ES2969251T3 - Método y dispositivo de modulación mediante secuencias de Zadoff-Chu - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un método y dispositivo para modular con secuencias de Zadoff-Chu. Cada símbolo K-ario a transmitir se convierte en una secuencia de Zadoff-Chu de longitud preestablecida N y de raíz preestablecida r, y cuyo desplazamiento de frecuencia <i /> q depende del símbolo K-ario. Se pueden usar varios valores de raíz para separar distintas comunicaciones de enlace ascendente y descendente y comunicaciones síncronas o asíncronas. El dispositivo modulador se implementa en el dominio de la frecuencia. La invención se refiere también a un método y a un dispositivo de demodulación que permiten recuperar los símbolos K-arios así transmitidos. El dispositivo demodulador puede implementarse en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo de modulación mediante secuencias de Zadoff-Chu
Campo técnico
La presente invención se refiere, en general, al campo de las telecomunicaciones digitales y más particularmente a aquellas que utilizan técnicas de ensanchamiento de espectro. La misma encuentra particularmente aplicación en los sistemas de comunicaciones inalámbricas y en el internet de las cosas o loT(Internet of Things).
Estado de la técnica anterior
La aparición de tecnologías de radio omnipresentes y de baja velocidad, adaptadas a objetos autónomos con bajo consumo energético, ha permitido recientemente el desarrollo del internet de las cosas (IoT). Los sistemas de comunicación inalámbrica de una red IoT deben obedecer a varias limitaciones.
En primer lugar, el receptor de un objeto conectado debe presentar una sensibilidad elevada debido al reducido número de estaciones base desplegadas y, por tanto, al gran tamaño de sus áreas de cobertura.
Entonces, el emisor/receptor de un objeto conectado debe ser particularmente simple y energéticamente eficiente para permitir lograr tiempos de autonomía de varios años.
Finalmente, el sistema de acceso por radio debe ser escalable en la medida en que una estación base (también llamada pasarela IoT) debe poder dar servicio a un gran número de objetos conectados.
El internet de las cosas abarca actualmente una amplia diversidad de redes.
Algunas de ellas (LTE-M, NB-loT) utilizan tecnologías de infraestructuras celulares existentes. Sin embargo, estas suelen resultar demasiado complejas o consumen demasiada energía para las aplicaciones actuales.
Otras utilizan tecnologías específicas o incluso patentadas, tales como LoRa que utiliza una modulación de espectro ensanchado o CSS(Chirped Spread Spectrum)y SigFox que utiliza una modulación de banda ultraestrecha o UNB(Ultra Narrow Bond).Estas tecnologías son energéticamente eficientes y permiten alcanzar umbrales de recepción muy bajos y, por tanto, una cobertura muy amplia.
Sin embargo, estas tecnologías específicas presentan limitaciones en términos de capacidad, es decir del número de usuarios que pueden ser atendidos simultáneamente en una misma área de cobertura, debido a la degradación de la relación señal respecto a ruido más la interferencia que afectan las comunicaciones. En particular, el elevado número de colisiones no resueltas entre señales CSS en un sistema LoRa, incluso cuando se utilizan diferentes factores de ensanchamiento espectral (SF), constituye un obstáculo para el despliegue de redes LPWAN de gran tamaño basadas en esta tecnología o incluso para el despliegue de redes por diferentes operadores. Una discusión sobre estas limitaciones se podrá encontrar en particular en el artículo de D. Croce et al. titulado“Impact of LoRa imperfect orthogonality: analysis of link-level performance"publicado enIEEE Communication Letters,Vol. 22, No. 4, abril de 2018, págs. 796-799.
El artículo de R. Krenz et al. titulado"Hybrid DS/FH spread spectrum data transmission system for telemetrypublicado enProc of 10th Int’l Symposium on communication systems, networks and digital signal processing (CSNDSP), IEEE20 de julio de 2016, págs. 1-5 así como la solicitud de patente US-A-2012/0207118 describen un método de modulación que utiliza secuencias de Zadoff-Chu con desplazamientos cíclicos de fase que representan los símbolos a transmitir. Por consiguiente, el objetivo de la presente invención es proponer un método de modulación (y un modulador asociado) que esté particularmente adaptado a las limitaciones de las redes IoT y que ofrezca una mayor robustez a las interferencias entre comunicaciones. Otro objetivo de la presente invención es proponer un método de demodulación correspondiente (así como un demodulador asociado). Finalmente, se propone del mismo modo un método de transmisión de datos que aprovecha el método de modulación en cuestión para reducir las interferencias entre las comunicaciones de diferentes usuarios.
Descripción de la invención
La presente invención se define mediante un método de modulación según la reivindicación 1.
La invención también se refiere a un dispositivo de modulación según la reivindicación independiente 10.
La invención se refiere además a un método de demodulación según la reivindicación independiente 11.
La invención también se refiere a un dispositivo de demodulación según la reivindicación independiente 12 ó 13. La invención se refiere finalmente a un sistema emisor/receptor que comprende un dispositivo de modulación y al menos un dispositivo de demodulación, tal como los definidos anteriormente.
En las reivindicaciones dependientes se indican modos ventajosos de realización de la invención.
