Procedimiento de demodulación en un receptor de una pluralidad de símbolos bk comprendidos en una señal recibida y(t),

teniendo dicho receptor conocimiento de un vector de secuencia de salto de tiempo c de la señal transmitida, comprendiendo dicho procedimiento la etapa de: generar una pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia a partir de la señal recibida y(t). También comprende las etapas de: a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia y dicho vector de secuencia de salto de tiempo c, aplicar una etapa de estimación basta para identificar el inicio de un primer símbolo completo **FIGURA 01** en un intervalo de adquisición; aplicar una etapa de estimación fina del retardo de tiempo **FIGURA 02** de cada símbolo bk, donde k denota el símbolo k-ésimo, buscando un máximo relativo en el que una distribución de energía de señal supera un determinado umbral Pth; a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo **FIGURA 03** de cada símbolo bk, demodular **FIGURA 04** dichos símbolos bk. Dispositivo y programa informático

Método de demodulación y sincronización en sistemas de banda ultra ancha.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de banda ultra ancha (UWB) y, más particularmente, a técnicas de sincronización y demodulación en sistemas de banda ultra ancha (UWB).

Estado de la técnica

La tecnología de comunicación UWB se ha visto motivada por algunas características atractivas: robustez en la propagación multitrayectoria, baja probabilidad de intercepción, alta resolución en aplicaciones de localización, alta tasa de transmisión en corto alcance, baja potencia y reducida complejidad. No obstante, para aprovechar estas características, se necesitan una sincronización y una estimación de canal precisos, siendo los dos desafíos principales en sistemas UWB.

El canal UWB se caracteriza por ser muy rico en componentes multitrayectoria. La solución convencional para explotar la diversidad multitrayectoria en canales de comunicación inalámbricos se proporciona por el receptor Rake (G. C. M. Z. Win y N. R. Sollenberger, "Performance of rake recepción in dense multipath channels: Implications of spreading bandwidth and selection diversity order", IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 18, no. 8, págs. 1516-1525, agosto de 2000) que para canales UWB puede explotar la rica diversidad multitrayectoria a expensas de una elevada complejidad debido al gran número de indicadores necesarios para capturar una parte importante de la energía de señal. La estimación de la amplitud y el retardo de las trayectorias de canal requieren una carga computacional muy elevada. Además, la fluctuación de temporización y la estimación de canal imperfecta perjudican considerablemente el rendimiento del receptor Rake, tal como informó A. D. Vicenzo Lottici y U. Mengali en "Channel estimation for ultra-wideband communications", IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 20, no. 9, págs. 1638-1645, diciembre de 2003.

Se han propuesto en la bibliografía receptores no coherentes que no requieren estimación de canal. R. T. Hoctory H. W. Tomlinson, en "Delay-hopped transmitted-reference rf communications", IEEE International Conference on Ultra-Wideband, Baltimore, MD, mayo de 2002, págs. 265-269, han propuesto un algoritmo de referencia transmitida (TR) basado en la correlación de una señal recibida con un pulso de referencia enviado antes de cada pulso de datos. El principal inconveniente de este planteamiento es la ineficacia de energía y la reducción de la tasa de transmisión. El demodulador diferencial (DD) propuesto por J. R. F. M. Ho et al. en "A differential detector for an ultra-wideband communications system", Asilomar Conference on Signals, Systems y Computers, Birmingham, AL, págs. 1896-1900, correlaciona formas de onda de información recibida adyacente de símbolos codificados de manera diferencial, evitando el gasto de energía en el pulso de referencia empleado en los esquemas TR. Ambos planteamientos, referencia transmitida y demodulador diferencial, evitan la estimación de canal pero requieren sincronización de temporización y dan lugar a una degradación del rendimiento importante cuando la temporización es imperfecta.

Un demodulador no coherente diferente basado en plantillas sucias (del inglés, dirty templates) se ha propuesto por Y. Lang y G. B. Giannakis en "Timing ultra wideband signals with dirty templates", IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 11, págs. 1951-1963, noviembre de 2005. En este caso, se desconocen tanto la temporización como el canal. Sin embargo, el algoritmo necesita una fase de inicialización que supone el conocimiento de los dos primeros símbolos, lo que significa que la demodulación no puede realizarse a ciegas en cualquier momento.

La solicitud de patente internacional WO 2008/034466 A1 da a conocer un procedimiento para estimar el tiempo de llegada de una señal recibida para aplicaciones de telemetría. Esta estimación se lleva a cabo en el dominio de la frecuencia. En el documento WO 2008/034466 A1 no se lleva a cabo sincronización de símbolos.

