ES2284540T3 - Receptor de radio con dos estapas de correcion de desplazamiento de la corriente continua, de sincronizacion y de estimacion de canal. - Google Patents

Receptor de radio con dos estapas de correcion de desplazamiento de la corriente continua, de sincronizacion y de estimacion de canal. Download PDF

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Abstract

Un receptor de radio, que comprende: un circuito (4) de extremo frontal para muestrear una señal recibida para producir una señal recibida muestreada que contiene un desplazamiento de la corriente continua; un primer circuito (8) de estimación del desplazamiento, para producir una primera estimación del desplazamiento de la corriente continua de la señal recibida muestreada; un primer restador (10), para restar la primera estimación del desplazamiento de la corriente continua respecto de la señal recibida muestreada para producir una primera señal muestreada estimada; un primer circuito (12) de detección de la sincronización, para estimar una posición de sincronización de la primera señal muestreada estimada; caracterizado por un primer estimador (14) de canal, para producir una primera estimación de canal basándose en la posición de sincronización estimada; un segundo circuito (14) de estimación del desplazamiento, para producir una segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua respecto de la primera señal muestreada estimada, después de la estimación de la posición de sincronización; y un segundo restador (16), para producir una segunda señal estimada muestreada empleando la primera señal muestreada estimada y la segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua.

Description

Receptor de radio con dos etapas de corrección de desplazamiento de la corriente contínua, de sincronización y de estimación de canal.
Campo técnico de la invención
Esta invención se refiere a un receptor de radio, y, en particular, a un receptor de radio para su uso en un sistema de comunicaciones digitales de Acceso Múltiple mediante División del Tiempo (TDMA), tal como el sistema de telefonía celular vía radio de GSM.
Antecedentes de la invención
En un transmisor de un sistema de comunicaciones digitales vía radio, los bits de información son organizados en formas de onda que modulan una señal portadora. En el receptor, la secuencia transmitida de bits es recuperada mediante la desmodulación de la señal recibida.
Un diseño, generalmente eficiente, del circuito del receptor es el receptor de radio de conversión directa, u homodino, en el cual la señal portadora recibida es convertida hacia abajo en el espectro directamente a la banda de base, sin usar ninguna frecuencia intermedia. Esta arquitectura puede ser eficiente en términos de coste, tamaño y consumo de corriente.
Un problema que puede presentarse en un receptor de conversión directa es la distorsión debida a un desplazamiento de la corriente continua. El desplazamiento de la corriente continua puede presentarse en la banda de base o en partes de radio del transmisor, o, más comúnmente, en la banda de base o en partes de radio del circuito receptor. Más específicamente, las causas principales del desplazamiento de la corriente continua en el receptor son: desadaptación del transistor en el trayecto de la señal; fugas de la señal del oscilador local en la señal recibida y en la propia conversión hacia abajo en el espectro a corriente continua en el mezclador; y una fuga grande de interferencia de canal próximo en el oscilador local y en la propia conversión hacia abajo en el espectro a corriente con-
tinua.
Como resultado de estas fuentes, la señal de desplazamiento de la corriente continua puede ser, de hecho, varios dB más grande que la magnitud de la señal de información. Es, por tanto, evidente que el desplazamiento de la corriente continua debe ser eliminado antes de que los datos se puedan recuperar satisfactoriamente.
Una parte importante del procedimiento de desmodulación en un receptor digital de TDMA es la sincronización. El propósito de la sincronización es encontrar la posición del símbolo en un tren de impulsos de la señal recibida. Esto es posible mediante la transmisión de un patrón específico del símbolo, conocido como secuencia de entrenamiento, dentro del tren de impulsos. La secuencia de entrenamiento es conocida por el receptor. Entonces, el receptor puede realizar una correlación entre la señal recibida y la secuencia de entrenamiento conocida, para encontrar la posición de sincronización. Las secuencias de entrenamiento usadas dentro del sistema se diseñan de tal manera que se optimiza el comportamiento de la sincronización cuando el tren de impulsos recibido sea una versión filtrada de los símbolos transmitidos más el ruido blanco.