Breve descripción de las figuras
Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la lectura de un modo de realización preferente de la invención, descrito con referencia a las figuras adjuntas entre las que:
La figura 1 representa esquemáticamente un dispositivo de modulación según un modo de realización de la invención; La figura 2A y la figura 2B representan respectivamente un ejemplo de una secuencia de Zadoff-Chu básica y un ejemplo de una secuencia de Zadoff-Chu modulada;
La figura 3A, la figura 3B y la figura 3C representan respectivamente una matriz de picos de correlación cíclica para tres ejemplos de familias de secuencias de Zadoff-Chu;
La figura 4 representa esquemáticamente una trama de transmisión que utiliza el método de modulación según un modo de realización de la invención;
La figura 5 representa esquemáticamente una secuencia de símbolos pilotos multiplicados por elementos de un código de cobertura;
La figura 6 representa esquemáticamente un dispositivo de demodulación según un primer modo de realización de la invención;
La figura 7 representa esquemáticamente un dispositivo de demodulación según un segundo modo de realización de la invención;
La figura 8 representa un dispositivo de sincronización por detección de preámbulo que puede usarse junto con un dispositivo de demodulación según un modo de realización de la invención;
La figura 9 representa esquemáticamente un primer emisor/receptor que utiliza un dispositivo de modulación y un dispositivo de demodulación según un modo de realización de la invención;
La figura 10 representa esquemáticamente un modulador polar que puede usarse en un segundo transmisor según un modo de realización de la invención.
Descripción de modos de realización
La idea en la que se basa la presente invención es efectuar una modulación K-aria de señal modulando la frecuencia de desplazamiento de una secuencia de Zadoff-Chu, la separación entre diferentes comunicaciones, síncronas o no, ascendentes o descendentes, la cual se obtiene mediante la elección de diferentes raíces.
En primer lugar se recuerda que una secuencia de Zadoff-Chu de raíz r, de longitudNy de desplazamiento de frecuenciaqse define por la secuencia de elementos complejos:
-j—r[k+l+2(¡)l¡
ZC^ ,q{k) = e* ,k= 0,..., JV-1 siNes impar ( 1 )
-i-r\k+2ú}k
ZCNq(k) = e,v ,k= 0,...,Ar- 1 si Ar es par<(>2<)>
dondeNes un entero estrictamente positivo,qes un entero relativo, 0 <r < Nyr, Nson primos entre sí. Se podrá encontrar una introducción a las secuencias de Zadoff-Chu en el artículo de D.C. Chu titulado“Polyphase codes with good corrélation properties", IEEE Trans. Inform. Theory,vol. IT-18, pp. 531-532, julio de 1972.
Si se consideran las fases de los elementos sucesivos de una secuencia de Zadoff-Chu, se observa que comprenden una componente lineal así como una componente cuadrática dependiendo del índice temporalk.La componente lineal - 4 — / f
corresponde a un desplazamiento de frecuencia dondefses la frecuencia a la que se generan los elementos de la secuencia y la componente cuadrática corresponde a una variación lineal de la frecuencia instantánea con una excursión de-rfsa lo largo de la secuencia.
Las secuencias de Zadoff-Chu (ZC) poseen características muy interesantes para los sistemas de comunicación. En primer lugar, presentan una amplitud constante (todos los elementos de una secuencia de ZC pertenecen al círculo unitario), dando lugar a señales moduladas de reducida PAPR. Entonces, la autocorrelación periódica de una secuencia ZC es perfecta en el sentido de que es cero para cualquier desplazamiento distinto de cero (en otras palabras, la función de autocorrelación periódica de una secuencia ZC es un peine de Dirac de período N). Finalmente, la intercorrelación periódica de dos secuencias de ZC de la misma longitudNimpar y de raíces r,udistintas con |r-u| primo conN,es una función periódica cuyo módulo está limitado por>/A'r . Por otro lado ha quedado demostrado en el artículo de DV Sarwate titulado"Bounds on crosscorrelation and autocorrelation of sequences",publicado enIEEE Trans. on Information Theory,Vol. IT-25, No. 6, noviembre 79, pp. 720-724 que este límite en la función de intercorrelación periódica era óptimo para una secuencia que tenía una función de autocorrelación periódica perfecta. En otras palabras, no hay secuencias mejores que las secuencias de Zadoff-Chu en términos de propiedades de autocorrelación y de intercorrelación.
De forma original, se propone modular el desplazamiento de frecuencia de una secuencia de Zadoff-Chu para transmitir una palabra dek< log<2>Nbits. Conviene observar que el desplazamiento de frecuencia de una secuencia de ZC generalmente se considera cero en la técnica anterior, particularmente cuando se utiliza con fines de sincronización, como es el caso en la generación de preámbulos del sistema LTE (véase 3GPP TS 36.211, 95.7.2 titulado“preamble sequence génération").
La figura 1 representa esquemáticamente un dispositivo de modulación según un primer modo de realización de la invención.
El dispositivo 100 de modulación, comprende un convertidor binario a decimal o BDC(Binary to Decimal Converter),110, que convierte una palabra dekbits para transmitir, aro,..,Ok<- 1>(donde oro es el LSB yoraes el MSB) a un valor<X>—1
entero *=o . Este valor entero se proporciona como un valor de desplazamiento de frecuencia a un generador de secuencia Zadoff-Chu, 120.
La palabra a transmitir puede resultar de la codificación del canal de símbolos de información, en caso necesario después de que la misma haya sido entrelazada. Alternativamente, la palabra a transmitir puede ser un símbolo piloto para un canal de transmisión.
La palabra a transmitir también puede resultar de una codificación de Gray de símbolos de información. Se recuerda que, según esta codificación, dos palabras binarias sucesivas producen palabras de código que se diferencian sólo en un bit.
El generador 120 recibe además como parámetros de entrada la raízry la longitudNde la secuencia a generar. Los parámetrosryNpueden ser proporcionados por un programador de recursos de transmisión como se especifica más adelante.
Los elementos complejos de la secuencia de Zadoff-Chu7C $r'qgenerados por el generador 120, se utilizan luego paramodular una portadora (RF o IF) de una manera conocida en sí misma.
Es importante señalar que en todos los casos, la secuencia de elementos complejos a la salida del modulador es una secuencia de Zadoff-Chu tal como se definió más arriba. En particular, no es necesario efectuar ninguna corrección de fase a la salida del generador 120 y, por tanto, la estructura del modulador es particularmente simple.
