simulación en curso, la salida digital degradada i_{I1}, i_{Q1}
se acopla a un conversor elevador 41 de rf para emulación de canal
externo, o se acopla a un módulo de medios 39 o de receptor 37 a
través del divisor/combinador virtual 45. Se capturan mediciones de
rendimiento mediante un monitor 141 de señal y una toma 143 de
formas de onda, entregando los resultados al bus de comunicación 53.
Un interfaz 145 de control de bus se comunica bidireccionalmente con
el microprocesador central 47 a través del bus de comunicación 53
descargando variables de degradación y cargando mediciones de
rendimiento para exhibición o almacenaje.
Con una arquitectura y función similares a las
del módulo transmisor 35, el módulo receptor 37 mostrado en las
figuras 24a y 24b acepta señales digitales enviadas desde un módulo
transmisor 35 i_{I1}, i_{Q1} o de medios i_{I2}, i_{Q2} a
través del combinador/divisor virtual 45, o mediante el conversor
reductor 43 de rf dependiendo de una simulación dada. Las señales de
salida digitales se acoplan a un acondicionador de señal 201 y una
salida 203 se acopla a un procesador de adición 205 en donde se
ejecutan las degradaciones de ruido gaussiano y desplazamiento de cc
de portadora. El ruido gaussiano se genera por un generador
incorporado 207 que tiene una salida 209 acoplada al procesador de
adición 205 y a un generador 211 de ruido de fase. La salida 213
del procesador de adición se acopla a un filtro 215 para realizar la
degradación de limitación de ancho de banda. La salida 217 de filtro
se acopla a un procesador de rotación 219 que realiza degradaciones
de desplazamiento de fase, desplazamiento de ruido de fase y de
frecuencia y desequilibrio de fase. Tras la rotación 221, un
procesador 223 de ganancia ejecuta degradaciones de
AM-AM y de desequilibrio de ganancia. El proceso
final del flujo 225 de señal es un emulador de filtro 227.
Un procesador de medición de potencia 243
calcula la potencia de señal instantánea (I^{2} + Q^{2}) 245
para uso por el procesador de ganancia 223 para ejecutar la
degradación AM-AM. El procesador de medición de
potencia 243 también calcula la potencia media a largo plazo (de
I^{2} + Q^{2}) para la pantalla 59, 69. Un generador 229 de
estímulo para producir la pluralidad de formas de onda 231 para
evaluación dinámica está acoplado a los procesadores de adición 205,
de rotación 219 y de ganancia 223. Se da salida a la señal degradada
O_{I}, O_{Q} hacia un demodulador de módem receptor (no
mostrado). Se capturan mediciones de rendimiento mediante un monitor
235 de señal y una toma 237 de formas de onda, entregando los
resultados al bus de comunicación 53. Un interfaz 233 de control de
bus se comunica bidireccionalmente con el microprocesador central 47
a través del bus de comunicación 53 descargando variables de
degradación y cargando mediciones de rendimiento para exhibición o
almacenaje.
En las figuras 8a y 8b se muestran módulos de
degradación 39 de canal de medios que emulan las degradaciones del
ambiente de transmisión y la naturaleza de una aplicación. Algunas
simulaciones pueden ser más ruidosas que otras, o tener atributos de
ruido (impulsos, frecuencia fija, etc.) que otras no tienen; algunas
degradaciones de medios no son un factor en todas las situaciones.
Por ejemplo, un sistema de comunicación de fijo punto a punto
resulta menos afectado por rutas múltiples y desvanecimiento que lo
que soporta un servicio celular de rápido movimiento cuando cambia
de localización al tiempo que mantiene contacto con varias
estaciones base.
Los módulos 39 de medios se implementan usando
un procesador de fines generales o un procesador de señal digital, o
una pluralidad de procesadores. El uso de procesamiento digital de
señal es conocido por los versados en la técnica. La pluralidad de
modelos de emulación de medios se almacenan en una memoria colateral
con variables de ajuste a las que se accede de la misma manera que a
los módulos transmisor 35 y receptor 37. Degradaciones de medios
para aplicaciones no guiadas comprenden fluctuación de valor tal
como desvanecimiento de curva envolvente (distribuciones Rayleigh,
Ricean, Nakagami, normales logarítmicas y otras), ruido FM aleatorio
y dispersión de retardo, características de localización
(fluctuación logarítmica) y modelos de característica de distancia
(Okumura, Longley-Rice y otros). Degradaciones para
aplicaciones guiadas comprenden atenuación y retardo.