De esta manera, una señal de radio recibida es convertida hacia abajo en el espectro, filtrada con un filtro de pasa-bajos, y muestreada en un circuito frontal del receptor de radio. Como es conocido, la señal muestreada y(t) puede ser descrita mediante:
y(t) = h(o)u(t) + h(1)u(t-1) + ... + h(L)u(t-L) + e(t) = HU(t) + e(t)
donde H = [h(0), ..., h(L)] es un vector con valor complejo que representa el canal de radio, y U(t) = [u(t), ..., u(t-L)] es una representación con valor complejo del símbolo transmitido en el instante t, t-1,..., t-L. Se supone que la señal e(t) es ruido blanco.
La señal muestreada y(t) es entregada, luego, a una unidad de sincronización, que correlaciona el tren de impulsos recibido con una secuencia de entrenamiento, para encontrar la posición de sincronización. Basándose en la posición encontrada de la sincronización, una unidad de estimación de canal estima, luego, los coeficientes H que definen el canal de radio. El canal estimado es entregado, luego, a un ecualizador que descodifica los datos recibidos.
Sin embargo, en presencia de componentes de corriente continua en la señal que va a ser desmodulada, el procedimiento estándar de sincronización no es el óptimo y, por tanto, la tasa de errores de bits de las señales recibidas por el receptor puede empeorar.
El documento US-A-5319679 describe una estimación de la corriente continua en una primera etapa y un procedimiento afinado adicional para obtener una estimación que va a ser eliminada a partir de la siguiente trama recibida. El documento GB-A-2328353 se refiere a la corrección del desplazamiento de la corriente continua en dos fases en las que la cancelación aproximada del desplazamiento de la corriente continua se hace en la señal analógica y una cancelación fina del desplazamiento de la corriente continua elimina el desplazamiento residual de la corriente continua antes del desplazamiento de frecuencia digital.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a un receptor de radio y a un método según las reivindicaciones 1 y 9, que proporcionan un comportamiento aceptable cuando la señal recibida incluye un desplazamiento de la corriente continua.
Más específicamente, según la invención, la componente de desplazamiento de la corriente continua es estimada en dos etapas.
En las realizaciones preferidas de la invención, se realiza una estimación aproximada de la corriente continua, y la estimación se elimina de la secuencia recibida. Luego, se realiza una sincronización aproximada para estimar la posición de sincronización dentro de la ráfaga. Subsiguientemente, se realizan, simultáneamente, una estimación aproximada de canal y una estimación más fina de la corriente continua, y se elimina la estimación afinada de la corriente continua. Finalmente, se realizan una sincronización y una estimación de canal afinadas, y la estimación afinada del canal es entregada a un ecualizador, que actúa sobre la señal recibida, después de eliminar la estimación afinada de la componente de corriente continua.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de un primer receptor de acuerdo con la invención.
La figura 2 es un diagrama de bloques esquemático de un segundo receptor de acuerdo con la invención.
La figura 3 es un diagrama de bloques esquemático de un tercer receptor de acuerdo con la invención.
La figura 4 es un diagrama de bloques esquemático de un cuarto receptor de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de la realización preferida
La figura 1 es un diagrama de bloques de un receptor de radio de acuerdo con la invención. Una señal de radio recibida por una antena 2 es convertida hacia abajo en el espectro, filtrada mediante un filtro de pasa-bajos y muestreada en un circuito frontal 4 receptor de radio de conversión directa.
La señal y(t) muestreada en el caso de una transmisión digital puede ser descrita según
x(t) = y(t) + DC
= h(0)u(t) + h(1)u(t-1) + ... + h(L)u(t-L) + DC + e(t)
= HU(t) + DC + e(t)
donde H = [h(0),..., h(L)] es un vector con valor complejo que representa el canal de radio, y U(t) = [u(t),...,
u(t-L)] es una representación con valor complejo del símbolo transmitido en el instante t, t-l,..., t-L. Se supone que la señal e(t) es ruido blanco. DC representa la componente desconocida de la corriente continua generada, bien por el transmisor de radio o bien por el receptor de radio. La señal y(t) es entregada a una memoria 6 y, también, a una primera unidad 8 de estimación de la corriente continua que hace una estimación aproximada de la corriente continua tomando el promedio sobre el tren de impulsos o sobre una parte del mismo, es decir,
\hat{D}C = \frac{1}{N} \sum\limits_{k} x(k)
donde N es el número de señales sobre las que se calcula el promedio. La estimación aproximada de la corriente continua es restada, luego, de la señal y(t), en un circuito sumador 10, dando una nueva señal
\hat{y} (t) = x (t) - \hat{D}C
Hay que advertir que el promedio se realiza sobre un número finito de símbolos, lo que supone una estimación parcial de la corriente continua, es decir,
\hat{D}C = DC - R_{DC}
\newpage
Donde R_{DC} es la componente residual de la corriente continua. Hay que advertir que R_{DC} es función del símbolo y que variará de un tren de impulsos a otro. La utilización de un promediado extendido, idealmente sobre un número infinito de trenes de impulsos, proporcionaría una mejor estimación de la componente de la corriente continua. Esto, sin embargo, no es posible, puesto que la componente de la corriente continua varía de un tren de impulsos a otro. Así, la señal \hat{y}(t) puede escribirse ahora como
\hat{y}(t) = y(t)+R_{DC} = HU(t)+R_{DC}+e(t)
La señal \hat{y}(t) es, luego, entregada a una primera unidad 12 de sincronización que correlaciona el tren de impulsos recibido con una secuencia de entrenamiento (TS) para encontrar una posición de sincronización aproximada. La posición de sincronización aproximada calculada es entregada, luego, a una primera unidad 14 de estimación de canal, que estima el canal de radio y el desplazamiento de la corriente continua residual, es decir, los coeficientes H y R_{DC}, simultáneamente. Esto se puede conseguir mediante el uso de técnicas convencionales de estimación de Mínimos Cuadrados, extendiendo el modelo de canal para incluir una toma de corriente continua. La componente \hat{R}_{DC} residual estimada de la corriente continua es, luego, extraída de la unidad de estimación de canal y restada de \hat{y}(t), en un segundo sumador 16, dando una nueva señal \hat{\hat{y}}(t). Se puede suponer que, ahora, esta señal sea escrita según:
\hat{\hat{y}}(t) = h(0)u(t) + h(1)u(t-1) + ... + h(L)u(t-L) + e(t) = HU(t) + e(t)
La señal \hat{\hat{y}}(t) es entregada, luego, a una segunda unidad 18 de sincronización, que correlaciona el tren de impulsos recibido con la secuencia de entrenamiento (TS) para encontrar una mejor posición de sincronización. La posición de sincronización es entregada, luego, a una segunda unidad 20 de estimación de canal, que estima el canal de radio, es decir, los coeficientes H, de la misma manera que se ha descrito antes. El canal estimado \hat{H}_{2}, junto con la señal \hat{\hat{y}}(t), es entregado, luego, a un ecualizador 22 para tratamiento posterior.
La figura 2 muestra una realización alternativa de la invención.
La ganancia de comportamiento conseguida mediante una sincronización adicional y la estimación del canal se obtiene cuando la calidad de la señal es buena. Así, para ahorrar corriente, lo que proporcionará, por ejemplo, mayores tiempos en espera y en conversación en un teléfono móvil, se puede tomar una decisión sobre si realizar o no la segunda sincronización y la estimación de canal. Los componentes del circuito de la figura 2 que corresponden a los del circuito de la figura 1 tienen los mismos números de referencia. En el circuito de la figura 2, la primera estimación de la corriente continua, la sincronización y la estimación del canal están preparadas como antes. Las tomas estimadas del filtro de canal, junto con una medida de la calidad de la señal, por ejemplo, una estimación de la Relación entre Señal y Ruido (S\hat{N}R), son entregadas desde la primera unidad 14 de estimación de canal a una unidad 28 de control, que decide si la segunda sincronización y la estimación de canal deben ser realizadas o no. Si la SNR está por encima de un umbral, se realizan la segunda sincronización y la estimación de canal. En caso contrario, no se realizan. Si es así, la segunda sincronización y la estimación de canal se realizan según lo descrito más arriba. Si no, la señal \hat{\hat{y}}(t) y la estimación \hat{H}_{1} de canal son entregadas al ecualizador 22 que descodifica los datos.