Como se vio más arriba, los números enterosryNson elegidos primos entre sí.
Según una primera variante, para respetar esta restricción, el númeroNse elige primo. En este último caso, la interferencia entre dos comunicaciones de la misma longitudN,pero con raícesr, udistintas estará limitada por el
mismo valor, proporcional a ^ ^ .
ZCr;q
Con preferencia, sin embargo, por razones de facilidad de implementación, la secuencia v generada por el generador se puede truncar a una longitud de2K<Nconk>k,en particular se podrá truncar a la longitud2Kpara obtener una velocidad óptima.
Según una segunda variante ventajosa, por razones de simplicidad de implementación anteriormente indicadas, el númeroNse elegirá igual a una potencia de 2, por ejemploN=2K,la raízrque es entonces impar, de modo queryNsean primos entre sí.
Además, se elegirán las raíces de las secuencias de ZC estrictamente mayores que 1 (r >1). Se observa que, en este caso, la variación de fase para una secuencia de ZC no modulada (es decir, conq= 0) presenta al menos un plegamiento entre elementos sucesivos de la secuencia, en otras palabras, la frecuencia instantánea presenta al menos una discontinuidad a lo largo de la secuencia. De hecho, la rotación de fase entre dos elementos sucesivos se puede escribir:
s par (3-2)
Por tanto, sir> 1, la rotación de fase al final de la secuencia puede exceder 2n.
De manera equivalente, la frecuencia instantánea se puede expresar en la forma:
/ W = J- ^ - L k(4)
2k dk N
y, si r > 1, la frecuencia instantánea puede exceder la cadencia A a la que se generan los elementos de la secuencia. A título de ejemplo, se han representado en la figura 2A los elementos sucesivos de una secuencia de Zadoff-Chu no modulada y en la figura 2B los de la misma secuencia, modulados por un desplazamiento de frecuencia.
En el caso ilustrado, la longitud de la secuencia es deN= 17 y su raíz es der= 4. Se observa que el primer plegamiento de la primera fase ocurre entre el 5° y el 6° elemento, las rotaciones de fase entre elementos sucesivos posteriores conducen, con mayor motivo, a un plegamiento, teniendo en cuenta la relación (3-1).
De manera similar, en la figura 2B, se considera la misma secuencia, esta vez modulada con un desplazamiento q=1. Se observa que el primer plegamiento de la fase interviene en este caso a partir de la transición entre el 4° y el 5° elemento.
Por tanto, para una misma secuencia de ZC de base, se entiende que obtenemos distribuciones distintas de los elementos de la secuencia modulada con diferentes desplazamientos de frecuencia.
La figura 3A representa esquemáticamente la matriz de los máximos de correlación cíclica de secuencias de Zadoff-Chu no moduladas(q= 0) de longitud A/ = 521 (número primo) y de raíces respectivasr=2,..., 520. En otras palabras,z c c*idz c ; '°( r ). la figura representa en ordenadas el máximo en r de
nrs~ir,Q 7¡C -]trr\^<0>■
donderes un desplazamiento entre las dos secuencias y , ycic'representa la correlación cíclica de longitudN.Se verifica que el máximo (A/) se obtiene en la diagonal (máximos de las funciones de autocorrelación) y que las funciones de intercorrelación cíclicas son de módulo reducido (limitadas por v ).
La figura 3B representa esquemáticamente la matriz de máximos de correlación cíclica de secuencias de ZC no moduladas(q= 0) de longitudN= 512 y de raíces respectivasr= 2,..., 511. Se observará, sin embargo, que algunas de estas secuencias no son secuencias de ZC en sentido estricto en la medida en queryNno son primos entre sí. Se observa que la diagonal de la matriz siempre consta de valores máximos (A/) pero que los máximos de intercorrelación cíclica dependen fuertemente del par de secuenciasN’N .Eligiendo convenientemente los valores de las raíces (especialmente aquellas que son primas con N), se obtiene una subfamilia cuyas funciones de intercorrelación cíclica están limitadas por un valor máximo predeterminado.
La figura 3C representa esquemáticamente la matriz de máximos de correlación cíclica de secuencias de ZC no moduladas (q = 0) de longitud igual al número primoN= 521 pero truncados a 512 elementos. Se observa que los rendimientos de la autocorrelación y la intercorrelación cíclica están sólo ligeramente degradados con respecto a los ilustrados en la figura 3A.
De manera general, si se desea optar por una secuencia de longitud igual a una potencia de 2,P= 2K, se podrá seleccionar la secuencia de ZC cuya longitudNes igual al menor número primo mayor quePy truncar este último aPelementos. Por tanto, las pérdidas de rendimiento serán mínimas tanto en términos de velocidad como de nivel de intercorrelación.
Por tanto, por ejemplo para una secuencia de longitud 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096 se elegirá respectivamente una secuencia de ZC cuya longitud sea 131,257, 521, 1031,2053, 4099.
La longitudNde las secuencias a generar se pueden seleccionar en función de diferentes criterios, tales como la relación señal respecto a ruido o SNR(Signal to Noise Ratio),la tasa de error de bits o BER(Bit Error Rate),la velocidad requerida para la comunicación, o incluso el ensanchamiento temporal del canal de transmisión como se explica más adelante.
Más precisamente, el factor de ensanchamiento o SF(Spreading Factor)no es otro queN/ K, la elección de un alto valor deNpermite reducir la BER para el mismo valor SNR o respetar una tasa de BER para condiciones SNR degradadas. Asimismo, un valor bajo deNpermite reducir el ancho de banda de transmisión y aumentar la velocidad de la comunicación.
