La presente invención se refiere a un sistema de comunicaciones digitales que aplica codificación de canal y modulación QAM.

En QAM, en el transmisor, se hace corresponder un número Q de bits a un símbolo QAM, que se transmite sobre el canal. En el lado del receptor, para cada símbolo QAM, se realiza una mapeo inverso con el fin de obtener un valor L para cada bit que corresponde con el símbolo QAM. Estos valores L proporcionan no solamente una estimación de los bits transmitidos sino que también dan información acerca de su fiabilidad.

La invención presentada describe un procedimiento y un dispositivo para calcular estos valores L de una manera muy eficiente, haciendo uso de un cálculo de la distancia que no requiere la determinación del punto de constelación más cercano.

Procedimiento y dispositivo de comunicaciones digitales para la recepción de datos usando símbolos QAM.

Campo de la invención La presente invención se refiere por lo general al campo de las comunicaciones digitales de datos, de manera más particular, a las técnicas de mapeo inverso ("demapping", en inglés) de los símbolos de Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) , y que también se puede aplicar, pero no está limitada a éstos, los sistemas de comunicaciones inalámbricas de múltiples antenas.

Estado de la técnica

En los sistemas de comunicaciones digitales actuales, por ejemplo, la telefonía digital celular, los sistemas digitales de radiocomunicaciones o los sistemas de transmisión inalámbricos, los mensajes digitales transmitidos son distorsionados por el canal y se ven afectados por el ruido y la interferencia. Los datos recibidos en el receptor tienen que ser procesados de manera adecuada con el fin de recuperar los mensajes enviados.

En el transmisor de un sistema de comunicaciones digitales, los bits de información se hacen corresponder sobre constelaciones de símbolos complejos, tales como la Modulación de Amplitud en Cuadratura de 16 puntos (16-QAM) , la Modulación de Amplitud en Cuadratura de 64 puntos (64-QAM) , etc. Otras modulaciones de orden superior, por ejemplo, la Modulación de Amplitud en Cuadratura de 256 puntos (256-QAM) y superiores, se requieren para sistemas de comunicaciones espectralmente eficientes.

La operación inversa correspondiente llevada a cabo en el receptor se conoce como mapeo inverso ("demapping", en inglés) que comprende el cálculo de una métrica para cada bit de información que se vaya a introducir a un descodificador.

La figura 1 muestra un modelo simplificado de un sistema de comunicaciones digitales, que es válido para la gran mayoría de sistemas modernos para la transmisión de datos digitales. Una secuencia de bits de información (u) , que forman un mensaje que se introduce a un transmisor (T) , es en primer lugar codificada por medio de un codificador FEC (1) para la corrección de errores en transmisión y esto produce una secuencia de bits codificados (c) que, a su vez, se entrega a un entrelazador (2) . El entrelazador (2) -o "interleaver", en inglés-permuta la secuencia de bits codificados (c) y los entrega a un mapeador QAM (3) , que transforma un determinado número (Q) de bits en un símbolo QAM (x) que será enviado por el transmisor (T) .

El mapeador QAM (3) hace corresponder un vector binario b = (b1, ..., bQ) de Q elementos a un símbolo QAM (x) tomado de un alfabeto discreto Cx, es decir, x = map (b) y éste es:

donde bq ∈ {0, 1} son valores binarios y Cx representa la constelación QAM, que contiene 2Q puntos de constelación con valor complejo.

La correspondencia es uno a uno, es decir, cada punto en la constelación Cx está identificado de manera univoca por medio de un vector de bits y viceversa. Esta relación entre los vectores de bit b y los puntos de la constelación x ∈ Cx también se denomina etiquetado.

El efecto del filtro de transmisión y de la conversión digital a analógica, el canal físico y el filtro del receptor incluyendo la conversión analógica a digital se representa por medio de un canal en banda base equivalente (4) .

