ES2308015T3 - Modulacion y demodulacion de una combinacion de señales analogicas y digitales. - Google Patents
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Abstract
Un método para modular una combinación de señales analógicas y digitales en el que una señal de datos digital (D) se modula por medio de una Modulación de Amplitud en Cuadratura de portadora única (QAM) o una Modulación Múltiplex por División de Frecuencias Ortogonal multi-portadora y una señal analógica (A) se modula por medio de una modulación de banda lateral única (SSB), caracterizado porque el método comprende las etapas de a) realizar una modulación base de portadora única o multi-portadora de la señal de datos digital (D), generando una componente en fase (uI , oI) y una componente en cuadratura (uQ, oQ) de la señal digital modulada, b) realizar una modulación base SSB de la señal analógica (A), generando una componente en fase (sI) y una componente en cuadratura (sQ) de la señal analógica modulada, c) sobre-muestrear las componentes de al menos una de las señales digital y analógica moduladas, generando componentes muestreadas por igual en fase (u''''''I ; o''''''I ; s''''''I) y en cuadratura (u''''''Q; o''''''Q; s''''''Q) con tasas de muestreo ajustadas, d) sumar las componentes muestreadas por igual correspondientes de las señales digital y analógica moduladas, generando una componente suma en fase (y''I ) y una componente suma en cuadratura (y''Q), y e) realizar una modulación de la frecuencia portadora de las componentes sumadas (y''I , y''Q), sumando las componentes moduladas de frecuencia portadora (yI , yQ) y transmitiendo la señal suma resultante (yT).
Description
Modulación y demodulación de una combinación de
señales analógicas y digitales.
La invención se refiere al campo de la
comunicación digital. Se refiere a un método y un módem para modular
una combinación de señales analógicas y digitales, como se describe
en el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 6, respectivamente, y
un método y un módem para demodular una combinación de señales
analógicas y digitales como se describe en el preámbulo de las
reivindicaciones 4 y 9, respectivamente.
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Una tecnología bien conocida para transmitir
señales analógicas sobre canales de alta frecuencia es la modulación
de banda lateral única (SSB), como se describe por ejemplo en
Philip F. Panter, Modulation, Noise, and Spectral Análisis,
Mc-Graw-Hill, 1965, páginas 180 a
196. Un tipo de modulación SSB se llama modulación SSB de Weaver.
Su principal complejidad de cálculo descansa en la interpolación y
en las etapas de submuestreo y sobremuestreo.
Para la transmisión de datos digitales, la
transmisión de datos de canal único basada en la Modulación de
Amplitud en Cuadratura (QAM) o en la transmisión de datos
multi-canal basada en el Múltiplex por División de
Frecuencias Ortogonal (OFDM), también conocido como una modulación
de Multitonos Discreta (DTM), son esquemas de modulación flexibles
bien conocidos. De forma similar, el principal esfuerzo de cálculo
se invierte en las etapas de submuestreo o sobremuestreo.
Algunos sistemas o aplicaciones pueden requerir
la transmisión en paralelo de las señales analógicas moduladas en
SSB así como los datos digitales modulados en QAM o OFDM, es decir,
un modo de operación híbrido. Tal modo de transmisión híbrido se
requiere por ejemplo para las aplicaciones de comunicaciones sobre
líneas de potencia de banda ancha, donde la señal analógica
típicamente es una señal de voz. Una sencilla implementación en
paralelo y la operación de los sistemas conocidos de SSB y QAM/OFDM
resultaría en una carga de cálculo total muy elevada tanto en el
modulador o transmisor como en el demodulador o receptor.
La patente US 5.956.373 describe un transmisor y
un receptor para transmitir o recibir una señal compuesta
comprendida de una señal digital modulada en QAM y una señal
analógica modulada en AM. Usa un sumador para sumar una componente
en fase de la señal digital y la señal analógica, y una parte de
modulación de frecuencia portadora común para modular en fase y en
cuadratura componentes de la señal compuesta.
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Es por lo tanto un objetivo de la invención
crear un método y un módem para modular una combinación de señales
analógicas y digitales y un método y un módem para demodular una
combinación de señales analógicas y digitales del tipo mencionado
inicialmente, teniendo cada una esfuerzo de cálculo reducido.
Estos objetos se consiguen por un método y un
módem para modular una combinación de señales analógicas y
digitales, de acuerdo con la reivindicación 1 y 6, respectivamente,
y un método y un módem para demodular una combinación de señales
analógicas y digitales de acuerdo con las reivindicaciones 4 y 9
respectivamente.
El método inventivo para modular una combinación
de señales analógicas y digitales en el cual se modula una señal de
datos digital por medio de la modulación de amplitud en cuadratura
(QAM) o por medio de la modulación de Múltiplex por División de
Frecuencias Ortogonal (OFDM) y se modula una señal analógica por
medio de una modulación de banda lateral única (SSB) comprende las
etapas de
\bullet realizar una modulación base de
portadora única o multi-portadora de la señal de
datos digital, generando una componente en fase y una componente en
cuadratura de la señal digital modulada,
\bullet realizar una modulación base SSB de
una señal analógica, generando una componente en fase y una
componente en cuadratura de la señal modulada analógica,
\bullet sobre-muestrear las
componentes de al menos una de las señales moduladas digital y
analógica, creando por lo tanto señales moduladas digitales y
analógicas con el mismo muestreo,
\bullet sumar las componentes correspondientes
de las señales digitales y analógicas moduladas con el mismo
muestreo, y,
\bullet realizar una modulación de una
frecuencia portadora de las componentes sumadas, sumando las
componentes moduladas de la frecuencia portadora y transmitiendo el
resultado de la señal suma.
