ES2273361T3 - Sistema de transmision de informacion digital con procedimientos y dispositivos correspondientes. - Google Patents
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-
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Abstract
CON EL FIN DE ALCANZAR UNA ELEVADA EFECTIVIDAD DE ANCHURA DE BANDA Y UNA BAJA PROBABILIDAD DE ERROR DE BITS Y MENSAJES, DURANTE LA TRANSMISION DIGITAL DE DATOS, SE PROPORCIONAN UN SISTEMA (1) Y UN PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVOS CORRESPONDIENTES, QUE NO EXIGEN NINGUNA SINCRONIZACION DEPORTADORA Y RELOJ. A PARTIR DE UNA SINCRONIZACION EN BLOQUE, SE EFECTUA UNA TRANSMISION DIGITAL DEPORTADORAS MULTIPLES, CON CODIFICACION Y DECODIFICACION. DURANTE LA MODULACION DE LA PORTADORA LA OCUPACION DE LAS SUBPORTADORAS SE CODIFICA DE MANERA DIFERENCIAL EN LA DIRECCION DE LAS SUBPORTADORA, ES DECIR, EN EL SENTIDO DE LA FRENCUENCIA.
Description
Sistema de transmisión de información digital
con procedimientos y dispositivos correspondientes.
La invención concierne a un sistema de
transmisión de información digital, un procedimiento y un
dispositivo para generar una señal de emisión, un procedimiento de
desmodulación y un dispositivo de recepción para una señal de
emisión recibida.
En la técnica de telecomunicaciones es conocido
en general un procedimiento de transmisión multiportadora para
transmitir datos digitales, en el que se utiliza la transformada
discreta de Fourier para la síntesis de señales. Se han descrito
procedimientos de transmisión multiportadora, por ejemplo, en John
A.C. Bingham: Multicarrier modulation for data transmission: An idea
whose time has come, IEEE Communications Magazine, Mayo de 1990,
páginas 5 a 14.
Un procedimiento especial para esto es, por
ejemplo, el llamado procedimiento OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing = multiplexado por división ortogonal de
frecuencia) - llamado también procedimiento DMT (Discrete Multitone
= multitono discreto) -, que se encuentra descrito en Weinstein,
S.B., Ebert, P.M.: Data transmission by
frequency-division multiplexing using the discrete
Fourier transform, IEEE Transactions on Communication Technology,
vol. COM-19, No. 5, Octubre de 1971, páginas 628 a
634. Con el procedimiento ya conocido de inserción de un intervalo
de guarda se resuelve un tratamiento de interferencias de impulsos
de símbolos de consecutivos.
Se conoce por el documento US 5,345,439 un
dispositivo de tratamiento de señales en el que están materializados
formatos de formulación diferentes en un aparato para una aplicación
universal. Se conoce por el documento US 4,313,197 un dispositivo
para el multiplexado y el desmultiplexado de señales, especialmente,
señales de voz. En este caso, se utiliza una transformada de
Fourier. Una aplicación del procedimiento OFDM en una transmisión
óptica es conocida por Olofsson L. et al. "Design of OFDM Systems
at High Power Levels", Journal of Optical Communications, 17,
1996, 3, páginas 95 a 97.
Se conoce por el documento DE-OS
43 10 031 un procedimiento para corregir la amplitud de fase de una
señal de recepción de banda ancha en el que se han modulado en fase
conforme al procedimiento COFDM las frecuencias de portadora
individual empleadas. En este procedimiento se efectúa una
sincronización de los bloques de datos entre sí en la dirección del
tiempo.
Los fundamentos de estas técnicas y
procedimientos pueden encontrarse en el libro técnico
"Nachrichtenübertragung" del Dr. Ing. Karl Dirk Kammermeyer,
B.G. Teubner, Stuttgart, 1992, especialmente páginas 68 a 70, 372,
378, 379 y 606 a 613.
Como estado de la técnica más próximos se parte
del documento WO 91 14316 A según los preámbulos de las
reivindicaciones 1, 7, 13 y 19. En relación con esto, es conocida
también la publicación MOOSE: "Differentially coded
multi-frequency modulation for digital
communications", FITH EUROPEAN SIGNAL PRO-CESSING
CONFERENCE, 18-21 de Septiembre de 1990, Amsterdam,
NL, páginas 1807-1810. En estas publicaciones se ha
previsto una llamada sincronización de baudios en la que se antepone
un baudio de sincronización común a varios bloques de símbolos de
código.
Se conoce por PORTER: "Error distribution and
diversity performance of a frequency-differential
PSK HF modem", IEEE TRANSACTINS ON COMMUNICATION TECHNOLOGY, Vol.
16, No. 4, Agosto de 1996, Nueva York, EE.UU. páginas
567-575, una codificación de error para el llamado
procedimiento PSK en un módem de alta frecuencia.
Se conocen por el documento WO 92 20179 otro
procedimiento y una disposición para la modulación diferencial de
señales en un sistema de transmisión multicanal.
La invención se basa en el problema de indicar
un sistema con procedimientos y dispositivos correspondientes para
la transmisión digital de mensajes para canales con distorsiones
dispersivas. En este caso, junto con una alta eficiencia de ancho de
banda y una pequeña tasa de error, se deberá evitar una costosa
sincronización de fase portadora y de fase de exploración.