Entonces, para un valor deNdado, se eligen raíces distintas para las comunicaciones cuya interferencia se desea reducir. Por ejemplo, se podrán atribuir dos raíces distintas a dos comunicaciones en un canal de enlace descendente, que provienen de la misma estación base y destinadas a dos objetos conectados o dos terminales situados dentro de la cobertura de esta estación base, ya sean estas dos comunicaciones síncronas o no. También se podrán asignar dos raíces distintas para dos comunicaciones distintas en el canal de enlace descendente a un mismo receptor.
De manera similar, para el canal ascendente, se podrán asignar raíces distintas a dos objetos conectados o dos terminales que corren el riesgo de interferir.
La asignación de longitudes de secuencia/de raíces se podrá realizar dinámicamente mediante un programador(planificador).En algunos casos, la programación dinámica podrá estar implícita. Por ejemplo, si interfieren dos comunicaciones de enlace ascendente, la estación base puede notificar esta situación a los objetos conectados afectados y al menos uno de ellos podrá cambiar a otra raíz siguiente en una secuencia predeterminada de raíces, conocida tanto por el objeto conectado como por la estación base. El experto en la técnica podrá proporcionar diferentes variantes de programación entre estaciones base vecinas, según un modo centralizado o distribuido, sin salirse del alcance de la presente invención.
Cualquiera que sea el modo de realización, la transmisión de paquetes de símbolos k-arios, es decir palabras dekbits, normalmente se efectúa mediante tramas de transmisión cuya estructura se ilustra en la figura 4.
Esta trama de transmisión comprende un preámbulo, 410, y una carga útil, 420. El preámbulo contiene símbolos pilotos que permiten al receptor detectar el inicio de la trama y sincronizarse.
Por ejemplo, los símbolos pilotos se asociarán con un desplazamiento de frecuencia dedicado,qo,por ejemplo q<0>= 0. En otras palabras, en este caso, el preámbulo de una trama de transmisión estará formado únicamente por secuencias de ZC no moduladas.
Los símbolos pilotos serán detectados por el receptor por medio de un correlador que efectúa una correlación común y corriente (o correlación continua) en la señal recibida. Por ejemplo, la repetición de un número predeterminado,M,de símbolos pilotos podrá ser el indicador del inicio de una trama. Para facilitar la sincronización y la detección del inicio de una trama (o incluso de una secuencia de tramas), estos símbolos pilotos pueden multiplicarse por los elementos de un código de cobertura que tenga buenas propiedades de correlación aperiódicas, por ejemplo los elementos de un código de Barker. La sincronización del receptor por detección de preámbulo se describirá más adelante en relación con la figura 8. Una resincronización del receptor se podrá efectuar periódicamente durante el período de recepción de una secuencia de tramas, en cada trama o generalmente cadajtramas dondejes un número entero predeterminado.
La figura 5 muestra una serie de símbolos pilotos de un preámbulo de trama, multiplicados respectivamente por losMelementos de un código de cobertura, denominados CC(1), ..., CC(M). En otras palabras, la primera secuencia de ZC, correspondiente al primer símbolo piloto, se multiplica por CC(1), la segunda secuencia de ZC, correspondiente al segundo símbolo piloto, se multiplica porCC(2), y así sucesivamente hasta la última secuencia de ZC, multiplicada porCC(M).
Por ejemplo los elementos de un código de Barker de longitudM= 11 están dados por: 1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,+1, 1.
En el momento de la recepción, los diferentes símbolos pilotos (es decir, las secuencias de ZC correspondientes a estos símbolos pilotos), se multiplican por los mismos elementos de código de cobertura antes o después de la correlación continua. Cuando los elementos del código de cobertura están perfectamente alineados con los símbolos pilotos, el resultado de la correlación presenta un máximo.
La carga útil de la trama de transmisión está constituida por secuencias de ZC moduladas por las palabras k-arias a transmitir. También puede incluir un encabezado de control y secuencias de ZC moduladas por símbolos CRC.
Aunque los símbolos k-arios se transmiten sucesivamente y por lo tanto las secuencias de ZC moduladas por estos símbolos se suceden del mismo modo a nivel del transmisor, el canal de transmisión puede, si es multitrayecto, dar lugar a una interferencia entre símbolos. En otras palabras, una réplica de una secuencia de ZC modulada por un primer símbolo puede superponerse al nivel del receptor a una secuencia de ZC modulada por un segundo símbolo.
Para reducir la interferencia entre símbolos, se elegirá ventajosamente una longitud de secuenciaNtal que:
(5)
donde A es el ensanchamiento temporal del canal de transmisión y qmáx es el desplazamiento de frecuencia máximo para modular símbolos k-arios, ambos expresados como número de periodos de generación de elementos de la secuencia de ZC. De hecho, siempre que la superposición entre símbolos consecutivos, debido a la expansión del canal de transmisión, tenga una duración menor que la duración(N- 2K) de la parte redundante de la secuencia de ZC, los símbolos en cuestión pueden recuperarse sin pérdida de información.
La figura 6 representa esquemáticamente un dispositivo de demodulación según un primer modo de realización de la invención.
Este primer modo de realización corresponde a una implementación del correlador cíclico en el dominio de frecuencia.
El demodulador recibe la señal correspondiente a una trama de símbolos tal como se ha descrito más arriba, en otras palabras a una serie de secuencias de ZC obtenidas por modulación de estos símbolos.
El demodulador, 600, comprende un módulo FFT, 610, para efectuar una FFT de tamañoN(igual a la longitud de la secuencia de ZC) en la señal recibida, muestreada con anterioridad (mediante dos relojes en cuadratura) en la frecuenciafsen la que se generan los elementos de las secuencias de ZC. El resultado de la FFT es un bloque deNvalores complejos.
La detección del inicio de la trama y de las secuencias de ZC se realiza mediante la serie de símbolos pilotos que aparecen en el preámbulo. Se supone que el receptor se ha sincronizado con anterioridad por medio de una detección de preámbulo como se describe más adelante.
