METODO Y APARATO PARA LA OBTENCION DE INMUNIDAD A LA DIFERENCIA DE FASE Y EL EFECTO DOPPLER EN SISTEMAS DE DETECCION Y COMUNICACIONES.

Método y aparato para la obtención de inmunidad a la diferencia de fase y el efecto Doppler en sistemas de detección y comunicaciones Objeto de la invención La invención a la que se refiere la presente memoria trata de un método y aparato de codificación y decodificación que, al ser aplicado a cualquier sistema que requiera transmitir y recibir una señal en un medio de transmisión, permite eliminar los efectos debidos a las diferencias de fase entre las señales emitidas y recibidas así como eliminar el efecto Doppler provocado por la diferencia de velocidad entre los distintos emisores y receptores. Este método permite reducir dichos efectos permitiendo diseñar sistemas de detección (RADAR, SONAR, Espectroscopia, NDT, etc) con una mayor resolución espacial que los sistemas actuales y con menor potencia de cálculo. Asimismo, en sistemas donde se requiera la comunicación simultánea de diversos flujos de datos ortogonales independientemente de la fase con la que se reciben (como por ejemplo en el camino ascendente de comunicaciones móviles o multipunto a punto, aplicaciones DSL, etc.), este método permite la anulación de la interferencia multiacceso independientemente de la fase y Doppler con la que alcanzan al receptor. Por último, este método permite transmitir y recibir la señal al mismo tiempo y por tanto cancelar el tiempo ciego entre medidas en sistemas que emplean compresión de pulsos. Campo de la invención La presente invención tiene su desarrollo en muy variados campos debido al amplio espectro de utilización de esta tecnología. A nivel recitativo pero no limitativo podemos hablar de su utilización en el campo de las comunicaciones, igualmente esta tecnología se configura de gran valor en el campo militar y civil relativo a las comunicaciones de un aparato de radar o de sonar y como ejemplo de la importancia y versatilidad de esta tecnología, también tiene su utilización en los aparatos de diagnóstico médico basado en imágenes, como pueden ser las ecografías, resonancias magnéticas o Tomografía Axial Computerizada, así como en la medición de magnitudes físico-químicas no intrusivas y el análisis espectral, entre otros, ya que esta técnica ofrece la posibilidad de obtener directamente la función de transferencia del medio de transmisión. Antecedentes de la invención En la mayoría de los sistemas de detección actuales se transmite una señal que, al propagarse por el medio y ser absorbida o reflejada en los objetos detectados, sufre una modificación en sus parámetros de modo que la fase con la que se recibe, así como la frecuencia y amplitud se ven modificadas por el desplazamiento de los objetos detectados respecto del receptor. Es evidente que, además, la señal recibida estará formada por réplicas de la señal original desplazadas en fase y en frecuencia con distintas amplitudes debidas a los efectos de absorción y reflexión en dichos objetos. Por otra parte, la resolución en distancia es uno de los factores más importantes en este tipo de sistemas que se ve limitada no sólo por la forma de la señal transmitida sino también por los efectos de distorsión de fase y en especial el Doppler y el Clutter. La compresión digital de pulsos es una de las técnicas más empleadas para incrementar la resolución en distancia ya que permite la posibilidad de utilizar secuencias binarias cuya autocorrelación es ideal (Un pico máximo definido con lóbulos laterales bajos). Las secuencias Barker han sido uno de los recursos más empleados durante años habida cuenta de su demostrada inmunidad al efecto Doppler. Sin embargo, debido a su reducida longitud (menor o igual a 13 bits) su aplicación está limitada a entornos de bajo ruido o alto Doppler, donde otras técnicas no pueden utilizarse. Aunque en el trabajo de J. Watkins et Al [A Binary Sequence of Period 64 with Better Autocorrelation Properties Than Barker Sequence of Period 13, JPL, TDA Progress Report, April-June 1985] se advierte le posibilidad de obtener mejores características que la secuencia Barker, es el único caso conocido hasta el momento y se considera que no existen secuencias de mayor longitud que posean dichas características. La compresión mediante funciones lineales moduladas en frecuencia (LFM) o Chirps y todas sus variantes es la técnica más empleada actualmente pues posee la ventaja de optimizar la energía en la banda empleada