Las ondas de radio en comunicaciones móviles
están sujetas a reflexión, difracción y dispersión provocadas por el
impacto de obstáculos y objetos reflectantes tales como edificios,
árboles y ondulaciones del terreno. Las múltiples ondas de radio
resultantes que se desplazan por rutas diferentes pueden
interferirse entre sí, provocando fluctuaciones dramáticas en la
intensidad de señal. Esto se conoce como desvanecimiento.
Los modelos Rayleigh y Ricean caracterizan el
fenómeno de rutas múltiples que conduce a la interferencia
intersímbolos (ISI) provocada por un retardo de ruta relativo. Dado
que algunas de las ondas llegan más tarde que otras, una versión de
un bit de datos anterior puede llegar de hecho al receptor de manera
simultánea con un bit de datos posterior, o incluso después de éste,
que vino por una ruta más directa y más corta. Por tanto, el primer
bit interfiere con bits subsiguientes. Esta forma de ISI tiene una
causa subyacente diferente de la de la ISI provocada por
diseminación en tiempo de bits a medida que atraviesan un canal con
ancho de banda limitado.
Algunos medios de comunicación muestran un
desvanecimiento lento con derivas de propagación durante un periodo
de tiempo de muchos símbolos o bits, lo cual resulta de cambios
atmosféricos o cambios basados en la topografía. Otros tienen un
desvanecimiento rápido, con transiciones rápidas durante un periodo
de bit o periodo de trama, y pueden corromper una cadena de símbolos
consecutivos. Ni el desvanecimiento rápido ni el lento son lo mismo
que el ruido de impulso procedente de relámpagos o similares.
Para aplicaciones no guiadas, la distribución de
ruido Rayleigh se modela emulando las rutas independientes múltiples
que experimenta una señal transmitida a un receptor. El receptor
percibe interferencias constructivas y destructivas como la suma de
numerosas variables aleatorias. La señal recibida típica se agrupa
alrededor de un valor muy probable, pero la señal se desvía en
cualquier momento poco o mucho respecto de este valor muy probable,
dependiendo de las estadísticas programables del punto mediano y del
número de ondas de interferencia del modelo de canal. El intervalo y
la probabilidad de desviación se aproximan al canal de
desvanecimiento observado en comunicaciones móviles.
Desvanecimientos Rayleigh de 10 a 30 dB son comunes y pueden
alcanzar hasta 50 dB. El emulador implementa degradaciones de
desvanecimiento según se muestra en la figura 25. Una señal entra en
una línea de retardo con tomas que tiene retardos temporales
variables \tau, saliendo cada toma hacia un modulador gaussiano GM
complejo independiente, un modulador logarítmico normal LN de media
cero y un factor ponderador W para producir la pluralidad de modelos
de desvanecimiento. Cada toma representa un componente de rutas
múltiples. Cada modulador complejo también puede incluir una
pluralidad de tomas de retardos, permitiendo una pluralidad de
perfiles de retardo.
El desvanecimiento Ricean se modela perfilando
el desvanecimiento Rayleigh como una situación más realista. Este
modelo emula una ruta fuertemente dominante, típicamente una ruta de
línea visual junto con múltiples rutas aleatorias. El modelo
Rayleigh está asociado usualmente con propagación exterior, mientras
que el modelo Ricean está más estrechamente asociado con rutas
interiores.
Los modelos normales logarítmicos emulan una
variación lenta de la intensidad de campo, que puede ocurrir cuando
un receptor se mueve constantemente alejándose de una fuente de
señal, o cuando existe una obstrucción física temporal, tal como una
colina entre un transmisor y un receptor. El bloqueo añade un
coeficiente menor de una unidad a la pérdida de ruta y se identifica
matemáticamente como un desvanecimiento normal logarítmico.
