PROCEDIMIENTO DE TRANSMISION (MODULACION) Y RECEPCION (DEMODULACION) DE SEÑALES DE SISTEMAS DE COMUNICACION CON MODULACION MULTIPORTADORA DFT Y TRANSMULTIPLEXADORES BASADOS EN BANCOS DE FILTROS MODULADOS EXPONENCIALMENTE, DISPOSITIVOS PARA TRANSMITIR Y RECIBIR.

Procedimiento de transmisión (modulación) y recepción (demodulación) de señales en sistemas de comunicación con modulación multiportadora DFT y transmultiplexadores basados en bancos de filtros modulados exponencialmente,

y los correspondientes dispositivos para transmitir y recibir las señales, para uno o múltiples usuarios, con una o múltiples etapas de transmisión y de recepción. La modulación multiportadora implementada a través de algoritmos rápidos de la DFT (directa e inversa), está embebida en un transmultiplexador basado en bancos de filtros. Cuando los bancos de filtros de análisis y de síntesis se obtienen mediante determinadas modulaciones exponenciales, se deducen implementaciones eficientes que engloban bloques de operaciones matriciales y de transformación discreta de Fourier, que puede ser implementada también mediante algoritmos eficientes, y bloques de filtrado polifase

Procedimiento de transmisión (modulación) y recepción (demodulación) de señales de sistemas de comunicación con modulación multiportadora DFT y transmultiplexadores basados en bancos de filtros modulados exponencialmente, dispositivos para transmitir y recibir.

Sector de la técnica

La invención se encuentra enmarcada en el sector de las telecomunicaciones. Ejemplos ilustrativos no limitativos de utilidad de la invención pueden ser: comunicaciones de banda ancha (xDSL (Digital Subscriber Line), Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMax (Wireless Interoperability for Microwave Access)) y ultra-ancha (Ultra-Wide Band), redes mesh, radiodifusión digital de audio (DAB) y de Video (DVB) -radiodifusión de televisión digital terrestre-, comunicaciones móviles (FLASH-OFDM, multicarrier-CDMA (Code Division Multiple Access)), comunicaciones a través de la red eléctrica convencional (Power Line Communications), Sistemas Software-Defined Radio, sistemas Cognitive Radio, sistemas que empleen OFCDM (orthogonal-frequency and code-division multiplexing), etc. En definitiva, todas aquellas técnicas que empleen modulación multiportadora en alguna de sus etapas.

Estado de la técnica

Las técnicas de acceso al medio basadas en la modulación multiportadora (MCM), entre las que se encuentran OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - múltiplex por división en frecuencia ortogonal) para sistemas inalámbricos, y DMT (Discrete Multitone Modulation - modulación multitono discreta) para tecnologías xDSL (Digital Subscriber Line - línea de abonado digital), van a aumentar su implantación en las futuras generaciones de sistemas de comunicación de banda ancha. Entre sus principales ventajas, se pueden citar su efectividad para combatir el efecto multitrayecto o los desvanecimientos selectivos en frecuencia. Además, cuando se trata de canales que varían lentamente con el tiempo, se puede mejorar el rendimiento del sistema con un incremento significativo de la tasa de transmisión por subportadora. Bien es cierto que MCM no está exenta de inconvenientes, los cuales deben ser solventados en los próximos años: sincronización en tiempo, y especialmente en frecuencia, elevada relación entre la potencia de pico y la potencia promedio (PAPR) y el comportamiento frente a interferencias de banda estrecha [Gol06]. Uno de las principales características de este invento consiste en la mejora de algunas de estas deficiencias, aportando varias soluciones novedosas que denominamos modulación multiportadora embebida (Embedded Multicarrier Modulation) acrónimo E-MCM.

MCM ha sido recomendada en numerosos estándares para transmisión de datos en sistemas de comunicación de banda ancha. A modo de ejemplo, es la modulación que se recomienda en el estándar IEEE802.11 a/g para transmisión de datos en redes de área local inalámbricas. Dicho estándar, presenta diferentes tasas de transmisión, que van desde los 6 a los 54 Mbps, las cuales se consiguen modificando el codificador convolucional y el tipo de modulación. Sin embargo, cuando el medio presenta una baja relación señal/ruido (SNR), el comportamiento se deteriora considerablemente. A este deterioro también contribuye el hecho de que las bandas de frecuencia de transmisión se sitúan sobre los 2,4 y 5 GHz, las cuales son bandas que no necesitan licencia y que se comparten con otros dispositivos, apareciendo en ocasiones interferencias indeseadas.