Este problema se resuelve según la invención con
las características de las reivindicaciones 1, 7, 13, 19 y 23.
Ejecuciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones
subordinadas.
Para evitar costosos procedimientos de
sincronización de fase portadora y de fase de exploración, se
efectúa como idea básica esencial de la invención la asignación de
los símbolos de código binarios a las subportadoras mediante una
codificación diferencial en la dirección de las subportadoras, es
decir, en la dirección de la frecuencia. En contraste con ello, en
el estado de la técnica esto se realiza por modulación diferencial
en la dirección del tiempo. Junto con una codificación de canal y
eventualmente una cubicación de símbolos de código a lo largo de las
subportadoras se puede prescindir enteramente de una sincronización
de fase portadora. Las tolerancias entonces admisibles en la
sincronización de fase de exploración son especialmente altas.
Para una sincronización de bloque o de trama
está previsto un modo de procedimiento que trabaja con un preámbulo
para reconocer el comienzo del bloque y, por tanto, la fase de
exploración. Es adecuada para esto, por ejemplo, una función de
autocorrelación semejante a la función de Barker. Esto es ventajoso
en una aplicación con funcionamiento discontinuo, especialmente en
una red cableada, como es, por ejemplo, la red de distribución de
corriente eléctrica, o en una red de radiodifusión.
El procedimiento de transmisión de mensajes o de
informaciones materializado con la invención es adecuado para
canales invariantes en tiempo, así como para canales variantes en
tiempo con interferencias intersímbolos (reflexiones), es decir, con
distorsiones dispersivas. En este caso, la banda de frecuencia
disponible se subdivide en M canales parciales, siendo todos los
canales parciales independientes uno de otro y presentando un
comportamiento casi no selectivo en frecuencia. El comportamiento no
selectivo en frecuencia resulta del hecho de que el ancho de banda
de un canal parcial es tan pequeño que la función de transmisión de
canal dentro de un canal parcial es casi constante. La invención es
adecuada, por ejemplo, para su aplicación en la transmisión de datos
a distancia para contadores o en la técnica de telecomunicación o de
telefonía inalámbrica. A continuación, se explican con más detalle
las soluciones del problema y las ejecuciones ventajosas.
Un procedimiento para generar una señal de
emisión para la transmisión digital de mensajes prevé que se modulen
subportadoras con símbolos de código paralelos, codificados en
canal, de una señal de entrada por medio de una codificación
diferencial en la dirección de la frecuencia. Ventajosamente, los
símbolos de código pueden asignarse antes de la codificación
diferencial a un espacio de señal según el procedimiento PSK o el
procedimiento QAM, lo que se denomina también mapeado. Los símbolos
de código se codifican en error y/o se intercalan antes de la
codificación diferencial. De esta manera, se puede lograr una alta
distancia de Hamming y una pequeña tasa de error o probabilidad de
error.
Es favorable que cada bloque (describible
también como secuencia de intervalos de tiempo) de los símbolos de
código se complemente después de la codificación diferencial con una
pausa de emisión y eventualmente con una continuación periódica en
el sentido de un preámbulo, especialmente al comienzo del bloque. De
esta manera, se simplifican una desmodulación y una sincronización
de bloque en el receptor. Con la pausa de emisión se evita una
perturbación de un bloque DMT por efecto de la influencia de un
bloque contiguo, con lo que se simplifica la desmodulación en el
receptor.
Para la generación sencilla directa de la señal
de emisión se puede generar después de la codificación diferencial,
por medio de una conversión paralelo/serie, una señal de salida
serie que se somete ventajosamente a continuación a una conversión
digital/analógica, con lo que es posible una transformación en una
señal continua en el tiempo. La señal de salida puede comprender
bloques de emisión serie que se envían discontinuamente en el
tiempo, especialmente en funcionamiento a ráfagas. Para la
codificación diferencial se realiza preferiblemente una transformada
discreta inversa de Fourier.
Respecto del dispositivo para generar una señal
de emisión para una transmisión digital de mensajes se ha previsto
que éste presente un módulo de modulación de portadora, al que se
alimenten símbolos de código paralelos, codificados en canal, de una
señal de entrada y en el que se ocupen las subportadoras con los
símbolos de código por medio de una codificación diferencial en la
dirección de la frecuencia.
Delante del módulo de modulación de portadora
puede estar montado de manera ventajosa un módulo de mapeado en el
que se asignen los símbolos de código a un espacio de señal según el
procedimiento PSK o el procedimiento QAM. Expresado de otra manera:
Se asigna a los símbolos de código una secuencia de coeficientes de
amplitud de una constelación PSK que sirven después para la
modulación de las subportadoras por medio de una codificación
diferencial. Se puede anteponer de manera ventajosa al módulo de
modulación de portadora un módulo de codificación de error y/o de
intercalación, con lo que se reduce la tasa de error en una
transmisión.