Una señal codificada y modulada de acuerdo con el esquema QAM usado en el transmisor (T) se envía a través de un medio de comunicaciones a un receptor (R) .

Suponiendo que el canal en banda base equivalente (4) esté definido por un coeficiente de canal h y el ruido en el medio de comunicaciones esté modelado como ruido gaussiano blanco aditivo, la señal recibida se puede expresar por medio de una serie de uno o más símbolos QAM recibidos (y) siendo:

donde w es una variable aleatoria con distribución gaussiana compleja circular de media cero y varianza N0.En otras palabras, la parte real y la parte imaginaria de w son gaussianas i.i.d. (independiente e idénticamente distribuidas) con media cero y varianza N0/2.

Esto quiere decir que el símbolo QAM transmitido x se ve atenuado por un coeficiente de canal h y que se ve corrompido por el ruido aditivo w. Si el coeficiente de canal h cambia con el tiempo, h hace referencia a un canal con desvanecimientos. Si h es constante con el tiempo, entonces el canal se reduce al canal más sencillo AWGN (ruido blanco gaussiano aditivo, Additive White Gaussian Noise) . Las siguientes consideraciones se aplican en ambos casos.

La función densidad de probabilidad condicional del canal viene aquí definida por:

La señal recibida se demodula mediante el uso de un "demapper" o mapeador inverso (5) y de un "desinterleaver"

o entrelazador inverso (6) para producir un flujo de información que es descodificado con posterioridad en un descodificador de canal (7) , que es un descodificador FEC, con el fin de obtener otra secuencia de bits de información (û) que forma el mensaje recibido.

El receptor (R) intenta recuperar todos los bits de información (u) del mensaje transmitido. Una solución sencilla pero no del todo óptima es realizar en el receptor (R) los mismos pasos que en el transmisor (T) , pero en orden inverso. Esta sencilla estrategia en primer lugar encuentra cada símbolo ruidoso QAM recibido (y) , el correspondiente punto de la constelación y el vector de bits. Sin embargo, esta "mapeo inverso duro" descarta la información que podría ser explotada por el descodificador FEC. Por lo tanto, en los receptores modernos para mejorar el rendimiento de la codificación, el mapeador inverso (5) proporciona una denominada "información blanda" acerca de cada bit. Esta información blanda proporciona no solamente una indicación acerca del valor de cada bit, sino que además también proporciona una estimación de su fiabilidad. La forma más común para definir esta información blanda es el valor L (Dq) , que indica el logaritmo de una probabilidad relativa de que un bit en el flujo binario fuente tenga un valor en particular:

donde bq denota el bit q-ésimo en el vector de bits b [para referencia, véase "Códigos BICM de Complejidad Reducida con Descodificación Iterativa y Código Interno" de S. Pfletschinger, M. Navarro y D. Bellver, emitida en el XX Simposio Nacional de la URSI, 2005, y que se encuentra disponible en la siguiente dirección electrónica: www.iec.csic.es/URSI/articulos_gandia_2005/articulos/CMo1/560.pdf; véase también "Un sistema MIMO de baja complejidad con mitigación de interferencia blanda" de S. Pfletschinger y M. Navarro, Conferencia Global de Telecomunicaciones, 2004, Volumen 1 del IEEE, páginas 396 a 400].

A partir del valor L (Dq) , la probabilidad a posteriori P [bq=1|y] se puede averiguar de manera directa, y viceversa. Mediante la aplicación de algunas ecuaciones básicas de teoría de la probabilidad, el valor L (Dq) para el bit q-ésimo (bq) en el vector de bits (b) se puede escribir como:

donde Bq, 1={b : bq =1} denota el conjunto de vectores de bits que tienen un valor "uno" en la posición q y Bq, 0={b : bq = 0} es el conjunto de vectores de bits con un valor "cero" en su q-ésima posición.