obteniendo una función de autocorrelación ideal [US 4,633,185; US 4,309,703]. Por el contrario, su inmunidad al Doppler es baja y posee lóbulos laterales relativamente altos en las proximidades del objetivo salvo que se realice un proceso de enventanado o filtrado de la señal recibida relativamente complejo. La compresión de pulsos mediante secuencias Golay se ha planteado ya en numerosas patentes y publicaciones, incluidas varias pertenecientes al autor de la presente patente, sin embargo, todas ellas tienen el inconveniente de ser muy sensibles a la variación de fase y la frecuencia por lo que poseen un uso limitado en aplicaciones RADAR y SONAR con efecto Doppler debido a la generación de lóbulos laterales elevados que deben ser compensados al igual que las señales Chirp [US 5,440,311; US 5,151,702, US 4,353,067]. Sin embargo, una de las ventajas de las secuencias complementarias es la posibilidad de encontrar combinaciones de códigos con correlación cruzada nula lo que facilita 2 ES 2 351 564 A1 la reducción de interferencias entre distintos sistemas de detección, eso ya está anticipado en [US 5,047,784] o en la solicitud [PCT/ES2008/000734] sin embargo, ambas técnicas son sensibles a los efectos del Clutter y el Doppler y requieren compensación. Una solución es el uso de filtros compensadores de Doppler como en la patente [US 5,376,939] que hacen que el procesado de señal se complique en exceso. Las técnicas de compensación Doppler son muy variadas y existen numerosas patentes relacionadas [US 7,439,906; US 5,414,428; US 3,945,010] aunque dichas patentes no están relacionadas con el objeto de esta patente ya que la técnica que se presenta no requiere compensación alguna del Doppler sino que es inmune a dicho efecto. Por otra parte, en sistemas comunicación uno de los mayores problemas es la interferencia entre usuarios. El sistema basado en división por código o CDMA es un sistema que se basa en las propiedades de correlación cruzada baja de distintas secuencias empleadas por distintos usuarios. Debido a que dicha correlación cruzada no es nula existe una interferencia debida al acceso simultáneo de varios usuarios denominada MAI (Multi-Access Interference) que impide incrementar el número de usuarios por encima de un limite relacionado con dicha interferencia. Evidentemente, el movimiento de los usuarios dentro de la celda con respecto a si mismos y a la estación base provoca distorsión de fase y frecuencia debida al efecto Doppler que en ocasiones no puede ser corregida o reduce la velocidad de transmisión. Esto es especialmente dañino en sistemas multipunto a punto (enlaces de satélite, comunicaciones móviles, etc) donde las diferentes distancias y velocidades entre usuarios hacen complicada la tarea de sincronizar y mantener la interferencia baja entre ellos. Asimismo, en el enlace usuario a estación base existe un desfase entre los distintos usuarios lo que provoca un incremento de la interferencia. Por otra parte, las comunicaciones entre vehículos que se desplazan a alta velocidad (aviones, trenes, naves espaciales, misiles, satélites, etc) son extremadamente delicadas ya que la eficiencia espectral o velocidad de transmisión de datos decae rápidamente a altas velocidades. Asimismo, el efecto de compartir la misma banda de frecuencias entre abonados o servicios es especialmente dañino en los sistemas de acceso de banda ancha por cable xDSL donde la diafonía lejana o telediafonía (FEXT, Far End Crosstalk) hace que cuando el número de abonados que comparten un mismo cable de pares aumenta, la velocidad de datos que es capaz de transmitir para cada abonado a una distancia dada disminuye. Este efecto puede llegar a ser significativo y reducir la cobertura para un determinado servicio hasta en un 50% para velocidades medias en torno a 12 Mbps y llegar a un 2500% en el caso de velocidades de 20 Mbps, pasando de 1 Km a 200 m de radio de cobertura. La codificación de distintas portadoras mediante el empleo de conjuntos de secuencias complementarias ya se plantea en diversos trabajos como el publicado por Hsiao-Hwa Chen et al en [A Multicarrier CDMA Architecture Based on Orthogonal Complementary Codes for New Generations of Wideband Wireless Communications, IEEE Communications Magazine, Oct. 2001, pp. 126-135]. Otra aproximación a la misma solución es la propuesta por Zao Ying et al en [Complex Orthogonal Spreading Sequences Using Mutually Orthogonal Complementary Sets, MILKON Internacional conference, 2006. 22-24...