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El método inventivo para demodular una
combinación de señales analógicas y digitales en el que una señal
modulada en una frecuencia portadora recibida se demodula por medio
de una demodulación de amplitud en cuadratura de una portadora
única o por medio de una demodulación de múltiplex por división de
frecuencias ortogonal multi-portadora y se demodula
una señal analógica por medio de una demodulación de banda lateral
única que comprende las etapas de:
\bullet realizar una demodulación de la
frecuencia portadora de la señal recibida, con señales portadoras
ortogonales, generando componentes en fase y en cuadratura de la
señal recibida,
\bullet realizar una demodulación base SSB de
las componentes en fase y en cuadratura de la señal recibida,
generando una señal analógica reconstruida, y
\bullet realizar una demodulación base de
amplitud en cuadratura de portadora única o
multi-portadora de las componentes en fase y en
cuadratura de la señal recibida, generando una señal digital
reconstruida.
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La invención reduce el esfuerzo de cálculo total
para modular las señales digitales y analógicas realizando la
modulación de la frecuencia portadora o la demodulación para ambas
señales de una sola vez.
En una variante preferida de la invención, la
componente en fase y la componente en cuadratura de la señal
analógica o digital modulada se mueven, es decir se desplazan en
frecuencia, a una frecuencia de desplazamiento respectiva relativa
a la frecuencia portadora común. Esto permite posicionar la banda de
frecuencia asignada a la transmisión de la señal analógica modulada
a una posición arbitraria con respecto a la banda de frecuencia
asignada para la transmisión de la seña digital modulada. En
particular, esto permite combinar más de una señal analógica
modulada con más de una señal digital modulada, teniendo con cada
señal modulada una banda asociada de frecuencias diferentes entre
sí.
El módem de la inventiva comprende un medio para
realizar el método inventivo para la modulación y/o para la
demodulación de las señales digitales y analógicas combinadas.
Realizaciones preferidas adicionales son
evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes de la
patente.
El tema objeto de la invención se explicará con
más detalle en el siguiente texto con referencia a las realizaciones
de ejemplo preferidas, que se ilustran en los dibujos adjuntos, en
las que:
la Figura 1 muestra un espectro de la señal
modulada de frecuencia portadora transmitida;
la Figura 2 es un diagrama de bloques de un
transmisor de acuerdo con la invención;
la Figura 3 es un diagrama de bloques de un
receptor de acuerdo con la invención.
Los símbolos de referencia usados en los
dibujos, y sus significados, se listan en forma de resumen en la
lista de denominaciones. En principio, a las partes idénticas se les
proporciona con los mismos símbolos de referencia en las
figuras.
La Figura 1 muestra un espectro de una señal
transmitida modulada de una frecuencia portadora. Un espectro de
transmisión disponible, indicado por su frecuencia portadora
f_{c} se comparte entre tres señales de datos digitales
moduladas y una señal analógica modulada. La señal analógica A_{1}
típicamente representa un canal de comunicaciones de voz. La señal
analógica modulada ocupa una banda de frecuencias con un ancho de
banda B_{A} y una frecuencia media f_{c} + f_{A}
donde f_{A} es el desplazamiento de frecuencia entre la
frecuencia portadora f_{c} y la frecuencia media.
Una primera señal digital D1 se modula de
acuerdo con el esquema OFDM, los subcanales asignados ocupan un
ancho de banda B_{O1} centrado alrededor de la frecuencia media
f_{c} + f_{O1}, donde f_{O1} es el
desplazamiento de frecuencia entre la frecuencia portadora
f_{c} y la frecuencia media. De forma similar, se modula
una segunda señal digital en subcanales centrados alrededor de la
frecuencia media f_{c} + f_{O2}. Los
sub-canales asignados ocupan un ancho de banda
B_{O2}. Se modula una tercera señal digital D2 de acuerdo
con el esquema QAM sobre una portadora única a la frecuencia
f_{c} + f_{Q}, el ancho de banda ocupado por lo tanto se
denomina B_{Q} y comprende también lóbulos laterales.
Para optimizar el uso del ancho de banda total
disponible, una señal digital modulada en OFDM única puede ocupar
la totalidad del espectro de transmisión disponible con la excepción
de las bandas ocupadas por otras señales analógicas moduladas o
digitales de portadora única. Como se describe en el documento EP
1164762, esto se hace configurando las señales
sub-portadoras de la modulación OFDM de modo que el
espectro de la señal OFDM no interfiere con la banda reservada para
las otras señales, es decir no se mapean datos a las
sub-portadoras de la señal OFDM que interferirían
con las bandas reservadas para las otras señales.
De acuerdo con la invención, tanto la señal
analógica A1 como las señales de carga útil digital D_{1}, D_{2}
se modulan o demodulan con el mismo modulador de frecuencia
portadora (CF) 4 o el demodulador de frecuencia portadora 8,
respectivamente (de las Fig. 2 y Fig. 3 de más adelante). Antes de
modularse por el modulador de frecuencia portadora 4, la señal
digital D_{1} se modula por un modulador base de amplitud en
cuadratura multi-portadora 1, la seña digital
D_{2} se modula por el modulador base de amplitud en cuadratura de
portadora única 3 y la señal analógica A_{1} se modula por el
modulador base SSB 2. Las diversas señales banda base moduladas
creadas son por lo tanto señales de valor real de paso bajo. En
general, la parte restante de la generación de la señal de
transmisión consiste de interpolación y modulación a las diferentes
frecuencias portadoras. Como las bandas de frecuencia de las
diversas señales están en el mismo rango, parte de esta
interpolación y modulación pueden compartirse mejorando la eficacia
de cálculo comparado con el tratamiento separado. Por lo tanto, al
menos uno de los moduladores base 1, 2, 3 comprende una etapa de
sobremuestreo para asegurar que las diversas señales banda base
moduladas se han muestreado o ajustado por igual, es decir tienen
las mismas tasas de muestreo. Estas señales moduladas con el mismo
muestreo se suman y finalmente sufren la modulación con una
frecuencia portadora común.