Detrás del módulo de modulación de portadora
pueden estar montados un convertidor paralelo/serie y un convertidor
digital/analógico, pudiendo generarse en la salida del convertidor
digital/analógico como señal de salida unos bloques de emisión en
forma discontinua en el tiempo, especialmente en funcionamiento a
ráfagas, es decir, no en funcionamiento permanente. El módulo de
modulación de portadora para la codificación diferencial comprende
preferiblemente un miembro para una transformada discreta inversa de
Fourier. Es posible así una codificación rápida y precisa.
Las soluciones según la invención para el
procedimiento de desmodulación en el lado del receptor y para el
desmodulador se aplican análogamente a las ejecuciones anteriores
del lado del emisor, utilizándose funciones y modos de procedimiento
sustancialmente inversos. Es favorable en este caso que, antes de la
diferenciación de la señal de emisión recibida (llamada también
señal de recepción), se retire una pausa de emisión eventualmente
contenida en la señal de emisión. Para la sincronización de bloque o
de fase se detecta ventajosamente un preámbulo contenido en la señal
de emisión. El comienzo del bloque puede ser reconocido de manera
sencilla mediante un cálculo de correlación, un cálculo de pendiente
de los valores totales de correlación y una decisión de valor
umbral.
El sistema para la transmisión de información
digital presenta según la invención:
\newpage
- un dispositivo para generar una señal de
emisión con un módulo de modulación de portadora al que se alimentan
símbolos de código paralelos de una señal de entrada codificados en
canal y en el que se ocupan las subportadoras con los símbolos de
código por medio de una codificación diferencial en la dirección de
la frecuencia, y
- un dispositivo de recepción con un
desmodulador en el que se diferencia la fase de los coeficientes de
subportadora complejos.
La vía de transmisión empleada puede ser sin
cables o sin hilos, por ejemplo un radioenlace. Para la vía de
transmisión es adecuado también un medio portador óptico,
especialmente un conductor óptico. Como vía de transmisión puede
servir también de manera sencilla una línea conductora de corriente
o exenta de corriente o una red correspondiente. Es adecuada para
esto, por ejemplo, una unión semejante a un bus EIB o una red de
distribución de corriente eléctrica. Un campo de aplicación
preferido de la invención es la consulta a distancia de contadores
en una red de distribución de corriente eléctrica.
Es esencial para la forma de realización
preferida
- que se proporcionen en el lado del emisor
canales parciales independientes paralelos mediante el empleo de la
transformada discreta inversa de Fourier,
- que se efectúe una eliminación de
interferencias de impulsos de bloques consecutivos mediante el
empleo de una continuación periódica,
- que una transformada discreta de Fourier de un
bloque en el lado de recepción y una descodificación de todas las
señales de canal parcial sirva para la obtención de los datos
digitales,
- -
- codificándose en canal los datos digitales,
- -
- efectuándose la ocupación de la subportadoras en una forma diferencialmente codificada en la dirección de dichas subportadoras, y
diferenciándose en el lado del receptor la fase
de los coeficientes de subportadora complejos de tal manera que se
recuperen los puntos de recepción en el espacio de señal.
Caracterizante de la presente idea es una
asignación de portadora especial en combinación con una codificación
de canal y una llamada intercalación, de modo que se puede
prescindir de una ecualización de canal con 1/H(f), no siendo
entonces necesaria una sincronización de la fase portadora. Además,
los requisitos impuestos a una sincronización de la fase de
exploración son tan pequeños que se mantienen casi sin influencia
tolerancias de hasta algunos 100%.
Para la materialización del sistema con sus
dispositivos se utilizan preferiblemente ordenadores, procesadores
y/o procesadores de señales con tratamiento de información digital y
otros medios adecuados de tratamiento de señal digital. Los
procedimientos se pueden materializar al menos parcialmente en forma
de programas o bien en un Asic.
A continuación, se explican con más pormenor
ejemplos de realización de la invención, otras ventajas y detalles
haciendo referencia al dibujo. Muestran:
La figura 1, un diagrama de bloques de un
sistema de transmisión de información,
La figura 2, un modelo de canal discreto en el
tiempo,
La figura 3, una secuencia de emisión en caso de
sincronización con preámbulo,
La figura 4, una AKF aperiódica de la séptima
secuencia de Barker,
La figura 5, un ejemplo del cálculo de la
pendiente con regresión lineal en el caso de 10 valores de apoyo
y
La figura 6, una constelación de señales con
4-PSK.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un
sistema para la transmisión 1 de información o de mensajes
(denominado seguidamente sistema 1) que se explica primero a grandes
rasgos en forma esquemática. Los símbolos de referencia 3 y 5
designan aquí los dispositivos del sistema 1 situados por el lado
del emisor y del receptor, respectivamente. Se ha designado
especialmente con 3 un dispositivo para generar una señal de
emisión, que puede ser al menos parte de un emisor. Análogamente a
esto, la referencia 5 representa un dispositivo de recepción o al
menos una parte del mismo. Con el símbolo de referencia 6 se designa
una vía de transmisión.
Se alimenta al sistema 1 por el lado de entrada
una información prevista para transmisión en forma de una señal de
entrada S. En el presente caso se parte de la consideración de que
se trata, a título de ejemplo, de una información digital en forma
de bits de entrada serie que pueden denominarse también símbolos
fuente q[k]. La señal de entrada serie S se alimenta después
primeramente a un convertidor serie/paralelo 7, de modo que se
genera una señal paralelo con bloques en calidad de símbolos fuente
q[kb]. Cuando la señal de entrada S se presenta ya en forma
paralela, se puede prescindir entonces eventualmente del convertidor
serie/paralelo 7.