1. Método para la obtención de inmunidad a la diferencia de fase y el efecto Doppler en sistemas de detección y comunicaciones, caracterizado esencialmente porque consiste en que la información se codifica mediante la emisión simultánea mediante distintos canales de familias de conjuntos de secuencias complementarias cuya correlación cruzada es nula entre subconjuntos de dichas familias, y donde este utiliza conjuntos de N secuencias complementarias, entendiéndose por complementarias aquellas en las que la suma de sus autocorrelaciones da como resultado una Delta de Krönecker, y donde además el valor de N coincide también con el número de conjuntos de secuencias complementarias que son ortogonales entre si, es decir que la suma de las correlaciones cruzadas de las secuencias complementarias de cada conjunto es cero. Y donde la señal emitida consiste en la emisión en cuadratura de cada uno de los códigos en fase y los mismos cambiados de signo en cuadratura. 2. Aparato para la obtención de inmunidad a la diferencia de fase y el efecto Doppler en sistemas de detección y comunicaciones, caracterizado esencialmente porque está constituido por dos elementos principales, un codificador en transmisión y un decodificador en recepción. El codificador funciona de forma que la información a transmitir o señal de control (10), cuyo ancho de banda es B, activa el generador de códigos (9) de forma que la señal es codificada mediante N secuencias complementarias de un conjunto de secuencias complementarias de N elementos y las salidas corresponden realmente a la convolución de la señal de control con cada una de las secuencias generadas por el generador de códigos (9) y se convierten en (11), (13)... (21), y de forma que por cada frecuencia se envía al menos uno de los códigos del conjunto en la fase (A1), (A2), .... (AN) el mismo código cambiado de signo en cuadratura (-A1), (-A), ...(-AN) que se corresponde con las señales en (12), (14)... (22) y que corresponden a la convolución de la misma señal con cada una de las secuencias anteriores cambiadas de signo. Las 2N señales anteriores son moduladas en cuadratura mediante los bloques moduladores (23) utilizando N frecuencias, f 1 a f N, intermedias, resultando (15), (16)... (1X). Estas señales moduladas son sumadas en 17 y el conjunto generado es subido a la frecuencia de transmisión mediante un convertidor de frecuencia o upconverter (18) y amplificado mediante un amplificador (19) para enviarlo al medio con ayuda del transductor (20). El decodificador inicia su proceso con la conversión de frecuencia de la señal (30) recibida por el transductor (50) mediante el bloque downconverter (51) obtiene la señal compuesta (31) ya en frecuencia intermedia (FI) y a partir de aquí, se demodula cada uno de los flujos transmitidos en cada una de las N frecuencias portadoras obteniendo 2N señales en banda base mediante los bloques demoduladores en cuadratura (32), y en donde la salida de cada bloque cada señal es filtrada, por un filtro de paso bajo (57) para eliminar las frecuencias fuera de banda obteniendo las señales (33), (34)..(3N). Estas señales son correladas mediante el correlador (37) por las réplicas almacenadas correspondientes a las secuencias transmitidas del conjunto seleccionado en transmisión. La suma (35) de las señales (33) de las correladas en fase equivalente permiten obtener la información que denominaremos Real (55) y la suma (35) de las señales (34) correladas en cuadratura equivalente permiten obtener la información que denominaremos Imag (56), de forma que la señal recibida será equivalente a la señal compleja Rx=Real+j·Imag 3. Método para la obtención de inmunidad a la diferencia de fase y el efecto Doppler en sistemas de detección y comunicaciones, de acuerdo con la primera reivindicación y caracterizado porque el método puede implementarse empleando N transductores simultáneos en lugar de N frecuencias. 4. Método para la obtención de inmunidad a la diferencia de fase y el efecto Doppler en sistemas de detección y comunicaciones de acuerdo con la primera reivindicación y caracterizado porque si se cumple que la ortogonalización es independiente de la fase y del módulo de las señales recibidas y también se utiliza para cualquier valor de separación mayor o igual que 0.5 intervalos de chip, es posible transmitir y recibir la señal al mismo tiempo, empleando un solo transductor o antena y por tanto, eliminar el tiempo ciego entre medidas. 8 ES 2 351 564 A1 9 ES 2 351 564 A1 ES 2 351 564 A1 11 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA