Código de corrección de errores adaptativo para comunicaciones de datos a través de una fibra óptica de plástico.

Metodo para codificar datos digitales para su transmisión a traves de una fibra Optica de plastica (150),

comprendiendo el metodo las etapas de:

seleccionar el número de bits en una segunda y tercera parte de datos digitales de entrada en función de una eficacia espectral deseada;

codificar datos digitales de entrada mediante codificación por clases laterales de tres niveles que incluye:

separar (2910) de los datos digitales de entrada una prinnera parte, la segunda parte y la tercera parte de datos, cada una con un número predeterminado de bits;

codificar (2920) la primera parte de datos con un primer código BCH en un primer nivel;

proporcionar en un segundo nivel un segundo codigo BCH y un tercer código BCH, en el que el tercer codigo BCH tiene una longitud de palabra de código menor que la longitud de palabra de código del primer y del segundo código BCH, y el tercer código BCH tiene sustancialmente la misma velocidad de codigo que el segundo cadigo BCH;

codificar (2920) la segunda parte con o bien el segundo o bien el tercer codigo BCH en el segundo nivel; en el primer nivel, mapear (2930) la primera parte codificada en simbolos de una primera constelacian QPSK y realizar una transformación reticular (2940) de los simbolos mapeados para conseguir una división en clases laterales, incluyendo la transformaciOn reticular traslación y ajuste a escala; en el segundo nivel, mapear (2930) la segunda parte codificada en sinnbolos de una segunda constelación predefinida usando mapeo QPSK o BPSK dependiendo de si se us6 el segundo o el tercer c6digo BCH y realizar una transformación reticular (2940) de los simbolos mapeados para conseguir una division en clases laterales, incluyendo la transformación reticular traslacion, rotación de 45 grados y ajuste a escala de la constelación trasladada cuando el numero de bits por dos dimensiones de la segunda constelación es impar;

en el tercer nivel, mapear (2930) la tercera parte en simbolos de una tercera constelación sobre reticulas Z2 o RZ2, configurada segun la eficacia espectral deseada y realizar una transformación reticular (2940) de los simbolos mapeados, incluyendo la transformación reticular traslación, rotación de la constelación trasladada de 45 grados cuando el numero de bits por dos dimensiones de la constelacion configurada es impar y ajuste a escala;

sumar (2950) los simbolos transformados del primer, del segundo y del tercer nivel dando como resultado una constelación combinada sobre Z2 o RZ2; realizar (2950) una transformación reticular de segunda fase de la constelación combinada para conseguir una constelacion de media cero, incluyendo la transformación reticular de segunda fase rotación de la constelacion de -45 grados cuando el nOmero de bits por dos dimensiones de la constelación combinada es impar y una operación de modulo para limitar los simbolos de la constelacion combinada a una constelación cuadrada sobre Z2 o RZ2; y

modular (2960) los simbolos codificados con la codificación por clases laterales de tres niveles usando una modulación de dominio de tiempo.

Código de corrección de errores adaptativo para comunicaciones de datos a través de una fibra óptica de plástico

La presente invención se refiere a una transmisión de datos a través de una fibra óptica de plástico. En particular, la presente invención se refiere a un método y a un aparato para transmitir y recibir datos a través de una fibra óptica de plástico usando un código de corrección de errores adaptativo y un esquema de modulación.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de comunicaciones actuales utilizan diversos tipos de interfaces de cable y radio. Los más fiables son las fibras ópticas de vidrio que también permiten tasas de transmisión muy altas. Por otro lado, los cables de cobre todavía forman parte de las líneas telefónicas que también se usan para la transmisión de datos. Especialmente en las últimas décadas, las comunicaciones inalámbricas se han desarrollado rápidamente. Todos estos medios de transporte de datos tienen sus propias características y son adecuados para su implantación en escenarios y arquitecturas diferentes.