Sigue un codificador de canal 8 que genera un
bloque de símbolos de código r[kc] que se alimenta a un
módulo de codificación de error o de intercalación (llamado
seguidamente intercalador 9). El intercalador 9 genera un bloque de
símbolos de código r'[kc] reclasificados o intercalados que
presentan una distancia de señal máxima en el espacio de señal.
Detrás del intercalador 9 está montado un módulo
de mapeado 11 en el que se asignan los símbolos de código r'[kc] a
un espacio de señal según el procedimiento PSK o el procedimiento
QAM. Estos procedimientos son en sí conocidos por el estado de la
técnica anteriormente citado. Como señal de salida está disponible
entonces un bloque de puntos de señal A\mu.
Sigue luego un módulo 13 de modulación de
portadora en el que se modula en amplitud de impulso (PAM) cada
subportadora del procedimiento de transmisión multiportadora. Se
utiliza en este caso una transformada discreta inversa de Fourier
(IDFT). Los llamados símbolos de canal a[ks] que entonces se
obtienen son alimentados a un convertidor paralelo/serie 15 que
genera una secuencia de emisión a[k] discreta en el
tiempo.
En o junto al módulo 13 de modulación de
portadora puede estar previsto un miembro no mostrado con detalle
para generar una pausa de emisión entre bloques consecutivos.
Eventualmente, puede añadirse también un preámbulo a cada bloque. Se
entrará aún especialmente en más detalle sobre esto.
La secuencia de emisión a[k] es
transformada con un convertidor digital/analógico pospuesto 17 en
una señal de emisión analógica a(t) que se puede enviar
después a la vía de transmisión 6, eventualmente con intercalación
de otros medios técnicos no mostrados con detalle, por ejemplo una
antena.
Dado que el sistema 1 puede utilizarse para
aplicaciones muy diferentes, son imaginables también vías de
transmisión de cualquier clase. La vía de transmisión 6 puede estar
construida, por ejemplo, sin cables o sin hilos, especialmente como
un enlace de radio o un enlace óptico. Es adecuado también un medio
de transmisión óptico, especialmente un conductor óptico. Como
alternativa adicional, puede servir también una línea conductora de
corriente o exenta de corriente o una red correspondiente. Es
adecuado para esto especialmente un enlace semejante a un bus EIB o
bien una red de distribución de corriente, que puede aprovecharse
para múltiples transmisiones de datos, especialmente para una
consulta de contadoras en el marco de un sistema de gestión de
energía. Entran aquí en acción especialmente las ventajas referentes
a la transmisión con pocos errores.
En el lado del receptor se procede de manera
inversa al lado del emisor para recuperar la señal de entrada
original S. La señal de emisión a(t) recibida por el
dispositivo de recepción 5, denominada seguidamente señal de
recepción e(t), es alimentada primero a un convertidor
analógico/digital 19, detrás del cual está montado un convertidor
serie/paralelo 21 con el cual se generan símbolos de canal
e(ks).
Estos son alimentados a un desmodulador
subsiguiente 23 que trabaja según una transformada discreta de
Fourier. Se puede retirar aquí también la pausa de emisión
eventualmente insertada (intervalo de guarda). Como señal de salida
se presentan entonces los coeficientes de subportadora E\mu. Sigue
después análogamente al lado del emisor un módulo 25 para un mapeado
inverso, un módulo de descodificación de error y/o de
desintercalación 27 (llamado también desintercalador) y un
descodificador de canal 29. Si la señal original a desmoduladar debe
ser emitida como señal serie, se puede conectar también un
convertidor paralelo/serie 30.
A continuación, se abordan con más pormenor
detalles y características especiales del sistema y de los
procedimientos empleados en éste en la forma de realización
preferida. Eventualmente, se emplean también otros términos y
denominaciones diferentes de los anteriores y conocidos por la
práctica para no restringir el carácter general del sistema.
Fundamento del sistema es un DMT (procedimiento
multitono discreto) en combinación con una modulación DPSK
(Difference Phase Shift Keying = manipulación por desplazamiento de
diferencia de fase). La estructura fundamental del sistema 1 según
la figura 1 corresponde a un sistema OFDM habitual. El punto de
partida es aquí la conversión serie/paralelo de los símbolos fuente
q[kb]. Se codifica seguidamente en canal un bloque de
símbolos fuente. Es adecuada para esto especialmente una
codificación de plegado o una codificación de bloques, tal como se
describe, por ejemplo, en Proakis, John G.: Digital Communications,
McGraw-Hill Nueva York 1995, 3ª edición. Se obtiene
de esto un bloque de símbolos de código r[kc] que son
reclasificados o intercalados por el intercalador 9, de lo cual se
obtiene r'[kc]. Seguidamente, se asigna el bloque de símbolos de
código r'[kc] a un bloque de puntos de señal A = [A1 A\mu AM]
según un esquema PSK en el espacio de señal (mapeado).