El demodulador comprende un generador local de una secuencia de ZC de referencia, 605, idéntico al generador presente en el modulador de la figura 3 o 4. El generador local está parametrizado por la longitudNde la secuencia de ZC, la raízrutilizada para la comunicación y, en caso necesario, el desplazamiento de frecuencia q<0>, dedicado a los símbolos piloto. La raíz r utilizada para la comunicación puede ser proporcionada por el detector de preámbulo descrito más adelante.
Un módulo de transformada de Fourier discreta (DFT), 615, permite realizar una DFT de tamaño N en el bloque de elementos de la secuencia de ZC proporcionado por el generador local, 605. CuandoNes una potencia de 2, la DFT se realizará por medio de una FFT
El bloque de N valores complejos obtenido de este modo en el dominio de la frecuencia se conjuga en el módulo de conjugación, 625, antes de multiplicarse término por término en 620 con el bloque deNvalores complejos obtenidos del módulo DFT, 610.
Los módulos de estosNvalores complejos se calculan en 630 y se comparan por el detector 640 de picos de correlación. En otras palabras, el detector 640 de picos determina el desplazamiento de frecuencia correspondiente al valor complejo del módulo más grande en el bloque recibido.
Teniendo en cuenta el hecho de que el pico de correlación cíclica de dos secuencias de ZC de la misma longitudN,
p_ZC;::rZC;:, =NS(q-e)de la misma raízry desplazamientos de frecuenciaq, itiene como valor L J , esta discriminación de picos es muy efectiva, incluso en presencia de una secuencia de ZC truncada. Por lo tanto, el detector 640 determina:
<7= arg máx (|/? [ ZC,* . ]|) (6)
dondearepresenta la secuencia deNmuestras recibidas por el demodulador yPrepresenta la operación de correlación cíclica.
A A
Este desplazamiento de frecuencia finalmente se traduce en una palabra dekbits, ao..... a*-i en el convertidor decimal a binario (designado desmapeador de bits en la figura), 650.
Conviene observar que el generador 605 podrá generar secuencias de referencia para todos los valores posibles dery, en caso necesario, deN.
La secuencia de referencia puede ser cualquier secuencia ZC de la misma longitud y de la misma raíz que la transmitida por el transmisor en la medida en que el desplazamiento de frecuencia pueda determinarse de manera relativa con respecto al que haya servido para generar la frecuencia de referencia. Por tanto, por ejemplo, la secuencia de referencia podrá ser una secuencia ZC no modulada o una secuencia ZC correspondiente a un símbolo piloto (y por lo tanto desplazadaq0).
En todos los casos, se podrá reemplazar el conjunto formado por el generador de secuencia de referencia, 605, el módulo DFT, 615, y el módulo de conjugación, 625, por una simple memoria direccionada por la longitudN,la raízry, en caso necesario, el desplazamiento de frecuencia de referencia. La frecuencia La de valor almacenado en laÍZC r.gO (v )----N
memoria en esta dirección simplemente serák'■, d o nd eZCr,tf{v)es el valor tomado por la transformadaz c *(z c ;ví0(v )) de Fourier discreta de ■’ ', en la frecuencia v y z* es el conjugado de z. Los valores leídos de la memoria se proporcionan por tanto a su vez al multiplicador, 620.
La figura 7 representa esquemáticamente un dispositivo de demodulación según un segundo modo de realización de la invención.
Este segundo modo de realización corresponde a una implementación del correlador cíclico en el dominio temporal. La señal recibida por el demodulador 700 se muestrea (por dos relojes en cuadratura) en la frecuenciafsen la que se generan los elementos de las secuencias de ZC. El resultado es un bloque deNvalores complejos. Este bloque se proporciona a un correlador cíclico, 710.
El correlador 710 cíclico recibe por otro lado losNelementos sucesivos de una secuencia ZC de referencia generada por el generador 705 local. Este generador local es idéntico al generador presente en el modulador de la figura 1. El generador local está parametrizado por la longitudNde la secuencia de ZC, la raízrutilizada para la comunicación y, en caso necesario, el desplazamiento de frecuenciaqo,dedicado a los símbolos pilotos.
Los elementos de la secuencia de referencia ZC se proporcionan al correlador 710 cíclico. Los resultados de la correlación cíclica (correspondientes a diferentes tiempos de retardo en el dominio temporal) están sujetos a un cálculo de módulo en 730 y el valor máximo del módulo en el bloque está determinado por el detector 740 de picos de correlación. El detector 740 de picos determina la posición del pico de correlación cíclica entre la secuencia de ZC de referencia y la secuencia de ZC recibida por el demodulador y deduce el desplazamiento de tiempo correspondiente. Teniendo en cuenta la definición de secuencias de ZC, se puede demostrar que una permutación cíclica de una secuencia de ZC por medio de un desplazamiento de tiempo se traduce en un desplazamiento de frecuencia:
SiNes un valor impar:
M _ y'l'i'+iV
dondee ~ e‘ es un término de fase constante a lo largo de la secuencia.
Asimismo, si N es un valor par:
. X,1
dondee ¡‘h —S<V>‘<">es un término de fase constante a lo largo de la secuencia.
Dado que la detección se realiza sobre el módulo del resultado de la correlación cíclica, se entenderá que se desfase temporal,q\(expresado en número de periodosTs = M fs )se traduce en un desplazamiento de frecuenciaq'(expresador
<— />
en incrementosN<1>). En otras palabras, para la misma señal recibida, el valor de compensación de tiempoproporcionado por el detector 740 de picos (expresado en número de períodosT= 1/f<s>) será idéntico al valor de desplazamiento de frecuencia proporcionado por el detector 640 de picos.
El convertidor 750 decimal a binario (denominadodesmapeador de bitsen la figura) convierte este valor decompensación en un número binario,«K-1
Conviene observar que el generador 705 podrá generar secuencias de referencia para todos los valores posibles dery, en caso necesario,N.