Las fibras ópticas de vidrio (GOF) se usan en la actualidad especialmente para la comunicación que requiere un ancho de banda muy alto y una atenuación muy baja. Puesto que las fibras ópticas de vidrio tienen diámetros muy pequeños y aperturas numéricas (NA) bajas su instalación requiere herramientas de conexión especiales y caras e instaladores expertos.

Otra posibilidad es la implantación de fibras ópticas de plástico (POF), por ejemplo, basadas en polimetacrilato (PMMA) con un diámetro de núcleo mayor (aproximadamente 1 mm) y una apertura numérica alta (NA de aproximadamente 0,3 a 0,5). La fibra óptica de plástico menos cara y más usada es una SI-POF con una apertura numérica de 0,5. Sin embargo, también hay una SI-POF con una apertura numérica baja de 0,3 que permite tasas de transmisión de datos mayores así como PMMA GI-POF con un producto ancho de banda-longitud próximo a 1 GHz x 100 metros. PMMA tiene varias ventanas de atenuación que permiten usar POF con diferentes fuentes de luz visible desde diodos emisores de luz (LED) azules a rojos o diodos láser (LD) rojos.

En comparación con GOF, las fibras ópticas de plástico tienen la ventaja de una instalación muy fácil. Pueden implantarse por instaladores profesionales o no profesionales usando herramientas básicas tales como tijeras o cúters y conectores de plástico baratos. Soporta una desalineación y vibraciones fuertes de modo que puede instalarse en entornos industriales y de automoción sin pérdida de capacidad de comunicación. Las conexiones POF también tienen una tolerancia al polvo residual en las caras terminales mucho mayor que GOF, debido al diámetro de núcleo mayor.

Puesto que la transmisión a través de POF es óptica, las fibras ópticas de plástico son completamente inmunes al ruido eléctrico. Por tanto, el cableado de cobre existente no interferirá con los datos que pasan por las fibras ópticas de plástico por lo que puede instalarse incluso junto a un cableado eléctrico. Los conectores de fibra óptica de plástico y la optoelectrónica para POF son principalmente piezas de consumo de bajo coste que permiten a los instaladores ahorrar en costes de cable y en tiempo de instalación, prueba y mantenimiento. Las fibras ópticas de plástico se han empleado ampliamente, en particular, para redes de entretenimiento informativo (infotainment) en coches y ahora pueden encontrarse como norma global para redes de a bordo para coches, de alta velocidad, tales como transporte de sistemas orientados a medios (MOST).

La figura 1 ilustra un ejemplo de un sistema para la transmisión y recepción de datos a través de POF. La transmisión a través de fibras ópticas de plástico se basa en una modulación de intensidad de luz con detección directa. La señal que va a transmitirse se genera desde un circuito digital 110 para codificar y modular la información de flujo de bits de usuario y se pasa a un extremo frontal analógico (AFE) de transmisor (Tx) 120 para una conversión de datos digitales en una señal eléctrica para controlar el elemento emisor de luz 130. Después de esta conversión de la señal eléctrica en una señal óptica, esta última se introduce entonces en la fibra óptica 150. Los convertidores electroópticos usados para las fibras ópticas de plástico son normalmente diodos emisores de luz (LED) caracterizados por propiedades tales como una longitud de onda pico, un ancho de longitud de onda o distribución modal de lanzamiento.

Durante la transmisión de la señal a través de fibras ópticas de plástico 150, la luz se ve afectada por una atenuación fuerte así como una distorsión debida principalmente a una dispersión modal. La dispersión modal está provocada por modos de luz diferentes que se propagan en la fibra en trayectorias diferentes y con velocidades y atenuaciones diferentes, dando como resultado tiempos de llegada diferentes en el receptor. La señal óptica también se ve afectada por un denominado acoplamiento de modos en el que la energía de modos de orden superior se transfiere a modos de orden inferior y viceversa. En consecuencia, se ensancha un impulso óptico que conduce a una disminución del ancho de banda de la señal.