La figura 3 muestra otra realización alternativa de la invención.
En algunos sistemas celulares, el desplazamiento de fase, es decir, un desplazamiento de fase entre símbolos transmitidos, es introducido en los símbolos transmitidos. Este desplazamiento de fase es introducido para facilitar la ejecución práctica de la arquitectura del transmisor. Por ejemplo, el nuevo sistema celular EDGE (Velocidades de transmisión de datos mejoradas para la evolución del GSM) utiliza modulación de 8-PSK con un cambio de fase (desplazamiento de fase) de 67,5º entre símbolos transmitidos. Para compensar este desfase en el receptor, tiene que suprimirse la rotación de la señal recibida. Sin embargo, una eliminación de la rotación de una señal con una componente de corriente continua produce una señal con una componente rotativa de la corriente continua.
La figura 3 muestra un receptor adecuado para esta situación. De nuevo, los componentes del circuito de la figura 3 que corresponden a los de la figura 1 reciben los mismos números de referencia. En el circuito de la figura 3, la primera estimación aproximada de la corriente continua y la substracción de la corriente continua se realizan según lo descrito más arriba. Luego, se elimina la rotación de la señal \hat{y}_{1}(t) en un elemento 32 de eliminación de la rotación con un desfase (-\theta) que corresponde al desplazamiento (\theta) introducido en el transmisor. La salida \hat{y}(t) del elemento 32 de eliminación de la rotación es entregada, luego, a la primera unidad 12 de sincronización que estima una posición de sincronización. Esta posición es entregada, luego, a la unidad 14 de estimación de canal, que estima las tomas de filtro de canal y la componente residual de la corriente continua, considerando el comportamiento rotativo de la componente de la corriente continua. Esto puede hacerse, también, usando técnicas estándares de estimación de Mínimos Cuadrados. La estimación del desplazamiento residual de la corriente continua es entregada a una unidad 34 de rotación, que aplica una rotación adecuada a la componente residual de la corriente continua, y se resta de la señal \hat{y}(t), dando una señal \hat{\hat{y}}(t). El tratamiento posterior de la señal  \hat{\hat{y}}(t) se realiza según lo descrito más arriba.
Además, en este caso, uno puede agregar una unidad de control que decida si la segunda sincronización y la estimación de canal van a llevarse a cabo o no, según lo descrito haciendo referencia a la figura 2.
La figura 4 muestra una realización alternativa adicional de la invención.
Al usar un receptor de conversión directa, un elemento interferente próximo producirá un escalón de corriente continua cuando crezca su señal. Este escalón de corriente continua puede degradar, o no, el comportamiento de la sincronización si está situado en la secuencia de entrenamiento. Los componentes del circuito de la figura 4 que corresponden a los de la figura 1 reciben los mismos números de referencia. El circuito de la figura 4 permite que el impacto de tal escalón de corriente continua se reduzca al mínimo.
Primero, la señal \hat{y}(t) es calculada como antes, utilizando el promediado de las muestras recibidas del tren de impulsos. Las muestras son, luego, diferenciadas en un diferenciador 42, es decir, se calcula \hat{y}(t)-\hat{y}(t-1), y son entregadas a la unidad 12 de sincronización, que estima una primera posición de sincronización. La diferenciación se utiliza para reducir el impacto del escalón de corriente continua al hacer la primera sincronización. La posición de sincronización es entregada, luego, a la unidad 44 de estimación de canal junto con las muestras \hat{y} no diferenciadas. La unidad de estimación de canal estima, ahora, las tomas de filtro de canal y la componente residual de la corriente continua, teniendo en cuenta, también, el escalón de corriente continua. Es decir, el modelo que se va a estimar es \hat{y} = HU + DC + a*S_{DC}(k),
donde a es el nivel de escalón desconocido, y la señal de escalón S_{DC}(k) consiste en k-1 ceros consecutivos y M-k unos consecutivos, donde M es el número de símbolos en la secuencia de entrenamiento. Puesto que la posición k del escalón de corriente continua S_{DC} es desconocida, deben tomarse medidas para:
1. Suponer que el escalón de corriente continua se produce a la mitad de la secuencia de entrenamiento, o
2. Utilizar información proveniente de la diferenciación que dará lugar a un pico en la posición del escalón de corriente continua, o
3. Evaluar todas las posibles posiciones k en la secuencia del entrenamiento. Minimizar el error cometido usando estas diversas posiciones al estimar el modelo. Es decir, para cada posición k en la secuencia de entrenamiento, estimar el modelo \hat{y}(k)-HU+DC+S_{DC}(k). Calcular la diferencia con los símbolos recibidos,
Err(k) = \sum\limits_{l=1}^{M} y_{1} - \hat{y}_{1}(k),
encontrar k que minimiza la energía de [Err(k)].