P[bq = 1]

El primer término de la ecuación 5 es el valor L a priori Aq =ln , que en lo que sigue se supone que es P[bq = 0] igual a cero. Esta suposición es equivalente a decir que "unos" y "ceros" son equiprobables, y se cumple a la salida de cualquier esquema de codificación de fuente o canal diseñado de manera razonable. En cualquier caso, mientras las probabilidades no se encuentren disponibles en el descodificador (7) , se tienen que suponer los bits equiprobables.

Aquí, suponiendo P[bq =1]= P[bq = 0] y con la ecuación 3, el valor L (Dq) se puede obtener como:

Con la definición del logaritmo jacobiano la ecuación 6 se puede escribir de la siguiente manera:

Una aproximación, que a menudo se aplica para el cálculo de valores L, es la aproximación max-log [véase, por ejemplo, "Una comparación de algoritmos de descodificación MAP óptimos y subóptimos que funcionan en el dominio logarítmico", de P. Robertson y colaboradores, Conferencia Internacional de Comunicaciones del IEEE, Seattle (Estados Unidos) , junio de 1995] de la siguiente forma:

Esto lleva a donde Xq, 1 = {x = map (b) : bq =1}y Xq, 0 = {x =map (b) : bq = 0}.

El cálculo del valor L (Dq) de acuerdo con la ecuación 9 es muy simple desde el punto de vista conceptual,...

1. Un procedimiento para la recepción de datos digitales usando símbolos QAM, cada uno de los símbolos recibidos

(y) correspondiente a un número Q de bits determinado por el orden de la modulación QAM usada y los símbolos QAM estando definidos en una constelación Cx, comprendiendo el procedimiento los pasos de: -estimar a partir de los datos digitales recibidos una potencia de ruido (N0) y un coeficiente de canal (h) , -mapeo inverso del símbolo recibido (y) para proporcionar información blanda para la descodificación de los datos digitales recibidos,

y estando caracterizado porque el paso de mapeo inverso comprende los pasos de: -pre-ecualizar el símbolo recibido (y) por medio del coeficiente de canal (h) para obtener una señal pre-ecualizada

(z) determinada por una parte real (z') y una parte imaginaria (z") ;

- calcular una distancia desde la señal pre-ecualizada (z) hasta un cierto punto de la constelación Cx usando la parte real (z') y la parte imaginaria (z") de la señal pre-ecualizada (z) ;

- calcular para al menos un bit del símbolo recibido (y) un valor L (Dq) usando la señal pre-ecualizada (z) y la distancia calculada.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el paso de calcular la distancia desde la señal pre-ecualizada (z) comprende:

- el cálculo de una coordenada real de la distancia (d' ) y una coordenada imaginaria de la distancia (d") de acuerdo

con las expresiones:

3. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso de mapeo inverso comprende de manera adicional:

- el cálculo de los respectivos valores absolutos (|z'|, |z"|) de la parte real (z') y de la parte imaginaria (z") de la señal pre-ecualizada (z) .

4. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3, en el que el paso de calcular el valor L (Dq) para una posición de bit q en el símbolo recibido (y) , siendo q ∈ {1, 2, ..., Q}, comprende:

- el cálculo de un primer término D˜q del valor L (Dq) usando la parte real calculada (z') y la parte imaginaria (z") de la señal pre-ecualizada (z) y sus respectivos valores absolutos (|z'|, |z"|) , y la coordenada real de la distancia (d') y la coordenada imaginaria de la distancia (d") ;

- la obtención del valor L (Dq) usando el primer término calculado D˜q y la potencia de ruido estimada (N0) yel coeficiente de canal (h) por medio de la ecuación:

5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el paso de calcular el primer término D˜q del valor L (Dq) comprende:

- el particionamiento de la constelación Cx en subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1, siendo q ∈ {1, 2, ..., Q} la posición de bit en el símbolo recibido (y) ;

- la determinación de los respectivos conjuntos X'q, 0y X'q, 1 de partes reales de las subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1, y los respectivos conjuntos X"q, 0y X"q, 1 de las partes imaginarias de las subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1.