A continuación se describe la modulación para
una señal OFDM con una frecuencia portadora f_{c} + f_{O}, para
una señal QAM de portadora única con una frecuencia portadora
f_{c} + f_{Q}, y una señal analógica con una frecuencia
portadora f_{c} + f_{A}. Para realizar la interpolación y
modulación eficaz, la modulación por las frecuencias portadoras se
realiza en dos etapas aplicando el teorema de la suma para las
funciones trigonométrica sen y cos:
\vskip1.000000\baselineskip
cos(\alpha + \beta) = cos \alpha
cos \beta - sen \alpha sen \beta
sen(\alpha + \beta) = cos \alpha
sen \beta + sen \alpha cos \beta
\vskip1.000000\baselineskip
Para compartir una etapa de modulación común las
señales se modulan por f_{O}, f_{Q} o f_{A} en una primera
etapa. Las etapas de interpolación antes y después de la etapa de la
primera modulación se eligen cuidadosamente de modo que se
satisface el teorema del muestreo.
La demodulación inventiva se realiza de forma
analógica, resultando en una demodulación OFMD, QAM y SSB que
tienen un demodulador de frecuencia portadora común 8.
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de un
transmisor de acuerdo con la invención, ilustrando los tres
procedimientos de preparación de la señal. En la Figura, la n
puesta entre paréntesis como por ejemplo o_{1}(n),
o'_{1}(n) indica que la señal respectiva es discreta
en el tiempo, siendo n una variable de conteo. Por
simplicidad de representación, se usa el mismo símbolo n para
todas las señales, pero durante la operación, debido a las etapas
de sobremuestreo y submuestreo, los contadores respectivos de
n para las señales con tasas de muestreo diferentes contarán
con diferentes tasas. En el siguiente texto, sin embargo, se ha
omitido enteramente el símbolo n.
Se usa una implementación digital del método de
modulación OFDM, en el que, en el modulador base de OFDM 1,
el generador de vectores QAM 11 genera un vector de coeficientes de
frecuencia de acuerdo con los bits de la entrada digital puestos en
paralelo desde la señal de entrada digital D1. A partir del vector
de coeficientes de frecuencia, la transformada inversa rápida de
Fourier 13 genera una componente en fase I y una componente en
cuadratura Q ortogonales. En el bloque 14, cada una de dichas
componentes se complementan con un prefijo cíclico y,
adicionalmente se complementan por delante y por detrás con muestras
cíclicas que se ponderan para realizar la conformación de pulsos,
dando como resultado dos secuencias de valores reales, a la tasa de
muestreo 1/T_{o}, de la componente en fase
o_{I}(n) y la componente en cuadratura
o_{Q}(n) de la señal digital modulada.
Para preparar la señal OFDM para un
desplazamiento de frecuencia, las componentes se sobremuestrean por
el factor m_{1O} por el sobre-muestreador
15, donde
debe satisfacerse para cumplir el
teorema de muestreo en la siguiente etapa de modulación. Además,
m_{1O} es un factor de T_{0}/T, ya que se
establece la siguiente relación entre la tasa de muestreo
1/T0 y el último tiempo de muestreo T de la señal
transmitida (véase más adelante) por las etapas de sobremuestreo
que
intervienen:
Las versiones sobre-muestreadas
de o_{I} y o_{Q} se denominan o_{I}' y
o_{Q}' respectivamente.
En la siguiente etapa de modulación, en el
conversor de frecuencia del modulador OFDM 16, las frecuencias
centrales del espectro de o_{I}' y o_{Q}' se
mueven a \pm f_{0}.
donde T_{10} = T_{0} /
m_{10}. La suma de o''_{II} y o''_{QQ} hacen
la señal o''_{I} y la diferencia entre o''_{QI} y
o''_{IQ} la señal
o''_{Q}.
Finalmente los
sobre-muestreadores de QAM 18 generan las
componentes I y Q correspondientes o'''_{I} (n),
o'''_{Q} (n) con tasas de muestreo más elevadas como se requiere por la última suma de las diferentes componentes (véase más adelante). Se implementa un sobre-muestreador por ejemplo por la inserción de puntos de muestreo adicionales seguido de un filtrado de paso bajo.
o'''_{Q} (n) con tasas de muestreo más elevadas como se requiere por la última suma de las diferentes componentes (véase más adelante). Se implementa un sobre-muestreador por ejemplo por la inserción de puntos de muestreo adicionales seguido de un filtrado de paso bajo.
La segunda señal digital D2 se procesa en un
modulador base de amplitud en cuadratura 3 como sigue. El flujo de
datos de la QAM de portadora única u(n) resultante del
mapeador de QAM 31 es una secuencia compleja de tiempo discreto con
una tasa de símbolos 1/T_{Q}. Para el procesamiento posterior, la
señal compleja se representa como dos secuencias de valores reales
u_{I}(n) y u_{Q}(n) que contienen las componentes
en fase y en cuadratura, respectivamente. Estas secuencias se
rellenan con N_{Q} - 1 ceros en el rellenador de ceros 32 y se
filtra por la forma de pulso g(n) en el conformador de pulsos
33. La señal resultante tiene una tasa de muestreo
1/(N_{Q}T_{Q}).
Para tener una atenuación suficiente del lóbulo
lateral, se reserva una banda de frecuencia con un ancho de banda
B_{Q}, dicho B_{Q} = 4/T_{Q} se reserva para la señal
QAM. La señal QAM de portadora única se
sobre-muestrea por un factor m_{1Q} en los
primeros sobre-muestreadores de QAM 35, donde
debe satisfacerse para cumplir el
teorema del muestreo en la siguiente etapa de modulación. Además,
m_{1Q} es un factor de T_{Q} / (N_{Q}T). Las
versiones sobre-muestreadas de u_{I} y
u_{Q} son u'_{I} y u'_{Q},
respectivamente.
En la siguiente etapa de modulación, en el
conversor de frecuencias del modulador de QAM 36, las frecuencias
medias del espectro de u'_{I} y u'_{Q} se mueven a
\pm f_{Q}.
donde T_{1Q} =
T_{Q}/_{NQ}m_{1Q}. La suma de u''_{II} y
u''_{QQ} hace la señal u''_{I} y la diferencia de
u''_{QI} y u''_{IQ} hace la señal
u''_{Q}.