Esto puede hacerse, de nuevo, usando técnicas estándar de estimación de Mínimos Cuadrados. La estimación del desplazamiento residual de la corriente continua junto con el escalón de corriente continua estimado y su posición asociada se restan, luego, a la señal \hat{y}(t), dando una señal \hat{\hat{y}}(t). El tratamiento adicional de la señal \hat{\hat{y}}(t) se hace según lo descrito más arriba.
También, en este caso, se puede agregar una unidad de control, según lo mostrado en la figura 2, que decida si la segunda sincronización y la estimación de canal han de ser realizadas o no. Además, en caso de que haya desplazamiento de fase en la modulación, puede usarse, también, en este caso, la misma técnica de eliminación de la rotación que se ha descrito haciendo referencia a la figura 3. Finalmente, el método mencionado más arriba para tener en consideración el escalón de corriente continua se puede ejecutar, también, sin la unidad de diferenciación, lo que implica que la primera sincronización se hace en la señal ordinaria.
Quedan descritos, de esta manera, receptores de radio que proporcionan sincronización mejorada en presencia de una componente de desplazamiento de la corriente continua.

Claims (16)

1. Un receptor de radio, que comprende:
un circuito (4) de extremo frontal para muestrear una señal recibida para producir una señal recibida muestreada que contiene un desplazamiento de la corriente continua;
un primer circuito (8) de estimación del desplazamiento, para producir una primera estimación del desplazamiento de la corriente continua de la señal recibida muestreada;
un primer restador (10), para restar la primera estimación del desplazamiento de la corriente continua respecto de la señal recibida muestreada para producir una primera señal muestreada estimada;
un primer circuito (12) de detección de la sincronización, para estimar una posición de sincronización de la primera señal muestreada estimada;
caracterizado por
un primer estimador (14) de canal, para producir una primera estimación de canal basándose en la posición de sincronización estimada;
un segundo circuito (14) de estimación del desplazamiento, para producir una segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua respecto de la primera señal muestreada estimada, después de la estimación de la posición de sincronización; y
un segundo restador (16), para producir una segunda señal estimada muestreada empleando la primera señal muestreada estimada y la segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua.
2. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la primera señal muestreada estimada contiene un desplazamiento residual de la corriente continua, estando el segundo circuito de estimación de desplazamiento destinado a producir una estimación del desplazamiento residual de la corriente continua, y estando el segundo restador destinado a producir la segunda señal muestreada estimada por substracción de la estimación del desplazamiento residual de la corriente continua de la primera señal muestreada estimada.
3. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 1, que comprende, además:
un segundo circuito (18) de detección de la sincronización, para estimar una posición de sincronización de la segunda señal muestreada estimada;
un segundo estimador (20) de canal, para producir una segunda estimación de canal basándose en la segunda posición de sincronización estimada; y
un ecualizador (22), para tratar la segunda señal muestreada estimada basándose en la segunda estimación de
canal.
4. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 3, que comprende, además:
una unidad (28) de control, para determinar si se aplican o no señales al segundo circuito de detección de la sincronización y al segundo estimador de canal basándose en una estimación de la calidad de la señal.
5. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 4, en el que el primer estimador de canal está destinado a estimar la calidad de la señal, y la unidad de control está destinada a determinar que las señales son aplicadas al segundo circuito de detección de la sincronización y al segundo estimador de canal solamente cuando la calidad de la señal estimada excede un umbral.
6. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 4, en el que, si la unidad de control determina no aplicar señales al segundo circuito de detección de sincronización y al segundo estimador de canal, el ecualizador está destinado a usar la primera estimación de canal para tratar la segunda señal muestreada estimada.
7. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 1, que comprende, además:
un eliminador (32) de la rotación, para aplicar una rotación negativa a la primera señal muestreada estimada;
y
un rotador (34), para aplicar una rotación a la segunda estimación del desplazamiento de la corriente conti-
nua.
8. Un receptor de radio según se reivindica en la reivindicación 1, que comprende, además:
un diferenciador (42), para calcular un valor diferencial de la primera señal muestreada estimada, antes de la aplicación de la misma al primer circuito de sincronización, y
un estimador (44) de escalón, para estimar una magnitud de un escalón de corriente continua en la señal reci-
bida,
en el que el segundo restador está destinado a substraer la estimación de la magnitud del escalón de corriente continua de la primera señal muestreada estimada.
9. Un método de tratamiento de una señal recibida, que comprende:
muestrear la señal recibida para producir una señal recibida muestreada que contiene un desplazamiento de la corriente continua;
producir una primera estimación del desplazamiento de la corriente continua de la señal recibida muestreada;
substraer la primera estimación del desplazamiento de la corriente continua de la señal recibida muestreada para producir una primera señal muestreada estimada;
estimar una posición de sincronización de la primera señal muestreada estimada;
caracterizado por
producir una primera estimación de canal basándose en la posición de sincronización estimada;
producir una segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua de la primera señal muestreada estimada después de la estimación de la posición de sincronización; y
producir una segunda señal muestreada estimada usando la primera señal muestreada estimada y la segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua.
10. Un método según se reivindica en la reivindicación 9, en el que la primera señal muestreada estimada contiene un desplazamiento residual de la corriente continua, que comprende producir una estimación del desplazamiento residual de la corriente continua, y producir la segunda señal muestreada estimada mediante la substracción de la estimación del desplazamiento residual de la corriente continua de la primera señal muestreada estimada.
11. Un método según se reivindica en la reivindicación 9, que comprende, además:
estimar una posición de sincronización de la segunda señal muestreada estimada;
producir una segunda estimación de canal basándose en la segunda posición estimada de la sincronización; y
tratar la segunda señal muestreada estimada en un ecualizador basándose en la segunda estimación de canal.
12. Un método según se reivindica en la reivindicación 11, que comprende, además:
determinar si se estima o no la posición de sincronización de la segunda señal muestreada estimada y producir la segunda estimación de canal, basándose en una estimación de la calidad de la señal.
13. Un método según se reivindica en la reivindicación 12, que comprende estimar la calidad de la señal, y determinar que se estime la posición de sincronización de la segunda señal muestreada estimada, y que se produzca la segunda estimación de canal, sólo cuando la calidad de la señal estimada exceda un umbral.
14. Un método según se reivindica en la reivindicación 12, que comprende, si se determina no estimar la posición de sincronización de la segunda señal muestreada estimada o producir la segunda estimación de canal:
tratar la segunda señal muestreada estimada en un ecualizador basándose en la primera estimación de canal.
15. Un método según se reivindica en la reivindicación 9, que comprende, además:
aplicar una rotación negativa a la primera señal muestreada estimada; y
aplicar una rotación a la segunda estimación del desplazamiento de la corriente continua.
16. Un método según se reivindica en la reivindicación 9, que comprende, además:
calcular un valor diferencial de la primera señal muestreada estimada, antes de la aplicación de la misma al primer circuito de sincronización,
estimar la magnitud de un escalón de corriente continua en la señal recibida, y
substraer la estimación de la magnitud del escalón de corriente continua de la primera señal muestreada estimada.
ES00975914T 1999-10-29 2000-10-25 Receptor de radio con dos estapas de correcion de desplazamiento de la corriente continua, de sincronizacion y de estimacion de canal. Expired - Lifetime ES2284540T3 (es)

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