Se modula ahora en PAM cada subportadora con el
coeficiente de amplitud correspondiente A\mu. Esto se efectúa
aplicando la transformada discreta inversa de Fourier (IDFT). Se
efectúa una subdivisión en los M canales parciales por medio de una
transformada discreta inversa de Fourier (IDFT) según la relación
siguiente, en la que se ha designado con j la unidad imaginaria
En ésta significan: K = índice de resultado, M =
longitud de transformación, \mu = índice de propagación y A =
amplitud.
En esta definición de la DFT es necesario un
factor de corrección 1/M a causa de la ecuación de Parseval. Esta
síntesis de señal se efectúa de manera eficiente con algoritmos de
la transformada rápida de Fourier (FFT) cuando M es una potencia de
dos. Las 2M funciones de base del espacio de señal
2M-dimensional vienen dadas por las funciones de
base de la transformada discreta de Fourier según la relación
por lo que éstas son también
ortogonales. Cada coeficiente de subportadora complejo A\mu es un
vector en el espacio de señal bidimensional de la \mu-ésima
subportadora.
Los símbolos de canal a[ks] resultantes
de esto son ampliados con una continuación periódica o una pausa de
emisión al comienzo de cada bloque (el llamado intervalo de guarda).
Después de una conversión paralelo/serie subsiguiente resulta de
ello la secuencia de emisión a[k] discreta en el tiempo.
Cuando se ha elegido suficientemente largo el intervalo de guarda,
se efectúa una transmisión de bloques consecutivos exenta de
interferencia de impulsos. Respecto del intervalo de guarda, véase
también Benndorf, Jens y otros: Angepa\betate Signale für Kanäle
mit Intersymbolinterferenzen, Archiv der elektrischen Übertragung,
Vol. 46, 1992, páginas 409 a 414. La señal de emisión analógica
a(t) es generada por una simple conversión D/A de la
secuencia de emisión a[k].
Después de la transmisión por el canal de
transmisión 6, la señal de emisión recibida se presenta como una
señal de recepción analógica e(t). Las señales de paso de
banda son tratadas en general como señales de paso bajo
equivalentes. Por tanto, en la práctica se tiene que filtrar la
señal en paso bajo para limitar el ancho de la banda de ruido y
suprimir componentes espurios existentes. Después de una conversión
A/D se efectúa una conversión serie/paralelo de los valores de
exploración en el ciclo de símbolos de canal T y se retira el
intervalo de guarda.
Se obtienen los coeficientes de amplitud de las
subportadoras Ei aplicando la transformada discreta de Fourier
(DFT). La DFT materializa aquí los 2M correlacionadores paralelos,
cuya salida son los coeficientes de amplitud de recepción E\mu de
las subportadoras, correspondientes a M canales parciales con
señales de emisión bidimensionales.
Si se modela el canal por medio de un filtro no
recursivo con una respuesta de impulso h[k] y se agrega
aditivamente ruido gaussiano blanco n[k] (la figura 2 muestra
a este respecto un modelo de canal discreto en el tiempo), resultan
entonces los valores de recepción E\mu de las subportadoras Ei
según la ecuación siguiente (en el caso de una longitud suficiente
del intervalo de guarda):
con
y
Por tanto, la transmisión puede concebirse como
una ponderación de los coeficientes de subportadora A\mu con los
1\mu, tal como se representa en la figura 2. El plegado de los
símbolos de canal discretos a[k] con la respuesta de impulso
de canal discreta h[k] aparece respecto de los coeficientes
de amplitud de las subportadoras como una ponderación compleja
(invariante en el tiempo) de los valores de subportadora con los
valores de exploración de la función de transmisión de canal.
La asignación de los valores de subportadora en
el espacio de señal a símbolos binarios se efectúa durante el
mapeado inverso. Una descodificación subsiguiente emite los símbolos
fuente binarios estimados. Los valores de entrada del descodificador
pueden ser bits decididos (cuantificados a 1 bit) o valores de
decisión blanda (cuantificados a varios bits).
El modo de procedimiento preferido para el
sistema 1 comprende una combinación especial de codificación de
canal, intercalador y ocupación de portadora especial. La ocupación
de subportadora se determina ahora con arreglo al procedimiento
siguiente:
Se asigna el bloque de símbolos de código r'[kc]
a un bloque de puntos de señal DA = [DA2 DA\mu DAM0] según un
esquema PSK (mapeado), no empleándose todas las subportadoras, sino
solamente M0 de M (se ponen a cero las suboportadoras no
utilizadas).
Por ejemplo, 4-PSK con:
| Bits de entrada | DA\mu |
| 00 | 1 |
| 10 | j |
| 11 | -1 |
| 01 | -j |
Seguidamente, se asigna un respectivo punto de
señal DA\mu a uno de los M0 canales parciales utilizados
(subportadora), estando reservado un canal parcial. Se efectúa ahora
una asignación a las subportadoras con una codificación diferencial
a lo largo de las subportadoras en la dirección de la frecuencia, es
decir, no en la dirección del tiempo como es usual en la modulación
DPSK conocida. La ocupación de las subportadoras A = [A1 A\mu AM]
resulta de los DA\mu según la ecuación siguiente
en donde se ha puesto A1 =
constante y, por tanto, ésta sirve de
referencia.