En el modulador base de SSB 3 la entrada
analógica A1 se muestrea con el convertidor A/D 21 del modulador
con un tiempo de muestreo T_{S} generado por el reloj del
convertidor A/D del modulador 22. Una implementación digital del
método de Weaver para la modulación SSB se extiende en lo siguiente,
como parte de la presente invención: Para realizar un filtrado paso
banda eficaz (con frecuencias de corte inferior y superior f_{u}
y f_{o}) la señal muestreada s(n) se trata en los
multiplicadores del modulador SSB 23 con un modulador de coseno
y un modulador de
seno
respectivamente, donde f_{B} =
(f_{u} + f_{o}) /2 es la frecuencia media de la banda
deseada de la entrada analógica (con f_{B} << f_{C}), y
B_{A} = (f_{o} - f_{u}) es el ancho de banda
correspondiente. Las modulaciones localizan la banda deseada de la
entrada analógica simétricamente alrededor de 0 Hz, variando desde
- (f_{o} + f_{u})/2 a (f_{o} - f_{u})/2. Esto permite
implementar un filtrado paso banda de la señal original
s(n) en la forma de filtros paso bajo con una
frecuencia de corte (f_{o} - f_{u})/2, implementado en los
filtros paso bajo del modulador de SSB
24.
Ambas señales filtradas s_{I} y s_{Q} ahora
se sobre-muestrean, en el primer
sobre-muestreador del modulador SSB 25, por un
factor m_{1A}, donde
debe satisfacerse para cumplir el
teorema del muestreo en la siguiente etapa de modulación. Además,
m_{1A} es un factor de T_{s}/T, ya que la
siguiente relación entre el tiempo de muestreo analógico
T_{s} y la frecuencia portadora final f_{c} se
establece por las etapas de sobremuestreo que intervienen (véase
más
adelante):
Las versiones sobre-muestreadas
de s_{I} y s_{Q} se denominan s'_{I} y
s'_{Q}, respectivamente.
En la siguiente etapa de modulación, en el
conversor de frecuencia del modulador SSB 26, las frecuencias medias
del espectro de s'_{I} y s'_{Q} se desplazan a
una frecuencia con una desviación de \pm f_{A}.
\vskip1.000000\baselineskip
donde T_{1A} = T_{S}
/m_{1A}. La suma de s''_{II} y s''_{QQ} hace
la señal s''_{I} y la diferencia entre s''_{QI} y
s''_{IQ} hace la señal
s''_{Q}
En una realización preferida de la invención,
f_{A} = 0; es decir la modulación SSB completa como se
implementa en el modulador base de SSB 2 junto con el modulador de
frecuencia de portadora 4 corresponde al método Weaver.
Para ajustar las tasas de muestreo de los datos
analógicos modulados s''_{I} y s''_{Q} con las de
las señales OFDM o''_{I} y o''_{Q} y/o las señales
QAM de portadora única u''_{I} y u''_{Q}, una de
las cuales o todas están sobre-muestreadas. La
entrada analógica se sobre-muestrea en los segundos
sobre-muestreadores del modulador opcionales de SSB
28 por m_{2A}, los datos OFDM en los
sobre-muestreadores de QAM opcionales 18 por
m_{2O}, y la señal QAM de portadora única por
m_{2Q} en los sobre-muestreadores 38,
obteniendo las señales con el mismo muestreo s'''_{I},
s'''_{Q}, u'''_{I}, u'''_{Q}, o'''_{I} y o'''_{Q},
respectivamente. Si se sobremuestrean todos los pares de señales,
esto se hace preferiblemente con tasas de sobremuestreo que no
tienen factores en común. En una realización preferida de la
invención o m_{2A} o uno de m_{2O} o
m_{2Q} son iguales a uno, es decir, la etapa respectiva de
sobremuestreo se omite. De forma similar, la tasa de sobremuestreo
m_{1A} del primer sobre-muestreador del
modulador de SSB 25 se ajusta o se fija a uno, sujeto a la
inigualdad dada anteriormente y ajustando las otras tasas de
sobremuestreo de modo que las tasas de muestreo de la entrada y la
salida del modulador base de amplitud en cuadratura de portadora
única o portadoras múltiples 1, 3, el modulador base de SSB 2 y el
modulador de frecuencia de portadora 4 coinciden. En una
realización preferida de la invención, las tasas de muestreo se
eligen de modo que las operaciones caras desde el punto de vista del
cálculo tales como las filtros estrechos o filtros de etapa tales
como los filtros paso bajo del modulador de SSB 24 se ejecutan para
señales con tasas de muestreo bajas.
En un modulador de frecuencia portadora 4 las
partes I y Q de la entrada analógica modulada, la señal OFDM y/o la
señal QAM de portadora única se suman en los sumadores 9 y a
continuación experimentan el sobremuestreo, interpolación y
modulación con la frecuencia portadora final f_{c} en un
procedimiento común. En detalle, las sumas respectivas
y'_{I} y y'_{Q}
se sobre-muestrean
por un factor m_{c} = (T_{s}/T)/(m_{1A}m_{2A})
y se interpoladas en los muestreadores del modulador CF 41, y se
moduladan con la frecuencia portadora f_{c} en los
multiplicadores del modulador de CF 42 por
cos(2\pif_{c}nT) y
sen(2\pif_{c}nT), respectivamente. Las señales
resultantes y_{I} y y_{Q} se suman en el sumador
43 para formar la señal transmitida y=y_{I} +
y_{Q}, que se convierte a continuación en el convertidor
D/A del modulador 45 controlado por el reloj del convertidor D/A
del modulador 46 a una señal analógica Y_{T} para su amplificación
y
transmisión.
En una realización preferida de la invención, la
rama de SSB analógica, la de OFDM digital y/o la de QAM de
portadora única digital se amplifican o se multiplican separadamente
por diferentes factores constantes antes de sumarse en el sumador
9, de acuerdo con la proporción deseada de la potencia de
transmisión total.