En un receptor, la señal óptica de la fibra óptica de plástico 150 se convierte en intensidad eléctrica por medio de un convertidor optoeléctrico 170 tal como un fotodiodo. Entonces, la señal eléctrica se procesa por el extremo frontal analógico (AFE) 180. En particular, se amplifica, entre otras cosas mediante un amplificador de transimpedancia (TIA) y se conecta a un receptor digital 190. El TIA es normalmente la fuente de ruido más importante que limita la

sensibilidad final del sistema de comunicación.

Con respecto a la tecnología de transmisión de datos, GOF ha estado usando satisfactoriamente una modulación sin retorno a cero (NRZ). En particular, los sistemas de comunicación por fibra de vidrio actuales utilizan principalmente codificación de linea 8b/10b NRZ o 4b/5b NRZI, que requiere una tasa de baudios de 1,25 GHz y 125 MHz para soluciones de 1 Gbps y 100 Mbps, respectivamente. Por tanto, las soluciones de fibra óptica de plástico actuales también han adoptado una modulación NRZ para comunicaciones de datos. Sin embargo, las fibras ópticas de plástico tienen una respuesta en frecuencia y tiempo diferente de la de las fibras de vidrio y también tienen una atenuación considerablemente mayor. Como medio de comunicación, las fibras ópticas de plástico muestran una dispersión modal muy alta debido a su importante retardo de modo diferencial y atenuación de modo diferencial. Los fotodiodos de área grande requeridos para el acoplamiento con una fibra tienen normalmente un ancho de banda limitado. En vista de la respuesta en frecuencia de una fibra óptica de plástico, son posibles soluciones que soportan 100 ó 150 Mbps de hasta aproximadamente 50 metros; sin embargo, parece que no puede conseguirse 1 Gbps sin una tecnología más avanzada.

La figura 2A muestra una variación del ancho de banda óptico de POF (eje y, en MHz) en función de la longitud de fibra (axis x, en metros). La figura 2B muestra la variación del producto ancho de banda-longitud (eje y, en MHz 100 m) en función de la longitud de fibra. En este caso, la fibra es una SI-POF con una apertura numérica NA de 0,5 (en particular, modelo Mitsubishi Eska-GH4001) y la fuente de luz es un RCLED con FWHN en condiciones de lanzamiento NA de 0,31, un pico de longitud de onda de 658 nanómetros y un ancho de longitud de onda FWHN de 21 nanómetros. Tal como puede observarse a partir de la figura 1, una respuesta plana adecuada para una tasa de baudios de 1,25 GHz deseada es sólo posible en los primeros metros de la fibra óptica de plástico. Para una fuente de luz láser, el ancho de banda óptico en función de la longitud es muy similar. Por tanto, el cuello de botella de ancho de banda se produce por las fibras ópticas de plástico independientemente de lo rápida que sea la fuente de luz porque el factor de limitación es, en particular, la dispersión modal por el acoplamiento de modos en la fibra.

El documento DC-Free Coset Codes de R. H. Deng et al. en IEEE Trans. on Inf. Theory, vol. 34. N.° 4, julio de 1988 describe códigos por clases laterales en bloque para su uso en enlaces de fibra óptica de alta velocidad.

El documento KDPOF, the path to gigabit POF de Pardo et al. de la 19th International Conference on Plástic Optical Fibers (POF 2010) en Yokohama, Japón muestra en la figura 2 un esquema de un codificador de tres niveles con códigos BCH, mapeo y transformación de los símbolos codificados sugerido para su aplicación en transmisión a través... [Seguir leyendo]