Se desmodulan diferencialmente los valores de
subportadoras recibidos E\mu, con lo que se proporciona una
diferenciación en la dirección de la subportadora. Si se considera
una transmisión exenta de perturbaciones, se cumplen entonces:
Para un pequeño
(es decir, M>>1) se satisface
perfectamente la estimación
\newpage
y se cumple en buena aproximación:
En este caso, H* y A* significan que son
conjugados complejos con respecto a H y A, respectivamente.
Se realiza así la diferenciación de una
ecualización de fase. Esto corresponde a la ecualización relevante
en modulación PSK. No es necesaria una ecualización de amplitud,
pero ésta puede realizarse opcionalmente con facilidad por medio de
una división compleja. El error generalmente pequeño en la
ecualización de fase puede ser compensado por medio de una sencilla
codificación de canal. Una ventaja esencial en el presente modo de
procedimiento es que se realiza una ecualización de fase, aun cuando
no se haga ninguna ecualización explícita.
Además, la codificación diferencial en la
dirección de la frecuencia permite una descodificación separada de
cada bloque, lo que no es posible en el caso de una codificación en
la dirección del tiempo. Por tanto, el error de fase de los
coeficientes de amplitud depende únicamente de la señal parásita y,
sólo en pequeña medida, de las distorsiones de fase del canal de
transmisión.
El sistema 1 emplea una sincronización de
bloque. En general, se tienen que sincronizar entre sí el emisor y
el receptor en un sistema de transmisión. En el presente caso, es
suficiente una sincronización de la fase de exploración o una
detección del comienzo del bloque. Un error de la fase de
exploración provoca en la práctica una distorsión de fase creciente,
es decir, lineal, de las subportadoras. Esto se sigue de la
proposición de desplazamiento de la transformada discreta de
Fourier
Las repercusiones de este error de fase pueden
ser compensadas sustancialmente por la diferenciación en el
receptor. Junto con la codificación de canal, los errores de la fase
de exploración hasta \pm5T (T = ciclo de exploración) - esto
corresponde a \pm500% respecto de un ciclo de símbolo de canal o
\pm2% respecto de la longitud de bloque sin intervalo de guarda -
no conducen a repercusiones apreciables sobre la tasa de errores de
bits. Por tanto, la codificación diferencial en la dirección de la
portadora ahorra una ecualización de fase, así como complejos
procedimientos de sincronización, por medio de un procedimiento de
modulación muy sencillo.
Los pequeños requisitos impuestos a la
sincronización de fase permiten un procedimiento de sincronización
sencillo. Se amplía para ello la secuencia de emisión de un bloque
con una pausa de emisión y un preámbulo. La figura 3 muestra una
secuencia de emisión a[k] de esta clase. La detección del
preámbulo y, por tanto, la sincronización de fase se efectúan en el
lado del receptor en tres pasos:
- correlación en el receptor,
- eventual cálculo de pendiente de los valores
totales y
- decisión de valor umbral.
Las simulaciones han demostrado que se consigue
así una precisión de \pmT. Por tanto, no se agotan las
tolerancias. La pérdida por sincronización es mínima en este caso.
El procedimiento se puede integrar simplemente en un módulo digital,
ya que la correlación y el cálculo de la pendiente se pueden
materializar como un filtro FIR (Finite Impulse Response = respuesta
de impulso finita). El coeficiente del filtro de correlación
hkor[k] resultan de la secuencia de preámbulo enviada
hsync[k] como filtro correspondiente adaptado en señal
(filtro adaptado) según la relación:
Como secuencias de preámbulo pueden emplearse,
por ejemplo, secuencias de Barker, secuencias de Lindner o
secuencias de Lehmann (véase, por ejemplo, Klaus Lehmann: Entwurf
von Filterstrukturen zur Erzeugung mehrstufiger Codes mit
Barker-Autokorrelations-Eigenschaften,
Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik, volumen 33, 1979,
páginas 190-192). Es importante a este respecto la
función de autocorrelación aperiódica de la secuencia (véase también
Lüke, Hans Dieter: Korrelationssignale, Springer Berlín 1992). Esta
deberá tener un carácter en forma de impulsos como se muestra en la
figura 4. La figura 4 muestra una función de autocorrelación
aperiódica (AKF) de la séptima secuencia de Barker. No es necesaria
una limitación a secuencias de preámbulo binarias.
Un eventual cálculo de pendiente se refiere aquí
a la pendiente de una recta que se traza por medio de un número
limitado de valores de correlación Kw y en la que se aplican métodos
de regresión lineal. La regresión lineal minimiza la suma de los
errores cuadráticos de los puntos de la recta para obtener los
valores de correlación. La longitud de la ventana de tiempo y, por
tanto, el número de puntos que se interpolan por medio de una recta
dependen aquí del caso de aplicación o del canal. Un cálculo de
pendiente de esta clase puede materializarse también como un filtro
FIR.