La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de un
receptor de acuerdo con la invención: en el demodulador de la
frecuencia portadora 8, la señal analógica recibida X_{R} se
convierte en el convertidor A/D del demodulador 81 controlado por
el reloj del convertidor de A/D del demodulador 82, a una señal
digital x(n). La señal x(n) se trata por los
multiplicadores del demodulador CF 83 con un modulador de coseno
y en paralelo con un modulador de
seno
para generar las partes I y Q de la
señal recibida en banda base. Tanto x_{I}(n) como
x_{Q}(n) se sub-muestrean en los
sub-muestreadores del demodulador de CF 84. El
submuestreo se consigue filtrando en primer lugar en baso bajo y a
continuación muestreando la señal. Para el submuestreo se utiliza el
factor m_{c} = T_{s}/T /
(m'_{1A}m'_{2A}) resultando las señales
x'_{I}(n) y x'_{Q}(n), que
contienen contribuciones tanto de los datos digitales como de los
datos analógicos modulados en SSB. Los datos digitales pueden
contener flujos de datos QAM y flujos de datos OFDM. A partir de
este punto, la señal recibida se procesa separadamente por
diferentes receptores o demoduladores base 5, 6,
7.
El receptor o el demodulador base de amplitud en
cuadratura de portadoras múltiples 5 para los datos OFDM
sub-muestrea las señales x'_{I}(n) y
x'_{Q}(n) con los sub-muestreadores
51 de OFDM por un factor m'_{20}, si m'_{20}
>1, obteniendo p'''_{I}(n) y
p'''_{Q}(n). Tanto p'''_{I}(n) como
p'''_{Q}(n) semodulan cada una en el conversor de
frecuencia del demodulador de OFDM 52 por un modulador de coseno y
un modulador de seno con la frecuencia f_{0} obteniendo
que se superponen para construir
las señales p''_{I}(n) y
p''_{Q}(n)
p''_{I}(n) y
p''_{Q}(n) se sub-muestrean en los
segundos sub-muestreadores del demodulador de OFDM
53 por un factor m'_{10} y se filtran en baso bajo en los
filtros de paso bajo del demodulador de OFDM 54 con frecuencia de
corte B_{o} para aislar la señal OFDM y eliminar las
portadoras QAM y de datos analógicos. A partir de las señales
resultantes p_{I}(n) y p_{Q}(n) se
eliminan el prefijo cíclico y las muestras de conformación de
pulsos complementadas por delante y por detrás en el eliminador de
prefijos cíclicos 55, en la transformada rápida de Fourier 56 se
determina el vector de coeficientes de frecuencia, y en el
conversor a modo serie de QAM 57 se determinan los bits de datos
D_{1} reconstruidos y se
sacan.
El receptor o demodulador base de amplitud en
cuadratura de portadora única 7 para los datos QAM
sub-muestrea las señales x'I(n) y
x'Q(n) con los sub-muestreadores 71
por un factor m'_{2Q}, si m'_{2Q} > 1,
obteniéndose \nu''_{I}(n) y
\nu''_{Q}(n).
Tanto \nu''_{I}(n) como \nu''_{Q}(n) se modulan cada una en un conversor de frecuencia del demodulador de QAM 72 por un modulador de coseno y un modulador de seno con la frecuencia f_{Q}, obteniéndose
Tanto \nu''_{I}(n) como \nu''_{Q}(n) se modulan cada una en un conversor de frecuencia del demodulador de QAM 72 por un modulador de coseno y un modulador de seno con la frecuencia f_{Q}, obteniéndose
que se superponen para construir
las señales \nu''_{I}(n) y
\nu''_{Q}(n):
\nu''_{I} (n) y
\nu''_{Q}(n) se sub-muestrean en los
segundos sub-muestreadores del demodulador de QAM
73 por un factor m'_{1Q} obteniéndose las señales
\nu'_{I}(n) y \nu'_{Q}(n). Las
últimas se tratan posteriormente en los filtros coincidentes 74, los
muestreadores de símbolos 75, los Igualadores 77, los Troceadores
78 y el desmontador del mapeo de QAM 79 de modo conocido en la
técnica y detallado por ejemplo en John G. Proakis, "Digital
Communication" de McGraw Hill 1983, páginas
183-190.
El receptor de SSB o demodulador base 6 para la
señal analógica sub-muestrea las señales
x'_{I}(n) y x'_{Q}(n) en los
primeros sub-muestreadores del demodulador de SSB 61
por m'_{2A} si m'_{2A} >1, obteniéndose
r''_{I}(n) y r''_{Q}(n). Tanto
r''_{I}(n)
como r''_{Q}(n) se modulan cada una en un conversor de frecuencia del demodulador de SSB 62 por un modulador coseno y un modulador seno con frecuencia f_{A}, obteniéndose
como r''_{Q}(n) se modulan cada una en un conversor de frecuencia del demodulador de SSB 62 por un modulador coseno y un modulador seno con frecuencia f_{A}, obteniéndose
que se superponen para construir
las señales r''_{I}(n) y
r''_{Q}(n):
r''_{I}(n) y r''_{Q}(n) se
sub-muestrean en los segundos
sub-muestreadores del demodulador de SSB 63 por un
factor m'_{1A} y se filtran en paso bajo en los filtros de
paso bajo del demodulador de SSB 64 con frecuencia de corte
f_{B} para eliminar las portadoras de datos de QAM y OFDM.
Esto obtiene las señales r'_{I}(n) y
r'_{Q}(n), que se tratan en los multiplicadores del
demodulador de SSB 65 con el modulador coseno o modulador seno
correspondiente, respectivamente:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La suma de esas señales r(n) =
r_{I}(n) + r_{Q}(n) se calcula por el sumador
66 y a continuación se convierte en el conversor D/A del
demodulador 68, controlado por el reloj del conversor D/A del
demodulador 69, a la señal de salida analógica A_{1}.
Como en el modulador, las tasas de submuestreo
se eligen de modo que se reduce la carga de cálculo total, y
fijando preferiblemente una o más tasas del submuestreo
m'_{1A}, m'_{2A}, m'_{1Q}, m'_{2Q}, m'_{10},
m'_{20}, m_{c} a uno. Los factores de submuestreo se eligen
de modo que se satisface el teorema de Nyquist. Las tasas de
submuestreo pueden ser iguales a las tasas de sobremuestreo
correspondientes pero no necesariamente.