En todos los casos, como anteriormente, se podrá reemplazar el conjunto constituido por el generador 705 de secuencia de referencia por una simple memoria direccionada por la longitudN,la raíz r, el desplazamiento de tiempo (o de frecuencia) de referencia. El valor almacenado en la memoria en esta dirección simplemente será<z c ; > )>Los valores leídos de la memoria se proporcionan al correlador cíclico, 710.
La figura 8 representa esquemáticamente un dispositivo de sincronización por detección de preámbulo que puede utilizarse junto con un dispositivo de demodulación según la invención.
Más precisamente, este dispositivo de sincronización permite proporcionar al demodulador, por una parte, la raízrutilizada para la comunicación y el instante correspondiente al inicio de la trama, o incluso la carga útil.
Un correlador 820 continuo recibe, en una primera entrada, el flujo de muestras (complejas) de la señal recibida y, en una segunda entrada, una secuencia de muestras correspondiente a una réplica del preámbulo.
La réplica del preámbulo está formada por el módulo 810 a partir de las secuencias de ZC generadas por el generador 805 local. El generador 805 local es idéntico al generador 605 (o 705) descrito anteriormente y se aplican del mismo modo las mismas variantes. El módulo 810 de formación de preámbulo concatena las secuencias de ZC de los símbolos piloto del preámbulo. Por ejemplo, si el preámbulo está constituido de la repetición deMsímbolos pilotos idénticos, el módulo 810 repetiráMveces la secuencia ZC de este símbolo piloto. Además, si el preámbulo utiliza una secuencia de cobertura de Barker, el módulo 810 efectuará una multiplicación de cada secuencia de ZC con el elemento de código correspondiente.
Por supuesto, el generador 805 y el módulo 810 podrían implementarse usando una memoria simple direccionada por el desplazamiento de frecuenciaqacorrespondiente a los símbolos pilotos, la raízry la longitudNde la secuencia así como el númeroMde repetición de símbolos pilotos.
El correlador 820 realiza una correlación en el tiempo de la secuencia de muestras de la señal recibida con la secuencia de muestras del preámbulo proporcionada por el módulo 810. En otras palabras, en cada períodoTs,el correlador calcula un resultado de correlación de lasMNmuestras del preámbulo con las últimasMNmuestras de la señal.
El módulo de estos resultados de correlación se calcula en 830 y la detección del pico de correlación se realiza en el detector 840. En la práctica, el detector compara el valor del módulo proporcionado por 830 con un umbral predeterminado inferior aN.
El detector proporciona la posición temporal del pico de correlación, indicando el inicio del preámbulo y por tanto de la trama. Luego, el demodulador puede establecerse en el inicio de la carga útil para demodular los símbolos de información.
Además, si la raízrno es conocida por el receptor, el dispositivo de sincronización puede efectuar una búsqueda secuencial o en paralelo sobre preámbulos generados a partir de los valores de raíz pertenecientes al conjunto de raíces posibles o incluso a un subconjunto de estos últimos (por ejemplo si el conjunto de raíces es jerárquico y el receptor posee un conocimiento a priori de la rama del árbol en la que se encuentra la raíz). Por búsqueda secuencial se entiende que la correlación se realiza con una cadenciaRfssobre lasRraíces a analizar. Por búsqueda en paralelo se entiende que la correlación se realiza enRramas en paralelo, estando cada rama asociada con una de lasRraíces a analizar. En cualquier caso, los resultados de la correlación son procesados por el detector 840. Entonces, esto determina tanto el valor de la raíz (que proporciona un pico de correlación) como el inicio del preámbulo (a partir de la posición de este pico).
La figura 9 representa esquemáticamente un primer emisor/receptor que utiliza un dispositivo de modulación y un dispositivo de demodulación según un modo de realización de la invención.
El emisor/receptor 900 podrá equipar, por ejemplo, una estación base o un objeto conectado.
El mismo comprende un dispositivo de modulación, 910, según el modo de realización descrito en relación con la figura 1. El dispositivo de modulación transforma los símbolos barios a transmitir en secuencias de ZC, un símbolo kario que se convierte en un desplazamiento de frecuencia de una secuencia de ZC. Los elementos complejos de una secuencia de ZC son proporcionados por el dispositivo de modulación a una cadenciafs.La parte real de estos elementos complejos está provista de un canal en fase y la parte imaginaria de un canal en cuadratura, cada canal comprende típicamente un filtro de paso bajo, 920 y un amplificador 930 de banda base. Las señales I y Q de estos canales se mezclan respectivamente con dos señales de portadoras en cuadratura en un modulador en cuadratura, 940. Las señales de portadoras son generadas por un oscilador sinusoidal, 950, de frecuencia estabilizada. La señal de RF a la salida del modulador de cuadratura se amplifica en un amplificador de potencia 960 y luego se transmite mediante una antena 980, a través de un duplexor 970.
En la recepción, la señal de antena recibida a través del duplexor 970 se amplifica mediante un amplificador de bajo ruido (LNA), 965, y luego se demodula en cuadratura por el mezclador 945 de cuadratura. Las señales I y Q a la salida del mezclador se amplifican mediante amplificadores 935, se filtran mediante filtros 925 de paso bajo y luego se muestrean a la cadenciafs.Las muestras complejas obtenidas de este modo se proporcionan a un dispositivo 915 de demodulación, según el primer modo de realización, tal como se describe en relación con la figura 6, o bien según el segundo modo de realización, tal como se describe en relación con la figura 7.
El modulador 940 de cuadratura presente en el emisor/receptor de conversión directa de la figura 9 utiliza las partes reales e imaginarias de los elementos de las secuencias de ZC a emitir. En lugar del modulador de cuadratura, es posible utilizar un modulador polar como se describe a continuación.