Recientemente, en la bibliografía han aparecido varios planteamientos para sincronización de temporización UWB para resolver la sincronización. El sincronizador de probabilidad máxima dado a conocer por A. D. Vicenzo Lottici y U. Mengali en "Channel estimation for ultra-wideband communications", IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 20, no. 9, págs. 1638-1645, diciembre 2003, implica una alta tasa de muestreo y asume el conocimiento de la forma de onda recibida en el receptor. Esta asunción puede no ser realista debido a que el pulso transmitido puede verse gravemente distorsionado por la antena y por el canal.

La estimación de temporización con ayuda de datos (DA) y sin ayuda de datos (NDA) basada en plantillas sucias (Y. Lang y G. B. Giannakis en "Timing ultra wideband signáis with dirty templates", IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 11, págs. 1951-1963, noviembre 2005) no requiere conocimiento de forma de onda. Sin embargo, el algoritmo NDA propuesto requiere un gran número de símbolos para una estimación precisa del retardo de tiempo incluso para una relación señal a ruido alta. Dos estrategias DA basadas en procedimientos de mínimos cuadrados se ha presentado por C. Carbonelli y U. Mengali, en "Synchonization atgorithms for uwb signals", IEEE Trans. Commun., vol. 54, no. 2, págs. 329-338, febrero 2006, que estiman conjuntamente el canal y el retardo de tiempo requiriendo una alta tasa de muestreo.

J. López-Salcedo y G. Vázquez analizan en "Waveform-independent frame-timing adquisition foruwb signals", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 55, no. 1, págs. 279-289, enero 2007 el problema de la estimación de temporización bajo el criterio de probabilidad máxima incondicional. Este procedimiento no requiere ningún conocimiento previo ni de los símbolos transmitidos (NDA) ni de la forma de onda recibida. Los principales inconvenientes de esta propuesta son la gran complejidad y la considerable longitud del intervalo de observación requerido para la adquisición.

Sumario de la invención

Es por tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento de sincronización y demodulación de una señal transmitida a través de un sistema UWB que resuelve los inconvenientes de los procedimientos de la técnica anterior. En particular, el procedimiento de la invención resuelve la sincronización y la demodulación de datos a ciegas, sin necesidad de estimación de canal o secuencia de entrenamiento transmitida. El procedimiento se basa en un planteamiento en el dominio de la frecuencia, que permite una tasa de muestreo por debajo del límite Nyquist.

En particular, es un objetivo de la presente invención un procedimiento de demodulación en un receptor de una pluralidad de símbolos comprendidos en una señal recibida, teniendo dicho receptor conocimiento de un vector de secuencia de salto de tiempo (en inglés, time hopping sequence vector) de la señal transmitida, comprendiendo dicho procedimiento la etapa de: generar una pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia a partir de la señal recibida. El procedimiento comprende también las etapas de: a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia y de dicho vector de secuencia de salto de tiempo, aplicar una fase de estimación basta (en inglés, coarse) para identificar el inicio de un primer símbolo completo en un intervalo de adquisición; aplicar una fase de estimación fina (en inglés, fine) del retardo de tiempo de cada símbolo, buscando un máximo relativo en el que una distribución de energía de señal supera un determinado umbral; a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo de cada símbolo, demodular dichos símbolos.

Preferiblemente, el procedimiento comprende además: a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo de cada símbolo, de dicha estimación basta y de dicha demodulación de símbolos, identificar con resolución fina el inicio de un primer símbolo completo en un intervalo de adquisición. Esta identificación se lleva a cabo preferentemente de acuerdo con la expresión: 100

Preferiblemente, dichos símbolos están modulados según un esquema modulado de posición de pulsos.

En una realización particular, la estimación del inicio de un primer símbolo completo en dicho intervalo de adquisición se lleva a cabo a partir de al menos el intervalo...

1. Un procedimiento de demodulación en un receptor de una pluralidad de símbolos b_k comprendidos en una señal recibida y(t), teniendo dicho receptor conocimiento de un vector de secuencia de salto de tiempo c de la señal transmitida, comprendiendo dicho procedimiento la etapa de:

- generar una pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia a partir de la señal recibida y(t);

estando el procedimiento caracterizado por que comprende las etapas de:

- a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia y de dicho vector de secuencia de salto de tiempo c, aplicar una etapa de estimación basta para identificar el inicio de un primer símbolo completo hat{τ}^c}₀ en un intervalo de adquisición;

- aplicar una etapa de estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ_k de cada símbolo b_k, donde k denota el símbolo k-ésimo, buscando un máximo relativo en el que una distribución de energía de señal supera un determinado umbral P_th;

- a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ}_k de cada símbolo b_k, demodular hat{b}_k dichos símbolos b_k.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además una etapa de:

- a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ}_k de cada símbolo b_k, de dicha estimación basta hat{τ}^c}₀ y de dicha demodulación de símbolo hat{b_k, identificar con resolución fina el principio hat{τ}^f}₀ de un primer símbolo completo en un intervalo de adquisición.