Método para codificar datos digitales para su transmisión a través de una fibra óptica de plástico (150), comprendiendo el método las etapas de:

seleccionar el número de bits en una segunda y tercera parte de datos digitales de entrada en función de una eficacia espectral deseada;

codificar datos digitales de entrada mediante codificación por clases laterales de tres niveles que incluye:

separar (2910) de los datos digitales de entrada una primera parte, la segunda parte y la tercera parte de datos, cada una con un número predeterminado de bits;

codificar (2920) la primera parte de datos con un primer código BCH en un primer nivel;

proporcionar en un segundo nivel un segundo código BCH y un tercer código BCH, en el que el tercer código BCH tiene una longitud de palabra de código menor que la longitud de palabra de código del primer y del segundo código BCH, y el tercer código BCH tiene sustancialmente la misma velocidad de código que el segundo código BCH;

codificar (2920) la segunda parte con o bien el segundo o bien el tercer código BCH en el segundo nivel;

en el primer nivel, mapear (2930) la primera parte codificada en símbolos de una primera constelación QPSK y realizar una transformación reticular (2940) de los símbolos mapeados para conseguir una división en clases laterales, incluyendo la transformación reticular traslación y ajuste a escala;

en el segundo nivel, mapear (2930) la segunda parte codificada en símbolos de una segunda constelación predefinida usando mapeo QPSK o BPSK dependiendo de si se usó el segundo o el tercer código BCH y realizar una transformación reticular (2940) de los símbolos mapeados para conseguir una división en clases laterales, incluyendo la transformación reticular traslación, rotación de 45 grados y ajuste a escala de la constelación trasladada cuando el número de bits por dos dimensiones de la segunda constelación es impar;

en el tercer nivel, mapear (2930) la tercera parte en símbolos de una tercera constelación sobre retículas Z2 o RZ2, configurada según la eficacia espectral deseada y realizar una transformación reticular (2940) de los símbolos mapeados, incluyendo la transformación reticular traslación, rotación de la constelación trasladada de 45 grados cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación configurada es impar y ajuste a escala;

sumar (2950) los símbolos transformados del primer, del segundo y del tercer nivel dando como resultado una constelación combinada sobre Z2 o RZ2;

realizar (2950) una transformación reticular de segunda fase de la constelación combinada para conseguir una constelación de media cero, incluyendo la transformación reticular de segunda fase rotación de la constelación de -45 grados cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación combinada es impar y una operación de módulo para limitar los símbolos de la constelación combinada a una constelación cuadrada sobre Z2 o RZ2; y

modular (2960) los símbolos codificados con la codificación por clases laterales de tres niveles usando una modulación de dominio de tiempo.

Método según la reivindicación 1, en el que los códigos BCH binarios segundo y tercero tienen el mismo polinomio primitivo.

Método según la reivindicación 1, que comprende además una etapa de, basándose en una eficacia espectral deseada, seleccionar el número de bits por dos dimensiones de cada nivel y adaptar las transformaciones reticulares aplicando dicha rotación de la constelación cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación combinada es impar y no aplicando la rotación en caso contrario.

Método según la reivindicación 1, en el que

el primer codificador BCH genera palabras de código con 2044 bits basándose en 1637 bits de información de entrada, y/o

el segundo codificador BCH genera palabras de código con 2044 bits basándose en 2022 bits de información de entrada, y/o

el tercer codificador BCH genera palabras de código con 1022 bits basándose en 1000 bits de información de entrada.

Método según la reivindicación 1, en el que la modulación de dominio de tiempo es M-PAM y

la transformación reticular de primera fase ^ i ^ viene dada por:

A', (7)0) = A'u (0(a'u (OO)) con

res(2-n»(/).2)

y

A'M(/>W = ^(x + (i + y)(2r',`(,>1-i))

donde I indica el nivel, x es un número complejo, nb(l) indica el número de bits por dimensión en el nivel /-----

' J ~ y res indica un resto después de una división de número entero.

Método según la reivindicación 1, que comprende además una etapa de precodificación de Tomlinson- Harashima aplicada a los símbolos modulados.