Esta modulación también ha sido adoptada para DAB Digital Audio Broadcasting, DVB Digital Video Broadcasting, redes inalámbricas de área local (WLAN), -basadas en los estándares IEEE 802.11a y g e IEEE802.16, ETSI BRAN HIPERLAN/2, y para transmisión de datos sobre bucle de abonado digital asimétrico (ADSL, ADSL2 y ADSL2+) y de muy alta velocidad (VDSL). La figura 1 muestra la estructura del transmisor y del receptor que habitualmente se utiliza en modulación multiportadora. En su etapa transmisora, consta de un bloque que efectúa una transformada discreta de Fourier inversa (IDFT) de M puntos -donde M es el número de subcanales o subportadoras-, habitualmente implementada a través de algoritmos rápidos (Inverse Fast Fourier Transform - IFFT). Así mismo, también hay un convertidor paralelo serie para conformar una señal y, que puede ser transmitida o procesada a través de otros sistemas. La etapa de recepción, por su parte, está conformada por un convertidor serie/paralelo, y posteriormente un bloque que efectúa la transformada discreta de Fourier (DFT), también implementada habitualmente a través de algoritmos rápidos (Fast Fourier Transform - FFT) que conllevan un ahorro en el número de operaciones que hay que realizar para obtener la señal de salida resultante. Algunas implementaciones de cómo realizar los convertidores Paralelo/Serie y Serie/Paralelo se pueden encontrar en [Aka96, cap. 2]. La notación, y representación de los elementos que se emplean en estas figuras es idéntica a la que se utiliza en [Vai93], tanto para los elementos de retardo como para los bloques de diezmado y de interpolación.

Es bien conocido que la DFT se puede interpretar desde la teoría de bancos de filtros: es un banco de filtros modulado exponencialmente, en el que el filtro prototipo es una ventana rectangular de longitud M [Vai93, Mit01]. Concretamente, cada uno de los filtros del banco presenta una discriminación muy limitada (13.5 dB por subcanal). Este efecto trae consigo numerosas desventajas, por ejemplo: las interferencias de radio frecuencia (RFI), que ocasionan las emisoras de radio o los radioaficionados, suelen ser más nocivas; existe una elevada paradiafonía o diafonía de entorno cercano (NEXT) en DSL; además también se producen degradaciones en el funcionamiento de los sistemas de comunicación [Gov99, Mar98, San95]. En definitiva, el comportamiento en entornos ruidosos de los sistemas OFDM/DMT basados en la DFT, especialmente con ruido impulsivo, no es en absoluto robusto ni fiable. Para solventar estos últimos problemas, se han propuesto diversas técnicas alternativas, principalmente basadas en el uso de bancos de filtros distintos del DFT con una configuración de transmultiplexor [Gov99, Mar98, San95, Che02, Sio02, Cru03, Far03, Mir03, Vio04, Wil04, Lin06, Lin07].

Unos de estos tipos de sistemas se ilustran en la figura 2, donde se muestra la arquitectura de los sistemas transmultiplexadores MDFT (Modified Discrete Fourier Transform - transformada discreta de Fourier modificada), denominados tipo 1 y tipo 2. La diferencia entre ambas estructuras difiere en la forma de obtener las señales de salida, que en el sistema tipo 2 siempre es igual (la parte real de los datos se introduce/obtiene en la rama superior de cada subportadora de entrada/salida, y la parte imaginaria en la rama inferior), mientras que en los sistemas tipo 2 se va alternando, tal y como se muestra en [Hel99]. La estructura y la forma de obtener los filtros de transmisión (síntesis) F_k(z), 0 = k = (M -1) o de recepción (análisis) H_k(z), 0 = k = (M -1), dan lugar a tipos diferentes de transmultiplexadores MDFT.

En la figura 2, el orden de las operaciones sería el siguiente. En transmisión a) interpolar la parte real (superíndice Re) y la parte imaginaria (superíndice Im) de cada señal subportadora, b) retardar una de las ramas, c) sumar el resultado de "a" y "b" para conformar una señal, d) interpolar de nuevo la señal resultante, e) filtrar a través de los filtros de transmisión o de síntesis F_i(z), 0 = i = (M -1), y f) conformar la señal y como la suma de las salidas obtenidas de cada filtro: y = y₀ + y₁ +...+ y_M-1. En recepción: a) filtrar la señal de entrada con los filtros de recepción o de análisis H_i(z), 0 = i = (M -1), b) diezmar a continuación cada una de las señales filtradas, c) diezmar la señal resultante de "b" y una versión retardada, y d) tomar la parte real (Re{}) y la parte imaginaria (Im{}) para obtener las señales de salida.