En resumen, la modulación SSB de la señal
analógica de valor real, la modulación de amplitud en cuadratura de
portadora única de valor complejo y la modulación múltiplex por
división de frecuencias ortogonal o multi-portadora
de datos digitales pueden combinarse eficazmente compartiendo los
filtros de interpolación/decimación así como la etapa de
modulación/demodulación en el intervalo de alta frecuencia. Esto da
como resultado una gran reducción de la complejidad de cálculo
total comparado con un sistema que consiste de implementaciones
separadas.
El ancho de banda y la desviación de la señal
analógica con respecto a la banda ocupada por una señal digital
pueden elegirse para que tenga la desviación de frecuencia
f_{A} diferente de cero, es decir la frecuencia central de
la señal analógica digitalizada no debe ser idéntica que la
frecuencia portadora. En una realización preferida de la invención,
la señal analógica modulada ocupa una banda en el extremo superior o
inferior del espectro de transmisión disponible. Como resultado,
sólo existe una frontera con respecto a la señal digital modulada,
reduciendo los requisitos del filtro para separar las dos señales
moduladas. En otra realización preferida de la invención, la señal
analógica modulada se coloca en la localización de frecuencia en la
que las características del canal asociado son adecuadas para la
transmisión de los datos analógicos, en particular para la
transmisión de voz.
En otra realización preferida de la invención,
hay más de una señal analógica a transmitir. De acuerdo con el
número de señales analógicas, el número correspondiente de
moduladores base SSB 2 y los demoduladores base 7 de SSB se realiza
en paralelo. Los desplazamientos de frecuencia fA de estos
moduladores base de SSB plurales 2 se fijan a diferentes valores y
la configuración de portadora y filtrado del procesamiento de señal
digital se ajusta consecuentemente. En un transmisor, las salidas de
los moduladores base adicionales de SSB 2 se suman por el sumador
9.
En otra realización preferida de la invención,
hay más de una señal digital a transmitir. De acuerdo con el número
de señales digitales, el número correspondiente de moduladores base
OFDM 1 y/o los moduladores base QAM 3 así como los demoduladores
base OFDM 5 y/o los moduladores base QAM 7 se realizan en paralelo.
Las desviaciones de frecuencia (f_{o}, f_{Q}) de esta
pluralidad de moduladores base OFDM/QAM se fijan a valores
diferentes y la configuración de portadora y filtrado de los otros
procesamientos de señal digital o analógica se ajustan
consecuentemente. En un transmisor, las salidas de los moduladores
base OFDM y/o QAM adicionales se suman por el sumador 9.
\vskip1.000000\baselineskip
A modo de ejemplo, se dan las siguientes
frecuencias y tasas de muestreo:
\bullet frecuencia portadora fc: 800
kHz
\bullet tasa de sobremuestreo m_{c}
de los sobre-muestreadores del modulador de CF 41 =
32
\bullet tasa de muestreo de las señales
moduladas en el sumador 9: 64kHz
\bullet frecuencia de muestreo del convertidor
A/D del modulador 21 : 1/T_{s} = 8kHz
\bullet frecuencia media de la señal de
entrada analógica f_{B} = 850 Hz
\bullet Ancho de banda de la señal analógica
B_{A} = 2 kHz
\bullet tasa de sobremuestreo m_{1A}
de los primeros sobre-muestreadores del modulador de
SSB 25 : 8
\bullet tiempo de muestreo intermedio
T_{1A} = (1/64) ms
\bullet tasa de sobremuestreo m_{2A}
de los segundos sobre-muestreadores del modulador de
SSB 28: 1
\bullet desplazamiento de frecuencia de la
señal analógica modulada fA = -14,85 kHz
\bullet ancho de banda de la banda de OFDM
B_{o} = 8 kHz
\bullet tasa de sobremuestreo m_{10}
de los sobre-muestreadores de OFDM 15 : 4
\bullet tiempo de muestreo intermedio
T_{1O} = (1/32) ms
\bullet tasa de sobremuestreo m_{20}
de los segundos sobre-muestreadores de OFDM 18 :
2
\bullet desplazamiento de frecuencia de la
señal de OFDM modulada f_{0} = 8 kHz
\newpage
\bullet ancho de banda de la banda de QAM
B_{Q} = 5,33 Khz
\bullet frecuencia de muestreo en el
dispositivo 31: 1/T_{Q} = 2,66 kHz
\bullet factor de relleno de ceros
N_{Q} = 12
\bullet tasa de sobremuestreo m_{1Q}
de los sobre-muestreadores del QAM 35 : 1
\bullet tiempo de muestreo intermedio
T_{1Q} = (1/32) ms
\bullet tasa de sobremuestreo m_{2Q}
de los segundos sobre-muestreadores de QAM 38 :
2
\bullet desplazamiento de frecuencia de la
señal QAM modulada fQ = -11kHz
\vskip1.000000\baselineskip
El transmisor y el receptor se implementan con
dispositivos y tecnologías bien conocidas para el procesamiento de
señales digitales tal como uno o más microprocesadores programables,
procesadores de señal digitales, ASIC, FPGA, dispositivos
discretos, etc.