La figura 5 muestra un ejemplo de un cálculo de
pendiente con regresión lineal en el caso de 10 valores de apoyo (n
= 0 a 9). En este caso, se ha trazado una recta por medio de 10
puntos para ilustrar el modo de proceder. Como alternativa, en el
caso de una AKF adecuada se puede emplear también una decisión de
valor umbral directa.
En la sincronización de portadora se tienen que
analizar dos parámetros de la oscilación de la portadora, es decir,
las repercusiones de un error de fase de portadora y una desviación
de frecuencia de portadora. Si se presenta un error de fase de
portadora \Delta\varepsilon, esto significa entonces que todas
las subportadoras experimentan un giro de fase de la cuantía del
error de fase \Delta\varepsilon según las relaciones
siguientes
Después de una desmodulación diferencial, se ha
eliminado completamente este error. Por este motivo, no es necesaria
una sincronización de fase portadora.
Por el contrario, es enteramente conveniente una
sincronización de frecuencia portadora. Se han mostrado aquí
simulaciones referentes a que queda casi sin influencia una
desviación de frecuencia de 10^{-5}, referido a la frecuencia de
exploración (en la banda de base, es decir, en el ciclo de símbolo
de canal). Desviaciones mayores originan una rápida degradación del
sistema. Los requisitos impuestos a la precisión de frecuencia del
procedimiento se pueden cumplir sin problemas con medios según el
estado actual de la técnica.
Con el nuevo sistema y sus procedimientos y
dispositivos se logra en la transmisión digital de datos una alta
eficiencia de ancho de banda y una pequeña probabilidad de errores
de bits o de mensajes, estando pasos del procedimiento y
correlaciones combinados y complementados entre sí de una manera
especialmente ventajosa. En este caso, se proporciona una
transmisión digital de datos con codificación y descodificación, en
la que, en contraste con el estado de la técnica, no es necesaria
ninguna sincronización de portadora ni de ciclo. Permanece
únicamente una sincronización de bloque que se resuelve de manera
sencilla.
La ventajosa modulación en combinación con una
codificación adecuada consigue, por ejemplo, una eficiencia de ancho
de banda de más de 1 bit/s/Hz para una "señal de cuatro fases",
tal como se representa en la figura 6 (constelación de señales para
4-PSK). Según la tasa de transmisión de datos
requerida, la probabilidad de errores de bits requerida y el ancho
de banda de transmisión disponible, el procedimiento descrito puede
realizarse de manera flexible y sin problemas mediante una simple
combinación de hardware especial, microprocesadores, procesadores de
señal digitales o ASICs a desarrollar especialmente. El sistema se
ha probado ya con éxito mediante una simulación con hardware
especialmente combinado (DSP con ordenador PC).
Claims (12)
1. Procedimiento para la transmisión digital de
mensajes en el que, para la transmisión multiportadora, se modulan
en el lado del emisor unas subportadoras con símbolos de código
paralelos, codificados en canal, de una señal de entrada (S) por
medio de una codificación diferencial en la dirección de la
frecuencia, para lo cual
- se codifican en error y/o se intercalan los
símbolos de código antes de la codificación diferencial,
- se asigna como información de sincronización
al comienzo de cada bloque de los símbolos de código generados de
conformidad con un procedimiento multitono discreto en combinación
con una modulación una secuencia de preámbulo para la sincronización
del bloque con una función de autocorrelación aperiódica en forma de
impulsos,
- se complementa el comienzo de cada bloque de
los símbolos de código, después de la codificación diferencial, con
una continuación periódica,
- se genera después de la codificación
diferencial, por medio de una conversión paralelo/serie, una señal
de salida serie (a(t)),
- se somete la señal de salida serie
(a(t)) a una conversión digital/analógica y
- se envía la señal de emisión multiportadora
(e(t)) - que comprende bloques de emisión - a la vía de
transmisión (6) en una forma discontinua en el tiempo y/o en
funcionamiento a ráfagas,
y en el que se diferencia en el lado del
receptor, por parte de la señal de emisión multiportadora recibida
(e(t)), la fase de los coeficientes de subportadora complejos
y se sincronizan bloques de los símbolos de código, para lo cual
- antes de la diferenciación se somete la señal
de emisión recibida (e(t)) a una conversión analógico/digital
con conversión serie/paralelo subsiguiente,
- se realiza para la diferenciación una
transformada de Fourier discreta,
- a continuación, se realiza una asignación
inversa de espacio de señal con una descodificación de canal
subsiguiente y, después de la descodificación de canal, se realiza
una conversión paralelo/serie,
- después de la diferenciación se efectúa una
descodificación de error o una desintercalación,
- se detectan en cada caso los respectivos
preámbulos asociados a los bloques y
- para la sincronización de bloque se realiza en
el preámbulo una sincronización de fase con ayuda de una
continuación periódica.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque como secuencias de preámbulo se utilizan
secuencias de Barker o secuencias de Lindner o secuencias de
Lehmann.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se obtiene en el lado del receptor la
sincronización de bloque en el tiempo a través de una correlación
efectuada, teniendo en cuenta los valores totales, por medio de una
decisión de valor umbral.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque se efectúa en el lado del receptor la
detección del preámbulo en tres pasos:
- correlación en el receptor,
- cálculo de pendiente de los valores totales
y
- decisión de valor umbral.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque se utiliza el método de la regresión
lineal para el cálculo de la pendiente.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se asignan los
símbolos de código antes de la codificación diferencial a un espacio
de señal según el procedimiento PSK o el procedimiento QAM y se
realiza una transformada de Fourier discreta inversa después de la
codificación diferencial.