Método para recibir y decodificar una señal digital codificada mediante un método de codificación según la reivindicación 1 y recibida a través de una fibra óptica de plástico, comprendiendo el método las etapas de:

demodular (3420) la señal digital codificada con una modulación de dominio de tiempo para obtener palabras de código de símbolos y transformarlas (3430) con una transformación reticular inversa,

decodificar los simbolos demodulados y transformados con un decodificador de tres fases que incluye las etapas de:

extraer (3440) una primera parte de una palabra de código aplicando transformación reticular inversa, decisión firme de QPSK y, después, una operación de módulo a un símbolo demodulado;

decodificar (3440) en una primera fase la primera parte con un primer decodificador BCH y, basándose en la primera parte decodificada, seleccionar una primera clase lateral;

extraer (3450) una segunda parte aplicando transformación reticular inversa, decisión firme de QPSK o BPSK y, después, una operación de módulo a un símbolo obtenido sustrayendo la primera parte decodificada del símbolo demodulado;

decodificar (3450) en una segunda fase la segunda parte con un segundo o tercer decodificador BCH y, basándose en la segunda parte decodificada, seleccionar una segunda clase lateral;

obtener (3460) una tercera parte sustrayendo las clases laterales primera y segunda decodificadas del símbolo demodulado, aplicando transformación reticular inversa, decisión firme de Z2 o RZ2 y, después, una operación de módulo;

y multiplexar (3470) la primera, segunda y tercera parte decodificada,

en el que en la segunda fase se proporcionan el segundo código BCH y el tercer código BCH, en el que el tercer código BCH tiene una longitud de palabra de código menor que la longitud de palabra de código del primer y del segundo código BCH, y el tercer código BCH tiene sustancialmente la misma velocidad de código que el segundo código BCH.

Aparato para codificar datos digitales para su transmisión a través de una fibra óptica de plástico (150), comprendiendo el aparato:

un codificador por clases laterales de múltiples niveles (510) para codificar datos digitales de entrada mediante una codificación por clases laterales de tres niveles que incluye:

un demultiplexor (610) para separar de los datos digitales de entrada una primera parte, una segunda parte y una tercera parte de datos, cada una con un número predeterminado de bits seleccionables en función de una eficacia espectral deseada;

un primer codificador BCH (620a) que codifica la primera parte de datos con un primer código BCH en un primer nivel;

un segundo codificador BCH (620b) en un segundo nivel, en el que el segundo codificador BCH está adaptado para codificar la segunda parte con o bien un segundo o bien un tercer código BCH previstos

ambos en el segundo codificador BCH, en el que el tercer código BCH tiene una longitud de palabra de código menor que la longitud de palabra de código del primer y del segundo código BCH, y el tercer código BCH tiene sustancialmente la misma velocidad de código que el segundo código BCH;

un primer mapeador (630a) en el primer nivel para mapear la primera parte codificada en símbolos de una primera constelación QPSK y realizar una transformación reticular (640a) de los símbolos mapeados para conseguir una división en clases laterales, incluyendo la transformación reticular traslación y ajuste a escala;

un segundo mapeador (630b) en el segundo nivel para mapear la segunda parte codificada en símbolos de una segunda constelación predefinida usando un mapeo QPSK o BPSK dependiendo de si se usó el segundo o el tercer código BCH y realizar una transformación reticular (640b) de los símbolos mapeados para conseguir una división en clases laterales, incluyendo la transformación reticular traslación, rotación de 45 grados y ajuste a escala de la constelación trasladada cuando el número de bits por dos dimensiones de la segunda constelación es impar;

un tercer mapeador (630c) en el tercer nivel para mapear la tercera parte en símbolos de una tercera constelación predefinida sobre las retículas Z2 o RZ2, configurable según la eficacia espectral deseada y realizar una transformación reticular (640c) de los símbolos mapeados, incluyendo la transformación reticular traslación, rotación de la constelación trasladada de 45 grados cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación configurada es impar y ajuste a escala;

un sumador (650) para sumar los símbolos transformados del primer, del segundo y del tercer nivel dando como resultado una constelación combinada sobre Z2 o RZ2, y

una unidad de transformación (660) para realizar una transformación reticular de segunda fase de la constelación combinada para conseguir una constelación de media cero, incluyendo la transformación reticular de segunda fase rotación de la constelación de -45 grados cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación combinada es impar y una operación de módulo para limitar los símbolos de la constelación combinada a una constelación cuadrada sobre Z2 o RZ2; y

un modulador (670) para modular los símbolos codificados con la codificación por clases laterales de tres niveles usando una modulación de dominio de tiempo.