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el paso de calcular el primer término D˜q del valor L (Dq) comprende de manera adicional:

- si los conjuntos X'q, 0y X'q, 1 de partes reales son iguales, calcular

7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el paso de calcular el primer término D˜q del valor L (Dq) comprende de manera adicional:

- el particionamiento de los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de las partes imaginarias respectivamente en K0 subconjuntos disjuntos Bk, 0 yK1 subconjuntos disjuntos Bk, 1, siendo Bk, 0 ={nk0, nk0 + 2, ..., mk0 -2, mk0}ynk0, mk0 enteros impares, k0 = 1, ... K0, y siendo Bk, 1 ={nk1, nk1 +2, ..., mk1 -2, mk1}ynk1, mk1 enteros impares, k1 = 1, ... K1;

- la determinación de una variable ξ por medio de:

- si ξ≥0yBk, i={1, 3}, calcular

como:

- siBk, i tiene un número par de elementos, calcular

como:

donde d (ξ) es una función distancia de la variable ξ definida por:

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el paso de calcular el primer término D˜q del valor L (Dq) comprende de manera adicional:

- si los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de partes imaginarias son iguales, calcular

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el paso de calcular el primer término D˜q del valor L (Dq) comprende de manera adicional:

- el particionamiento de los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de partes reales respectivamente en K0 subconjuntos disjuntos Bk, 0 yK1 subconjuntos disjuntos Bk, 1, siendo Bk, 0 ={nk0, nk0 +2, ..., mk0 -2, mk0}ynk0, mk0 enteros impares, k0 = 1, ... K0, y siendo Bk, 1 ={nki, nk1 +2, ..., mk1 -2, mk1}ynk1, mk1 enteros impares, k1 = 1, ... K1;

- la determinación de una variable ξ por medio de:

- si ξ≥0yBk, i={1, 3}, calcular

como:

- siBk, i tiene un número par de elementos, calcular

como:

donde d (ξ) es una función distancia de la variable ξ definida por:

10. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el orden de la modulación QAM usada es Q ≥ 6.

11. Un dispositivo para la recepción de datos digitales usando símbolos QAM, cada uno de los símbolos recibidos (y) correspondiente a un número Q de bits determinado por el orden de la modulación QAM usada y los símbolos QAM estando definidos en una constelación Cx, comprendiendo un demodulador digital para convertir el símbolo recibido (y) en datos demodulados digitalizados, comprendiendo el demodulador digital a su vez:

- una unidad de estimación de canal (8) configurada para obtener una potencia de ruido (N0) y un coeficiente de canal (h) a partir del símbolo recibido (y) ,

- un mapeador inverso (5) para proporcionar información blanda de al menos un bit del símbolo recibido (y) y que se introduce a un entrelazador inverso (6) yaun descodificador (7) ,

caracterizado porque el mapeador inverso (5) comprende:

- un pre-ecualizador (9) configurado para obtener a partir del símbolo recibido (y) una señal pre-ecualizada (z) por el coeficiente de canal (h) , teniendo la señal pre-ecualizada (z) una parte real (z') y una parte imaginaria (z") ;

- una unidad de cálculo de la distancia conectada al pre-ecualizador (9) y configurada para calcular una distancia desde la señal, pre-ecualizada (z) hasta un cierto punto de la constelación Cx usando la parte real (z') y la parte imaginaria (z") de la señal pre-ecualizada (z) ;

- una unidad de cálculo de información blanda configurada para calcular un valor L (Dq) para al menos un bit del símbolo recibido (y) , a partir de la señal pre-ecualizada (z) y de la distancia calculada.

12. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la unidad de cálculo de la distancia comprende un medio de cálculo configurado para obtener una coordenada real de la distancia (d') y una coordenada imaginaria

de la distancia (d") de acuerdo con las expresiones:

13. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 ó 12, en el que el mapeador inverso (5) comprende medios de cálculo configurados para obtener los respectivos valores absolutos (|z'|, |z"|) de la parte real (z') y de la parte imaginaria (z") de la señal pre-ecualizada (z) .