Algunos de estos bancos de filtros se pueden realizar de forma más eficiente, de manera que se vea reducida considerablemente la carga computacional. En la figura 3 se muestran dos ejemplos ilustrativos no limitativos de la primera parte (etapas "a" y "b") de los bancos de recepción o análisis, implementado mediante algoritmos rápidos. Así mismo, el diagrama de bloques general del transmisor basado en el banco MDFT, implementado también mediante algoritmos rápidos, se puede obtener de diversas formas. A modo de ejemplo ilustrativo, no limitativo: deduciéndolo de las ecuaciones que rigen la modulación. En la figura 4...

1. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora, que comprende la generación de las secuencias que se transmiten a través de una serie de subsistemas y/o un canal o medio de transmisión, estando este canal determinado por el enlace desde un equipo transmisor hasta el receptor; se caracteriza porque comprende:

En el Transmisor

- etapa de procesamiento de las señales de entrada subportadoras a través de un algoritmo rápido obtenido a partir de un banco de filtros de síntesis donde cada uno de los filtros se ha obtenido mediante una modulación exponencial aplicada a un filtro prototipo. Este procesamiento comprende operaciones matriciales y de transformación del tipo transformada discreta de Fourier directa o inversa y filtrado.

- Opcionalmente, realización de una transformada de Fourier discreta inversa, IFFT, a los datos obtenidos tras el banco de síntesis.

- Conversión Paralelo/Serie.

En el Receptor

- Conversión Serie/Paralelo.

- Realización de una transformada de Fourier discreta (FFT), a los datos obtenidos tras la conversión serie paralelo.

- Igualador FEQ, cuyos coeficientes se pueden obtener para corregir los efectos de distorsión del canal equivalente que caracteriza el enlace entre el transmisor y el receptor.

- Si no se ha realizado en el Transmisor, realización de una transformada de Fourier discreta inversa (IFFT), a los datos obtenidos tras el igualador.

- Procesar las señales a través de un algoritmo rápido obtenido a partir de un banco de filtros de análisis donde cada uno de los filtros se ha obtenido mediante una modulación exponencial aplicada a un filtro prototipo. El banco de filtros de análisis está relacionado con el del transmisor-1 porque ambos bancos de filtros, de forma conjunta y aislada, presentan la característica de reconstrucción perfecta o de proximidad a la reconstrucción perfecta, al igual que si forman una estructura de transmultiplexador. Este procesamiento comprende operaciones matriciales y de transformación del tipo transformada discreta de Fourier directa o inversa, implementadas mediante algoritmos rápidos y eficientes de ejecución, y filtrado.

2. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora, que comprende la generación de las secuencias que se transmiten a través de una serie de subsistemas y/o un canal o medio de transmisión, estando este canal determinado por el enlace desde un equipo transmisor hasta el receptor; se caracteriza porque comprende:

En el Transmisor

- etapa de procesamiento de las señales de entrada subportadoras a través de un algoritmo rápido obtenido a partir de un banco de filtros de síntesis donde cada uno de los filtros se ha obtenido mediante una modulación exponencial aplicada a un filtro prototipo. Este procesamiento comprende operaciones matriciales y de transformación del tipo transformada discreta de Fourier directa o inversa y filtrado.

- Opcionalmente, realización de una transformada de Fourier discreta directa, FFT, a los datos obtenidos tras el banco de síntesis.

- Conversión Paralelo/Serie.

En el Receptor

- Conversión Serie/Paralelo.

- Realización de una transformada de Fourier discreta inversa (IFFT), a los datos obtenidos tras la conversión serie paralelo.

- Igualador FEQ, cuyos coeficientes se pueden obtener para corregir los efectos de distorsión del canal equivalente que caracteriza el enlace entre el transmisor y el receptor.

- Si no se ha realizado en el Transmisor, realización de una transformada de Fourier discreta directa (FFT), a los datos obtenidos tras el igualador.

