MEJORAS EN LAS COMUNICACIONES DE DATOS.

Aparato de comunicación de datos que comprende medios de transmisión y adaptado para codificar y transmitir datos como la relación de pares de frecuencias

Esta invención se refiere a la transmisión de datos entre objetos que se están moviendo relativamente entre sí, por ejemplo un transmisor móvil y un receptor estacionario. Es aplicable particularmente, pero no exclusivamente, a las comunicaciones de datos acústicos a frecuencias ultrasónicas (del orden de 40 kHz) en el aire. 5

El documento WO 03/087871 describe un sistema de localización basado en comunicaciones ultrasónicas que es capaz de determinar en qué habitación está situada cada una de un cierto número de etiquetas transmisoras de ultrasonidos. Cada etiqueta transmite una señal de identificación única que es captada por uno de los receptores que se proveen en cada habitación.

El presente Solicitante ha observado que los sistemas de posicionamiento por ultrasonidos actuales tal como éste usan 10 un enlace de datos acústicos que está muy limitado en su velocidad de transmisión de datos. Esto limita el número de objetos/personas a las que se puede seguir y/o la velocidad de actualización y en particular lo correctamente que se pueden seguir con precisión los movimientos rápidos de muchas personas/objetos entrando y saliendo de habitaciones.

Los sistemas de comunicaciones acústicas más avanzados de los que tienen conocimiento los solicitantes son aquellos que se pueden encontrar en la acústica subacuática. La primera generación de módems digitales se basaba en la 15 modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, del inglés ―Frequency Shift Keying‖), dado que la FSK es robusta en cuanto a la distribución del tiempo y la frecuencia del canal. Pero la FSK es ineficiente en el modo en que usa el ancho de banda, de modo que en los últimos años se ha puesto un gran esfuerzo en el desarrollo de sistemas coherentes más eficientes basados en, por ejemplo, diversas formas de modulación por desplazamiento de fase (PSK, del inglés ―Phase Shift Keying‖), como se describe por ejemplo en D. B. Kilfoyle y A. Baggeroer, The state of the art in 20 underwater acoustic telemetry, IEEE Trans. Ocean. Eng., OE-25, 1-1111 (2000), a menudo en combinación con la ecualización adaptativa. A pesar de esto, los sistemas FSK y MFSK (FSK múltiple) incoherentes juegan un gran papel en el suministro de comunicaciones fiables en la práctica. Tales sistemas típicamente no son adaptativos y se diseñan con suficiente ancho de banda para tener en cuenta el entorno más riguroso esperado. Esto significa que bajo condiciones ordinarias, más favorables, los sistemas funcionarán de modo ineficiente con respecto al ancho de banda y 25 la potencia. Tales ineficiencias pueden ser sustanciales. Una de las limitaciones de diseño que produce esta baja eficiencia en el ancho de banda es la presencia de desplazamientos de frecuencia debido al efecto Doppler.

En cualquier situación en la que un transmisor y un receptor se estén moviendo acercándose o alejándose entre sí, la frecuencia de la señal percibida en el receptor difiere de la transmitida por el transmisor como resultado de la diferente distancia que cada frente de onda debe recorrer entre ambos. Esto es conocido como el efecto Doppler. 30

El valor relativamente bajo de la velocidad del sonido hace que incluso movimientos a baja velocidad creen desplazamientos de frecuencia relativamente grandes. Un movimiento relativo de v, en donde un v positivo significa un movimiento desde la fuente hacia el receptor, desplaza la frecuencia en:

f' = f(1 + v/c) (1)

En la que f es la frecuencia original y c es la velocidad del sonido (por ejemplo aproximadamente 340 m/s en el aire y 35 aproximadamente 1500 m/s en el agua).

Como un ejemplo, un sistema de comunicaciones acústicas subacuáticas que funcione en una frecuencia central de 25 kHz y que se use en un AUV (―Autonomous Underwater Vehicle‖ o Vehículo Subacuático Autónomo) con una velocidad de 10 nudos se desplazará por efecto Doppler en 86 Hz o 3,4% de un ancho de banda relativo típico del 10% de la frecuencia central (es decir 2500 Hz). Un sistema de comunicaciones ultrasónico aéreo que transmita a 40 kHz desde 40 un transmisor que se esté moviendo a una velocidad de 6 km/h (caminar rápido) experimentará incluso un desplazamiento Doppler más grande de 196 Hz o 4,9% del ancho de banda relativo típico del 10% (es decir 4000 Hz).

El desplazamiento Doppler generará un desplazamiento en la frecuencia hacia arriba o hacia abajo dependiendo del movimiento relativo. La MFSK usa múltiples frecuencias simultáneamente y se puede considerar que son varios sistemas FSK funcionando en paralelo. La única relación entre las frecuencias es la de que nunca se les debe permitir 45 solaparse. En un sistema MFSK, es posible teóricamente y deseable espaciar las frecuencias tan próximamente como la inversa de la longitud del pulso, B = 1/T. sin embargo, el desplazamiento Doppler, fD = f' – f puede exceder fácilmente esta separación en una gran cantidad, |fD| >> B, y por ello limitar de modo efectivo el número de frecuencias que se pueden usar y en consecuencia también la velocidad de transmisión de bits.