14. Un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 12 y 13, en el que la unidad de cálculo de la información blanda está configurada para obtener:

- un primer término D˜q del valor L (Dq) usando la parte real calculada (z') y la parte imaginaria (z") de la señal preecualizada (z) y sus respectivos valores absolutos (|z'|, |z"|) , y la coordenada real de la distancia (d') y la coordenada imaginaria de la distancia (d") ;

y para obtener:

- elvalorL (Dq) usando el primer término calculado Dq y la potencia de ruido estimada (N0) y el coeficiente de canal (h) por medio de la ecuación:

15. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, en el que la unidad de cálculo de la información blanda comprende:

- medios para particionar la constelación Cx en subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1, siendo q ∈ {1, 2, ..., Q} la posición de bit en el símbolo recibido (y) ;

- medios para determinar los respectivos conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de las partes reales de las subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1, y los respectivos conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de las partes imaginarias de las subconstelaciones Xq, 0y Xq, 1;

- medios para comparar los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de las partes reales y medios para comparar los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de las partes imaginarias.

16. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15, en el que la unidad de cálculo de la información blanda está configurada para obtener el primer término D˜q del valor L (Dq) por medio de:

- calcular

si los conjuntos X'q, yX'q, 1 de partes reales son iguales; y

- calcular

si los conjuntos X"q, yX"q, 1 de partes imaginarias son iguales.

17. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la unidad de cálculo de la información blanda comprende de manera adicional:

- medios para particionar los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de partes reales y los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de partes imaginarias, estando los mencionados medios para el particionamiento configurados para realizar la partición de:

- los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de partes imaginarias respectivamente en K0 subconjuntos disjuntos Bk, 0 yK1 subconjuntos disjuntos Bk, 1, siendo Bk, 0 ={nk0, nk0 +2, ..., mk0 -2, mk0}ynk0, mk0 enteros impares, k0 = 1, ... K0, y siendo Bk, 1 ={nk1, nk1 + 2, ..., mk1 -2, mk1}ynk1, mk1 enteros impares, k1 = 1, ... K1, si los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de partes reales son iguales; y

- los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de partes reales respectivamente en K0 subconjuntos disjuntos Bk, 0 yK1 subconjuntos disjuntos Bk, 1, siendo Bk, 0 ={nk0, nk0 +2, ..., mk0 -2, mk0}ynk0, mk0 enteros impares, k0 = 1, ... K0, y siendo Bk, 1 ={nk1, nk1 +2, ..., mk1 -2, mk1}ynk1, mk1 enteros impares, k1 = 1, ... K1, si los conjuntos X"q, 0y X"q, 1 de partes imaginarias son iguales.

18. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 17, en el que la unidad de cálculo de información blanda está

configurada para calcular si los conjuntos X'q, 0 yX'q, 1 de partes reales son iguales, por medio de:

- la determinación de una variable ξ por medio de:

- si ξ≥0yBk, i={1, 3}, calculando el

como:

- siBk, i tiene un número par de elementos, calculando

donde d (ξ) es una función distancia de la variable ξ definida por:

19. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 ó 18, en el que la unidad de cálculo de la información blanda está configurada para calcular si los conjuntos X"q, 0 yX"q, 1 de partes imaginarias son iguales, por medio de: -la determinación de una variable ξ por medio de: -si ξ≥0yBk, i={1, 3}, calculando como:

- siBk, i tiene un número par de elementos, calculando

donde d (ξ) es una función distancia de la variable ξ definida por:

20. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a la 19, en el que la unidad de cálculo de la información blanda está configurada para calcular el valor L (Dq) para al menos un bit del símbolo recibido (y) correspondiente a un número Q ≥ 6 de bits.