\vskip1.000000\baselineskip
1. modulador base (OFDM) de amplitud en
cuadratura multi-portadora
2. modulador base SSB
3. modulador base de amplitud en cuadratura de
portadora única
4. modulador de frecuencia portadora (CF)
5. demodulador base (OFDM) de amplitud en
cuadratura multi-portadora
6. demodulador base SSB
7. demodulador base de amplitud en cuadratura de
portadora única
8. demodulador de frecuencia portadora
9. sumador, medio de suma
11. generador de vectores de OFDM
13. transformada inversa rápida de Fourier
(IFFT)
14. prefijo cíclico, abriendo ventanas
15. primeros sobre-muestreadores
del modulador de OFDM
16. conversor de frecuencia del modulador de
OFDM
18. segundos sobre-muestreadores
del modulador de OFDM
21. convertidor (A/D) analógico a digital del
modulador
22. reloj del convertidor A/D del modulador
23. multiplicadores del modulador de SSB
24. filtros paso bajo del modulador de SSB
25. primeros sobre-muestreadores
del modulador de SSB
26. conversor de frecuencia del modulador de
SSB
28. segundos sobre-muestreadores
del modulador de SSB
31. mapeo de QAM
32. rellenador de ceros
33. conformador de pulsos
35. primeros sobre-muestreadores
de QAM
36. conversor de frecuencia del modulador de
QAM
38. segundos sobre-muestreadores
de QAM
41. sobre-muestreadores del
modulador de CF
42. multiplicadores del modulador de CF
43. sumador
45. convertidor de digital a analógico (D/A) del
modulador
46. reloj del convertidor D/A del modulador
51. primeros sub-muestreadores
del demodulador de OFDM
52. conversor de frecuencia del demodulador de
OFDM
53. segundos sub-muestreadores
del demodulador de OFDM
54. filtros paso bajo del demodulador de
OFDM
55. eliminador del prefijo cíclico
56. transformada rápida de Fourier (FFT)
57. convertidor a modo serie del demodulador de
OFDM
61. primeros sub-muestreadores
del demodulador de SSB
62. conversor de frecuencia del demodulador de
SSB
63. segundos sub-muestreadores
del demodulador de SSB
64. filtros paso bajo del demodulador de SSB
65. multiplicadores del demodulador de SSB
66. sumador
68. convertidor de digital a analógico (D/A) del
demodulador
69. reloj del convertidor (D/A) del
demodulador
71. primeros sub-muestreadores
del demodulador de amplitud en cuadratura
72. conversor de frecuencia del demodulador de
amplitud en cuadratura
73. segundos sub-muestreadores
del demodulador de amplitud en cuadratura
74. anti conformador de pulsos
75. convertidor a modo serie de símbolos
76. sincronizador de símbolos
77. igualador
78. troceador
79. desmontado del mapeo de QAM
81. convertidor de analógico a digital (A/D) del
demodulador
82. reloj del convertidor (A/D) del
demodulador
83. multiplicadores del demodulador de CF
84. sub-muestreadores del
demodulador de CF
Claims (10)
1. Un método para modular una combinación de
señales analógicas y digitales en el que una señal de datos digital
(D) se modula por medio de una Modulación de Amplitud en Cuadratura
de portadora única (QAM) o una Modulación Múltiplex por División de
Frecuencias Ortogonal multi-portadora y una señal
analógica (A) se modula por medio de una modulación de banda
lateral única (SSB),
caracterizado porque el método comprende
las etapas de
a) realizar una modulación base de portadora
única o multi-portadora de la señal de datos digital
(D), generando una componente en fase (u_{I}, o_{I}) y
una componente en cuadratura (u_{Q}, o_{Q}) de la señal
digital modulada,
b) realizar una modulación base SSB de la señal
analógica (A), generando una componente en fase (s_{I}) y
una componente en cuadratura (s_{Q}) de la señal analógica
modulada,
c) sobre-muestrear las
componentes de al menos una de las señales digital y analógica
moduladas, generando componentes muestreadas por igual en fase
(u'''_{I}; o'''_{I}; s'''_{I}) y en cuadratura
(u'''_{Q}; o'''_{Q}; s'''_{Q}) con tasas de muestreo
ajustadas,
d) sumar las componentes muestreadas por igual
correspondientes de las señales digital y analógica moduladas,
generando una componente suma en fase (y'_{I}) y una
componente suma en cuadratura (y'_{Q}), y
e) realizar una modulación de la frecuencia
portadora de las componentes sumadas (y'_{I}, y'_{Q}),
sumando las componentes moduladas de frecuencia portadora
(y_{I}, y_{Q}) y transmitiendo la señal suma resultante
(y_{T}).
\vskip1.000000\baselineskip
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que antes de la generación de las componentes muestreadas por
igual, se crean las componentes desplazadas en frecuencia en fase
(u''_{I}; o''_{I}; s''_{I}) y las componentes en
cuadratura (u''_{Q}; o''_{Q}; s''_{Q}) moviendo las
señales moduladas digital y analógica a la frecuencia de
desplazamiento respectiva (f_{A}, f_{O}, f_{Q}).
3. El método de acuerdo con la reivindicación
2, en el que se modulan más de una señal analógica por una
modulación base SSB, y una o más señales digitales (D1, D2) por una
modulación QAM de portadora única o una modulación base OFDM
multi-portadora, y en el que las componentes en fase
y las componentes en cuadratura de cada señal modulada analógica o
digital se mueven a una frecuencia de desviación asociada con la
señal analógica o digital correspondiente.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Un método para demodular una combinación de
señales analógicas y digitales en el que la señal modulada de la
frecuencia portadora recibida (X_{R}) se demodula por medio de una
Modulación de Amplitud en Cuadratura de portadora única (QAM) o una
Modulación Múltiplex por División de Frecuencias Ortogonal (OFDM)
multi-portadora y por medio de una demodulación de
banda lateral única (SSB),
caracterizado porque el método comprende
las etapas de
a) realizar una demodulación de frecuencia
portadora de la señal recibida (X_{R}), con señales de portadora
ortogonales, generando componentes en fase
(x'_{I}(n)) y en cuadratura
(x'_{Q}(n)) de la señal recibida,
b) sub-muestrear las componentes
en fase (x'_{I}(n)) y en cuadratura
(x'_{Q}(n)) de la señal recibida, generando las
componentes sub-muestreadas en fase
(\nu'''_{I}(n); p'''_{I}(n);
r'''_{I}(n)) y en cuadratura
(\nu'''_{Q}(n); p'''_{Q}(n);
r'''_{Q}(n)),
c) realizar una demodulación base de SSB de las
componentes sub-muestreadas en fase
(r'''_{I}(n)) y en cuadratura
(r'''_{Q}(n)), generando una señal analógica
reconstruida (A), y
d) realizar una demodulación base de amplitud en
cuadratura de portadora única o una demodulación base de Múltiplex
por División de Frecuencias Ortogonal de las componentes
sub-muestreadas en fase
(\nu'''_{I}(n); p'''_{I}(n)) y en
cuadratura (\nu'''_{Q}(n); p'''_{Q}(n)),
generando una señal digital reconstruida (D).
\vskip1.000000\baselineskip
5. El método de acuerdo con la reivindicación
4, en el que la demodulación base SSB comprende mover las
componentes sub-muestreadas en fase
(r'''_{I}(n)) y en cuadratura
(r'''_{Q}(n)) por una frecuencia de desplazamiento
(f_{A}).
\vskip1.000000\baselineskip
6. Un módem para modular una combinación de
señales analógicas y digitales en el que una señal de datos digital
(D) se puede modular por medio de una Modulación Múltiplex por
División de Frecuencias Ortogonal (OFDM) o por medio de una
modulación de amplitud en cuadratura de portadora única (QAM) y una
señal analógica (A) se puede modular por medio de una modulación de
banda lateral única (SSB),
caracterizado porque el módem
comprende
a) un medio (1, 3) para realizar una modulación
base de amplitud en cuadratura de portadora única o
multi-portadora de la señal de datos digital (D) y
para generar una componente en fase (u_{I}; o_{I}) y una
componente en cuadratura (u_{Q}; o_{Q}) de la señal
digital modulada,
b) un medio (2) para realizar una modulación
base SSB de la señal analógica (A) y para generar una componente en
fase (s_{I}) y una componente en cuadratura
(s_{Q}) de la señal analógica modulada,
c) un medio (18, 28, 38) para
sobre-muestrear las componentes de al menos una de
las señales digital y analógica moduladas y para generar
componentes muestreadas por igual en fase (u'''_{I};
o'''_{I}; s'''_{I}) y en cuadratura (u'''_{Q};
o'''_{Q}; s'''_{Q}) con tasas de muestreo ajustadas,
d) un medio (9) para sumar las componentes
muestreadas por igual correspondientes de las señales analógica y
digital, y para generar una componente suma en fase
(y'_{I}) y una componente suma en cuadratura
(y'_{Q}),
e) un medio (4) para realizar una modulación de
frecuencia portadora de las componentes sumadas (y'_{I},
y'_{Q}), para sumar las componentes moduladas de frecuencia
portadora (y_{I}, y_{Q}) y para transmitir la señal suma
resultante (y_{T}).
\vskip1.000000\baselineskip
7. El módem de acuerdo con la reivindicación 6,
que comprende un medio (16, 26, 36) para crear componentes en fase
desplazadas en frecuencia (u''_{I}, o''_{I}, s''_{I}) y
componentes en cuadratura (u''_{Q}, o''_{Q}, s''_{Q})
moviendo las señales digitales y analógicas moduladas a una
frecuencia de desplazamiento respectiva (f_{A}, f_{O}, y
f_{Q}).
8. El módem de acuerdo con la reivindicación 6
que comprende más de un medio (1, 3) para realizar una modulación
QAM de portadora única o una modulación base OFDM
multi-portadora para modular más de una señal
digital (D_{1}, D_{2}) y/o que comprende más de un medio (2)
para realizar una modulación base SSB para modular más de una señal
analógica (A), y que comprende para cada señal analógica o digital
modulada un medio (16, 26, 36) para crear componentes en fase
desplazadas en frecuencia en fase y en cuadratura.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Un módem para demodular una combinación de
señales analógicas y digitales, recibidas como una señal modulada
por una frecuencia portadora (X_{R}) en el que una señal de datos
digital (D) se puede demodular por medio de una demodulación
múltiplex por división de frecuencias ortogonal (OFDM) o por medio
de una demodulación de amplitud en cuadratura de portadora única
(QAM) y en el que una señal analógica (A) se puede demodular por
medio de una demodulación de banda lateral única (SSB),
caracterizado por que el módem comprende
a) un medio (8) para realizar una demodulación
de la frecuencia portadora de la señal recibida (X_{R}), con
señales portadoras ortogonales, generando componentes en fase
(x'_{I}(n)) y en cuadratura
(x'_{Q}(n)) de la señal recibida,
b) un medio (71, 51, 61) para
sub-muestrear las componentes en fase
(x'_{I}(n)) y en cuadratura
(x'_{Q}(n)) de la señal recibida, generando
componentes sub-muestreadas en fase
(\nu'''_{I}(n); p'''_{I}(n);
r'''_{I}(n)) y en cuadratura
(\nu'''_{Q}(n); p'''_{Q}(n);
r'''_{Q}(n)),
c) un medio (6) para realizar una demodulación
base de SSB de las componentes sub-muestreadas en
fase (r'''_{I}(n)) y en cuadratura
(r'''_{Q}(n)) y para generar una señal analógica
reconstruida (A),
d) un medio (7, 5) para realizar una
demodulación base de amplitud en cuadratura de portadora única o una
demodulación base Múltiplex por División de Frecuencias Ortogonal
multi-portadora de las componentes
sub-muestreadas en fase
(\nu'''_{I}(n); p''_{I}(n)) y en
cuadratura (\nu'''_{Q}(n); p'''_{Q}(n)),
y para generar una señal digital reconstruida (D).
\vskip1.000000\baselineskip
10. El módem de acuerdo con la reivindicación 9,
que comprende un medio (72, 52, 62) para crear componentes
desplazadas en frecuencia en fase (\nu''_{I}; p'_{I};
r''_{I}) y en cuadratura (\nu''_{Q}; p'_{Q};
r''_{Q}) moviendo las componentes
sub-muestreadas en fase (\nu''_{I}(n);
p''_{I}(n); r''_{I}(n)) y en cuadratura
(\nu''_{Q}(n); p''_{Q}(n);
r''_{Q}(n)), por el desplazamiento de frecuencia
respectivo (f_{A}, f_{O}, f_{Q}).
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP02405742A EP1395012A1 (en) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | Modulation and demodulation of a combination of analog and digital signals |
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