3. El procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicha etapa de identificación con resolución fina hat{τ^f}₀ se lleva a cabo de acuerdo con la siguiente expresión: hat{τ^f}₀ = hat{τ^c}₀ + tilde{τ_k - hat{b}_kT_δ - T_δ, donde T_δ es el intervalo de modulación de posición de pulsos.

4. El procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que dichos símbolos están modulados según un esquema modulado de posición de pulsos.

5. El procedimiento según la reivindicación 4, en el que dicha estimación del inicio de un primer símbolo completo hat{τ}^c}₀ en dicho intervalo de adquisición se lleva a cabo a partir de al menos el intervalo de modulación de posición de pulsos T_δ y de la identificación de un orden de trama en un intervalo de adquisición υ.

6. El procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicha estimación del inicio de un primer símbolo completo hat{τ^c}₀ adopta la siguiente expresión:

en la que α₁ representa la posición de un primer valor de energía de señal, N_c representa el número de elementos de código o chips por cada intervalo de trama, c_υ representa un elemento del vector c de secuencia de salto de tiempo, valor que denota la posición temporal de la señal dentro de una trama y N_f representa el número total de valores máximos de la energía de señal igual al número de tramas por cada símbolo.

7. El procedimiento según la reivindicación 6, en el que la estimación de dicha primera trama en un intervalo de adquisición υ se obtiene de la siguiente manera:

donde Δα = [α₂-α₁ ... α_j-α_j-1 ... α_Nf-α_Nf-1] es un vector que denota la distancia relativa entre dichos N_f picos de los valores de energía máxima estimados, N_δ = T_c/T_δ es el número de intervalos de modulación PPM por elemento de código o chip y Δ_{ρ c} es una matriz circulante en la que ρ_c(n) denota el número de elementos de código o chips entre dos monociclos consecutivos:

8. El procedimiento según la reivindicación 7, en el que dicha energía a cada intervalo de modulación PPM se obtiene a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia de la siguiente manera:

donde las muestras en el dominio de la frecuencia de la señal recibida en el intervalo T_δ de modulación PPM i-ésimo se definen como:

donde n denota las muestras de frecuencia y m denota las muestras temporales.

9. El procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha fase de estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ_k de cada símbolo b_k comprende las etapas de:

- estimar una matriz de correlación R_k a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia y de dicha estimación del inicio de un primer símbolo completo hat{τ}^c}₀ en un intervalo de adquisición;

- a partir de dicha matriz R_k de correlación, calcular un perfil de retardo de potencia definido como la distribución de energía de señal con respecto a retardos de propagación;

- hallar un valor de retardo tilde{τ_k en el que dicha distribución de energía de señal supere un determinado umbral P_th, representando dicho valor de retardo la estimación fina de retardo de tiempo.

10. El procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de demodular dichos símbolos b_k a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ}_k comprende las etapas de:

- definir un símbolo demodulado diferencial hat{a}_k como:

- y demodular dichos símbolos según la siguiente expresión:

11. El procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha señal recibida y(t) es una señal de banda ultra ancha.

12. El procedimiento según la reivindicación 11, en el que dicha señal de banda ultra ancha es una señal de banda ultra ancha de radio por impulsos.

13. Un dispositivo para demodular una pluralidad de símbolos b_k comprendidos en una señal recibida y(t), teniendo dicho dispositivo conocimiento de un vector de secuencia de salto de tiempo c de una señal transmitida, comprendiendo dicho dispositivo:

- medios para generar una pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia a partir de la señal recibida y(t);

caracterizándose el dispositivo por que comprende:

- a partir de dicha pluralidad de muestras en el dominio de la frecuencia y de dicho vector de secuencia de salto de tiempo c, medios para aplicar una etapa de estimación basta para identificar el inicio de un primer símbolo completo hat{τ}^c}₀ en un intervalo de adquisición;

- medios para aplicar una etapa de estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ_k de cada símbolo b_k, donde k denota el símbolo k-ésimo, buscando un máximo relativo en el que una distribución de energía de señal supera un determinado umbral P_th;

- a partir de dicha estimación fina del retardo de tiempo tilde{τ}_k de cada símbolo b_k, medios para demodular dichos símbolos b_k.

14. Un receptor (10, 10', 20, 30) que comprende al menos un dispositivo según la reivindicación 13.

15. Un receptor (10, 10', 20, 30) según la reivindicación 14, en el que dicho receptor es un receptor de banda ultra ancha de radio por impulsos.

16. Programa informático que comprende medios de código de programa informático adaptados para realizar las etapas del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador, un procesador de señal digital, un array de puerta de campo programable, un circuito integrado específico de la aplicación, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.