- Procesar las señales a través de un algoritmo rápido obtenido a partir de un banco de filtros de análisis donde cada uno de los filtros se ha obtenido mediante una modulación exponencial aplicada a un filtro prototipo. El banco de filtros de análisis está relacionado con el del transmisor-1 porque ambos bancos de filtros, de forma conjunta y aislada, presentan la característica de reconstrucción perfecta o de proximidad a la reconstrucción perfecta, al igual que si forman una estructura de transmultiplexador. Este procesamiento comprende operaciones matriciales y de transformación del tipo transformada discreta de Fourier directa o inversa, implementadas mediante algoritmos rápidos y eficientes de ejecución, y filtrado.

3. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los filtros de transmisión o de síntesis (f_k[n]) y los de recepción o de análisis (h_k[n]) se obtienen a partir de las siguientes expresiones, siendo M el número de portadoras:

donde c_i, k_i y n_i, 1 = i = 2, son constantes, W_M = e^-j2p/M, y p₁[n] y p₂[n] son los filtros prototipo a los que se aplica la modulación.

O bien a partir de las siguientes expresiones

donde N es una constante, y W_M = e^j2p/M.

O bien a partir de las siguientes expresiones

donde F_k(z) y H_k(z) son los filtros de transmisión y de recepción, respectivamente; a, ß, y D son constantes, y W_M = e^-j2p/M.

4. Procedimiento de transmisión y recepción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el filtrado en transmisión y recepción es un filtrado polifase, donde el bloque de filtrado polifase consiste en una serie de filtros en paralelo, independientes o agrupados por parejas, cuyos coeficientes se obtienen a partir de un filtro prototipo.

5. Procedimiento de transmisión y recepción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el transmisor comprende, previa a la etapa de procesamiento de las señales de entrada, y en cada una de las ramas, dos etapas de diezmado de factor M/R, a las que se le introducen datos. En una de estas etapas, tras el diezmado se aplica un retardo de una unidad. La salida de ambas etapas (diezmado más retardo, y diezmado), se suman, y se introducen como entradas en la etapa de procesamiento de las señales (subportadoras) a través de un algoritmo rápido. A su vez, el receptor comprende, tras el bloque de procesamiento de las señales a través de un algoritmo rápido, que a cada una de las salidas se aplique una etapa de diezmado de factor M/R, y otra etapa de retardo y de diezmado de factor M/R, seleccionando tras los diezmados la parte real o imaginaria del resultado obtenido.

6. Procedimiento de transmisión y recepción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el receptor comprende, tras el bloque de procesamiento de las señales a través de un algoritmo rápido, que en cada una de las salidas se proceda a la selección de la parte real del resultado obtenido.

7. Procedimiento de transmisión y recepción según las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el receptor comprende, tras el bloque de procesamiento de las señales a través de un algoritmo rápido, que en cada una de las salidas se seleccione de forma alterna la parte real e imaginaria del resultado obtenido.

8. Procedimiento de transmisión y recepción según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde se, emplea junto al convertidor paralelo serie del transmisor un bloque de adición de un prefijo (o sufijo), y junto al convertidor serie/paralelo de recepción, un bloque de selección de las muestras correspondientes y válidas de la transmisión, descartando las no válidas.

9. Procedimiento de transmisión y recepción según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque además de los bloques incluidos en dichas reivindicaciones, emplea junto al convertidor paralelo/serie del transmisor un bloque de adición de ceros, y tras el convertidor serie/paralelo de recepción, un bloque de solapamiento y suma, o procedimiento equivalente, que permite diagonalizar el canal matricial discreto equivalente utilizando matrices DFTs.

10. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se una etapa de aplicación de un retardo de duración predeterminada

donde T es un número entero, y 0 = n₀ < M siendo M el número de portadoras, a los símbolos modulados entregados por el transmisor.

11. Procedimiento de transmisión y recepción según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9 donde porque la matriz de filtrado del receptor se encuentra multiplicada por un retardo, de la forma

donde T es un número entero y 0 = n₀ < M siendo M el número de portadoras, en la que la implementación de dicho retardo se lleva a cabo antes del receptor o incluido en una de sus etapas.

12. Procedimiento de transmisión, modulación, desmodulación o recepción según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal multiportadora es una señal multiportadora multiplexada por división en frecuencia asociada a portadoras moduladas de forma síncrona y/o asíncrona.

13. Sistema de transmisión y recepción de una señal multiportadora caracterizado por incluir los medios necesarios para realizar las etapas del procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1-12.