La figura 10 representa esquemáticamente un modulador polar que puede usarse en el contexto de un segundo transmisor según un modo de realización de la invención.
De manera general, en un modulador polar, los símbolos complejos a transmitir se convierten en un convertidor polar de banda base, 1020, en una señal de envolvente (módulo de elementos complejos) y una señal de fase (fase instantánea de elementos complejos) que representan la señal de banda base:
s(t) = A(t)cos,{27r <p{t))(<8 )>
donde A(t) es la señal envolvente y cos(2nf0t 0(t)) es la señal de fase. Luego, la señal de fase se traduce a la banda de RF gracias al mezclador 1050 antes de ser amplificada por el amplificador 1060 de potencia. La señal de envolvente se retarda en 1025 para compensar las diferencias de tiempo de propagación que pueden existir entre la rama de amplitud y la rama de fase, y modula la amplitud de la señal de RF, por medio del modulador 1040 de envolvente, al controlar la ganancia del amplificador de potencia. La señal de RF modulada de este modo es luego transmitida por la antena 1070.
En el caso en el que, como en la presente invención, se trata de transmitir elementos complejos de una secuencia ZC, tal como los genera el modulador 1010, se entiende que la generación de la señal envolvente será inútil en la medida en que el módulo de estos elementos es constante e igual a 1. El retardo 1025 y el modulador de envolvente 1040 se podrán eliminar simplemente y la ganancia del amplificador de potencia se puede fijar en un valor de consigna.
El experto en la técnica comprenderá que, de forma simétrica, se podrá implementar un demodulador polar en recepción.
Arquitecturas de emisor/receptor de RF distintas de las mostradas en las figuras 9 y 10 también se podrán contemplar sin apartarse del alcance de la presente invención.
Por supuesto, se podrían proporcionar diferentes dispositivos de modulación/demodulación elementales dentro del mismo emisor/receptor para separar las comunicaciones con destino a/que provienen de diferentes usuarios. Como se indicó anteriormente, estos dispositivos de modulación/demodulación utilizarán entonces valores de raíz distintos. Ventajosamente, para una longitud de secuencia de ZC igual a N, se elegirán valores raíz rP,P= 1,.., P, tales que |rp-rp\sea primo conN,Vp,p'.
Claims (15)
- REIVINDICACIONES 1. Método de modulación de una pluralidad de símbolos barios a transmitir en un canal de transmisión, el método que comprende: convertir los k bits de cada símbolo k-ario en un valor entero distinto, y generar una secuencia de Zadoff-Chu, asociada con este símbolo, dicha secuencia de Zadoff-Chu que se define como: esimpar(1) es par (2) dicha secuencia de Zadoff-Chu que es de longitudN,de raíz r y de desplazamiento de frecuenciaqdondeNes un entero positivo tal que log<2>N> k,res un número entero tal quer> 1 y primo conN, qes un entero relativo, cada símbolo k-ario que es modulado en forma de secuencia, de longitud mayor o igual a2K,de elementos complejos consecutivos de la secuencia de Zadoff-Chu de longitud N, de raíz r y de desplazamiento de frecuencia q igual a dicho valor entero asociado a dicho símbolo k-ario, dicho método de modulación que está caracterizado por que dos símbolos k-arios cualquiera de dicha pluralidad están asociados con secuencias de Zadoff-Chu que tienen desplazamientos de frecuencia distintos.
- 2. Método de modulación según la reivindicación 1, caracterizado por que la secuencia de elementos complejos consecutivos está constituida por el conjunto de los elementos de dicha secuencia de Zadoff-Chu.
- 3. Método de modulación según la reivindicación 2, caracterizado por que la longitud de la secuencia de Zadoff-Chu es igual a una potencia de 2.
- 4. Método de modulación según la reivindicación 1, caracterizado por que la longitud de dicha secuencia de Zadoff-Chu se elige igual al número primo más pequeño mayor que 2K y la secuencia de elementos complejos consecutivos se obtiene truncando dicha secuencia de Zadoff-Chu a 2K elementos.
- 5. Método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la longitud de la secuencia de Zadoff-Chu se elige mayor que la diferencia entre un desplazamiento de frecuencia máximo para modular los símbolos k-arios y el ensanchamiento temporal del canal de transmisión, expresada en número de períodos de transmisión de elementos de esta secuencia.
- 6. Método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la parte real y la parte imaginaria de los elementos de la secuencia de elementos complejos consecutivos de una secuencia de Zadoff-Chu asociada a un símbolo k-ario modulan respectivamente dos portadoras en cuadratura y la señal modulada obtenida de este modo se transmite por el canal de transmisión.
- 7. Método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que se genera una señal de fase en banda base, obtenida como la fase de los elementos complejos consecutivos de la secuencia de Zadoff-Chu asociados a un símbolo k-ario, y la señal de fase se traduce a la banda de RF, transmitiéndose la señal de RF obtenida de este modo en el canal de transmisión.
- 8. Método de transmisión de datos a través de una pluralidad de comunicaciones con destino o que provienen de diferentes usuarios, caracterizado por que los datos a transmitir se transforman en símbolos k-arios, los símbolos karios de los diferentes usuarios que son modulados por medio del método de modulación según una de las reivindicaciones anteriores, las raíces de las secuencias de Zadoff-Chu utilizadas para modular los símbolos k-arios de dos usuarios distintos que se eligen distintas y sus longitudes se eligen iguales a una longitud común.
- 9. Método de transmisión de datos según la reivindicación 8, caracterizado por que las raíces utilizadas para modular los símbolos k-arios de dos usuarios distintos se eligen de manera que el valor absoluto de su diferencia sea primo con dicha longitud común.