La forma estándar de tener en cuenta los desplazamientos Doppler es espaciar las frecuencias de acuerdo con el 50 desplazamiento Doppler máximo más una cierta banda de protección, fp:

f > B + 2|fd| + fp (2)

La relación entre f y B puede ser sustancial. Dado que los transductores tienen un ancho de banda limitado esto representa una pérdida en la velocidad de transmisión de datos efectiva que se puede alcanzar de acuerdo con este

esquema.

Los esquemas de modulación descritos hasta el momento son adaptaciones de métodos que funcionan bien en comunicaciones de radio. Sin embargo es un objeto de la invención proporcionar un esquema más apropiado para entornos acústicos.

Cuando se ve desde un primer aspecto, la invención proporciona un aparato de comunicación de datos de acuerdo con 5 la reivindicación 1.

Cuando se ve desde un segundo aspecto, la invención proporciona un método de transmisión de datos que comprende la codificación de los datos como una pluralidad de señales que comprende pares de frecuencias, la transmisión de dichos pares de frecuencias, la recepción de cada par de frecuencias, la determinación de la relación de dichas frecuencias y la decodificación de los datos de las mismas. 10

La invención también se extiende a un receptor de acuerdo con la reivindicación 14.

Por ello se puede ver que de acuerdo con la invención, a diferencia de los métodos de transmisión de datos conocidos tales como el FSK, en lugar de codificar los datos que se transmiten en el valor de la frecuencia de una señal portadora, los bits de datos se representan por la relación de frecuencias entre un par de señales portadoras.

La principal ventaja apreciada por el presente inventor de la codificación de los datos en la relación de dos frecuencias 15 es que esta relación es invariable bajo desplazamiento Doppler que surge a partir del movimiento relativo entre el transmisor y el receptor. Esto se explicará a continuación:

Como se mostró anteriormente, a consecuencia del efecto Doppler cada una de las frecuencias transmitidas f1: f2 sufrirán un desplazamiento en la frecuencia dado por:

f1' = f1 (1 + v/c) 20

f2' = f2 (1 + v/c)

Sin embargo si en lugar de codificar los datos en las frecuencias absolutas de las señales transmitidas, los datos se codifican, de acuerdo con la invención, en la relación de las frecuencias de pares de señales entonces la señal recibida será la siguiente:

= = 25 12ff)/1()/1(12cvfcvf12ff

De ese modo la relación original se mantiene exactamente bajo desplazamiento Doppler. Esto significa que no se requiere un ancho de banda adicional para tener en cuenta el desplazamiento Doppler, al menos debido a movimientos de velocidad constante entre el transmisor y receptor, lo que contribuye a un sistema de comunicaciones que es robusto ante el movimiento. En consecuencia el ancho de banda disponible se puede usar de modo significativamente más eficiente para la transmisión de datos. Por ejemplo, ya no se necesitan las grandes bandas de protección que se 30 requieren en los sistemas FSK convencionales.

En una implementación simplista los datos se podrían codificar en bits individuales únicos que tengan solamente dos valores posibles de la relación. Esto requeriría... [Seguir leyendo]

1.Aparato de comunicación de datos que comprende medios de transmisión y adaptado para codificar y transmitir datos como la relación de pares de frecuencias.

2.Aparato de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha relación tiene más de dos valores posibles.

3.Aparato de acuerdo con la reivindicación 2 en el que el número de valores posibles de dicha relación es una potencia 5 entera de dos.

4.Aparato de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3 que comprende medios de codificación para la codificación de los datos, estando dispuestos dichos medios de codificación para convertir los datos a transmitir en uno de dichos valores posibles.

5.Aparato de acuerdo con la reivindicación 2, 3 ó 4 en el que dichos valores posibles representan divisiones iguales 10 entre una relación mínima y una relación máxima.

6.Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes dispuesto para transmitir señales sónicas.

7.Aparato de acuerdo con la reivindicación 6 en el que dichas señales tienen una frecuencia mayor de 20 kHz.

8.Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes dispuesto para transmitir dicho par de frecuencias simultáneamente. 15

9.Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 dispuesto para transmitir dicho par de frecuencias en sucesión.

10.Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que comprende además medios de recepción y en el que los medios de transmisión se disponen para transmitir el par de frecuencias en una sucesión suficientemente rápida como para que los medios de recepción las detecten como simultáneas. 20

11.Aparato de acuerdo con la reivindicación 10 en el que los medios de recepción se disponen para realizar una transformada rápida de Fourier, estando dispuestos dichos medios de transmisión para transmitir dicho par de frecuencias durante una trama única de la transformada rápida de Fourier del receptor.

12.Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende una pluralidad de medios de transmisión dispuesto cada uno para transmitir un único código de identificación. 25

13.Un método de transmisión de datos que comprende la codificación de los datos como una pluralidad de señales que comprenden pares de frecuencias, la transmisión de dichos pares de frecuencias, la recepción de cada par de frecuencias, la determinación de la relación de dichas frecuencias y la decodificación de los datos a partir de las mismas.

14.Un receptor adaptado para detectar un par de frecuencias, determinar la relación entre dicho par de frecuencias y 30 decodificar los datos a partir de dicha relación.