El ruido FM se modela introduciendo una
componente de ruido aleatoria a cada señal y la frecuencia Doppler
máxima. Una fuente de ruido gaussiano añade un ruido similar al
manifestado durante la transmisión. El grado de desplazamiento de
frecuencia portadora que un receptor observa es función tanto de la
velocidad relativa entre la fuente y el receptor como de la
frecuencia portadora nominal. El desplazamiento Doppler es
aproximadamente de 1 kHz en la mayor parte de las aplicaciones
terrestres, pero puede ser bastante mayor para enlaces por satélite
que tienen velocidades relativas mayores.
La dispersión de retardo se modela eligiendo
frecuencias y retardos diferentes para compensar frecuencias
diferentes que tienen velocidades diferentes, teniendo así
diferentes tiempos de llegada.
Los modelos de simulación topográfica
estadística modelan estructuras y la topografía que se encuentra
entre un usuario y una estación base. Las variables que definen el
punto mediano y la desviación estándar durante un intervalo
predefinido del modelo estadístico emulan ambientes operativos
diferentes.
Las características de distancia son
aproximaciones estadísticas tales como la curva de distancia de
Okumura que consideran la altura de antena, la distancia entre
estaciones de comunicación y la frecuencia portadora operativa para
llegar a un modelo de propagación de ondas de radio en
comunicaciones móviles terrestres. A partir de las características
de distancia se pueden obtener características de localización
usando una fluctuación logarítmica normal junto con una fluctuación
de valor instantánea (tal como el desvanecimiento Rayleigh).
Los medios guiados tienen muchas degradaciones e
inconsistencias. Para enlaces de comunicación guiados, la atenuación
y dispersión, en vez del ruido y otros comportamientos variantes en
el tiempo, constituyen el modelo de canal dominante.
La atenuación se modela mediante un atenuador
digital o un amplificador de ganancia variable.
El retardo se modela en medios sin guiar como
una variable que representa frecuencias diferentes con velocidades
diferentes. En medios guiados, el retardo se modela como el perfil
arquitectónico de un cable o guía de ondas.
En las figuras 26a y 26b se muestra la ejecución
de los anteriores modelos de degradación de medios por el módulo 39
de canal de medios de la presente invención 31. Un módulo 39 de
medios acepta la salida de señal digital i_{I1}, i_{Q1}
procedente de un módulo transmisor 35 a través del
combinador/divisor virtual 45 dependiendo de una simulación dada.
Las señales de entrada digital digital i_{I1}, i_{Q1} se acoplan
a un acondicionador 301 de señal y se las da salida 303 hacia un
procesador 305 de fluctuación de valor programable que implementa la
pluralidad de modelos de desvanecimiento. Cada modelo de
desvanecimiento, esto es, Rayleigh, Ricean, normal logarítmico,
etc., se descarga de una memoria incorporada (no mostrada) en el
procesador 305 para una simulación dada. Después de caracterizar el
desvanecimiento, la salida 307 se acopla a un procesador de adición
309 en el que se ejecuta la degradación de ruido gaussiano. El ruido
gaussiano se genera por un generador incorporado 311. La salida 313
del procesador de adición 309 se acopla a un procesador ambiental
315 para ejecutar las degradaciones de topografía y distancia. Las
diversas curvas de distancia se mantienen en una memoria residente.
La salida 317 del procesador ambiental 315 se acopla a un procesador
319 de ganancia para degradaciones de atenuación. La salida 321 del
procesador 319 de ganancia se acopla a un procesador 323 de retardo
para ejecutar las degradaciones de retardo. Un generador de estímulo
325 para producir la pluralidad de formas 327 de onda para
evaluación dinámica se acopla a los procesadores de fluctuación de
valor 305, de adición 309, ambiental (distancia) 315, de ganancia
319 y de retardo 323. Las mismas formas de onda 327 pueden aplicarse
a cada longitud de retardo \tau y factor de ponderación W que
verifican bucles de recuperación de sincronización de símbolos,
bucles de seguimiento pn, rendimiento y comportamiento de
adquisición pn y rendimiento de búsqueda, detección y seguimiento
de rutas múltiples con dedos de rastrillo. Se da salida a la señal
i_{I2}, i_{Q2} hacia el módulo receptor 37. Las mediciones de
rendimiento se capturan por un monitor 329 de señal y una toma 331
de formas de onda, estregando los resultados al bus de comunicación
53. Un interfaz 333 de control de bus se comunica bidireccionalmente
con el microprocesador central 47 a través del bus de comunicación
53 descargando variables de degradación y cargando mediciones de
rendimiento para exhibición o almacenaje.