Aparato según la reivindicación 8, en el que los códigos BCH binarios segundo y tercero (620b) tienen el mismo polinomio primitivo.

Aparato según la reivindicación 8, que comprende además un selector para, basándose en una eficacia espectral deseada, seleccionar el número de bits por dos dimensiones de cada nivel y adaptar las transformaciones reticulares aplicando dicha rotación de la constelación cuando el número de bits por dos dimensiones de la constelación combinada es impar y no aplicando la rotación en caso contrario.

Aparato según la reivindicación 8, en el que

el primer codificador BCH genera palabras de código con 2044 bits basándose en 1637 bits de información de entrada, y/o

el segundo codificador BCH genera palabras de código con 2044 bits basándose en 2022 bits de información de entrada, y

el tercer codificador BCH genera palabras de código con 1022 bits basándose en 1000 bits de información de entrada.

Aparato según la reivindicación 8, en el que el primer (630a), el segundo (630b) y/o el tercer (630c) mapeador está configurado para aplicar la transformación reticular de primera fase A<49 que viene dada por:

A'1(/)(x) = A'1i2(/)(aíu(/)(x))

^J A',,(/)(x) = + (l + y)(2r"*t'>1 -1))

donde I indica el nivel, x es un número complejo, nb(l) Indica el número de bits por dimensión en el nivel I, y = V-T y pes ¡ndica un resto después de una división de número entero, y

el modulador (670) es un modulador M-PAM.

Aparato según la reivindicación 8, que comprende además un precodificador de Tomlinson-Harashima (530) para precodificar los símbolos modulados por el modulador.

Aparato para recibir y decodificar una señal digital codificada con un aparato según la reivindicación 8 y recibida a través de una fibra óptica de plástico (150), comprendiendo el aparato:

un demodulador (3010) para demodular la señal digital codificada con una modulación de dominio de tiempo para obtener palabras de código de símbolos,

una unidad de transformación para transformar (3020) los símbolos demodulados con una transformación reticular inversa;

un decodificador de múltiples fases para decodificar los símbolos demodulados y transformados, teniendo el decodificador de múltiples fases tres fases y comprendiendo además:

un primer extractor para extraer una primera parte de una palabra de código aplicando una retícula inversa, decisión firme de QPSK y, después, una transformación (3030a) y una operación de módulo (3050a) a un símbolo demodulado;

un primer decodificador BCH (3070a) para decodificar en una primera fase la primera parte y, basándose en la primera parte decodificada, seleccionar una primera clase lateral;

un segundo extractor para extraer una segunda parte aplicando una transformación reticular inversa (3030b), decisión firme de QPSK o BPSK y, después, una operación de módulo (3050b) a un símbolo obtenido sustrayendo la primera parte decodificada del símbolo demodulado;

un segundo y un tercer decodificador BCH en una segunda fase que aplican un segundo código BCH y un tercer código BCH respectivos, en el que el tercer código BCH tiene una longitud de palabra de código menor que la longitud de palabra de código del primer y del segundo código BCH, y el tercer código BCH tiene sustancialmente la misma velocidad de código que el segundo código BCH;

un decodificador (3070b) para decodificar en una segunda fase la segunda parte con el segundo o el tercer decodificador BCH y, basándose en la segunda parte decodificada, seleccionar una segunda dase lateral;

un tercer extractor para obtener una tercera parte sustrayendo las clases laterales primera y segunda decodificadas del símbolo demodulado, aplicando una transformadón reticular inversa, decisión firme de Z2 o RZ2 (3030c) y, después, una operación de módulo (3050c); y

un multiplexor (3080) para multiplexar la primera, segunda y tercera parte decodificada.

Circuito integrado que implementa un aparato según la reivindicación 8.