7. Dispositivo de emisión (1) para poner en
práctica el procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque delante de un módulo de modulación de
portadora (13) están montados un codificador de canal (8) y un
módulo de codificación de error y/o de intercalación (9), porque
detrás del módulo de modulación de portadora (13) está montado un
convertidor paralelo/serie (15) y detrás de éste está montado un
convertidor digital/analógico (17), porque están previstos medios
para generar una secuencia de preámbulo con una función de
autocorrelación aperiódica en forma de impulsos para la
sincronización de bloque al comienzo de cada bloque generado (bloque
DMT, figura 3) de los símbolos de código generados de conformidad
con un procedimiento multitono discreto en combinación con una
modulación, y porque en o junto al módulo de modulación de portadora
(13) está previsto un miembro para generar una pausa de emisión o
una continuación periódica entre bloques consecutivos, con lo que en
la salida del convertidor digital/analógico (17) se generan como
seña de salida unos bloques de emisión en forma discontinua en el
tiempo y/o en funcionamiento a ráfagas.
8. Dispositivo de emisión (1) según las
reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque delante del
módulo de modulación de portadora (13) está montado un módulo de
mapeado (11) en el que se asignan los símbolos de código a un
espacio de señal según el procedimiento PSK o el procedimiento QAM,
y porque el módulo de modulación de portadora (13) comprende un
miembro para una transformada de Fourier discreta inversa.
9. Dispositivo de recepción (5) para poner en
práctica el procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se alimenta la señal de emisión recibida
(e(t)) a un convertidor analógico/digital (19) con
convertidor serie/paralelo subsiguiente (21), delante del cual está
montado un desmodulador (23), porque detrás del desmodulador (23)
están montados un módulo de codificación de error y/o de
desintercalación (27) y un convertidor paralelo/serie (30), porque
están previstos medios para retirar una pausa de emisión dispuesta
entre bloques o una continuación periódica, y porque unos medios de
sincronización presentan medios para detectar la respectiva
secuencia de preámbulo asociada a los respectivos bloques de los
símbolos de código con una función de autocorrelación aperiódica en
forma de impulsos y para realizar la sincronización con éstos.
10. Dispositivo de recepción (5) según las
reivindicaciones 6 y 9, caracterizado porque el desmodulador
(23) comprende un miembro para una transformada de Fourier discreta
y porque detrás del desmodulador (23) están montados un módulo (25)
para un mapeado inverso destinado a realizar una asignación inversa
del espacio de señal y un codificador de canal subsiguiente
(29).
11. Sistema de transmisión de mensajes para la
transmisión digital de información con un procedimiento de
transmisión multiportadora, con un dispositivo (1) para generar una
señal de emisión (a(t)) con un módulo de modulación de
portadora (13) al que se alimentan símbolos de código paralelos,
codificados en canal, de una señal de entrada (S) y en el que se
ocupan las subportadoras con los símbolos de código por medio de una
codificación diferencial en la dirección de la frecuencia,
- en el que está montado delante del módulo de
modulación de portadora (13) un módulo de codificación de error y/o
de intercalación (9) y detrás del mismo está montado un convertidor
paralelo/serie (15),
- en el que están previstos unos medios para
generar una secuencia de preámbulo con una función de
autocorrelación aperiódica en forma de impulsos para sincronizar el
comienzo de cada bloque generado (bloque DMT, figura 3) de los
símbolos de código generados de conformidad con un procedimiento
multitono discreto en combinación con una modulación, y
- en el que en o junto al módulo de modulación
de portadora (13) está previsto un miembro para generar una pausa de
emisión o una continuación periódica entre bloques consecutivos,
y con un dispositivo de recepción (5) para la
señal de emisión multiportadora recibida, en el que se siguen uno a
otro los bloques (bloque DMT, figura 3) en una forma discontinua en
el tiempo, con un desmodulador (23) en el que se diferencia la fase
de los coeficientes de subportadora complejos,
- en el que se alimenta la señal de emisión
recibida (e(t)) a un convertidor analógico/digital (19) con
convertidor serie/paralelo subsiguiente (21) que está montado
delante del desmodulador (23),
- en el que detrás del desmodulador (23) está
montado un módulo de codificación de error y/o de desintercalación
(27),
- en el que están previstos unos medios para
retirar la pausa de emisión o la continuación periódica y
- en el que están previstos unos medios para
detectar la respectiva secuencia de preámbulo asignada a los bloques
correspondientes con una función de antocorrelación aperiódica en
forma de impulsos y para sincronizar los bloques
correspondientes.
12. Sistema según la reivindicación 11,
caracterizado porque la vía de transmisión (6) es un
radioenlace o tiene un medio portador óptico o es un conductor
óptico o para la cual sirve una línea conductora de corriente o
exenta de corriente o una red correspondiente o un enlace según un
EIB (European Installation Bus = bus de instalación europeo) o una
red de distribución de corriente eléctrica.
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