La presente invención 31 se enseña como un
enfoque modular para ensamblar una simulación de transmisión
completa desde un módem origen hasta un módem de destino con
independencia de qué técnica de modulación o protocolo de acceso o
combinación de los mismos se use. Pueden apreciarse por los versados
en la técnica realizaciones de la invención que tienen un número y
tipo fijos de módulos.
Aunque la presente invención se ha descrito en
términos de la realización preferida, serán evidentes para los
versados en la técnica otras variaciones que están dentro del
alcance de la invención según se esboza en las reivindicaciones
siguientes.
Claims (23)
1. Un emulador (31) para uso con equipos
transmisor y receptor de comunicaciones en un sistema de
comunicación para modelar una pluralidad de degradaciones de señal
que se manifiestan en una señal de datos de comunicación entre la
modulación en dicho equipo transmisor y la desmodulación en dicho
equipo receptor; comprendiendo el emulador (31):
una pluralidad de módulos transmisores
programables (35) que emulan una pluralidad de degradaciones de
señal que acontecen durante la modulación de medios de comunicación,
teniendo cada módulo transmisor (35) una entrada de señal (I) para
acoplamiento con un módem transmisor, una salida y un acoplamiento
de bus de comunicación;
una pluralidad de módulos receptores
programables (37) que emulan una pluralidad de degradaciones de
señal que acontecen durante la demodulación de medios de
comunicación, teniendo cada módulo receptor citado (37) una entrada
de señal, una salida (O) para acoplamiento con un módem receptor y
un acoplamiento de bus de comunicación;
un interfaz (65) de usuario que se comunica con
un procesador (47) para definir una simulación de sistema
comunicación acoplando mediante software un número requerido de
dichos módulos transmisores (35) y receptores (37) según una
disposición de simulación definida por un usuario que emplea dichas
salidas de módulo transmisor y dichas entradas de módulo receptor;
e
instruyendo dicho procesador (47) a cada uno de
dichos módulos requeridos (35, 37) a través de un bus de
comunicación (53) para que use degradaciones de señal específicas de
entre dicha pluralidad de degradaciones de señal respectivas para
dicha disposición de simulación definida por el usuario.
2. El emulador (31) según la reivindicación 1,
en el que dicha pluralidad de degradaciones de módulo transmisor
comprende además degradaciones lineales.
3. El emulador (31) según la reivindicación 2,
en el que dichas degradaciones lineales de módulo transmisor se
seleccionan de una de las siguientes: desequilibrio de amplitud;
retardo de grupo de ancho de banda; limitaciones de ancho de banda;
desplazamiento de frecuencia portadora; pérdida de portadora;
desequilibrio de fase portadora; ruido de fase portadora; ruido de
módem por desplazamiento de fase portadora; y ruido de
transmisor.
4. El emulador (31) según la reivindicación 3,
en el que dicha pluralidad de degradaciones de módulo transmisor
incluye además degradaciones no lineales.
5. El emulador (31) según la reivindicación 4,
en el que dichas degradaciones no lineales de módulo transmisor se
seleccionan de entre las siguientes: modulación en amplitud a
modulación en amplitud; y modulación en amplitud a modulación en
fase.
6. El emulador (31) según la reivindicación 5,
en el que dicha pluralidad de degradaciones de módulo receptor
incluye además degradaciones lineales.
7. El emulador (31) según la reivindicación 6,
en el que dichas degradaciones lineales de módulo receptor incluyen
además: desequilibrio de amplitud; retardo de grupo de ancho de
banda; limitaciones de ancho de banda; desplazamiento de frecuencia
portadora; desplazamiento de cc de portadora; desequilibrio de fase
portadora; ruido de fase portadora; ruido de módem por
desplazamiento de fase portadora; y ruido de receptor.
8. El emulador (31) según la reivindicación 7,
en el que dicha pluralidad de degradaciones de módulo receptor
incluye además degradaciones no lineales.
9. El emulador (31) según la reivindicación 8,
en el que dichas degradaciones no lineales de módulo receptor se
seleccionan de entre las siguientes: modulación en amplitud a
modulación en amplitud; y modulación en amplitud a modulación en
fase.