- 10. Dispositivo de modulación para modular una pluralidad de símbolos k-arios a transmitir en un canal de transmisión, que comprende un convertidor (110) binario a decimal que transforma loskbits de cada símbolo k-ario en un valor entero distinto, y un generador (120) de secuencias de Zadoff-Chu, que tiene como parámetros de entrada una longitudNde secuencia y una raízrtal que r entero,r> 1 y primo conN,así como un desplazamiento de frecuencia, q,qque es un número entero relativo, dicho generador que genera, para cada símbolo k-ario, una secuencia de longitud mayor o igual a 2K, formada por elementos complejos de una secuencia de longitud de Zadoff-Chu de longitudN,de raízry de desplazamiento de frecuencia q igual al valor entero proporcionado por dicho convertidor binario a decimal, dicha secuencia de Zadoff-Chu que se define como: ->■^*+1+2?)* ZC¡¡\k)=e* , /c = 0....,N-]siNesimpar(1)dicho generador de secuencias de Zadoff-Chu que está caracterizado por que está configurado de manera que dos símbolos k-arios cualquiera de dicha pluralidad están asociados con secuencias de Zadoff-Chu que tienen desplazamientos de frecuencia distintos.
- 11. Método de demodulación de una señal que representa una secuencia de Zadoff-Chu modulada en desplazamiento de frecuencia mediante un método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que dicha señal se muestrea en banda base para proporcionar una secuencia de muestras complejas, dicha secuencia de muestras complejas se correlaciona por correlación cíclica (710) con una secuencia de Zadoff-Chu de referencia para proporcionar un resultado de correlación cíclica, dicha secuencia de Zadoff-Chu que se define como:dicha secuencia de Zadoff-Chu que es de longitudN,de raíz r y de desplazamiento de frecuencia q, dondeNes un entero positivo tal que log<2>N> k, r es un número entero tal quer> 1 y primo conN, qes un número entero relativo, y la posición temporal de un pico de correlación se detecta (740) en el módulo del resultado de correlación cíclica obtenido de este modo, y se deduce un desplazamiento de frecuencia, <7 correspondiente a esta posición temporal, dicho desplazamiento de frecuencia que se convierte entonces mediante un convertidor (750) decimal a binario en un símbolok-ario.
- 12. Dispositivo de demodulación de una señal que representa una secuencia de Zadoff-Chu modulada en desplazamiento de frecuencia por medio de un método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 7, dicha señal se muestrea en banda base para proporcionar un primer bloque de elementos complejos de tamañoN,caracterizado por que dicho dispositivo comprende un módulo de DFT (610) configurado para efectuar una transformada de Fourier discreta de tamañoNdel primer bloque de elementos complejos para proporcionar un primer bloque de elementos de frecuencia complejos, un multiplicador (620) configurado para multiplicar término por término los elementos de frecuencia complejos del primer bloque con los elementos de frecuencia complejos de un segundo bloque obtenidos por conjugación compleja de una transformada de Fourier discreta de una secuencia de Zadoff-Chu de referencia, dicha secuencia de Zadoff-Chu que se define como:dicha secuencia de Zadoff-Chu que es de longitudN,de raízry de desplazamiento de frecuencia q, donde N es un entero positivo tal que log<2>N> k,res un número entero tal quer> 1 y primo conN, qes un número entero relativo, dicho dispositivo que comprende además un calculador (630) de módulo configurado para calcular el módulo de los resultados de multiplicación de los primeros y segundos elementos de frecuencia complejos, un detector de picos de correlación configurado para comparar los valores del módulo obtenidos de este modo (640) p Aara determinar la posición de frecuencia de un pico de correlación cíclica, y deducir el desplazamiento de frecuencia,Q,correspondiente a esta posición de frecuencia, y un convertidor decimal a binario configurado para convertir dicho desplazamiento de frecuencia en un símbolo k-ario.
- 13. Dispositivo de demodulación de una señal que representa una secuencia de Zadoff-Chu modulada en desplazamiento de frecuencia mediante un método de modulación según una de las reivindicaciones 1 a 7, dicha señal se muestrea en banda base para proporcionar un primer bloque de elementos complejos de tamaño N, caracterizado por que comprende un correlador (710) cíclico de tamañoNpara correlacionar cíclicamente dicho primer bloque con un segundo bloque, dicho segundo bloque que está constituido por una secuencia de Zadoff-Chu de referencia, dicha secuencia de Zadoff-Chu que se define como: Q....,N-] si Nesimpar (1) - f-r ik+ 2 q \k ZCNq(k)<= e iV , k - 0,..., N - 1 si A,r es par>(2) dicha secuencia de Zadoff-Chu que es de longitudN,de raízry de desplazamiento de frecuenciaq,dondeN esun entero positivo tal que log<2>N>k, res un número entero tal quer> 1 y primo conN, qes un número entero relativo, dicho dispositivo que comprende además un calculador (730) de módulo configurado para calcular el módulo de dicha correlación cíclica y un detector de picos de correlación (740) configurado para determinar, a partir de este módulo, lAa posición temporal de un pico de correlación cíclica y configurado para deducir un desplazamiento de frecuencia, <7 correspondiente a esta posición de tiempo, y un convertidor decimal a binario configurado para convertir dicho desplazamiento de frecuencia en un símbolo k-ario.
- 14. Emisor receptor caracterizado por que comprende al menos un dispositivo de modulación según la reivindicación 10 y al menos un dispositivo de demodulación según una de las reivindicaciones 12 ó 13.
- 15. Emisor/receptor según la reivindicación 14, caracterizado por que comprende una pluralidad de dispositivos de modulación según la reivindicación 10, cada dispositivo de modulación de dicha pluralidad que corresponde a un valor de raíz diferente, y/o una pluralidad de dispositivos de demodulación según una de las reivindicaciones 12 o 13, cada dispositivo de demodulación de dicha pluralidad que corresponde a un valor de raíz diferente.
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