10. El emulador (31) según la reivindicación 9,
que comprende además una pluralidad de módulos de medios
programables (39) que emulan una pluralidad de degradaciones de
señal que acontecen durante la transmisión de señal a través de unos
medios de canal de comunicación, teniendo cada módulo (39) de medios
citado una entrada de señal para acoplarse con la salida de un
módulo transmisor (35), una salida de señal para acoplarse con la
entrada de un módulo receptor (37) y un acoplamiento de bus de
comunicación para acoplarse con dicho bus de comunicación (53).
11. El emulador (31) según la reivindicación 10,
en el que dicho módulo (39) de medios emula degradaciones de medios
de canal de comunicación guiados y no guiados.
12. El emulador (31) según la reivindicación 11,
en el que dichas degradaciones de medios guiados comprenden
atenuación y retardo.
13. El emulador (31) según la reivindicación 12,
en el que dichas degradaciones de medios no guiados comprenden
fluctuación de valor, características de localización y
características de distancia.
14. Un emulador (31) para modelar al menos una
degradación de señal que se manifiesta en una señal de datos de
comunicación entre una modulación y una desmodulación en un sistema
de comunicación, comprendiendo el emulador:
al menos un módulo transmisor programable (35)
que emula al menos una degradación de señal que acontece durante la
modulación de medios de comunicación, teniendo dicho al menos un
módulo transmisor (35) una entrada (I) de señal para acoplamiento
con un módem transmisor, una salida y un interfaz de procesador;
al menos un módulo receptor programable (37) que
emula al menos una degradación de señal que acontece durante la
desmodulación de medios de comunicación, teniendo dicho al menos un
módulo receptor (37) una entrada de señal, una salida para
acoplamiento con un módem receptor y un interfaz de procesador;
un procesador (47), con una memoria asociada
(49, 51), para configurar dichos módulos transmisor (35) y receptor
(37) mediante características seleccionadas almacenadas en la
memoria (49, 51); y
medios para establecer al menos una conexión
entre dicho al menos un módulo transmisor programables y dicho al
menos un módulo receptor programable.
15. El emulador (31) según la reivindicación 14,
en el que dicha al menos una degradación de módulo transmisor (35)
emula una degradación dinámica.
16. El emulador (31) según la reivindicación 15,
en el que dicha degradación dinámica comprende al menos una de las
siguientes: forma de onda senoidal; forma de onda senoidal barrida;
forma de onda cuadrada; forma de onda en dientes de sierra; o forma
de onda de impulsos.
17. El emulador (31) según la reivindicación 14,
en el que dicho al menos un módulo receptor (37) emula una
degradación dinámica.
18. El emulador (31) según la reivindicación 17,
en el que dicha degradación dinámica comprende al menos una de las
siguientes: forma de onda senoidal; forma de onda senoidal barrida;
forma de onda cuadrada; forma de onda en dientes de sierra; o forma
de onda de impulsos.
19. El emulador (31) según la reivindicación 14,
que comprende además al menos un módulo de medios programable (39)
que emula al menos una degradación de señal que acontece durante la
transmisión de señal a través de un medio de canal de comunicación,
teniendo cada módulo (39) de medios citado una entrada de señal para
acoplamiento con la salida de un módulo transmisor (35), una salida
de señal para acoplamiento con la entrada de un módulo receptor (37)
y un interfaz de procesador.
20. El emulador según la reivindicación 14, en
el que dicha al menos una degradación de módulo transmisor comprende
además una degradación lineal.
21. El emulador según la reivindicación 15, en
el que dichas degradaciones lineales de módulo transmisor comprenden
además al menos una de las siguientes: desequilibrio de amplitud;
retardo de grupo de ancho de banda; limitaciones de ancho de banda;
desplazamiento de frecuencia portadora; pérdida de portadora;
desequilibrio de fase portadora; ruido de fase portadora;
desplazamiento de fase portadora; ruido de módem; o ruido de
transmisor.
22. El emulador según la reivindicación 14, en
el que dichos medios para establecer una conexión comprenden medios
para establecer una conexión por software.
23. El emulador según la reivindicación 22, en
el que dichos medios para establecer una conexión por software
comprenden un divisor/combinador virtual (45).
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